Beobachtungen im Nanomaßstab vereinfachen die Beschreibung von Erdbebenbewegungen durch Wissenschaftler

Durch die Verwendung einzelner Calcitkristalle mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit können Ingenieure die komplexe Physik vereinfachen, die die Verwerfungsbewegung beschreibt. In einer neuen Studie der University of Illinois Urbana-Champaign zeigen Forscher, wie diese Vereinfachung zu einer besseren Erdbebenvorhersage führen kann.

Wissenschaftler beschreiben das Störungsverhalten mit Modellen, die auf Beobachtungsstudien basieren, die die Reibungskoeffizienten von Gesteinen und Mineralien berücksichtigen. Diese „Rate-and-State“-Gleichungen berechnen die Fehlerstärke, die Auswirkungen auf die Erdbebenstärke und -häufigkeit hat. Die Anwendung dieser empirischen Modelle auf die Erdbebenvorhersage ist jedoch nicht praktikabel, da für jede Verwerfung eine Reihe von eindeutigen Variablen zu berücksichtigen sind, einschließlich der Wirkung von Wasser.

Die von der Bau- und Umweltingenieurprofessorin Rosa Espinosa-Marzal geleitete Studie untersucht die Beziehung zwischen Reibung und der Oberflächenrauheit von Calcit – einem der häufigsten gesteinsbildenden Mineralien in der Erdkruste –, um einen eher theoretischen Ansatz zur Definition der Geschwindigkeit zu formulieren -und Landesgesetze.

Die Ergebnisse werden im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Unser Ziel ist es, die nanoskaligen Prozesse zu untersuchen, die eine Verwerfungsbewegung auslösen können“, sagte Binxin Fu, ein CEE-Doktorand und Erstautor der Studie. „Die Prozesse, die wir im Nanomaßstab untersuchen, sind weniger komplex als Prozesse im Makromaßstab. Aus diesem Grund wollen wir mit mikroskopischen Beobachtungen die Lücke zwischen der Welt im Nano- und im Makromaßstab schließen, um das Fehlerverhalten mit weniger Komplexität zu beschreiben.“

Die Rauheit eines Mineralkristalls hängt in erster Linie von seiner atomaren Struktur ab. Die Forscher sagten jedoch, dass die Gesteine ​​​​in Kontaktzonen abgeschabt, aufgelöst und geglüht werden, wenn sie aneinander vorbei reiben, was auch ihre nanoskalige Textur beeinträchtigt.

Um zu testen, wie mineralische Rauheit im Nanomaßstab das Fehlerverhalten beeinflussen kann, präparierte das Team atomar glatte und raue Calcitkristalle in trockenen und nassen Umgebungen, um trockene Gesteine ​​und solche mit Porenwasser zu simulieren. Rasterkraftmikroskopie maß die Reibung, indem eine winzige, druckmontierte Siliziumspitze über verschiedene Kristalloberflächen gezogen wurde, die simulierten Störungszonenbedingungen ausgesetzt waren: nasse Oberfläche und glatter Calcit; nasse Oberfläche und rauer Calcit; trockene Oberfläche und glatter Calcit; und trockene Oberfläche mit grobem Calcit.

„Die Reibung kann je nach Mineralart und Umgebung mit der Gleitgeschwindigkeit zunehmen oder abnehmen“, sagte Espinosa-Marzal. „Wir haben festgestellt, dass die Reibung in Calcit typischerweise mit der Gleitgeschwindigkeit entlang rauerer Mineraloberflächen zunimmt – und noch mehr in Gegenwart von Wasser. Indem wir Daten von einem so häufigen Mineraltyp und einer begrenzten Anzahl von Kontaktszenarien verwenden, reduzieren wir die Komplexität der Analyse und liefern ein grundlegendes Verständnis der Rate-and-State-Gleichungen.“

Das Team verglich seine experimentellen Ergebnisse mit Studien aus natürlichen Umgebungen mit kalzithaltigem Gestein in flachen Krustenebenen.

„Unsere Ergebnisse stimmen mit einer kürzlich durchgeführten Studie überein, die zeigt, dass Wasser die Verwerfungsstärke im Vergleich zu trockenen Bedingungen verringert“, sagte Espinosa-Marzal. „Unsere Ergebnisse stimmen auch mit einer anderen Studie überein, die zeigt, dass niederfrequente Erdbeben dazu neigen, entlang nasser Verwerfungen aufzutreten, was darauf hindeutet, dass eine verringerte Reibung – verursacht durch Wasser – in einigen Umgebungen ein Mechanismus für langsame Erdbeben sein könnte.“

Dieser Fortschritt könnte Seismologen helfen, Geschwindigkeits- und Zustandsgesetze neu zu definieren, um festzustellen, wo sich Spannungen in der Kruste aufbauen – und Hinweise darauf zu geben, wo und wann zukünftige Erdbeben auftreten können.

Das Team erkennt an, dass noch viele andere Faktoren zu berücksichtigen sind, darunter die Temperatur und der Einfluss anderer üblicher Krustenmineralien wie Quarz und Glimmer. Die Forscher planen, diese Variablen in zukünftige Modelle einzubeziehen.