Simular um terremoto em miniatura em um laboratório conhecido não oficialmente como "túnel de vento sismológico, "engenheiros e sismólogos produziram a análise mais abrangente até hoje sobre a complexa física do atrito que leva a terremotos de falha de impulso destrutivos.

Terremotos de falha de impulso ocorrem quando um lado de uma falha desliza para cima ou para baixo do outro lado. As falhas de impulso foram o local de alguns dos maiores terremotos do mundo, incluindo o terremoto Tohoku de 2011 na costa do Japão, que gerou um tsunami que danificou a usina nuclear de Fukushima.

Contudo, o movimento ou as forças que causam esses terremotos não podem ser medidos diretamente na fonte, já que grande parte da ação ocorre nas profundezas da terra. Para obter mais informações sobre eles, uma equipe de pesquisadores criou e observou terremotos de falha de impulso em uma instalação única de "terremoto de laboratório" em Caltech.

"Simular terremotos em um laboratório nos permite observar como esses eventos breves e violentos crescem e evoluem ao 'desacelerar' seu movimento por meio da ótica e fotografia de alta velocidade, "diz Ares Rosakis, o Professor de Aeronáutica e Engenharia Mecânica Theodore von Karman, que dirige a instalação e introduziu o conceito de terremotos de laboratório junto com o ex-diretor do Laboratório de Sismologia Caltech, Hiroo Kanamori, John E. e Hazel S. Smits Professor de Geofísica, Emérito.

Rosakis é o autor correspondente de um artigo sobre a nova pesquisa publicado pela Proceedings of the National Academy of Sciences em 25 de agosto. Ele foi coautor deste artigo com Nadia Lapusta, o Lawrence A. Hanson, Jr., Professor de Engenharia Mecânica e Geofísica, seu colaborador de longa data em problemas na interface entre engenharia e ciência de terremotos; o ex-bolsista de pós-doutorado do Caltech, Yuval Tal, atualmente é professor assistente na Universidade Ben-Gurion de Negev, em Israel; e o cientista pesquisador do Caltech Vito Rubino.

Para criar um terremoto no laboratório, a equipe primeiro cortou pela metade um bloco transparente de um tipo de plástico conhecido como Homalite, que tem propriedades de fricção semelhantes às da rocha. Eles então colocam as duas peças juntas sob pressão e cisalhamento, simular a pressão tectônica que se acumula lentamente ao longo de uma linha de falha. Próximo, eles colocaram um pequeno fusível no local sob uma superfície simulada da Terra, onde queriam que o terremoto se originasse. O disparo do fusível reduziu o atrito naquele local e permitiu uma ruptura muito rápida para iniciar e propagar a falha em miniatura em direção à superfície livre da Terra, produzindo agitação intensa. Enquanto isso, a tecnologia de imagem de alta velocidade registrou a evolução das tensões, e, portanto, do coeficiente de atrito, ao longo da falha conforme a ruptura se aproximava da superfície livre - um milionésimo de segundo de cada vez.

O "túnel de vento sismológico" existe desde 1999, mas a adição de correlação de imagem digital (DIC) em 2015 deu aos engenheiros "um novo par de olhos, "Rosakis diz. DIC mede mudanças mínimas na localização de pontos individuais em um material ao longo do tempo, indicando como a tensão e a tensão evoluem dinamicamente em todo o material durante um terremoto simulado. Com essa informação, Rosakis e seus colegas foram capazes de mapear como uma ruptura se transforma em uma falha, interage dinamicamente com a superfície do solo, e até mesmo afeta a si mesmo por meio de ondas que se propagam dinamicamente, geradas por cada movimento.

Eles notaram uma mudança muito rápida no estresse "normal", que é a força compressiva que mantém a falha bloqueada. Existem várias razões pelas quais o estresse normal da falha pode variar quando a falha desliza. No caso de terremotos de falha de impulso, os pesquisadores notaram que a tensão normal de falha passou por um ciclo rápido de amplitude crescente e decrescente porque as ondas emitidas pela ruptura foram então refletidas da superfície da Terra simulada como um eco.

Porque esse estresse, que normalmente mantém uma falha bloqueada no lugar, estava mudando rapidamente de força, alterou a resistência da falha ao escorregamento, conhecido como movimento de cisalhamento. Quando o estresse normal da falha diminui, a falha é fixada com menos firmeza no lugar e torna-se mais propensa a escorregar, causando um terremoto.

Mais importante, os pesquisadores foram capazes de desafiar uma suposição comumente aceita (mas também contestada) de que o atrito travando as placas no lugar ao longo de uma falha é sempre proporcional à tensão normal da falha. O que eles descobriram em vez disso é que, à medida que a ruptura interage com a superfície da Terra, há um lapso de tempo significativo entre as mudanças na tensão normal de falha e a resistência ao cisalhamento resultante, e os dois não são proporcionais na escala de tempo do processo de ruptura.

"Isso implica na presença de um mecanismo complexo dependente da história que rege o atrito na presença de estresse normal de falha rápida, que são características de configurações de falha de impulso, "Rosakis diz.

"Embora a discrepância entre as mudanças no estresse normal e na fricção tenha sido apontada por estudos anteriores, não está claro o quão significativo esse efeito é para terremotos de impulso, "acrescenta Lapusta." Nossas medições mostraram que o efeito é muito maior do que o esperado com base em estudos anteriores e nos permitiu melhorar as leis de atrito existentes. "

A equipe espera que esses insights físicos sobre a dinâmica de um terremoto possam ajudar os geocientistas a criar modelos de computador mais precisos de rupturas de terremotos que se propagam ao longo de falhas de impulso do mundo real.

"Obtendo a resistência ao atrito e, portanto, o movimento simulado próximo à superfície da Terra é especialmente importante, uma vez que influencia significativamente o tremor do solo, bem como a geração do tsunami se o traço da falha estiver debaixo de água, "Lapusta diz." De fato, muitos terremotos destrutivos ocorrem como rupturas de impulso em zonas de subducção, às vezes causando tsunamis devastadores, como durante o terremoto de magnitude 9,0 Tohoku em 2011 ".

"A lei de fricção da falha que depende da história, o que é muito difícil de determinar, é a maior suposição de qualquer modelador, "Rosakis diz." Agora temos mais uma peça do quebra-cabeça fixada. "

O artigo é intitulado "Iluminando a física do atrito dinâmico por meio de terremotos de laboratório em falhas de impulso."