Kennis op nanoschaal van de relaties tussen water, wrijving en minerale chemie kunnen leiden tot een beter begrip van de dynamiek van aardbevingen, zeiden onderzoekers in een nieuwe studie. Ingenieurs van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign gebruikten microscopische wrijvingsmetingen om te bevestigen dat, onder de juiste voorwaarden, sommige stenen kunnen oplossen en kunnen ervoor zorgen dat fouten wegglijden.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , onderzoekt nauwkeurig hoe water en calciet - een mineraal dat veel voorkomt in de aardkorst - bij verschillende drukken en grondwatersamenstellingen op elkaar inwerken om wrijvingskrachten langs breuken te beïnvloeden.

"Water is overal in deze systemen, " zei Rosa Espinosa-Marzal, een professor in civiele en milieutechniek en co-auteur van de studie. "Er is water op het oppervlak van mineralen en in de porieruimten tussen mineraalkorrels in gesteenten. Dit geldt vooral voor calciethoudende gesteenten vanwege de affiniteit van water met het mineraal."

Volgens de onderzoekers is andere studies hebben de aanwezigheid van water gecorreleerd met breukbewegingen en aardbevingen, maar het exacte mechanisme bleef ongrijpbaar. Deze observatie komt vooral voor in gebieden waar fracking-activiteiten plaatsvinden - een proces waarbij veel water nodig is.

De studie richt zich op calcietrijke rotsen in de aanwezigheid van pekel - natuurlijk voorkomend zout grondwater - langs breukvlakken. De rotsoppervlakken die langs breuken langs elkaar schuiven zijn niet glad. De onderzoekers zoomden in op de natuurlijk voorkomende kleine onvolkomenheden of oneffenheden op het oppervlak van rotsen, oneffenheden genoemd, waarbij wrijving en slijtage ontstaan ​​wanneer de twee oppervlakken langs elkaar schuiven.

"De chemische en fysische eigenschappen van defecte rotsen en mechanische omstandigheden in deze systemen zijn variabel en complex, waardoor het moeilijk is om met elk detail rekening te houden bij het beantwoorden van dit soort vragen, "zei Espinosa-Marzal. "Dus, om de rol van water in de breukdynamiek te helpen begrijpen, we keken naar een verkleinde, vereenvoudigd model door enkele oneffenheden op individuele calcietkristallen te onderzoeken."

Voor de experimenten, het team dompelde calcietkristallen onder in pekeloplossingen in verschillende concentraties en onderwierp ze aan verschillende drukken om een ​​natuurlijke foutinstelling te simuleren. Zodra de kristallen in evenwicht waren met de oplossing, ze gebruikten een atoomkrachtmicroscoop om een ​​kleine arm met een siliconenpunt te slepen - om de oneffenheid te simuleren - over het kristal om veranderingen in wrijving te meten.

In de meeste experimenten de onderzoekers vonden eerst wat ze verwachtten:naarmate de druk op de kristallen toenam, het werd moeilijker om de punt over het oppervlak van het kristal te slepen. Echter, toen ze de druk tot een bepaald punt opvoerden en de punt langzaam genoeg werd bewogen, de punt begon gemakkelijker over het kristal te glijden.

"Dit vertelt ons dat er iets is gebeurd met deze kleine oneffenheid onder hogere druk die een afname van de wrijving veroorzaakte, " zei afgestudeerde student en co-auteur Yijue Diao. "De atoomkrachtmicroscoop stelt ons ook in staat om het kristaloppervlak in beeld te brengen, en we kunnen zien dat de groef groter werd, bevestigend dat calciet onder druk was opgelost. Het opgeloste mineraal en water fungeerden als een goed smeermiddel, waardoor de waargenomen verzwakking van het contact met één scherpte wordt veroorzaakt."

"Dit toont aan dat studies zoals deze serieuze aandacht verdienen in toekomstig werk, " zei Espinosa-Marzal. De onderzoekers erkennen dat er nog veel vragen zijn die verband houden met dit onderzoek. hun werk toont aan dat bepaalde pekel-calciet interacties, onder toegepaste spanning, oplossen en verminderen de wrijvingssterkte op de single-asperity schaal.

"Ons onderzoek suggereert ook dat het mogelijk zou kunnen zijn om het risico op aardbevingen te verminderen door doelbewust de pekelsamenstellingen te veranderen in gebieden met calcietrijke rotsen. Deze overweging kan gunstig zijn in gebieden waar fracking plaatsvindt, maar dit concept vereist veel nauwkeuriger onderzoek, ' zei Espinosa-Marzal.

"Als jonge wetenschapper die op nanoschaal werkt, Ik had nooit gedacht dat aardbevingsdynamiek iets zou zijn dat ik zou onderzoeken, "Zei Diao. "Echter, we hebben zoveel geleerd over dingen op macroschaal dat onderzoeken op nanoschaal zoals de onze nieuwe kritische inzichten kunnen onthullen in veel grootschalige natuurlijke fenomenen."