Det är en vanlig trop i katastroffilmer:en jordbävning inträffar, får marken att slita upp och svälja människor och bilar hela. Den gapande jorden kan skapa filmiskt drama, men jordbävningsforskare har länge ansett att det inte händer.

Bortsett från, det kan, enligt ny experimentell forskning från Caltech.

Arbetet, dyker upp i journalen Natur den 1 maj, visar hur jorden kan delas upp – och sedan snabbt stänga igen – under jordbävningar längs dragkraftsförkastningar.

Dragförkastningar har varit platsen för några av världens största skalv, såsom jordbävningen i Tohoku 2011 utanför Japans kust, som skadade kärnkraftverket i Fukushima. De förekommer i svaga områden av jordskorpan där en stenplatta komprimeras mot en annan, glider upp och över den under en jordbävning.

Ett team av ingenjörer och forskare från Caltech och École normale supérieure (ENS) i Paris har upptäckt att snabba sprickor som fortplantar sig upp mot jordens yta längs ett tryckförkastning kan få ena sidan av ett förkastning att vrida sig bort från den andra, öppnar en lucka på upp till några meter som sedan snäpper igen.

Jordbävningar med dragförkastning inträffar vanligtvis när två stenplattor trycker mot varandra, och tryck övervinner friktionen som håller dem på plats. Det har länge antagits att på grunda djup skulle plattorna bara glida mot varandra en kort sträcka, utan öppning.

Dock, forskare som undersökte Tohoku-jordbävningen fann att felet inte bara gled på grunda djup, det gjorde det med upp till 50 meter på vissa ställen. Den där enorma rörelsen, som inträffade strax utanför kusten, utlöste en tsunami som orsakade skador på anläggningar längs Japans kust, inklusive vid Fukushima Daiichi kärnkraftverk.

I Nature -tidningen teamet antar att jordbävningen i Tohoku spred sig upp i förkastningen och – när den väl närmade sig ytan – fick en stenplatta att vrida sig bort från en annan, öppna en lucka och tillfälligt ta bort eventuell friktion mellan de två väggarna. Detta gjorde att felet halkade 50 meter.

Att öppna felet skulle vara omöjligt.

"Detta är faktiskt inbyggt i de flesta datormodeller av jordbävningar just nu. Modellerna har programmerats på ett sätt som dikterar att väggarna i förkastningen inte kan skiljas från varandra, säger Ares Rosakis, Theodore von Kármán professor i flygteknik och maskinteknik vid Caltech och en av seniorförfattarna till Nature-tidningen. "Fynden visar värdet av experiment och observation. Datormodeller kan bara vara så realistiska som deras inbyggda antaganden tillåter dem att vara."

Det internationella teamet upptäckte vridningsfenomenet genom att simulera en jordbävning i en Caltech-anläggning som inofficiellt har kallats "Seismological Wind Tunnel". Anläggningen startade som ett samarbete mellan Rosakis, en ingenjör som studerar hur material misslyckas, och Hiroo Kanamori, en seismolog som utforskar jordbävningarnas fysik och en medförfattare till Nature-studien. "Caltechs forskningsmiljö hjälpte oss mycket att ha nära samarbete mellan olika vetenskapliga discipliner, ", sa Kanamori. "Vi seismologer har haft stor nytta av samarbetet med professor Rosakis grupp, eftersom det ofta är väldigt svårt att utföra experiment för att testa våra idéer inom seismologi."

På anläggningen, forskare använder avancerad optisk diagnostik med hög hastighet för att studera hur jordbävningsbrott uppstår. För att simulera en jordbävning med dragkraftsfel i labbet, forskarna skar först i ett halvt genomskinligt block av plast som har mekaniska egenskaper som liknar bergets. De satte sedan ihop de trasiga bitarna igen under tryck, simulera den tektoniska belastningen på en felledning. Nästa, de placerar en liten nickel-kromtrådssäkring på den plats där de vill att skalvets epicentrum ska vara. När de satte ut säkringen, friktionen vid säkringens plats minskar, vilket tillåter ett mycket snabbt brott att fortplanta sig i miniatyrfelet. Materialet är fotoelastiskt, vilket betyder att den visuellt visar – genom ljusinterferens när den färdas i det klara materialet – utbredningen av spänningsvågor. Det simulerade skalvet registreras med hjälp av höghastighetskameror och den resulterande rörelsen fångas av laserhastighetsmätare (partikelhastighetssensorer).

"Detta är ett bra exempel på samarbete mellan seismologer, tektonister och ingenjörer. Och för att inte sätta en alltför hög poäng på det, USA/franska samarbete, " säger Harsha Bhat, medförfattare till artikeln och en forskare vid ENS. Bhat var tidigare postdoktor vid Caltech.

Teamet blev förvånade över att se att, när bristningen träffade ytan, felet vrids upp och slogs sedan igen. Efterföljande datorsimuleringar – med modeller som modifierades för att ta bort de konstgjorda reglerna mot felöppningen – bekräftade vad teamet observerade experimentellt:en platta kan vrida sig våldsamt bort från den andra. Detta kan hända både på land och under vattendragningsfel, vilket betyder att denna mekanism har potential att förändra vår förståelse av hur tsunamis genereras.

Uppsatsen har titeln "Experimentella bevis på att jordbävningsbrott kan öppna fel."