Вид с воздуха на разлом Сан-Андреас между Бейкерсфилдом и Санта-Барбарой. Фото: Кэрол М. Хайсмит/Библиотека Конгресса
Исследователи разработали лабораторную модель землетрясения, которая связывает реальную микроскопическую область контакта между поверхностями разлома с возможностью возникновения землетрясений. Этот прорывной результат, опубликованный в Трудах Национальной академии наук, демонстрирует связь между микроскопическим трением и землетрясениями, предлагая новое понимание механики землетрясений и их потенциального прогнозирования.
«По сути, мы открыли окно в самое сердце механики землетрясений», — сказал Сильвен Барбот, доцент кафедры наук о Земле в Колледже искусств и наук Дорнсайфа при Университете Южной Калифорнии и главный исследователь проекта.
«Наблюдая за тем, как меняется реальная площадь контакта между поверхностями разлома во время цикла землетрясений, мы теперь можем объяснить как медленное нарастание напряжения в разломах, так и последующее быстрое разрушение. В будущем это может привести к появлению новых подходов к мониторингу и прогнозированию зарождения землетрясений на ранних стадиях».
На протяжении десятилетий учёные полагались на эмпирические законы трения «скорость-состояние» для моделирования землетрясений — математические описания, которые хорошо работают, но не объясняют лежащие в их основе физические механизмы. «Наша модель показывает, что на самом деле происходит на границе разлома во время цикла землетрясения».
Барбот говорит, что это открытие обманчиво простое: «Когда две неровные поверхности скользят друг по другу, они соприкасаются только в крошечных изолированных точках, покрывающих лишь часть общей площади поверхности». Эта «реальная площадь контакта», невидимая глазу, но измеряемая с помощью оптических методов, оказывается ключевой переменной, определяющей поведение при землетрясении.
Лабораторные землетрясения: имитация землетрясений в реальном времени
В исследовании использовались прозрачные акриловые материалы, которые позволили учёным буквально наблюдать за тем, как происходят разрывы при землетрясениях, в режиме реального времени. С помощью высокоскоростных камер и оптических измерений команда отслеживала, как меняется передача света светодиодами по мере формирования, роста и разрушения контактных соединений во время лабораторных землетрясений.
«Мы можем буквально наблюдать за тем, как меняется площадь контакта по мере распространения разрывов, — сказал Барбот. — Во время быстрых разрывов мы видим, как примерно 30% площади контакта исчезает за миллисекунды — это резкое ослабление, которое вызывает землетрясение».
Результаты лабораторных исследований выявили ранее скрытую взаимосвязь: эмпирическая «переменная состояния», которая десятилетиями использовалась в стандартных моделях землетрясений, представляет собой реальную площадь контакта между поверхностями разлома. Это открытие даёт первую физическую интерпретацию математической концепции, которая с 1970-х годов занимает центральное место в науке о землетрясениях.
От моделирования к прогнозированию
Исследователи проанализировали 26 различных смоделированных сценариев землетрясений и обнаружили, что взаимосвязь между скоростью разрыва и энергией разрушения соответствует предсказаниям линейной механики упругого разрушения. Компьютерное моделирование, проведённое командой, успешно воспроизвело как медленные, так и быстрые лабораторные землетрясения, совпав не только по скорости разрыва и падению напряжения, но и по количеству света, прошедшего через разлом во время разрыва.
Поскольку площади контакта меняются в течение цикла землетрясений, они влияют на множество измеряемых свойств, включая электропроводность, гидравлическую проницаемость и передачу сейсмических волн. Поскольку реальная площадь контакта влияет на множество физических свойств разломов, непрерывный мониторинг этих показателей во время циклов землетрясений может дать новое представление о поведении разломов.
Последствия выходят далеко за рамки академических исследований и лабораторных экспериментов. Исследование показывает, что мониторинг физического состояния контактов разлома может стать новым инструментом для краткосрочного прогнозирования землетрясений и, возможно, для надёжного прогнозирования землетрясений с помощью электрической проводимости разлома.
«Если мы сможем непрерывно отслеживать эти свойства на естественных разломах, мы сможем выявлять ранние стадии зарождения землетрясений, — объяснил Барбот. — Это может привести к появлению новых подходов к мониторингу зарождения землетрясений на ранних стадиях, задолго до излучения сейсмических волн».
Заглядывая в будущее
Исследователи планируют масштабировать свои выводы за пределами контролируемых лабораторных условий. Барбот объяснил, что модель, разработанная в ходе исследования, обеспечивает физическую основу для понимания того, как меняются свойства разломов во время сейсмических циклов.
«Представьте себе будущее, в котором мы сможем обнаруживать едва заметные изменения в состоянии разлома до того, как произойдёт землетрясение, — сказал Барбот. — В этом долгосрочный потенциал этой работы».