科研人员用3D打印的城市模型研究地震

世界上的一些大型城市，比如洛杉矶、墨西哥城和圣地亚哥都位于自然形成的沉积盆地中，其中不少还位于地震带上，容易发生地震。而且根据一些数值模型，地震产生的震动在盆地内会被放大。

但是，最近科研人员用3D打印的城市模型，做了模拟地震的实验，发现实际情况好像恰恰相反。他们发现，最高频率的地震波（那些产生突然的加速度变化，对建筑物最具破坏性的地震波）实际上在模型的盆地内衰减了。该小组指出，这是数字模型完全没有预料到的，可能是因为数值模型在空间分辨率上范围有限，输入的方程式也有一些限制。

沉积盆地是复杂的地质结构。它们一开始是洼地，随着时间的推移，被河流和山体滑坡沉积的低密度物质所填满。在洛杉矶南加州大学从事自然灾害研究的土木工程师Chukwuebuka C. Nweke说：“想象一下，一个碗被填满了东西。”

但是，鉴于数值模型的空间分辨率和运行所需的计算时间之间固有的权衡，在一个数值模型中再现沉积盆地的小规模细节是具有挑战性的。就是你需要把实际情况全部转化为数值，才能获得最准确的答案。但是要把所有情况都变成数值难度太大了。

出于这个原因，芝加哥大学的地震学家Park和她的同事最近开始3D打印洛杉矶盆地的模型。他们发现，可以在3D打印模型中重现相对较小的自然密度变化，相当于现实生活中大约10米的大小。Park说，这比通常用于研究洛杉矶盆地的数值模型的空间分辨率要好10倍左右。

在对橡胶和塑料等材料进行实验后，Park和她的同事们决定采用不锈钢来打印模型。她表示，“不锈钢的模型是刚性的，材料属性范围就大得多。”

很快，他们就采用粉末烧结的方法，3D打印了一个大约20厘米长、4厘米宽、1厘米高的洛杉矶盆地模型。从外观上看并没有什么特点。但实际上，每个模型都包含了大概50公里宽的地质结构，比例为1:250,000。

之后，研究小组通过用兆赫频率的激光轰击他们的模型，产生了极其微小的地震。激光脉冲的热能加热了模型，导致不同的应力转化为运动，尽管非常小：Park和她的同事在模型的顶部记录了十分之一纳米的地面运动。

研究人员发现，他们的模型中较高频率的地面运动（对应现实生活中1赫兹以上的频率）在盆地内普遍减少。研究小组发现，这些波往往在盆地的边缘被选择性地反射回来。

Park说，这是一个惊喜，因为沉积盆地一直被认为是地面运动的放大器。“这些结果在某种意义上与我们的传统理解相反。”

研究人员建议，利用这些模型还有很多可以调查的地方。科学家们在实验中的一个意外发现是，他们的激光脉冲不仅触发了地震波，而且还触发了掠过模型顶面的空气波。Park说，由于这种波受到当地地形的强烈影响，合理的后续工作可能包括在模型的表面添加像山丘和山脉这样的特征，然后测量空中波的传播方式。