科學家發現地震預測新途徑

研究人員開發出一種實驗室地震模型，首次將斷層表面間的真實接觸面積與地震發生的可能性直接關聯，揭示了微觀摩擦與宏觀地震之間的力學聯系，為地震機理研究和預測提供了全新視角。相關研究近日發表于美國《國家科學院院刊》。

“我們本質上打開了通往地震力學核心的窗口。”南加州大學多恩西夫文理學院地球科學副教授、該研究的首席研究員Sylvain Barbot說，“通過觀察斷層表面之間的實際接觸面積在地震周期中的演變，我們現在可以解釋斷層應力的緩慢積累以及隨后的快速破裂。長遠來看，這或將催生監測和預測地震孕育早期階段的新方法。”

數十年來，科學家一直依賴經驗性的“速率與狀態”摩擦定律來模擬地震——這些數學描述雖然有效，但無法解釋其背后的物理機制。“我們的模型揭示了地震周期中斷層界面實際發生的物理過程。”Barbot說。

Barbot表示：“當兩個粗糙的表面相互滑動時，它們僅在微觀、孤立的接觸點上相互作用，這些接觸點僅覆蓋了總表面積的一小部分。”這種這種肉眼不可見但可通過光學技術測量的“實際接觸面積”正是控制地震行為的關鍵狀態變量。

研究采用透明丙烯酸材料，使研究人員能直觀觀測地震破裂的實時演變。借助高速攝像機和光學測量技術，團隊追蹤了LED光強在實驗室地震中隨接觸點形成、增長和破壞的動態變化。

"我們能夠直接觀察破裂傳播過程中接觸面積的演變，"Barbot描述道，“在快速破裂階段，約30%的接觸面積在毫秒間消失——這種劇烈弱化正是驅動地震的關鍵。”

實驗結果揭示了一個隱藏數十年的關系：傳統地震模型中使用的經驗"狀態變量"，本質上對應著斷層間的真實接觸面積。這一發現首次為1970年代以來地震科學的核心數學概念提供了物理解釋。

研究人員分析了26種不同的模擬地震場景，發現破裂速度與斷裂能量之間的關系符合線性彈性斷裂力學的預測。該團隊的計算機模擬成功地再現了實驗室中的慢速和快速地震，不僅匹配了破裂速度和應力下降，還再現了破裂過程中穿越斷層界面的光強變化。

在地震周期中，接觸面積的變化會影響電導率、水力滲透性和地震波傳播等多種可測量的特性，由于實際接觸面積影響斷層帶的多種物理特性，持續監測這些代理參數有望為斷層行為研究提供新見解。

研究表明，監測斷層接觸的物理狀態可能為地震短期預警系統提供新的工具，甚至可能通過監測斷層的電導率實現可靠的地震預測。

“如果我們能夠在自然斷層上持續監測這些特性，我們或許能夠探測到地震成核的早期階段。”Barbot解釋說，“這將催生在地震波輻射前早期監測震源孕育過程的新方法。”

研究人員計劃將他們的發現擴展到實驗室控制條件之外。Barbot認為，該研究的模型為理解斷層特性在地震周期中的演變提供了物理基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2410496122