Eksperimenter afslører en ny mekanisme, der kunne forklare kilden til et destruktivt træk ved Tohoku-jordskælvet i 2011

Det er en almindelig trope i katastrofefilm:et jordskælv rammer, får jorden til at rive op og sluge mennesker og biler hele. Den gabende jord kan skabe filmisk drama, men jordskælvsforskere har længe holdt fast i, at det ikke sker.

Undtagen, det kan, ifølge ny eksperimentel forskning fra Caltech.

Arbejdet, optræder i journalen Natur den 1. maj, viser, hvordan jorden kan spalte op - og derefter hurtigt lukke igen - under jordskælv langs trykforkastninger.

Trykfejl har været stedet for nogle af verdens største jordskælv, såsom Tohoku-jordskælvet i 2011 ud for Japans kyst, som beskadigede Fukushima atomkraftværket. De forekommer i svage områder af jordskorpen, hvor en klippeplade komprimeres mod en anden, glider op og over det under et jordskælv.

Et hold af ingeniører og videnskabsmænd fra Caltech og École normale supérieure (ENS) i Paris har opdaget, at hurtige brud, der forplanter sig op mod jordens overflade langs en trykforkastning, kan få den ene side af en forkastning til at vride sig væk fra den anden, åbner et mellemrum på op til et par meter, som derefter klikker sammen.

Jordskælv opstår generelt, når to stenplader presser mod hinanden, og tryk overvinder friktionen, der holder dem på plads. Det har længe været antaget, at på lave dybder ville pladerne bare glide mod hinanden i en kort afstand, uden at åbne.

Imidlertid, forskere, der undersøgte Tohoku-jordskælvet, fandt ud af, at fejlen ikke kun gled på lave dybder, det gjorde det med op til 50 meter nogle steder. Den store bevægelse, som fandt sted lige ud for kysten, udløste en tsunami, der forårsagede skade på faciliteter langs Japans kyst, herunder på Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant.

I Nature-avisen, holdet antager, at Tohoku-jordskælvets brud forplantede sig op ad forkastningen og - når det først nærmede sig overfladen - fik en stenplade til at vride sig væk fra en anden, åbne et mellemrum og midlertidigt fjerne enhver friktion mellem de to vægge. Dermed kunne fejlen glide 50 meter.

Den åbning af fejlen skulle være umulig.

"Dette er faktisk indbygget i de fleste computermodeller af jordskælv lige nu. Modellerne er blevet programmeret på en måde, der dikterer, at forkastningens vægge ikke kan adskilles fra hinanden, " siger Ares Rosakis, Theodore von Kármán professor i luftfart og maskinteknik ved Caltech og en af ​​seniorforfatterne til Nature-papiret. "Resultaterne viser værdien af ​​eksperimentering og observation. Computermodeller kan kun være så realistiske, som deres indbyggede antagelser tillader dem at være."

Det internationale hold opdagede det snoede fænomen ved at simulere et jordskælv i et Caltech-anlæg, der uofficielt er blevet døbt "Seismologisk vindtunnel". Anlægget startede som et samarbejde mellem Rosakis, en ingeniør, der studerer, hvordan materialer fejler, og Hiroo Kanamori, en seismolog, der udforsker jordskælvs fysik og en medforfatter til Nature-studiet. "Caltechs forskningsmiljø hjalp os meget med at have tæt samarbejde på tværs af forskellige videnskabelige discipliner, " sagde Kanamori. "Vi seismologer har haft stor gavn af samarbejdet med professor Rosakis' gruppe, fordi det ofte er meget svært at udføre eksperimenter for at teste vores ideer i seismologi."

På anlægget, forskere bruger avanceret højhastigheds optisk diagnostik til at studere, hvordan jordskælvsbrud opstår. For at simulere et jordskælv med stødfejl i laboratoriet, forskerne skar først en halv gennemsigtig blok af plast i, der har mekaniske egenskaber, der ligner stenens. De satte derefter de ødelagte stykker sammen igen under pres, simulering af den tektoniske belastning af en brudlinje. Næste, de placerer en lille nikkel-chrom-trådsikring på det sted, hvor de vil have jordskælvets epicenter. Da de udløste sikringen, friktionen ved sikringens placering reduceres, tillader et meget hurtigt brud at forplante sig op ad miniatureforkastningen. Materialet er fotoelastisk, hvilket betyder, at den visuelt viser - gennem lysinterferens, når den bevæger sig i det klare materiale - udbredelsen af ​​stressbølger. Det simulerede jordskælv optages ved hjælp af højhastighedskameraer, og den resulterende bevægelse fanges af laserhastighedsmålere (partikelhastighedssensorer).

"Dette er et godt eksempel på samarbejde mellem seismologer, tektonister og ingeniører. Og for ikke at sætte et alt for fint punkt på det, USA/fransk samarbejde, " siger Harsha Bhat, medforfatter til papiret og en forsker ved ENS. Bhat var tidligere postdoc-forsker ved Caltech.

Holdet var overrasket over at se, at da bruddet ramte overfladen, fejlen vred sig op og knækkede derefter. Efterfølgende computersimuleringer - med modeller, der blev modificeret for at fjerne de kunstige regler mod fejlåbningen - bekræftede, hvad holdet observerede eksperimentelt:den ene plade kan vride sig voldsomt væk fra den anden. Dette kan ske både på land og på undervandstrykfejl, hvilket betyder, at denne mekanisme har potentiale til at ændre vores forståelse af, hvordan tsunamier genereres.

Papiret har titlen "Eksperimentelle beviser på, at stød-jordskælvsbrud kan åbne fejl."