大学教育网

3D模型揭示了地震波如何穿过地球

导读 1985 年 9 月一个阳光明媚的早晨,一场大地震在墨西哥城造成 9000 多人死亡,尽管地震的震中在 200 英里之外。最严重的破坏发生在城...

1985 年 9 月一个阳光明媚的早晨,一场大地震在墨西哥城造成 9000 多人死亡,尽管地震的震中在 200 英里之外。

最严重的破坏发生在城市本身——部分原因是墨西哥城建在一个被群山环绕的古老盆地之上。软地基被认为放大了震动,导致地震波在地面上弹跳。

科学家们担心,因为世界上许多人口稠密的城市,如洛杉矶,都建在类似的盆地上,研究人员很难了解地面在此类地震中是如何移动的。但是使用 3D 打印和激光的创新技术可以帮助我们更好地了解地面震动过程中发生的情况,以及地下不同的地层和层如何减少或增加地震中的破坏。

Sunyoung Park 说:“我们知道,如果你在盆地或山上,你会经历不同的地震,但预测或模拟这真的很困难,部分原因是很难获得你需要的详细程度。”是芝加哥大学的地球物理学家,也是发表在《科学报告》上的描述该过程的研究的主要作者。“使用这些 3D 模型,您可以获得一定程度的粒度,真正帮助您看到原本无法看到的模式。这是一种非常巧妙的技术。”

基本事实

在我们的脚下,大地是由无数层层叠叠而成的。这些范围可能从软粘土到脆性页岩。每个层在地震中的反应都不同——例如,更灵活的层可以吸收一些运动,而其他层会放大它。地震的深度和强度以及周围的地理位置也可以发挥作用,导致海浪反弹。所有这些因素结合在一起,使得预测地震破坏变得极其困难。

科学家们可以使用计算机来尝试模拟发生的事情,但它并不完美。“模拟所有这些真的很难做到,不仅因为它是计算密集型的,而且我们对小尺度的物理学知之甚少——也就是说,小到一英里或更小的水平,”帕克解释说。“例如,如果有充满水或岩浆房的含水层,它们如何影响波浪?我们不太清楚。”

追溯到 1920 年代的日本,科学家们已经尝试建立实际的地面物理模型,以了解地震中会发生什么。但它们是极其劳动密集型和有限的。“你必须雕刻出许多单独的层并试图将它们完美地粘合在一起,而且有这么多不同种类的岩石,很难获得准确的复制品,”帕克说。

因此,Park 和她的合作者认为这将是 3D 打印的完美应用。

使用特殊的金属 3D 打印机,他们可以创建任意数量的层,并且完美地叠放在一起。它从金属粉末开始,通过激光加热,一次形成一层;通过改变激光的强度和扫描速度,它们可以使每一层更多孔或更致密,以模拟不同种类的岩石。

使用这种方法,科学家们在洛杉矶市下方的岩石上创建了一个精确的复制品(比例为 250,000 比 1),其长度仅为 8 英寸。

然后他们使用激光和实验室设备来模拟地震,并监控模型以查看波浪如何穿过不同的层。

帕克说,它看起来与现实地震中记录的数据极为相似。他们可以像在真实的地震观测中一样观察穿过模型的各种类型的地震波。

特别是对于这项研究,他们想看看不同频率的地震波是如何通过地面传播的。低频波更容易检测和研究,因此对它们的研究比高频波要多得多。但高频波被认为是破坏建筑物和基础设施的罪魁祸首。借助打印的模型,科学家们可以更直接地模拟更高频率的波。

他们的一些发现令人惊讶。“这一结果实际上表明,在盆地内,高频波减弱得更多,这与之前的想法几乎完全相反,”帕克说。

科学家们之前已经看到低频波在盆地内被放大,因此他们认为高频波可能也是如此。相反,看起来高频波在盆地边缘被反射。结果,它们在盆地内减少,而在盆地边缘附近放大。

“这似乎意味着我们对低频波的理解并不适用于高频波,我们可能需要一个不同的框架来理解这些震动,”她说。

帕克说,金属模型可以在几个小时内完成,并且可以多次重复使用。他们已经使用 LA模型进行了 2,000 多次实验。

帕克可以想到这项技术的许多不同用途,而不仅仅是地震。我们对地球更深层的了解是有限的,也许 3D 模型可以填补一些空白。此外,新技术还可以检测空气波。因此,Park 和她的团队正在研究山谷山脉等地理特征对空气波传播的影响,这可以提高我们对火山或人为爆炸的理解。

“我们甚至可以做其他行星;例如,我们从月球和火星上的地震传感器知道他们经历了地震和月震,但他们的记录看起来与地震的记录完全不同,”帕克说。“你可以想象创建月球或火星的比例模型来试图理解。”