Forskare vid EPFL:s Computational Solid Mechanics Laboratory och Weizmann Institute of Science har modellerat uppkomsten av glidning mellan två kroppar i friktionskontakt. Deras arbete, ett stort steg framåt i studiet av friktionsbrott, skulle kunna ge oss en bättre förståelse för jordbävningar – inklusive hur långt och snabbt de färdas.

Det är fortfarande omöjligt att avgöra var och när en jordbävning kommer att inträffa. Till exempel, Kalifornien har i åratal stått under hotet av "Big One, "och närmare hemmet, en ny serie små chocker i Valais Canton i början av november har väckt rädsla för en större jordbävning i regionen. Även om vi inte kan förutsäga jordbävningar, forskare från EPFL och Weizmann Institute of Science i Israel har tagit ett steg framåt i att bedöma jordbävningsdynamik genom en bättre förståelse av hur friktionsglidning - den relativa rörelsen av två kroppar i kontakt under skjuvpåkänning, såsom tektoniska plattor — börjar. Deras arbete har publicerats i två kompletterande delar, i Fysisk granskning X och Earth and Planetary Science Letters .

"Vi ville förstå vad som händer när två kroppar i friktionskontakt plötsligt börjar röra sig efter en gradvis ökning av skjuvspänningen:hur de börjar glida kommer att avgöra hastigheten och omfattningen av rörelsen och, potentiellt, svårighetsgraden av en jordbävning, " förklarar Fabian Barras, en doktorandassistent vid EPFL:s Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) under denna forskning, och första författare till båda artiklarna.

Paralleller mellan glidfront och fraktur

Sättet på vilket friktionsglidning börjar mellan två kroppar är inte så enhetligt som det ser ut. Ultrasnabba kameror visar att glidningen börjar vid en specifik punkt och sedan sprider sig till resten av ytan. "Denna glidfrontsdynamik är mycket lik hur en spricka fortplantar sig i ett sprött material, " säger Barras. Forskarnas första publikation tittar på likheterna mellan friktionsbrott och dynamisk fraktur. "Även om fysiken för en spricka och en glidfront inte är exakt densamma, de fortplantar sig båda på grund av en minskning av materialets bärförmåga bakom brottet. Genom att använda analogin med dynamisk fraktur, vi studerade ursprunget till fallet av friktionsspänning som observerades i spåren av en glidfront när gränssnittet börjar röra sig."

Forskarna tittade sedan på koncentrationen av stress vid glidfronten och använde teoretiska verktyg från området brottdynamik för att studera energibalansen. Till skillnad från situationen med en spricka, friktionen fortsätter att avleda energi efter att slirningen har börjat. Under en jordbävning, endast en del av den tillgängliga energin används för att sprida sprickfronten, och resten försvinner genom friktion, främst i form av värme. Det är här som forskarna kunde revidera tidigare använda modeller och uppnå en bättre förståelse av hur mycket friktionsenergi som är involverad i spridningen av brottfronten.

De använde högpresterande datorer för att simulera seismiska rupturer baserat på generiska friktionslagar, som reproducerar förändringen i friktionskraft beroende på glidhastigheten uppmätt mellan olika typer av material. Att använda dynamisk rupturteori och tillämpa den på friktion, forskarna kunde bedöma laboratorieexperiment och säkerställa att deras förutsägelser var korrekta. "Vi kunde validera våra förutsägelser över ett brett spektrum av experimentellt observerade brotthastigheter. De teoretiska modellerna vi utvecklade skulle i framtiden kunna hjälpa oss att bättre förstå varför vissa jordbävningar i naturen är snabba och våldsamma, medan andra fortplantar sig långsamt och inträffar under längre tidsperioder, ", tillägger Barras.

Djup geotermisk energi och inducerad seismicitet

Dessa framsteg inom grundforskning skulle en dag kunna tillämpas på mer komplexa modeller, såsom de som representerar förhållanden längs tektoniska förkastningar, speciellt där vätskor är naturligt närvarande eller injiceras i marken. "I dag, flera lovande tekniker i samband med energiomställningen – som djup geotermisk energi – är beroende av underjordisk vätskeinjektion. Det är viktigt att ha en bättre förståelse för hur dessa injektioner påverkar seismisk aktivitet. Jag hoppas kunna använda de verktyg som utvecklades under min doktorsexamen. att studera den effekten, säger Barras.

"Detta arbete visar hur forskning som utvecklats i ett civilingenjörslaboratorium kan ha mycket intressanta implikationer för jordbävningsvetenskap och leda till banbrytande publikationer inom områden som fysik, säger professor Jean-François Molinari, chefen för EPFL:s Computational Solid Mechanics Laboratory. Fabian Barras har också fått ett anslag från Swiss National Science Foundation för att fortsätta sin forskning i ett laboratorium specialiserat på förkastningsgeologi vid universitetet i Oslo.