Simulando terremotos en un laboratorio, Los ingenieros de Caltech han documentado la evolución de la fricción durante un terremoto, midiendo lo que una vez solo pudo inferirse, y arrojar luz sobre una de las mayores incógnitas en el modelado de terremotos.

Antes de un terremoto La fricción estática ayuda a mantener los dos lados de una falla inmóviles y presionados uno contra el otro. Durante el paso de la ruptura de un terremoto, esa fricción se vuelve dinámica a medida que los dos lados de la falla se muelen entre sí. La fricción dinámica evoluciona a lo largo de un terremoto, afectando cuánto y qué tan rápido se sacudirá el suelo y, por lo tanto, Más importante, la destructividad del terremoto.

"La fricción juega un papel clave en cómo las rupturas descomprimen las fallas en la corteza terrestre, "dice Vito Rubino, científico investigador de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (EAS) de Caltech. "Las suposiciones sobre la fricción dinámica afectan una amplia gama de predicciones científicas de terremotos, incluida la rapidez con la que se producirán las rupturas, la naturaleza del temblor del suelo, y niveles de tensión residual en fallas. Sin embargo, la naturaleza precisa de la fricción dinámica sigue siendo una de las mayores incógnitas en la ciencia de los terremotos ".

Previamente, Comúnmente se había creído que la evolución de la fricción dinámica estaba gobernada principalmente por qué tan lejos se deslizaba la falla en cada punto a medida que pasaba una ruptura, es decir, por la distancia relativa, un lado de una falla se desliza sobre el otro durante el deslizamiento dinámico. Analizando terremotos que fueron simulados en un laboratorio, En cambio, el equipo descubrió que el historial de deslizamiento es importante, pero el factor clave a largo plazo es en realidad la velocidad de deslizamiento, no solo qué tan lejos se desliza la falla, pero qué tan rápido.

Rubino es el autor principal de un artículo sobre los hallazgos del equipo que se publicó en Comunicaciones de la naturaleza el 29 de junio. Colaboró ​​con Ares Rosakis de Caltech, el Profesor Theodore von Kármán de Aeronáutica e Ingeniería Mecánica en EAS, y Nadia Lapusta, profesor de ingeniería mecánica y geofísica, quien tiene nombramientos conjuntos con EAS y la División de Ciencias Geológicas y Planetarias de Caltech.

El equipo realizó la investigación en una instalación de Caltech, dirigida por Rosakis, que ha sido apodado extraoficialmente el "túnel de viento sismológico". En la instalación, Los investigadores utilizan diagnósticos ópticos avanzados de alta velocidad y otras técnicas para estudiar cómo ocurren las rupturas sísmicas.

"Nuestra instalación única nos permite estudiar las leyes de fricción dinámica siguiendo a las personas, rupturas de cizallamiento de movimiento rápido y registro de la fricción a lo largo de sus caras deslizantes en tiempo real, "Dice Rosakis." Esto nos permite por primera vez estudiar la fricción por puntos y sin tener que asumir que el deslizamiento ocurre de manera uniforme, como se hace en los estudios clásicos de fricción, "Añade Rosakis.

Para simular un terremoto en el laboratorio, los investigadores primero cortaron por la mitad un bloque transparente de un tipo de plástico conocido como homalite, que tiene propiedades mecánicas similares a la roca. Luego ponen las dos piezas juntas bajo presión, simulando la fricción estática que se acumula a lo largo de una línea de falla. Próximo, colocaron un pequeño fusible de alambre de níquel-cromo en el lugar donde querían que estuviera el epicentro del terremoto. Al disparar el fusible se produjo una liberación de presión local, que redujo la fricción en esa ubicación, y permitió que una ruptura muy rápida se propagara por la falla en miniatura.

En este estudio, El equipo registró estos terremotos simulados utilizando un nuevo método de diagnóstico que combina la fotografía de alta velocidad (a 2 millones de cuadros por segundo) con una técnica llamada correlación de imágenes digitales. en el que los fotogramas individuales se comparan y contrastan entre sí y los cambios entre esas imágenes, que indican movimiento, se siguen con una precisión de subpíxeles.

"Algunos modelos numéricos de ruptura sísmica, incluidos los desarrollados en mi grupo en Caltech, han utilizado leyes de fricción con dependencia de la velocidad de deslizamiento, basado en una colección de experimentos y teorías de mecánica de rocas. Es gratificante ver esas formulaciones validadas por las rupturas espontáneas de mini terremotos en nuestro estudio, "Dice Lapusta.

En el trabajo futuro, el equipo planea usar sus observaciones para mejorar los modelos matemáticos existentes sobre la naturaleza de la fricción dinámica y ayudar a crear nuevos que representen mejor las observaciones experimentales; Estos nuevos modelos mejorarían las simulaciones de terremotos por computadora.

El estudio se titula "Comprensión de la fricción dinámica a través de terremotos de laboratorio que evolucionan espontáneamente".