Většina energie zemětřesení se mění spíše v teplo než o třepání, někdy dostatečně horká, aby roztavila horninu v mikrosekundách. SOtřesy laboratoře odhalují tuto skrytou rovnováhu a její roli v seismickém riziku.
Měření energie zemětřesení v laboratoři
Když zasáhne zemětřesení, násilné třesení, které lidé cítí, představuje pouze malou část celkové uvolněné energie. Otřesy také uvolní výbuchy tepla a spouštějí kaskádové zlomeniny ve skále hluboko pod zemí. Stanovení toho, kolik energie jde do každého z těchto procesů, je velmi náročné měřit v reálném světě.
Aby se to řešily, geologové MIT studovali „laboratorní otřesy“, malé verze přirozených zemětřesení, které lze pečlivě zahájit za kontrolovaných laboratorních podmínek. Poprvé byli schopni vypočítat celý energetický rozpočet těchto událostí a zjistit, kolik je věnováno teplu, třesu a štěpení hornin.
Teplo dominuje energetickému rozpočtu
Vědci zjistili, že pouhých 10 procent energii laboratorního zemětřesení produkuje skutečné třesení, zatímco méně než 1 procenta se používá k rozdrcení skály a vytvoření nových povrchů. Drtivá většina, průměrně kolem 80 procent, je přeměněna na teplo poblíž epicentra. V některých případech byl nárůst tepla tak extrémní, že krátce roztavil okolní materiál a před opětovným ochlazením jej změnil na kapalinu.
Ukázali také, že tato rovnováha energie není pevná, ale závisí na historii deformace regionu nebo rozsahu, v jakém byly jeho horniny změněny minulým tektonickým pohybem. Tato historie ovlivňuje, kolik energie zemětřesení jde do tepla, pohybu nebo zlomeniny.
„Historie deformace-v podstatě to, co si rock pamatuje-skutečně ovlivňuje, jak destruktivní by mohlo být zemětřesení,“ říká Daniel Ortega-Arroyo, postgraduální student MIT’s Department of Earth, Atmosféric and Planetary Sciences (EAP). „Tato historie ovlivňuje mnoho materiálových vlastností ve skále a do jisté míry diktuje, jak to proklouzne.“
Od laboratoře po skutečné otřesy: Důsledky pro predikci
Laboratorní otřesy týmu jsou zjednodušeným analogem toho, co se děje během přirozeného zemětřesení. Po silnici by jejich výsledky mohly pomoci seismologům předpovídat pravděpodobnost zemětřesení v regionech, které jsou náchylné k seismickým událostem. Například, pokud vědci mají představu o tom, kolik třesení zemětřesení generovaného v minulosti, mohli by být schopni odhadnout míru, do jaké energie zemětřesení také ovlivnila horniny hluboko pod zemí tím, že je roztavila nebo rozbila. To by zase mohlo odhalit, kolik či méně zranitelné je tento region pro budoucí otřesy.
„Nikdy jsme nemohli reprodukovat složitost Země, takže musíme izolovat fyziku toho, co se děje, v těchto laboratorních otřesech,“ říká Matěj Peč, docent geofyziky na MIT. „Doufáme, že pochopíme tyto procesy a pokusíme se je extrapolovat na přírodu.“
Peč (prohlásil „Peck“) a Ortega-Arroyo nahlásili své výsledky 28. srpna v časopise Agu postupuje. Jejich spoluautory MIT jsou Hoagy O’Ghaffari a Camilla Cattania, spolu se Zheng Gongem a Rogerem Fu na Harvardské univerzitě a Markusem OHL a Oliverem Plümperem na Utrecht University v Nizozemsku.
Skryté síly pod povrchem
Zemětřesení je poháněna energií, která je uložena ve skalách po dobu milionů let. Když se tektonické desky pomalu brouší proti sobě, stres se hromadí skrz kůru. Když jsou skály tlačeny kolem své materiální síly, mohou najednou proklouznout podél úzké zóny a vytvořit geologickou chybu. Když skály sklouznou na obou stranách poruchy, produkují seismické vlny, které se všívají ven a vzhůru.
Vnímáme energii zemětřesení hlavně ve formě třesení země, kterou lze měřit pomocí seismometrů a dalších pozemních nástrojů. Ale další dvě hlavní formy zemětřesení energie – teplé a podzemní zlomení – jsou však do značné míry nepřístupné současné technologie.
„Na rozdíl od počasí, kde můžeme vidět denní vzory a měřit řadu příslušných proměnných, je velmi těžké to udělat velmi hluboko na Zemi,“ říká Ortega-Arroyo. „Nevíme, co se děje se samotnými skály, a časové úseky, nad kterými se zemětřesení opakují v poruchové zóně, jsou na časových úsecích století mezi Millenia, což způsobuje, že je prognóza jako prognóza.“
Aby získal představu o tom, jak je energie zemětřesení rozdělena a jak by tento energetický rozpočet mohl ovlivnit seismické riziko regionu, šli do laboratoře. Během posledních sedmi let vyvinula Peč’s Group At MIT metody a instrumentace pro simulaci seismických událostí v mikroskopu ve snaze pochopit, jak se může zemětřesení v makrozice odehrávat.
„Zaměřujeme se na to, co se děje ve opravdu malém měřítku, kde můžeme ovládat mnoho aspektů selhání a pokusit se mu porozumět, než můžeme udělat jakékoli škálování přírody,“ říká Ortega-Arroyo.
Vytváření řízených „mikroshakes“
Pro jejich novou studii tým vytvořil miniaturní laboratorní otřesy, které simulují seismické sklouznutí hornin podél poruchové zóny. Pracovali s malými vzorky žuly, které jsou reprezentativní pro horniny v seismogenní vrstvě – geologická oblast v kontinentální kůře, kde obvykle pocházejí zemětřesení. Umlčují žulu do jemného prášku a smíchají drcenou žulu s mnohem jemnějším práškem magnetických částic, které použili jako jakýsi vnitřní teplotní měřič. (Pevnost magnetického pole částice se změní v reakci na kolísání teploty.)
Vědci umístili vzorky práškové žuly – každá asi 10 čtverečních milimetrů a 1 milimetrová tenká – mezi dvěma malými písty a zabalili soubor do zlaté bundy. Poté aplikovali silné magnetické pole pro orientaci magnetických částic prášku ve stejném počátečním směru a na stejnou sílu pole. Zdůvodnili, že jakákoli změna orientace částic a síly pole poté by měla být známkou toho, kolik tepla zažilo region v důsledku jakékoli seismické události.
Jakmile byly vzorky připraveny, tým je umístil jeden po druhém do zakázkově postaveného aparátu, který vědci naladili, aby vyvíjeli neustále rostoucí tlak, podobně jako tlaky, které hory zažívají v seismogenní vrstvě Země, asi 10 až 20 kilometrů pod povrchem. Použili piezoelektrické senzory vyrobené na míru, vyvinuté spoluautorem O’Ghaffari, který připojili k obou koncovům vzorku, aby změřili jakékoli třepání, které nastalo, když zvýšily stres na vzorku.
Extrémní teplo a rychlé sklouznutí v mikrosekundách
Zjistili, že při určitých napětích některé vzorky sklouzly a vytvořily seismickou událost mikroskopické jako zemětřesení. Analýzou magnetických částic ve vzorcích po skutečnosti získaly odhad toho, kolik byl každý vzorek dočasně zahříván – metoda vyvinutá ve spolupráci s laboratoří Rogera Fu na Harvardské univerzitě. Odhadovali také množství třesení každého vzorku pomocí měření z piezoelektrického senzoru a numerických modelů. Vědci také zkoumali každý vzorek pod mikroskopem, při různých zvětšeních, aby posoudil, jak se změnila velikost žulových zrn – zda a kolik zrna se například rozpadla na menší kousky.
Ze všech těchto měření byl tým schopen odhadnout energetický rozpočet každé laboratoře. V průměru zjistili, že asi 80 procent energie zemětřesení jde do tepla, zatímco 10 procent generuje třesení a méně než 1 procenta jde do lomu hornin nebo vytváří nové menší povrchy částic.
„V některých případech jsme viděli, že se vzorek blížil k poruše z pokojové teploty na 1200 stupňů Celsia Ve věci mikrosekundy a poté se okamžitě ochladily, jakmile se pohyb zastaví, “říká Ortega-Arroyo.„ A v jednom vzorku jsme viděli pohyb chyby asi 100 mikronů, což znamená, že skluzové rychlosti v podstatě asi 10 metrů za sekundu. Pohybuje se velmi rychle, i když to netrvá příliš dlouho. “
K lepšímu modelu zemětřesení
Vědci mají podezření, že podobné procesy se odehrávají ve skutečných otřesech v kilometru.
„Naše experimenty nabízejí integrovaný přístup, který poskytuje jeden z nejkompletnějších pohledů na fyziku prasknutí zemětřesení ve skalách dosud,“ říká Peč. „To poskytne vodítka, jak zlepšit naše současné modely zemětřesení a zmírnění přírodního rizika.“
Reference: „„ LAB-MAKES “: Kvantifikace úplného energetického rozpočtu vysokotlakého laboratorního selhání“ od Daniel Ortega-Arroyo, Hoagy O’Ghaffari, Matěj Peč, Zheng Gong, Roger R. Fu, Markus Ohl, Camilla Cattania a Oliver Plümper, 28. srpna 2025, 28. srpna 2025, 28. srpna 2025, 28. srpna 2025 Agu postupuje.
Doi: 10.1029/2025AV001683
Tento výzkum byl částečně podpořen Národní vědeckou nadací.
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
