I ricercatori del Computational Solid Mechanics Laboratory dell'EPFL e del Weizmann Institute of Science hanno modellato l'inizio dello scorrimento tra due corpi in contatto per attrito. Il loro lavoro, un importante passo avanti nello studio della rottura per attrito, potrebbe darci una migliore comprensione dei terremoti, compreso quanto lontano e velocemente viaggiano.

È ancora impossibile determinare dove e quando si verificherà un terremoto. Per esempio, La California è da anni sotto la minaccia del "Big One, " e più vicino a casa, una recente serie di piccole scosse nel Canton Vallese all'inizio di novembre ha sollevato i timori di un forte terremoto nella regione. Anche se non possiamo prevedere i terremoti, i ricercatori dell'EPFL e del Weizmann Institute of Science in Israele hanno fatto un passo avanti nella valutazione della dinamica dei terremoti attraverso una migliore comprensione di come lo scorrimento per attrito, il movimento relativo di due corpi in contatto sotto sforzo di taglio, come le placche tettoniche, inizia. Il loro lavoro è stato pubblicato in due parti complementari, in Revisione fisica X e Lettere di Scienze della Terra e dei Pianeti .

"Volevamo capire cosa succede quando due corpi in contatto di attrito iniziano improvvisamente a muoversi a seguito di un graduale aumento dello sforzo di taglio:il modo in cui iniziano a scorrere determinerà la velocità e l'entità del movimento e, potenzialmente, la gravità di un terremoto, " spiega Fabian Barras, un assistente di dottorato presso il Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) dell'EPFL durante questa ricerca, e primo autore di entrambi gli articoli.

Paralleli tra slip front e frattura

Il modo in cui inizia lo scorrimento per attrito tra due corpi non è così uniforme come sembra. Le telecamere ultraveloci mostrano che lo slittamento inizia in un punto specifico e poi si diffonde al resto della superficie. "Questa dinamica del fronte di scorrimento è molto simile al modo in cui una cricca si propaga all'interno di un materiale fragile, " afferma Barras. La prima pubblicazione dei ricercatori esamina le somiglianze tra rottura per attrito e frattura dinamica. "Sebbene la fisica di una fessura e di un fronte di scorrimento non sia esattamente la stessa, entrambi si propagano a causa di un calo della capacità portante del materiale dietro la rottura. Usando l'analogia con la frattura dinamica, abbiamo studiato l'origine della caduta di stress da attrito osservata sulla scia di un fronte di scorrimento quando l'interfaccia inizia a muoversi."

I ricercatori hanno quindi esaminato la concentrazione dello stress sul fronte di scorrimento e hanno utilizzato strumenti teorici nel campo della dinamica di rottura per studiare il bilancio energetico. A differenza della situazione con un crack, l'attrito continua a dissipare energia dopo l'inizio dello scorrimento. Durante un terremoto, solo una parte dell'energia disponibile viene utilizzata per propagare il fronte di rottura, e il resto viene dissipato per attrito, principalmente sotto forma di calore. È qui che i ricercatori sono stati in grado di rivedere i modelli utilizzati in precedenza e ottenere una migliore comprensione di quanta energia di attrito è coinvolta nella propagazione del fronte di rottura.

Hanno usato computer ad alte prestazioni per simulare rotture sismiche basate su leggi generiche di attrito, che riproducono la variazione della forza di attrito in funzione della velocità di scorrimento misurata tra diversi tipi di materiali. Usando la teoria della rottura dinamica e applicandola all'attrito, i ricercatori sono stati in grado di valutare gli esperimenti di laboratorio e assicurarsi che le loro previsioni fossero corrette. "Siamo stati in grado di convalidare le nostre previsioni su un'ampia gamma di velocità di rottura osservate sperimentalmente. I modelli teorici che abbiamo sviluppato potrebbero in futuro aiutarci a capire meglio perché alcuni terremoti in natura sono veloci e violenti, mentre altri si propagano lentamente e si verificano per periodi di tempo più lunghi, "aggiunge Barras.

Energia geotermica profonda e sismicità indotta

Questi progressi nella ricerca fondamentale potrebbero un giorno essere applicati a modelli più complessi, come quelli che rappresentano le condizioni lungo le faglie tettoniche, soprattutto dove i fluidi sono naturalmente presenti o iniettati nel terreno. "Oggi, diverse tecnologie promettenti nel contesto della transizione energetica, come l'energia geotermica profonda, si basano sull'iniezione di fluidi sotterranei. È importante avere una migliore comprensione di come tali iniezioni influenzano l'attività sismica. Spero di utilizzare gli strumenti sviluppati durante il mio dottorato. per studiare quell'impatto, "dice Barras.

"Questo lavoro mostra come la ricerca sviluppata in un laboratorio di ingegneria civile possa avere implicazioni molto interessanti per la scienza dei terremoti e portare a pubblicazioni all'avanguardia in settori come la fisica, " afferma il professor Jean-François Molinari, il capo del Laboratorio di meccanica dei solidi computazionali dell'EPFL. Fabian Barras ha anche ricevuto una sovvenzione dalla Fondazione nazionale svizzera per la scienza per continuare le sue ricerche in un laboratorio specializzato in geologia delle faglie presso l'Università di Oslo.