科学家们建立了一个实验室模型，直观地追踪断层表面之间微观接触点在地震周期中如何演变，揭示了构造应力缓慢积累和快速破裂导致地震背后的隐藏机制。这一突破揭示了一个长期用于模型但从未完全理解的关键物理变量：真实接触面积。通过LED照明和透明材料，研究人员观察到破裂在毫秒内展开，并通过模拟验证了他们的发现，可能为未来基于可测物理信号（如电导率）的实时地震预测系统打开了大门。
研究人员开发了一种实验室地震模型，将断层表面之间的微观真实接触面积与地震发生的可能性联系起来。该研究发表在《美国国家科学院院刊》中，展示了微观摩擦与地震之间的关联，为地震机制和潜在预测提供了新的见解。
“我们基本上打开了地震机制的心窗，”南加州大学多恩西夫文理学院地球科学副教授兼该研究的主要研究者Sylvain Barbot表示。“通过观察断层表面之间真实接触面积在地震周期中的演变，我们现在可以解释断层中应力的缓慢积累和随之而来的快速破裂。未来，这可能导致新方法来监测和预测早期阶段的地震成核。”
几十年来，科学家们依赖经验“速率和状态”摩擦定律来模拟地震——这些数学描述有效但未能解释潜在的物理机制。“我们的模型揭示了在地震周期中断层界面实际发生的情况。”
Barbot表示，这一发现是一个貌似简单的概念：“当两个粗糙表面相互滑动时，它们仅在覆盖总表面积一小部分的微小孤立接点上接触。”这种“真实接触面积”——肉眼无法看到但可以通过光学技术测量——事实证明是控制地震行为的关键状态变量。
实验室地震：实时点亮地震
该研究利用透明亚克力材料，使研究人员能够字面上实时观察地震破裂的展开。利用高速摄像机和光学测量，研究团队追踪了在实验室地震中，当接触接点形成、增长和被破坏时LED光传输的变化。
“我们可以字面上观察接触面积随着破裂传播而演变，”Barbot说道。“在快速破裂过程中，我们看到约30%的接触面积在毫秒内消失——这是一种驱动地震的显著减弱。”
实验室结果揭示了一个先前隐藏的关系：在标准地震模型中，经过数十年应用的经验“状态变量”代表了断层表面之间的真实接触面积。这个发现为自1970年代以来在地震科学中处于核心地位的数学概念提供了首个物理解释。
从模拟到预测
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。研究团队的计算机模拟成功地再现了缓慢和快速的实验室地震，不仅匹配了破裂速度和应力下降，还匹配了破裂过程中通过断层界面的光传输量。
随着接触面积在地震周期中变化，它们影响多个可测量属性，包括电导率、液压渗透率和地震波传输。由于真实接触面积影响断层区的多个物理属性，持续监测这些代理在地震周期中的变化可能为了解断层行为提供新的见解。
这些意义超越了学术理解和实验室实验。研究表明，监测断层接触的物理状态可能为短期地震系统提供新工具，并可能利用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属性，我们可能能够检测到地震成核的早期阶段，”Barbot解释道。“这可能为监测早期阶段的地震成核提供新方法，远在 seismic waves 被释放之前。”
展望未来
研究人员计划在受控实验室环境之外扩大他们的研究成果。Barbot解释说：该研究的模型为理解断层性质在地震周期中如何演变提供了物理基础。
“想象一下，未来我们能够在地震发生前检测到断层条件的微妙变化，”Barbot说。“这就是该工作的长期潜力。”
关于该研究
除了Barbot外，曾在南加州大学的Baoning Wu现为加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究者也参与了该研究。
该研究得到了国家科学基金会号码EAR-1848192和加利福尼亚州地震中心提案号码22105的支持。
