Os pesquisadores desenvolveram um modelo de terremoto de laboratório que conecta a área de contato real microscópica entre superfícies de falhas à possibilidade de ocorrências de terremotos. Publicado no Anais da Academia Nacional de Ciênciasesse avanço demonstra a conexão entre atrito microscópico e terremotos, oferecendo novas idéias sobre a mecânica do terremoto e a previsão potencial.
“Nós essencialmente abrimos uma janela para o coração da mecânica de terremotos”, disse Sylvain Barbot, professor associado de ciências da Terra no USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences e principal investigador do estudo. “Ao assistir como a área de contato real entre as superfícies de falhas evolui durante o ciclo do terremoto, agora podemos explicar o lento acúmulo de estresse nas falhas e a rápida ruptura que se segue.
Durante décadas, os cientistas confiaram em leis empíricas de atrito de “taxa e estado” para modelar terremotos-descrições matemáticas que funcionam bem, mas não explicam os mecanismos físicos subjacentes. “Nosso modelo revela o que realmente está acontecendo na interface de falha durante um ciclo de terremoto”.
Barbot diz que a descoberta é um conceito enganosamente simples: “Quando duas superfícies ásperas deslizam uma contra a outra, elas só fazem contato em junções minúsculas e isoladas, cobrindo uma fração da área total da superfície”. Essa “área real de contato” – invisível aos olhos, mas mensurável através de técnicas ópticas – acaba sendo a variável de estado -chave que controla o comportamento do terremoto.
Terremotos de laboratório: iluminando terremotos em tempo real
O estudo utiliza materiais acrílicos transparentes que permitiram que os pesquisadores assistissem literalmente às rupturas de terremotos se desenrolarem em tempo real. Usando câmeras de alta velocidade e medições ópticas, a equipe acompanhou como a transmissão de luz LED mudou à medida que as junções de contato se formaram, cresceram e foram destruídas durante os terremotos de laboratório.
“Podemos literalmente assistir a área de contato evoluir à medida que as rupturas se propagam”, disse Barbot. “Durante as rupturas rápidas, vemos aproximadamente 30% da área de contato desaparecer em milissegundos – um enfraquecimento dramático que impulsiona o terremoto”.
Os resultados do laboratório revelaram um relacionamento anteriormente oculto: a “variável de estado” empírica usada nos modelos de terremotos padrão por décadas representa a área real de contato entre as superfícies de falhas. Essa descoberta fornece a primeira interpretação física de um conceito matemático que é central para o terremoto da ciência desde a década de 1970.
Da simulação à previsão
Os pesquisadores analisaram 26 diferentes cenários de terremotos simulados e descobriram que a relação entre velocidade de ruptura e energia de fratura segue as previsões da mecânica de fratura elástica linear. As simulações de computador da equipe reproduziram com sucesso terremotos lentos e rápidos de laboratório, combinando não apenas as velocidades de ruptura e queda de tensão, mas também a quantidade de luz transmitida pela interface de falha durante as rupturas.
À medida que as áreas de contato mudam durante o ciclo do terremoto, elas afetam várias propriedades mensuráveis, incluindo condutividade elétrica, permeabilidade hidráulica e transmissão de ondas sísmicas. Como a área real do contato afeta várias propriedades físicas das zonas de falhas, o monitoramento contínuo desses proxies durante os ciclos de terremotos pode fornecer novas idéias sobre o comportamento de falha.
As implicações se estendem muito além do entendimento acadêmico e dos experimentos de laboratório. A pesquisa sugere que o monitoramento do estado físico dos contatos de falha pode fornecer novas ferramentas para sistemas de curto prazo para terremotos e potencialmente para uma previsão confiável de terremotos usando a condutividade elétrica da falha.
“Se pudermos monitorar essas propriedades continuamente em falhas naturais, podemos detectar os estágios iniciais da nucleação do terremoto”, explicou Barbot. “Isso pode levar a novas abordagens para monitorar a nucleação de terremotos nos estágios iniciais, bem antes da irradiar as ondas sísmicas”.
Olhando para o futuro
Os pesquisadores planejam ampliar suas descobertas para fora das condições laboratoriais controladas. Barbot explicou: O modelo do estudo fornece a base física para entender como as propriedades de falha evoluem durante os ciclos sísmicos.
“Imagine um futuro em que possamos detectar mudanças sutis nas condições de falha antes de um terremoto atingir”, disse Barbot. “Esse é o potencial de longo prazo deste trabalho”.
Sobre o estudo
Além de Barbot, Baoning Wu, anteriormente na USC e agora na Universidade da Califórnia, San Diego, é autor do estudo.
O estudo foi apoiado pelo número do prêmio da National Science Foundation EAR-178192 e pela proposta do Centro de Terremotos da Califórnia em todo o estado 22105.