Jordbävningar och jordskred är kända som svåra att förutsäga och förbereda sig för. Genom att studera en miniatyrversion av marken i labbet har forskare vid UvA Institute of Physics visat hur dessa händelser kan utlösas av en liten extern stötvåg. Ta med en flytanordning:det innebär att marken en kort stund förvandlas till en vätska.
Till skillnad från ett riktigt fast material är marken vi står på i allmänhet gjord av granulat som sandkorn eller stenbitar. Längre ner i jordskorpan gäller samma sak för förkastningslinjerna där två tektoniska plattor möts. Dessa typer av oordnade granulära material är aldrig helt stabila. Och när de misslyckas kan det få katastrofala effekter för oss som lever på jordens yta.
Problemet är:det är inte lätt att förutsäga eller kontrollera när exakt de friktionskrafter som står emot ett jordskred eller jordbävning kommer att sluta räcka för att hålla marken på plats. Tack och lov fungerar fysiken exakt likadant i mindre system som man kan studera i labbet. För att reproducera en jordbävning använde fysikerna Kasra Farain och Daniel Bonn vid universitetet i Amsterdam ett 1 mm tjockt lager av små sfärer som var och en är lika bred som ett människohår.
Deras experimentella upplägg tillät dem att hålla exakt koll på granulernas svar på yttre krafter. För att simulera krafterna som skulle finnas på en brant bergssluttning eller vid ett tektoniskt förkastning tryckte de en skiva på ytan och roterade den långsamt med konstant hastighet. Genom att sedan studsa en boll bredvid experimentuppställningen, utlösa en liten seismisk våg, såg de hur alla granuler snabbt skiftade som svar:de hade utlöst en miniatyrjordbävning.
"Vi fann att en mycket liten störning, en liten seismisk våg, kan få ett granulärt material att helt omstrukturera sig själv", förklarar Farain. Ytterligare undersökning visade att granulerna under ett kort ögonblick beter sig som en vätska snarare än som en fast substans. Efter att den utlösande vågen har passerat tar friktionen över igen och granulerna fastnar igen, i en ny konfiguration.
Samma sak händer i verkliga seismiska händelser. "Jordbävningar och tektoniska fenomen följer skalinvarianta lagar, så fynd från vår friktionsuppsättning i laboratorieskala är relevanta för att förstå avlägsna jordbävningar som utlöses av seismiska vågor i mycket större förkastningar i jordskorpan", säger Farain.
I deras artikel, publicerad i tidskriften Science Advances , visar forskarna att den matematiska modellen som de härledde från sina experiment kvantitativt förklarar hur jordbävningen i Landers 1992 i södra Kalifornien på distans utlöste en andra seismisk händelse, 415 km norrut. Dessutom visar de att deras modell exakt beskriver ökningen av vätsketrycket som observerats i Nankais subduktionszon nära Japan efter en serie små jordbävningar 2003.
Intressant nog, hela detta forskningsprojekt kanske inte hade blivit verklighet om det inte vore för Farains kollegor. "Inledningsvis låg min experimentuppställning bara på ett vanligt bord och saknade all den tjusiga vibrationsisolering som behövs för exakta mätningar. Snart nog insåg jag att enkla saker som att någon gick förbi eller att dörren stängdes kunde påverka experimentet. Jag måste ha varit en lite besvärande för mina kollegor, att alltid be om tystare fotsteg eller mjukare dörrstängningar."
Inspirerad av hur hans kollegors rörelser störde hans upplägg, började Farain att undersöka fysiken i arbetet. "Efter en tid uppgraderade jag till ett ordentligt optiskt bord för installationen, och folk kunde hoppa, eller göra vad de ville utan att störa mitt arbete. Men trogen mina bråkskapande tendenser var det inte slutet på det. Lite medan jag senare återvände till labbet med en högtalare för att generera brus och se effekterna av kontrollerade störningar."
Mer information: Kasra Farain et al, Perturbation-induced granular fluidization as a model for remote earthquake triggering, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7302
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Amsterdam
