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3D打印模型具备对地震波的洞察力

文章和图片来源:        时间:2022.06.29        点击率:

  无论住在何方,人们都有可能遇到一些极端天气情况,如在俄亥俄州,整个春天都有龙卷风;在热带地区,如澳大利亚、印度和北美的墨西哥湾沿岸,飓风和暴风雪在中西部偏上地区和大平原地区相当常见。

  而在美国西部,地震频发,1985年,墨西哥城发生大地震,尽管震中在200多英里之外,仍造成9000多人死亡。芝加哥大学研究人员正在使用3D打印技术来了解更多关于地震后地面的震动情况,以及地层是如何增加或减少破坏的。

  经过数十亿年的积累,不同的地层构成了地面,并且各不相同,有些易碎、有些柔软。在地震发生时,这些地层反应不同,地震波会根据地震的强度和深度,以及附近的地理情况而发生波动。因此,预测地震可能造成的破坏是非常棘手的。例如,墨西哥城地处一个群山环绕的古老盆地之上,研究人员认为,该地区的软地基导致震动更强,破坏更强。对此,计算机模型可以提供一点帮助,但并不完全准确。

  芝加哥大学地球物理学家Sunyoung Park表示:“模拟这一切都是非常困难的,不仅需要大量的计算,而且对小尺度的物理知识还不够了解。例如,如果有充满水的含水层或岩浆室,它们如何影响地震波?我们并不十分清楚。”

  地面的物理模型也曾被尝试过,但它们需要很长时间制作,并且范围和规模也是有限的。但3D打印模型可能是一种更好的模拟地震的方法。Park和其他研究人员就其工作发表了一篇论文,描述如何使用Concept Laser M2 Cusing金属3D打印机及其直接金属激光熔化(DMLM)技术打印3D打印模型,以更好地了解地震波如何在地面上传播。金属3D打印机的激光器加热不锈钢粉末,使其在彼此之上形成多层,通过改变激光的速度和强度,使这些层更加密集或多孔来模拟不同的岩石类型。

  该研究的主要作者Park解释说:“预测或模拟的困难,部分原因是很难获得所需的细节水平。有了这些3D打印模型,可以获得一定程度的颗粒度,真正帮助我们看到在其他情况下看不到的模式。3D打印模型是一种非常巧妙的技术。”

  研究小组想要研究不同频率的地震波如何在地面传播,特别是高频波,因其被认为是造成更多建筑和基础设施破坏的原因。他们使用的金属3D打印机,以250000:1的比例,金属3D打印了一个8英寸长的洛杉矶地下岩石复制品,这与墨西哥城地下的岩石高度相似。利用激光和其他设备,研究人员模拟了一场地震,并监测了该3D打印模型,以观察地震波是如何穿过各地层。

  Park表示监测3D打印模型的结果与实际地震中记录的数据非常相似,但对一些发现也感到惊讶不已,例如高频波在盆地内会减弱更多,这几乎与之前的想法完全相反。先前其他科学家观察到低频波在盆地环境中会被放大,因此他们认为高频波同理。但是使用金属3D打印模型,研究小组发现,高频波似乎在盆地的边缘被反射。

  Park解释说:“这意味着,我们对低频波的理解并不适用于高频波,借助3D打印模型,可能需要一个不同的框架来理解这些震动。”

  打印一个3D打印模型只需几个小时,并且能够重复使用。研究小组已在2000多次实验中使用其洛杉矶的3D打印模型复制品。此外,这些3D打印模型也可用于类似类型的研究。

  她总结道:“借助3D打印模型,我们甚至可以研究其他星球,例如,从月球和火星上的地震传感器得知,它们经历过火星地震和月球地震,但其记录与地震的记录截然不同。我们也许可以创造月球或火星的比例模型来试图理解。”

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