Переворот в сейсмологии? Классическая модель трения под вопросом

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

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).
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.

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

Детальное изучение мозга чемпиона по памяти раскрыло нейробиологию его трюков

Рабочая память человека имеет свои физиологические ограничения. Исторически в когнитивной психологии этот предел описывался формулой «семь плюс-минус два элемента». Вы можете легко удержать в...

Эффект странника: как навыки ориентации в пространстве породили у человека геометрическое мышление

Со времен Платона геометрия считалась высшим проявлением абстрактного мышления. В диалоге «Менон» философ просит необразованного мальчика-раба удвоить площадь квадрата — и тот, опираясь...

Каньон Антилопы: почему он самый извилистый и фотогеничный в мире

В Аризоне, на землях индейцев навахо, находится место, любимое фотографами со всего мира. Каньон Антилопы вы наверняка хоть раз видели на заставке своего компьютера. Microsoft вносила его виды в...

Почему кофе и чай бодрят: взгляд с точки зрения науки

Вы когда-нибудь замечали, что после чашки кофе фокусировка внимания резко обостряется, но уже через полчаса ясность мысли начинает неумолимо угасать? Эти «американские горки» связаны с конкретными...

Как гора выше Эвереста остаётся невидимой: 75% высоты Мауна-Кеа скрыто океаном

Говоря о горных вершинах, достигающих наибольших высот, невозможно не вспомнить об Эвересте. Эта гора возносится в небо на 8848 метров над уровнем моря, и этот рекорд закреплён в школьных учебниках...