Structureel geoloog Michele Cooke noemt het de 'miljoen dollar vraag' die ten grondslag ligt aan al het werk in haar laboratorium aan de Universiteit van Massachusetts Amherst:wat gebeurt er diep in de aarde als er zich in de aardkorst breuken vormen? Dit is het type fout dat optreedt wanneer twee tektonische platen langs elkaar schuiven, het genereren van de energiegolven die we soms voelen als aardbevingen.

Geologen zijn onzeker over de factoren die bepalen hoe nieuwe fouten groeien, zegt Cook. In de afgelopen jaren hebben zij en collega's de eerste systematische verkenningen van een dergelijke foutevolutie aangeboden. In hun nieuwe krant zij en haar team van studenten leveren experimentele resultaten om het proces te illustreren, met video's, en rapporteren over hoe ze dergelijke gebeurtenissen in natte klei in het laboratorium naspelen. Details verschijnen in de huidige online editie van Tijdschrift voor structurele geologie .

Cooke zegt, "Als ik met andere geologen praat, plaats ik een foto van een fout en vraag:zou je niet graag willen zien hoe dat precies gevormd is? We zullen, in mijn lab is dat wat we doen. We zetten de voorwaarden voor breuken op kleine schaal op en kijken toe hoe ze zich ontvouwen. Mensen hebben dit eerder gedaan, maar we hebben methoden ontwikkeld zodat we fouten kunnen zien groeien in zeer, zeer fijne details, met een fijnere resolutie dan iemand ooit heeft gedocumenteerd."

De UMass Amherst-onderzoekers gebruiken een mechanische efficiëntiebenadering om de ontwikkeling van fouten te begrijpen. Het stelt dat fouten in de korst zich reorganiseren in overeenstemming met de principes van "werkoptimalisatie", of wat Cooke de 'Lazy Earth'-hypothese noemt. Het richt zich op de effectiviteit van breuksystemen bij het omzetten van ingevoerde energie in beweging langs de breuken. Als bliksem die het dichtstbijzijnde object raakt, bij het vormen van een breuk neemt de aarde de gemakkelijkste weg.

Voor dit door de National Science Foundation gesteunde werk, de onderzoekers laden een dienblad met kaolien, ook bekend als porseleinaarde, zodanig bereid dat de viscositeit en lengteschaal overeenkomen met die van de aardkorst. Alle experimenten hebben betrekking op twee plakken natte klei die in tegengestelde richtingen bewegen onder een van de drie basisrandvoorwaarden, dat is, verschillende manieren om de fout te "laden". Eén scenario begint met een reeds bestaande fout, een andere met gelokaliseerde verplaatsing onder de klei, en een derde die wordt gekenmerkt door een verplaatsing over een bredere afschuifzone onder de klei.

Gegevens van de twee uur durende experimenten registreren de lokalisatie van de spanning en de evolutie van de fouten die miljoenen jaren vertegenwoordigen op de schaal van tientallen kilometers tijdens de rijping van de strike-slip fout. Cooke zegt, "We hebben in onze experimenten heel verschillende omstandigheden voor breukvorming vastgelegd die een reeks omstandigheden vertegenwoordigen die breuken in de korst kunnen veroorzaken."

Zij voegt toe, "We ontdekten dat fouten evolueren om de kinematische efficiëntie onder verschillende omstandigheden te verhogen, en we leerden onderweg enkele verrassende dingen. Een daarvan is dat storingen onderweg worden uitgeschakeld. We vermoedden dit, maar ons experiment is het eerste dat het in detail documenteert. Een andere bijzonder verrassende bevinding is dat foutonregelmatigheden, die inefficiënt zijn, aanhouden in plaats van dat het systeem een ​​straight vormt, efficiënte fout."

De auteurs, waaronder afgestudeerde studenten Alex Hatem en Kevin Toeneboehn, identificeer vier stadia in foutevolutie:pre-faulting, lokalisatie, koppeling en slip. Het proces begint eenvoudig, gaat naar een hoogtepunt van complexiteit, waarna de complexiteit plotseling wegvalt en de fout weer vereenvoudigt, verlengen tot een "doorgaande" of continue single, oppervlakte barst.

In video's van Hatem, schuifspanning is duidelijk te zien om de korst te vervormen langs het gebied waar twee basisplaten samenkomen. In de volgende fase ontwikkelen zich tal van echelonfouten. Dit zijn stapvormige breuken evenwijdig aan elkaar die in de lengte worden getrokken naarmate de spanning toeneemt totdat ze plotseling met elkaar verbonden zijn. In de laatste fase, deze voegen zich samen om een ​​laatste enkele fout te vormen. Cooke zegt, "We waren erg opgewonden om te zien dat delen van de fouten werden uitgeschakeld toen het systeem werd gereorganiseerd, en ook dat de onregelmatigheden aanhielden langs de fouten."

Een interessante bevinding, maar geen verrassing is dat voor het grootste deel alle fouten een soortgelijk proces hebben doorlopen. Cooke zegt, "We hebben de verschillende uitersten getest, maar kwamen hieruit met een gemeenschappelijk soort evolutie die voor iedereen geldt. Als er nog geen fout is, dan zie je echelonfouten, kleine fouten evenwijdig aan elkaar maar onder een hoek met de afschuiving. Waarschijnlijk het meest inzichtelijke deel zijn de details van foutevolutie binnen die uitersten. Wat je aan het einde overhoudt, is een lange fout met aan weerszijden verlaten segmenten, dat is iets wat we de hele tijd in het veld zien. Het is een mooie bevestiging dat onze laboratoriumexperimenten nabootsen wat er in de aarde gaande is."

Nog een inzicht, zeggen de onderzoekers, resultaten van het meten van de kinematische of geometrische efficiëntie, het percentage toegepaste verplaatsing uitgedrukt als slip op de fouten. "Een inefficiënte fout heeft minder slip en meer vervorming rond de zones, Cooke legt uit. "We kunnen het zien gebeuren in de experimenten en het ondersteunt het idee dat fouten evolueren om efficiënt te worden en de aarde het werk optimaliseert. Dit is de luie aarde; de efficiëntie neemt toe, ook al wordt de fout complexer."

Tenslotte voegt de geoloog toe:"We zagen dat wanneer de fouten uiteindelijk samenkomen, ze maken niet per se een perfect rechte fout. Dat zegt me dat onregelmatigheden kunnen blijven bestaan ​​langs volwassen fouten vanwege het materiaal. Het is een inzicht in hoe je hardnekkige onregelmatigheden krijgt die we in de echte aardkorst zien. Structuurgeologen worden verrast door onregelmatigheden, want als fouten evolueren om het werk te minimaliseren, dan zouden alle fouten recht moeten zijn. Maar we hebben nu bewijs om aan te tonen dat deze onregelmatigheden aanhouden. We hebben onregelmatige fouten die miljoenen jaren actief zijn."