8 Minutės
Smulkiuose drebėjimuose šiluma nusveria virpesius
Massachusetts Institute of Technology laboratoriniai eksperimentai rodo, kad dauguma energijos, išlaisvinamos žemės drebėjimams panašiuose slydimo epizoduose, virsta ne žemės virpesiais, o vietine šiluma. Naudodami kontroliuojamus, mikromastelio luošinimo eksperimentus su traiškytu granitu, tyrėjai išmatuoja smulkių, staigių slydimų energijos balansą. Jų rezultatai parodo, kad maždaug 80 % išlaisvintos mechaninės energijos virsta trinties šiluma prie slydimo plokštumos, apie 10 % pereina į seisminius impulsus, panašius į žemės virpesius, o mažiau nei 1 % sunaudojama kuriant naują akmens paviršių per trupinimą ir grūdinimą.
Šios proporcijos nėra statiškos: bandytų medžiagų ankstesnė deformacijos istorija stipriai lemia energijos paskirstymą. Akmenys, kurie jau buvo anksčiau deformuoti, gali elgtis kitaip — jie gali sugerti daugiau arba mažiau energijos kaip šilumą, judesį ar lūžimą. Eksperimentai atkartoja ekstremalias perėjines temperatūras, trumpalaikį trinties lydimą lydėjimą ir greitus slydimo greičius, kurie atitinka fizikinius procesus, išvestus natūraliems žemės drebėjimams. Tai suteikia naujų apribojimų tam, kaip klaidos vystosi ir kaip gali būti vertinamas seisminis pavojus.
Matuojant žemės drebėjimų energiją laboratorijoje
Tiesiogiai stebėti ir kiekybiškai įvertinti, kaip tikras žemės drebėjimas paskirsto energiją tarp seisminių bangų, šilumos ir akmens pažeidimų vietoje, praktiškai neįmanoma. Norėdami apeiti šį apribojimą, MIT komanda sukūrė pakartojamus laboratorinius eksperimentus, kurie imituoja mechaniką ir termodinamiką, susijusią su seisminiu slydimu, kontroliuojamo masto sąlygomis. Mėginiai buvo paruošti taip, kad atkartotų smulkiai grūdėtus įtrūkio zonos medžiagos fragmentus, tokius, kokie randami seismogeninėje žemės plutnoje, kur dauguma žemės drebėjimų prasideda (maždaug 10–20 km gylyje).
Eksperimentinis protokolas sujungė kelias specializuotas technologijas, kad būtų užfiksuoti kiekvieno mikroįvykio papildantys aspektai. Tyrėjai traiškė granitą iki miltelių pavidalo ir sumaišė su daug smulkesne danga, turinčia magnetinių dalelių. Šios magnetinės įterptos dalelės veikia kaip vidinis termomagnetinis įrašytuvas, nes jų magnetizacija keičiasi esant aukštai temperatūrai. Kiekvienas miltelių mėginys — vos apie 10 kvadratinių milimetrų ploto ir 1 milimetro storio — buvo uždarytas į aukso apvalkalą ir patalpintas tarp dviejų stūmoklių, kurie suspaudžia mėginį į streso sąlygas, atitinkančias seismogeninę zoną.
Dinaminį judesį slydimo metu fiksuoti padėjo tobulinti piezoelektriniai jutikliai, pritvirtinti prie mėginio komplekto galų. Šie jutikliai fiksuoja trumpalaikes impulsines signalų serijas, kurios atspindi seisminiu mastu panašius pagreičius ir poslinkius mėginio skalėje. Po kontroliuojamo gedimo mokslininkai dekodavo magnetinių dalelių signalą, kad įvertintų pikines temperatūras; mėginius tyrė skenuojančiame elektroniniame mikroskope, dokumentuodami grūdelių suskaidymą ir stiklo susidarymą; ir sujungė jutiklių duomenis su skaitmeniniais modeliais, kad išvestų energijos paskirstymą tarp šilumos, vibracijos ir kominucijos (trupinimo).
Kodėl naudojamos magnetinės dalelės ir aukso apvalkalai?
Magnetinės miltelių dalelės yra termomagnetinio įrašymo priemonė: šilumos pakilimai ir atvėsimai, susiję su greitu slydimu, pakeičia dalelių magnetizaciją tokiu būdu, kurį galima išmatuoti po eksperimento. Aukso apvalkalas suteikia cheminę inertinumą ir gerą laidumą, o taip pat išlaiko mėginio geometriją ir riboja oksidaciją aukštos temperatūros transjentų metu. Šis integruotas metodas leidžia rekonstrutuoti pikinę temperatūrą, trukusią mikrosekunčių mastu, ir sujungti tas trumpas terminės kilpos iškylas su mechaniniais slydimo ir streso kritimo matavimais. Be to, aukso apvalkalas padeda sumažinti teršalų įtaką analizėms ir pagerina temperatūros profilio interpretaciją.
Pagrindinės išvados: trinties šiluma, lydymas ir greitas slydimas
Per kelias dešimtis mikroplyšių eksperimentų dominuojančiu energijos išeikvojimo būdu tapo trinties šiluma ties slydimo paviršiumi. Vidutiniškai maždaug 80 % išlaisvintos mechaninės energijos buvo nusodinama kaip šiluma slydimui būdingoje zonoje. Seisminiuosius, arba vibracinius, judesius apibūdinanti energija sudarė maždaug 10 % energijos biudžeto, tuo tarpu energija, reikalinga pažaboti grūdus ir sukurti naujus paviršius, nuosekliai buvo labai maža — paprastai mažiau nei 1 % viso kiekio.
Kai kuriais bandymais šiluma kilo intensyviai ir staiga. Komanda užfiksavo perėjinius temperatūros šuolius nuo aplinkos temperatūros iki maždaug 1 200 laipsnių Celsijaus per mikrosekunčių trukmę — pakankamai, kad dalis arba visas klaidos medžiagos tūris ištirptų. Kai išsilydęs materialas greitai vėl sustingdavo, jis formavo stiklišką, glotnų sluoksnį, panašų į trinties lydinių produktus, aptinkamus natūraliose klaidose. Vienu atveju tyrėjai stebėjo beveik 100 mikronų poslinkį, o atsižvelgiant į labai trumpą įvykio trukmę, tai reiškia lokalius slydimo greičius maždaug 10 metrų per sekundę — dideli greičiai, tačiau erdviškai ir laike riboti.
Šie pastebėjimai sujungia laboratorinės skalės fiziką su lauko įrodymais: stikliškos tekstūros ir lydimo vėžiai, kartais randami iškeltose klaidose ir dažnai vadinami pseudotachylytais, dera su trinties lemiančiu lydymu per seisminius slydimo epizodus. Taigi eksperimentai sumažina atotrūkį tarp mikrofizikos ir geologinių žymių, įrašytų uolienose, kurios liudija praeities drebėjimus.
Reikšmė seismo pavojingumo vertinimui ir žemės drebėjimų modeliams
Jeigu panašus energijos paskirstymas vyktų ir gamtoje, klaidos galėtų sugerti daug didesnę savo mechaninės energijos dalį kaip vietinę šilumą ir struktūrinį pažeidimą, o ne išstumti ją kaip tolimesnę seismine radiaciją. Tai reiškia, kad dalis energijos, kuri sklinda kaip kenksmingi žemės virpesiai, gali būti tik maža viso išlaisvinimo dalis. Toks paskirstymo supratimas yra labai svarbus vertinant, kiek virpesių potencialiai gali gaminti konkretus plyšys ir kaip slydimas pakeičia klaidos zoną būsimų įvykių atžvilgiu.
Eksperimentai taip pat pabrėžia deformacijos istorijos svarbą. Akmenys, kurie buvo anksčiau nusmukdyti, įkaitinti ar sutrupinti, įgyja pakitusios tekstūros ir mineralogijos, kas keičia trinties stiprumą, pralaidumą ir energijos dissipacijos būdus būsimuose slydimuose. Praktikoje tai reiškia, jog seismo pavojingumo modeliai turėtų atsižvelgti ne vien tik į dabartinius streso lygius, bet ir į klaidų zonos brandumą bei ankstesnę slydimų istoriją — faktorius, kurie gali smarkiai pakeisti numanomą vibracinio radiavimo frakciją.
Iš stebėjimų perspektyvos, laboratorinė termometrija gali suteikti būdą atsekti praeities energijos biudžetus natūraliose klaidose. Pavyzdžiui, ten, kur išsaugoti pseudotachylytai ar stikliškos striacijos, jų buvimas ir mikrostruktūra gali įrašyti ankstesnių intensyvių, termiškai koncentruotų slydimų epizodų požymius. Lauko duomenų derinimas su laboratorijoje kalibruotomis priklausomybėmis tarp šildymo, slydimo ir spinduliuojamos energijos gali pagerinti senovinių drebėjimų rekonstrukcijas ir informuoti probabilistinius prognozių modelius.
Apribojimai ir perspektyvos mastelėjant į natūralius drebėjimus
Laboratoriniai „drebėjimai" yra sąmoningai supaprastinti: jie izoliuoja svarbiausius fizinius procesus toje skalėje, kurioje matavimai gali būti tikslūs ir atkuriami. Žemė yra žymiai didesnė ir heterogeniškesnė, todėl tiesioginis mastelio perdavimas reikalauja atsargumo. Tokie veiksniai kaip porinės skysčių slėgis, trimačioji klaidos geometrija, kilometriniai streso gradientai ir ilgojo periodo dinaminiai plyšimo procesai nėra pilnai atkuriami mikromastelio eksperimentuose.
Vis dėlto MIT vadovaujama integruota matavimo metodika — apjungiant termomagnetinį įrašymą, didelės juostos pločio dinaminius jutiklius, mikroskopiją ir modeliavimą — pateikia vieną iš išsamiausių eksperimentinių žvilgsnių į žemės drebėjimo pobūdžio sutrikimo fiziką iki šiol. Tokie kontroliuojami tyrimai padeda parametrizuoti ir patikrinti skaitmeninius plyšimo modelius bei teikia fizinius apribojimus, kaip šiluma, lūžiai ir radiacija sąveikauja slydimo metu. Jie taip pat gali pagerinti inžinerinius scenarijus — pavyzdžiui, seismo bangų šaltinio parametrų ir žemės paviršiaus judesių modeliavimą miestų rizikos vertinimams.
Ekspertės įžvalga
Dr. Laura Hammond, hipotetinė geofizikė ir mokslo komunikatorė, turinti patirties klaidų mechanikoje, komentuoja: 'Šie eksperimentai pabrėžia, kad slydimo paviršiaus procesai yra itin lokalūs ir energetiški. Jeigu dauguma energijos išsiskiria kaip šiluma, tai reiškia, kad klaidos stiprumo evoliucija ir terminiai pokyčiai gali būti kur kas svarbesni žemės drebėjimų sekoms, nei dažnai manyta. Įtraukus laboratorinius duomenis apie energijos paskirstymą į plyšimo simuliacijas, galima pakeisti prognozes apie žemės paviršiaus judėjimą, ypač kalbant apie klaidas, turinčias pakartotinio slydimo istoriją.' Ši įžvalga pabrėžia praktinį laboratorinių rezultatų pritaikomumą seismo rizikos analizėje ir kviečia profesionalus peržiūrėti kai kurias prielaidas modeliuose.
Išvados
MIT laboratorinis programos tyrimas demonstruoja, kad didžioji dalis mechaninės energijos, išlaisvinamos seisminiu pobūdžiu slydimu, virsta trinties šiluma prie klaidos, o tik nedidelė dalis spinduliuojama kaip seisminės bangos ir dar mažesnė — sunaudojama naujų paviršių kūrimui. Greiti, mikrosekunčių mastu vykstantys šiluminiai šuoliai gali sukelti trumpalaikį lydymą ir suformuoti stikliškas tekstūras, analogiškas natūraliems pseudotachylytams. Nors mastelio persikėlimas į natūralius, kilometrinės skalės drebėjimus reikalauja papildomo dėmesio ir kompensavimo už papildomas sudėtingumas, šie rezultatai suteikia esminių fizinių apribojimų plyšimo fizikai, klaidų zonų evoliucijai ir seizmo pavojingumo modeliavimui. Tolesnis laboratorinės termometrijos, aukšto greičio jutiklių, lauko stebėjimų ir skaitmeninių modelių integravimas leis tiksliau atsekti praeitą klaidų elgseną ir geriau prognozuoti tam tikrus ateities rizikos aspektus.
Tyrimo pastaba: Studiją vadovavo Matěj Peč ir Daniel Ortega-Arroyo, o ji publikuota žurnale AGU Advances. Bendradarbiai: Hoagy O’Ghaffari, Camilla Cattania, Zheng Gong, Roger Fu, Markus Ohl ir Oliver Plümper, atstovaujantys MIT, Harvard University ir Utrecht University.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą