一项新的研究提供了对驱动破坏性的推断层地震的运动和摩擦定律的全面观察
在非官方称为"地震风洞的实验室中，"工程师和地震学家模拟了一场小规模的地震，对摩擦驱动破坏性推断层地震这一复杂的物理现象进行了迄今为止最全面的研究。
当断层的一侧滑过或滑过另一侧时，就会发生推断层地震。逆冲断层是世界上一些最大地震的发生地，包括2011年日本东北部的地震，那次地震引发的海啸破坏了福岛核电站。
然而，引起这些地震的运动或力不能在震源处直接测量，因为大部分活动发生在地球深处。为了更深入地了解它们，一组研究人员在加州理工学院的一个独特的实验室地震"中创建并观察了逆冲断层地震。
高速照相机和动态数字图像相关揭示了沿一个模拟的推断层地震移动的运动和力。当地震破裂从震中沿倾斜断层向上移动时，箭头表示地面速度和断层滑动的方向和长度;而颜色表示粒子在模拟地球上的速度。请注意破裂是如何从模拟的地球表面反射回断层线的。高速照相机和动态数字图像相关性揭示了沿模拟的推断层地震移动的运动和力。当地震破裂从震中沿倾斜断层向上移动时，箭头表示地面速度和断层滑动的方向和长度;而颜色表示粒子在模拟地球上的速度。请注意破裂是如何从模拟的地球表面反射回断层线的。下载完整图片"在实验室里模拟地震让我们观察到这些短暂而猛烈的事件是如何通过“慢下来”来发展和演变的。他们的运动通过高速摄影和光学,"战神Rosakis说,西奥多·冯·卡门教授航空机械工程,负责设备采购的,并介绍了实验室的概念一起地震前加州理工学院地震学实验室主任Hiroo Kanamori说,约翰·e·和淡褐色史密特地球物理学教授,名誉。
Rosakis是这项新研究论文的通讯作者，该论文发表在8月25日的《美国国家科学院院刊》上。他和Nadia Lapusta合著了这篇论文，Nadia Lapusta是机械工程和地球物理学教授，也是他在工程和地震科学之间的交汇处的长期合作伙伴;前加州理工博士后学者Yuval Tal，现任以色列内盖夫本-古里安大学助理教授;还有加州理工学院的研究科学家维托·鲁比诺。
为了在实验室中制造地震，研究小组首先将一种名为“正子石”的塑料透明块切成两半，这种塑料具有与岩石类似的摩擦特性。然后，他们将两块岩石在压力和剪切作用下放在一起，模拟沿断层线缓慢累积的构造压力。接下来，他们在一个模拟的地球表面下放置了一个小的保险丝，他们想要地震产生的地方。触发熔断器减少了该位置的摩擦，并允许一个非常快的破裂开始并传播到地球自由表面的微型断层，产生强烈的震动。与此同时，高速成像技术记录了在破裂接近自由表面时应力的演变，因此也记录了摩擦系数的演变——以百万分之一秒的时间。
"地震学风洞"自1999年就已经存在了，但是2015年增加的数字图像相关(DIC)给"的工程师们带来了一双新的眼睛，" Rosakis说。DIC测量一段时间内材料中单个点位置的微小变化，表明在模拟地震中材料的应变和应力是如何动态演变的。有了这些信息，罗萨基斯和他的同事们就能够绘制出断层如何向上移动，如何动态地与地面相互作用，甚至如何通过每次运动产生的波的动态传播来影响它自己。
他们注意到6035断层正常应力(使断层保持关闭状态的压缩力)发生了非常迅速的变化。当断层滑动时，断层正应力可能发生变化，原因有很多。在逆冲断层地震的例子中，研究人员注意到断层正应力经历了一个快速的振幅增减循环，因为断裂所发出的波会像回声一样从模拟的地球表面反射回来。
由于这种通常将断层锁定在适当位置的应力在强度上迅速变化，它改变了断层对滑动的抵抗力，即所谓的剪切运动。当断层正应力减弱时，断层被夹得不那么紧，更有可能滑动，从而引发地震。
最重要的是，研究人员能够挑战一个普遍接受(但也有争议)的假设，即摩擦锁定板块沿断层的位置总是与断层的正应力成比例。相反，他们发现，当断裂与地球表面相互作用时，断层正应力的变化与由此产生的剪切阻力之间存在明显的时间滞后，而这两者在断裂过程的时间尺度上并不成比例。
" Rosakis说，这意味着存在一种复杂的依赖历史的机制，在快速断层正应力存在的情况下控制摩擦，这是逆冲断层构造的特征。
"说:“虽然以前的研究已经指出了正应力和摩擦变化之间的差异，但是目前还不清楚这种影响对推力地震有多重要。”我们的测量结果显示，这种影响比先前的研究预期的要大得多，这使我们能够改进现有的摩擦定律
该团队希望，这些对地震动力学的物理洞察可以帮助地球科学家创建更精确的地震断裂沿着真实世界的逆冲断层传播的计算机模型。
" Lapusta说，获得摩擦阻力，从而模拟靠近地球表面的运动是特别重要的，因为如果断层轨迹恰好在水下，它会极大地影响地面震动以及海啸的产生。事实上，许多破坏性的地震都是在俯冲带的逆冲断裂中发生的，有时会引发毁灭性的海啸，比如2011年东北9.0级地震
该断层依赖历史的摩擦定律是任何模型的最大假设，这一点很难确定，" Rosakis说。现在我们又解开了这个谜题的一块
这篇论文的题目是"，它通过逆冲断层上的实验室地震阐明了动摩擦的物理学。"这项研究得到了国家科学基金会、美国地质调查局、加州理工学院机械与土木工程系大想法基金、加州理工学院地质与行星科学部以及南加州地震中心的支持。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://www.caltech.edu/about/news/lab-grown-earthquakes-reveal-frictional-forces-acting-beneath-our-feet