研究產生了對地震理解的新尺度

研究產生了對地震理解的新尺度

研究人員在一項新的研究中說，納米級的水、摩擦和礦物化學關係的知識可能有助於更好地理解地震動力學。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的工程師們利用微觀摩擦測量來確定，在適當的條件下，某些岩石可以溶解，並可能導致斷層滑動。

發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上的這項研究，仔細考察了水和方解石(一種在地殼中非常常見的礦物)在不同的壓力和地下水成分下如何相互作用，以影響斷層沿線的摩擦力。

「水在這些系統中無處不在，」土木與環境工程教授羅莎·埃斯皮諾-瑪扎爾(Rosa espinosaosaosaosasa - marzal)說。在礦物的表面和岩石礦物顆粒之間的孔隙中都有水。這一點在含鈣岩石中尤為明顯，因為水對礦物質的親和力。

根據研究人員的說法，其他的研究已經將水的存在與斷層運動和地震聯繫起來，但是確切的機制仍然難以捉摸。這種觀察在水力壓裂開採的地區尤為普遍——這一過程需要大量的水。

這項研究集中在富含鈣質的岩石上，在斷層表面存在著鹽水——自然形成的鹹水。沿斷層滑動的岩石表面並不光滑。研究人員對岩石表面天然存在的微小缺陷或不均勻性進行了放大，這種不均勻性被稱為「邊緣」，當兩個表面相互滑動時，摩擦和磨損就產生了。

「斷裂岩石的化學和物理性質以及這些系統的力學條件是多變和複雜的，在回答這些問題時很難考慮到每個細節，」espinosaosaosasa - marzal說。「因此，為了幫助理解水在斷層動力學中的作用，我們研究了一個縮小的，簡化的模型，通過檢查單個方解石晶體上的單層結構。」

在實驗中，研究小組將方解石晶體浸入不同濃度的鹽水中，並對其施加不同的壓力，以模擬自然的斷層設置。一旦晶體與溶液達到平衡，他們就用原子力顯微鏡把一個有硅尖的小手臂拖過晶體來測量摩擦的變化。

在大多數實驗中，研究人員首先發現了他們所期望的:當施加在晶體上的壓力增加時，將尖端拖過晶體表面變得更加困難。然而，當它們向某個點增加壓力時，尖端移動得足夠慢時，尖端開始更容易地滑過晶體。

「這告訴我們，在更高的壓力下，這種微小的粗糙發生了一些事情，導致了摩擦的減少，」研究生和合著者Yijue Diao說。「原子力顯微鏡也能讓我們對晶體表面成像，我們可以看到凹槽的尺寸增大，證實方解石在壓力下溶解了。」溶解的礦物和水是好的潤滑劑，從而導致觀察到的單一粗糙接觸的減弱。

「這表明，諸如此類的研究值得在未來的工作中認真考慮，」espinosasa - marzal說。研究人員承認，與這項研究相關的問題還有很多。然而，他們的研究表明，某些鹽水-方解石的相互作用，在施加的應力作用下，誘導溶解，並降低了單粗糙度的摩擦強度。

「我們的研究還表明，通過有意改變富含鈣質岩石的地區的滷水成分，有可能降低地震風險。」這種考慮在水力壓裂正在發生的地區可能是有益的，但這一概念需要更仔細的研究，」espinosasa - marzal說。

「作為一個在納米尺度上工作的年輕科學家，我從來沒有想過地震動力學會是我將要研究的東西，」刁說。「然而，我們在宏觀上已經學到了很多東西，像我們這樣的納米級研究可以揭示出許多大型自然現象的新見解。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！