3D-printede modeller giver en klarere forståelse af jordens bevægelse

Det virker som en glat plade af rustfrit stål, men se lidt nærmere, og du vil se et forenklet tværsnit af Los Angeles sedimentære bassin.

Caltech-forsker Sunyoung Park og hendes kolleger udskriver 3D-modeller som Los Angeles-proxyen i metal for at give en ny platform for seismiske eksperimenter. Ved at udskrive en model, der replikerer et bassinkant eller stigningen og faldet af et topografisk element og rette laserlys mod det, Park kan simulere og registrere, hvordan seismiske bølger kan passere gennem den rigtige Jord.

I hendes præsentation på Seismological Society of America (SSA)'s 2021 årsmøde, Park forklarede, hvorfor disse fysiske modeller i nogle tilfælde kan løse nogle af ulemperne ved numerisk modellering af jordbevægelse.

Småskala, komplekse strukturer i et landskab kan forstærke og ændre jordens bevægelse efter et jordskælv, men seismologer har svært ved at modellere disse påvirkninger, sagde Park. "Selvom vi ved, at disse ting er meget vigtige for jordrystelser, virkningerne af topografi, grænseflader og kanter er svære problemer at studere numerisk."

At inkorporere disse funktioner i jordbevægelsessimuleringer kræver en masse regnekraft, og det kan være svært at verificere disse numeriske beregninger, tilføjede hun.

For at løse disse udfordringer, Park begyndte at skabe 3D-modeller af simple topografiske funktioner og bassintræk for at udforske disse effekter på jordrystelser. Metal er hendes foretrukne trykmateriale, "fordi den kan være lige så stiv som forholdene ved jordens nederste skorpe, " hun sagde.

Ved at kontrollere udskrivningsparametrene, Park kan også kontrollere densiteten af ​​metallet, når det lægges ned af printeren, skabe et materiale med forskellige seismiske hastigheder. Resultatet, i tilfældet med Los Angeles-bassinet eksempel, som hun viste på mødet, er en 20 gange 4-centimeter model, der repræsenterer et 50-kilometers tværsnit gennem bassinet.

I en skala på omkring 1:250, 000 for det trykte landskab, Park havde brug for at nedskalere de bølgelængder, som hun også brugte til at simulere seismiske bølger, det er her det laserbaserede kilde- og modtagersystem kommer ind. Et laserskud på modellen efterligner en seismisk kildehændelse, og laser-doppler-modtagere fornemmer de resulterende vibrationer, når de seismiske bølger interagerer med modellens funktioner.

Eksperimenter med modellerne har givet nogle spændende resultater. Med et lavvandet bassin-tværsnit, for eksempel, Park fandt ud af, at nogle af de højfrekvente bølger var blokeret fra at rejse hen over bassinet.

"Vi ved, at bassiner normalt forstærker jordens bevægelser, " hun sagde, "men dette tyder på, at vi også bør tænke på det i forhold til forskellige frekvensindhold."

Park sagde, at modellerne også kan være nyttige til at studere bølgeudbredelse gennem andre seismologisk komplekse funktioner, såsom stærkt beskadiget sten nær en forkastning, stenlag injiceret med væsker og gasser under olie- og gasudvinding eller kulstofbinding, og funktioner i den dybe Jord.

Park tiltræder Institut for Geofysiske Videnskaber ved University of Chicago i juni 2021.