Землетрясения объяснили нанофрикциями

Разгадать одну из загадок геофизики помог атомно-силовой микроскоп

Сила землетрясения зависит не от увеличения числа контактов между тектоническими плитами, а от изменения качества этих контактов, установили две группы геофизиков. Понимание физики тектонического трения поможет в предсказании крупных землетрясений.

Объединенная группа физиков-механиков и геологов из Пенсильванского университета и Университета Брауна опубликовала в сегодняшнем номере журнала Nature отчет об эксперименте, результаты которого можно будет использовать для предсказания крупных землетрясений – задачи, на сегодня неразрешимой.

Наблюдая за сдвигами реальных тектонических плит и их лабораторных аналогов, ученые давно заметили необычный феномен, с трудом поддающийся объяснению:

трение скольжения у двух прижатых друг к другу материалов становится тем больше, чем дольше они находятся в контакте.

Этот эффект критически важен для понимания того, как происходят землетрясения и почему они происходят вообще. Именно он определяет ту разрушительную энергию, которая высвобождается, когда тектонические плиты преодолевают, наконец, возросшую силу трения и сдвигаются друг относительно друга.

Теоретически объяснить, почему трение увеличивается со временем, «не бином Ньютона»: существуют две основные и очень логические гипотезы о причинах этого так называемого «фрикционного старения». Согласно одной из них трение возрастает из-за того, что со временем прижатые поверхности деформируются и количество точек контакта между ними увеличивается, приводя к увеличению силы трения. Другая гипотеза объясняет происходящее возрастанием не числа точек контакта, а силы сцепления между ними, увеличением, как говорят механики, качества контакта.

Было очевидно, что, скорей всего, здесь работают оба механизма, но какой из них является определяющим, до сих пор установить не удавалось.

Сложность заключалась в том, что эти самые точки контакта находятся между двумя поверхностями и потому закрыты для наблюдения. Кое-что, правда, удалось установить, наблюдая за точками контакта при сжатии двух прозрачных пластин: действительно, их количество со временем увеличивалось. Это вроде бы говорило в пользу первой гипотезы, однако на самом деле ничего не давало, потому что так и не получалось оценить силу связи в этих точках или даже с уверенностью сказать, что это именно точки контакта, а не кластеры более мелких точек в недоступном для наблюдения наномасштабе.

Встретившись однажды на конференции, физики из Пенсильвании и геологи из Университета Брауна вдруг выяснили, что первые располагают прибором, способным решить проблему вторых, а именно атомно-силовым микроскопом — идеальным средством для оценки качества точечного контакта, то есть силы связи, возникающей в этой точке.

Атомно-силовой микроскоп позволил перейти от мегамасштаба реальных землетрясений к наномасштабу.

То есть к одной-единственной точке, размеры которой определяются размерами острия щупа, которым в этом микроскопе производятся измерения, причем настолько точные, что позволяют почувствовать влияние отдельных атомов.

Исследователи воссоздали в этой точке условия контакта «кремний-кремний». Прижимая кремниевый наконечник микроскопа к кремниевой поверхности, они держали их в таком состоянии некоторое время, а потом протаскивали наконечник по поверхности и измеряли силу трения. То же самое они проделали для алмазной и графитовой поверхностей.

Результаты удивили.

Контакт «кремний-кремний» (то есть то, что происходит в тектонике) приводил к очень значительному «фрикционному старению», в то время как контакт кремния с графитом или алмазом практически ни к какому увеличению силы трения не приводил.

Это означало, что во фрикционном старении, имеющем место в тектонических процессах, главную роль играет не количество точек контакта, а нарастание силы связи в этих точках. Будь по-иному, существенного возрастания силы связи в отдельной точке атомно-силовой микроскоп не заметил бы.

Читайте также

Однако решение одной загадки породило другую. Фрикционное старение контактов «кремний-кремний» оказалось намного мощнее, чем то, которое наблюдается в макромасштабах во время землетрясений. Вторая загадка, впрочем, тут же и решилась. Оказалось, что у каждой точки контакта свой характер и свое качество: одни связаны сильнее, другие слабее, одни начинают сдвигаться раньше, другие позже, и слабых точек намного больше.

«Это еще только начало», — комментируют свое открытие авторы статьи. «Главное, что мы поняли физику процесса, оценили его качественную сторону. Теперь предстоит оценить количественную. Необходимо оценить, при каких уровнях напряжения качество контакта вступает в игру, нужно также изучить эти процессы при разных температурах, проследить за ними в реальном времени с помощью электронного микроскопа».