Onderzoekers van EPFL's Computational Solid Mechanics Laboratory en het Weizmann Institute of Science hebben het begin van slip tussen twee lichamen in wrijvingscontact gemodelleerd. Hun werk, een grote stap voorwaarts in de studie van wrijvingsbreuken, zou ons een beter begrip kunnen geven van aardbevingen, inclusief hoe ver en snel ze reizen.

Het is nog steeds onmogelijk om te bepalen waar en wanneer een aardbeving zal plaatsvinden. Bijvoorbeeld, Californië wordt al jaren bedreigd door de "Big One, "en dichter bij huis, een recente reeks kleine schokken in het kanton Wallis begin november heeft de angst voor een grote aardbeving in de regio doen toenemen. Hoewel we aardbevingen niet kunnen voorspellen, onderzoekers van EPFL en het Weizmann Institute of Science in Israël hebben een stap voorwaarts gemaakt in het beoordelen van de dynamiek van aardbevingen door een beter begrip van hoe wrijvingsslip - de relatieve beweging van twee lichamen in contact onder schuifspanning, zoals tektonische platen - begint. Hun werk is gepubliceerd in twee complementaire delen, in Fysieke beoordeling X en Aardse en planetaire wetenschapsbrieven .

"We wilden begrijpen wat er gebeurt als twee lichamen in wrijvingscontact plotseling beginnen te bewegen na een geleidelijke toename van de schuifspanning:de manier waarop ze beginnen te glijden, bepaalt de snelheid en omvang van de beweging en, mogelijk, de ernst van een aardbeving, " legt Fabian Barras uit, een doctoraatsassistent bij EPFL's Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) tijdens dit onderzoek, en eerste auteur van beide artikelen.

Parallellen tussen slipfront en breuk

De manier waarop wrijving tussen twee lichamen begint, is niet zo uniform als het lijkt. Ultrasnelle camera's laten zien dat slip op een bepaald punt begint en zich vervolgens naar de rest van het oppervlak verspreidt. "Deze slipfrontdynamiek lijkt erg op de manier waarop een scheur zich voortplant in een bros materiaal, " zegt Barras. De eerste publicatie van de onderzoekers kijkt naar de overeenkomsten tussen wrijvingsbreuk en dynamische breuk. "Hoewel de fysica van een scheur en een slipfront niet precies hetzelfde is, ze planten zich beide voort door een daling van het draagvermogen van het materiaal achter de breuk. Gebruikmakend van de analogie met dynamische breuk, we bestudeerden de oorsprong van de daling van wrijvingsspanning die werd waargenomen in de nasleep van een slipfront wanneer de interface begint te bewegen."

De onderzoekers keken vervolgens naar de concentratie van stress aan het slipfront en gebruikten theoretische instrumenten uit het veld van breukdynamica om de energiebalans te bestuderen. In tegenstelling tot de situatie met een scheur, wrijving blijft energie afvoeren nadat slip is begonnen. Tijdens een aardbeving, slechts een deel van de beschikbare energie wordt gebruikt om het breukfront voort te planten, en de rest wordt afgevoerd door wrijving, voornamelijk in de vorm van warmte. Hier konden de onderzoekers eerder gebruikte modellen herzien en een beter begrip krijgen van de hoeveelheid wrijvingsenergie die betrokken is bij de voortplanting van het breukfront.

Ze gebruikten krachtige computers om seismische breuken te simuleren op basis van generieke wrijvingswetten, die de verandering in wrijvingskracht reproduceren afhankelijk van de slipsnelheid gemeten tussen verschillende soorten materialen. Dynamische breuktheorie gebruiken en toepassen op wrijving, de onderzoekers konden laboratoriumexperimenten beoordelen en ervoor zorgen dat hun voorspellingen correct waren. "We waren in staat om onze voorspellingen te valideren over een breed scala van experimenteel waargenomen breuksnelheden. De theoretische modellen die we hebben ontwikkeld, kunnen ons in de toekomst helpen beter te begrijpen waarom bepaalde aardbevingen in de natuur snel en gewelddadig zijn, terwijl andere zich langzaam voortplanten en gedurende langere tijd optreden, ", voegt Barras toe.

Diepe geothermische energie en geïnduceerde seismische activiteit

Deze vooruitgang in fundamenteel onderzoek zou ooit kunnen worden toegepast op complexere modellen, zoals die die toestanden langs tektonische fouten vertegenwoordigen, vooral waar vloeistoffen van nature aanwezig zijn of in de grond worden geïnjecteerd. "Vandaag, verschillende veelbelovende technologieën in de context van de energietransitie, zoals diepe geothermie, steunen op ondergrondse vloeistofinjectie. Het is belangrijk om beter te begrijpen hoe die injecties de seismische activiteit beïnvloeden. Ik hoop de tools te gebruiken die zijn ontwikkeld tijdens mijn Ph.D. om die impact te bestuderen, ' zegt Barras.

"Dit werk laat zien hoe onderzoek dat is ontwikkeld in een civieltechnisch laboratorium zeer interessante implicaties kan hebben voor de aardbevingswetenschap en kan leiden tot geavanceerde publicaties op gebieden zoals natuurkunde, " zegt professor Jean-François Molinari, het hoofd van EPFL's Computational Solid Mechanics Laboratory. Fabian Barras heeft ook een beurs ontvangen van de Zwitserse National Science Foundation om zijn onderzoek voort te zetten in een laboratorium dat gespecialiseerd is in breukgeologie aan de Universiteit van Oslo.