Strukturgeologen Michele Cooke kallar det "miljondollarfrågan" som ligger till grund för allt arbete i hennes laboratorium vid University of Massachusetts Amherst:vad händer djupt nere i jorden när det bildas halkafel i jordskorpan? Detta är den typ av fel som uppstår när två tektoniska plattor glider förbi varandra, genererar de energivågor som vi ibland känner som jordbävningar.

Geologer har varit osäkra på vilka faktorer som styr hur nya förkastningar växer, säger Cooke. Under de senaste åren har hon och kollegor erbjudit de första systematiska undersökningarna av en sådan förkastningsutveckling. I deras nya tidning, hon och hennes team av studenter ger experimentella resultat för att illustrera processen, med videor, och rapportera om hur de återskapar sådana händelser i våt lera i labbet. Detaljer visas i den aktuella onlineupplagan av Journal of Structural Geology .

Cooke säger, "När jag håller samtal med andra geologer lägger jag upp en bild på ett fel och frågar, skulle du inte älska att kunna se exakt hur det bildades? Väl, i mitt labb är det vad vi gör. Vi sätter upp förutsättningarna för fel i liten skala och ser hur de utvecklas. Folk har gjort detta förut, men vi har utvecklat metoder så att vi kan se fel växa i mycket, mycket fina detaljer, med en finare upplösning än någon har dokumenterat tidigare."

UMass Amherst-forskarna använder en mekanisk effektivitetsstrategi för att förstå felutveckling. Det sägs att fel i skorpan omorganiseras i enlighet med "arbetsoptimeringsprinciper", eller vad Cooke hänvisar till som "Lazy Earth"-hypotesen. Den fokuserar på felsystemens effektivitet när det gäller att omvandla ingående energi till rörelse längs felen. Som en blixt som slår det närmaste föremålet, vid bildandet av ett förkastning tar jorden den enklaste vägen.

För detta National Science Foundation-stödda arbete, forskarna laddar en bricka med kaolin, även känd som kina lera, förberedd så att dess viskositet och längd skala till jordskorpans. Alla experiment involverar två plattor av våt lera som rör sig i motsatta riktningar under ett av tre basgränsförhållanden, det är, olika sätt att "ladda" felet. Ett scenario börjar med ett redan existerande fel, en annan med lokal förskjutning under leran, och en tredje som kännetecknas av en förskjutning över en bredare skjuvningszon under leran.

Data från tvåtimmarsexperimenten registrerar töjningslokalisering och förkastningsutveckling som representerar miljontals år på en skala av tiotals kilometer under förkastningsmognad. Cooke säger, "Vi har fångat mycket olika förhållanden för förkastningsbildning i våra experiment som representerar en rad förhållanden som kan leda till förkastningar i skorpan."

Hon tillägger, "Vi fann att fel utvecklas för att öka kinematisk effektivitet under olika förhållanden, och vi lärde oss några överraskande saker på vägen. En av dem är att fel stängs av längs vägen. Vi misstänkte detta, men vårt experiment är det första som dokumenterar det i detalj. Ett annat särskilt överraskande fynd är att fel oegentligheter, som är ineffektiva, kvarstår snarare än att systemet bildar en rak, effektivt fel."

Författarna, som inkluderar doktorander Alex Hatem och Kevin Toeneboehn, identifiera fyra stadier i felutvecklingen:pre-faulting, lokalisering, länkage och slip. Processen börjar enkelt, avancerar till en topp av komplexitet, varefter komplexiteten plötsligt avtar och felet förenklas igen, förlängning till en "genomgående" eller kontinuerlig singel, ytspricka.

I videor av Hatem, skjuvtöjning ses tydligt förvränga skorpan längs området där två basplattor möts. I nästa skede utvecklas ett flertal echelonfel. Dessa är stegliknande frakturer parallella med varandra som dras i längdriktningen när belastningen ökar tills de plötsligt länkar samman. I det sista skedet, dessa förenas för att bilda ett slutligt enskilt fel. Cooke säger, "Vi var mycket glada över att se att delar av felen stängdes av när systemet omorganiserades, och även att oegentligheterna kvarstod längs med felen."

Ett intressant fynd, men inte en överraskning är att för det mesta alla fel gick igenom en liknande process. Cooke säger, "Vi testade de olika ytterligheterna men kom ut ur detta med en vanlig typ av evolution som är sant för alla. Om det inte redan finns ett fel, då ser du echelonfel, små förkastningar parallella med varandra men i vinkel mot skjuvningen. Förmodligen den mest insiktsfulla biten är detaljerna i felutvecklingen inom dessa ytterligheter. Det du sitter kvar med i slutet är ett långt fel med övergivna segment på båda sidor, vilket är något vi ser i fält hela tiden. Det är en trevlig bekräftelse på att våra laboratorieexperiment replikerar vad som händer inom jorden."

En annan insikt, forskarna säger, resultat från mätning av kinematisk eller geometrisk effektivitet, procenten av applicerad förskjutning uttryckt som glidning på felen. "Ett ineffektivt fel kommer att ha mindre glid och mer deformation runt zonerna, " Cooke förklarar. "Vi kan se det hända i experimenten och det stödjer tanken att fel utvecklas till att bli effektiva och jorden optimerar arbetet. Detta är den lata jorden; effektiviteten ökar även om felet blir mer komplext."

Slutligen tillägger geologen, "Vi såg att när felen så småningom kopplade ihop, de gör inte nödvändigtvis ett helt rakt fel. Det säger mig att oegentligheter kan kvarstå längs mogna fel på grund av materialet. Det är en inblick i hur man får ihållande oegentligheter som vi ser i den riktiga jordskorpan. Strukturgeologer är överraskade av oegentligheter, för om fel utvecklas för att minimera arbetet bör alla fel vara raka. Men vi har bevis nu som visar att dessa oegentligheter kvarstår. Vi har oregelbundna fel som är aktiva i miljontals år."