La fricción por falla describe la relación de la fricción con la mecánica de la falla . La rotura de rocas y los terremotos asociados son en gran medida una operación fractal (ver Terremoto característico ). El proceso permanece invariante en escala hasta el cristal más pequeño . Por lo tanto, el comportamiento de los terremotos masivos depende de las propiedades de las irregularidades o asperezas moleculares individuales. [1]
Si dos nanoasperezas limpias se juntan en el vacío , se producirá una soldadura en frío . Es decir, las puntas de los cristales se fusionarán como si fueran una sola ( cohesión ). En la naturaleza, estas puntas están cubiertas con una fina película de material extraño. Con mucho, el componente más importante de esta película es el agua .
Si esta agua se elimina, mediante un secado extremo, los minerales de la roca no se comportan en absoluto como se esperaba: [2] no exhiben curación de fallas ni fricción dinámica. Todo el comportamiento de los terremotos depende de películas muy delgadas.
Después de un gran terremoto, comienza un proceso conocido como reparación de fallas . [3] Este es un fenómeno bien demostrado que implica un lento aumento del coeficiente de fricción estático . Con nuestro nanomodelo, se trata de alejar lentamente la basura para lograr un buen vínculo cohesivo. Con los minerales y el agua típicos, existe otro mecanismo, por el cual el agua provoca corrosión por tensión y debilitamiento del cuerpo de aspereza principal (suavizando las irregularidades), lo que permite más deformación plástica y más contacto.
El aspecto más importante es que este fortalecimiento de la unión depende del tiempo. Para una falla que se estresa hasta el punto de un terremoto, estos enlaces comienzan a estirarse y romperse. No tienen tiempo de volver a curarse. Una vez que se ha alcanzado la distancia crítica, hay una pérdida significativa de resistencia y la falla comienza a deslizarse.
Los terremotos solo existen porque hay una gran pérdida de resistencia a la fricción. Podría ser que los "patines" del terremoto estén engrasados con gel de sílice, [4] el agua actúa como un lubricante estándar para los cojinetes o que hay un mecanismo de "elevación y separación" en funcionamiento.
Efecto de los fluidos
Todas las rocas tienen un cierto grado de porosidad , y algunos tipos de rocas tienen una porosidad mucho mayor que otros. Esto significa que entre los granos individuales de la roca, hay pequeños poros que pueden llenarse con un gas (generalmente aire) o un fluido. El fluido de poros más común es el agua, y la presencia de agua puede variar en gran medida la fricción en una falla. A medida que el agua se acumula en el espacio poroso de un cuerpo de roca alrededor de una falla, aumenta la presión dentro de los poros. En la interfaz de una falla actualmente estable, un aumento en la presión de poro tiene el efecto de esencialmente empujar la falla a un nivel microscópico. Este aumento de la presión de poro puede disminuir el área de superficie de las asperezas individuales en contacto con la falla, provocando que luego se fracturen y la falla se deslice. Sin embargo, es posible que la presencia de agua no siempre provoque una reducción de la fricción.
Influencia del tipo de roca
El tipo de roca a lo largo de una falla puede tener un gran efecto sobre la cantidad de resistencia a la fricción presente. La mayoría de los tipos de rocas cristalinas tendrán un coeficiente de fricción mucho más alto en comparación con las rocas sedimentarias, debido a su mayor cohesión y una mayor superficie de asperezas. El tipo de roca también controla el efecto que tendrá el agua sobre la fricción de la falla. Los experimentos de laboratorio han demostrado que la presencia de agua promoverá la ruptura de una falla en rocas carbonatadas (mármol). [5] Sin embargo, estos experimentos también mostraron que en los tipos de rocas que contienen sílice (microgabro), la presencia de agua puede retrasar o incluso inhibir la ruptura de una falla. Esto se debe a que cuando se rompe una falla que contiene sílice, la ruptura se produce a través de la "fusión instantánea" (fusión instantánea) de las asperezas. [5] En otras palabras, los contactos de grano microscópicos que mantienen la falla en su lugar se derriten instantáneamente debido a las altas tensiones. La presencia de agua retrasa esta "fusión instantánea" básicamente enfriando los contactos y manteniéndolos en forma sólida. En falla a través de un carbonato, la ruptura ocurre cuando estas asperezas experimentan una falla frágil. En este caso, el agua actúa como lubricante que favorece el fallo de estas asperezas. El principal factor de control relacionado con la influencia del tipo de roca no es necesariamente la composición de la roca, sino más importante aún, la "rugosidad" de la roca en la interfaz de la falla. [6]
Lubricación por fallas (durante fallas)
Una vez que una falla comienza a deslizarse, el calor de fricción inicial producido por la falla es extremadamente intenso. Esto se debe a que dos paredes rocosas se deslizan una contra la otra a gran velocidad y con mucha fuerza. Entonces, la lubricación por falla es el fenómeno por el cual la fricción en la superficie de la falla disminuye a medida que se desliza, lo que facilita que la falla se deslice mientras lo hace. Un método por el cual esto ocurre es mediante fusión por fricción. [7] Cuando una falla se desliza, esta inmensa cantidad de calor hace que una fina capa de roca a lo largo de la falla se derrita. Esta roca fundida (fusión por fricción) puede luego expandirse y abrirse camino hacia los poros e imperfecciones de la superficie de la falla. Esto tiene el efecto de suavizar la superficie de la falla. Puede pensar en esto como la diferencia entre tratar de frotar dos pedazos de papel de lija entre sí y luego hacer lo mismo con dos pedazos de papel de impresora. Un proceso similar puede ocurrir si hay agua presente en la roca. A medida que la falla comienza a deslizarse, este rápido aumento de temperatura cerca de la falla hace que el agua en el espacio de los poros se vaporice. A medida que el vapor de agua se expande, hace que los poros a lo largo de la superficie de la falla se dilaten y por lo tanto crea una superficie más lisa en la interfaz de la falla. En realidad, este proceso puede crear una superficie "casi sin fricción" a lo largo de la falla. [8]
Pseudotaquilitos
Las rupturas de fallas generan cantidades masivas de calor, que generalmente resultan en una fusión por fricción. A medida que se desliza una falla, esta capa de roca fundida se unta y se esparce por la superficie de la falla, y es forzada hacia cualquier otra grieta o intersticio que pueda existir en la roca circundante. Después de que esta roca fundida se enfría, la estructura que deja atrás se conoce como pseudotaquilita . Estas pseudotaquilitas se pueden formar a presiones de aproximadamente 0,7 GPa o más , lo que equivale a fallas corticales profundas. [9] Sin embargo, su presencia puede ayudar a identificar la ubicación de antiguas fallas que desde entonces han sanado.
Referencias
- ^ "Glosario visual - aspereza" . USGS.gov . Archivado desde el original el 10 de abril de 2008 . Consultado el 10 de mayo de 2008 .
Una aspereza es un área en una falla que está atascada. La ruptura del terremoto generalmente comienza en una aspereza.
- ^ Kevin M. Frye; Chris Marone (20 de noviembre de 2002). "Efecto de la humedad sobre la fricción granular a temperatura ambiente" (PDF) . Revista de Investigación Geofísica . 107 (B11): ETG 11–1 – ETG 11–13. Código bibliográfico : 2002JGRB..107.2309F . doi : 10.1029 / 2001JB000654 . Consultado el 10 de mayo de 2008 .
- ^ Chris Marone (29 de mayo de 1997). "El efecto de la tasa de carga sobre la fricción estática y la tasa de curación de fallas durante el ciclo del terremoto" (PDF) . Naturaleza . Revistas Macmillan Ltd . Consultado el 10 de mayo de 2008 .
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