Получение представления об энергетическом балансе землетрясений

Исследователи из Лаборатории вычислительной механики твердого тела EPFL и Института науки Вейцмана смоделировали начало проскальзывания между двумя телами в фрикционном контакте. Их работа, значительный шаг вперед в изучении фрикционного разрыва, может дать лучшее понимание землетрясений, включая то, как далеко и как быстро они распространяются.

Исследователи из EPFL и Института науки Вейцмана (Израиль) продвинулись в оценке динамики землетрясений, лучше поняв, как начинается фрикционное проскальзывание — относительное движение двух тел в контакте под действием сдвигающего напряжения, например, тектонических плит. Их работа, опубликованная в двух взаимодополняющих частях в журналах Physical Review X и Earth and Planetary Science Letters, фокусируется на моделировании начала такого скольжения.

Способ, которым начинается фрикционное скольжение, не является однородным: оно стартует в конкретной точке и затем распространяется по поверхности. Эта динамика фронта проскальзывания аналогична распространению трещины в хрупком материале. В первой публикации ученые исследовали сходства между фрикционным разрывом и динамическим разрушением, изучив падение несущей способности материала позади фронта разрыва.

Затем ученые проанализировали концентрацию напряжений на фронте проскальзывания и применили теоретические инструменты из области динамики разрывов для изучения энергетического баланса. В отличие от трещины, трение продолжает рассеивать энергию даже после начала скольжения. Во время землетрясения лишь часть доступной энергии используется для распространения фронта разрыва, а остаток рассеивается трением, в основном в виде тепла. Исследователям удалось пересмотреть предыдущие модели и лучше понять, какая часть фрикционной энергии участвует в распространении фронта разрыва.

С помощью высокопроизводительных компьютеров они смоделировали сейсмические разрывы на основе общих законов трения. Применяя теорию динамического разрыва к трению, ученые смогли проверить свои предсказания на лабораторных экспериментах. «Разработанные нами теоретические модели в будущем могут помочь лучше понять, почему одни землетрясения в природе быстрые и мощные, а другие распространяются медленно и происходят в течение более длительных периодов времени», — поясняет Фабиан Баррас, первый автор обеих статей.

Эти фундаментальные исследования в будущем могут быть применены к более сложным моделям, например, представляющим условия вдоль тектонических разломов, особенно там, где присутствуют или закачиваются в грунт флюиды. «Сегодня несколько перспективных технологий в контексте энергетического перехода, таких как глубокая геотермальная энергетика, зависят от подземной закачки жидкостей. Важно лучше понимать, как эти инъекции влияют на сейсмическую активность», — отмечает Баррас.