Это обычный образ в фильмах-катастрофах: происходит землетрясение, в результате чего земля разрывается и поглощает людей и автомобили целиком. Зияющая земля могла бы создать кинематографическую драму, но специалисты по землетрясениям давно считают, что этого не происходит.
За исключением, согласно новому экспериментальному исследованию Калифорнийского технологического института, может.
Работа, опубликованная в журнале Nature 1 мая, показывает, как земля может расколоться, а затем быстро закрыться снова во время землетрясений вдоль разломов.
Надвиговые разломы были местом некоторых из крупнейших в мире землетрясений, таких как землетрясение Тохоку 2011 года у побережья Японии, которое повредило атомную электростанцию Фукусима. Они возникают в слабых участках земной коры, где одна плита горной породы сжимается относительно другой, скользя вверх и по ней во время землетрясения.
Группа инженеров и ученых из Калифорнийского технологического института и Высшей нормальной школы (ENS) в Париже обнаружила, что быстрые разрывы, распространяющиеся вверх к земной поверхности вдоль надвига, могут привести к тому, что одна сторона разлома отклонится от другой., открывая щель в несколько метров, которая затем закрывается.
Землетрясения, вызванные надвигом, обычно происходят, когда две плиты горной породы прижимаются друг к другу, и давление преодолевает трение, удерживающее их на месте. Долгое время предполагалось, что на малых глубинах плиты будут просто скользить друг относительно друга на короткое расстояние, не раскрываясь.
Тем не менее, исследователи, изучавшие землетрясение в Тохоку, обнаружили, что разлом не только продвинулся на небольшой глубине, но и в некоторых местах на глубину до 50 метров. Это сильное движение, которое произошло недалеко от берега, вызвало цунами, которое нанесло ущерб объектам вдоль побережья Японии, в том числе атомной электростанции Фукусима-дайити..
В статье Nature команда выдвинула гипотезу о том, что разрыв землетрясения в Тохоку распространился вверх по разлому и, как только он приблизился к поверхности, заставил одну плиту скалы отклониться от другой, открыв зазор и на мгновение устранив любое трение между ними. две стены. Это позволило разлому отойти на 50 метров.
Это открытие разлома считалось невозможным.
Это на самом деле встроено в большинство компьютерных моделей землетрясений прямо сейчас. Модели были запрограммированы таким образом, что стены разлома не могут отделиться друг от друга», - говорит Арес Росакис, профессор аэронавтики и машиностроения Теодора фон Кармана в Калифорнийском технологическом институте и один из ведущих авторов статьи в журнале Nature. Полученные данные демонстрируют ценность экспериментов и наблюдений. Компьютерные модели могут быть настолько реалистичными, насколько позволяют им быть их встроенные предположения».
Международная команда обнаружила явление скручивания, смоделировав землетрясение на объекте Калифорнийского технологического института, который был неофициально назван «Сейсмологической аэродинамической трубой». Объект начался как сотрудничество между Росакисом, инженером, изучающим разрушение материалов, и Хироо Канамори, сейсмологом, изучающим физику землетрясений и соавтором исследования Nature. «Исследовательская среда Калифорнийского технологического института очень помогла нам в тесном сотрудничестве между различными научными дисциплинами, - сказал Канамори.«Мы, сейсмологи, получили большую пользу от сотрудничества с группой профессора Росакиса, потому что часто очень трудно проводить эксперименты для проверки наших идей в сейсмологии».
На объекте исследователи используют передовую высокоскоростную оптическую диагностику для изучения того, как происходят разрывы при землетрясении. Чтобы смоделировать землетрясение в результате надвигового разлома в лаборатории, исследователи сначала разрезали пополам прозрачный блок пластика, механические свойства которого аналогичны свойствам камня. Затем они под давлением соединяют осколки вместе, имитируя тектоническую нагрузку линии разлома. Затем они помещают небольшой предохранитель из никель-хромовой проволоки в том месте, где они хотят, чтобы был эпицентр землетрясения. Когда они поджигают предохранитель, трение в месте расположения предохранителя уменьшается, что позволяет очень быстрому разрыву распространяться вверх по миниатюрной неисправности. Материал является фотоэластичным, что означает, что он визуально показывает - через интерференцию света, когда он проходит в прозрачном материале - распространение волн напряжения. Смоделированное землетрясение записывается с помощью высокоскоростных камер, а результирующее движение фиксируется лазерными измерителями скорости (датчиками скорости частиц).
«Это отличный пример сотрудничества между сейсмологами, тектонистами и инженерами. И, не говоря уже о сотрудничестве США и Франции», - говорит Харша Бхат, соавтор статьи и научный сотрудник ЭНС. Бхат ранее был исследователем с докторской степенью в Калифорнийском технологическом институте.
Команда была удивлена, увидев, что, когда разрыв достиг поверхности, разлом изогнулся, а затем захлопнулся. Последующее компьютерное моделирование - с моделями, которые были изменены, чтобы удалить искусственные правила, запрещающие раскрытие разлома, - подтвердило то, что команда наблюдала экспериментально: одна плита может сильно отклоняться от другой. Это может произойти как на суше, так и в подводных разломах, а это означает, что этот механизм может изменить наше понимание того, как генерируются цунами.