Переворот в сейсмологии? Классическая модель трения под вопросом

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Землетрясения — грозное явление природы, механизмы которого до сих пор до конца не изучены. Одним из ключевых аспектов, определяющих динамику землетрясений, является трение в зонах разломов. Долгое время ученые полагались на классическую модель, основанную на термической активации скольжения микронеровностей. Однако последние исследования ставят под сомнение ее универсальность.

Классическая модель, широко используемая в научном сообществе, предполагает, что вероятность скольжения по микронеровностям подчиняется закону Аррениуса, а «прямой эффект» — параметр, определяющий влияние скорости скольжения на силу трения, — непрерывно возрастает с абсолютной температурой.

Сейсмическая активность, вольная интепретация
Сейсмическая активность, вольная интепретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Однако, как показывает анализ лабораторных данных, полученных в различных условиях (гидротермальных, барометрических и литологических), прямой эффект для конкретного механизма деформации остается практически неизменным при изменении температуры. Смещение прямого эффекта зачастую совпадает с переходом от хрупкого к полухрупкому разрушению, при котором действуют разные механизмы деформации.

Это открытие ставит под сомнение справедливость классической модели и требует пересмотра существующих представлений о трении горных пород. Реалистичные модели должны учитывать вклад множественных механизмов деформации, действующих в активных зонах разломов.

Эволюция параметра прямого эффекта в зависимости от температуры для преимущественно одного механизма деформации для (A) аугита (64 здесь и далее см. основное исследование) и (B) горнбленда (65) в трехосном сдвиге при нормальном напряжении 100 МПа, (C) сухого гранита Вестерли в однократном прямом сдвиге при 5 МПа (66), (D и E) сланцев Сычуаньского бассейна при 30 МПа и 55 МПа, соответственно, в трехосной постановке (67); Затем следуют природные образцы из (F) продольного долинного разлома на Тайване (образец LVF34) (68), Альпийского разлома в Новой Зеландии при (G) постоянном эффективном нормальном напряжении 80 МПа (69) и (H) изменяющемся нормальном напряжении (70); из пояса Шиманто в Японии при (I) низком и (J) высоком давлении поровой жидкости; затем (K) природные образцы из обсерватории разлома Сан-Андреас на глубине (71). Уменьшение дисперсии (VR, где andindindicate - сумма квадратов остатков и лабораторных измерений, соответственно) эталонной и альтернативной моделей с постоянным параметром прямого эффекта написано черным и красным текстом, соответственно. Предсказания модели для эталонной модели и альтернативной модели с одним механизмом деформации показаны красной и черной линиями, соответственно. (L) Гистограмма остатков по эталонной модели (красный цвет) и гистограмма остатков по альтернативной модели, в которой параметр прямого воздействия принимает постоянное значение (сплошная черная линия).
Эволюция параметра прямого эффекта в зависимости от температуры для преимущественно одного механизма деформации для (A) аугита (64 здесь и далее см. основное исследование) и (B) горнбленда (65) в трехосном сдвиге при нормальном напряжении 100 МПа, (C) сухого гранита Вестерли в однократном прямом сдвиге при 5 МПа (66), (D и E) сланцев Сычуаньского бассейна при 30 МПа и 55 МПа, соответственно, в трехосной постановке (67); Затем следуют природные образцы из (F) продольного долинного разлома на Тайване (образец LVF34) (68), Альпийского разлома в Новой Зеландии при (G) постоянном эффективном нормальном напряжении 80 МПа (69) и (H) изменяющемся нормальном напряжении (70); из пояса Шиманто в Японии при (I) низком и (J) высоком давлении поровой жидкости; затем (K) природные образцы из обсерватории разлома Сан-Андреас на глубине (71). Уменьшение дисперсии (VR, где andindindicate — сумма квадратов остатков и лабораторных измерений, соответственно) эталонной и альтернативной моделей с постоянным параметром прямого эффекта написано черным и красным текстом, соответственно. Предсказания модели для эталонной модели и альтернативной модели с одним механизмом деформации показаны красной и черной линиями, соответственно. (L) Гистограмма остатков по эталонной модели (красный цвет) и гистограмма остатков по альтернативной модели, в которой параметр прямого воздействия принимает постоянное значение (сплошная черная линия).
Автор: Sylvain Barbot; Does the direct effect of friction increase continuously with absolute temperature?; Proceedings of the National Academy of Sciences; doi: 10.1073/pnas.2405111121 CC-BY 4.0 Источник: www.pnas.org
Альтернативная модель, учитывающая разнообразие механизмов

В качестве альтернативы классической модели предлагается рассматривать вклад нескольких механизмов деформации (например, гранулярного потока, катаклаза, образования сколов Риделя и локализованной пластичности). Каждый механизм характеризуется собственными показателями степенной зависимости и термодинамическими параметрами.

Ограничения на скорость и температурные ступени на термодинамические свойства трения по желобку. (A) Лабораторные наблюдения для сухой кварцевой стружки (41) (черная линия) и наилучшие предсказания, основанные на эталонной модели (красная линия). Эталонная модель дает только прямое влияние изменения температуры, но не переходную эволюцию. (B) Лабораторные наблюдения (черная линия) и предсказания альтернативной модели (уравнение 15) с использованием одного механизма деформации (красная линия), отражающей прямое и переходное влияние на изменение скорости и температуры. (C) Наложенные скорость и температура.
Ограничения на скорость и температурные ступени на термодинамические свойства трения по желобку. (A) Лабораторные наблюдения для сухой кварцевой стружки (41) (черная линия) и наилучшие предсказания, основанные на эталонной модели (красная линия). Эталонная модель дает только прямое влияние изменения температуры, но не переходную эволюцию. (B) Лабораторные наблюдения (черная линия) и предсказания альтернативной модели (уравнение 15) с использованием одного механизма деформации (красная линия), отражающей прямое и переходное влияние на изменение скорости и температуры. (C) Наложенные скорость и температура.
Автор: Sylvain Barbot; Does the direct effect of friction increase continuously with absolute temperature?; Proceedings of the National Academy of Sciences; doi: 10.1073/pnas.2405111121 CC-BY 4.0 Источник: www.pnas.org

В зависимости от температуры, нормального напряжения и скорости скольжения тот или иной механизм может преобладать. Переход от хрупкого к полухрупкому разрушению, сопровождающийся резким увеличением прямого эффекта, наблюдается в экспериментах при повышении температуры, давления и наличии флюидов.

Механический отклик на изменение скорости с участием различных механизмов деформации. (A) Деформация влажной оливиновой выколотки показывает отклик, зависящий от скорости скольжения и состояния при 200C, и отклик, зависящий от скорости при 300C (82). (B) Сухой оливин демонстрирует аналогичный сдвиг в механизме деформации между 600C и 1 000C (78). (C) Базальтовая выколотка демонстрирует аналогичный сдвиг в поведении между 150C и 500C (89). Экспериментальные данные показаны черным цветом, а предсказания с использованием уравнений 13 и 15 с параметрами, приведенными в таблицах S4-S6 Приложения SI, показаны красным цветом (74, 82).
Механический отклик на изменение скорости с участием различных механизмов деформации. (A) Деформация влажной оливиновой выколотки показывает отклик, зависящий от скорости скольжения и состояния при 200C, и отклик, зависящий от скорости при 300C (82). (B) Сухой оливин демонстрирует аналогичный сдвиг в механизме деформации между 600C и 1 000C (78). (C) Базальтовая выколотка демонстрирует аналогичный сдвиг в поведении между 150C и 500C (89). Экспериментальные данные показаны черным цветом, а предсказания с использованием уравнений 13 и 15 с параметрами, приведенными в таблицах S4-S6 Приложения SI, показаны красным цветом (74, 82).
Автор: Sylvain Barbot; Does the direct effect of friction increase continuously with absolute temperature?; Proceedings of the National Academy of Sciences; doi: 10.1073/pnas.2405111121 CC-BY 4.0 Источник: www.pnas.org
Последствия для науки о землетрясениях

Пересмотр классической модели трения имеет важные последствия для понимания динамики землетрясений. Моделирование сейсмического цикла и оценка сейсмической опасности, основанные на устаревших представлениях, могут быть неточными.

Дальнейшие исследования, направленные на изучение влияния давления поровой жидкости и литологии на трение горных пород, необходимы для создания более полной картины. Это позволит разработать универсальную модель, учитывающую все факторы, определяющие поведение горных пород в зонах разломов.

Понимание механизмов трения — ключ к созданию более точных прогнозов землетрясений и разработке эффективных мер по снижению рисков, связанных с этим грозным явлением.

2 комментария

Z
Наконец-то интересная статья. Спасибо.
114723859073838744906@google
Не там ребята ищут! Все гораздо проще и интересней! А на этом уровне полезного краткосрочного прогноза не получить!

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Что, если облака Венеры или камни Марса обитаемы? Найден единственный след, который не способна скрыть ни одна форма жизни

Все современные программы поиска жизни в космосе опираются на земной опыт. Космические агентства ищут планеты, которые находятся на комфортном расстоянии от своих звезд, где температура позволяет...

Уборка космоса отменяется: почему «орбитальные мусоровозы» не спасут нас от космического мусора

С декабря 2024 по май 2025 года спутники группировки Starlink выполнили 144 404 маневра уклонения от потенциальных столкновений. Согласно отчетам компании SpaceX для Федеральной комиссии по связи...

Земля сама себя подставила: почему сильнейшую за 20 лет магнитную бурю на 90% создало не Солнце

В середине мая 2024 года на Земле произошла крупнейшая за два десятилетия геомагнитная буря. Серия мощных выбросов плазмы из солнечной короны достигла нашей планеты 10 мая и вызвала...

В детстве вы осознавали мир глубже, чем сегодня: ученые выяснили, куда уходит острота восприятия

В возрасте 5 или 6 лет любое событие окружающего мира вызывает у человека сильный отклик и воспринимается во всех подробностях. Ребенок, который еще не знаком с законами физики и метеорологии,...

Остров Буве: можно пересечь океан и так и не сойти на берег

Экспедицию готовили два года. Двадцать участников, судно с вертолётами, оборудование и бюджет около 750 тысяч долларов. В начале 2018 года команда добралась морем до острова Буве. Оставалось...

На Гавайи завезли непальских фазанов, и они спровоцировали распространение инвазивной банановой маракуйи

В 1962 году на гавайском ранчо Пуу Вааваа выпустили 67 непальских фазанов. Вид планировали разводить в качестве новой дичи для охоты. Однако спустя десятилетия Служба национальных парков США...