Simulando terremotos em um laboratório, engenheiros da Caltech documentaram a evolução do atrito durante um terremoto - medindo o que antes só poderia ser inferido, e lançar luz sobre uma das maiores incógnitas na modelagem de terremotos.

Antes de um terremoto, o atrito estático ajuda a manter os dois lados de uma falha imóveis e pressionados um contra o outro. Durante a passagem de uma ruptura de terremoto, esse atrito se torna dinâmico à medida que os dois lados da falha passam um pelo outro. O atrito dinâmico evolui ao longo de um terremoto, afetando o quanto e com que rapidez o solo vai tremer e, portanto, mais importante, a destrutividade do terremoto.

"O atrito desempenha um papel fundamental na forma como as rupturas descompactam as falhas na crosta terrestre, "diz Vito Rubino, cientista pesquisador da Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas (EAS) da Caltech. "Suposições sobre o atrito dinâmico afetam uma ampla gama de previsões científicas de terremotos, incluindo a rapidez com que as rupturas ocorrerão, a natureza do tremor de chão, e níveis de tensão residual em falhas. No entanto, a natureza precisa do atrito dinâmico continua sendo uma das maiores incógnitas na ciência dos terremotos. "

Anteriormente, comumente se acreditava que a evolução do atrito dinâmico foi governada principalmente por quanto a falha escorregou em cada ponto conforme uma ruptura passou - isto é, pela distância relativa, um lado de uma falha passa pelo outro durante o deslizamento dinâmico. Analisando terremotos que foram simulados em um laboratório, a equipe, em vez disso, descobriu que o histórico de deslizamento é importante, mas o fator-chave de longo prazo é realmente a velocidade de deslizamento - não apenas o quão longe a falha desliza, mas quão rápido.

Rubino é o autor principal de um artigo sobre as descobertas da equipe que foi publicado em Nature Communications em 29 de junho. Ele colaborou com Ares Rosakis do Caltech, o Theodore von Kármán Professor de Aeronáutica e Engenharia Mecânica do EAS, e Nadia Lapusta, professor de engenharia mecânica e geofísica, que tem compromissos conjuntos com EAS e a Divisão Caltech de Ciências Geológicas e Planetárias.

A equipe conduziu a pesquisa em uma instalação da Caltech, dirigido por Rosakis, que foi apelidado não oficialmente de "túnel de vento sismológico". Na instalação, os pesquisadores usam diagnósticos ópticos avançados de alta velocidade e outras técnicas para estudar como ocorrem as rupturas dos terremotos.

"Nossas instalações exclusivas nos permitem estudar as leis de atrito dinâmico seguindo indivíduos, rupturas de cisalhamento de movimento rápido e fricção de registro ao longo de suas faces deslizantes em tempo real, "Rosakis diz." Isso nos permite, pela primeira vez, estudar o ponto de atrito e sem ter que assumir que o deslizamento ocorre uniformemente, como é feito em estudos clássicos de atrito, "Rosakis acrescenta.

Para simular um terremoto no laboratório, os pesquisadores primeiro cortaram pela metade um bloco transparente de um tipo de plástico conhecido como homalita, que tem propriedades mecânicas semelhantes às da rocha. Eles então colocam as duas peças juntas sob pressão, simular o atrito estático que se acumula ao longo de uma linha de falha. Próximo, eles colocaram um pequeno fusível de níquel-cromo no local onde queriam que fosse o epicentro do terremoto. O disparo do fusível produziu uma liberação de pressão local, que reduziu o atrito naquele local, e permitiu uma ruptura muito rápida para propagar a falha em miniatura.

Neste estudo, a equipe registrou esses terremotos simulados usando um novo método de diagnóstico que combina fotografia de alta velocidade (a 2 milhões de quadros por segundo) com uma técnica chamada correlação de imagem digital, em que quadros individuais são comparados e contrastados uns com os outros e as alterações entre essas imagens - indicando movimento - são rastreadas com precisão de subpixel.

"Alguns modelos numéricos de ruptura do terremoto, incluindo os desenvolvidos em meu grupo na Caltech, usaram leis de atrito com dependência da velocidade de deslizamento, baseado em uma coleção de experimentos e teorias de mecânica de rochas. É gratificante ver essas formulações validadas pelas rupturas espontâneas de mini-terremotos em nosso estudo, "Lapusta diz.

Em trabalho futuro, a equipe planeja usar suas observações para melhorar os modelos matemáticos existentes sobre a natureza do atrito dinâmico e para ajudar a criar novos que representem melhor as observações experimentais; esses novos modelos melhorariam as simulações de terremotos em computador.

O estudo é intitulado "Compreendendo o atrito dinâmico por meio de terremotos de laboratório que evoluem espontaneamente".