16.07.2020
ФизТех

Физики устроили землетрясение в лаборатории, что приблизило науку к управлению стихией

5.1

Ученым из Института динамики геосфер РАН и МФТИ впервые удалось воспроизвести медленное землетрясение с генерацией низкочастотных колебаний в лабораторных условиях. Анализ результатов показал, что по регистрируемым сейсмическим данным можно прогнозировать процессы в разломах земной коры, которые являются гипоцентрами реальных землетрясений.

Физики устроили землетрясение в лаборатории, что приблизило науку к управлению стихией / ©100-faktov.ru/

Работа опубликована в журнале Scientific Reports. Наука добавляет промежуточные тона черно-белому восприятию окружающего мира человеком. В случае с землетрясениями раньше считалось, что существует две крайности: либо земная кора покоится, либо происходит землетрясение, которое невозможно не заметить. На самом же деле все сложнее. Землетрясение является следствием сдвига друг относительно друга блоков земной коры вдоль тектонического разлома.

Кроме обычных землетрясений, существуют «медленные», при которых происходят настолько слабые колебания земной коры, что зачастую люди не ощущают их вовсе, хотя энергия в ходе такого события может выделиться такая же, как при обычном землетрясении. Такие события возможно зафиксировать только инструментально. Поэтому ученым необходимо понять, что определяет формирование разных типов землетрясений и существуют ли общие закономерности между этими процессами.

«Потенциальная задача — научиться трансформировать обычное землетрясение в медленное. Сделать так, чтобы энергия выделялась, а разрушений за счет упругих колебаний не происходило. Но на сегодняшний день еще нет глубокого понимания механики и природы разных типов скольжений блоков земной коры вдоль разлома, приводящих к разным видам землетрясений. Мы пытаемся разобраться в этой механике. И в настоящий момент мы уже научились воспроизводить в лаборатории аналоги этих событий: медленные и быстрые землетрясения», — комментирует соавтор работы Алексей Остапчук, старший научный сотрудник Института динамики геосфер РАН, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики геосистем МФТИ.

Моделирование землетрясений / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Но в природе нельзя опуститься на глубину гипоцентра землетрясения и посмотреть, какой там материал, измерить напряжения. Единственный способ получить хоть какую-то информацию о текущих процессах на глубине — это анализ сейсмических колебаний, идущих из зоны разлома, либо колебаний, которые проходят сквозь разломную зону и могут нести информацию о ее состоянии. Авторы работы исследовали акустические колебания, которые возникают при зарождении лабораторных землетрясений, чтобы «прочитать» историю механических движений в зоне разлома и предсказать момент начала землетрясения.

«Мы использовали при моделировании тектонического разлома гранитные блоки, пространство между которыми заполняем гранулированными материалами (песком, глиной, гранитной крошкой) с разными характеристиками (размером частиц, влажностью). В реальном разломе такая же раздробленная среда, только масштаб гораздо больше.

При разных землетрясениях излучаются свои характерные волновые формы: при быстрых (“обычных”) землетрясениях мы видим импульс с резким внезапным началом, а при медленных событиях колебания нарастают постепенно, их начало сложно определить, поэтому в лабораторных условиях раньше их не обнаруживали. Мы же в этой работе показали, что важно смотреть наряду с амплитудой и энергией на волновую форму импульса и что медленные и быстрые типы землетрясений можно наблюдать в лабораторных экспериментах», — поясняет Алексей Остапчук.

а) Лабораторная установка. b) Гранитный блок, движущийся по поверхности другого блока, пространство между ними заполнено гранулированным материалом / ©Scientific Reports

Обработав огромный объем сейсмоакустических данных, авторы выделили два принципиальных класса импульсов. Оказалось, что по форме акустических импульсов действительно можно судить о том, что происходит с разломом, причем быстрые и медленные микрособытия отвечают за разные структурные зоны в этом разломе. Быстрые микрособытия — за разрушение силового каркаса и эволюцию напряженной структуры. Медленные же связаны с подвижностью отдельных разгруженных элементов разломной зоны. Таким образом, выявленные закономерности позволяют предположить, что скорое землетрясение можно предсказать по анализу сейсмоакустических данных.

Следующим шагом, приближающим возможность трансформирования быстрых землетрясений в медленные, должно стать изучение техногенно-тектонических землетрясений, которые непосредственно связаны с инженерной деятельностью человека, а именно, добычей минерального сырья. Такие события происходят на глубинах, где непосредственно происходит разработка месторождений. Зная структурные особенности разломов и блоков на месторождении за счет механических действий, можно будет прогнозируемо изменить режим скольжения, что позволит отработать методы преобразования быстрого землетрясения в медленное.

Существуют два разных подхода. Первый подход — за счет внешнего взрывного воздействия попытаться снизить интенсивность землетрясения, то есть разменять одно большое землетрясение на множество мелких. Но этот путь зачастую не дает никакого выигрыша в безопасности для людей. Второй способ — это инжекция специальных жидкостей или флюидов в разломную зону. Тогда в зависимости от свойств флюида хрупкое разрушение переходит в механизмы вязкопластичной деформации.

«Мы в своих лабораторных экспериментах начинаем понимать, какую жидкость надо инжектировать в разлом, какие свойства этой жидкости должны быть и какой характерный размер зоны воздействия должен быть. Следующий шаг — выявление особенностей структуры разломов на основе сейсмоакустических данных и, тем самым, определение зоны воздействия. Это будет новый этап нашего понимания природы землетрясений», — заключает Алексей Остапчук. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 12:32
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили доказательства того, что доисторическое строение возрастом в 11 тысяч лет использовали для церемониальных действий, а потом преднамеренно засыпали землей.

Позавчера, 13:46
Александр Березин

Повелители тундростепей Евразийского континента, оказывается, вовсе не вымерли с концом ледникового периода. Вопреки тому, что считалось ранее, они выжили — как минимум на Таймыре и как минимум до 1900 года до нашей эры. А это на много веков позже постройки пирамиды Хеопса. Получается, человек не привел мамонта к вымиранию? Или, напротив, нашел затерянные на Таймыре остатки вида и уничтожил их совсем недавно? Это сложный вопрос, от которого зависит ответ на другой: могут ли слоны заселить Север России и в наши дни?

Позавчера, 13:37
Ольга Иванова

Американские исследователи пришли к выводу, что человеческий мозг уменьшился из-за процессов глобализации, кооперации и разделения труда.

19 октября
Илья Ведмеденко

В КНР испытали монолитный твердотопливный ракетный двигатель, имеющий самую большую тягу в мире. Разработка изделия важна для создания ракет тяжелого класса.

Позавчера, 12:32
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили доказательства того, что доисторическое строение возрастом в 11 тысяч лет использовали для церемониальных действий, а потом преднамеренно засыпали землей.

Позавчера, 13:46
Александр Березин

Повелители тундростепей Евразийского континента, оказывается, вовсе не вымерли с концом ледникового периода. Вопреки тому, что считалось ранее, они выжили — как минимум на Таймыре и как минимум до 1900 года до нашей эры. А это на много веков позже постройки пирамиды Хеопса. Получается, человек не привел мамонта к вымиранию? Или, напротив, нашел затерянные на Таймыре остатки вида и уничтожил их совсем недавно? Это сложный вопрос, от которого зависит ответ на другой: могут ли слоны заселить Север России и в наши дни?

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: