As asperezas adesivas, e não a abrasão, dominam o atrito da falha e remodelam a nossa compreensão do comportamento stick-slip
Os terremotos ocorrem quando as placas tectônicas se esfregam umas nas outras, ficam temporariamente presas e, de repente, liberam o estresse acumulado à medida que deslizam. Embora os terremotos tenham sido estudados há décadas, a mecânica microscópica que faz com que as falhas se fixem, escorreguem e gerem atrito ainda não é totalmente compreendida.
Nesta pesquisa, os cientistas usam um sistema granito sobre granito para investigar esses processos. O granito é comum na crosta continental e mecanicamente semelhante a muitas rochas de falha, tornando-o um forte análogo de laboratório. Os pesquisadores usaram três abordagens complementares. Primeiro, eles realizaram experimentos controlados medindo atrito, desgaste e rugosidade superficial à medida que duas superfícies de granito deslizavam uma sobre a outra, incluindo testes com água, diferentes temperaturas e diferentes velocidades de deslizamento. Em segundo lugar, eles realizaram simulações de dinâmica molecular de uma ponta de sílica (SiO₂ amorfo) deslizando sobre quartzo (SiO₂ cristalino), o mineral dominante no granito, para observar como as ligações atômicas se quebram, as fases se transformam, o calor se acumula e o atrito surge. Terceiro, eles aplicaram modelos teóricos de mecânica de contato (como as superfícies realmente tocam através de pequenas asperezas) e aquecimento instantâneo (quanto aquecimento native ocorre e se isso enfraquece o materials).
Tradicionalmente, os modelos de terremotos assumem que o atrito vem de processos mecânicos, como intertravamento de aspereza (pontos altos travados juntos), aração (grãos duros cavando na superfície oposta) e moagem por goivagem (partículas trituradas que resistem ao movimento). No entanto, este estudo mostra o oposto do que esses modelos prevêem: mais desgaste leva a menos atrito, e menos desgaste leva a mais atrito. Em vez do atrito proveniente da escavação ou moagem dos grãos, ele surge de pequenas asperezas que achatam plasticamente, frias–soldam-se e resistem ao deslizamento porque suas ligações atômicas soldadas devem ser quebradas. Isso representa uma grande mudança na forma como o atrito da falha é entendido.
O estudo também descobriu que o atrito é amplamente insensível à temperatura, à velocidade de deslizamento e ao tempo de espera, sugerindo que as leis clássicas de atrito de estado de taxa podem não se adaptar a falhas reais. As simulações identificam três mecanismos principais de dissipação de energia que são quebra de ligação, deformação plástica e tensão.–mudanças de fase induzidas. Isto mostra que o aquecimento instantâneo em velocidades de laboratório é muito pequeno para enfraquecer o quartzo, enquanto as velocidades de escorregamento no nível do terremoto gerariam um enfraquecimento térmico muito mais forte. Eles também revelam que certos polimorfos de quartzo podem se formar puramente por estresse, o que significa que sua presença em falhas naturais não indica necessariamente altas temperaturas.
Tomados em conjunto, estes resultados sugerem que o atrito da falha é dominado pela ligação adesiva nas asperezas, em vez da retificação mecânica, e que o movimento tectônico pode ser governado mais pela fluência.–escorregar do que o bastão clássico–comportamento escorregadio.
Quer saber mais sobre esse assunto?
A física dos terremotos por Hiroo Kanamori e Emily E Brodsky (2004)