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首个摩擦力老化数学模型

  近日,美国的一个研究团队建立了首个摩擦力“老化”的数学模型,不仅更好地解释了大型地震的发生,也有助于判断断层何时会发生滑动,由此可能实现对大型地震的预测。

        此前,地质学家们已经发现,在地壳发生形变的地震断层板块边界,断层也会产生对抗形变的地质应力,这时断层处于一个“蓄力”的状态,等待在沉默中爆发。由于断层处的形变会不断累积,一旦应力突破最大静摩擦力,断层就会发生滑动,触发地震。
        但来自宾夕法尼亚大学、哈佛大学和威斯康辛麦迪逊大学的这个研究团队发表在《物理评论快报》上的文章指出,一方面,地质应力会在形变中不断积累,另一方面,摩擦力本身也是在增加的。地质应力和摩擦力两两相涨,最终形成大爆发,不仅增加了地震发作时间的不确定性,也增加了大型地震的发作频率。
        速率与状态依赖性摩擦本构关系(RSF本构关系)是宏观摩擦力领域的一条“基本法”,被广泛应用在描述孕震带不同岩石材料的宏观摩擦行为。RSF本构关系中有一个基本概念是“老化”,指的是在粗糙面蠕变和界面强化的作用下,摩擦力随静态接触时间的增加而增加。在地震这个例子里,就是地壳断层处的静摩擦力会在断层尚未滑脱、相互挤压接触时不断累加。
       “这个老化机制是断层活动不稳定性的关键”,论文主要作者、宾夕法尼亚大学机械工程和应用机械系主任Robert Carpick说道,“如果没有老化机制,断层会更容易滑动,这样只会触发小型地震,甚至都不是地震,而是平滑的移动。老化机制导致了不频繁的灾难性大地震。”
        以往的研究都集中在宏观的地壳层面上,为了探究大地震更基础的、更“物理学”的本质,研究团队选择在微观层面上进行实验,以期建立某种基本模型。
       在微观层面上,美国的这个研究团队运用原子力显微镜观察到纳米级二氧化硅接触面的摩擦力的“老化”现象。之所以选择二氧化硅,是因为它是许多种岩石的主要成分。
       在第一部分实验中,研究团队发现材料的接触时间和静摩擦力呈近似对数关系。即,当两块纳米二氧化硅材料接触的时间增加到10倍时,外力需要加倍才能迫使它们产生滑动。
        在第二部分实验中,研究团队发现材料承载的负荷与静摩擦力呈近似线性关系。即,当承载负荷加倍时,产生滑动所需的外力也会加倍。
        该实验结果与此前一种解释“老化”机制的理论模型相符。该理论假设,摩擦力增加是由于接触面逐渐生成了化学键。接触时间更长,生成的化学键数目自然会越多。而实验结果也反驳了另一种理论假说:压力越大,化学键会形成得越快。研究者认为,增大接触压力仅仅是增加了原子接触位点的数量。
        目前,研究者们正试图在更短的接触时间内观察摩擦力的变化,以期窥探出材料接触的那一瞬间到底发生了怎样的起始变化。
        Carpick总结道,“现在地震位置能被较好地预测出来,但预测地震发生的时间很难。这在很大程度上是因为我们缺乏对地震背后摩擦力机制的物理学理解。我们还需要花很久把这个成果应用在地震上,但是,这个成果揭示了摩擦力老化的基本机制。未来,我相信这种基础性研究能帮助我们更好地预测地震。”
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