Door aardbevingen in een laboratorium te simuleren, ingenieurs van Caltech hebben de evolutie van wrijving tijdens een aardbeving gedocumenteerd - meten wat ooit alleen kon worden afgeleid, en licht werpen op een van de grootste onbekenden in het modelleren van aardbevingen.

Voor een aardbeving, statische wrijving helpt de twee kanten van een fout onbeweeglijk en tegen elkaar gedrukt te houden. Tijdens de passage van een aardbevingsbreuk, die wrijving wordt dynamisch als de twee kanten van de breuk langs elkaar heen schuren. Dynamische wrijving evolueert tijdens een aardbeving, invloed op hoeveel en hoe snel de grond zal schudden en dus, het belangrijkste, de verwoesting van de aardbeving.

"Wrijving speelt een sleutelrol in hoe breuken fouten in de aardkorst openritsen, " zegt Vito Rubino, onderzoekswetenschapper bij Caltech's Division of Engineering and Applied Science (EAS). "Aannames over dynamische wrijving beïnvloeden een breed scala aan voorspellingen van aardbevingswetenschap, inclusief hoe snel breuken zullen optreden, de aard van grondschudden, en restspanningsniveaus op fouten. Toch blijft de precieze aard van dynamische wrijving een van de grootste onbekenden in de aardbevingswetenschap."

Eerder, algemeen werd aangenomen dat de evolutie van dynamische wrijving voornamelijk werd bepaald door hoe ver de fout op elk punt gleed als een breuk voorbijging - dat wil zeggen, door de relatieve afstand schuift de ene kant van een fout langs de andere tijdens dynamisch glijden. Aardbevingen analyseren die in een laboratorium zijn gesimuleerd, het team ontdekte in plaats daarvan dat glijdende geschiedenis belangrijk is, maar de belangrijkste factor op lange termijn is eigenlijk de slipsnelheid - niet alleen hoe ver de fout wegglijdt, maar hoe snel.

Rubino is de hoofdauteur van een paper over de bevindingen van het team dat werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 29 juni. Hij werkte samen met Caltech's Ares Rosakis, de Theodore von Kármán hoogleraar luchtvaart en werktuigbouwkunde bij EAS, en Nadia Lapusta, hoogleraar werktuigbouwkunde en geofysica, die gezamenlijke afspraken heeft met EAS en de Caltech Division of Geological and Planetary Sciences.

Het team voerde het onderzoek uit in een Caltech-faciliteit, geregisseerd door Rosakis, die onofficieel de 'seismologische windtunnel' wordt genoemd. Bij de faciliteit, onderzoekers gebruiken geavanceerde optische diagnostiek met hoge snelheid en andere technieken om te bestuderen hoe aardbevingen ontstaan.

"Onze unieke faciliteit stelt ons in staat om dynamische wrijvingswetten te bestuderen door individuele, snel bewegende schuifbreuken en het opnemen van wrijving langs hun glijdende vlakken in realtime, " zegt Rosakis. "Dit stelt ons voor het eerst in staat om wrijving puntsgewijs te bestuderen en zonder te hoeven aannemen dat glijden uniform plaatsvindt, zoals wordt gedaan in klassieke wrijvingsstudies, ' voegt Rosakis toe.

Om een ​​aardbeving in het laboratorium te simuleren, de onderzoekers sneden eerst een half transparant blok in van een soort plastic dat bekend staat als homoliet, die vergelijkbare mechanische eigenschappen heeft als steen. Vervolgens zetten ze de twee stukken samen onder druk, simuleren van de statische wrijving die zich opbouwt langs een breuklijn. Volgende, ze plaatsten een kleine nikkel-chroom draadzekering op de plaats waar ze het epicentrum van de aardbeving wilden hebben. Het activeren van de zekering produceerde een lokale drukontlasting, die de wrijving op die plaats verminderde, en liet een zeer snelle breuk toe om de miniatuurfout te verspreiden.

In dit onderzoek, het team registreerde deze gesimuleerde aardbevingen met behulp van een nieuwe diagnostische methode die hogesnelheidsfotografie (met 2 miljoen frames per seconde) combineert met een techniek die digitale beeldcorrelatie wordt genoemd, waarin individuele frames worden vergeleken en met elkaar worden gecontrasteerd en veranderingen tussen die afbeeldingen - die beweging aangeven - worden gevolgd met subpixelnauwkeurigheid.

"Sommige numerieke modellen van aardbevingsbreuken, inclusief degene die zijn ontwikkeld in mijn groep bij Caltech, wrijvingswetten hebben gebruikt met slipsnelheidsafhankelijkheid, gebaseerd op een verzameling van experimenten en theorieën over rotsmechanica. Het is verheugend om te zien dat die formuleringen gevalideerd zijn door de spontane mini-aardbevingen in onze studie, ' zegt Lapusta.

Bij toekomstig werk, het team is van plan zijn waarnemingen te gebruiken om de bestaande wiskundige modellen over de aard van dynamische wrijving te verbeteren en om nieuwe modellen te helpen creëren die de experimentele waarnemingen beter weergeven; dergelijke nieuwe modellen zouden computeraardbevingssimulaties verbeteren.

De studie is getiteld "Inzicht in dynamische wrijving door spontaan evoluerende laboratoriumaardbevingen."