Nanoskala kunskap om förhållandet mellan vatten, friktion och mineralkemi kan leda till en bättre förståelse av jordbävningsdynamik, sa forskare i en ny studie. Ingenjörer vid University of Illinois i Urbana-Champaign använde mikroskopiska friktionsmätningar för att bekräfta att, under rätt förutsättningar, vissa stenar kan lösas upp och kan orsaka att förkastningar glider.

Studien, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , undersöker noga hur vatten och kalcit – ett mineral som är mycket vanligt i jordskorpan – interagerar vid olika tryck och grundvattensammansättningar för att påverka friktionskrafter längs förkastningar.

"Vatten finns överallt i dessa system, sa Rosa Espinosa-Marzal, en civil- och miljöteknikprofessor och medförfattare till studien. "Det finns vatten på ytan av mineraler och i porutrymmena mellan mineralkorn i bergarter. Detta gäller särskilt med kalcithaltiga bergarter på grund av vattnets affinitet till mineralet."

Enligt forskarna, andra studier har korrelerat förekomsten av vatten med förkastningsrörelser och jordbävningar, men den exakta mekanismen förblev svårfångad. Denna observation är särskilt utbredd i områden där fracking pågår - en process som involverar mycket vatten.

Studien fokuserar på kalcitrika bergarter i närvaro av saltlake - naturligt förekommande salt grundvatten - längs förkastningsytor. Bergytorna som glider förbi varandra längs förkastningar är inte släta. Forskarna zoomade in på de naturligt förekommande små bristerna eller ojämnheterna på stenarnas ytor, kallade asperiteter, vid vilken friktion och slitage uppstår när de två ytorna glider förbi varandra.

"De kemiska och fysikaliska egenskaperna hos förkastade bergarter och mekaniska förhållanden i dessa system är varierande och komplexa, gör det svårt att ta hänsyn till varje detalj när man försöker svara på den här typen av frågor, " sa Espinosa-Marzal. "Så, för att hjälpa till att förstå vattnets roll i feldynamiken, vi tittade på en förminskad, förenklad modell genom att undersöka enskilda ojämnheter på individuella kalcitkristaller."

För experimenten, teamet nedsänkte kalcitkristaller i saltlösningar i olika koncentrationer och utsatte dem för olika tryck för att simulera en naturlig felinställning. När kristallerna väl var i jämvikt med lösningen, de använde ett atomkraftsmikroskop för att dra en liten arm med en kiselspets – för att simulera asperiteten – över kristallen för att mäta förändringar i friktion.

I de flesta av experimenten, forskarna hittade först vad de förväntade sig:När trycket på kristallerna ökade, det blev svårare att dra spetsen över kristallens yta. Dock, när de ökade trycket till en viss punkt och spetsen flyttades tillräckligt långsamt, spetsen började glida lättare över kristallen.

"Detta talar om för oss att något har hänt med denna lilla asperity under högre tryck som orsakade en minskning av friktion, " sa doktorand och medförfattare Yijue Diao. "Atomkraftsmikroskopet tillåter oss också att avbilda kristallytan, och vi kan se att spåret ökade i storlek, bekräftar att kalcit hade lösts upp under tryck. Det lösta mineralet och vattnet fungerade som ett bra smörjmedel, vilket därigenom orsakar den observerade försvagningen av kontakten med enkel asperitet."

"Detta visar att studier som dessa kräver allvarliga överväganden i framtida arbete, " sa Espinosa-Marzal. Forskarna erkänner att det fortfarande finns många frågor att ta upp relaterade till denna forskning. deras arbete visar att vissa saltlake-kalcit-interaktioner, under applicerad stress, inducera upplösning och minska friktionshållfastheten vid enkel-asperitetsskalan.

"Vår forskning tyder också på att det kan vara möjligt att mildra jordbävningsrisken genom att avsiktligt ändra saltlösningssammansättningar i områden som innehåller kalcitrika bergarter. Detta övervägande kan vara fördelaktigt i områden där fracking äger rum, men detta koncept kräver mycket mer noggrann undersökning, " sa Espinosa-Marzal.

"Som en ung forskare som arbetar på nanoskala, Jag trodde aldrig att jordbävningsdynamik skulle vara den typ av sak jag skulle forska på, " sa Diao. "Men, vi har lärt oss så mycket om saker i makroskala att studier i nanoskala som vår kan avslöja nya kritiska insikter om många storskaliga naturfenomen."