Sebagian besar energi gempa menjadi panas daripada guncangan tanah, kadang -kadang cukup panas untuk melelehkan batu di microdetik. DENGANGempa bumi laboratorium mengungkapkan keseimbangan tersembunyi ini dan perannya dalam risiko seismik.
Mengukur energi gempa di lab
Ketika gempa melanda, kejutan kekerasan yang dirasakan oleh orang -orang hanya mewakili sebagian kecil dari total energi yang dilepaskan. Gempa bumi juga merilis ledakan panas dan memicu fraktur cascading di batu di bawah tanah. Tentukan dengan tepat berapa banyak energi yang memasuki setiap proses yang sangat menantang untuk diukur di dunia nyata.
Untuk mengatasi hal ini, ahli geologi MIT mempelajari “gempa bumi laboratorium,” versi skala kecil dari gempa bumi alami yang dapat dengan hati -hati berangkat dalam kondisi laboratorium yang terkontrol. Untuk pertama kalinya, mereka dapat menghitung anggaran energi penuh dari peristiwa ini, mengidentifikasi berapa banyak yang dikhususkan untuk panas, gemetar, dan patah.
Panas mendominasi anggaran energi
Para peneliti menemukan bahwa hanya 10 persen energi gempa laboratorium menghasilkan guncangan aktual, sementara kurang dari 1 persen digunakan untuk memecahkan batu dan menciptakan permukaan baru. Sebagian besar, rata -rata sekitar 80 persen, dikonversi menjadi panas di dekat pusat gempa. Dalam beberapa kasus, peningkatan panas sangat ekstrem sehingga secara singkat melelehkan bahan di sekitarnya, mengubahnya menjadi cairan sebelum didinginkan lagi.
Mereka juga menunjukkan bahwa keseimbangan energi ini tidak ditingkatkan tetapi tergantung pada sejarah deformasi regional, atau sejauh mana batuan telah diubah oleh gerakan tektonik masa lalu. Sejarah mempengaruhi seberapa banyak energi gempa memasuki panas, gerakan, atau rusak.
“Sejarah deformasi adalah bahwa pada dasarnya apa yang Rock ingat benar-benar memengaruhi seberapa destruktif gempa bumi itu,” kata Daniel Ortega-Arroyo, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Ilmu Pengetahuan Bumi, Atmosfer, dan Planet MIT (EAPS). “Sejarah mempengaruhi banyak sifat material di dalam batu, dan itu menentukan sampai batas tertentu bagaimana hal itu akan tergelincir.”
Dari lab ke gempa: implikasi untuk prediksi
Gempa bumi 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 bumi yang dihasilkan di masa lalu, mereka mungkin dapat memperkirakan sejauh mana energi gempa bumi juga mempengaruhi batuan bawah tanah dengan melelehkan atau memecahkannya. Ini pada gilirannya dapat mengungkapkan bagaimana atau lebih atau kurang rentan terhadap wilayah ini terhadap gempa bumi di masa depan.
“Kita tidak akan pernah bisa mereproduksi kompleksitas bumi, jadi kita harus mengisolasi fisika dari apa yang terjadi, dalam gempa bumi ini,” kata Matěj Peč, profesor geofisika di MIT. “Kami berharap dapat memahami proses ini dan mencoba mengekstrapolasi mereka ke alam.”
Peč (diucapkan “Peck”) dan Ortrega-Arroyo melaporkan hasilnya pada 28 Agustus di jurnal Kemajuan agu. 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
Gempa bumi didorong oleh energi yang disimpan dalam batu selama jutaan tahun. Ketika pelat tektonik perlahan saling menggiling, stres menumpuk melalui kerak. Ketika batu didorong melalui kekuatan material mereka, mereka tiba -tiba dapat tergelincir di sepanjang zona sempit, menciptakan kesalahan geologis. Ketika batu -batu tergelincir di kedua sisi patahan, mereka menghasilkan gelombang seismik yang naik dan turun.
Kami merasakan energi gempa bumi, terutama dalam bentuk guncangan tanah, yang dapat diukur menggunakan seismometer dan instrumen berbasis lahan lainnya. Tetapi dua bentuk utama energi gempa bumi lainnya – penghentian 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 bumi,” kata Ortega-Arroyo. “Kita tidak tahu apa yang terjadi pada batu itu sendiri, dan rentang waktu gempa bumi yang diulangi di zona fraktur dalam rentang abad ribuan tahun, membuat semua jenis prediksi yang dapat ditindaklanjuti untuk menjadi menantang.”
Untuk mendapatkan gambaran tentang bagaimana energi gempa dipartisi, dan bagaimana anggaran energi dapat mempengaruhi risiko seismik suatu wilayah, ia dan Peč pergi ke laboratorium. Selama tujuh tahun terakhir, kelompok Peč dalam MIT telah mengembangkan metode dan instrumentasi untuk mensimulasikan peristiwa seismik, dalam mikro, dalam upaya untuk memahami bagaimana gempa bumi dalam 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 membuat pernyataan alam,” kata Ortega-Arroyo.
Buat “microshakes” dikendalikan
Untuk studi baru mereka, tim menghasilkan gempa lab miniatur yang mensimulasikan batu seismik yang tergelincir di sepanjang zona fraktur. Mereka bekerja dengan sampel granit kecil, yang mewakili batuan di lapisan seismogenik – area geologis di kerak benua tempat 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 masing -masing milimeter persegi panjang dan 1 milimeter tipis -antara dua piston kecil dan membungkus ansambel dengan jaket emas. Mereka kemudian menerapkan medan magnet yang kuat untuk mengarahkan partikel magnetik bubuk dalam arah awal yang sama dan dengan kekuatan medan yang sama. Mereka beralasan bahwa setiap perubahan dalam orientasi partikel dan kekuatan medan setelah itu harus menjadi tanda seberapa banyak panas yang dialami oleh wilayah tersebut sebagai akibat dari peristiwa seismik.
Setelah sampel disiapkan, tim menempatkan mereka satu per satu ke dalam perangkat buatan khusus yang ditetapkan oleh para peneliti untuk memberikan tekanan yang meningkat, mirip dengan tekanan yang dialami oleh batu -batu di lapisan seismogenik bumi, sekitar 10 hingga 20 kilometer di bawah permukaan. Mereka menggunakan sensor piezoelektrik buatan khusus, yang dikembangkan oleh sesama penulis O'Ghaffari, yang mereka lampirkan pada kedua ujung sampel untuk mengukur guncangan yang terjadi ketika 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 mendapatkan perkiraan seberapa banyak setiap sampel dipanaskan sementara -metode yang dikembangkan bekerja sama dengan Laboratorium Roger Fu di Universitas Harvard. Mereka juga memperkirakan jumlah pengocok untuk setiap sampel yang dialami, menggunakan pengukuran sensor piezoelektrik dan model numerik. Para peneliti juga memeriksa setiap sampel di bawah mikroskop, dalam perbesaran yang berbeda, untuk menilai bagaimana ukuran butir granit berubah -apakah banyak butir pecah menjadi potongan -potongan kecil, misalnya.
Dari semua pengukuran ini, tim dapat memperkirakan anggaran energi gempa untuk setiap laboratorium. Rata -rata, mereka menemukan bahwa sekitar 80 persen energi gempa menjadi panas, sementara 10 persen menghasilkan guncangan, dan kurang dari 1 persen memasuki batu yang rusak, atau menciptakan permukaan partikel baru yang lebih kecil.
“Dalam beberapa kasus kami melihat itu, dekat dengan kesalahan, sampel beralih dari suhu kamar ke 1.200 derajat Celsius Dalam masalah mikrodetisasi, dan kemudian segera mendingin sehingga 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 yang lebih baik
Para peneliti curiga bahwa proses serupa bermain dalam gempa skala kilometer aktual.
“Eksperimen kami menawarkan pendekatan terpadu yang memberikan salah satu pandangan paling lengkap tentang fisika yang rusak seperti gempa bumi di batu sampai sekarang,” kata Peč. “Ini akan memberikan instruksi tentang cara meningkatkan model gempa bumi kita saat ini dan mitigasi bahaya alam.”
References: “” Lab-Quakes “: Measuring the complete energy budget for the failure of the Laboratory of High Pressure” by Daniel Ortega-Arroyo, Hoagy O'Ghaffari, Matěj Peč, Zheng Gong, Roger R. Fu, Markus Ohl, Camilla Cattania and Oliver Plümper, 28 August 2025, August 28, 2025, August 28, 2025, Kemajuan agu.
Doi: 10.1029/2025av001683
Penelitian ini didukung, sebagian, oleh National Science Foundation.
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan Buletin ScitechDaily.
NewsRoom.id
