Ученые стали лучше предсказывать, где будут происходить землетрясения, но они все еще в неведении относительно того, когда они произойдут и насколько разрушительными они будут.
В поисках подсказок, которые помогут им лучше понять землетрясения, ученые из Пенсильванского университета изучают явление, называемое старением. При старении чем дольше материалы находятся в контакте друг с другом, тем больше усилий требуется для их перемещения. Это сопротивление называется статическим трением. Чем дольше что-то, например неисправность, находится в неподвижном состоянии, тем больше накапливается статическое трение и тем сильнее становится неисправность.
Даже когда разлом остается неподвижным, тектоническое движение все еще происходит; напряжение накапливается в разломе по мере смещения плит, пока, наконец, они не сместятся настолько, что превысят силу трения покоя и начнут скользить. Поскольку разлом со временем становился все сильнее, напряжение может возрасти до больших уровней, и затем высвобождается огромное количество энергии в виде мощного землетрясения.
«Этот механизм старения имеет решающее значение в основе нестабильного поведения разломов, которые приводят к землетрясениям», - сказал Роберт Карпик, профессор Джона Генри Тауна и заведующий кафедрой машиностроения и прикладной механики в Инженерной и инженерной школе Пенна. Прикладная наука. «Если бы у вас не было старения, то разлом двигался бы очень легко, и поэтому вы могли бы получать гораздо более мелкие землетрясения, которые происходили бы чаще, или, может быть, даже просто плавное движение. Старение приводит к возникновению редких сильных землетрясений, которые могут быть разрушительными.."
Ученые десятилетиями изучали движение разломов и старение геологических материалов на макроуровне, создавая феноменологические теории и модели для описания своих экспериментальных результатов. Но есть проблема с этими моделями.
"Модели не являются фундаментальными, не имеют физической основы, а это означает, что мы не можем вывести эти модели из фундаментальной физики", - сказал Кайвен Тиан, аспирант Школы искусств и наук Университета Пенна.
Но проект в Пенсильвании направлен на изучение трения горных пород с более физической точки зрения в наномасштабе.
В своей последней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи подтвердили первую фундаментальную теорию, описывающую старение и объясняющую, что происходит при увеличении нагрузки.
Исследование провели Тиан и Карпик. Дэвид Голдсби, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде Пенсильванского университета; Изабела Шлуфарска, профессор материаловедения и инженерии Университета Висконсин-Мэдисон; выпускник UW Юн Лю; и Нитья Госвами, ныне доцент кафедры прикладной механики ИИТ Дели, также внесли свой вклад в исследование.
Предыдущая работа группы показала, что статическое трение имеет логарифмическую зависимость от времени. Это означает, что если материалы находятся в контакте в 10 раз дольше, то сила трения, необходимая для их перемещения, удваивается. В то время как ученые наблюдали такое поведение горных пород и геологических материалов в макроскопическом масштабе, эти исследователи наблюдали его в наномасштабе.
В этом новом исследовании исследователи варьировали нормальную силу воздействия на материалы, чтобы выяснить, как нагрузка влияет на поведение при старении.
"Это очень важный вопрос, потому что нагрузка может иметь два эффекта", - сказал Тиан. «Если вы увеличиваете нагрузку, вы увеличиваете площадь контакта. Это также может повлиять на местное давление».
Чтобы изучить это, исследователи использовали атомно-силовой микроскоп, чтобы исследовать прочность сцепления в месте соприкосновения двух поверхностей. Они использовали оксид кремния, потому что он является основным компонентом многих каменных материалов. Использование небольшого наноразмерного наконечника АСМ гарантирует, что интерфейс состоит из одной точки контакта, что упрощает оценку напряжений и площади контакта.
Они привели наноразмерный наконечник из оксида кремния в контакт с образцом оксида кремния и удерживали его там. По прошествии достаточного количества времени они сдвинули наконечник и измерили силу, необходимую для начала скольжения. Карпик сказал, что это аналогично тому, как поставить блок на пол, дать ему постоять некоторое время, а затем толкнуть его и измерить, какое усилие требуется, чтобы блок начал двигаться.
Они наблюдали, что происходило, когда они сильнее давили в нормальном направлении, увеличивая нагрузку. Они обнаружили, что удвоили нормальную силу, а затем удвоили и требуемую силу трения.
Чтобы объяснить это, нужно было очень внимательно изучить механизм, приводящий к увеличению силы трения.
«Ключ, - сказал Карпик, - заключается в том, что мы показали в наших результатах, как зависимость силы трения от времени выдержки и зависимость силы трения от нагрузки сочетаются. Это согласуется с моделью, которая предполагает, что сила трения увеличивается, потому что на границе раздела образуются химические связи, поэтому количество этих связей увеличивается со временем. А когда мы нажимаем сильнее, мы увеличиваем площадь контакта между наконечником и образцом, в результате чего трение увеличивается с нормальной силой».
До этого исследования было высказано предположение, что более сильное давление также может способствовать более легкому формированию этих связей.
Исследователи обнаружили, что это не так: в хорошем приближении увеличение нормальной силы просто увеличивает количество контактов и количество мест, где атомы могут реагировать.
В настоящее время группа изучает, что происходит, когда наконечник находится на образце в течение очень короткого промежутка времени. Раньше они рассматривали время удержания от одной десятой секунды до целых 100 секунд. Но теперь они рассматривают шкалы времени даже короче одной десятой секунды.
Глядя на очень короткие временные рамки, они могут получить представление о деталях энергетики химических связей, чтобы увидеть, могут ли одни связи образовываться легко, а другие требуют больше времени для образования. Изучение связей, которые формируются легко, важно, потому что они формируются первыми и могут дать представление о том, что происходит в самом начале контакта.
В дополнение к лучшему пониманию землетрясений эта работа может привести к созданию более эффективных наноустройств. Поскольку многие микро- и наноустройства сделаны из кремния, понимание трения является ключом к более плавной работе этих устройств.
Но самое главное, исследователи надеются, что где-то в будущем лучшее понимание старения позволит им предсказывать, когда произойдут землетрясения.
«Места землетрясений можно довольно хорошо предсказать, - сказал Карпик, - но когда произойдет землетрясение, предсказать очень трудно, и это в значительной степени связано с отсутствием физического понимания механизмов трения, стоящих за землетрясением». землетрясений. Нам предстоит пройти долгий путь, чтобы связать эту работу с землетрясениями. Однако эта работа дает нам более фундаментальное представление о механизме, стоящем за этим старением, и в долгосрочной перспективе мы думаем, что такого рода идеи могут помочь нам предсказывать землетрясения и другие фрикционные явления лучше."