Fricción de falla

La fricción de falla describe la relación entre la fricción y la mecánica de fallas . La fractura de rocas y los terremotos asociados son, en gran medida, una operación fractal (véase Terremoto característico ). El proceso permanece invariante a escala hasta el cristal más pequeño . Por lo tanto, el comportamiento de los terremotos masivos depende de las propiedades de irregularidades o asperezas moleculares individuales. ^{[ 1 ]}

Si se juntan dos nanoasperezas limpias en el vacío , se producirá una soldadura en frío . Es decir, las puntas del cristal se fusionarán como si fueran una sola ( cohesión ). En la naturaleza, estas puntas están cubiertas por una fina película de material extraño. El componente más importante de esta película es, sin duda, el agua .

Si se elimina esta agua mediante un secado extremo, los minerales de la roca no se comportan en absoluto como se espera: ^{[ 2 ]} no presentan curación de fallas ni fricción dinámica. Todo el comportamiento de los terremotos depende de películas muy delgadas.

Tras un gran terremoto, se inicia un proceso conocido como curación de fallas . ^{[ 3 ]} Este es un fenómeno bien documentado que implica un aumento gradual del coeficiente de fricción estática . Con nuestro nanomodelo, se trata de desplazar lentamente los desechos para lograr una buena unión cohesiva. Con minerales y agua típicos, existe otro mecanismo, por el cual el agua provoca corrosión bajo tensión y debilitamiento del cuerpo principal de la aspereza (alisando las irregularidades), lo que permite una mayor deformación plástica y un mayor contacto.

Lo más importante es que este fortalecimiento de los enlaces depende del tiempo. Cuando una falla se somete a la tensión de un terremoto, estos enlaces comienzan a estirarse y romperse. No tienen tiempo de recuperarse. Una vez alcanzada la distancia crítica, se produce una pérdida significativa de resistencia y la falla comienza a deslizarse.

Los terremotos solo existen porque hay una pérdida muy grande de fuerza de fricción. Podría ser que los "deslizadores" del terremoto estén lubricados con gel de sílice, ^{[ 4 ]} el agua actúe como un lubricante estándar para cojinetes, o que haya un mecanismo de "elevación y separación" en funcionamiento.

Todas las rocas poseen cierto grado de porosidad , siendo algunos tipos de roca mucho más porosos que otros. Esto significa que entre los granos individuales de la roca existen pequeños poros que pueden llenarse con un gas (generalmente aire) o un fluido. El fluido más común en los poros es el agua, y su presencia puede variar considerablemente la fricción en una falla. A medida que el agua se acumula en el espacio poroso de una masa rocosa 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 los poros tiene el efecto de separar la falla a nivel microscópico. Este aumento de la presión de los poros puede disminuir la superficie de contacto de las asperezas individuales en la falla, provocando su fractura y el deslizamiento de la misma. Sin embargo, la presencia de agua no siempre reduce la fricción.

El tipo de roca a lo largo de una falla puede tener un gran efecto en la cantidad de resistencia a la fricción presente. La mayoría de los tipos de roca cristalina tendrán un coeficiente de fricción mucho mayor 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 el agua tendrá sobre la fricción de la falla. Experimentos de laboratorio han demostrado que la presencia de agua promueve la ruptura de una falla en rocas carbonatadas (mármol). ^{[ 5 ]} Sin embargo, estos experimentos también mostraron que en tipos de roca con sílice (microgabro), la presencia de agua puede retrasar o incluso inhibir la ruptura de una falla. Esto se debe a que cuando una falla con sílice se rompe, la ruptura ocurre a través de la "fusión instantánea" (fusión repentina) de las asperezas. ^{[ 5 ]} En otras palabras, los contactos microscópicos de los granos que mantienen la falla en su lugar se funden instantáneamente debido a las altas tensiones. La presencia de agua retrasa esta "fusión instantánea" básicamente enfriando los contactos y manteniéndolos en forma sólida. En una falla que atraviesa un carbonato, la ruptura se produce cuando estas asperezas experimentan una fractura frágil. En este caso, el agua actúa como lubricante, lo que favorece la fractura de estas asperezas. El principal factor determinante de la influencia del tipo de roca no es necesariamente su composición, sino, más importante aún, la rugosidad de la roca en la interfaz de la falla. ^{[ 6 ]}

Una vez que una falla comienza a deslizarse, el calor inicial producido por la fricción es extremadamente intenso. Esto se debe a que dos caras de roca se deslizan una contra la otra a gran velocidad y con mucha fuerza. La lubricación de fallas es el fenómeno por el cual la fricción en la superficie de la falla disminuye a medida que se desliza, facilitando así el deslizamiento. Un método por el cual esto ocurre es a través de la fusión por fricción. ^{[ 7 ]} A medida que una falla se desliza, esta inmensa cantidad de calor hace que una capa delgada de roca a lo largo de la falla se funda. Esta roca fundida (fusión por fricción) puede expandirse y abrirse paso hacia los poros e imperfecciones de la superficie de la falla. Esto tiene el efecto de alisar la superficie de la falla. Se puede pensar en esto como la diferencia entre intentar frotar dos hojas de papel de lija una contra la otra, y hacer lo mismo con dos hojas 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 poroso se vaporice. A medida que el vapor de agua se expande, provoca la dilatación de los poros a lo largo de la superficie de la falla, creando así una superficie más lisa en la interfaz de la falla. Este proceso puede, de hecho, crear una superficie prácticamente sin fricción a lo largo de la falla. ^{[ 8 ]}

Las rupturas de fallas generan enormes cantidades de calor, que generalmente resultan en fusión por fricción. A medida que una falla se desliza, esta capa de roca fundida se extiende por la superficie de la falla y se introduce en 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 pueden formarse a presiones iguales o superiores a aproximadamente 0,7 GPa , lo que equivale a fallas profundas de la corteza. ^{[ 9 ]} Sin embargo, su presencia puede ayudar a identificar la ubicación de fallas antiguas que se han cerrado posteriormente.

Karner, SL; Marone, C. y Evans, B. (1997). "Estudio de laboratorio sobre la curación de fallas y la litificación en brecha de falla simulada bajo condiciones hidrotermales" (PDF) . Tectonophysics . 277 (1): 41– 55. Bibcode : 1997Tectp.277...41K . doi : 10.1016/S0040-1951(97)00077-2 . Archivado del original (PDF) el 4 de marzo de 2016.

Byerlee, J. (1978). "Fricción de las rocas" (PDF) . Geofísica pura y aplicada . 116 ( 4–5 ): 615–626 . Bibcode : 1978PApGe.116..615B . doi : 10.1007/BF00876528 .