科研進(jìn)展
蘭州化物所聯(lián)合德國薩爾大學(xué)在斷層摩擦微觀力學(xué)機(jī)制方面獲新進(jìn)展
地震是地殼巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下突然破裂并釋放能量的自然現(xiàn)象。全球每年約發(fā)生500萬次地震，其中造成嚴(yán)重破壞的強(qiáng)震可達(dá)數(shù)十次。盡管人類對地震的研究已有百余年歷史，但斷層如何“鎖定”、如何“滑動(dòng)”，以及摩擦如何在微觀尺度上產(chǎn)生，仍是地震物理學(xué)中的關(guān)鍵科學(xué)問題。傳統(tǒng)地震模型通常認(rèn)為，斷層摩擦主要來源于凹凸體互鎖、硬顆粒犁耕以及破碎巖粉的研磨作用。然而，真實(shí)斷層界面具有復(fù)雜的多尺度粗糙結(jié)構(gòu)，其摩擦行為可能受到更深層次界面物理過程的控制。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 Bo Persson 博士聯(lián)合德國薩爾大學(xué)Sergey V Sukhomlinov 博士，利用融合宏觀摩擦試驗(yàn)、分子動(dòng)力學(xué)模擬與接觸力學(xué)理論，依托花崗巖模型體系，跨尺度闡明了巖石界面摩擦的內(nèi)在物理機(jī)理。
花崗巖是大陸地殼中常見的巖石類型，其力學(xué)性質(zhì)與許多天然斷層圍巖具有相似性，是斷層摩擦研究的重要模型材料。試驗(yàn)證實(shí)，花崗巖界面高摩擦并非主要源于顆粒犁削或研磨作用，而是來源于接觸面微凸體受壓塑性變形后形成的原子級“冷焊”鍵合?；瑒?dòng)過程中，界面鍵合持續(xù)生成與斷裂，構(gòu)成宏觀摩擦阻力的主要來源。
研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，磨屑越少、界面冷焊作用越強(qiáng)，摩擦系數(shù)越高；而磨屑大量積累后，可能隔離基體直接接觸、削弱界面粘附，從而降低摩擦。上述結(jié)果挑戰(zhàn)了顆粒磨損主導(dǎo)巖石摩擦的傳統(tǒng)認(rèn)識，表明斷層摩擦強(qiáng)度需要結(jié)合微凸體接觸、界面粘附、塑性變形和能量耗散等多尺度過程綜合理解。
此外，研究發(fā)現(xiàn)花崗巖摩擦對溫度、滑移速率和靜置時(shí)長變化不敏感，提示經(jīng)典速率-狀態(tài)摩擦定律在向天然大尺度斷層外推時(shí)需考慮尺度效應(yīng)。分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步揭示了摩擦能量耗散的三條主要路徑，化學(xué)鍵斷裂、局部塑性變形和應(yīng)力誘導(dǎo)石英相變。低速試驗(yàn)中接觸閃溫溫升有限，難以顯著弱化石英；而在地震高速錯(cuò)動(dòng)過程中，摩擦升溫引發(fā)的熱弱化可能對斷層失穩(wěn)產(chǎn)生重要影響。
該成果從摩擦學(xué)視角重新認(rèn)識了斷層滑動(dòng)機(jī)理，表明粘附與界面變形是斷層摩擦的重要來源，有助于優(yōu)化現(xiàn)有地震動(dòng)力學(xué)模型，深化對斷層鎖固-滑移及粘滑失穩(wěn)過程的物理認(rèn)識，為板塊運(yùn)動(dòng)、地震觸發(fā)機(jī)制研究及地震危險(xiǎn)性定量評估提供新的理論參考。
圖 1. 花崗巖摩擦宏觀試驗(yàn)與微觀模擬關(guān)鍵結(jié)果。左上（原圖 8）：滑移速率 3 mm/s 條件下，單次清除磨屑摩擦偏低，磨屑累積后干態(tài)摩擦系數(shù)升至 0.95；滑移 300 m 加水后，摩擦降至 0.7。右上（原圖 10）：在 -40 ℃~24 ℃區(qū)間內(nèi)，摩擦系數(shù)幾乎不受溫度與滑動(dòng)速率影響。下方（原圖 21 c）：分子動(dòng)力學(xué)模擬截圖，綠色方框標(biāo)示剪切誘發(fā)石英可逆相變區(qū)域，接觸面出現(xiàn)塑性變形與非晶化。三組數(shù)據(jù)共同證明：花崗巖摩擦由界面冷焊主導(dǎo)，宏觀尺度無明顯速率-狀態(tài)摩擦效應(yīng)。
相關(guān)成果以“Granite sliding on granite: friction, wear rates, surface topography, and the scale-dependence of rate–state effects”為題發(fā)表在Reports on Progress in Physics上，Bo Persson 博士和德國薩爾大學(xué) Sergey V Sukhomlinov 博士為共同第一作者，Bo Persson 博士為通訊作者。相關(guān)成果受到國際學(xué)術(shù)媒體關(guān)注，IOP Publishing /Progress In series以“The hidden mechanics behind earthquakes” 為題刊發(fā) Research Highlight 報(bào)道。報(bào)道指出，該研究闡明了斷層摩擦的微觀力學(xué)機(jī)理，證實(shí)微凸體粘附、原子鍵斷裂與能量耗散過程在宏觀摩擦行為中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為理解斷層滑移及地震發(fā)生機(jī)制提供了新的物理圖像。
圖2. Progress In series 專題報(bào)道配圖：地震斷層邊界。
