地震过程的实验室模拟

发布时间:2021-10-12 20:21:24 来源:中国地震局公共服务司(法规司)
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中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室 郭彦双

  地震,即大地的振动,是指地壳突然快速释放能量过程中引起的振动,并以地震波方式向外传播的一种自然现象。现代地震学的最重要成果之一,就是确认了地震(尤其是浅源地震)是由地壳内板块之间相互挤压引起板块边界或板块内部产生的错动和破裂,这是地震发生的主要原因。

  我国发生的破坏性地震大多属于浅源强震,震源主要在地表以下一、二十千米的深处,这对在自然状态下研究地震孕育与发生过程带来了极大的挑战,正所谓“上天容易入地难”。地震研究人员为了克服这一难题,通过物理实验模拟地表至地下震源深度范围内的温度、压力环境,在实验室内研究地震孕育发生和破裂传播的全过程,探索地震发生的物理机制,开展防震减灾基础研究与工程避震应用研究工作。开展此项研究工作需要设计制造相应的试验设备,中国地震局地质研究所(地震动力学国家重点实验室)构造物理实验室研究人员研制了用于测量地质材料基本力学参数的单轴拉、压实验机,可测量材料的弹性模量、泊松比、抗压强度和抗拉强度等;用于模拟构造变形与失稳过程的双轴实验机,可开展各种复杂发震构造的复杂动力学模拟,同步连续观测应变(变形)、应力、位移、温度、波速和声发射(微震)等多物理参量时空演化过程,识别岩石与断层失稳的前兆特征;用于测量深部地质材料力学性质的高温高压岩石力学实验机、高温高压岩石物理试验机、高温高压流变试验机等,可测量震源深度温、压条件下地质材料或构造的力学行为和相关物理参数,如波速与电阻率变化、断层微结构变化、流变与相变等特征;用于模拟同震与滑坡过程的低-高速旋转剪切摩擦试验机,可实现地震滑动速率(~米/秒)下长距离滑动和高温高压下的断层滑动过程模拟。

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  在日常生活中,有许多现象是与地震过程相似的。人们偶尔会因调整摆放位置而推动桌子,推动桌子的过程一般可分为两种模式:一是连续地推,直到推至指定位置,比如很轻的桌子,会引起地面和桌子持续不断的小振动,这可以类比到地震上的稳滑(stable slip);另一种是断续地推(尤其是对较重的桌子),即推一下桌子移动一小段距离,但会引起较大的震动,这可以类比到地震上的粘滑(stick slip),一般浅源强震属于此种情况,断裂破裂力度极大。研究人员可以通过多种手段(如图(c)中设备)监测这一过程中透露出的各种信息,进而解译出桌子与地面之间界面(地震学上称为断层)的时空演化特征,从而提出巧妙的解决方案来实现让桌子更容易被推动(润滑),还是让桌子更稳定而不易被推动(止滑)。这属于相关基础研究的一个实际应用。

  当然,地震现象要远比推桌子复杂,而且由于地震震源处于地下深部,其本身的不可入性带来了更艰巨的科学挑战。对于天然地震而言,研究人员只能通过在地表或浅表布设各种仪器,对地震活动进行持续不断地监测,从海量数据中提取有效信息,期待可以在地震来临前打一声招呼。研究人员不断尝试提出新思路、开发新技术和建立新方法,一步一步将震源处的“黑箱”渐渐变为“灰箱”,直至透明箱子,这寄希望于地震科技的持续创新。

  对于地震研究者而言,室内物理实验为地震机理研究打开一扇窗,为野外开展地震观测,尤其是地震前兆观测提供了物理支撑,为地震预测方法提供科学的检验。终有一天,人类会解决地震预报问题,但地震研究依然不会终止。或许,摘取地震研究巅峰上的桂冠,就在这点点滴滴的积累和不断地探索中实现。

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