Investigadores del Laboratorio de Mecánica Sólida Computacional de la EPFL y el Instituto de Ciencia Weizmann han modelado el inicio del deslizamiento entre dos cuerpos en contacto por fricción. Su trabajo, un gran paso adelante en el estudio de la rotura por fricción, podría darnos una mejor comprensión de los terremotos, incluida la distancia y la rapidez con que viajan.

Todavía es imposible determinar dónde y cuándo ocurrirá un terremoto. Por ejemplo, California ha estado durante años bajo la amenaza del "Big One, "y más cerca de casa, una serie reciente de pequeños choques en el cantón de Valais a principios de noviembre ha generado temores de un gran terremoto en la región. Aunque no podemos predecir terremotos, Los investigadores de EPFL y el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel han dado un paso adelante en la evaluación de la dinámica de los terremotos a través de una mejor comprensión de cómo el deslizamiento por fricción:el movimiento relativo de dos cuerpos en contacto bajo esfuerzo cortante, como las placas tectónicas — comienza. Su trabajo ha sido publicado en dos partes complementarias, en Revisión física X y Cartas de ciencia terrestre y planetaria .

"Queríamos entender qué sucede cuando dos cuerpos en contacto por fricción comienzan a moverse repentinamente después de un aumento gradual del esfuerzo cortante:la forma en que comienzan a deslizarse determinará la velocidad y la extensión del movimiento y, potencialmente, la severidad de un terremoto, "explica Fabián Barras, un asistente de doctorado en el Laboratorio de Mecánica Sólida Computacional (LSMS) de la EPFL durante esta investigación, y primer autor de ambos artículos.

Paralelos entre el deslizamiento frontal y la fractura

La forma en que comienza el deslizamiento por fricción entre dos cuerpos no es tan uniforme como parece. Las cámaras ultrarrápidas muestran que el deslizamiento comienza en un punto específico y luego se extiende al resto de la superficie. "Esta dinámica del frente de deslizamiento es muy similar a la forma en que se propaga una grieta dentro de un material quebradizo, "dice Barras. La primera publicación de los investigadores analiza las similitudes entre la ruptura por fricción y la fractura dinámica". Aunque la física de una grieta y un frente de deslizamiento no es exactamente la misma, ambos se propagan debido a una caída en la capacidad de carga del material detrás de la ruptura. Usando la analogía con la fractura dinámica, estudiamos el origen de la caída de la tensión de fricción observada a raíz de un frente de deslizamiento cuando la interfaz comienza a moverse ".

Luego, los investigadores observaron la concentración de tensión en el frente de deslizamiento y utilizaron herramientas teóricas del campo de la dinámica de ruptura para estudiar el balance energético. A diferencia de la situación con una grieta, la fricción continúa disipando energía después de que ha comenzado el deslizamiento. Durante un terremoto, solo una parte de la energía disponible se utiliza para propagar el frente de ruptura, y el resto se disipa por fricción, principalmente en forma de calor. Es aquí donde los investigadores pudieron revisar los modelos utilizados anteriormente y lograr una mejor comprensión de cuánta energía de fricción está involucrada en la propagación del frente de ruptura.

Utilizaron computadoras de alto rendimiento para simular rupturas sísmicas basadas en leyes genéricas de fricción. que reproducen el cambio en la fuerza de fricción en función de la velocidad de deslizamiento medida entre diferentes tipos de materiales. Usando la teoría de la ruptura dinámica y aplicándola a la fricción, los investigadores pudieron evaluar experimentos de laboratorio y asegurarse de que sus predicciones fueran correctas. "Pudimos validar nuestras predicciones en una amplia gama de velocidades de ruptura observadas experimentalmente. Los modelos teóricos que desarrollamos podrían ayudarnos en el futuro a comprender mejor por qué ciertos terremotos en la naturaleza son rápidos y violentos". mientras que otros se propagan lentamente y ocurren durante períodos de tiempo más largos, "agrega Barras.

Energía geotérmica profunda y sismicidad inducida

Estos avances en la investigación fundamental podrían algún día aplicarse a modelos más complejos, como las que representan las condiciones a lo largo de las fallas tectónicas, especialmente donde los fluidos están presentes de forma natural o se inyectan en el suelo. "Hoy dia, Varias tecnologías prometedoras en el contexto de la transición energética, como la energía geotérmica profunda, se basan en la inyección de fluidos subterráneos. Es importante comprender mejor cómo esas inyecciones afectan la actividad sísmica. Espero utilizar las herramientas desarrolladas durante mi doctorado. para estudiar ese impacto, "dice Barras.

"Este trabajo muestra cómo la investigación desarrollada en un laboratorio de ingeniería civil puede tener implicaciones muy interesantes para la ciencia de los terremotos y conducir a publicaciones de vanguardia en áreas como la física, "dice el profesor Jean-François Molinari, el jefe del Laboratorio de Mecánica Sólida Computacional de la EPFL. Fabian Barras también ha recibido una beca de la Swiss National Science Foundation para continuar su investigación en un laboratorio especializado en geología de fallas en la Universidad de Oslo.