Ingenieurs van Duke University hebben een model bedacht dat het vroege mechanische gedrag en de oorsprong van een aardbeving in meerdere soorten gesteente kan voorspellen. Het model biedt nieuwe inzichten in niet-waarneembare verschijnselen die zich kilometers onder het aardoppervlak afspelen onder ongelooflijke druk en temperaturen, en zou onderzoekers kunnen helpen aardbevingen beter te voorspellen - of zelfs, althans theoretisch proberen ze te stoppen.

De resultaten verschijnen op 17 januari online in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Aardbevingen ontstaan ​​langs breuklijnen diep onder de grond waar extreme omstandigheden chemische reacties en faseovergangen kunnen veroorzaken die de wrijving tussen rotsen beïnvloeden als ze tegen elkaar bewegen, " zei Hadrien Rattez, een onderzoekswetenschapper in civiele en milieutechniek bij Duke. "Ons model is het eerste dat nauwkeurig kan reproduceren hoe de hoeveelheid wrijving afneemt naarmate de snelheid van het wegglijden van de rots toeneemt en al deze mechanische verschijnselen worden losgelaten."

Gedurende drie decennia, onderzoekers hebben machines gebouwd om de omstandigheden van een fout te simuleren door twee stenen schijven tegen elkaar te duwen en te draaien. Deze experimenten kunnen drukken tot 1450 pond per vierkante inch en snelheden van één meter per seconde bereiken, dat is de snelste ondergrondse rotsen kunnen reizen. Voor een geologisch referentiepunt, de tektonische plaat in de Stille Oceaan beweegt met ongeveer 0.00000000073 meter per seconde.

"In termen van grondbewegingen, deze snelheden van één meter per seconde zijn ongelooflijk snel, " zei Manolis Veveakis, assistent-professor civiele en milieutechniek aan Duke. "En onthoud dat wrijving synoniem is met weerstand. Dus als de weerstand tot nul daalt, het object zal abrupt bewegen. Dit is een aardbeving."

Bij deze experimenten het oppervlak van de rotsen begint ofwel in een soort gel te veranderen of te smelten, het verlagen van de wrijvingscoëfficiënt tussen hen en het vergemakkelijken van hun beweging. Het is algemeen bekend dat als de snelheid van deze rotsen ten opzichte van elkaar toeneemt tot één meter per seconde, de wrijving tussen hen daalt als een rots, je zou kunnen zeggen, ongeacht het type. Maar tot nu toe, niemand had een model gemaakt dat dit gedrag nauwkeurig kon reproduceren.

In de krant, Rattez en Veveakis beschrijven een rekenmodel dat rekening houdt met de energiebalans van alle gecompliceerde mechanische processen die plaatsvinden tijdens breukbeweging. Ze bevatten verzwakkingsmechanismen veroorzaakt door hitte die alle soorten gesteente gemeen hebben, zoals afbraak van mineralen, nanodeeltjes smering en smelten als het gesteente een faseverandering ondergaat.

Nadat ze al hun simulaties hebben uitgevoerd, de onderzoekers ontdekten dat hun nieuwe model nauwkeurig de daling van de wrijving voorspelt die verband houdt met het hele bereik van breuksnelheden uit experimenten op alle beschikbare steensoorten, waaronder haliet, silicaat en kwarts.

Omdat het model goed werkt voor zoveel verschillende soorten gesteente, het lijkt een algemeen model te zijn dat op de meeste situaties kan worden toegepast, die nieuwe informatie over de oorsprong van aardbevingen kan onthullen. Hoewel onderzoekers de omstandigheden van een fout niet volledig kunnen nabootsen, modellen zoals deze kunnen hen helpen te extrapoleren naar hogere drukken en temperaturen om een ​​beter begrip te krijgen van wat er gebeurt als een breuk zich ophoopt in de richting van een aardbeving.

"Het model kan fysieke betekenis geven aan waarnemingen die we normaal niet kunnen begrijpen, " zei Rattez. "Het geeft veel informatie over de betrokken fysieke mechanismen, zoals de energie die nodig is voor verschillende faseovergangen."

"We kunnen nog steeds geen aardbevingen voorspellen, maar dergelijke studies zijn noodzakelijke stappen die we moeten nemen om daar te komen, "zei Veveakis. "En in theorie, als we een storing zouden kunnen verstoren, we kunnen de samenstelling volgen en ingrijpen voordat het onstabiel wordt. Dat doen we met aardverschuivingen. Maar, natuurlijk, breuklijnen zijn 20 mijl onder de grond, en we hebben momenteel niet de boorcapaciteit om daarheen te gaan."