Більшість енергії землетрусу перетворюється на тепло, а не на землю, іноді досить гаряче, щоб розплавити скелю в мікросекундах. МітЛабораторії лабораторії виявляють цей прихований баланс та його роль у сейсмічному ризику.
Вимірювання енергії землетрусу в лабораторії
Коли землетрус вражає, насильницьке тремтіння, яке відчуває люди, являє собою лише невелику частину загальної енергії. Quakes також розкриває сплески тепла та тригер каскадних переломів у скелі глибоко під землею. Визначення того, скільки енергії надходить у кожен з цих процесів, є надзвичайно складним для вимірювання в реальному світі.
Щоб вирішити це, геологи MIT вивчали “лабораторні землетруси”, дрібні версії природних землетрусів, які можна ретельно віднести в контрольованих лабораторних умовах. Вперше вони змогли обчислити повний енергетичний бюджет цих подій, визначивши, скільки присвячено тепла, тремтіння та розриву скелі.
Тепло домінує над енергетичним бюджетом
Дослідники виявили, що лише 10 відсотків енергії лабораторного Quake виробляє фактичне струшування, тоді як менше 1 відсотка використовується для розбиття скелі та створення нових поверхонь. Переважна більшість, в середньому близько 80 відсотків, перетворюється на тепло біля епіцентру. У деяких випадках підйом тепла був настільки екстремальним, що він ненадовго розтопив навколишній матеріал, перетворивши його на рідину перед охолодженням.
Вони також показали, що цей баланс енергії не фіксується, але залежить від історії деформації регіону, або ступеня, в якій його скелі були змінені минулим тектонічним рухом. Ця історія впливає на те, скільки енергії землетрусу переходить у тепло, рух або розрив.
“Історія деформації-по суті, що пам’ятає скеля-насправді впливає на те, наскільки руйнівним може бути землетрус»,-каже Даніель Ортега-Арройо, аспірант відділу Землі, атмосферних та планетарних наук (EAPS). “Ця історія впливає на багато матеріальних властивостей у скелі, і вона певною мірою диктує, як вона буде ковзати”.
Від лабораторії до реальних землетрусів: наслідки для прогнозування
Лабораторії команди – це спрощений аналог того, що відбувається під час природного землетрусу. По дорозі їх результати можуть допомогти сейсмологам передбачити ймовірність землетрусів у регіонах, схильних до сейсмічних подій. Наприклад, якщо вчені мають уявлення про те, скільки трясуть землетрус, породжений у минулому, вони можуть оцінити ступінь, в якій енергія землетрусу також вплинула на гірські породи, розплавлячи або розбиваючи їх. Це, в свою чергу, може виявити, наскільки більш -менш вразливий регіон для майбутніх землетрусів.
“Ми ніколи не могли відтворити складність Землі, тому нам доводиться ізолювати фізику того, що відбувається, в цих лабораторних землетрусах”, – каже Матě Печ, доцент геофізики в MIT. “Ми сподіваємось зрозуміти ці процеси і спробуємо екстраполювати їх на природу”.
Peč (вимовляється “км”) та Ортега-Арройо повідомили про свої результати 28 серпня в журналі Agu Advancess. Їх співавторами MIT є Хоагі О’Гаффарі та Камілла Каттанія, а також Чжен Гонг та Роджер Фу в Гарвардському університеті та Маркус Ол та Олівер Плюмпер з Утрехтського університету в Нідерландах.
Приховані сили під поверхнею
Землетруси керуються енергією, яка зберігається в скелях протягом мільйонів років. Оскільки тектонічні пластини повільно шліфують один проти одного, стрес накопичується через скоринку. Коли скелі просунуті повз їх матеріальну силу, вони можуть раптово ковзати по вузькій зоні, створюючи геологічну розлом. Коли скелі ковзають по обидва боки розлому, вони виробляють сейсмічні хвилі, що пульсують назовні та вгору.
Ми сприймаємо енергію землетрусу в основному у вигляді тремтіння ґрунту, яку можна виміряти за допомогою сейсмометрів та інших інструментів на основі. Але інші дві основні форми енергії землетрусу – тепло та підземного розриву – значною мірою недоступні з сучасними технологіями.
“На відміну від погоди, де ми можемо бачити щоденні візерунки та вимірювати ряд відповідних змінних, це дуже важко зробити дуже глибоко в землі”,-говорить Ортега-Арройо. “Ми не знаємо, що відбувається з самими скелями, і часові шкали, за якими землетруси повторюються в зоні розлому, знаходяться на часових масштабах століття до Міленії, що робить будь-який прогноз, що відповідає складним завданням”.
Щоб отримати уявлення про те, як розподіляється енергія землетрусу, і як цей енергетичний бюджет може вплинути на сейсмічний ризик регіону, він і Печ пішли в лабораторію. Протягом останніх семи років група Peč в MIT розробила методи та інструментарію для імітації сейсмічних подій, в мікромасштабі, намагаючись зрозуміти, як можуть розігруватися землетруси на макроскомі.
“Ми зосереджуємось на тому, що відбувається в дійсно невеликому масштабі, де ми можемо контролювати багато аспектів невдачі і спробувати зрозуміти це, перш ніж ми зможемо зробити будь-яке масштабування природи”,-говорить Ортега-Арройо.
Створення контрольованих «мікросаків»
Для свого нового дослідження команда створила мініатюрні лабораторії, що імітують сейсмічне ковзання скель вздовж зони розломів. Вони працювали з невеликими зразками граніту, які є репрезентативними скелями в сейсмогенному шарі – геологічній області в континентальній кори, де зазвичай виникають землетруси. Вони піддаються граніту в тонкий порошок і змішували подрібнений граніт із набагато тоншим порошком магнітних частинок, який вони використовували як своєрідний внутрішній датчик температури. (Міцність магнітного поля частинки зміниться у відповідь на коливання температури.)
Дослідники розмістили зразки порошкоподібного граніту – кожен близько 10 квадратних міліметрів і 1 міліметр – між двома маленькими поршнями і загорнули ансамбль у золоту куртку. Потім вони нанесли сильне магнітне поле, щоб орієнтувати магнітні частинки порошку в одному початковому напрямку та до тієї ж міцності поля. Вони обґрунтували, що будь -яка зміна орієнтації частинок та сили поля після цього повинна бути ознакою того, скільки тепла, яку пережила регіон внаслідок будь -якої сейсмічної події.
Після того, як зразки були підготовлені, команда помістила їх по одному в індивідуальний апарат, який дослідники налаштували на стабільно посилюючи тиск, подібно до тиску, що переживають у сейсмогенному шарі Землі, приблизно від 10 до 20 кілометрів нижче поверхні. Вони використовували п’єзоелектричні датчики на замовлення, розроблені співавтором О’Гаффарі, який вони прикріпили до будь-якого кінця зразка, щоб виміряти будь-яке тремтіння, яке відбулося, коли вони збільшували напругу на зразок.
Екстремальний тепло та швидке ковзання в мікросекундах
Вони зауважили, що при певних напруженнях деякі зразки ковзали, створюючи мікромасштабну сейсмічну подію, подібну до землетрусу. Аналізуючи магнітні частинки у зразках після факту, вони отримали оцінку того, наскільки кожен зразок був тимчасово нагрітий – метод, розроблений у співпраці з лабораторією Роджера Фу в Гарвардському університеті. Вони також оцінили кількість струшування кожного досвідченого зразка, використовуючи вимірювання з п’єзоелектричного датчика та чисельних моделей. Дослідники також досліджували кожен зразок під мікроскопом, при різних збільшенні, щоб оцінити, як змінив розмір гранітних зерен – чи і скільки зерен розбилося на менші шматки.
З усіх цих вимірювань команда змогла оцінити енергетичний бюджет кожного лабораторії. В середньому вони виявили, що близько 80 відсотків енергії Quake потрапляє в тепло, тоді як 10 відсотків генерує струшування, а менше 1 відсотків переходить у розрив скелі або створення нових, менших поверхонь частинок.
«У деяких випадках ми побачили, що, близька до розлому, зразок перейшов від кімнатної температури до 1200 градусів Цельсія У питанні мікросекунд, а потім негайно охолоне, як тільки рух припиниться,-каже Ортега-Арройо.-А в одному зразку ми побачили, як помилка переміщується приблизно на 100 мкм, що передбачає швидкість ковзання по суті близько 10 метрів в секунду. Він рухається дуже швидко, хоча це триває не дуже довго ».
Назустріч кращих моделей землетрусу
Дослідники підозрюють, що подібні процеси розігруються у фактичних кілометрових землетрусах.
“Наші експерименти пропонують інтегрований підхід, який забезпечує один із найповніших поглядів фізики землетрусу, подібних до землетрусів, на сьогоднішній день”,-говорить Печ. “Це дасть підказки щодо покращення наших сучасних моделей землетрусу та зменшення природного зменшення небезпек”.
Довідка: “” Лабораторії “: кількісне визначення повного енергетичного бюджету лабораторної недостатності високого тиску” Даніеля Ортега-Арройо, Хоагі О’Гаффарі, Матě Дж. Печ, Чжен Гонг, Роджер Р. Фу, Маркус Ол, Камілла Каттанія та Олівер Плюмпер, 28 серпня 2025, Agu Advancess.
Doi: 10.1029/2025av001683
Це дослідження, частково, підтримувало Національний науковий фонд.
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
