El uso de cristales de calcita individuales con rugosidad superficial variable permite a los ingenieros simplificar la física compleja que describe el movimiento de fallas. En un nuevo estudio de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, los investigadores muestran cómo esta simplificación puede conducir a una mejor predicción de terremotos.

Los científicos describen el comportamiento de las fallas utilizando modelos basados ​​en estudios observacionales que dan cuenta de los coeficientes de fricción de rocas y minerales. Estas ecuaciones de "tasa y estado" calculan la fuerza de la falla, lo que tiene implicaciones para la fuerza y ​​la frecuencia de los terremotos. Sin embargo, aplicar estos modelos empíricos a la predicción de terremotos no es práctico debido a la cantidad de variables únicas que se deben considerar para cada falla, incluido el efecto del agua.

El estudio, dirigido por la profesora de ingeniería civil y ambiental Rosa Espinosa-Marzal, analiza la relación entre la fricción y la rugosidad de la superficie de la calcita, uno de los minerales formadores de rocas más comunes en la corteza terrestre, para formular un enfoque más teórico para definir la velocidad. -y-leyes estatales.

Los hallazgos se publican en Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Nuestro objetivo es examinar los procesos a nanoescala que pueden desencadenar el movimiento de fallas", dijo Binxin Fu, estudiante de posgrado de CEE y primer autor del estudio. "Los procesos que investigamos a nanoescala son menos complejos que los procesos a macroescala. Debido a esto, nuestro objetivo es usar observaciones microscópicas para cerrar la brecha entre los mundos a nanoescala y macroescala para describir el comportamiento de fallas usando menos complejidad".

La rugosidad de un cristal mineral depende principalmente de su estructura atómica. Sin embargo, los investigadores dijeron que las rocas en las zonas de contacto se raspan, se disuelven y se recocen a medida que se frotan entre sí, lo que también afecta su textura a nanoescala.

Para probar cómo la aspereza mineral a nanoescala puede afectar el comportamiento de las fallas, el equipo preparó cristales de calcita atómicamente suaves y rugosos en ambientes secos y húmedos para simular rocas secas y aquellas que contienen agua porosa. La microscopía de fuerza atómica midió la fricción arrastrando una pequeña punta de silicio montada a presión a través de diferentes superficies de cristal expuestas a condiciones de zona de falla simulada:superficie húmeda y calcita lisa; superficie húmeda y calcita rugosa; superficie seca y calcita lisa; y superficie seca con calcita rugosa.

"La fricción puede aumentar o disminuir con la velocidad de deslizamiento según los tipos de minerales y el entorno", dijo Espinosa-Marzal. "Encontramos que en la calcita, la fricción generalmente aumenta con la tasa de deslizamiento a lo largo de superficies minerales más ásperas, e incluso más en presencia de agua. Al usar datos de un tipo de mineral tan común y un número limitado de escenarios de contacto, reducimos la complejidad del análisis y proporcionar una comprensión fundamental de las ecuaciones de tasa y estado".

El equipo comparó sus resultados experimentales con estudios de entornos naturales con rocas que contienen calcita en niveles poco profundos de la corteza.

"Nuestros resultados concuerdan con un estudio reciente que muestra que el agua reduce la fuerza de la falla en comparación con las condiciones secas", dijo Espinosa-Marzal. "Nuestros hallazgos también son consistentes con otro estudio que muestra que los terremotos de baja frecuencia tienden a ocurrir a lo largo de fallas húmedas, lo que sugiere que la disminución de la fricción, causada por el agua, puede ser un mecanismo para los terremotos lentos en algunos entornos".

Este avance puede ayudar a los sismólogos a redefinir las leyes de velocidad y estado para determinar dónde se acumula la tensión en la corteza y brindar pistas sobre dónde y cuándo pueden ocurrir futuros terremotos.

El equipo reconoce que todavía hay muchos otros factores a considerar, incluida la temperatura y la influencia de otros minerales comunes de la corteza, como el cuarzo y la mica. Los investigadores planean incorporar estas variables en modelos futuros. + Explora más

El estudio arroja una nueva escala de comprensión de los terremotos