Введение

Фрикция разломов описывает взаимосвязь между трением и механикой разломов. Разрушение горных пород и связанные с ним землетрясения во многом являются фрактальным процессом (см. Характерное землетрясение). Этот процесс остается масштабно-инвариантным вплоть до самого маленького кристалла. Таким образом, поведение мощных землетрясений зависит от свойств отдельных молекулярных неровностей или асперитетов. Если две чистые нано-асперитеты сближаются в вакууме, происходит холодное сварное соединение – то есть, кристаллы сливаются, как единое целое (когезия). В природе эти вершины покрыты тонкой пленкой постороннего материала. Наиболее важным компонентом этой пленки является вода. Если эту воду удалить путем экстремальной сушки, минералы породы ведут себя не так, как ожидалось: они не проявляют восстановления прочности разлома или динамического трения. Все поведение землетрясений зависит от очень тонких пленок. После сильного землетрясения начинается процесс, известный как восстановление прочности разлома. Это хорошо установленное явление, включающее медленное увеличение статического коэффициента трения. Согласно нашей нано-модели, это вопрос постепенного удаления мусора для обеспечения хорошей когезионной связи. При взаимодействии типичных минералов с водой существует другой механизм, при котором вода вызывает коррозионное разрушение под напряжением и ослабление основного тела асперитета (сглаживание неровностей), что позволяет увеличить пластическую деформацию и площадь контакта. Наиболее важный аспект заключается в том, что укрепление связи зависит от времени. Когда разлом подвергается напряжению до точки землетрясения, эти связи начинают растягиваться и разрушаться, не успевая восстановиться. После достижения критического расстояния происходит значительная потеря прочности, и разлом начинает скользить. Землетрясения возможны только из-за существенной потери силы трения. Возможно, скольжение во время землетрясения облегчается силикагелем, вода действует как стандартная смазка подшипников, или же работает механизм "подъема и разделения".

Влияние жидкостей

Все породы обладают определенной степенью пористости, при этом у некоторых типов пород она значительно выше, чем у других. Это означает, что между отдельными зернами породы имеются небольшие поры, которые могут быть заполнены газом (обычно воздухом) или жидкостью. Наиболее распространенной поровой жидкостью является вода, и ее присутствие может в значительной степени изменять трение на разломе. По мере накопления воды в поровом пространстве горного массива вокруг разлома, давление внутри пор возрастает. На поверхности действующего стабильного разлома увеличение порового давления приводит к тому, что разлом как бы раздвигается на микроскопическом уровне. Это увеличение порового давления может уменьшить площадь контакта отдельных неровностей на разломе, что приводит к их разрушению и смещению разлома. Однако присутствие воды не всегда приводит к снижению трения.

Влияние типа породы

Тип породы вдоль разлома может существенно влиять на величину силы трения. Большинство кристаллических пород имеют значительно более высокий коэффициент трения по сравнению с осадочными породами, что обусловлено их большей сплоченностью и большей площадью шероховатостей поверхности. Тип породы также определяет, как вода влияет на трение по разлому. Лабораторные эксперименты показали, что присутствие воды способствует разрушению разлома в карбонатных породах (мраморе). Однако эти же эксперименты продемонстрировали, что в породах, содержащих кремнезем (микрогаббро), присутствие воды может замедлить или даже предотвратить разрушение разлома. Это происходит потому, что при разрушении разлома, содержащего кремнезем, разрушение происходит посредством «вспышечного плавления» (мгновенного плавления) шероховатостей.

Масляная обработка при поломке (во время поломки)

Как только разлом начинает смещаться, первоначальное тепло трения, возникающее на разломе, чрезвычайно интенсивно. Это связано с тем, что две скальные поверхности скользят друг относительно друга с высокой скоростью и с большим усилием. Смазывание разлома – это явление, при котором трение на поверхности разлома уменьшается по мере его смещения, облегчая дальнейшее скольжение. Один из механизмов этого процесса – фрикционное плавление. При смещении разлома огромное количество выделяющегося тепла приводит к расплавлению тонкого слоя породы вдоль разлома. Эта расплавленная порода (фрикционный расплав) может расширяться и проникать в поры и дефекты на поверхности разлома, тем самым сглаживая ее. Можно представить это как разницу между попыткой протереть друг о друга два куска наждачной бумаги и два листа обычной бумаги. Подобный процесс может происходить и при наличии воды в породе. Когда разлом начинает смещаться, резкое повышение температуры вблизи разлома вызывает испарение воды, находящейся в порах. Расширяющийся водяной пар приводит к расширению пор вдоль поверхности разлома, создавая более гладкую поверхность на контакте разлома. Этот процесс может фактически создать поверхность с "почти нулевым трением" вдоль разлома.

Псевдотахилиты

Разрывы разломов генерируют огромное количество тепла, что обычно приводит к фрикционному плавлению. При смещении разлома этот слой расплавленной породы размазывается и распространяется по поверхности разлома, а также проникает в любые трещины и пустоты в окружающей породе. После остывания эта расплавленная порода образует структуру, известную как псевдотахилит. Эти псевдотахилиты могут формироваться при давлении 0,7 ГПа и выше, что соответствует глубококоровому разлому. Однако их наличие может помочь в определении местоположения древних разломов, которые впоследствии зажили.