Simulando un terremoto en una escala en miniatura en un laboratorio conocido extraoficialmente como el "túnel de viento sismológico, "Los ingenieros y sismólogos han producido la visión más completa hasta la fecha de la compleja física de la fricción que impulsa los destructivos terremotos de empuje-falla.

Los terremotos de falla de empuje ocurren cuando un lado de una falla se desliza sobre o debajo del otro lado. Las fallas de empuje han sido el sitio de algunos de los terremotos más grandes del mundo, incluido el terremoto de Tohoku de 2011 frente a las costas de Japón, lo que generó un tsunami que dañó la central nuclear de Fukushima.

Sin embargo, el movimiento o las fuerzas que causan estos terremotos no se pueden medir directamente en la fuente, ya que gran parte de la acción tiene lugar en las profundidades de la tierra. Para obtener más información sobre ellos, un equipo de investigadores creó y observó terremotos de falla de empuje en una instalación única de "terremoto de laboratorio" en Caltech.

"La simulación de terremotos en un laboratorio nos permite observar cómo estos eventos breves y violentos crecen y evolucionan al 'ralentizar' su movimiento a través de la fotografía y la óptica de alta velocidad, "dice Ares Rosakis, el Profesor Theodore von Karman de Aeronáutica e Ingeniería Mecánica, quien dirige la instalación y ha introducido el concepto de terremotos de laboratorio junto con el ex director del Laboratorio de Sismología de Caltech, Hiroo Kanamori, John E. y Hazel S. Smits Profesor de Geofísica, Emeritus.

Rosakis es el autor correspondiente de un artículo sobre la nueva investigación que fue publicado por el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias el 25 de agosto. Fue coautor de este artículo con Nadia Lapusta, el Lawrence A. Hanson, Jr., Catedrático de Ingeniería Mecánica y Geofísica, su colaborador desde hace mucho tiempo en los problemas de la interfaz entre la ingeniería y la ciencia de los terremotos; ex becario postdoctoral de Caltech Yuval Tal, actualmente es profesor asistente en la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel; y el científico investigador de Caltech Vito Rubino.

Para crear un terremoto en el laboratorio, el equipo primero cortó por la mitad un bloque transparente de un tipo de plástico conocido como Homalite, que tiene propiedades de fricción similares a la roca. Luego ponen las dos piezas juntas bajo presión y cizallas, simulando presión tectónica que se acumula lentamente a lo largo de una línea de falla. Próximo, colocaron un pequeño fusible de alambre en el lugar debajo de una superficie terrestre simulada donde querían que se originara el terremoto. Activar el fusible redujo la fricción en esa ubicación y permitió que una ruptura muy rápida iniciara y se propagara por la falla en miniatura hacia la superficie libre de la Tierra. produciendo temblores intensos. Mientras tanto, La tecnología de imágenes de alta velocidad registró la evolución de las tensiones. y por tanto del coeficiente de fricción, a lo largo de la falla a medida que la ruptura se acercaba a la superficie libre, una millonésima de segundo a la vez.

El "túnel de viento sismológico" existe desde 1999, pero la incorporación de la correlación de imágenes digitales (DIC) en 2015 les ha dado a los ingenieros "un nuevo par de ojos, "Dice Rosakis. DIC mide cambios de minutos en la ubicación de puntos individuales en un material a lo largo del tiempo, que indica cómo la deformación y la tensión evolucionan dinámicamente en todo el material durante un terremoto simulado. Con esa información, Rosakis y sus colegas pudieron mapear cómo una ruptura sube por una falla, interactúa dinámicamente con la superficie del suelo, e incluso se afecta a sí mismo a través de ondas que se propagan dinámicamente generadas por cada movimiento.

Notaron un cambio muy rápido en el estrés "normal a fallas", que es la fuerza de compresión que mantiene cerrada la falla. Hay una serie de razones por las que la tensión normal a la falla puede variar cuando la falla se desliza. En el caso de terremotos de falla de empuje, Los investigadores notaron que la tensión normal de falla pasó por un ciclo rápido de amplitud creciente y decreciente porque las ondas emitidas por la ruptura se reflejaban en la superficie terrestre simulada como un eco.

Porque este estrés que normalmente mantiene una falla bloqueada en su lugar, estaba cambiando rápidamente en fuerza, alteró la resistencia de la falla al deslizamiento, conocido como movimiento de cizalla. Cuando el estrés normal de la falla disminuye, la falla se sujeta con menos fuerza en su lugar y es más probable que se resbale, causando un terremoto.

Más importante, los investigadores pudieron desafiar una suposición comúnmente aceptada (pero también discutida) de que la fricción que bloquea las placas en su lugar a lo largo de una falla es siempre proporcional a la tensión normal de la falla. Lo que encontraron en cambio es que, a medida que la ruptura interactúa con la superficie de la tierra, hay un desfase de tiempo significativo entre los cambios en la tensión normal a la falla y la resistencia al corte resultante, y los dos no son proporcionales en la escala de tiempo del proceso de ruptura.

"Esto implica la presencia de un mecanismo complejo dependiente de la historia que gobierna la fricción en presencia de una tensión normal de falla rápida, que son característicos de las configuraciones de falla de empuje, "Dice Rosakis.

"Si bien estudios anteriores han señalado la discrepancia entre los cambios en el estrés normal y la fricción, no ha quedado claro cuán significativo es este efecto para los terremotos de empuje, "agrega Lapusta." Nuestras mediciones mostraron que el efecto es mucho mayor de lo que podría esperarse en base a estudios anteriores y nos permitió mejorar las leyes de fricción existentes ".

El equipo espera que estos conocimientos físicos sobre la dinámica de un terremoto puedan ayudar a los geocientíficos a crear modelos informáticos más precisos de las rupturas de los terremotos que se propagan a lo largo de las fallas de empuje del mundo real.

"Obtener la resistencia a la fricción y, por eso, el movimiento simulado justo al lado de la superficie de la tierra es especialmente importante, Dado que influye significativamente en el temblor del suelo y la generación de tsunamis si el rastro de la falla está bajo el agua, "Lapusta dice." De hecho, muchos terremotos destructivos ocurren como rupturas de empuje en zonas de subducción, a veces causando tsunamis devastadores, como durante el terremoto de Tohoku de magnitud 9,0 de 2011 ".

"La ley de fricción de la falla dependiente de la historia, que es muy difícil de determinar, es la suposición más grande de cualquier modelista, "Dice Rosakis." Ahora tenemos una pieza más del rompecabezas resuelta ".

El artículo se titula "Iluminando la física de la fricción dinámica a través de terremotos de laboratorio en fallas de empuje".