Лабораторные землетрясения раскрывают силы трения, действующие под нашими ногами

Инженеры и сейсмологи, моделируя землетрясения в миниатюре в лаборатории, неофициально называемой «сейсмологической аэродинамической трубой», получили наиболее полную на сегодняшний день картину сложной физики трения, управляющей разрушительными землетрясениями на взбросо-надвиговых разломах. Такие землетрясения происходят, когда одна сторона разлома надвигается на другую.

Понимание этих процессов крайне важно, поскольку именно взбросы являются местом некоторых из крупнейших в мире землетрясений, таких как событие 2011 года у берегов Японии (Тохоку), вызвавшее цунами. Однако силы, вызывающие такие землетрясения, невозможно измерить непосредственно в недрах Земли. Моделирование в лаборатории позволяет «замедлить» эти быстрые и разрушительные события с помощью высокоскоростной съемки.

«Моделирование землетрясений в лаборатории позволяет нам наблюдать, как эти краткие и мощные события зарождаются и развиваются, “замедляя” их движение с помощью высокоскоростной фото- и видеосъемки», — говорит Арес Росакис, профессор аэронавтики и машиностроения, руководитель экспериментальной установки в Калифорнийском технологическом институте (Caltech).

Для создания землетрясения ученые использовали прозрачный блок пластика Homalite, чьи фрикционные свойства схожи со свойствами горных пород. Разрезав блок и сжав две части под давлением, они имитировали тектонические напряжения. Затем, инициировав разрыв с помощью небольшого запала, они зафиксировали его распространение к «поверхности» с помощью высокоскоростных камер и метода цифровой корреляции изображений (DIC).

Ключевым открытием стало наблюдение быстрых колебаний нормального напряжения (силы, сжимающей разлом) при приближении разрыва к поверхности из-за отражения сейсмических волн. Это, в свою очередь, динамически меняло сопротивление трения на разломе. Важнее всего то, что исследователи обнаружили значительный временной лаг между изменениями нормального напряжения и силой трения, что опровергает распространенное предположение об их прямой пропорциональности во время быстрого разрыва.

«Это подразумевает наличие сложного механизма трения, зависящего от истории нагружения, в условиях быстрого изменения нормального напряжения, что характерно для взбросовых разломов», — поясняет Росакис.

Полученные данные помогут создавать более точные компьютерные модели реальных землетрясений, особенно в части взаимодействия разрыва с поверхностью Земли, что критически важно для оценки силы сотрясений и генерации цунами. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).