Het simuleren van een aardbeving op miniatuurschaal in een laboratorium dat onofficieel bekend staat als de "seismologische windtunnel, "Ingenieurs en seismologen hebben tot nu toe het meest uitgebreide overzicht gegeven van de complexe fysica van wrijving die destructieve stuwkracht-aardbevingen veroorzaakt.

Stuwkracht-aardbevingen treden op wanneer de ene kant van een breuk over of onder de andere kant schuift. Stuwkrachtfouten waren de plaats van enkele van 's werelds grootste aardbevingen, waaronder de Tohoku-aardbeving in 2011 voor de kust van Japan, die een tsunami veroorzaakte die de kerncentrale van Fukushima beschadigde.

Echter, de beweging of krachten die deze aardbevingen veroorzaken, kunnen niet direct bij de bron worden gemeten, omdat veel van de actie diep in de aarde plaatsvindt. Om daar meer inzicht in te krijgen, een team van onderzoekers creëerde en observeerde stuwkracht-aardbevingen in een unieke "laboratoriumaardbeving" -faciliteit in Caltech.

"Door aardbevingen in een laboratorium te simuleren, kunnen we observeren hoe deze korte en gewelddadige gebeurtenissen groeien en evolueren door hun beweging te 'vertragen' door middel van snelle fotografie en optica, " zegt Ares Rosakis, de Theodore von Karman hoogleraar luchtvaart en werktuigbouwkunde, die de faciliteit runt en het concept van laboratoriumaardbevingen heeft geïntroduceerd samen met voormalig Caltech Seismology Laboratory-directeur Hiroo Kanamori, John E. en Hazel S. Smits Hoogleraar Geofysica, Emeritus.

Rosakis is de corresponderende auteur van een paper over het nieuwe onderzoek dat werd gepubliceerd door de Proceedings van de National Academy of Sciences op 25 augustus. Hij was co-auteur van dit artikel met Nadia Lapusta, de Lawrence A. Hanson, jr., Hoogleraar Werktuigbouwkunde en Geofysica, zijn jarenlange medewerker aan problemen op het raakvlak tussen techniek en aardbevingswetenschap; voormalig Caltech postdoctoraal wetenschapper Yuval Tal, momenteel een assistent-professor aan de Ben-Gurion Universiteit van de Negev in Israël; en Caltech-onderzoeker Vito Rubino.

Om een ​​aardbeving in het lab te creëren, het team sneed eerst in een half transparant blok van een soort plastic dat bekend staat als Homalite, die vergelijkbare wrijvingseigenschappen heeft als steen. Vervolgens zetten ze de twee stukken samen onder druk en afschuiving, simuleren van tektonische druk die langzaam opbouwt langs een breuklijn. Volgende, ze plaatsten een kleine draadzekering op de locatie onder een gesimuleerd aardoppervlak waar ze wilden dat de aardbeving zou ontstaan. Het triggeren van de zekering verminderde de wrijving op die locatie en maakte een zeer snelle breuk mogelijk om de miniatuurfout te initiëren en zich voort te planten naar het vrije oppervlak van de aarde, intens schudden produceren. In de tussentijd, high-speed beeldtechnologie registreerde de evolutie van spanningen, en dus van de wrijvingscoëfficiënt, langs de breuk toen de breuk het vrije oppervlak naderde - een miljoenste van een seconde per keer.

De "seismologische windtunnel" bestaat al sinds 1999, maar de toevoeging van digitale beeldcorrelatie (DIC) in 2015 heeft de ingenieurs "een nieuw paar ogen, " zegt Rosakis. DIC meet minieme verschuivingen in de locatie van individuele punten door een materiaal in de loop van de tijd, geeft aan hoe spanning en spanning dynamisch door het materiaal evolueren tijdens een gesimuleerde aardbeving. Met die informatie, Rosakis en zijn collega's konden in kaart brengen hoe een breuk een fout oploopt, heeft een dynamische wisselwerking met het grondoppervlak, en beïnvloedt zelfs zichzelf door dynamisch voortplantende golven die door elke beweging worden gegenereerd.

Ze merkten een zeer snelle verandering op in "fout-normale" stress, dat is de samendrukkende kracht die de fout dichtgeklemd houdt. Er zijn een aantal redenen waarom de fout-normale spanning kan variëren wanneer de fout wegglijdt. In het geval van stuwkrachtbevingen, de onderzoekers merkten op dat de fout-normale spanning een snelle cyclus van toenemende en afnemende amplitude doormaakte, omdat golven die door de breuk werden uitgezonden vervolgens als een echo van het gesimuleerde aardoppervlak werden gereflecteerd.

Omdat deze spanning die normaal gesproken een storing op zijn plaats houdt, veranderde snel in kracht, het veranderde de weerstand van de fout tegen uitglijden, bekend als schuifbeweging. Wanneer de fout-normale spanning wegebt, de fout wordt minder stevig op zijn plaats geklemd en heeft meer kans om te slippen, aardbeving veroorzaken.

Het belangrijkste is, de onderzoekers waren in staat om een ​​algemeen aanvaarde (maar ook omstreden) veronderstelling uit te dagen dat wrijving die de platen op hun plaats langs een breuk blokkeert, altijd evenredig is met de breuk-normale spanning. Wat ze in plaats daarvan vonden, is dat, als de breuk interageert met het aardoppervlak, er is een aanzienlijk tijdsverschil tussen veranderingen in fout-normale spanning en de resulterende schuifweerstand, en de twee zijn niet proportioneel op de tijdschaal van het breukproces.

"Dit impliceert de aanwezigheid van een complex geschiedenisafhankelijk mechanisme dat wrijving regelt in de aanwezigheid van snelle normale spanning, die kenmerkend zijn voor stuwkracht-foutconfiguraties, ' zegt Rosakis.

"Terwijl eerdere studies op discrepantie tussen veranderingen in normale spanning en wrijving hebben gewezen, het is niet duidelijk geweest hoe significant dit effect is voor stuwkrachtaardbevingen, " voegt Lapusta toe. "Onze metingen toonden aan dat het effect veel groter is dan op basis van eerdere studies kon worden verwacht en stelden ons in staat de bestaande wrijvingswetten te verbeteren."

Het team hoopt dat deze fysieke inzichten in de dynamiek van een aardbeving geowetenschappers kunnen helpen om nauwkeurigere computermodellen te maken van aardbevingsbreuken die zich voortplanten langs echte stuwkrachtfouten.

"De wrijvingsweerstand krijgen en, Vandaar, de gesimuleerde beweging vlak naast het aardoppervlak is vooral belangrijk, omdat het het schudden van de grond en de tsunami-generatie aanzienlijk beïnvloedt als het breukspoor zich onder water bevindt, "zegt Lapusta. "Inderdaad, veel destructieve aardbevingen treden op als stuwkrachtbreuken in subductiezones, soms verwoestende tsunami's veroorzaken, zoals tijdens de Tohoku-aardbeving van 9,0 op de schaal van Richter in 2011."

"De geschiedenisafhankelijke wrijvingswet van de fout, wat heel moeilijk te bepalen is, is de grootste veronderstelling van een modelbouwer, ' zegt Rosakis. 'Nu hebben we nog een stukje van de puzzel vastgespeld.'

Het artikel is getiteld "Het verlichten van de fysica van dynamische wrijving door laboratoriumaardbevingen op stuwkrachtfouten."