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
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.
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).
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.