Ученые создали модель, которая поможет точнее предсказывать землетрясения

Ученые совершили прорыв в понимании природы землетрясений, разработав лабораторную модель, которая связывает микроскопическую площадь контакта между поверхностями разломов с вероятностью возникновения сейсмических событий. Результаты исследования, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, демонстрируют связь между трением на микроуровне и землетрясениями, открывая новые перспективы для их прогнозирования.

По словам ведущего автора исследования Сильвена Барбо из Университета Южной Калифорнии, эта работа позволяет заглянуть в самую суть механики землетрясений. Наблюдая за тем, как изменяется реальная площадь контакта между поверхностями разлома в течение сейсмического цикла, ученые смогли объяснить как медленное накопление напряжения, так и последующий быстрый разрыв. Это может привести к созданию новых подходов для мониторинга и прогнозирования зарождения землетрясений на самых ранних этапах.

Долгое время сейсмологи использовали для моделирования землетрясений эмпирические законы трения, которые хорошо работали математически, но не объясняли лежащие в их основе физические механизмы. Новая модель показывает, что в действительности происходит на границе разлома. Когда две шероховатые поверхности скользят друг по другу, они соприкасаются лишь в крошечных, изолированных точках. Именно эта «реальная площадь контакта», невидимая глазу, но измеримая с помощью оптических методов, является ключевым параметром, который контролирует поведение землетрясения.

В ходе исследования ученые использовали прозрачные акриловые материалы, что позволило им в буквальном смысле наблюдать за развитием разрывов в реальном времени. С помощью высокоскоростных камер и оптических измерений команда отслеживала, как меняется площадь контакта во время лабораторных землетрясений. Было установлено, что во время быстрых разрывов около 30% площади контакта исчезает за миллисекунды, что вызывает резкое ослабление разлома и провоцирует сейсмическое событие.

Как сообщает издание phys.org, это открытие впервые дает физическую интерпретацию абстрактной математической величине, которая была центральной в науке о землетрясениях с 1970-х годов. Лабораторные результаты показали, что эмпирическая переменная, используемая в стандартных моделях, на самом деле представляет собой реальную площадь контакта поверхностей разлома. Компьютерное моделирование подтвердило эти выводы, успешно воспроизведя как медленные, так и быстрые лабораторные землетрясения.

Изменение площади контакта влияет на множество измеряемых свойств, включая электропроводность, гидравлическую проницаемость и прохождение сейсмических волн. Постоянный мониторинг этих показателей на естественных разломах может дать новую информацию о их поведении. Исследователи полагают, что это открывает возможность для создания систем краткосрочного прогнозирования и, возможно, надежного предсказания землетрясений путем измерения электропроводности разлома. В будущем ученые планируют проверить свои выводы за пределами контролируемых лабораторных условий.