Door enkelvoudige calcietkristallen met variërende oppervlakteruwheid te gebruiken, kunnen ingenieurs de complexe fysica vereenvoudigen die breukbeweging beschrijft. In een nieuwe studie van de University of Illinois Urbana-Champaign laten onderzoekers zien hoe deze vereenvoudiging kan leiden tot een betere voorspelling van aardbevingen.

Wetenschappers beschrijven foutgedrag met behulp van modellen die zijn gebaseerd op observatiestudies die de wrijvingscoëfficiënten van gesteenten en mineralen verklaren. Deze "rate-and-state" -vergelijkingen berekenen de foutsterkte, wat gevolgen heeft voor de sterkte en frequentie van aardbevingen. Het toepassen van deze empirische modellen op aardbevingsvoorspelling is echter niet praktisch vanwege het aantal unieke variabelen waarmee rekening moet worden gehouden voor elke fout, inclusief het effect van water.

De studie, geleid door Rosa Espinosa-Marzal, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek, kijkt naar de relatie tussen wrijving en de oppervlakteruwheid van calciet - een van de meest voorkomende gesteentevormende mineralen in de aardkorst - om een ​​meer theoretische benadering te formuleren voor het definiëren van snelheid -en staatswetten.

De bevindingen zijn gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Ons doel is om de processen op nanoschaal te onderzoeken die foutbewegingen kunnen veroorzaken", zegt Binxin Fu, een afgestudeerde CEE-student en de eerste auteur van het onderzoek. "De processen die we op nanoschaal onderzoeken zijn minder complex dan processen op macroschaal. Daarom willen we microscopische waarnemingen gebruiken om de kloof tussen de nanoschaal en de macroschaal te overbruggen om foutgedrag te beschrijven met minder complexiteit."

De ruwheid van een mineraal kristal hangt voornamelijk af van de atomaire structuur. De onderzoekers zeiden echter dat de rotsen in contactzones worden geschraapt, opgelost en uitgegloeid terwijl ze langs elkaar wrijven, wat ook hun textuur op nanoschaal beïnvloedt.

Om te testen hoe minerale ruwheid op nanoschaal het breukgedrag kan beïnvloeden, heeft het team atomair gladde en ruwe calcietkristallen in droge en natte omgevingen voorbereid om droge rotsen en die met poriewater te simuleren. Atoomkrachtmicroscopie mat wrijving door een kleine, onder druk gemonteerde siliciumpunt over verschillende kristaloppervlakken te slepen die zijn blootgesteld aan gesimuleerde breukzone-omstandigheden:nat oppervlak en glad calciet; nat oppervlak en ruw calciet; droog oppervlak en glad calciet; en droog oppervlak met ruw calciet.

"Wrijving kan toenemen of afnemen met de glijsnelheid, afhankelijk van de mineraalsoorten en de omgeving", zei Espinosa-Marzal. "We ontdekten dat wrijving in calciet doorgaans toeneemt met de glijsnelheid langs ruwere minerale oppervlakken - en zelfs meer in de aanwezigheid van water. Door gegevens van zo'n veelvoorkomend mineraaltype en een beperkt aantal contactscenario's te gebruiken, verminderen we de complexiteit van de analyse en bieden een fundamenteel begrip van de rate-and-state-vergelijkingen."

Het team vergeleek de experimentele resultaten met studies uit natuurlijke omgevingen met calciethoudend gesteente op ondiepe korstniveaus.

"Onze resultaten komen overeen met een recente studie die aantoont dat water de foutsterkte verlaagt in vergelijking met droge omstandigheden," zei Espinosa-Marzal. "Onze bevindingen komen ook overeen met een andere studie die aantoont dat laagfrequente aardbevingen vaak voorkomen langs natte breuken, wat suggereert dat verminderde wrijving - veroorzaakt door water - in sommige omgevingen een mechanisme kan zijn voor langzame aardbevingen."

Deze vooruitgang kan seismologen helpen bij het herdefiniëren van snelheids- en toestandswetten om te bepalen waar spanning zich opbouwt in de korst - en aanwijzingen geven over waar en wanneer toekomstige aardbevingen kunnen plaatsvinden.

Het team erkent dat er nog veel andere factoren zijn waarmee rekening moet worden gehouden, waaronder temperatuur en de invloed van andere veel voorkomende aardkorstmineralen zoals kwarts en mica. De onderzoekers zijn van plan deze variabelen in toekomstige modellen op te nemen. + Verder verkennen

Studie levert een nieuwe schaal van aardbevingsbegrip op