Sebagian besar energi gempa berubah menjadi panas daripada goncangan tanah, kadang -kadang cukup panas untuk melelehkan batu dalam mikrodetik. DENGANGempa laboratorium mengungkapkan keseimbangan tersembunyi ini dan perannya dalam risiko seismik.
Mengukur energi gempa di lab
Ketika gempa melanda, guncangan kekerasan yang dirasakan orang hanya mewakili sebagian kecil dari total energi yang dilepaskan. Gempa juga melepaskan semburan panas dan memicu fraktur cascading di batu di bawah tanah. Menentukan dengan tepat berapa banyak energi yang masuk ke masing -masing proses ini sangat menantang untuk diukur di dunia nyata.
Untuk mengatasi hal ini, ahli geologi MIT mempelajari “gempa laboratorium,” versi skala kecil dari gempa bumi alami yang dapat dengan hati-hati berangkat di bawah kondisi laboratorium yang terkontrol. Untuk pertama kalinya, mereka dapat menghitung anggaran energi penuh dari peristiwa -peristiwa ini, mengidentifikasi berapa banyak yang dikhususkan untuk panas, gemetar, dan patah batu.
Panas mendominasi anggaran energi
Para peneliti menemukan bahwa hanya 10 persen dari energi gempa laboratorium menghasilkan guncangan yang sebenarnya, sementara kurang dari 1 persen digunakan untuk memecah batu dan menciptakan permukaan baru. Sebagian besar, rata -rata sekitar 80 persen, dikonversi menjadi panas di dekat pusat gempa. Dalam beberapa kasus, kenaikan panas sangat ekstrem sehingga secara singkat melelehkan bahan di sekitarnya, mengubahnya menjadi cairan sebelum didinginkan lagi.
Mereka juga menunjukkan bahwa keseimbangan energi ini tidak diperbaiki tetapi tergantung pada riwayat deformasi daerah, atau sejauh mana batuannya telah diubah oleh gerakan tektonik masa lalu. Sejarah itu memengaruhi seberapa banyak energi gempa masuk ke dalam panas, gerakan, atau patah.
“Sejarah deformasi-pada dasarnya apa yang diingat oleh Rock-benar-benar memengaruhi betapa destruktifnya gempa bumi,” kata Daniel Ortega-Arroyo, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Ilmu Pengetahuan Bumi, Atmosfer, dan Planet MIT (EAPS). “Sejarah itu mempengaruhi banyak sifat material di batu, dan itu menentukan sampai taraf tertentu bagaimana hal itu akan tergelincir.”
Dari lab ke gempa nyata: implikasi untuk prediksi
Gempa laboratorium tim adalah analog yang disederhanakan dari apa yang terjadi selama gempa bumi alami. Di ujung jalan, hasilnya dapat membantu ahli seismologi memprediksi kemungkinan gempa bumi di daerah yang rentan terhadap peristiwa seismik. Misalnya, jika para ilmuwan memiliki gagasan tentang seberapa besar gempa yang dihasilkan di masa lalu, mereka mungkin dapat memperkirakan sejauh mana energi gempa juga mempengaruhi batuan di bawah tanah dengan meleleh atau memecahnya. Ini pada gilirannya dapat mengungkapkan seberapa atau kurang lebih rentan wilayah ini terhadap gempa di masa depan.
“Kami tidak akan pernah bisa mereproduksi kompleksitas Bumi, jadi kami harus mengisolasi fisika dari apa yang terjadi, dalam gempa lab ini,” kata Matěj Peč, profesor geofisika di MIT. “Kami berharap dapat memahami proses ini dan mencoba mengekstrapolasi mereka ke alam.”
Peč (diucapkan “Peck”) dan Ortega-Arroyo melaporkan hasilnya pada 28 Agustus di jurnal AGU Kemajuan. Rekan penulis MIT mereka adalah Hoagy O’Ghaffari dan Camilla Cattania, bersama dengan Zheng Gong dan Roger Fu di Universitas Harvard dan Markus Ohl dan Oliver Plümper di Universitas Utrecht di Belanda.
Kekuatan tersembunyi di bawah permukaan
Gempa bumi didorong oleh energi yang disimpan di batu selama jutaan tahun. Ketika pelat tektonik perlahan saling menggiling, stres menumpuk melalui kerak. Ketika batu didorong melewati kekuatan material mereka, mereka tiba -tiba dapat tergelincir di sepanjang zona sempit, menciptakan kesalahan geologis. Saat batu tergelincir di kedua sisi patahan, mereka menghasilkan gelombang seismik yang riak ke luar dan ke atas.
Kami merasakan energi gempa bumi terutama dalam bentuk goncangan tanah, yang dapat diukur menggunakan seismometer dan instrumen berbasis darat lainnya. Tetapi dua bentuk utama lainnya dari energi gempa – pemutusan panas dan bawah tanah – sebagian besar tidak dapat diakses dengan teknologi saat ini.
“Berbeda dengan cuaca, di mana kita dapat melihat pola harian dan mengukur sejumlah variabel terkait, sangat sulit untuk melakukannya sangat jauh di dalam bumi,” kata Ortega-Arroyo. “Kami tidak tahu apa yang terjadi pada batu sendiri, dan rentang waktu di mana gempa bumi yang diulangi dalam zona patahan pada rentang waktu abad ke-millenia, membuat segala jenis ramalan yang dapat ditindaklanjuti menjadi menantang.”
Untuk mendapatkan gambaran tentang bagaimana energi gempa bumi dipartisi, dan bagaimana anggaran energi itu dapat mempengaruhi risiko seismik suatu wilayah, ia dan Peč pergi ke laboratorium. Selama tujuh tahun terakhir, kelompok Peč di MIT telah mengembangkan metode dan instrumentasi untuk mensimulasikan peristiwa seismik, di mikro, dalam upaya untuk memahami bagaimana gempa bumi di makro dapat terjadi.
“Kami fokus pada apa yang terjadi pada skala yang sangat kecil, di mana kami dapat mengendalikan banyak aspek kegagalan dan mencoba memahaminya sebelum kami dapat melakukan penskalaan terhadap alam,” kata Ortega-Arroyo.
Membuat “microshakes” terkontrol
Untuk studi baru mereka, tim menghasilkan gempa lab miniatur yang mensimulasikan tergelincir batu seismik di sepanjang zona patahan. Mereka bekerja dengan sampel kecil granit, yang mewakili batuan di lapisan seismogenik – wilayah geologis di kerak benua di mana gempa bumi biasanya berasal. Mereka menggiling granit menjadi bubuk halus dan mencampur granit yang dihancurkan dengan bubuk partikel magnetik yang jauh lebih halus, yang mereka gunakan sebagai semacam pengukur suhu internal. (Kekuatan medan magnet partikel akan berubah sebagai respons terhadap fluktuasi suhu.)
Para peneliti menempatkan sampel granit bubuk – masing -masing sekitar 10 milimeter persegi dan 1 milimeter tipis – di antara dua piston kecil dan membungkus ensemble dengan jaket emas. Mereka kemudian menerapkan medan magnet yang kuat untuk mengorientasikan partikel magnet bubuk dalam arah awal yang sama dan dengan kekuatan medan yang sama. Mereka beralasan bahwa setiap perubahan dalam orientasi partikel dan kekuatan medan sesudahnya harus menjadi tanda seberapa banyak panas yang dialami wilayah itu sebagai akibat dari peristiwa seismik apa pun.
Setelah sampel disiapkan, tim menempatkan mereka satu per satu ke dalam alat buatan khusus yang disetel oleh para peneliti untuk memberikan tekanan yang terus meningkat, mirip dengan tekanan yang dialami batu di lapisan seismogenik bumi, sekitar 10 hingga 20 kilometer di bawah permukaan. Mereka menggunakan sensor piezoelektrik buatan khusus, yang dikembangkan oleh rekan penulis O’Ghaffari, yang mereka lampirkan pada kedua ujung sampel untuk mengukur guncangan yang terjadi saat mereka meningkatkan tekanan pada sampel.
Panas ekstrem dan slip cepat pada mikrodetik
Mereka mengamati bahwa pada tekanan tertentu, beberapa sampel tergelincir, menghasilkan peristiwa seismik mikro yang mirip dengan gempa bumi. Dengan menganalisis partikel -partikel magnetik dalam sampel setelah fakta, mereka memperoleh perkiraan seberapa banyak setiap sampel dipanaskan sementara – metode yang dikembangkan bekerja sama dengan laboratorium Roger Fu di Universitas Harvard. Mereka juga memperkirakan jumlah pengocok setiap sampel yang dialami, menggunakan pengukuran dari sensor piezoelektrik dan model numerik. Para peneliti juga memeriksa setiap sampel di bawah mikroskop, pada perbesaran yang berbeda, untuk menilai bagaimana ukuran butiran granit berubah – apakah dan berapa banyak butir yang pecah menjadi potongan -potongan yang lebih kecil, misalnya.
Dari semua pengukuran ini, tim dapat memperkirakan anggaran energi gempa setiap lab. Rata -rata, mereka menemukan bahwa sekitar 80 persen energi gempa menjadi panas, sementara 10 persen menghasilkan guncangan, dan kurang dari 1 persen masuk ke patah batu, atau menciptakan permukaan partikel baru yang lebih kecil.
“Dalam beberapa kasus kami melihat itu, dekat dengan kesalahan, sampel beralih dari suhu kamar menjadi 1.200 derajat Celsius Dalam masalah mikrodetik, dan kemudian segera mendingin begitu gerakan berhenti, “kata Ortega-Arroyo.” Dan dalam satu sampel, kami melihat kesalahan bergerak sekitar 100 mikron, yang menyiratkan kecepatan slip pada dasarnya sekitar 10 meter per detik. Bergerak sangat cepat, meskipun tidak bertahan lama. “
Menuju model gempa bumi yang lebih baik
Para peneliti mencurigai bahwa proses serupa bermain dalam gempa skala kilometer yang sebenarnya.
“Eksperimen kami menawarkan pendekatan terintegrasi yang memberikan salah satu pandangan paling lengkap dari fisika pecah seperti gempa bumi di batuan hingga saat ini,” kata Peč. “Ini akan memberikan petunjuk tentang cara meningkatkan model gempa bumi kita saat ini dan mitigasi bahaya alam.”
Referensi: “” Lab-Quakes “: Mengukur Anggaran Energi Lengkap Kegagalan Laboratorium Tekanan Tinggi” oleh Daniel Ortega-Arroyo, Hoagy O’Ghaffari, Matěj Peč, Zheng Gong, Roger R. Fu, Markus OHL, Camilla Cattania dan Oliver Plümper, 28 Agustus 2025, AGU Kemajuan.
Doi: 10.1029/2025av001683
Penelitian ini didukung, sebagian, oleh National Science Foundation.
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.
BN Babel
