Simulazione di un terremoto su scala in miniatura in un laboratorio conosciuto ufficiosamente come "galleria del vento sismologica, "Ingegneri e sismologi hanno prodotto lo sguardo più completo fino ad oggi sulla complessa fisica dell'attrito che guida i terremoti distruttivi di spinta-faglia.

I terremoti di faglia si verificano quando un lato di una faglia scivola sopra o sotto l'altro lato. Le faglie di spinta sono state il luogo di alcuni dei più grandi terremoti del mondo, compreso il terremoto di Tohoku del 2011 al largo delle coste del Giappone, che ha generato uno tsunami che ha danneggiato la centrale nucleare di Fukushima.

Però, il movimento o le forze che causano questi terremoti non possono essere misurati direttamente alla fonte, poiché gran parte dell'azione si svolge nelle profondità della terra. Per conoscerli meglio, un team di ricercatori ha creato e osservato terremoti con faglia di spinta in una struttura unica di "terremoto da laboratorio" al Caltech.

"La simulazione di terremoti in un laboratorio ci permette di osservare come questi eventi brevi e violenti crescono ed evolvono 'rallentando' il loro movimento attraverso la fotografia e l'ottica ad alta velocità, "dice Ares Rosakis, il Theodore von Karman Professore di Aeronautica e Ingegneria Meccanica, che gestisce la struttura e ha introdotto il concetto di terremoti di laboratorio insieme all'ex direttore del Caltech Seismology Laboratory Hiroo Kanamori, John E. e Hazel S. Smits Professore di Geofisica, Emerito.

Rosakis è l'autore corrispondente di un articolo sulla nuova ricerca che è stato pubblicato dal Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze il 25 agosto. È coautore di questo articolo con Nadia Lapusta, il Lawrence A. Hanson, Jr., Professore di Ingegneria Meccanica e Geofisica, il suo collaboratore di lunga data sui problemi all'interfaccia tra ingegneria e scienza dei terremoti; l'ex studioso postdottorato del Caltech Yuval Tal, attualmente assistente professore presso l'Università Ben-Gurion del Negev in Israele; e il ricercatore del Caltech Vito Rubino.

Per creare un terremoto in laboratorio, il team ha prima tagliato a metà un blocco trasparente di un tipo di plastica noto come Homalite, che ha proprietà di attrito simili alla roccia. Quindi uniscono i due pezzi sotto pressione e taglio, simulando la pressione tettonica che si accumula lentamente lungo una linea di faglia. Prossimo, hanno posizionato un piccolo fusibile nel punto sotto una superficie terrestre simulata dove volevano che avesse origine il terremoto. L'attivazione della miccia ha ridotto l'attrito in quella posizione e ha permesso a una rottura molto rapida di iniziare e propagare la faglia in miniatura verso la superficie libera della Terra, producendo un intenso scuotimento. Nel frattempo, la tecnologia di imaging ad alta velocità ha registrato l'evoluzione delle sollecitazioni, e quindi del coefficiente di attrito, lungo la faglia mentre la rottura si avvicinava alla superficie libera, un milionesimo di secondo alla volta.

La "galleria sismologica del vento" esiste dal 1999, ma l'aggiunta della correlazione dell'immagine digitale (DIC) nel 2015 ha dato agli ingegneri "un nuovo paio di occhi, " dice Rosakis. Il DIC misura i piccoli spostamenti nella posizione dei singoli punti in un materiale nel tempo, indicando come la deformazione e lo stress evolvono dinamicamente in tutto il materiale durante un terremoto simulato. Con quelle informazioni, Rosakis e i suoi colleghi sono stati in grado di mappare come una rottura si sposta su una faglia, interagisce dinamicamente con la superficie del terreno, e persino si influenza attraverso onde che si propagano dinamicamente generate da ogni movimento.

Hanno notato un cambiamento molto rapido nello stress "normale per colpa", che è la forza di compressione che tiene chiusa la faglia. Ci sono una serie di ragioni per cui la sollecitazione normale della faglia può variare quando la faglia scivola. Nel caso di terremoti di faglia a spinta, i ricercatori hanno notato che lo stress normale della faglia ha attraversato un rapido ciclo di ampiezza crescente e decrescente perché le onde emesse dalla rottura sono state quindi riflesse dalla superficie terrestre simulata come un'eco.

Perché questo stress, che normalmente mantiene un guasto bloccato in posizione, stava cambiando rapidamente in forza, ha alterato la resistenza della faglia allo scivolamento, noto come moto di taglio. Quando lo stress da guasto normale diminuisce, il guasto è serrato meno saldamente in posizione ed è più probabile che scivoli, provocando un terremoto.

Più importante, i ricercatori sono stati in grado di sfidare un presupposto comunemente accettato (ma anche contestato) secondo cui l'attrito che blocca le piastre in posizione lungo una faglia è sempre proporzionale allo stress normale della faglia. Quello che hanno trovato invece è che, mentre la rottura interagisce con la superficie terrestre, c'è un intervallo di tempo significativo tra i cambiamenti nella sollecitazione normale di faglia e la risultante resistenza al taglio, e i due non sono proporzionali sulla scala temporale del processo di rottura.

"Ciò implica la presenza di un complesso meccanismo dipendente dalla storia che governa l'attrito in presenza di stress normale rapido di faglia, che sono caratteristici delle configurazioni spinta-faglia, "dice Rosakis.

"Mentre la discrepanza tra i cambiamenti nello stress normale e l'attrito è stata evidenziata da studi precedenti, non è stato chiaro quanto sia significativo questo effetto per i terremoti di spinta, " aggiunge Lapusta. "Le nostre misurazioni hanno mostrato che l'effetto è molto più grande di quanto ci si potesse aspettare sulla base di studi precedenti e ci ha permesso di migliorare le leggi di attrito esistenti".

Il team spera che queste intuizioni fisiche sulla dinamica di un terremoto possano aiutare i geologi a creare modelli informatici più accurati delle rotture sismiche che si propagano lungo le faglie di spinta del mondo reale.

"Ottenendo la resistenza di attrito e, quindi, il movimento simulato proprio vicino alla superficie terrestre è particolarmente importante, poiché influenza in modo significativo lo scuotimento del terreno e la generazione di tsunami se la traccia di faglia si trova sott'acqua, "dice Lapusta. "Infatti, molti terremoti distruttivi si verificano come rotture di spinta nelle zone di subduzione, a volte causando tsunami devastanti come durante il terremoto di Tohoku di magnitudo 9.0 del 2011."

"La legge di attrito della faglia dipendente dalla storia, che è molto difficile da determinare, è il più grande presupposto di qualsiasi modellista, " dice Rosakis. "Ora abbiamo un altro pezzo del puzzle bloccato."

Il documento è intitolato "Illuminare la fisica dell'attrito dinamico attraverso terremoti di laboratorio su faglie di spinta".