Смоделировав землетрясения в лаборатории, инженеры Калифорнийского технологического института задокументировали эволюцию трения во время землетрясения, измерив то, что когда-то можно было только предположить, и пролив свет на одну из самых больших неизвестных в моделировании землетрясений.
Перед землетрясением статическое трение помогает удерживать две стороны разлома неподвижными и прижатыми друг к другу. Во время прохождения разрыва при землетрясении это трение становится динамическим, поскольку две стороны разлома трутся друг о друга. Динамическое трение развивается во время землетрясения, влияя на то, насколько сильно и как быстро будет трястись земля, и, таким образом, что наиболее важно, на разрушительную силу землетрясения.
«Трение играет ключевую роль в том, как разрывы расстегивают разломы в земной коре», - говорит Вито Рубино, научный сотрудник отдела инженерии и прикладных наук Калифорнийского технологического института (EAS). «Предположения о динамическом трении влияют на широкий спектр прогнозов науки о землетрясениях, включая то, как быстро произойдут разрывы, характер сотрясения грунта и уровни остаточных напряжений на разломах. Тем не менее, точная природа динамического трения остается одной из самых больших неизвестных в науке о землетрясениях.."
Ранее считалось, что эволюция динамического трения в основном определяется тем, насколько далеко продвинулся разлом в каждой точке по мере прохождения разрыва, то есть относительным расстоянием, на которое проскальзывает одна сторона разлома. другой во время динамического скольжения. Анализируя землетрясения, которые были смоделированы в лаборатории, команда обнаружила, что история скольжения важна, но ключевым долгосрочным фактором на самом деле является скорость сдвига - не только то, насколько далеко сдвигается разлом, но и насколько быстро..
Рубино является ведущим автором статьи об открытиях группы, которая была опубликована в Nature Communications 29 июня. Он сотрудничал с Аресом Росакисом из Калифорнийского технологического института, профессором аэронавтики и машиностроения Теодора фон Кармана в EAS и Надей Лапуста., профессор машиностроения и геофизики, работающий совместно с EAS и Отделением геологических и планетарных наук Калифорнийского технологического института.
Команда провела исследование на объекте Калифорнийского технологического института под руководством Росакиса, которое было неофициально названо «сейсмологической аэродинамической трубой». На объекте исследователи используют передовую высокоскоростную оптическую диагностику и другие методы для изучения того, как происходят разрывы при землетрясении.
«Наша уникальная установка позволяет нам изучать законы динамического трения, отслеживая отдельные быстро движущиеся разрывы при сдвиге и записывая трение вдоль их скользящих поверхностей в режиме реального времени», - говорит Росакис.«Это позволяет нам впервые изучать трение точечно и без необходимости предполагать, что скольжение происходит равномерно, как это делается в классических исследованиях трения», - добавляет Росакис.
Чтобы имитировать землетрясение в лаборатории, исследователи сначала разрезали пополам прозрачный блок типа пластика, известного как хомалит, механические свойства которого схожи с камнем. Затем они соединяют две части вместе под давлением, имитируя статическое трение, которое возникает вдоль линии разлома. Затем они поместили небольшой предохранитель из никель-хромовой проволоки в том месте, где они хотели, чтобы был эпицентр землетрясения. Срабатывание плавкого предохранителя вызвало локальный сброс давления, что уменьшило трение в этом месте и позволило очень быстрому разрыву распространиться вверх по миниатюрному разлому.
В этом исследовании команда записала эти смоделированные землетрясения, используя новый диагностический метод, который сочетает в себе высокоскоростную съемку (2 миллиона кадров в секунду) с методом корреляции цифровых изображений, в котором отдельные кадры сравниваются и сопоставляются. друг с другом, а изменения между этими изображениями, указывающие на движение, отслеживаются с субпиксельной точностью.
Некоторые численные модели разрушения при землетрясении, в том числе разработанные моей группой в Калифорнийском технологическом институте, использовали законы трения с зависимостью от скорости скольжения, основанные на наборе экспериментов и теорий по механике горных пород. Приятно видеть, что эти формулировки, подтвержденные спонтанными мини-землетрясениями в нашем исследовании», - говорит Лапуста.
В будущей работе команда планирует использовать свои наблюдения для улучшения существующих математических моделей о природе динамического трения и для помощи в создании новых, которые лучше отражают экспериментальные наблюдения; такие новые модели улучшат компьютерное моделирование землетрясений.