10 Minute
Încălzirea depășește vibrațiile în cutremurele de mici dimensiuni
Experimente de laborator realizate la Massachusetts Institute of Technology arată că majoritatea energiei eliberate în timpul alunecărilor asemănătoare cutremurelor se transformă în căldură, nu în mișcare a solului. Folosind experimente controlate, la scară mică, de defectare pe granit zdrobit, cercetătorii au măsurat bugetul complet de energie al unor alunecări bruște și foarte mici. Rezultatele indică că aproximativ 80% din energia eliberată se transformă în căldură de frecare în proximitatea planului de alunecare, circa 10% produce vibrații seismice analogice cu mișcarea solului, iar mai puțin de 1% este investit în crearea de suprafețe noi de rocă prin fracturare și cominuție.
Aceste proporții nu sunt invariabile: istoricul de deformare anterior al materialelor testate influențează puternic modul în care energia este împărțită. Rocile care au fost deformate anterior pot manifesta comportamente diferite — absorbind mai multă sau mai puțină energie sub formă de căldură, mișcare sau fracturare. Experimentele reproduc temperaturi tranzitorii extreme, topire prin frecare de scurtă durată și viteze de alunecare rapide care oglindesc procesele fizice deduse în cazul cutremurelor reale, oferind astfel constrângeri noi asupra modului în care evoluează faliile și asupra felului în care ar trebui evaluate riscurile seismice.
Măsurarea energiei cutremurelor în laborator
Observarea directă și cuantificarea modului în care un cutremur real împarte energia între unde seismice, căldură și deteriorarea rocii este aproape imposibilă in situ. Pentru a depăși această limitare, echipa MIT a proiectat experimente de laborator repetabile care simulează fizica mecanică și termică a alunecării seismice la o scară controlată. Probe au fost pregătite pentru a imita materialele fine din zona de falie care se găsesc în stratul seismogenic al scoarței continentale, acolo unde majoritatea cutremurelor crustale au nucleare (aproximativ 10–20 km adâncime).
Protocolul experimental a combinat mai multe tehnici specializate pentru a surprinde aspecte complementare ale fiecărui micro-eveniment. Cercetătorii au zdrobit granitul până la o pulbere și l-au amestecat cu o pulbere mult mai fină ce conține particule magnetice. Aceste incluziuni magnetice funcționează ca un registrator intern de temperatură deoarece magnetizarea lor se schimbă atunci când sunt expuse la temperaturi ridicate. Fiecare mostră pudră, având doar circa 10 milimetri pătrați în suprafață și 1 milimetru grosime, a fost închisă într-o teacă de aur și plasată între doi pistoane care presează proba la tensiuni reprezentative pentru zona seismogenică.
Pentru a înregistra mișcarea dinamică în timpul alunecării, echipa a dezvoltat și a atașat senzori piezoelectrici personalizați la capetele ansamblului de probe. Acești senzori măsoară impulsuri de durată scurtă care reprezintă accelerație și deplasare asemănătoare celor seismice, la scara probei. După un eveniment de cedare controlat, oamenii de știință au decodat semnalul particulelor magnetice pentru a estima temperatura de vârf, au examinat proba cu microscopie electronică de scanare pentru a documenta fracturarea granulelor și formarea de sticlă, și au combinat datele senzorilor cu modele numerice pentru a deduce repartizarea energiei în căldură, vibrații și cominuție.
De ce particule magnetice și teci de aur?
Pulberea magnetică funcționează ca un tip de înregistrator termomagnetic: încălzirea și răcirea asociate cu alunecarea rapidă modifică magnetizarea particulelor într-un mod ce poate fi măsurat după experiment. Teaca de aur oferă un etanșament conductor chimic inert care păstrează geometria probei și limitează oxidarea în timpul tranziențelor la temperaturi înalte. Această abordare integrată le permite cercetătorilor să reconstruiască temperaturi de vârf care au durat microsecunde și să coreleze acele excese termice cu măsurători mecanice ale alunecării și căderii de tensiune.
Constatări cheie: încălzire prin frecare, topire și alunecare rapidă
În decursul zecilor de experimente de micro-ruptură, principala baie de energie a fost încălzirea prin frecare aproape de suprafața de alunecare. În medie, aproximativ 80% din energia mecanică eliberată a fost depozitată ca căldură în zona care alunecă. Mișcarea asemănătoare seismică a reprezentat aproximativ 10% din bugetul energetic, în timp ce energia necesară pentru a sparge granulele și a crea suprafețe noi a fost consecvent mică, în mod tipic sub 1% din total.
În unele teste, încălzirea a fost intensă și abruptă. Echipa a măsurat creșteri tranzitorii ale temperaturii, de la temperatura ambientală până la aproximativ 1.200 de grade Celsius, în decurs de microsecunde — suficient pentru a topi parțial sau complet materialul din falie. Când materialul topit se solidifica rapid, s-a format un strat sticlos și neted, foarte similar cu produsele de topire prin frecare observate în falii naturale. Într-un caz reprezentativ, cercetătorii au observat o alunecare de aproape 100 de microni care, dată fiind durata foarte scurtă, implică viteze locale de alunecare de ordinul a 10 metri pe secundă — viteze mari, dar limitate spațial și temporal.
Aceste observații leagă fizica la scară de laborator de dovezile de teren: texturile sticloase și venele de topire găsite uneori în falii exhumate, cunoscute sub numele de pseudotachilite, sunt compatibile cu topirea prin frecare în timpul alunecării seismice. Prin urmare, experimentele asigură o punte între microfizică și markerii geologici ai cutremurelor trecute, facilitând interpretări mai solide ale evenimentelor tectonice din trecut.
Implicații pentru evaluarea riscului seismică și pentru modelele de cutremur
Dacă o repartizare similară a energiei are loc și în natură, faliile ar putea absorbi mult mai mult din energia lor mecanică sub formă de încălzire locală și deteriorare structurală decât sub formă de radiație seismică pe distanțe mari. Asta înseamnă că fracțiunea de energie care radiază ca mișcare a solului, capabilă să producă daune la distanță, ar putea reprezenta doar o mică parte din eliberarea totală. Înțelegerea acestui raport este crucială când se estimează cât de multă mișcare se poate genera într-o ruptură particulară și cum modifică alunecarea structura zonei de falie pentru evenimente viitoare.
Experimentele subliniază, de asemenea, importanța istoricului de deformare. Rocile care au fost anterior tăiate, încălzite sau fracturate dezvoltă texturi și asamblaje mineralogice modificate care schimbă rezistența la frecare, permeabilitatea și modul în care energia se disipă în timpul alunecărilor viitoare. În practică, aceasta sugerează că modelele de hazard seismic ar trebui să țină cont de maturitatea zonei de falie și de istoricul alunecărilor anterioare, nu doar de nivelurile actuale de stres.
Dintr-o perspectivă observațională, metodele de termometrie de laborator pot oferi o cale pentru a deduce bugete energetice trecute în falii naturale. De exemplu, unde pseudotachilitele sau striațiile sticloase sunt conservate, prezența lor și microstructura lor pot înregistra episoade trecute de alunecare intensă, concentrată termic. Combinarea observațiilor de teren cu relații calibrate în laborator între încălzire, alunecare și energie radiată poate îmbunătăți reconstrucțiile cutremurelor antice și poate informa prognoze probabiliste mai precise.
Limitări și perspective pentru scalarea la cutremure naturale
Cutremurele de laborator sunt intenționat simplificate: ele izolează procesele fizice cheie la o scară unde măsurătorile pot fi precise și reproductibile. Pământul, însă, este de ordine mult mai mare și mult mai eterogen, astfel că scalarea directă necesită precauție. Factori precum presiunea fluidelor pore, geometria tridimensională a faliei, gradientii de stres pe kilometri și procesele de ruptură dinamică de durată lungă nu sunt complet reproduce în experimente microscalare.
Cu toate acestea, abordarea de măsurare integrată folosită de echipa condusă de MIT — combinând înregistrare termomagnetică, senzori dinamici cu bandă largă, microscopie și modelare — oferă una dintre cele mai complete viziuni experimentale asupra fizicii rupterii asemănătoare cutremurelor de până acum. Aceste studii controlate ajută la parametrizarea și validarea modelelor numerice de ruptură și oferă constrângeri fizice privind interacțiunea dintre căldură, fractură și radiație în timpul alunecării.
Expertiză și perspectivă
Dr. Laura Hammond, o geofiziciană fictivă și comunicatoare științifică cu experiență în mecanica faliei, comentează: 'Aceste experimente subliniază că procesele de la suprafața de alunecare sunt intens locale și energetice. Dacă cea mai mare parte a energiei este disipada sub formă de căldură, atunci evoluția rezistenței faliei și alterarea termică pot fi mai importante pentru secvențele de cutremure decât am presupus anterior. Încadrarea în simulările de ruptură a partiționării energiei derivate din laborator ar putea modifica predicțiile mișcării solului, în special pentru falii cu un istoric de alunecări repetate.'
Concluzie
Programul de laborator MIT demonstrează că majoritatea energiei mecanice eliberate în timpul alunecărilor asemănătoare seismice este convertită în încălzire prin frecare în apropierea faliei, doar o fracțiune modestă radiază sub formă de unde seismice, iar foarte puțin este consumat pentru crearea de suprafețe noi. Încălzirea rapidă, la scară de microsecunde, poate produce topire tranzitorie și genera texturi sticloase care oglindesc pseudotachilitele naturale. Deși scalarea la cutremure naturale, la scară de kilometri, necesită tratarea cu grijă a complexităților suplimentare, aceste rezultate oferă constrângeri fizice esențiale pentru fizica rupturii, evoluția zonei de falie și modelarea riscului seismic. Integrarea continuă a termometriei de laborator, a senzorilor de mare viteză, a observațiilor de teren și a modelelor numerice va rafina capacitatea noastră de a deduce comportamentul trecut al faliei și de a anticipa aspecte ale riscului seismic viitor.
Notă de cercetare: Studiul a fost condus de Matěj Peč și Daniel Ortega-Arroyo și raportat în AGU Advances. Colaboratori includ Hoagy O’Ghaffari, Camilla Cattania, Zheng Gong, Roger Fu, Markus Ohl și Oliver Plümper, reprezentând MIT, Harvard University și Utrecht University.
Sursa: scitechdaily
Comentarii