[논문 리뷰] Mechanochemistry: an hypothesis for shallow earthquakes

Didier Sornette|arXiv (Cornell University)|1998. 07. 30.

earthquake and tectonic studies참고 문헌 133인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 얕은 지진을 위한 기계화학적 메커니즘을 제안하며, 고갈된 고리에서 국소적 변형이 물을 보조로 하는 안정된 광물의 고에너지 준안정 다형체로의 상전이를 유도한다. 변형이 증가함에 따라 랑도 이론은 폭발적인 전이를 예측하며, 이는 초음속 충격파와 고진폭 음파를 생성하고, 고리 핵심부를 유체화시켜 판구조적 응력 하에서의 미끄럼을 가능하게 하여 탄성 에너지를 방출하고 지진을 일으킨다.

ABSTRACT

We advance the novel hypothesis that water in the presence of finite localized strain within fault gouges may lead to the phase transformation of stable minerals into metastable polymorphs of higher free energy density. Under increasing strain, the transformed minerals eventually become unstable, as shown from an application of Landau theory of structural phase transitions. We propose that this instability leads to an explosive transformation, creating a slightly supersonic shock wave propagating along the altered fault core leaving a wake of shaking fragments. As long as the resulting high-frequency acoustic waves remain of sufficient amplitude to lead to a fluidization of the fault core, the fault is unlocked and free to slip under the effect of the tectonic stress, thus releasing the elastic part of the stored energy. We briefly discuss observations that could be understood within this theory.

연구 동기 및 목표

• 양이 높고 파괴력이 강한데도 불구하고 여전히 잘 이해되지 않는 얕은 지진의 물리적 메커니즘을 설명하기 위해.
• 충분한 응력 축적이 없음에도 불구하고 고리가 판구조적 응력 하에서 갑작스럽게 미끄러지는 데서 발생하는 역설을 해결하기 위해.
• 변형 하에서 광물의 상전이가 지진 에너지 방출과 연결되는 새로운 가설을 제안하기 위해.
• 재료 과학, 열역학, 지진 역학의 개념을 통합하여 통합된 메커니즘을 구축하기 위해.
• 관측된 고주파 음파와 고리 핵심부의 유체화를 설명할 수 있는 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 고갈된 고리에서 국소적 변형으로 인해 형성된 준안정 다형체의 불안정성을 모델링하기 위해 랑도의 구조적 상전이 이론을 적용한다.
• 물과 유한한 변형의 존재로 인해 안정 광물이 더 높은 자유 에너지 밀도의 다형체로 전이되는 것을 모델링한다.
• 상전이의 폭발적 성격을 시뮬레이션하여 고리 핵심부를 따라 전파되는 초음속 충격파를 생성한다.
• 유도된 고주파 음파와 그들이 고리 영역을 유체화시켜 마찰을 감소시키고 판구조적 응력 하에서의 급속한 미끄럼을 가능하게 하는 능력을 분석한다.
• 유체화가 발생하고 고리가 해제되는 조건을 열역학적 및 기계적 원리를 사용하여 평가한다.
• 이론적 모델을 고주파 방사와 후진진동 시퀀스와 같은 관측 가능한 지진 현상과 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 응력 축적이지만 갑작스럽게 미끄러지는 얕은 지진에서 어떤 물리적 메커니즘이 작용하는가?
• RQ2 변형 하에서 광물의 상전이가 어떻게 폭발적인 에너지 방출과 충격파의 전파를 유도할 수 있는가?
• RQ3 유도된 음파장이 고리 핵심부를 유체화하기에 충분한 진폭에 도달하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 물은 국소적 변형 하에서 준안정 다형체의 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 제안된 메커니즘이 얕은 지진 파형에서 관측된 고주파 성분을 어떻게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 물이 존재하는 조건에서 고갈된 고리의 국소적 변형은 안정 광물을 더 높은 자유 에너지 밀도를 가진 준안정 다형체로 이끈다.
• 변형이 증가함에 따라 랑도 이론이 예측한 바와 같이 상전이가 불안정해지며, 폭발적인 전이로 이어진다.
• 폭발적인 전이로 인해 고리의 길이 방향으로 전파되는 초음속 충격파가 생성되며, 이는 파쇄되고 고에너지 상태의 물질이 퍼진 자리를 남긴다.
• 유도된 고진폭 음파는 고리 핵심부를 유체화시켜 마찰을 감소시키고 판구조적 응력 하에서의 급속한 미끄럼을 가능하게 한다.
• 유체화는 고리의 해제를 지속시켜 축적된 탄성 에너지가 급속한 미끄럼을 통해 방출되며, 이는 얕은 지진 역학과 일치한다.
• 이 모델은 고주파 지진 방사와 관측된 얕은 지진 파형의 특성을 설명할 수 있는 물리적 기반을 제공한다.