澎湃新聞見習記者 虞涵棋
2017-03-01 22:12 來源：澎湃新聞
我們已經知道世界上絕大多數地震是由地殼斷層引起的，但這些斷層在什麼時候會突然發作，我們卻難以準確把握斷層的「脾氣」。除了在地震統計中發現規律、尋找地震的「前兆」現象之外，科學家們主要通過檢測地質情況來試圖預測地震，比如用雷射儀來探測地殼活動、用地震儀來捕捉地震波。目前人類已經大致把握住地震多發地帶，但對於發生時間的預判能力十分有限。
近日，美國的一個研究團隊建立了首個摩擦力「老化」的數學模型，不僅更好地解釋了大型地震的發生，也有助於判斷斷層何時會發生滑動，由此可能實現對大型地震的預測。
此前，地質學家們已經發現，在地殼發生形變的地震斷層板塊邊界，斷層也會產生對抗形變的地質應力，這時斷層處於一個「蓄力」的狀態，等待在沉默中爆發。由於斷層處的形變會不斷累積，一旦應力突破最大靜摩擦力，斷層就會發生滑動，觸發地震。
但來自賓夕法尼亞大學、哈佛大學和威斯康辛麥迪遜大學的這個研究團隊發表在《物理評論快報》上的文章指出，一方面，地質應力會在形變中不斷積累，另一方面，摩擦力本身也是在增加的。地質應力和摩擦力兩兩相漲，最終形成大爆發，不僅增加了地震發作時間的不確定性，也增加了大型地震的發作頻率。
速率與狀態依賴性摩擦本構關係（RSF本構關係）是宏觀摩擦力領域的一條「基本法」，被廣泛應用在描述孕震帶不同巖石材料的宏觀摩擦行為。RSF本構關係中有一個基本概念是「老化」，指的是在粗糙面蠕變和界面強化的作用下，摩擦力隨靜態接觸時間的增加而增加。在地震這個例子裡，就是地殼斷層處的靜摩擦力會在斷層尚未滑脫、相互擠壓接觸時不斷累加。
「這個『老化』機制是斷層活動不穩定性的關鍵」，論文主要作者、賓夕法尼亞大學機械工程和應用機械系主任Robert Carpick說道，「如果沒有『老化』機制，斷層會更容易滑動，這樣只會觸發小型地震，甚至都不是地震，而是平滑的移動。『老化』機制導致了不頻繁的災難性大地震。」
以往的研究都集中在宏觀的地殼層面上，為了探究大地震更基礎的、更「物理學」的本質，研究團隊選擇在微觀層面上進行實驗，以期建立某種基本模型。
在微觀層面上，美國的這個研究團隊運用原子力顯微鏡觀察到納米級二氧化矽接觸面的摩擦力的「老化」現象。之所以選擇二氧化矽，是因為它是許多種巖石的主要成分。
在第一部分實驗中，研究團隊發現材料的接觸時間和靜摩擦力呈近似對數關係。即，當兩塊納米二氧化矽材料接觸的時間增加到10倍時，外力需要加倍才能迫使它們產生滑動。
在第二部分實驗中，研究團隊發現材料承載的負荷與靜摩擦力呈近似線性關係。即，當承載負荷加倍時，產生滑動所需的外力也會加倍。
該實驗結果與此前一種解釋「老化」機制的理論模型相符。該理論假設，摩擦力增加是由於接觸面逐漸生成了化學鍵。接觸時間更長，生成的化學鍵數目自然會越多。而實驗結果也反駁了另一種理論假說：壓力越大，化學鍵會形成得越快。研究者認為，增大接觸壓力僅僅是增加了原子接觸位點的數量。
目前，研究者們正試圖在更短的接觸時間內觀察摩擦力的變化，以期窺探出材料接觸的那一瞬間到底發生了怎樣的起始變化。
Carpick總結道，「現在地震位置能被較好地預測出來，但預測地震發生的時間時間很難。這在很大程度上是因為我們缺乏對地震背後摩擦力機制的物理學理解。我們還需要花很久把這個成果應用在地震上，但是，這個成果揭示了摩擦力『老化』的基本機制。未來，我相信這種基礎性的研究能幫助我們更好地預測地震。」
(本文來自澎湃新聞，更多原創資訊請下載「澎湃新聞」APP)
關鍵詞 >> 地震,預測,地殼,斷層,摩擦力,物理評論快報,澎湃,澎湃新聞