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滑動的岩石如何因摩擦而熔解

  撰文者:  2017-07-28
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當地震發生時會造成一組岩層滑過另一組岩層,兩者界面的岩石會因產生的摩擦熔解而形成一層液態的岩石,這個液態岩石層會使得後續岩層的滑動趨於平緩。岩層滑動時造成的1000-1500oC界面溫度是高過許多礦物的熔點。然而即便如此,檢驗挖出來的斷層並無證據顯示發生過在高溫所造成的均勻、平衡的熔解。就石英岩來說(請見附圖),其溶解過程尤其令人困惑。石英岩所含有少數成份的熔點較其主成份的為低,所以會先溶解後再重新固化,但是這個過程卻也發生在一些熔點是1726oC的石英岩本身。

沙傑德.阿哈馬,白沙瓦大學(巴基斯坦)提供

為了搞清楚到底發生了甚麼事,南韓國立首爾大學的李成根(Sung Keun Lee)教授和國立慶尚大學的韓在熙(Raehee Han )教授以及他們的同僚們,從垂直於對稱軸的方向切開了一個圓錐形的巴西石英岩,並將切下的兩片碟片狀的樣品裝載在一具旋轉的機台。放在下面的那一片樣品是被固定住的,而上面的那一片在與下方的那一片相接觸的同時,以1.3m/s的圓周速率旋轉。兩片樣品因為摩擦而在周邊處(相對速率最大,摩擦最劇烈)產生了一層0.7 mm厚的熔融層,該處的溫度達1400 oC。當樣品冷卻後學者們查驗了樣品的界面,他們發現樣品邊緣處和挖出來的斷層一樣沒有均勻熔解的證據。向著樣品中心看去,沿路的滑行率比邊緣的低,熔解現象並沒有發生,但是摩擦卻產生了粉狀的碎片。

        關鍵的線索在這裡:如同吉布斯-湯姆生方程式(Gibbs–Thomson equation)所示,材料的體積越小,其彎曲的表面因為較大的曲率而使得能量大於塊材。這會使得粉末狀顆粒的熔點低於塊材。更有甚者,摩擦遽然開動所造成的溫度突升會產生另一層效應:它會在1400 oC觸發β-石英(石英岩的主要結晶相之一)的亞穩熔解。所以當石英岩層間的滑動發生後,其間的摩擦不必達到礦物的熔點就可以產生界面的潤滑層。


(原論文見:S. K. Lee et al., Nat. Geosci.10, 436, 2017, doi:10.1038/ngeo2951.)


本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, July/2017 雜誌內(Physics Today 70, 7, 24 (2017); doi: http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3617);原文作者:Charles Day。中文譯稿:林中一教授,國立中興大學物理系。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin.  The article is contributed by Charles Day and is published on Physics Today 70, 7, 24 (2017); doi:  http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.36173). The article in Mandarin is translated by Prof. Chung-Yi Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.

原連結網址:http://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3617



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