Ottenere informazioni sul bilancio energetico dei terremoti
I ricercatori del Computational Solid Mechanics Laboratory dell’EPFL e del Weizmann Institute of Science hanno modellato l’inizio dello slittamento tra due corpi in contatto per attrito. Il loro lavoro, un importante passo avanti nello studio della rottura dell’attrito, potrebbe darci una migliore comprensione dei terremoti, compresa la distanza e la velocità con cui viaggiano.
È ancora impossibile determinare dove e quando si verificherà un terremoto. Ad esempio, la California è stata per anni sotto la minaccia del “Big One” e, più vicino a casa, una recente serie di piccoli shock nel Canton Vallese all’inizio di novembre ha sollevato il timore di un grave terremoto nella regione. Sebbene non possiamo prevedere i terremoti, i ricercatori dell’EPFL e dell’Istituto di scienza Weizmann in Israele hanno fatto un passo avanti nella valutazione della dinamica dei terremoti attraverso una migliore comprensione di come scivola l’attrito, il movimento relativo di due corpi in contatto sotto stress da taglio, come placche tettoniche. Il loro lavoro è stato pubblicato in due parti complementari, in Physical Review X e Earth and Planetary Science Letters .
“Volevamo capire cosa succede quando due corpi in contatto di attrito iniziano improvvisamente a muoversi a seguito di un graduale aumento della sollecitazione di taglio: il modo in cui iniziano a scivolare determinerà la velocità e l’estensione del movimento e, potenzialmente, la gravità di un terremoto”, spiega Fabian Barras, assistente di dottorato presso il Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) dell’EPFL durante questa ricerca, e primo autore di entrambi gli articoli.
Paralleli tra fronte antiscivolo e frattura
Il modo in cui inizia lo scorrimento per attrito tra due corpi non è uniforme come sembra. Le telecamere ultraveloci mostrano che lo slittamento inizia in un punto specifico e poi si diffonde sul resto della superficie. “Questa dinamica del frontale antiscivolo è molto simile al modo in cui una crepa si propaga all’interno di un materiale fragile”, afferma Barras. La prima pubblicazione dei ricercatori esamina le somiglianze tra rottura dell’attrito e frattura dinamica. “Sebbene la fisica di una fessura e di un fronte di slittamento non sia esattamente la stessa, entrambe si propagano a causa di una caduta della capacità di carico 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 scivolamento quando l’interfaccia inizia a muoversi ”.
I ricercatori hanno quindi esaminato la concentrazione di stress sul fronte di scivolamento e hanno utilizzato strumenti teorici nel campo della dinamica della rottura per studiare il bilancio energetico. A differenza della situazione con una crepa, l’attrito continua a dissipare energia dopo l’inizio dello slittamento. 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 precedentemente utilizzati 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 di attrito generiche, che riproducono il cambiamento della forza di attrito in base alla velocità di scorrimento misurata tra i 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 una vasta gamma di velocità di rottura osservate sperimentalmente. I modelli teorici che abbiamo sviluppato in futuro potrebbero aiutarci a capire meglio perché alcuni terremoti in natura sono rapidi 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 condizioni lungo faglie tettoniche, specialmente dove i fluidi sono naturalmente presenti o iniettati nel terreno. “Oggi, diverse tecnologie promettenti nel contesto della transizione energetica, come la profonda energia geotermica, si basano sull’iniezione di liquidi 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 di ricerca per studiare tale impatto “, afferma 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, capo del laboratorio di meccanica solida computazionale dell’EPFL. Fabian Barras ha anche ricevuto una sovvenzione dalla Swiss National Science Foundation per continuare le sue ricerche in un laboratorio specializzato in geologia dei guasti all’Università di Oslo.
finanziamento
Questa ricerca è stata resa possibile grazie al finanziamento della Swiss National Science Foundation (Grant No. 162569, Fabian Barras PhD), nonché della Rothschild Cesarea di fondazione, al fine di dare il via a una collaborazione tra il laboratorio di Jean-François Molinari all’EPFL e quello di Eran Bouchbinder gruppo di fisica teorica presso Weizmann. Eran Bouchbinder desidera anche ringraziare la Israel Science Foundation per il suo supporto (Grant n. 295/16).
