Сдвиг тектонической плиты

Коллектив геологов и физиков из университета Брауна и университета Пенсильвании разместили в свежем номере Nature отчет об исследовании, которое, вероятно, можно будет использовать для неразрешимой на сегодня задачи – прогнозирования мощных землетрясений.

Внимание ученых привлек один странный эффект: проведя длительные наблюдения за динамикой тектонических плит и их лабораторных моделей, выявился феномен, который пока на может быть объяснен: оказалось, что трение скольжения у двух плотно прижатых материалов возрастает с увеличением длительности нахождения в контакте.

Исследователи считают, что этот эффект имеет большую ценность для понимания природы землетрясения и даже для того, чтобы понять, как происходит сдвиг тектонической плиты почему он происходит. Именно возрастание силы трения определяет то количество разрушительной энергии, которая высвобождается при достижении тектоническими плитами некоего критического порога, вызванного слишком большой силой трения, препятствующей сдвигу плит друг относительно друга.

Теоретическое объяснение этого эффекта пока не очень разработано. Тем не менее, уже имеются две достаточно логичные версии о причинах этого явления, названного учеными «фрикционным старением». Первая гипотеза говорит о том, что трение возрастает потому, что с течением времени прижатые поверхности тектонических плит деформируются, что приводит к увеличению количества точек контакта, то есть как раз и способствует увеличению силы трения. Согласно второй версии, к обнаруженному феномену приводит другая причина - не увеличение количества точек контакта, а возрастание силы сцепления, то есть качества контакта, по терминологии механиков.

Вероятнее всего, в данном случае имеется наложение обеих механизмов, но какому из них принадлежит определяющая роль, было непонятно.

Основная проблема состояла в том, что точки контакта всегда расположены между контактными поверхностями, то есть недоступны для наблюдения. Некоторые факты были установлены во время экспериментов с прозрачными пластинами: оказалось, что точек контактов со временем стало в два раза больше. Казалось бы, явное доказательство первичности первой гипотезы, но в действительности ученые решили, что это не так, поскольку оценка силы связи в точках контакта все же осталась невыполненной, что не позволяло достоверно утверждать, что наблюдались именно точки контакта, а не какие-то кластеры точек в недоступном для оптического наблюдения масштабе.

Но случай решил все. На одной из научных конференций геологи из Университета Брауна узнали, что у физиков из университета Пенсильвании есть атомно-силовой микроскоп – идеальный прибор, с помощью которого оказалось возможным выполнить оценку качества контакта, то есть непосредственно величины силы связи, которая возникает в этой точке.

Другими словами, атомно-силовой микроскоп позволил перейти к совершенно иному качеству исследований - к наномасштабу.

Таким образом, размеры исследуемой точки определяются физическими размерами острия щупа микроскопа. Достигается настолько большая точность, которая позволяют фиксировать влияние отдельных атомов вещества.

Группа ученых решила вначале провести эксперимент с контактом типа «кремний-кремний». Суть работы состояла в том, что кремниевый наконечник атомно-силового микроскопа прижимался к кремниевой поверхности, удерживался в таком положении определенное количество времени, а затем наконечник сдвигался, и измерялась при этом возникающая сила трения. Такие же исследования были проведены для поверхностей из алмаза и графита.

Результаты оказались несколько неожиданными. При экспериментах с кремнием (тектонические плиты близки к этому составу) эффект «фрикционного старению» был значительным, а контакт того же кремния с алмазом или графитом к заметному увеличению силы трения не приводил.

Фактически это означало, что в тектонических процессах основную роль играет как раз не возрастание числа точек контакта, а увеличение силы связи в них.

Но, как это часто бывает в науке, решение одной проблемы привело к возникновению другой. Фрикционное старение в лабораторных условиях оказалось во много раз мощнее того, что наблюдается во время землетрясений. Однако и эта загадка была быстро решена. Как выяснилось, каждая точка контакта обладает своими характеристиками: одни были связаны немного сильнее, другие слабее, поэтому у одних сдвиг начинается раньше, у других – позже, и возникающая неоднородность и является причиной меньшего природного фрикционного старения. Сдвиг тектонической плиты оказался почти объяснен.

Авторы считают, что все основные открытия еще впереди. «Главное заключается в том, что мы, наконец, поняли физику происходящего в тектонических плитах процесса, и даже сделали его качественную оценку. Осталось выяснить количественную. Нужно оценить, какие показатели напряжения приводят к разрушению материала, причем необходимо исследовать эти процессы при разных температурах и давлениях, с помощью атомного микроскопа проследить за ними в реальном режиме времени».