Jordskælv dyrket i laboratorier afslører friktionskræfterne, der virker under vores fødder

Simulering af et jordskælv i miniatureskala i et laboratorium, der uofficielt er kendt som "seismologisk vindtunnel, "ingeniører og seismologer har produceret det hidtil mest omfattende blik på den komplekse fysik i friktion, der driver ødelæggende jordskælv med fejlfunktion.

Jordskælv med stødfejl opstår, når den ene side af en fejl glider over eller under den anden side. Stødsfejl har været stedet for nogle af verdens største jordskælv, herunder Tohoku -jordskælvet i 2011 ud for Japans kyst, som genererede en tsunami, der beskadigede atomkraftværket i Fukushima.

Imidlertid, bevægelsen eller kræfterne, der forårsager disse jordskælv, ikke kan måles direkte ved kilden, da meget af handlingen foregår dybt inde i jorden. For at få mere indsigt i dem, et team af forskere skabte og observerede jordskælv med stødfejl ved et unikt "laboratorie jordskælv" anlæg i Caltech.

"Simulering af jordskælv i et laboratorium lader os observere, hvordan disse korte og voldelige begivenheder vokser og udvikler sig ved at 'bremse' deres bevægelse gennem højhastighedsfotografering og optik, "siger Ares Rosakis, Theodore von Karman professor i luftfart og maskinteknik, der driver anlægget og har introduceret konceptet med laboratorie jordskælv sammen med tidligere Caltech Seismology Laboratory direktør Hiroo Kanamori, John E. og Hazel S. Smits Professor i geofysik, Emeritus.

Rosakis er den tilsvarende forfatter til et papir om den nye forskning, der blev offentliggjort af Procedurer fra National Academy of Sciences den 25. august. Han forfattede dette papir sammen med Nadia Lapusta, Lawrence A. Hanson, Jr., Professor i maskinteknik og geofysik, hans mangeårige samarbejdspartner om problemer i grænsefladen mellem ingeniørvidenskab og jordskælvsvidenskab; tidligere postdoktor i Caltech, Yuval Tal, i øjeblikket adjunkt ved Ben-Gurion University i Negev i Israel; og Caltech forsker Vito Rubino.

For at skabe et jordskælv i laboratoriet, holdet skar først en halv gennemsigtig blok af en type plast kendt som Homalite, som har lignende friktionsegenskaber som rock. De satte derefter de to stykker sammen under pres og forskydning, simulerer tektonisk tryk, der langsomt bygger sig op langs en fejllinje. Næste, de placerede en lille ledningssikring på stedet under en simuleret jordoverflade, hvor de ønskede, at jordskælvet skulle stamme. Ved at udløse sikringen reducerede friktionen på dette sted og tillod et meget hurtigt brud at starte og udbrede miniaturefejlen mod Jordens frie overflade, producerer intens rystelse. I mellemtiden, højhastigheds billeddannelsesteknologi registrerede udviklingen af ​​spændinger, og dermed af friktionskoefficienten, langs fejlen, da bruddet nærmede sig den frie overflade - en milliontedel af et sekund ad gangen.

Den "seismologiske vindtunnel" har eksisteret siden 1999, men tilføjelsen af ​​digital billedkorrelation (DIC) i 2015 har givet ingeniørerne "et nyt par øjne, "Siger Rosakis. DIC måler minutskift i placeringen af ​​individuelle punkter gennem et materiale over tid, angiver, hvordan belastning og stress dynamisk udvikler sig gennem materialet under et simuleret jordskælv. Med disse oplysninger, Rosakis og hans kolleger var i stand til at kortlægge, hvordan et brud bevæger sig op ad en fejl, interagerer dynamisk med jordoverfladen, og påvirker endda sig selv gennem dynamisk udbredte bølger genereret af hver bevægelse.

De bemærkede en meget hurtig ændring i "fejl-normal" stress, som er den trykkraft, der holder fejlen spændt fast. Der er en række grunde til, at den fejlnormale stress kan variere, når fejlen glider. Ved jordskælv med trykfejl, forskerne bemærkede, at den fejlnormale stress gik gennem en hurtig cyklus med stigende og faldende amplitude, fordi bølger udsendt af bruddet derefter blev reflekteret ud af den simulerede jordoverflade som et ekko.

Fordi denne stress, som normalt holder en fejl låst på plads, ændrede sig hurtigt i styrke, det ændrede fejlens modstand mod at glide, kendt som forskydningsbevægelse. Når den fejlnormale stress ebber ud, fejlen er klemt mindre fast på plads og bliver mere tilbøjelig til at glide, forårsager et jordskælv.

Mest vigtigt, forskerne var i stand til at udfordre en almindeligt accepteret (men også omstridt) antagelse om, at friktion, der låser pladerne på plads langs en fejl, altid er proportional med den fejlnormale stress. Hvad de fandt i stedet er, at som bruddet interagerer med jordens overflade, der er en betydelig tidsforskydning mellem ændringer i fejl-normal stress og den resulterende forskydningsmodstand, og de to er ikke proportionelle på tidsskalaen for brudprocessen.

"Dette indebærer tilstedeværelsen af ​​en kompleks historiafhængig mekanisme, der styrer friktion i nærvær af hurtig fejl normal stress, som er karakteristiske for trykfejlkonfigurationer, "Siger Rosakis.

"Selvom uoverensstemmelse mellem ændringer i normal stress og friktion er blevet påpeget af tidligere undersøgelser, det har ikke været klart, hvor vigtig denne effekt er for jordskælv, "tilføjer Lapusta." Vores målinger viste, at effekten er meget større, end man kunne forvente baseret på tidligere undersøgelser og gav os mulighed for at forbedre de eksisterende friktionslove. "

Teamet håber, at disse fysiske indsigter i dynamikken i et jordskælv kan hjælpe geoforskere med at oprette mere præcise computermodeller af jordskælvsbrud, der formerer sig i virkelighedsfejl.

"Få friktionsmodstanden og derfor, den simulerede bevægelse lige ved siden af ​​jordoverfladen er særlig vigtig, da det i væsentlig grad påvirker jordrystning såvel som tsunami -generering, hvis fejlsporet tilfældigvis er under vand, "Lapusta siger." Faktisk, mange ødelæggende jordskælv opstår som trykbrud i subduktionszoner, nogle gange forårsager ødelæggende tsunamier, f.eks. under jordskælvet i Tohoku på 9,0 i 2011. "

"Fejllovens historiafhængige friktionslov, hvilket er meget svært at afgøre, er enhver modellers største antagelse, "Siger Rosakis." Nu har vi endnu et stykke puslespil fastgjort. "

Papiret har titlen "Illuminating the physics of dynamic friction through laboratorium jordskælv ved trykfejl."