Forskere udløser minijordskælv i laboratoriet

Jordskælv og jordskred er berømt svære at forudsige og forberede sig på. Ved at studere en miniatureversion af jorden i laboratoriet har forskere ved UvA Institut for Fysik demonstreret, hvordan disse hændelser kan udløses af en lille ekstern chokbølge. Medbring en flydeanordning:den indebærer, at jorden kortvarigt bliver til en væske.

I modsætning til et ægte fast stof, er jorden, vi står på, generelt lavet af granulat såsom sandkorn eller stenstykker. Dybere nede i jordskorpen gælder det samme for brudlinjerne, hvor to tektoniske plader mødes. Disse typer uordnede granulære materialer er aldrig helt stabile. Og når de fejler, kan det have katastrofale virkninger for os, der lever på Jordens overflade.

Problemet er:det er ikke let at forudsige eller kontrollere, hvornår præcis de friktionskræfter, der modstår et jordskred eller jordskælv, vil holde op med at være nok til at holde jorden på plads. Heldigvis fungerer fysikken nøjagtigt det samme i mindre systemer, som du kan studere i laboratoriet. For at reproducere et jordskælv brugte fysikerne Kasra Farain og Daniel Bonn fra University of Amsterdam et 1 mm tykt lag af små kugler, der hver er på bredden af ​​et menneskehår.

Deres eksperimentelle opsætning tillod dem at holde præcist styr på granulernes reaktion på eksterne kræfter. For at simulere de kræfter, der ville være til stede på en stejl bjergskråning eller ved en tektonisk forkastning, pressede de en skive på overfladen og roterede den langsomt med konstant hastighed. Ved efterfølgende at kaste en bold ved siden af ​​forsøgsopstillingen og udløse en lille seismisk bølge, så de, hvordan alle granulerne hurtigt skiftede som reaktion:de havde udløst et miniaturejordskælv.

"Vi fandt ud af, at en meget lille forstyrrelse, en lille seismisk bølge, er i stand til at få et granulært materiale til at omstrukturere sig selv fuldstændigt," forklarer Farain. Yderligere undersøgelse viste, at granulatet i et kort øjeblik opfører sig som en væske snarere end et fast stof. Efter at den udløsende bølge er passeret, overtager friktionen igen, og granulatet sidder fast igen i en ny konfiguration.

Det samme sker i virkelige seismiske hændelser. "Jordskælv og tektoniske fænomener følger skala-invariante love, så fund fra vores friktionsopsætning i laboratorieskala er relevante for at forstå fjerntliggende jordskælv, der udløses af seismiske bølger i meget større forkastninger i jordskorpen," siger Farain.

I deres papir, offentliggjort i tidsskriftet Science Advances , viser forskerne, at den matematiske model, de udledte fra deres eksperimenter, kvantitativt forklarer, hvordan Landers-jordskælvet i 1992 i det sydlige Californien eksternt udløste en anden seismisk begivenhed, 415 km mod nord. Derudover viser de, at deres model nøjagtigt beskriver stigningen i væsketryk observeret i Nankai subduktionszonen nær Japan efter en række små jordskælv i 2003.

Inspireret af et rystende bord

Interessant nok var hele dette forskningsprojekt måske ikke blevet til noget, hvis det ikke var for Farains kolleger. "Oprindeligt var min eksperimentelle opsætning bare på et almindeligt bord og manglede al den smarte vibrationsisolering, der er nødvendig for præcise målinger. Snart nok indså jeg, at simple ting som en, der gik forbi eller døren, der lukkede, kunne påvirke eksperimentet. Jeg må have været en lidt af en besvær for mine kolleger, altid at bede om roligere fodtrin eller blidere dørlukninger."

Inspireret af, hvordan hans kollegers bevægelser forstyrrede hans opsætning, begyndte Farain at undersøge fysikken på arbejde. "Efter et stykke tid opgraderede jeg til et ordentligt optisk bord til opsætningen, og folk kunne hoppe, eller gøre hvad de ville uden at forstyrre mit arbejde. Men tro mod mine balladeskabende tendenser var det ikke enden på det. Lidt mens jeg senere vendte tilbage til laboratoriet med en højttaler for at generere støj og se virkningerne af kontrollerede forstyrrelser."

Flere oplysninger: Kasra Farain et al., Perturbations-induceret granulær fluidisering som en model for fjernudløsning af jordskælv, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7302

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Amsterdam