Farlig jordvæske kan forekomme væk fra jordskælvets epicentre under drænede forhold - Physics World

Farlig jordvæske kan forekomme væk fra jordskælvets epicentre under drænede forhold - Physics World

Tidsstempel: 7. november 2023 kl. 1:52

Likvefaktion i New Zealand
Flydende på land: dette stormafløb blev skubbet op gennem vejen i Christchurch af væskedannelse forårsaget af jordskælvet i Canterbury i 2010. (Med høflighed: Martin Luff/CC BY-SA 2.0)

I modsætning til konventionel visdom kan jordvæske under jordskælv forekomme væk fra epicentre, under drænede forhold og ved relativt lave seismiske energitæthedsniveauer. Resultatet af et internationalt team af forskere kunne give os mulighed for bedre at vurdere og forberede os på jordskælvsfarer.

En af de mest katastrofale og foruroligende jordskælvsrelaterede farer er jordskælvsdannelse. Dette opstår, når seismisk rystning midlertidigt øger rummet mellem individuelle jordkorn, hvilket forårsager tab af fasthed. Jorden begynder at opføre sig som en tyktflydende væske, som køretøjer, bygninger og andre strukturer kan synke ned i. Samtidig kan nedgravet infrastruktur som rørledninger "flyde" til overfladen (se figur). Likvefaktion kan også få jorden til at sprede sig og revne, og endda udløse jordskred.

Selvom jordskælvning kan være en ødelæggende effekt af et jordskælv, kan det have nyttige anvendelser. Civilingeniører inducerer bevidst væskedannelse for at forbedre jordkvaliteten før konstruktion og minimere risikoen for seismisk væskedannelse. Dette kan gøres ved sprængning, dynamisk komprimering og vibroflotation, som involverer en stor vibrerende sonde.

Udrænede forhold

Traditionelt har seismisk væskedannelse været forbundet med udrænede forhold (jord, der ikke naturligt dræner for vand) nær epicentrene for jordskælv. Imidlertid har geovidenskabsmænd også observeret væskedannelse, der forekommer væk fra epicentret med lavere niveauer af seismisk energi.

"Dette er et ganske almindeligt scenarie," forklarer Shahar Ben-Zeev, en seismolog ved det hebraiske universitet i Jerusalem. For eksempel bemærker han, "mange af de fortætningshændelser, der fandt sted under den berømte Canterbury 2010-2011 jordskælvssekvens, der forårsagede en enorm mængde skade i Christchurch, New Zealand, fandt sted i det fjerne felt under meget lav seismisk energitæthed. ."

For at forstå, hvordan dette er muligt, lavede Ben-Zeev og kolleger både kornskala-simuleringer og fysiske eksperimenter på reaktionen af ​​lag af vandmættede, sammenhængsløse korn på vandret rystning. De fysiske eksperimenter blev udført i en gennemsigtig boks, hvori en række tryktransducere tillod målinger af både kornbevægelse og poretryk.

Interstitiel væskestrøm

Forskerne fandt ud af, at selv under drænede forhold kan seismisk rystelse udløse interstitiel væskestrøm i jord, hvilket fører til opbygning af overskydende poretrykgradienter og som et resultat tab af jordstyrke. Drænet fortætning blev set at udfolde sig hurtigt - styret af bevægelsen gennem jorden af ​​en komprimeringsfront med en hastighed, der er begrænset af hastigheden af ​​seismisk energiinjektion.

"Den klassiske udrænede mekanisme opfattes som en kumulativ proces, dvs. poretrykket stiger gradvist over tid," forklarer Ben-Zeev. Han tilføjer dog: "I det drænede scenarie er tryksætningen hurtig og mere øjeblikkelig. Derfor fandt vi ud af, at kontrolparameteren for drænet fortætning er den seismiske kraft (hastigheden af ​​den seismiske energitæthed, der tilføres jorden).

Resultaterne, bemærkede holdet, har også konsekvenser for, hvordan vi fortolker likvefaktionsrelaterede geologiske træk forbundet med tidligere jordskælv, der ikke er blevet målt ved hjælp af seismiske instrumenter.

"Beslutnings- og politiske procedurer vedrørende jordskælvsberedskab er afhængige af jordskælvskataloger, hovedsageligt tidsintervallet for gentagelse af en vis jordskælvsstørrelse i en region, forklarer Ben-Zeev. En måde at konstruere et katalog, der går tilbage før instrumentregistreringer, bemærker han, er at undersøge blødt sediment-deformation i den geologiske optegnelse.

"Hvis der findes beviser for jordlikvefaktion, er det muligt at beregne jordbevægelsesparametre, der udløste fortætning, og derefter at begrænse epicentral afstand og størrelse," siger han. "Vores undersøgelse, som viste, at væskedannelse kan initieres under relativt lav intensitet omrystning, opfordrer til genundersøgelse af muligvis overvurderet paleo-jordbevægelse."

Ikke fuldt ud forklaret

Oliver Taylor, en geoteknisk ingeniør med ECS Limited som ikke var involveret i undersøgelsen, mener, at arbejdet er væsentligt: ​​”[Ben-Zeev og kolleger] giver et grundigt indblik i jorde, der flyder uden for det klassiske udrænede regime. Dette er noget, der er blevet observeret in-situ, men alligevel ikke fuldt ud forklaret af vores nuværende forståelse."

Taylor bemærker dog, at holdet kun testede den løsest mulige jordbundstilstand på et ukomprimeret ensartet sand. "Problemet med dette," tilføjer han, "er, at det kun skaber det 'worst-case'-scenarie, hvorfra resultaterne 'valideres' - og måske ikke er repræsentative for de in-situ-forhold, hvor lav energitæthed fortættes observeret”.

Kalder undersøgelsen "meget interessant", Chi-Yuen Wang - en anvendt geofysiker ved University of California, Berkeley - påpeger, at det er "uklart, hvorfor simuleringen ikke tog højde for kompressibiliteten af ​​den porøse jord, da sidstnævnte er den vigtigste komponent i opbevaring af jord på lav dybde, som styrer udviklingen af ​​poretryk."

Med deres indledende undersøgelse afsluttet, har Ben-Zeev og hans kolleger brugt den samme teoretiske ramme til at udforske mysteriet om, hvordan jordvæske kan forekomme mange gange på samme sted. Dette forventes ikke at ske, fordi den indledende episode skulle fortætte jorden og forhindre gen-likvefaktion i fremtiden.

Undersøgelsen er beskrevet i Natur Kommunikation.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden