Få indsigt i jordskælvs energibalance

Forskere ved EPFL's Computational Solid Mechanics Laboratory og Weizmann Institute of Science har modelleret begyndelsen af ​​glidning mellem to kroppe i friktionskontakt. Deres arbejde, et stort skridt fremad i studiet af friktionsbrud, kunne give os en bedre forståelse af jordskælv – herunder hvor langt og hurtigt de rejser.

Det er stadig umuligt at afgøre, hvor og hvornår et jordskælv vil opstå. For eksempel, Californien har i årevis været under truslen fra "Big One, "og tættere på hjemmet, en nylig række små chok i Valais Canton i begyndelsen af ​​november har givet anledning til frygt for et større jordskælv i regionen. Selvom vi ikke kan forudsige jordskælv, forskere fra EPFL og Weizmann Institute of Science i Israel har taget et skridt fremad i vurderingen af ​​jordskælvsdynamikken gennem en bedre forståelse af, hvordan friktionsglidning - den relative bevægelse af to kroppe i kontakt under forskydningsspænding, såsom tektoniske plader - begynder. Deres arbejde er udgivet i to komplementære dele, i Fysisk gennemgang X og Earth and Planetary Science Letters .

"Vi ønskede at forstå, hvad der sker, når to legemer i friktionskontakt pludselig begynder at bevæge sig efter en gradvis stigning i forskydningsspændingen:den måde, de begynder at glide på, vil bestemme hastigheden og omfanget af bevægelsen og, potentielt, sværhedsgraden af ​​et jordskælv, " forklarer Fabian Barras, en ph.d.-assistent ved EPFL's Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) under denne forskning, og førsteforfatter til begge artikler.

Paralleller mellem glidefront og brud

Den måde, hvorpå friktionsglidning begynder mellem to kroppe, er ikke så ensartet, som den ser ud. Ultrahurtige kameraer viser, at slip starter på et bestemt punkt og derefter spreder sig til resten af ​​overfladen. "Denne glidefrontdynamik minder meget om den måde, hvorpå en revne forplanter sig i et skørt materiale, " siger Barras. Forskernes første publikation ser på lighederne mellem friktionsbrud og dynamisk brud. "Selvom fysikken i en revne og en glidefront ikke er helt den samme, de forplanter sig begge på grund af et fald i materialets bæreevne bag bruddet. Ved at bruge analogien med dynamisk fraktur, vi studerede oprindelsen af ​​faldet af friktionsspænding observeret i kølvandet på en glidefront, når grænsefladen begynder at bevæge sig."

Forskerne så derefter på koncentrationen af ​​stress ved glidefronten og brugte teoretiske værktøjer fra bruddynamikken til at studere energibalancen. I modsætning til situationen med en crack, friktion fortsætter med at sprede energi, efter at slip er startet. Under et jordskælv, kun en del af den tilgængelige energi bruges til at udbrede brudfronten, og resten spredes ved friktion, hovedsageligt i form af varme. Det er her, forskerne var i stand til at revidere tidligere brugte modeller og opnå en bedre forståelse af, hvor meget friktionsenergi, der er involveret i udbredelsen af ​​brudfronten.

De brugte højtydende computere til at simulere seismiske brud baseret på generiske friktionslove, som gengiver ændringen i friktionskraften afhængig af glidehastigheden målt mellem forskellige typer materialer. Ved at bruge dynamisk brudteori og anvende den på friktion, forskerne var i stand til at vurdere laboratorieforsøg og sikre, at deres forudsigelser var korrekte. "Vi var i stand til at validere vores forudsigelser på tværs af en lang række eksperimentelt observerede brudhastigheder. De teoretiske modeller, vi udviklede, kunne i fremtiden hjælpe os med bedre at forstå, hvorfor visse jordskælv i naturen er hurtige og voldsomme, mens andre formerer sig langsomt og forekommer over længere perioder, " tilføjer Barras.

Dyb geotermisk energi og induceret seismicitet

Disse fremskridt inden for grundforskning kunne en dag anvendes på mere komplekse modeller, såsom dem, der repræsenterer forhold langs tektoniske forkastninger, især hvor væsker er naturligt til stede eller sprøjtes ind i jorden. "I dag, flere lovende teknologier i forbindelse med energiomstillingen – som dyb geotermisk energi – er afhængig af underjordisk væskeinjektion. Det er vigtigt at have en bedre forståelse af, hvordan disse injektioner påvirker seismisk aktivitet. Jeg håber at kunne bruge de værktøjer, der er udviklet under min ph.d. at studere denne effekt, siger Barras.

"Dette arbejde viser, hvordan forskning udviklet i et civilingeniørlaboratorium kan have meget interessante implikationer for jordskælvsvidenskaben og føre til banebrydende publikationer inden for områder som fysik, siger professor Jean-François Molinari, lederen af ​​EPFL's Computational Solid Mechanics Laboratory. Fabian Barras har også modtaget en bevilling fra Swiss National Science Foundation til at fortsætte sin forskning i et laboratorium med speciale i forkastningsgeologi ved Universitetet i Oslo.