Conoscenza su nanoscala delle relazioni tra acqua, l'attrito e la chimica dei minerali potrebbero portare a una migliore comprensione della dinamica dei terremoti, ricercatori hanno detto in un nuovo studio. Gli ingegneri dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno utilizzato misurazioni microscopiche dell'attrito per confermare che, nelle giuste condizioni, alcune rocce possono dissolversi e possono far scivolare le faglie.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , esamina da vicino come l'acqua e la calcite, un minerale molto comune nella crosta terrestre, interagiscono a varie pressioni e composizioni delle acque sotterranee per influenzare le forze di attrito lungo le faglie.

"L'acqua è ovunque in questi sistemi, " disse Rosa Espinosa-Marzal, un professore di ingegneria civile e ambientale e coautore dello studio. "C'è acqua sulla superficie dei minerali e negli spazi dei pori tra i grani minerali nelle rocce. Ciò è particolarmente vero con le rocce contenenti calcite a causa dell'affinità dell'acqua con il minerale".

Secondo i ricercatori, altri studi hanno correlato la presenza di acqua con movimenti di faglia e terremoti, ma l'esatto meccanismo rimaneva sfuggente. Questa osservazione è particolarmente diffusa nelle aree in cui si svolgono operazioni di fracking, un processo che richiede molta acqua.

Lo studio si concentra su rocce ricche di calcite in presenza di salamoia, acque sotterranee salate presenti in natura, lungo le superfici di faglia. Le superfici rocciose che scorrono l'una sull'altra lungo le faglie non sono lisce. I ricercatori hanno ingrandito le piccole imperfezioni o irregolarità presenti in natura sulle superfici delle rocce, chiamate asperità, in cui l'attrito e l'usura si originano quando le due superfici scorrono l'una sull'altra.

"Le proprietà chimiche e fisiche delle rocce di faglia e le condizioni meccaniche in questi sistemi sono variabili e complesse, rendendo difficile prendere in considerazione ogni dettaglio quando si cerca di rispondere a questo tipo di domande, " Disse Espinosa-Marzal. "Allora, per aiutare a comprendere il ruolo dell'acqua nella dinamica delle faglie, abbiamo guardato in scala ridotta, modello semplificato esaminando singole asperità su singoli cristalli di calcite".

Per gli esperimenti, il team ha immerso i cristalli di calcite in soluzioni di salamoia a varie concentrazioni e li ha sottoposti a pressioni diverse per simulare un ambiente naturale di faglia. Una volta che i cristalli erano in equilibrio con la soluzione, hanno usato un microscopio a forza atomica per trascinare un minuscolo braccio con una punta di silicio, per simulare l'asperità, attraverso il cristallo per misurare i cambiamenti nell'attrito.

Nella maggior parte degli esperimenti, i ricercatori hanno prima scoperto ciò che si aspettavano:con l'aumentare della pressione applicata sui cristalli, divenne più difficile trascinare la punta sulla superficie del cristallo. Però, quando aumentavano la pressione fino a un certo punto e la punta veniva mossa abbastanza lentamente, la punta cominciò a scivolare più facilmente sul cristallo.

"Questo ci dice che è successo qualcosa a questa piccola asperità sotto pressioni più elevate che ha causato una diminuzione dell'attrito, " ha detto lo studente laureato e co-autore Yijue Diao. "Il microscopio a forza atomica ci consente anche di visualizzare la superficie del cristallo, e possiamo vedere che il solco è aumentato di dimensioni, confermando che la calcite si era dissolta sotto pressione. Il minerale disciolto e l'acqua hanno agito come un buon lubrificante, causando in tal modo l'indebolimento osservato del contatto a singola asperità."

"Ciò dimostra che studi come questi meritano una seria considerazione nel lavoro futuro, " Ha detto Espinosa-Marzal. I ricercatori riconoscono che ci sono ancora molte domande da affrontare relative a questa ricerca. Tuttavia, il loro lavoro dimostra che certe interazioni salamoia-calcite, sotto stress applicato, indurre la dissoluzione e diminuire la forza di attrito alla scala della singola asperità.

"La nostra ricerca suggerisce anche che potrebbe essere possibile mitigare il rischio sismico modificando di proposito la composizione della salamoia nelle aree che contengono rocce ricche di calcite. Questa considerazione potrebbe essere utile nelle aree in cui si sta verificando il fracking, ma questo concetto richiede un'indagine molto più attenta, " Disse Espinosa-Marzal.

"Come giovane scienziato che lavora su scala nanometrica, Non avrei mai pensato che la dinamica dei terremoti sarebbe stata il tipo di cosa su cui avrei fatto ricerche, "Diao ha detto. "Tuttavia, abbiamo imparato così tanto sulle cose su macroscala che studi su nanoscala come il nostro possono rivelare nuove intuizioni critiche su molti fenomeni naturali su larga scala".