Неисправное трение - Fault friction

Неисправное трение описывает отношение трение к механика неисправностей. Обрушение горных пород и связанные с ними землетрясения очень опасны. фрактал операция (см. Характерное землетрясение ). Процесс остается масштабно-инвариантным вплоть до наименьшего кристалл. Таким образом, поведение сильных землетрясений зависит от свойств отдельных молекулярных неоднородностей или выступов.[1]

Две кристаллические неровности приближаются

Если две чистые нано-шероховатости объединить в одну вакуум, а холодная сварка приведет к. То есть кончики кристаллов срастутся, как будто один (сплоченность ). В природе эти наконечники покрыты тонкой пленкой инородного материала. Безусловно, самый важный компонент этого фильма - это воды.

Кристаллические неровности с тонкой пленкой

Если эту воду удалить путем чрезмерного высыхания, камень минералы вести себя совсем не так, как ожидалось:[2] они не показывают устранение неисправностей или динамическое трение. Все поведение землетрясений зависит от очень тонких пленок.

После сильного землетрясения начинается процесс, известный как устранение неисправностей.[3] Это хорошо продемонстрированный феномен, связанный с медленным увеличением статического заряда. коэффициент трения. С нашей наномоделью это вопрос медленного отталкивания мусора для хорошей когезионной связи. В случае типичных минералов и воды существует другой механизм, посредством которого вода вызывает коррозию под напряжением и ослабление основного тела неровностей (сглаживание неровностей), что приводит к большей пластической деформации и большему контакту.

Самый важный аспект заключается в том, что это укрепление связи зависит от времени. Для разлома, который нагружается до землетрясения, эти связи начинают растягиваться и разрываться. У них нет времени снова лечить. После достижения критического расстояния происходит значительная потеря прочности, и разлом начинает скользить.

Землетрясения существуют только из-за очень большой потери силы трения. Может быть, «полозья» землетрясения смазаны силикагелем,[4] вода действует как стандартная смазка для подшипников, или что действует «подъемный и раздельный» механизм.

Влияние жидкостей

Все породы имеют определенную степень пористость, причем одни типы пород имеют гораздо более высокую пористость, чем другие. Это означает, что между отдельными зернами породы есть небольшие поры, которые могут быть заполнены газом (обычно воздухом) или жидкостью. Самая распространенная поровая жидкость - это вода, и присутствие воды может в значительной степени изменить трение на разломе. По мере того как вода накапливается в поровом пространстве горной породы вокруг разлома, давление внутри пор увеличивается. На границе раздела в настоящее время стабильного разлома увеличение порового давления имеет эффект, по существу, раздвигающий разлом на микроскопическом уровне. Это увеличение порового давления может затем уменьшить площадь поверхности отдельных неровностей, контактирующих с разломом, что приведет к их разрушению и сдвигу разлома. Однако присутствие воды не всегда может вызвать снижение трения.

Влияние типа породы

Тип породы вдоль разлома может иметь большое влияние на величину сопротивления трения. Большинство кристаллических пород имеют гораздо более высокий коэффициент трения по сравнению с осадочными породами из-за их более высокого сцепления и большей площади неровностей на поверхности. Тип породы также контролирует влияние воды на трение при разломе. Лабораторные эксперименты доказали, что присутствие воды будет способствовать разрыву разлома в карбонатных породах (мраморе).[5] Однако эти эксперименты также показали, что в типах пород, содержащих кремнезем (микрогаббро), присутствие воды может задержать или даже замедлить разрыв разлома. Это связано с тем, что при разрыве дефекта, содержащего кремнезем, разрыв происходит в результате «мгновенного плавления» (мгновенного плавления) неровностей.[5] Другими словами, контакты микроскопических зерен, удерживающие дефект, мгновенно плавятся из-за высоких напряжений. Присутствие воды задерживает это «мгновенное плавление» в основном за счет охлаждения контактов и сохранения их в твердой форме. При разломе из-за карбоната разрыв происходит, когда эти неровности подвергаются хрупкому разрушению. В этом случае вода действует как смазка, которая способствует разрушению этих неровностей. Основным контролирующим фактором, имеющим отношение к влиянию типа горной породы, является не обязательно состав породы, но, что более важно, «шероховатость» породы на границе раздела разломов.[6]

Неисправная смазка (при неисправности)

Как только разлом начинает проскальзывать, первоначальное тепло трения, производимое разломом, становится чрезвычайно интенсивным. Это связано с тем, что две скальные породы скользят друг относительно друга с высокой скоростью и с большой силой. Таким образом, смазка при неисправности - это явление, при котором трение на поверхности разлома уменьшается по мере его скольжения, что облегчает проскальзывание неисправности. Один из способов, которым это происходит, - плавление при трении.[7] Когда разлом скользит, это огромное количество тепла вызывает расплавление тонкого слоя породы вдоль разлома. Эта расплавленная порода (фрикционный расплав) может затем расшириться и проникнуть в поры и дефекты на поверхности разлома. Это имеет эффект сглаживания поверхности разлома. Вы можете думать об этом как о разнице между попыткой протереть два куска наждачной бумаги друг о друга и затем сделать то же самое с двумя кусками бумаги для принтера. Аналогичный процесс может произойти, если в породе присутствует вода. Когда разлом начинает скользить, это быстрое повышение температуры вблизи разлома вызывает испарение воды в поровом пространстве. По мере того как водяной пар расширяется, он вызывает расширение пор вдоль поверхности разлома и тем самым создает более гладкую поверхность на границе раздела разлома. Этот процесс может фактически создать поверхность "почти без трения" вдоль разлома.[8]

Псевдотахилиты

Разрывы при дефектах выделяют огромное количество тепла, что обычно приводит к плавлению при трении. По мере скольжения разлома этот слой расплавленной породы размазывается и распространяется по поверхности разлома и выталкивается в любые другие трещины или пустоты, которые могут существовать в окружающей скале. После того, как эта расплавленная порода остынет, структура, которую он оставляет после себя, известна как псевдотахилит. Эти псевдотахилиты могут образовываться при давлениях около 0,7 и выше. ГПа, что приравнивается к глубокому разрыву земной коры.[9] Однако их присутствие может помочь определить местонахождение древних разломов, которые с тех пор зажили.

Рекомендации

  1. ^ «Визуальный глоссарий - неровность». USGS.gov. Архивировано из оригинал на 2008-04-10. Получено 2008-05-10. Неровность - это застрявшая область разлома. Разрыв землетрясения обычно начинается на неровности.
  2. ^ Кевин М. Фрай; Крис Мароне (20 ноября 2002). «Влияние влажности на трение гранул при комнатной температуре» (PDF). Журнал геофизических исследований. 107 (B11): ETG 11–1 – ETG 11–13. Bibcode:2002JGRB..107.2309F. Дои:10.1029 / 2001JB000654. Получено 2008-05-10.
  3. ^ Крис Мароне (1997-05-29). «Влияние скорости нагружения на статическое трение и скорость устранения неисправностей во время цикла землетрясения» (PDF). Природа. Macmillan Magazines Ltd. Получено 2008-05-10.
  4. ^ Крис Марон (29 января 2004). «Неисправности смазываются на высокой скорости» (PDF). Природа. Получено 2008-05-10.
  5. ^ а б Violay, M .; Nielsen, S .; Gibert, B .; Spagnuolo, E .; Кавалло, А .; Azais, P .; Винчигерра С. и Ди Торо, Г. (2013). «Влияние воды на фрикционное поведение связных пород при землетрясениях». Геология. 42 (1): 27–30. Bibcode:2014Гео .... 42 ... 27В. Дои:10.1130 / G34916.1.
  6. ^ Nielsen, S .; Ди Торо, Дж. И Гриффит, В. А. (2010). «Трение и шероховатость поверхности тающей породы». Международный геофизический журнал. 182 (1): 299–310. Bibcode:2010GeoJI.182..299N. Дои:10.1111 / j.1365-246X.2010.04607.x.
  7. ^ Ди Торо, Г. Г .; Han, R. R .; Hirose, T .; De Paola, N .; Nielsen, S .; Mizoguchi, K .; Ferr. F .; Коко М. и Шимамото Т. (2011). «Неисправная смазка при землетрясениях». Природа. 471 (7339): 494–498. Bibcode:2011Натура.471..494D. Дои:10.1038 / природа09838. PMID  21430777.
  8. ^ Лахенбрух, А. Х. (1980). «Нагрев трением, давление жидкости и сопротивление движению разлома» (PDF). Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 85 (B11): 6097–6112. Bibcode:1980JGR .... 85.6097L. Дои:10.1029 / JB085iB11p06097.
  9. ^ Altenberger, U .; Проссер, G .; Grande, A .; Гюнтер, К. и Лангоне, А. (2013). «Сейсмогенная зона в глубинной коре, обозначенная псевдотахилитами и ультрамилонитами в породах гранулитовой фации Калабрии (Южная Италия)». Вклад в минералогию и петрологию. 166 (4): 975–994. Bibcode:2013CoMP..166..975A. Дои:10.1007 / s00410-013-0904-3.

Karner, S.L .; Мароне, К. и Эванс, Б. (1997). «Лабораторные исследования залечивания разломов и литификации при моделировании трещин в гидротермальных условиях» (PDF). Тектонофизика. 277 (1): 41–55. Bibcode:1997Tectp.277 ... 41K. Дои:10.1016 / S0040-1951 (97) 00077-2. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04.

Байерли Дж. (1978). «Трение горных пород» (PDF). Чистая и прикладная геофизика. 116 (4–5): 615–626. Bibcode:1978PApGe.116..615B. Дои:10.1007 / BF00876528.