Genom att använda enkla kalcitkristaller med varierande ytjämnhet kan ingenjörer förenkla den komplexa fysiken som beskriver felrörelser. I en ny studie från University of Illinois Urbana-Champaign visar forskare hur denna förenkling kan leda till bättre jordbävningsförutsägelser.

Forskare beskriver förkastningsbeteende med hjälp av modeller baserade på observationsstudier som redogör för friktionskoefficienterna för bergarter och mineraler. Dessa "hastighet-och-tillstånd"-ekvationer beräknar förkastningsstyrkan, vilket har konsekvenser för jordbävningens styrka och frekvens. Att tillämpa dessa empiriska modeller på jordbävningsförutsägelser är dock inte praktiskt på grund av antalet unika variabler som ska beaktas för varje fel, inklusive effekten av vatten.

Studien, ledd av civil- och miljöteknikprofessor Rosa Espinosa-Marzal, tittar på sambandet mellan friktion och ytråheten hos kalcit – ett av de vanligaste bergbildande mineralerna i jordskorpan – för att formulera en mer teoretisk metod för att definiera hastigheten -och statliga lagar.

Resultaten publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vårt mål är att undersöka processerna i nanoskala som kan utlösa felrörelser", säger Binxin Fu, en CEE-student och den första författaren till studien. "Processerna vi undersöker på nanoskala är mindre komplexa än processer i makroskala. På grund av detta strävar vi efter att använda mikroskopiska observationer för att överbrygga gapet mellan världarna i nanoskala och makroskala för att beskriva felbeteende med mindre komplexitet."

Grovheten hos en mineralkristall beror främst på dess atomstruktur. Men forskarna sa att stenarna i kontaktzoner skrapas, löses och glödgas när de gnuggar förbi varandra, vilket också påverkar deras nanoskala textur.

För att testa hur ojämn mineral i nanoskala kan påverka felbeteendet, förberedde teamet atomiskt släta och grova kalcitkristaller i torra och våta miljöer för att simulera torra stenar och de som innehåller porvatten. Atomkraftsmikroskopi mätte friktionen genom att dra en liten, tryckmonterad kiselspets över olika kristallytor utsatta för simulerade felzonförhållanden:våt yta och slät kalcit; våt yta och grov kalcit; torr yta och slät kalcit; och torr yta med grov kalcit.

"Friktion kan öka eller minska med glidhastigheten beroende på mineraltyperna och miljön," sa Espinosa-Marzal. "Vi fann att i kalcit ökar friktionen vanligtvis med glidhastigheten längs grövre mineralytor – och ännu mer i närvaro av vatten. Genom att använda data från en sådan vanlig mineraltyp och ett begränsat antal kontaktscenarier minskar vi analysens komplexitet och ge en grundläggande förståelse av hastighet-och-tillståndsekvationerna."

Teamet jämförde sina experimentella resultat med studier från naturliga miljöer med kalcitinnehållande berg på grunda jordskorpans nivåer.

"Våra resultat överensstämmer med en nyligen genomförd studie som visar att vatten sänker felstyrkan jämfört med torra förhållanden," sa Espinosa-Marzal. "Våra resultat stämmer också överens med en annan studie som visar att lågfrekventa jordbävningar tenderar att inträffa längs våta förkastningar, vilket tyder på att minskad friktion - orsakad av vatten - kan vara en mekanism för långsamma jordbävningar i vissa miljöer."

Detta framsteg kan hjälpa seismologer att omdefiniera hastighets- och tillståndslagar för att avgöra var stress byggs upp i skorpan – och ge ledtrådar om var och när framtida jordbävningar kan inträffa.

Teamet erkänner att det fortfarande finns många andra faktorer att ta hänsyn till, inklusive temperatur och påverkan av andra vanliga skorpmineraler som kvarts och glimmer. Forskarna planerar att införliva dessa variabler i framtida modeller. + Utforska vidare

Studien ger en ny skala av jordbävningsförståelse