Einblick gewinnen in die Energiebilanz von Erdbeben

Forscher des Computational Solid Mechanics Laboratory der EPFL und des Weizmann Institute of Science haben den Beginn des Schlupfes zwischen zwei Körpern in Reibungskontakt modelliert. Ihre Arbeit, ein grosser Fortschritt in der Erforschung von Reibungsbrüchen, könnte uns ein besseres Verständnis von Erdbeben vermitteln - auch darüber, wie weit und wie schnell sie reisen.
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Es ist noch immer nicht abzusehen, wo und wann ein Erdbeben stattfinden wird. So lebt Kalifornien seit Jahren unter dem Damoklesschwert des "Big One", des grossen Erdbebens. Bei uns hat eine Reihe von kleinen Beben im Kanton Wallis Anfang November die Angst vor einem schweren Erdbeben in der Region geweckt. Obwohl wir Erdbeben nicht vorhersagen können, haben Forscher der EPFL und des Weizmann Institute of Science in Israel einen Schritt nach vorne gemacht bei der Beurteilung der Erdbebendynamik, durch besseres Verständnis des Reibungsschlupfs - die Relativbewegung zweier Körper, die unter Scherbeanspruchung in Kontakt stehen, wie z.B. tektonische Platten. Ihre Arbeit wurde in zwei komplementären Teilen veröffentlicht, in den Zeitschriften Physische Überprüfung X und Briefe zur Erd- und Planetenforschung.

"Wir wollten verstehen, was passiert, wenn sich zwei Körper in Reibkontakt nach allmählicher Zunahme der Scherbeanspruchung plötzlich in Bewegung setzen: Die Art und Weise, wie sie zu gleiten beginnen, bestimmt die Geschwindigkeit und das Ausmass der Bewegung und möglicherweise die Schwere eines Erdbebens", erklärt Fabian Barras, Doktorand am Computational Solid Mechanics Laboratory (LSMS) der EPFL während dieser Forschung und Erstautor beider Artikel.

Parallelen zwischen Gleitfront und Bruch

Die Art und Weise, wie das Reibungsschieben zwischen zwei Körpern beginnt, ist nicht so gleichmässig wie es scheint. Ultrakurze Kameras zeigen, dass der Schlupf an einem bestimmten Punkt beginnt und sich dann auf den Rest der Oberfläche ausbreitet. "Diese Dynamik der Gleitfront ist sehr ähnlich wie die Art und Weise, wie sich ein Riss in einem spröden Material ausbreitet", sagt Barras. In ihrer ersten Publikation untersuchen die Forscher die Ähnlichkeiten zwischen Reibungsbruch und dynamischem Bruch. "Obwohl die Physik einer Riss- und einer Rutschfront nicht exakt gleich ist, breiten sich beide durch einen Abfall der Tragfähigkeit des Materials hinter dem Bruch aus. Unter Verwendung der Analogie mit dynamischem Bruch untersuchten wir den Ursprung des Rückgangs der Reibungsspannung, der als Folge einer Schlupffront beobachtet wurde, wenn sich die Schnittstelle zu bewegen beginnt."

Die Forscher untersuchten dann die Spannungskonzentration an der Gleitfront und verwendeten theoretische Werkzeuge aus dem Bereich der Bruchdynamik, um die Energiebilanz zu untersuchen. Im Gegensatz zur Situation mit einem Riss wird die Energie durch die Reibung nach dem Start des Schlupfes weiter abgebaut. Bei einem Erdbeben wird nur ein Teil der verfügbaren Energie zur Ausbreitung der Bruchfront genutzt, der Rest wird durch Reibung, hauptsächlich in Form von Wärme, abgebaut. Hier konnten die Forscher die bisher verwendeten Modelle überarbeiten und ein besseres Verständnis dafür gewinnen, wie viel Reibungsenergie an der Ausbreitung der Bruchfront beteiligt ist.

Mit Hochleistungscomputern simulierten sie seismische Brüche auf Grundlage allgemeiner Reibungsgesetze, die die Änderung der Reibungskraft in Abhängigkeit von der zwischen verschiedenen Materialtypen gemessenen Schlupfgeschwindigkeit nachbilden. Mit Hilfe der Theorie des dynamischen Bruchs und ihrer Anwendung auf die Reibung konnten die Forscher Laborexperimente bewerten und sicherstellen, dass ihre Vorhersagen korrekt waren. "Wir konnten unsere Vorhersagen über einen weiten Bereich von experimentell beobachteten Bruchgeschwindigkeiten validieren. Die von uns entwickelten theoretischen Modelle könnten uns in Zukunft helfen, besser zu verstehen, warum bestimmte Erdbeben in der Natur schnell und heftig sind, während sich andere langsam ausbreiten und über längere Zeiträume auftreten", ergänzt Barras.

Tiefe Geothermie und induzierte Seismizität

Diese Fortschritte in der Grundlagenforschung könnten eines Tages auf komplexere Modelle angewandt werden, wie z.B. solche, die Bedingungen entlang tektonischer Störungen darstellen, insbesondere wenn Flüssigkeiten natürlich vorhanden sind oder in den Boden injiziert werden. "Heute setzen mehrere vielversprechende Technologien im Zusammenhang mit dem Energiewandel - wie die Tiefengeothermie - auf die unterirdische Flüssigkeitseinspritzung. Es ist wichtig, ein besseres Verständnis dafür zu haben, wie sich diese Injektionen auf die seismische Aktivität auswirken. Ich hoffe, dass ich die während meiner Doktorarbeit entwickelten Werkzeuge nutzen kann, um diese Auswirkungen zu untersuchen", sagt Barras.

"Diese Arbeit zeigt, wie die in einem Tiefbaulabor entwickelte Forschung sehr interessante Auswirkungen auf die Erdbebenforschung haben und zu hochmodernen Publikationen in Bereichen wie der Physik führen kann", sagt Professor Jean-François Molinari, Leiter des Computational Solid Mechanics Laboratory der EPFL. Fabian Barras hat auch ein Stipendium des Schweizerischen Nationalfonds erhalten, um seine Forschung in einem Labor für Fehlergeologie an der Universität Oslo fortzusetzen.

Bildunterschrift: Zwischen zwei Festkörpern in Reibungskontakt keimt der Schlupf an einem Punkt auf der Oberfläche (entsprechend dem Hypozentrum eines Erdbebens), bevor er sich auf den Rest der Grenzfläche ausbreitet - genau wie ein Riss, der durch ein sprödes Material wächst. Mit Hilfe der numerischen Simulation berechneten die Forscher das Scherspannungsprofil nach Auftreten des Schlupfes und untersuchten den Rückgang der Reibungsspannung hinter den Bruchfronten (blaue Fläche im Einsatz).

Weitere Informationen

Finanzierung

Möglich wurde diese Forschung durch Mittel des Schweizerischen Nationalfonds (Förderkennzeichen 162569, PhD Fabian Barras) sowie der Rothschild Caesarea Foundation, um eine Zusammenarbeit zwischen dem Labor von Jean-François Molinari an der EPFL und der theoretischen Physikgruppe von Eran Bouchbinder an der Weizmann einzuleiten. Eran Bouchbinder dankt auch der Israel Science Foundation für ihre Unterstützung (Förderkennzeichen 295/16).