Genom att simulera jordbävningar i ett labb, ingenjörer på Caltech har dokumenterat utvecklingen av friktion under en jordbävning – mätt vad som en gång bara kunde slutas, och kasta ljus över en av de största okända inom jordbävningsmodellering.

Innan en jordbävning, statisk friktion hjälper till att hålla de två sidorna av ett fel orörliga och pressade mot varandra. Under passerandet av ett jordbävningsbrott, att friktionen blir dynamisk när de två sidorna av felet slipar förbi varandra. Dynamisk friktion utvecklas under en jordbävning, påverkar hur mycket och hur snabbt marken skakar och därmed, viktigast, jordbävningens destruktivitet.

"Friktion spelar en nyckelroll i hur sprickor öppnar upp fel i jordskorpan, säger Vito Rubino, forskare vid Caltechs avdelning för teknik och tillämpad vetenskap (EAS). "Antaganden om dynamisk friktion påverkar ett brett spektrum av jordbävningsvetenskapliga förutsägelser, inklusive hur snabbt bristningar kommer att inträffa, naturen av markskakning, och kvarvarande stressnivåer på fel. Ändå förblir den exakta karaktären av dynamisk friktion en av de största okända inom jordbävningsvetenskapen."

Tidigare, det var allmänt trott att utvecklingen av dynamisk friktion huvudsakligen styrdes av hur långt felet halkade vid varje punkt när ett brott gick - det vill säga, genom det relativa avståndet glider en sida av ett fel förbi den andra under dynamisk glidning. Analysera jordbävningar som simulerades i ett labb, teamet fann istället att glidhistoriken är viktig men den viktigaste långsiktiga faktorn är faktiskt glidhastigheten – inte bara hur långt felet glider, men hur snabbt.

Rubino är huvudförfattare på en artikel om teamets resultat som publicerades i Naturkommunikation den 29 juni. Han samarbetade med Caltechs Ares Rosakis, Theodore von Kármán professor i flygteknik och maskinteknik vid EAS, och Nadia Lapusta, professor i maskinteknik och geofysik, som har gemensamma utnämningar med EAS och Caltech Division of Geological and Planetary Sciences.

Teamet genomförde forskningen på en Caltech-anläggning, regisserad av Rosakis, som inofficiellt har kallats den "seismologiska vindtunneln". På anläggningen, forskare använder avancerad optisk diagnostik med hög hastighet och andra tekniker för att studera hur jordbävningsbrott uppstår.

"Vår unika anläggning tillåter oss att studera dynamiska friktionslagar genom att följa individuella, snabbrörliga skjuvbrott och registrerar friktion längs deras glidande ytor i realtid, ", säger Rosakis. "Detta tillåter oss för första gången att studera friktion punktvis och utan att behöva anta att glidningen sker enhetligt, som man gör i klassiska friktionsstudier, ", tillägger Rosakis.

För att simulera en jordbävning i labbet, forskarna skar först i ett halvt genomskinligt block av en typ av plast som kallas homalite, som har liknande mekaniska egenskaper som berg. De satte sedan ihop de två delarna under tryck, simulerar den statiska friktionen som byggs upp längs en förkastningslinje. Nästa, de placerade en liten nickel-kromtrådssäkring på den plats där de ville ha jordbävningens epicentrum. Att utlösa säkringen gav en lokal tryckavlastning, vilket minskade friktionen på den platsen, och tillät ett mycket snabbt brott för att spridas upp miniatyrförkastningen.

I den här studien, Teamet registrerade dessa simulerade jordbävningar med en ny diagnostisk metod som kombinerar höghastighetsfotografering (med 2 miljoner bilder per sekund) med en teknik som kallas digital bildkorrelation, där enskilda bildrutor jämförs och kontrasteras med varandra och ändringar mellan dessa bilder – vilket indikerar rörelse – spåras med subpixelnoggrannhet.

"Några numeriska modeller av jordbävningsbrott, inklusive de som utvecklats i min grupp på Caltech, har använt friktionslagar med glidhastighetsberoende, baserad på en samling bergmekaniska experiment och teorier. Det är glädjande att se dessa formuleringar validerade av de spontana minijordbävningsbrotten i vår studie, " säger Lapusta.

I framtida arbete, teamet planerar att använda sina observationer för att förbättra de befintliga matematiska modellerna om karaktären av dynamisk friktion och för att hjälpa till att skapa nya som bättre representerar de experimentella observationerna; sådana nya modeller skulle förbättra datorjordbävningssimuleringar.

Studien har titeln "Att förstå dynamisk friktion genom spontant utvecklande laboratoriejordbävningar."