Результаты нового исследования позволяют предположить, что для более детального понимания трения между тектоническими плитами ученым следует принимать во внимание химические связи, формирующиеся между линиями активного нарушения горных пород.

Тем не менее, ряд членов научного сообщества сомневается в том, что силы, возникающие на наноуровне, могут оказывать какое-либо существенное влияние на крупномасштабные тектонические процессы, которыми, например, являются землетрясения.

Руководитель исследования, позволившего сделать такие неоднозначные выводы, Роберт Карпик (Robert Carpick) из Университета Пенсильвании, отмечает, что чем дольше два геологических объекта находятся в тесном контакте, тем сложнее их разъединить. Этот эффект известен, как эффект старения, и для объяснения его природы имеется две гипотезы. Представители одного лагеря геологов объясняют эффект старения оползневыми явлениями – со временем обе контактирующие поверхности медленно оплывают и деформируются, благодаря чему увеличивается плотность их взаимного соприкосновения.

Другая группа геологов уверена, что форма области контакта в значительной степени не меняется, а происходит качественное изменение области контакта. Карпик, представляющий именно второй лагерь считает, что прочность связывания пластов увеличивается благодаря образованию химических связей между ними.

Для того, чтобы доказать возможность протекающего со временем химического связывания двух скальных поверхностей исследователи из группы Карпика ввели в соприкосновение состоящий из оксида кремния зонд атомно-силового микроскопа (АСМ) шириной в 2 нм с поверхностью из оксида кремния. В ходе эксперимента измеряли силу трения, которую надо было преодолеть для перемещения зонда относительно поверхности, варьируя времена контакта. Исследователи полагают, что такие измерения важны, поскольку оксид кремния является основным компонентом большинства геологических материалов. Было обнаружено, что при увеличении времени статического контакта зонда АСМ с кремниевой подложкой сила, необходимая для перемещения зонда, увеличивалась. Карпик объясняет этот феномен образованием мостиков –Si–O–Si– между двумя поверхностями.

Исследователи повторили эксперимент, снова взяв кремниевый зонд АСМ, но заменив подложку из оксида кремния подложками из алмаза и графита, в этом случае эффект старения не наблюдался – сила, необходимая для перемещения зонда АСМ как по алмазной, так и графитовой поверхности не менялась в зависимости от времени их статического контакта. По словам Карпика, если бы эффект старения определялся только деформацией контактирующих поверхностей, увеличение времени статического контакта приводило бы к увеличению их взаимодействия независимо от типа поверхностей. Однако, поскольку эффект старения можно увидеть для контакта двух кремнийоксидных поверхностей, скорее всего, причиной старения является образование химических связей между ними.

Карпик заявляет, что он не пытается опровергнуть роль оползневых явлений в тектонических процессах. По его словам, цель работы состояла не в опровержении роли оползневой деформации в тектонических явлениях, а в подтверждении того, что химические процессы, протекающие с образованием ковалентной связи также должны учитываться в построении моделей землетрясений и других подвижек земной коры друг относительно друга.

Тем не менее, Стефано Заппери (Stefano Zapperi) из Университета Милана, представляя лагерь исследователей, не согласных с необходимостью учитывать химические факторы в геологии, аргументирует возражения следующим образом: «Эксперимент Карпика весьма чист, его результаты убеждают в существовании химического взаимодействия на наноуровне, но вряд ли оправданно переносить эти результаты на макроскопический уровень».
Источник: Nature, 2011, DOI: 10.1038/nature10589