研究人员开发出一种实验室地震模型，首次将断层表面间的真实接触面积与地震发生的可能性直接关联，揭示了微观摩擦与宏观地震之间的力学联系，为地震机理研究和预测提供了全新视角。相关研究近日发表于美国《国家科学院院刊》。
“我们本质上打开了通往地震力学核心的窗口。”南加州大学多恩西夫文理学院地球科学副教授、该研究的首席研究员Sylvain Barbot说，“通过观察断层表面之间的实际接触面积在地震周期中的演变，我们现在可以解释断层应力的缓慢积累以及随后的快速破裂。长远来看，这或将催生监测和预测地震孕育早期阶段的新方法。”
数十年来，科学家一直依赖经验性的“速率与状态”摩擦定律来模拟地震——这些数学描述虽然有效，但无法解释其背后的物理机制。“我们的模型揭示了地震周期中断层界面实际发生的物理过程。”Barbot说。
Barbot表示：“当两个粗糙的表面相互滑动时，它们仅在微观、孤立的接触点上相互作用，这些接触点仅覆盖了总表面积的一小部分。”这种这种肉眼不可见但可通过光学技术测量的“实际接触面积”正是控制地震行为的关键状态变量。
研究采用透明丙烯酸材料，使研究人员能直观观测地震破裂的实时演变。借助高速摄像机和光学测量技术，团队追踪了LED光强在实验室地震中随接触点形成、增长和破坏的动态变化。
"我们能够直接观察破裂传播过程中接触面积的演变，"Barbot描述道，“在快速破裂阶段，约30%的接触面积在毫秒间消失——这种剧烈弱化正是驱动地震的关键。”
实验结果揭示了一个隐藏数十年的关系：传统地震模型中使用的经验"状态变量"，本质上对应着断层间的真实接触面积。这一发现首次为1970年代以来地震科学的核心数学概念提供了物理解释。
研究人员分析了26种不同的模拟地震场景，发现破裂速度与断裂能量之间的关系符合线性弹性断裂力学的预测。该团队的计算机模拟成功地再现了实验室中的慢速和快速地震，不仅匹配了破裂速度和应力下降，还再现了破裂过程中穿越断层界面的光强变化。
在地震周期中，接触面积的变化会影响电导率、水力渗透性和地震波传播等多种可测量的特性，由于实际接触面积影响断层带的多种物理特性，持续监测这些代理参数有望为断层行为研究提供新见解。
研究表明，监测断层接触的物理状态可能为地震短期预警系统提供新的工具，甚至可能通过监测断层的电导率实现可靠的地震预测。
“如果我们能够在自然断层上持续监测这些特性，我们或许能够探测到地震成核的早期阶段。”Barbot解释说，“这将催生在地震波辐射前早期监测震源孕育过程的新方法。”
研究人员计划将他们的发现扩展到实验室控制条件之外。Barbot认为，该研究的模型为理解断层特性在地震周期中的演变提供了物理基础。
相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2410496122
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