احتكاك الصدع

يصف احتكاك الصدع العلاقة بين الاحتكاك وميكانيكا الصدع . يُعد انهيار الصخور والزلازل المصاحبة له عمليةً فركتاليةً إلى حد كبير (انظر الزلزال المميز ). وتبقى هذه العملية ثابتةً بغض النظر عن المقياس حتى أصغر بلورة . وبالتالي، يعتمد سلوك الزلازل الهائلة على خصائص عدم انتظام الجزيئات أو النتوءات الفردية. ^{[ 1 ]}

إذا تم تقريب نتوءين نانويين نظيفين من بعضهما في فراغ ، فسينتج عن ذلك لحام بارد . أي أن أطراف البلورة ستندمج كما لو كانت واحدة ( تماسك ). في الطبيعة، تكون هذه الأطراف مغطاة بغشاء رقيق من مادة غريبة. ويُعد الماء المكون الأهم لهذا الغشاء .

إذا أُزيل هذا الماء، عن طريق التجفيف الشديد، فإن المعادن الصخرية لا تتصرف على الإطلاق كما هو متوقع: ^{[ 2 ]} فهي لا تُظهر أي التئام للصدوع أو احتكاك ديناميكي. يعتمد السلوك الكامل للزلازل على أغشية رقيقة للغاية.

بعد وقوع زلزال كبير، تبدأ عملية تُعرف باسم التئام الصدع . ^{[ 3 ]} وهي ظاهرة موثقة جيدًا تتضمن زيادة تدريجية في معامل الاحتكاك الساكن. في نموذجنا النانوي، تتمثل العملية في إزاحة الشوائب ببطء لتكوين رابطة تماسك قوية. أما في حالة المعادن والماء، فتوجد آلية أخرى، حيث يتسبب الماء في تآكل الإجهاد وإضعاف الجسم الخشن الرئيسي (تنعيم التضاريس)، مما يسمح بتشوه لدني أكبر، وبالتالي زيادة التلامس.

أهم ما في الأمر هو أن تقوية هذه الروابط تعتمد على الزمن. فعندما يتعرض الصدع لضغط شديد يصل إلى حد الزلزال، تبدأ هذه الروابط بالتمدد والانكسار، ولا يتوفر لها الوقت الكافي للتعافي. وبمجرد بلوغ المسافة الحرجة، يحدث فقدان كبير في القوة، ويبدأ الصدع بالانزلاق.

لا تحدث الزلازل إلا نتيجة لفقدان كبير في قوة الاحتكاك. قد يكون السبب هو أن "أسطح الانزلاق" الناتجة عن الزلزال مُشحَّمة بهلام السيليكا، ^{[ 4 ]} أو أن الماء يعمل كمادة تشحيم قياسية للمحامل، أو أن هناك آلية "رفع وفصل" تعمل.

تتمتع جميع الصخور بدرجة معينة من المسامية ، وتختلف أنواع الصخور في مسامية كل منها. وهذا يعني وجود مسامات صغيرة بين حبيبات الصخر، يمكن أن تمتلئ بغاز (عادةً الهواء) أو سائل. يُعد الماء أكثر سوائل المسام شيوعًا، ويمكن أن يؤثر وجوده بشكل كبير على الاحتكاك على الصدع. فعندما يتراكم الماء في مسامات كتلة صخرية حول الصدع، يزداد الضغط داخل هذه المسامات. وعلى سطح صدع مستقر حاليًا، يؤدي ارتفاع ضغط المسامات إلى تباعد الصدع على المستوى المجهري. ويمكن أن يؤدي هذا الارتفاع في ضغط المسامات إلى تقليل مساحة سطح النتوءات المتلامسة على الصدع، مما يتسبب في تكسرها وانزلاق الصدع. مع ذلك، قد لا يؤدي وجود الماء دائمًا إلى تقليل الاحتكاك.

يؤثر نوع الصخر على طول الصدع بشكل كبير على مقدار مقاومة الاحتكاك. تتميز معظم أنواع الصخور البلورية بمعامل احتكاك أعلى بكثير من الصخور الرسوبية، وذلك بسبب تماسكها العالي ومساحة سطحها الخشنة الأكبر. كما يتحكم نوع الصخر في تأثير الماء على احتكاك الصدع. أثبتت التجارب المخبرية أن وجود الماء يعزز تمزق الصدع في الصخور الكربوناتية (الرخام). ^{[ 5 ]} ومع ذلك، أظهرت هذه التجارب أيضًا أنه في أنواع الصخور الحاملة للسيليكا (الميكروغابرو)، قد يؤدي وجود الماء إلى تأخير أو حتى منع تمزق الصدع. ويعود ذلك إلى أنه عند تمزق صدع حامل للسيليكا، يحدث التمزق من خلال "الانصهار اللحظي" للنتوءات. ^{[ 5 ]} بعبارة أخرى، تنصهر نقاط التلامس المجهرية للحبيبات التي تثبت الصدع في مكانه على الفور نتيجة للإجهادات العالية. يؤدي وجود الماء إلى تأخير هذا "الذوبان السريع" بشكل أساسي عن طريق تبريد نقاط التلامس والحفاظ عليها في حالة صلبة. في حالة الصدع الذي يمر عبر الصخور الكربوناتية، يحدث التمزق عندما تتعرض هذه النتوءات لكسر هش. في هذه الحالة، يعمل الماء كمادة تشحيم تُسهّل كسر هذه النتوءات. العامل الرئيسي المتحكم في تأثير نوع الصخر ليس بالضرورة تركيب الصخر، بل الأهم من ذلك "خشونة" الصخر عند سطح الصدع. ^{[ 6 ]}

بمجرد أن يبدأ الصدع بالانزلاق، تكون الحرارة الاحتكاكية الأولية الناتجة عنه شديدة للغاية. ويعود ذلك إلى انزلاق سطحين صخريين على بعضهما البعض بسرعة عالية وقوة كبيرة. وتُعرف هذه الظاهرة بتزييت الصدع، حيث يقل الاحتكاك على سطح الصدع أثناء انزلاقه، مما يُسهّل انزلاقه. إحدى طرق حدوث ذلك هي الانصهار الاحتكاكي. ^{[ 7 ]} فمع انزلاق الصدع، تتسبب هذه الكمية الهائلة من الحرارة في انصهار طبقة رقيقة من الصخور على طول الصدع. ثم يتمدد هذا الصخر المنصهر (الانصهار الاحتكاكي) ويتغلغل في المسام والعيوب الموجودة على سطح الصدع، مما يُؤدي إلى تنعيم سطحه. يُمكن تشبيه ذلك بالفرق بين فرك قطعتين من ورق الصنفرة ببعضهما البعض، ثم فركهما بقطعتين من ورق الطباعة. يُمكن أن تحدث عملية مماثلة في حال وجود ماء في الصخر. فمع بدء انزلاق الصدع، تُؤدي هذه الزيادة السريعة في درجة الحرارة بالقرب منه إلى تبخر الماء الموجود في المسام. مع تمدد بخار الماء، تتوسع المسامات على طول سطح الصدع، مما يُنشئ سطحًا أكثر نعومة عند نقطة التقاء الصدع. ويمكن لهذه العملية أن تُنشئ سطحًا "شبه عديم الاحتكاك" على طول الصدع. ^{[ 8 ]}

تُولد الصدوع كميات هائلة من الحرارة، مما يؤدي عادةً إلى انصهار احتكاكي. ومع انزلاق الصدع، تنتشر طبقة الصخور المنصهرة على سطحه، وتُدفع إلى أي شقوق أو فراغات أخرى موجودة في الصخور المحيطة. بعد أن تبرد هذه الصخور المنصهرة، يُعرف التركيب الذي تُخلفه باسم " السودوتاكيليت" . يمكن أن تتشكل هذه السودوتاكيليتات عند ضغوط تصل إلى 0.7 جيجا باسكال أو أعلى ، وهو ما يُعادل تصدعًا عميقًا في القشرة الأرضية. ^{[ 9 ]} ومع ذلك، يُمكن أن يُساعد وجودها في تحديد موقع الصدوع القديمة التي التئمت منذ ذلك الحين.

كارنر، إس إل؛ مارون، سي؛ وإيفانز، بي. (1997). "دراسة مخبرية لالتئام الصدوع وتصلبها في مادة الصدع المحاكية في ظل ظروف حرارية مائية" (ملف PDF) . علم تكتونيات الأرض . 277 (1): 41-55 . رمز Bibcode : 1997Tectp.277...41K . doi : 10.1016/S0040-1951(97)00077-2 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 4 مارس 2016.

بايرلي، ج. (1978). "احتكاك الصخور" (ملف PDF) . الجيوفيزياء البحتة والتطبيقية . 116 ( 4-5 ): 615-626 . Bibcode : 1978PApGe.116..615B . doi : 10.1007/BF00876528 .