Как землетрясения превращают землю в суп

Во время землетрясения земля не всегда просто дрожит и трясётся. В некоторых местах твёрдая земля превращается жидкость, в которой тонут автомобили и целые дороги, а здания, оказавшиеся на внезапно ослабевшей почве, разрушаются. Это «сжижение» — самое, пожалуй, опасное следствие подземных толчков. Наука давно пытается изучить это явление, но, увы, по новым сведениям, многие из соответствующих экспериментов некорректны и не отображают реальные условия в точности.

При отложении осадка крупицы материала (к примеру, песчинки) спокойно опускаются друг на друга (наподобие снежинок), формируя тем самым нечто вроде «скелета». Энергия землетрясения сталкивает зёрна со своих мест, и эта хрупкая структура нарушается. Песчинки начинают свободно двигаться. Одновременно действует другая сила — грунтовые воды. Всё вместе это приводит примерно к такому результату, как если бы каждая кость в нашем скелете стала жить отдельной жизнью. И в итоге земля ведёт себя словно жидкий раствор.

Но не все отложения одинаковы. Учёные и инженеры разрабатывают методы и модели для проверки поведения различных видов осадка в попытке предсказать, где сжижение наиболее вероятно. Градостроители очень заинтересованы в точных данных: нет ничего привлекательного в инфраструктуре (дамбах, газопроводах), которая в результате землетрясения рушится и горит. Кроме того, есть надежда, что однажды специалисты придумают, каким образом снизить риск сжижения земли.

Однако инженер-геотехник Эми Рехенмахер из Южно-Калифорнийского университета (США) утверждает, что все эти методы и модели основаны на недопонимании физики происходящего. Её коллега Дэниэл Лейкленд поясняет: принято считать, что потока воды в поровом пространстве можно не учитывать, поскольку давление в результате землетрясения возрастает намного быстрее (почти в 10 раз), чем его компенсирует поток воды. Поэтому сжижение возникает именно там, где проходит сейсмическая волна.

Чтобы понять, возможно ли сжижение того или иного типа отложений, проводят следующий эксперимент: встряхивают насыщенный водой осадок, заключённый в водонепроницаемый материал. Тем самым измеряется давление в осадке, а поток воды не учитывается. Г-жа Рехенмахер отмечает, что здесь исходят из неправильного предположения о том, будто сжижение случается только в местном масштабе на некотором ограниченном участке отложений, словно вода и давление не мигрируют.

Учёные создали новую модель для более корректного воспроизведения того, что происходит на самом деле. Она показала следующее: как только в песке усиливается гидравлическое давление, вода уходит почти с той же скоростью, с какой растёт давление, и таким образом давление фактически рассеивается в пористом пространстве. Возникает волна давления, которая проходит через осадок, пока в конечном счёте не накапливается. И сжижение в итоге происходит где-то в другом месте, зачастую неожиданном.

Традиционные модели предполагали, что сжижение должно случиться именно там, где толчки создают давление в осадке, но это приводило только к неспособности предсказать последствия и оградить инфраструктуру от разрушений.

Есть, кстати, ещё один нюанс. Вода может натолкнуться на непроницаемый материал — ил или глину, и тогда сжижение произойдёт именно на этой границе. Если в этом месте есть наклон, жди катастрофического оползня...

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society A.

Подготовлено по материалам ScienceNOW.