O uso de cristais de calcita simples com rugosidade de superfície variável permite que os engenheiros simplifiquem a física complexa que descreve o movimento da falha. Em um novo estudo da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, os pesquisadores mostram como essa simplificação pode levar a uma melhor previsão de terremotos.
Os cientistas descrevem o comportamento das falhas usando modelos baseados em estudos observacionais que explicam os coeficientes de atrito de rochas e minerais. Essas equações de "taxa e estado" calculam a força da falha, o que tem implicações na força e na frequência do terremoto. No entanto, aplicar esses modelos empíricos à previsão de terremotos não é prático devido ao número de variáveis ​​únicas a serem consideradas para cada falha, incluindo o efeito da água.

O estudo, liderado pela professora de engenharia civil e ambiental Rosa Espinosa-Marzal, analisa a relação entre o atrito e a rugosidade da superfície da calcita – um dos minerais formadores de rocha mais comuns na crosta terrestre – para formular uma abordagem mais teórica para definir a taxa -e-leis estaduais.

As descobertas são publicadas nos Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Nosso objetivo é examinar os processos em nanoescala que podem desencadear o movimento de falhas", disse Binxin Fu, estudante de pós-graduação da CEE e primeiro autor do estudo. "Os processos que investigamos em nanoescala são menos complexos do que os processos em macroescala. Por isso, pretendemos usar observações microscópicas para preencher a lacuna entre os mundos de nanoescala e macroescala para descrever o comportamento de falhas usando menos complexidade."

A rugosidade de um cristal mineral depende principalmente de sua estrutura atômica. No entanto, os pesquisadores disseram que as rochas nas zonas de contato são raspadas, dissolvidas e recozidas à medida que se esfregam, afetando também sua textura em nanoescala.

Para testar como a rugosidade mineral em nanoescala pode afetar o comportamento da falha, a equipe preparou cristais de calcita atomicamente lisos e ásperos em ambientes secos e úmidos para simular rochas secas e aquelas que contêm água dos poros. A microscopia de força atômica mediu o atrito arrastando uma pequena ponta de silício montada sob pressão por diferentes superfícies de cristal expostas a condições simuladas de zona de falha:superfície úmida e calcita lisa; superfície molhada e calcita áspera; superfície seca e calcita lisa; e superfície seca com calcita rugosa.

"O atrito pode aumentar ou diminuir com a velocidade de deslizamento, dependendo dos tipos de minerais e do ambiente", disse Espinosa-Marzal. "Descobrimos que na calcita, o atrito normalmente aumenta com a taxa de deslizamento ao longo de superfícies minerais mais ásperas - e ainda mais na presença de água. Usando dados de um tipo de mineral tão comum e um número limitado de cenários de contato, reduzimos a complexidade da análise e fornecer uma compreensão fundamental das equações de taxa e estado."

A equipe comparou seus resultados experimentais com estudos de ambientes naturais com rochas contendo calcita em níveis crustais rasos.

"Nossos resultados concordam com um estudo recente mostrando que a água reduz a resistência da falha em comparação com condições secas", disse Espinosa-Marzal. “Nossas descobertas também são consistentes com outro estudo que mostra que terremotos de baixa frequência tendem a ocorrer ao longo de falhas úmidas, sugerindo que a diminuição do atrito – causada pela água – pode ser um mecanismo para terremotos lentos em alguns ambientes”.

Esse avanço pode ajudar os sismólogos a redefinir as leis de taxa e estado para determinar onde o estresse está se acumulando na crosta – e dar pistas de onde e quando futuros terremotos podem ocorrer.

A equipe reconhece que ainda há muitos outros fatores a serem considerados, incluindo a temperatura e a influência de outros minerais comuns da crosta, como quartzo e mica. Os pesquisadores planejam incorporar essas variáveis ​​em modelos futuros. + Explorar mais

Estudo produz uma nova escala de compreensão de terremotos