Зсув тектонічної плити
Колектив геологів та фізиків з університету Брауна та університету Пенсільванії розмістили у свіжому номері Nature звіт про дослідження, яке, ймовірно, можна буде використати для нерозв'язного на сьогодні завдання – прогнозування потужних землетрусів.
Увага вчених привернув один дивний ефект: провівши тривалі спостереження за динамікою тектонічних плит та їх лабораторних моделей, виявився феномен, який поки що не може бути пояснений: виявилося, що тертя ковзання у двох щільно притиснутих матеріалів зростає зі збільшенням тривалості знаходження в контакті.
Дослідники вважають, що цей ефект має велику цінність для розуміння природи землетрусу і навіть для того, щоб зрозуміти, як відбувається зсув тектонічної плити, чому він відбувається. Саме зростання сили тертя визначає ту кількість руйнівної енергії, яка вивільняється при досягненні тектонічними плитами якогось критичного порогу, викликаного занадто великою силою тертя, що перешкоджає зсуву плит один щодо одного.
Теоретичне пояснення цього ефекту поки що не дуже розроблено. Проте вже є дві досить логічні версії про причини цього явища, названого вченими «фрикційним старінням». Перша гіпотеза говорить про те, що тертя зростає тому, що з часом притиснуті поверхні тектонічних плит деформуються, що призводить до збільшення кількості точок контакту, тобто сприяє збільшенню сили тертя. Згідно з другою версією, до виявленого феномену приводить інша причина - не збільшення кількості точок контакту, а зростання сили зчеплення, тобто якості контакту за термінологією механіків.
Найімовірніше, у разі є накладення обох механізмів, але якому їхналежить визначальна роль, що було незрозуміло.
Основна проблема полягала у тому, що точки контакту завжди розташовані між контактними поверхнями, тобто недоступні спостереження. Деякі факти були встановлені під час експериментів із прозорими пластинами: виявилося, що точок контактів з часом побільшало вдвічі. Здавалося б, явний доказ первинності першої гіпотези, але насправді вчені вирішили, що це не так, оскільки оцінка сили зв'язку в точках контакту все ж таки залишилася невиконаною, що не дозволяло достовірно стверджувати, що спостерігалися саме точки контакту, а не якісь кластери. точок у недоступному для оптичного спостереження масштабі.
Але нагода вирішила все. На одній із наукових конференцій геологи з Університету Брауна дізналися, що фізики з університету Пенсільванії мають атомно-силовий мікроскоп – ідеальний прилад, за допомогою якого виявилося можливим виконати оцінку якості контакту, тобто безпосередньо величини сили зв'язку, що виникає в цій точці.
Іншими словами, атомно-силовий мікроскоп дозволив перейти до зовсім іншої якості досліджень – до наномасштабу.
Таким чином, розміри досліджуваної точки визначаються фізичними розмірами вістря мікроскопа щупа. Досягається настільки велика точність, що дозволяє фіксувати вплив окремих атомів речовини.
Група вчених вирішила спочатку провести експеримент із контактом типу «кремній-кремній». Суть роботи полягала в тому, що кремнієвий наконечник атомно-силового мікроскопа притискався до кремнієвої поверхні, утримувався в такому положенні певну кількість часу, а потім наконечник зрушувався, і вимірювалася при цьому сила тертя, що виникає. Такі ж дослідження були проведені для поверхонь з алмазу таграфіту.
Результати виявилися дещо несподіваними. При експериментах з кремнієм (тектонічні плити близькі до цього складу) ефект «фрикційного старіння» був значним, а контакт того кремнію з алмазом або графітом до помітного збільшення сили тертя не приводив.
Фактично це означало, що в тектонічних процесах основну роль відіграє не зростання кількості точок контакту, а збільшення сили зв'язку в них.
Але, як це часто буває у науці, вирішення однієї проблеми призвело до виникнення іншої. Фрикційне старіння в лабораторних умовах виявилося набагато потужнішим від того, що спостерігається під час землетрусів. Однак і ця загадка була швидко вирішена. Як з'ясувалося, кожна точка контакту має свої характеристики: одні були пов'язані трохи сильніше, інші слабші, тому в одних зрушення починається раніше, в інших - пізніше, і неоднорідність, що виникає, і є причиною меншого природного фрикційного старіння. Зрушення тектонічної плити виявилося майже поясненим.
Автори вважають, що всі основні відкриття ще попереду. «Головне полягає в тому, що ми, нарешті, зрозуміли фізику процесу, що відбувається в тектонічних плитах, і навіть зробили його якісну оцінку. Залишилося з'ясувати кількісну. Потрібно оцінити, які показники напруги призводять до руйнування матеріалу, причому необхідно досліджувати ці процеси за різних температур і тисків, за допомогою атомного мікроскопа простежити за ними в реальному режимі часу».