Ingenjörer vid Duke University har tagit fram en modell som kan förutsäga de tidiga mekaniska beteendena och ursprunget till en jordbävning i flera typer av berg. Modellen ger nya insikter om oobserverbara fenomen som utspelar sig miles under jordens yta under otroliga tryck och temperaturer, och kan hjälpa forskare att bättre förutsäga jordbävningar – eller till och med, åtminstone teoretiskt, försök att stoppa dem.

Resultaten visas online den 17 januari i tidskriften Naturkommunikation .

"Jordbävningar har sitt ursprung längs förkastningslinjer djupt under jorden där extrema förhållanden kan orsaka kemiska reaktioner och fasövergångar som påverkar friktionen mellan stenar när de rör sig mot varandra, sa Hadrien Rattez, en forskare inom civil- och miljöteknik vid Duke. "Vår modell är den första som exakt kan återskapa hur mängden friktion minskar när hastigheten på bergglidningen ökar och alla dessa mekaniska fenomen släpps lös."

I tre decennier, Forskare har byggt maskiner för att simulera ett fel genom att trycka och vrida två stenskivor mot varandra. Dessa experiment kan nå tryck på upp till 1450 pund per kvadrattum och hastigheter på en meter per sekund, vilket är den snabbaste underjordiska stenar kan resa. För en geologisk referenspunkt, den tektoniska plattan i Stilla havet rör sig med cirka 0,00000000073 meter per sekund.

"När det gäller markrörelse, dessa hastigheter på en meter per sekund är otroligt snabba, " sa Manolis Veveakis, biträdande professor i civil- och miljöteknik vid Duke. "Och kom ihåg att friktion är synonymt med motstånd. Så om motståndet sjunker till noll, objektet kommer att röra sig abrupt. Det här är en jordbävning."

I dessa experiment, ytan på stenarna börjar antingen förvandlas till en slags gel eller smälta, sänker friktionskoefficienten mellan dem och gör deras rörelse lättare. Det är välkänt att när hastigheten på dessa stenar i förhållande till varandra ökar till en meter per sekund, friktionen mellan dem faller som en sten, Du kanske säger, oavsett typ. Men tills nu, ingen hade skapat en modell som exakt kunde återge dessa beteenden.

I tidningen, Rattez och Veveakis beskriver en beräkningsmodell som tar hänsyn till energibalansen för alla de komplicerade mekaniska processer som äger rum under felrörelser. De innehåller försvagningsmekanismer orsakade av värme som är gemensamma för alla typer av berg, såsom mineralnedbrytning, nanopartikelsmörjning och smältning när berget genomgår en fasförändring.

Efter att ha kört alla sina simuleringar, forskarna fann att deras nya modell exakt förutsäger fallet i friktion som är förknippat med hela området av förkastningshastigheter från experiment på alla tillgängliga bergarter inklusive halit, silikat och kvarts.

Eftersom modellen fungerar bra för så många olika typer av sten, det verkar vara en generell modell som kan appliceras på de flesta situationer, som kan avslöja ny information om uppkomsten av jordbävningar. Även om forskare inte helt kan återskapa förutsättningarna för ett fel, modeller som denna kan hjälpa dem att extrapolera till högre tryck och temperaturer för att få en bättre förståelse för vad som händer när ett fel byggs upp mot en jordbävning.

"Modellen kan ge fysisk mening till observationer som vi vanligtvis inte kan förstå, ", sa Rattez. "Det ger mycket information om de fysiska mekanismerna som är involverade, som energin som krävs för olika fasövergångar."

"Vi kan fortfarande inte förutse jordbävningar, men sådana studier är nödvändiga steg vi måste ta för att nå dit, " sade Veveakis. "Och i teorin, om vi kunde störa ett fel, vi kan spåra dess sammansättning och ingripa innan den blir instabil. Det är vad vi gör med jordskred. Men, självklart, fellinjer är 20 miles under jord, och vi har för närvarande inte borrkapaciteten för att gå dit."