Farlig flytende jord kan oppstå borte fra jordskjelvepisentra under drenerte forhold – Physics World

Farlig flytende jord kan oppstå borte fra jordskjelvepisentra under drenerte forhold – Physics World

Tidsstempel: 7. november 2023 1:52

Likvefaksjon i New Zealand
Flytende på land: dette stormavløpet ble presset opp gjennom veien i Christchurch av flytende væske forårsaket av jordskjelvet i Canterbury i 2010. (Med tillatelse: Martin Luff/CC BY-SA 2.0)

I motsetning til konvensjonell visdom, kan flytende jordsmonn under jordskjelv forekomme borte fra episentre, under drenerte forhold og ved relativt lave seismiske energitetthetsnivåer. Funnet fra et internasjonalt team av forskere kan tillate oss å bedre vurdere og forberede oss på jordskjelvfarer.

En av de mest katastrofale og foruroligende jordskjelvrelaterte farene er flytende jord. Dette oppstår når seismisk risting midlertidig øker rommet mellom individuelle jordkorn, og forårsaker tap av soliditet. Jorden begynner å oppføre seg som en viskøs væske, som kjøretøyer, bygninger og andre strukturer kan synke ned i. Samtidig kan nedgravd infrastruktur som rørledninger "flyte" til overflaten (se figur). Likvefaksjon kan også føre til at bakken sprer seg og sprekker, og til og med utløse jordskred.

Mens flytende jord kan være en ødeleggende effekt av et jordskjelv, kan det ha nyttige bruksområder. Sivilingeniører induserer bevisst flytendegjøring for å forbedre jordkvaliteten før bygging og minimere risikoen for seismisk flytendegjøring. Dette kan gjøres ved sprengning, dynamisk komprimering og vibroflotasjon, som involverer en stor vibrerende sonde.

Udrenerte forhold

Tradisjonelt har seismisk flytendegjøring vært assosiert med udrenerte forhold (jord som ikke naturlig drenerer vann) nær episentrene til jordskjelv. Imidlertid har geoforskere også observert flytende væske som skjer borte fra episenteret med lavere nivåer av seismisk energi.

"Dette er et ganske vanlig scenario," forklarer Shahar Ben-Zeev, en seismolog ved det hebraiske universitetet i Jerusalem. For eksempel, bemerker han, "mange av flytende hendelser som skjedde under den berømte jordskjelvsekvensen i Canterbury 2010–2011 som forårsaket en enorm mengde skader i Christchurch, New Zealand, skjedde i det fjerne feltet under svært lav seismisk energitetthet. ."

For å forstå hvordan dette er mulig, gjorde Ben-Zeev og kollegene både kornskala-simuleringer og fysiske eksperimenter på responsen til lag med vannmettede, kohesjonsløse korn på horisontal risting. De fysiske eksperimentene ble utført i en gjennomsiktig boks, der en rekke trykktransdusere tillot målinger av både kornbevegelse og poretrykk.

Interstitiell væskestrøm

Forskerne fant at selv under drenerte forhold kan seismisk risting utløse interstitiell væskestrøm i jord, noe som fører til oppbygging av overflødige poretrykkgradienter og som et resultat tap av jordstyrke. Drenert væskedannelse ble sett å utfolde seg raskt - styrt av bevegelsen gjennom jorden til en komprimeringsfront med en hastighet som er begrenset av hastigheten på seismisk energiinjeksjon.

"Den klassiske udrenerte mekanismen oppfattes som en kumulativ prosess, dvs. at poretrykket stiger gradvis over tid," forklarer Ben-Zeev. Imidlertid legger han til: «I det drenerte scenariet er trykksettingen rask og mer øyeblikkelig. Følgelig fant vi at kontrollparameteren for drenert flytendegjøring er den seismiske kraften (hastigheten til den seismiske energitettheten som tilføres jorda).

Funnene, bemerket teamet, har også implikasjoner for hvordan vi tolker liquefaction-relaterte geologiske trekk assosiert med tidligere jordskjelv som ikke er målt ved hjelp av seismiske instrumenter.

"Beslutnings- og politikkutformingsprosedyrer angående jordskjelvberedskap er avhengige av jordskjelvkataloger, hovedsakelig tidsintervallet for gjentakelse av en viss jordskjelvstørrelse i en region, forklarer Ben-Zeev. En måte å konstruere en katalog som går tilbake før instrumentregistreringer, bemerker han, er å undersøke myke sedimentdeformasjoner i den geologiske posten.

"Hvis bevis på jordflytende hendelser blir funnet, er det mulig å beregne bakkebevegelsesparametere som utløste flytendegjøring, og deretter begrense episentral avstand og størrelse," sier han. "Vår studie, som viste at kondensering kan initieres under relativt lav intensitet risting, krever en ny undersøkelse av mulig overvurdert paleo-bakkebevegelse."

Ikke fullstendig forklart

Oliver Taylor, en geoteknisk ingeniør med ECS Limited som ikke var involvert i studien, mener at arbeidet er betydelig: «[Ben-Zeev og medarbeidere] gir et grundig innblikk i jordarter som flyter utenfor det klassiske udrenerte regimet. Dette er noe som har blitt observert på stedet, men som ikke er fullstendig forklart av vår nåværende forståelse.»

Taylor bemerker imidlertid at teamet kun testet den løsest mulige jordtilstanden på en ukomprimert uniformssand. "Problemet med dette," legger han til, "er at det bare skaper det 'verste tilfellet'-scenarioet som resultatene er 'validert' fra - og er kanskje ikke representativt for in-situ-forholdene der flytendegjøring med lav energitetthet var observert".

Kaller studien "veldig interessant", Chi-Yuen Wang - en anvendt geofysiker ved University of California, Berkeley - påpeker at det er "uklart hvorfor [simuleringen] ikke vurderte komprimerbarheten til den porøse jorda, gitt at sistnevnte er hovedkomponenten for lagring av jord på grunt dyp, som kontrollerer utviklingen av poretrykk."

Etter at den første studien deres er fullført, har Ben-Zeev og kollegene hans brukt det samme teoretiske rammeverket for å utforske mysteriet om hvordan flytende jord kan skje mange ganger på samme sted. Dette forventes ikke å skje fordi den første episoden skulle fortette jorda og forhindre gjenflytning i fremtiden.

Studien er beskrevet i Natur kommunikasjon.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden