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L'uso di singoli cristalli di calcite con rugosità superficiale variabile consente agli ingegneri di semplificare la complessa fisica che descrive il movimento della faglia. In un nuovo studio dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, i ricercatori mostrano come questa semplificazione possa portare a una migliore previsione dei terremoti.
Gli scienziati descrivono il comportamento delle faglie utilizzando modelli basati su studi osservazionali che tengono conto dei coefficienti di attrito di rocce e minerali. Queste equazioni "rate-and-state" calcolano la forza della faglia, che ha implicazioni per la forza e la frequenza dei terremoti. Tuttavia, l'applicazione di questi modelli empirici alla previsione dei terremoti non è pratica a causa del numero di variabili uniche da considerare per ciascuna faglia, incluso l'effetto dell'acqua.
Lo studio, guidato dalla professoressa di ingegneria civile e ambientale Rosa Espinosa-Marzal, esamina la relazione tra l'attrito e la rugosità superficiale della calcite, uno dei minerali più comuni che formano le rocce nella crosta terrestre, per formulare un approccio più teorico alla definizione del tasso -e-leggi statali.
I risultati sono pubblicati negli Proceedings of National Academy of Sciences .
"Il nostro obiettivo è esaminare i processi su scala nanometrica che possono innescare il movimento delle faglie", ha affermato Binxin Fu, uno studente laureato CEE e il primo autore dello studio. "I processi che indaghiamo su scala nanometrica sono meno complessi dei processi su scala macro. Per questo motivo, miriamo a utilizzare osservazioni microscopiche per colmare il divario tra i mondi su scala nanometrica e su scala macro per descrivere il comportamento dei guasti utilizzando una complessità minore".
La rugosità di un cristallo minerale dipende principalmente dalla sua struttura atomica. Tuttavia, i ricercatori hanno affermato che le rocce nelle zone di contatto vengono raschiate, disciolte e ricotte mentre si sfregano l'una sull'altra, influenzando anche la loro struttura su scala nanometrica.
Per testare in che modo la rugosità minerale su scala nanometrica può influenzare il comportamento della faglia, il team ha preparato cristalli di calcite atomicamente lisci e ruvidi in ambienti asciutti e umidi per simulare rocce secche e quelle contenenti acqua dei pori. La microscopia a forza atomica ha misurato l'attrito trascinando una minuscola punta di silicio montata a pressione su diverse superfici cristalline esposte a condizioni di zona di faglia simulate:superficie bagnata e calcite liscia; superficie bagnata e calcite ruvida; superficie asciutta e calcite liscia; e superficie asciutta con calcite ruvida.
"L'attrito può aumentare o diminuire con la velocità di scorrimento a seconda dei tipi di minerali e dell'ambiente", ha affermato Espinosa-Marzal. "Abbiamo scoperto che nella calcite, l'attrito aumenta tipicamente con la velocità di scorrimento lungo le superfici minerali più ruvide, e ancora di più in presenza di acqua. Utilizzando i dati di un tipo minerale così comune e un numero limitato di scenari di contatto, riduciamo la complessità dell'analisi e fornire una comprensione fondamentale delle equazioni tasso-stato."
Il team ha confrontato i suoi risultati sperimentali con studi condotti in ambienti naturali con rocce contenenti calcite a livelli crostali poco profondi.
"I nostri risultati concordano con uno studio recente che mostra che l'acqua riduce la forza della faglia rispetto alle condizioni asciutte", ha affermato Espinosa-Marzal. "I nostri risultati sono coerenti anche con un altro studio che mostra che i terremoti a bassa frequenza tendono a verificarsi lungo le faglie bagnate, suggerendo che la diminuzione dell'attrito, causata dall'acqua, potrebbe essere un meccanismo per i terremoti lenti in alcuni ambienti".
Questo progresso può aiutare i sismologi a ridefinire le leggi sulla velocità e lo stato per determinare dove si sta accumulando lo stress nella crosta e fornire indizi su dove e quando potrebbero verificarsi futuri terremoti.
Il team riconosce che ci sono ancora molti altri fattori da considerare, tra cui la temperatura e l'influenza di altri minerali crostali comuni come il quarzo e la mica. I ricercatori intendono incorporare queste variabili nei modelli futuri. + Esplora ulteriormente
