I ricercatori hanno sviluppato un modello sismico di laboratorio che collega l’area di contatto reale microscopica tra le superfici di faglia alla possibilità di verificarsi di terremoti. Pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences, questo studio dimostra la connessione tra attrito microscopico e terremoti, offrendo nuove informazioni sulla meccanica dei terremoti e sulle loro potenziali previsioni. “Abbiamo essenzialmente aperto una finestra sul cuore della meccanica dei terremoti“, ha affermato Sylvain Barbot, professore associato di Scienze della Terra presso l’USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences e ricercatore principale dello studio.
“Osservando come si evolve l’area di contatto reale tra le superfici di faglia durante il ciclo sismico, possiamo ora spiegare sia il lento accumulo di stress nelle faglie sia la rapida rottura che ne consegue. In futuro, questo potrebbe portare a nuovi approcci per il monitoraggio e la previsione della nucleazione dei terremoti nelle fasi iniziali”.
Per decenni, gli scienziati si sono affidati alle leggi empiriche di attrito “velocità-stato” per modellare i terremoti: descrizioni matematiche che funzionano bene ma non spiegano i meccanismi fisici sottostanti. “Il nostro modello rivela cosa accade realmente all’interfaccia di faglia durante un ciclo sismico”.
Barbot afferma che la scoperta è un concetto apparentemente semplice: “quando due superfici ruvide scivolano l’una contro l’altra, entrano in contatto solo in corrispondenza di minuscole giunzioni isolate che coprono una frazione della superficie totale“. Questa “area reale di contatto” – invisibile all’occhio umano ma misurabile attraverso tecniche ottiche – si rivela essere la variabile di stato chiave che controlla il comportamento del terremoto.
Terremoti in laboratorio: illuminare i terremoti in tempo reale
Lo studio utilizza materiali acrilici trasparenti che hanno permesso ai ricercatori di osservare letteralmente lo sviluppo delle fratture sismiche in tempo reale. Utilizzando telecamere ad alta velocità e misurazioni ottiche, il team ha monitorato come la trasmissione della luce LED cambiava durante la formazione, la crescita e la distruzione delle giunzioni di contatto durante i terremoti in laboratorio.
“Possiamo letteralmente osservare l’evoluzione dell’area di contatto man mano che le fratture si propagano“, ha affermato Barbot. “Durante le rotture rapide, vediamo circa il 30% dell’area di contatto scomparire in millisecondi, un indebolimento drammatico che innesca il terremoto“.
I risultati di laboratorio hanno rivelato una relazione precedentemente nascosta: la “variabile di stato” empirica utilizzata nei modelli sismici standard per decenni rappresenta l’area reale di contatto tra le superfici di faglia. Questa scoperta fornisce la prima interpretazione fisica di un concetto matematico centrale nella scienza dei terremoti fin dagli anni ’70.
Dalla simulazione alla previsione
I ricercatori hanno analizzato 26 diversi scenari sismici simulati e hanno scoperto che la relazione tra velocità di rottura ed energia di frattura segue le previsioni della meccanica della frattura elastica lineare. Le simulazioni al computer del team hanno riprodotto con successo terremoti di laboratorio sia lenti che rapidi, riproducendo non solo le velocità di rottura e le perdite di stress, ma anche la quantità di luce trasmessa attraverso l’interfaccia di faglia durante le rotture.
Man mano che le aree di contatto cambiano durante il ciclo sismico, influenzano molteplici proprietà misurabili, tra cui la conduttività elettrica, la permeabilità idraulica e la trasmissione delle onde sismiche. Poiché l’area reale di contatto influenza molteplici proprietà fisiche delle zone di faglia, il monitoraggio continuo di questi proxy durante i cicli sismici potrebbe fornire nuove informazioni sul comportamento delle faglie.
Le implicazioni vanno ben oltre la comprensione accademica e gli esperimenti di laboratorio. La ricerca suggerisce che il monitoraggio dello stato fisico dei contatti di faglia potrebbe fornire nuovi strumenti per i sistemi sismici a breve termine e potenzialmente per una previsione affidabile dei terremoti utilizzando la conduttività elettrica della faglia.
“Se riuscissimo a monitorare costantemente queste proprietà sulle faglie naturali, potremmo rilevare le prime fasi della nucleazione dei terremoti”, ha spiegato Barbot. “Questo potrebbe portare a nuovi approcci per il monitoraggio della nucleazione dei terremoti nelle fasi iniziali, ben prima che le onde sismiche vengano irradiate“.
Guardando al futuro
I ricercatori intendono estendere i loro risultati al di fuori di condizioni di laboratorio controllate. Barbot ha spiegato che il modello dello studio fornisce le basi fisiche per comprendere come le proprietà delle faglie evolvono durante i cicli sismici. “Immaginate un futuro in cui possiamo rilevare sottili cambiamenti nelle condizioni di faglia prima che si verifichi un terremoto”, ha detto Barbot. “Questo è il potenziale a lungo termine di questo lavoro”.
Oltre a Barbot, l’autore dello studio è Baoning Wu, precedentemente alla USC e ora all’Università della California, San Diego.
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