研究产生了对地震理解的新尺度

研究产生了对地震理解的新尺度

研究人员在一项新的研究中说，纳米级的水、摩擦和矿物化学关系的知识可能有助于更好地理解地震动力学。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的工程师们利用微观摩擦测量来确定，在适当的条件下，某些岩石可以溶解，并可能导致断层滑动。

发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的这项研究，仔细考察了水和方解石(一种在地壳中非常常见的矿物)在不同的压力和地下水成分下如何相互作用，以影响断层沿线的摩擦力。

“水在这些系统中无处不在，”土木与环境工程教授罗莎·埃斯皮诺-玛扎尔(Rosa espinosaosaosaosasa - marzal)说。在矿物的表面和岩石矿物颗粒之间的孔隙中都有水。这一点在含钙岩石中尤为明显，因为水对矿物质的亲和力。

根据研究人员的说法，其他的研究已经将水的存在与断层运动和地震联系起来，但是确切的机制仍然难以捉摸。这种观察在水力压裂开采的地区尤为普遍——这一过程需要大量的水。

这项研究集中在富含钙质的岩石上，在断层表面存在着盐水——自然形成的咸水。沿断层滑动的岩石表面并不光滑。研究人员对岩石表面天然存在的微小缺陷或不均匀性进行了放大，这种不均匀性被称为“边缘”，当两个表面相互滑动时，摩擦和磨损就产生了。

“断裂岩石的化学和物理性质以及这些系统的力学条件是多变和复杂的，在回答这些问题时很难考虑到每个细节，”espinosaosaosasa - marzal说。“因此，为了帮助理解水在断层动力学中的作用，我们研究了一个缩小的，简化的模型，通过检查单个方解石晶体上的单层结构。”

在实验中，研究小组将方解石晶体浸入不同浓度的盐水中，并对其施加不同的压力，以模拟自然的断层设置。一旦晶体与溶液达到平衡，他们就用原子力显微镜把一个有硅尖的小手臂拖过晶体来测量摩擦的变化。

在大多数实验中，研究人员首先发现了他们所期望的:当施加在晶体上的压力增加时，将尖端拖过晶体表面变得更加困难。然而，当它们向某个点增加压力时，尖端移动得足够慢时，尖端开始更容易地滑过晶体。

“这告诉我们，在更高的压力下，这种微小的粗糙发生了一些事情，导致了摩擦的减少，”研究生和合著者Yijue Diao说。“原子力显微镜也能让我们对晶体表面成像，我们可以看到凹槽的尺寸增大，证实方解石在压力下溶解了。”溶解的矿物和水是好的润滑剂，从而导致观察到的单一粗糙接触的减弱。

“这表明，诸如此类的研究值得在未来的工作中认真考虑，”espinosasa - marzal说。研究人员承认，与这项研究相关的问题还有很多。然而，他们的研究表明，某些盐水-方解石的相互作用，在施加的应力作用下，诱导溶解，并降低了单粗糙度的摩擦强度。

“我们的研究还表明，通过有意改变富含钙质岩石的地区的卤水成分，有可能降低地震风险。”这种考虑在水力压裂正在发生的地区可能是有益的，但这一概念需要更仔细的研究，”espinosasa - marzal说。

“作为一个在纳米尺度上工作的年轻科学家，我从来没有想过地震动力学会是我将要研究的东西，”刁说。“然而，我们在宏观上已经学到了很多东西，像我们这样的纳米级研究可以揭示出许多大型自然现象的新见解。”