Согласно новому исследованию, период медленного, постепенного движения без каких-либо толчков может быть необходимой прелюдией к землетрясениям.
Исследование, посвященное основам того, как разрываются материалы, было сосредоточено на трещинах, змеящихся через листы пластика в лаборатории. Но эксперименты выявили некоторые основные физические принципы того, как работают трещины, в частности, как нарастание трения на границе двух тел трансформируется во внезапный разрыв. И эти результаты применимы к реальным землетрясениям, сказал автор исследования Джей Файнберг из Еврейского университета в Иерусалиме.
«Материал, из которого состоят контактирующие пластины, не будет иметь значения», — сказал Файнберг. «В обоих случаях будет происходить один и тот же физический процесс — взрывная пружина изогнутых пластин будет освобождаться одинаково».
Землетрясения возникают, когда две тектонические плиты, движущиеся друг против друга, застревают, позволяя разлому накапливать напряжение. «Плиты все больше напрягаются силами, пытающимися их сдвинуть, но застревают в хрупкой части интерфейса, который их разделяет», — сказал Файнберг. Эта хрупкая часть, которая не деформируется в ответ на напряжение, имеет конечную толщину и именно она ломается во время землетрясения.
«Процесс разрушения не происходит сразу. Сначала нужно создать трещину», — сказал Файнберг. Когда эта трещина достигает границ хрупкого интерфейса, она быстро ускоряется до скоростей, близких к скорости звука. Вот что заставляет землю содрогаться. «Вопрос в том, как природа создает трещину, которая затем становится землетрясением?», - говорит Файнберг.
Файнберг и его коллеги исследовали этот вопрос, используя сочетание теоретической математики и лабораторных экспериментов. Они воспроизводят трещины, похожие на землетрясения, в лабораторных условиях с помощью блоков из термопластика, называемого полиметилметакрилатом, более известного как плексиглас. Исследователи зажимают листы плексигласа вместе и применяют сдвиговую или боковую силу, похожую на ту, что обнаруживается в сдвиговом разломе, например, в разломе Сан-Андреас в Калифорнии. Хотя материалы разные, механика трещины та же.
Как только начинается трещина, она действует как одномерная линия, разрывающая материал. Однако Файнберг и его команда ранее показали, что до образования трещины материал развивает своего рода предшественническую фазу, называемую фронтом зародышеобразования. Эти фронты зародышеобразования — семена трещин — движутся по материалу, но гораздо медленнее, чем стандартные трещины. Было неясно, как это семя может быстро перейти в быстро движущийся разрыв.
Файнберг и его коллеги были озадачены тем, как это могло произойти. Сочетание лабораторных экспериментов и теоретических расчетов позволило им понять, что им необходимо математическое обновление: фронты зародышеобразования должны моделироваться в 2D, а не в 1D.
Вместо того чтобы думать о трещине как о линии, разделяющей сломанный и не сломанный материал, сказал Файнберг, представьте трещину как заплату, которая начинается в плоскости, где встречаются две плексигласовые «пластины». Энергия, необходимая для разрушения нового материала на границе заплаты, связана с периметром заплаты: по мере увеличения периметра увеличивается и энергия, необходимая для растрескивания нового материала.
Это означает, что заплатка движется медленно и пока не вызывает быстрого разлома, который создал бы сейсмические волны и последующее колебательное движение, связанное с землетрясением. В то время как быстрое ускорение стандартной быстрой трещины высвобождает кинетическую энергию в окружающий материал, медленное движение начальной заплатки не высвобождает никакой кинетической энергии в окружающую среду. Поэтому ее движение известно как «асейсмическое».
В конце концов, однако, заплатка расширяется за пределы хрупкой зоны, где встречаются две плиты. За пределами этой зоны энергия, необходимая для разрушения нового материала, больше не растет с размером разрушенной области, и вместо баланса энергии теперь есть избыток энергии, который нужно куда-то девать.
«Эта дополнительная энергия теперь вызывает взрывное движение трещины», — сказал Файнберг.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, показывают, как медленная ползучесть перед трещиной может быстро перейти в землетрясение, сказал он. Теоретически, если бы можно было измерить асейсмическое движение перед разрывом — например, на линии разлома или даже в механическом объекте, таком как крыло самолета, — можно было бы предсказать разрыв до того, как он произойдет. Это может быть сложно в реальных разломах, многие из которых подвергаются асейсмическому ползучести в течение длительных периодов времени, не вызывая никаких землетрясений.
Тем не менее, Файнберг и его команда сейчас пытаются обнаружить признаки перехода от асейсмичности к сейсмичности в своих лабораторных материалах.
«В лаборатории мы можем наблюдать, как эта штука разворачивается, и слушать шумы, которые она издает», — сказал Файнберг. «Так что, возможно, мы сможем раскрыть то, что вы на самом деле не можете сделать в реальном разломе, потому что у вас нет подробной информации о том, что делает землетрясение, пока оно не взорвется».
