بسامد و اندازه‌ی زمین‌لرزه‌ها در یک موقعیت ویژه از قوانین آماری عمومی پیروی می‌کنند که تکرار آن‌ها به طور دقیق در مقیاس‌های آزمایشگاهی کاری دشوار است. آزمایش جدیدی طراحی شده که در آن مجموعه‌ای از صفحات دوبعدی، برش داده شده و در درون یک پوسته‌ی استوانه‌ای دوبعدی محدود شده‌اند. این مجموعه بیش از یک میلیون آزمایش لرزه تولید می‌کند؛ مجموعه‌ی داده‌های زیادی که سه قانون مهم لرزه‌ خیزی را به اثبات می‌رسانند. به بیان پژوهش‌گران، کلید این موفقیت، بی‌نظمیِ غیرذاتی موجود در شبکه‌ نیروهایی است که تنش را دائماً در طول آرایه‌های صفحه‌ای منتقل می‌کنند. کار بیشتر بر روی این سیستم به محققان در شناسایی عواملی که زمین‌لرزه‌های واقعی را کنترل می‌کنند، کمک خواهد کرد.

احتمال وقوع یک زمین‌لرزه به جایی که در آن زندگی می‌کنید بستگی دارد. به عنوان مثال در بخش‌هایی از کشور ژاپن زمین‌لرزه‌های بزرگ (بزرگ‌تر از اندازه‌ی ۸) به طور متوسط در هر ده سال رخ می‌دهد در حالی‌که کالیفرنیا، زمین‌لرزه‌ی بزرگ را تقریبا در هر ۱۵۰ سال یکبار تجربه می‌کند. با این حال اگر نمودار لگاریتمی تعداد زمین‌لزره‌ها را بر حسب اندازه‌ی آن‌ها رسم کنید، شیب خطوط برای ژاپن و کالیفرنیا تقریبا یکی خواهد بود که با قانون گوتنبرگ-ریشتر (Gutenberg-Richter) مشخص می‌شود. یک قانون مرتبط، زمان مابین دو زمین‌لرزه با اندازه‌ی یکسان را توصیف می‌کند. قانون مهم سومی برای مطالعات زمین‌لرزه‌ای موسوم به قانون امری (Omori) وجود دارد که تعداد پس‌لرزه و پیش‌لرزه‌های مربوط به یک زمین‌لرزه‌ی بزرگ را توصیف می‌کند.

پژوهش‌گران برای درک چنان قوانینی در تلاش بوده‌اند تا آن‌ها را در شرایط کنترل‌شده‌ی آزمایشگاهی بازتولید کنند (اینجا را ببینید). برای مثال یک سنگ را می‌توان تا زمانی متراکم کرد که شکاف‌های شبه-زلزله تشکیل شوند یا یک مجموعه‌ی بزرگ از ذرات کوچک یا دانه‌ها تا زمانی می‌توانند تحت تنشِ برشی قرار گیرند که روی هم سر بخورند که یک پدیده‌ی شبه‌ زلزله‌ی دیگری به حساب می‌آید. اگرچه آزمایش‌های قبلی جنبه‌های معینی از رفتار لرزه‌شناختی را بازتولید کرده‌اند اما قادر نبوده‌اند تا به شکل کمی چندین قوانین آماری را به طورهمزمان پشتیبانی کنند.

در این آزمایش اسوانی رامس (Osvanny Ramos) از دانشگاه لیون فرانسه و همکارانش از سیستمی دوبعدی از ۳۵۰۰ صفحه استفاده کرده‌اند که ۷ میلی‌متر یا کمتر قطر دارند. برخلاف ذراتی که در یک هندسه‌ی مسطح محدود شده و مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، این صفحات در فضایی باریک مابین دو استوانه‌ی هم‌محور عمودی قرار گرفته‌اند که اجازه می‌دهد تا آزمایش به شکل پیوسته انجام شود. لبه‌ی بالایی با یک حلقه‌ی سنگین پوشش داده شده تا فشار بر روی صفحه‌ها القا شود. در حالی‌که لبه‌ی پایینی با آهنگ یک دور در هر ۱۸ ساعت می‌چرخد. سرعت خطی متناظر تقریباً ۵۰ میلی‌متر در هر ساعت است که ۱۲۰۰۰ برابر سریع‌تر از حرکت گسل سان آدریس در کالیفرنیاست.

رمس و همکارانش با ۲۴ دوربین، حس‌گر گشتاور و آرایه‌ای از آشکارسازهای آکوستیکی بر سیستم‌شان نظارت کرده‌اند. دوربین‌ها شبکه‌ای از نیروهای منتقل شده در طول سیستم (زنجیره‌ی نیرو) ‌را با بکارگیری ویژگی انتقال نور، مستقل از تنش صفحه‌ها ثبت می‌کنند. جابجایی مستمر زنجیره‌ی نیروها (ویدیو را ببینید) نشان می‌دهد که این سیستم به طور اتفاقی ترکیب‌بندی‌های متنوعی از صفحات را مدل‌سازی می‌کند. به بیان زمس، آزمایش‌های زمین‌لرزه‌ی پیشین در ابعاد آزمایشگاهی قبلی از چنین بی‌نظمی کافی برخوردار نبوده‌اند.

داده‌های حاصل از اندازه‌گیری گشتاور نشان از مجموعه‌ افت‌های آنی در مقدار نیرو بر روی حلقه بالایی دارد که شبیه لغزش‌های انرژی در صفحات تکتونیک در خطوط گسل هندسی است. صفحات فشرده شده نسبت به هم‌دیگر همزمان و مستمراً جابجا شده و گسیل‌هایی آکوستیکی ایجاد می‌کنند که می‌توان آن‌ها را به عنوان امواج لرزه‌ای در نظر گرفت. در طول بازه‌ی زمانی ۲۴ ساعت تعداد افت‌های گشتاوری حدود ۲۰۰۰ تا بوده در حالیکه تعداد گسیل‌های آکوستیکی تقریباً ۲ میلیون عدد بوده است. این تیم انرژی این رویدادها را تخمین زده و نشان داده‌اند که توزیع این رفتار با قانون گوتنبرگ-ریشتر، قانون داخل رویدادی و قانون امری سازگاری دارد.

به گفته‌ی لراموس، داشتن سیستمی قابل اعتماد که با مشاهدات زمین‌شناختی تطابق دارد «ممکن است به یافته‌هایی اساسی در مورد عناصر ایجادکننده‌ی دینامیک زمین‌لرزه‌های واقعی منجر شود». در پژوهش آینده، او و همکارانش در تلاش خواهند بود تا پارامترهای اصلی مثل فشار و سرعت چرخش را تغییر دهند تا ببینند چگونه این اثرات رفتار این لرزه‌آزمایشگاهی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. آن‌ها همچنین به فکر طراحی پیش‌سازه‌های ممکن هستند که می‌تواند نوفه‌ای از یک حادثه‌ی بزرگ بحساب آید.

ایتای ایناف ( Itai Einav) مهندسی از دانشگاه سیدنی می‌گوید: این یک مقاله‌ی زیباست. «چیزی که من بویژه استثنایی یافته‌ام این است که این داده‌ها ویژگی‌های برجسته‌ی زمین‌لرزه‌های واقعی را نشان می‌دهند». ادوارد واویز (Eduard Vives) از دانشگاه بارسلونا در اسپانیا که آزمایش‌های مشابهی را در مورد زمین‌لرزه انجام داده می‌گوید: این حالت پیوسته‌ از مجموعه داده‌ها به راموس و همکارانش این امکان را داده تا حوادث نادر و رفتار پس‌لرزه‌ای که در کارهای پیشین مشاهده نشده بود را ببینند.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

نویسنده:

مایکل شربر کمک‌ویراستار مجله‌ی فیزیک در لیون فرانسه است.

منبع:

Collection of Disks Mimics Earthquakes