Hvordan friktion udvikler sig under et jordskælv

Ved at simulere jordskælv i et laboratorium, ingeniører hos Caltech har dokumenteret udviklingen af ​​friktion under et jordskælv - ved at måle, hvad der engang kun kunne udledes, og kaste lys over en af ​​de største ubekendte inden for jordskælvsmodellering.

Før et jordskælv, statisk friktion hjælper med at holde de to sider af en fejl ubevægelige og pressede mod hinanden. Under passagen af ​​et jordskælvsbrud, at friktionen bliver dynamisk, når de to sider af forkastningen sliber forbi hinanden. Dynamisk friktion udvikler sig gennem et jordskælv, påvirke hvor meget og hvor hurtigt jorden vil ryste og dermed, mest vigtigt, jordskælvets destruktivitet.

"Friktion spiller en nøglerolle i, hvordan brud udpakker fejl i jordskorpen, " siger Vito Rubino, forsker ved Caltech's Division of Engineering and Applied Science (EAS). "Antagelser om dynamisk friktion påvirker en bred vifte af jordskælvsvidenskabelige forudsigelser, herunder hvor hurtigt brud vil forekomme, naturen af ​​jordrystning, og resterende stressniveauer på fejl. Alligevel er den præcise karakter af dynamisk friktion stadig en af ​​de største ubekendte inden for jordskælvsvidenskab."

Tidligere, det var almindeligt blevet antaget, at udviklingen af ​​dynamisk friktion hovedsageligt var styret af, hvor langt fejlen gled ved hvert punkt, efterhånden som et brud gik - dvs. ved den relative afstand, at den ene side af en fejl glider forbi den anden under dynamisk glidning. Analyse af jordskælv, der blev simuleret i et laboratorium, holdet fandt i stedet ud af, at glidehistorien er vigtig, men den vigtigste langsigtede faktor er faktisk sliphastigheden – ikke kun hvor langt fejlen glider, men hvor hurtigt.

Rubino er hovedforfatter på et papir om holdets resultater, der blev offentliggjort i Naturkommunikation den 29. juni. Han samarbejdede med Caltechs Ares Rosakis, Theodore von Kármán professor i luftfart og maskinteknik ved EAS, og Nadia Lapusta, professor i maskinteknik og geofysik, som har fælles aftaler med EAS og Caltech Division of Geological and Planetary Sciences.

Holdet udførte forskningen på et Caltech-anlæg, instrueret af Rosakis, der uofficielt er blevet døbt den "seismologiske vindtunnel." På anlægget, forskere bruger avanceret højhastigheds optisk diagnostik og andre teknikker til at studere, hvordan jordskælvsbrud opstår.

"Vores unikke facilitet giver os mulighed for at studere dynamiske friktionslove ved at følge individuelle, hurtigt bevægende forskydningsbrud og registrerer friktion langs deres glidende flader i realtid, " siger Rosakis. "Dette giver os for første gang mulighed for at studere friktion punktmæssigt og uden at skulle antage, at glidning sker ensartet, som det er gjort i klassiske friktionsstudier, " tilføjer Rosakis.

For at simulere et jordskælv i laboratoriet, forskerne skar først i en halv gennemsigtig blok af en type plastik kendt som homalite, som har lignende mekaniske egenskaber som rock. De satte derefter de to stykker sammen under pres, simulerer den statiske friktion, der opbygges langs en brudlinje. Næste, de anbragte en lille nikkel-chrom-trådsikring på det sted, hvor de ønskede, at jordskælvets epicenter skulle være. Udløsning af sikringen frembragte en lokal trykudløsning, hvilket reducerede friktionen på det sted, og tillod et meget hurtigt brud for at udbrede miniatureforkastningen.

I dette studie, holdet optog disse simulerede jordskælv ved hjælp af en ny diagnostisk metode, der kombinerer højhastighedsfotografering (med 2 millioner billeder i sekundet) med en teknik kaldet digital billedkorrelation, hvor individuelle billeder sammenlignes og kontrasteres med hinanden, og ændringer mellem disse billeder – hvilket indikerer bevægelse – spores med sub-pixel nøjagtighed.

"Nogle numeriske modeller af jordskælvsbrud, inklusive dem, der er udviklet i min gruppe på Caltech, har brugt friktionslove med glidehastighedsafhængighed, baseret på en samling af bjergmekaniske eksperimenter og teorier. Det er glædeligt at se disse formuleringer valideret af de spontane mini-jordskælvsbrud i vores undersøgelse, " siger Lapusta.

I det fremtidige arbejde, holdet planlægger at bruge sine observationer til at forbedre de eksisterende matematiske modeller om karakteren af ​​dynamisk friktion og til at hjælpe med at skabe nye, der bedre repræsenterer de eksperimentelle observationer; sådanne nye modeller ville forbedre computerjordskælvssimuleringer.

Undersøgelsen har titlen "Forstå dynamisk friktion gennem spontant udviklende laboratoriejordskælv."