Al simular terremotos en un laboratorio, los ingenieros de Caltech han documentado la evolución de la fricción durante un terremoto, midiendo lo que una vez solo se pudo inferir y arrojando luz sobre una de las incógnitas más grandes 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 juntan. La fricción dinámica evolucionaa lo largo de un terremoto, que afecta la cantidad y la rapidez con que se sacudirá el suelo y, por lo tanto, lo más importante, la destructividad del terremoto.
"La fricción juega un papel clave en cómo las rupturas descomprimen 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 de la sacudida del suelo y los niveles de tensión residual en las fallas. Sin embargo, la naturaleza precisa de la fricción dinámica sigue siendo una de las incógnitas más grandes en la ciencia de terremotos ".
Anteriormente, comúnmente se creía que la evolución de la fricción dinámica se regía principalmente por el grado de deslizamiento de la falla en cada punto a medida que pasaba una ruptura, es decir, por la distancia relativa que un lado de una falla pasa por el otrodurante el deslizamiento dinámico. Al analizar los terremotos que se simularon en un laboratorio, 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, sino 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, profesora de ingeniería mecánica y geofísica, quien tiene citas conjuntas con EAS y la División de Geología y Geología CaltechCiencias planetarias.
El equipo realizó la investigación en una instalación de Caltech, dirigida por Rosakis, que se ha denominado extraoficialmente como 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 de terremotos.
"Nuestra instalación única nos permite estudiar las leyes de fricción dinámica siguiendo las rupturas de cizallamiento individuales y de rápido movimiento y registrando la fricción a lo largo de sus caras deslizantes en tiempo real", dice Rosakis. "Esto nos permite por primera vez estudiar el punto de fricción-sabio y sin tener que suponer que el deslizamiento se produce de manera uniforme, como se hace en los estudios de fricción clásicos ", agrega 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 homalita, que tiene propiedades mecánicas similares a las rocas. Luego juntaron las dos piezas bajo presión, simulando la fricción estáticaeso se acumula a lo largo de una línea de falla. Luego, 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, lo que redujo la fricción en ese lugar, ypermitió una ruptura muy rápida para propagar 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 fotogramas por segundo con una técnica llamada correlación de imagen digital, en la que se comparan y contrastan entre sí fotogramas individualesy los cambios entre esas imágenes, que indican movimiento, se rastrean con precisión de subpíxel.
"Algunos modelos numéricos de ruptura de terremotos, incluidos los desarrollados en mi grupo en Caltech, han usado leyes de fricción con dependencia de la velocidad de deslizamiento, basadas en una colección de experimentos y teorías de mecánica de rocas. Es gratificante ver esas formulaciones validadas porlas 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 para ayudar a crear otros nuevos que representen mejor las observaciones experimentales; tales nuevos modelos mejorarían las simulaciones de terremotos por computadora.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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