Niebezpieczne upłynnienie gleby może nastąpić z dala od epicentrów trzęsień ziemi w warunkach z drenażem – Świat Fizyki

Wbrew obiegowej opinii upłynnienie gleby podczas trzęsień ziemi może nastąpić z dala od epicentrów, w warunkach z drenażem i przy stosunkowo niskim poziomie gęstości energii sejsmicznej. Odkrycie dokonane przez międzynarodowy zespół naukowców może pozwolić nam na lepszą ocenę zagrożeń związanych z trzęsieniami ziemi i przygotowanie się na nie.

Jednym z najbardziej katastrofalnych i niepokojących zagrożeń związanych z trzęsieniem ziemi jest upłynnienie gleby. Dzieje się tak, gdy wstrząsy sejsmiczne czasowo zwiększają przestrzeń pomiędzy poszczególnymi ziarnami gleby, powodując utratę solidności. Gleba zaczyna zachowywać się jak lepka ciecz, w którą mogą zanurzyć się pojazdy, budynki i inne konstrukcje. Jednocześnie zakopana infrastruktura, taka jak rurociągi, może „wypłynąć” na powierzchnię (patrz rysunek). Upłynnianie może również powodować rozprzestrzenianie się i pękanie gruntu, a nawet powodować osunięcia się ziemi.

Chociaż upłynnienie gleby może być niszczycielskim skutkiem trzęsienia ziemi, może mieć przydatne zastosowania. Inżynierowie budowlani celowo powodują upłynnienie, aby poprawić jakość gleby przed budową i zminimalizować ryzyko upłynnienia sejsmicznego. Można tego dokonać poprzez piaskowanie, zagęszczanie dynamiczne i wibroflotację, w której wykorzystuje się dużą sondę wibracyjną.

Warunki bez drenażu

Tradycyjnie upłynnianie sejsmiczne kojarzono z warunkami bez drenażu (gleba, która w naturalny sposób nie odprowadza wody) w pobliżu epicentrów trzęsień ziemi. Jednak geologowie zaobserwowali również upłynnianie występujące z dala od epicentrum przy niższych poziomach energii sejsmicznej.

„To dość powszechny scenariusz” – wyjaśnia Shahar Ben-Zeev, sejsmolog z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie. Na przykład zauważa, że ​​„wiele zdarzeń upłynniania, które miały miejsce podczas słynnej sekwencji trzęsień ziemi w Canterbury w latach 2010–2011, która spowodowała ogromne szkody w Christchurch w Nowej Zelandii, miało miejsce w polu dalekim, przy bardzo niskim wejściu gęstości energii sejsmicznej .”

Aby zrozumieć, jak to jest możliwe, Ben-Zeev i współpracownicy przeprowadzili zarówno symulacje w skali ziaren, jak i eksperymenty fizyczne dotyczące reakcji warstw nasyconych wodą, niespójnych ziaren na wstrząsy poziome. Eksperymenty fizyczne przeprowadzono w przezroczystym pudełku, w którym znajdował się szereg przetworników ciśnienia umożliwiających pomiary zarówno ruchu ziaren, jak i ciśnienia w porach.

Przepływ płynu śródmiąższowego

Naukowcy odkryli, że nawet w warunkach z drenażem wstrząsy sejsmiczne mogą wywołać śródmiąższowy przepływ płynu w glebie, prowadząc do narastania nadmiernych gradientów ciśnienia w porach, a w rezultacie do utraty wytrzymałości gleby. Zaobserwowano, że upłynnianie po drenażu przebiega szybko – jest kierowane ruchem frontu zagęszczenia przez glebę z prędkością ograniczoną szybkością wstrzykiwania energii sejsmicznej.

„Klasyczny mechanizm bez drenażu jest postrzegany jako proces kumulacyjny, tj. ciśnienie w porach wzrasta stopniowo w czasie” – wyjaśnia Ben-Zeev. Dodaje jednak: „W scenariuszu z osuszonym powietrzem zwiększanie ciśnienia jest szybkie i natychmiastowe. W związku z tym odkryliśmy, że parametrem kontrolnym dla upłynniania z drenażem jest moc sejsmiczna (tempo wprowadzania gęstości energii sejsmicznej do gleby).”

Zespół zauważył, że odkrycia mają również wpływ na sposób, w jaki interpretujemy cechy geologiczne związane ze upłynnianiem, powiązane z przeszłymi trzęsieniami ziemi, których nie mierzono za pomocą instrumentów sejsmicznych.

„Procedury decyzyjne i kształtowania polityki dotyczące gotowości na trzęsienia ziemi opierają się na katalogach trzęsień ziemi, głównie na przedziałach czasowych ponownego wystąpienia trzęsienia ziemi o określonej sile w regionie”, wyjaśnia Ben-Zeev. Zauważa, że ​​jednym ze sposobów skonstruowania katalogu sięgającego czasów wcześniejszych niż zapisy przyrządowe jest zbadanie deformacji miękkich osadów w zapisie geologicznym.

„Jeśli zostaną znalezione dowody na upłynnienie gleby, możliwe będzie obliczenie parametrów ruchu gruntu, które spowodowały upłynnienie, a następnie ograniczenie odległości i wielkości epicentrum” – mówi. „Nasze badanie, które wykazało, że upłynnianie można rozpocząć przy wstrząsaniu o stosunkowo małej intensywności, wymaga ponownego zbadania prawdopodobnie przeszacowanego ruchu podłoża paleo”.

Nie do końca wyjaśnione

Oliver Taylor, inżynier geotechnik z ECS spółka z ograniczoną odpowiedzialnością który nie był zaangażowany w badanie, uważa, że ​​praca ta jest znacząca: „[Ben-Zeev i współpracownicy] zapewniają dokładny wgląd w gleby, które upłynniają się poza klasycznym reżimem bez drenażu. Jest to coś, co zaobserwowano na miejscu, ale nie w pełni wyjaśnione w naszym obecnym rozumieniu”.

Hałaśliwe pociągi towarowe mogą pomóc w przewidywaniu trzęsień ziemi w Kalifornii

Taylor zauważa jednak, że zespół testował jedynie najluźniejszą możliwą glebę na niezagęszczonym, jednolitym piasku. „Problem z tym” – dodaje – „polega na tym, że tworzy to jedynie „najgorszy scenariusz”, na podstawie którego „waliduje się” wyniki – i może nie być reprezentatywny dla warunków na miejscu, w których przeprowadzono upłynnianie przy niskiej gęstości energii zauważony".

Nazywając badanie „bardzo interesującym”, Chi Yuen Wang − geofizyk stosowany na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley – zwraca uwagę, że „nie jest jasne, dlaczego w symulacji nie uwzględniono ściśliwości gleby porowatej, biorąc pod uwagę, że ta ostatnia jest głównym składnikiem magazynowania gleby na małej głębokości, który kontroluje ewolucję ciśnienia w porach.”

Po zakończeniu wstępnych badań Ben-Zeev i jego współpracownicy korzystają z tych samych ram teoretycznych, aby zbadać tajemnicę wielokrotnego upłynniania gleby w tym samym miejscu. Nie oczekuje się, aby tak się stało, ponieważ początkowy epizod powinien zagęścić glebę i zapobiec ponownemu upłynnieniu w przyszłości.

Badanie opisano w Natura Komunikacja.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/dangerous-soil-liquefaction-can-occur-away-from-earthquake-epicentres-in-drained-conditions/