Simulera en jordbävning i miniatyrskala i ett laboratorium som inofficiellt kallas "seismologisk vindtunnel, "ingenjörer och seismologer har tagit fram det mest omfattande utseendet hittills på den komplexa fysiken för friktion som driver destruktiva jordbävningar med störningsfel.

Skjutningsfel jordbävningar uppstår när ena sidan av ett fel glider över eller under den andra sidan. Stötfel har varit platsen för några av världens största skalv, inklusive Tohoku -jordbävningen 2011 utanför Japans kust, som genererade en tsunami som skadade kärnkraftverket i Fukushima.

Dock, rörelsen eller krafterna som orsakar dessa jordbävningar inte kan mätas direkt vid källan, eftersom mycket av handlingen sker djupt inne i jorden. För att få mer inblick i dem, ett team av forskare skapade och observerade jordbävningar med tryckfel vid en unik "jordbävning i laboratorier" vid Caltech.

"Genom att simulera jordbävningar i ett labb kan vi observera hur dessa korta och våldsamma händelser växer och utvecklas genom att" sakta ner "deras rörelse genom höghastighetsfotografering och optik, "säger Ares Rosakis, Theodore von Karman professor i luftfart och maskinteknik, som driver anläggningen och har introducerat konceptet med jordbävningar i laboratorium tillsammans med tidigare chef för Caltech Seismology Laboratory Hiroo Kanamori, John E. och Hazel S. Smits professor i geofysik, Emeritus.

Rosakis är motsvarande författare till ett papper om den nya forskningen som publicerades av Förfaranden från National Academy of Sciences den 25 augusti. Han författade detta dokument tillsammans med Nadia Lapusta, Lawrence A.Hanson, Jr., Professor i maskinteknik och geofysik, hans mångåriga samarbetspartner om problem i gränssnittet mellan teknik och jordbävningsvetenskap; tidigare Caltech postdoktor Yuval Tal, för närvarande assisterande professor vid Ben-Gurion-universitetet i Negev i Israel; och Caltech -forskaren Vito Rubino.

För att skapa en jordbävning i labbet, laget skar först i ett halvt genomskinligt block av en typ av plast som kallas Homalite, som har liknande friktionsegenskaper som rock. De satte sedan ihop de två bitarna under tryck och skjuvning, simulerar tektoniskt tryck som långsamt byggs upp längs en felledning. Nästa, de placerade en liten trådsäkring på platsen under en simulerad jordyta där de ville att skalvet skulle uppstå. Genom att utlösa säkringen minskade friktionen på den platsen och möjliggjorde en mycket snabb bristning för att initiera och sprida upp miniatyrfelet mot jordens fria yta, producerar intensiv skakning. Under tiden, höghastighetsbildteknik registrerade utvecklingen av påfrestningar, och därmed av friktionskoefficienten, längs felet när brottet närmade sig den fria ytan - en miljonedel av en sekund i taget.

Den "seismologiska vindtunneln" har funnits sedan 1999, men tillägget av digital bildkorrelation (DIC) 2015 har gett ingenjörerna "ett nytt par ögon, "Säger Rosakis. DIC mäter minutskift i placeringen av enskilda punkter genom ett material över tiden, indikerar hur påkänning och stress dynamiskt utvecklas genom materialet under en simulerad jordbävning. Med den informationen, Rosakis och hans kollegor kunde kartlägga hur en bristning flyttar upp ett fel, interagerar dynamiskt med markytan, och påverkar till och med sig själv genom dynamiskt förökande vågor som genereras av varje rörelse.

De noterade en mycket snabb förändring av "felnormal" stress, vilket är tryckkraften som håller felet stängt. Det finns ett antal anledningar till att den felnormala stressen kan variera när felet glider. Vid jordbävningar med tryckfel, forskarna noterade att den felnormala stressen gick igenom en snabb cykel av ökande och minskande amplitud eftersom vågor som släpptes ut från sprickan sedan reflekterades från den simulerade jordytan som ett eko.

Eftersom denna stress, som normalt håller ett fel låst på plats, förändrades snabbt i styrka, det förändrade felets motståndskraft mot halka, kallas skjuvrörelse. När den felnormala spänningen ebber ut, felet kläms fast mindre och blir mer benäget att glida, orsakar en skalv.

Viktigast, forskarna kunde utmana ett allmänt accepterat (men också omtvistat) antagande att friktion som låser plattorna på plats längs ett fel alltid är proportionell mot den felnormala stressen. Vad de hittade istället är att, när brottet interagerar med jordens yta, det finns en betydande tidsfördröjning mellan förändringar i felnormal stress och resulterande skjuvmotstånd, och de två är inte proportionella på tidsskalan för bristningsprocessen.

"Detta innebär närvaron av en komplex historiaberoende mekanism som styr friktion i närvaro av snabb fel normal stress, som är karakteristiska för tryckfelskonfigurationer, Säger Rosakis.

"Även om skillnader mellan förändringar i normal stress och friktion har påpekats av tidigare studier, det har inte varit klart hur stor denna effekt är för jordbävningar, "tillägger Lapusta." Våra mätningar visade att effekten är mycket större än vad som kunde förväntas baserat på tidigare studier och gjorde det möjligt för oss att förbättra de befintliga friktionslagarna. "

Teamet hoppas att dessa fysiska insikter om dynamiken i en jordbävning kan hjälpa geovetenskapare att skapa mer exakta datormodeller av jordbävningsbrott som sprider sig längs verkliga stötfel.

"Få friktionsmotståndet och därav, den simulerade rörelsen bredvid jordens yta är särskilt viktig, eftersom det väsentligt påverkar markskakningar och tsunamigenerering om felspåret råkar vara under vatten, "Säger Lapusta." Faktiskt, många destruktiva jordbävningar inträffar som tryckbrott i subduktionszoner, ibland orsakar förödande tsunamier som under jordbävningen i Tohoku på 9,0 på 2011. "

"Den historiaberoende friktionslagen för felet, vilket är mycket svårt att avgöra, är någon modellers största antagande, "Säger Rosakis." Nu har vi en bit till av pusslet fäst. "

Tidningen har titeln "Illuminating the physics of dynamic friction through laboratorium jordbävningar på stötfel."