Адгезивные неровности, а не абразия, управляют трением в разломах: новое понимание землетрясений

Трение в геологических разломах — ключевой фактор, определяющий, когда и как происходят землетрясения. Долгое время считалось, что основную роль играет абразивный износ: микроскопические неровности поверхностей разлома стираются друг о друга, создавая сопротивление. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, показывает, что доминирующим механизмом является адгезия — взаимное притяжение между неровностями (асперити). Это открытие не только меняет фундаментальные представления о физике землетрясений, но и открывает путь к более точным моделям сейсмической активности.

Адгезивные асперити против абразии: как учёные пересмотрели механизм трения

Группа физиков из Утрехтского университета под руководством профессора Брайана Тилла провела серию экспериментов, в которых моделировала контакт двух поверхностей, имитирующих разлом. Используя высокоточные измерительные приборы и микроскопию, они наблюдали за поведением отдельных асперити — микроскопических выступов, которые фактически соприкасаются при скольжении. Оказалось, что в условиях, близких к реальным геологическим, адгезия (силы межмолекулярного притяжения) вносит значительно больший вклад в сопротивление сдвигу, чем абразия. Когда две поверхности сдвигаются друг относительно друга, асперити не просто царапают друг друга, а «прилипают» и разрываются, расходуя энергию на преодоление адгезионных связей.

Этот процесс получил название «адгезивное скольжение» (adhesive slip). Исследователи показали, что при низких скоростях скольжения адгезия доминирует, а при высоких — абразия становится заметнее, но всё равно уступает по вкладу. Более того, именно адгезия ответственна за характерное «stick‑slip» поведение — чередование периодов накопления напряжения (прилипание) и резкого сброса (скольжение), которое и порождает землетрясения.

Предыстория и контекст: почему это важно для сейсмологии

Классическая модель трения в разломах, известная как закон Амонтона — Кулона, предполагает, что сила трения пропорциональна нормальной нагрузке и не зависит от площади контакта. Однако в геофизике уже давно накапливались данные, указывающие, что реальное поведение разломов сложнее. Например, эксперименты с образцами пород показывали, что трение зависит от скорости скольжения и истории контакта — эффект, который плохо объяснялся абразивной моделью. Новое исследование даёт микроскопическое обоснование этим наблюдениям: адгезия асперити создаёт зависимость от времени контакта и скорости, что и приводит к сложной динамике.

Кроме того, работа объясняет, почему некоторые разломы «ползут» медленно без крупных землетрясений, а другие накапливают напряжение веками. Адгезивные связи между асперити могут «стареть» со временем, увеличивая прочность контакта, что соответствует лабораторным данным по «стабилизации» трения. Это открывает путь к созданию более реалистичных моделей, которые учитывают не только макроскопические параметры, но и микроструктуру поверхности разлома.

Как адгезия влияет на механизм землетрясений?

В эксперименте учёные использовали две полированные кварцевые пластинки, между которыми создавали контакт с контролируемым давлением. С помощью атомно-силового микроскопа они измеряли силу сдвига и одновременно наблюдали за изменением площади контакта. Оказалось, что при медленном скольжении асперити не просто скользят, а образуют адгезионные мостики — участки, где молекулы поверхностей сближаются на расстояние действия вандерваальсовых сил. Разрыв этих мостиков требует энергии, которая и проявляется как сила трения. При быстром скольжении мостики не успевают сформироваться, и трение снижается — это объясняет известный эффект «velocity weakening», важный для сейсмологии.

Технические детали: как учёные измерили вклад адгезии

Ключевой методический прорыв состоял в том, чтобы разделить вклады адгезии и абразии. Для этого исследователи провели серию экспериментов с разными скоростями скольжения и разной шероховатостью поверхностей. Они также использовали метод «force spectroscopy» — измерение силы отрыва после различного времени контакта. Результаты показали, что адгезионный вклад составляет от 60% до 90% общего трения в зависимости от условий, причём максимален при низких скоростях и гладких поверхностях. Абразия же доминирует только при очень высоких скоростях (например, при быстром сдвиге в лаборатории) или на очень шероховатых поверхностях, что редко встречается в природных разломах.

Кого затронет и как: от сейсмологов до строителей

Для сейсмологов это открытие означает необходимость пересмотра моделей прогноза землетрясений. Современные модели, основанные на законе трения Дитериха — Руины, уже включают эмпирические параметры, но новое микроскопическое понимание позволит уточнить их физический смысл. Для инженеров-строителей и проектировщиков сейсмостойких сооружений это может привести к более точным оценкам сейсмической опасности, особенно в регионах с медленными разломами. В России, например, в зоне Кавказа или Байкала, где разломы проявляют сложное поведение, такие модели особенно актуальны.

Что будет дальше: новые эксперименты и модели

Сейчас группа Тилла планирует изучить, как адгезивное скольжение зависит от температуры и наличия жидкости в разломе — факторов, критически важных для реальных землетрясений. Они также намерены проверить, работает ли этот механизм для других материалов, например, для карбонатных пород, характерных для многих сейсмоактивных зон. Параллельно другие научные группы уже начинают включать адгезивные эффекты в компьютерные модели разломов, чтобы проверить их на исторических данных о землетрясениях.

Итог

Открытие того, что адгезия, а не абразия, является главным источником трения в геологических разломах, меняет фундаментальное понимание механики землетрясений. Это не только научный прорыв, но и практический шаг к более точному прогнозированию сейсмической активности. Следите за новыми работами в этой области — возможно, мы стоим на пороге создания первой по-настоящему физической модели землетрясений.