Erdbebenforscher glaubten jahrzehntelang, dass die Gesteinsreibung innerhalb von Verwerfungslinien einem einfachen Zusammenhang mit der Temperatur folgt.
Allerdings eine neue Studie veröffentlicht durch die Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von USC schlägt etwas anderes vor. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene zugrunde liegende Mechanismen den Reibungswiderstand von Verwerfungen beeinflussen, was ein gemeinsames Verständnis der seismischen Aktivität unter Forschern in Frage stellt.
„Die klassische Sichtweise der Verwerfungsreibung war schon immer, dass sich die Verwerfungsreibung kontinuierlich mit der Temperatur entwickelt“, sagte Sylvain Barbot, außerordentlicher Professor für Geowissenschaften am USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences. „Aber meine Studie zeigt, dass ein direkter Effekt der Reibung weitgehend unabhängig von der Temperatur ist, bis hin zum Übergang eines Gesteins von spröde zu halbspröde, wo sich die Temperatureffekte drastisch ändern.“
Spröder Übergang
Die Forschung wurde mit Daten aus Experimenten mit verschiedenen Gesteinsarten, darunter Granit, Basalt und Olivin, unter Bedingungen durchgeführt, die denen tief in der Erde nachahmen. Barbot fand heraus, dass beim Übergang von Gestein von spröde zu halbspröde eine Veränderung stattfindet, die für das Verständnis der Gesteinsmechanik und -geologie von entscheidender Bedeutung ist.
Bildnachweis: University of Southern California
Im spröden Zustand verformen sich Gesteine und zersetzen sich durch Brüche und Verwerfungen. Im halbspröden Zustand weisen Gesteine eine Kombination aus spröder und duktiler Verformung auf. Dabei handelt es sich um den Prozess, bei dem Gesteine ihre Form dauerhaft ändern, indem sie unter Belastung „fließen“ oder „biegen“.
„Im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen des Reibungsverhaltens von Gesteinen habe ich herausgefunden, dass der direkte Effekt der Reibung nicht immer mit der Temperatur korreliert“, sagte Barbot. Stattdessen kommt es beim Übergang zum halbspröden Verhalten zu abrupten Änderungen der Gesteinsreibung. „Das bedeutet, dass wir die grundlegende Grundlage der Verwerfungsmechanik überdenken müssen, die bei der Vorhersage der seismischen Aktivität von Erdbeben verwendet wird.“
Erdbebenverhalten überdenken
Im Zusammenhang mit Gesteinsreibungsstudien bezieht sich der direkte Effekt der Reibung auf die unmittelbare Änderung der Reibung als Reaktion auf eine plötzliche Änderung der Gleitgeschwindigkeit, wenn sich zwei feste Oberflächen entlang einer Verwerfung oder eines Bruchs relativ zueinander bewegen.
Die meisten Reibungstheorien basieren auf der Annahme, dass die Geschwindigkeit, mit der sich zwei Oberflächen relativ zueinander bewegen, kontinuierlich von der Temperatur abhängt. Barbots Studie stellt die bisher angenommene Abhängigkeit der thermischen Aktivierung in Frage, die eine Überarbeitung der Vorhersagemodelle der Verwerfungsreibung erfordert, um Erdbeben genau vorherzusagen.
Der nächste Schritt dieser Forschung besteht darin, das Verständnis der Fehlerreibung weiter zu verfeinern. Barbot sagte: „Bei Einbeziehung in physikbasierte Modelle des seismischen Zyklus hat jede Verfeinerung, die wir entdecken, das Potenzial, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Erdbebengefahrenbewertungen und langfristigen Vorhersagen zu verbessern.“
Weitere Informationen:
Sylvain Barbot, Steigt die direkte Wirkung der Reibung kontinuierlich mit der absoluten Temperatur?, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2405111121