可視化模型為地震預(yù)警開辟新路徑
更新時(shí)間：2025/6/19 11:15:36 來源：新華社
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美國研究人員近日在美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表論文稱，通過構(gòu)建可視化的地震模型，他們首次實(shí)時(shí)追蹤了斷層面之間微觀接觸點(diǎn)在地震周期中的演化過程，從而揭示板塊構(gòu)造應(yīng)力緩慢積累與地震快速破裂背后的物理機(jī)制。研究結(jié)果有望為地震預(yù)測和預(yù)警開辟新路徑。
美國南加州大學(xué)的研究人員介紹說，當(dāng)兩個(gè)粗糙表面相互滑動(dòng)時(shí)，實(shí)際上只在極小的、孤立的接觸點(diǎn)接觸，總接觸面積只占整個(gè)表面的一小部分。而這一用肉眼無法看到、但可通過光學(xué)方法測量的實(shí)際接觸面積，正是控制地震行為的關(guān)鍵狀態(tài)變量。
借助透明的丙烯酸材料，研究人員在實(shí)驗(yàn)室“真正看到”了地震破裂的實(shí)時(shí)過程。通過高速相機(jī)和光學(xué)測量，研究人員追蹤了在實(shí)驗(yàn)室地震中，LED光傳輸是如何隨著接觸點(diǎn)的接觸變化而變化的。在地震快速破裂過程中，研究人員觀察到大約30%的接觸面積在幾毫秒內(nèi)消失，這推動(dòng)了地震的發(fā)生。
在分析了26種不同的模擬地震情境后，研究人員發(fā)現(xiàn)破裂速度與斷裂能（即“撕裂”或“裂開”材料所需的能量）之間的關(guān)系符合線彈性斷裂力學(xué)的預(yù)測。他們的計(jì)算機(jī)模擬不僅成功再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中的緩慢和快速地震過程，還在破裂速度、應(yīng)力下降幅度和光透過率等多個(gè)維度與預(yù)測結(jié)果高度吻合。地震周期中接觸面積的變化會(huì)影響諸如電導(dǎo)率、滲透率和地震波透射率等多種可測物理屬性。因此，持續(xù)監(jiān)測這些間接指標(biāo)，有望揭示斷層的行為變化。
這項(xiàng)研究結(jié)果揭示了一個(gè)長期隱藏的聯(lián)系：標(biāo)準(zhǔn)地震模型中使用的經(jīng)驗(yàn)性“狀態(tài)變量”，其實(shí)正對應(yīng)著斷層面之間的實(shí)際接觸面積。這是自20世紀(jì)70年代以來，地震科學(xué)領(lǐng)域第一次對這一關(guān)鍵數(shù)學(xué)變量給出物理解釋。
這一發(fā)現(xiàn)不僅具有理論意義，更可能為現(xiàn)實(shí)世界的地震預(yù)測帶來突破。未來，監(jiān)測斷層真實(shí)接觸狀態(tài)的物理屬性可能成為短期預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。
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美國研究人員近日在美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表論文稱，通過構(gòu)建可視化的地震模型，他們首次實(shí)時(shí)追蹤了斷層面之間微觀接觸點(diǎn)在地震周期中的演化過程，從而揭示板塊構(gòu)造應(yīng)力緩慢積累與地震快速破裂背后的物理機(jī)制。研究結(jié)果有望為地震預(yù)測和預(yù)警開辟新路徑。
美國南加州大學(xué)的研究人員介紹說，當(dāng)兩個(gè)粗糙表面相互滑動(dòng)時(shí)，實(shí)際上只在極小的、孤立的接觸點(diǎn)接觸，總接觸面積只占整個(gè)表面的一小部分。而這一用肉眼無法看到、但可通過光學(xué)方法測量的實(shí)際接觸面積，正是控制地震行為的關(guān)鍵狀態(tài)變量。
借助透明的丙烯酸材料，研究人員在實(shí)驗(yàn)室“真正看到”了地震破裂的實(shí)時(shí)過程。通過高速相機(jī)和光學(xué)測量，研究人員追蹤了在實(shí)驗(yàn)室地震中，LED光傳輸是如何隨著接觸點(diǎn)的接觸變化而變化的。在地震快速破裂過程中，研究人員觀察到大約30%的接觸面積在幾毫秒內(nèi)消失，這推動(dòng)了地震的發(fā)生。
在分析了26種不同的模擬地震情境后，研究人員發(fā)現(xiàn)破裂速度與斷裂能（即“撕裂”或“裂開”材料所需的能量）之間的關(guān)系符合線彈性斷裂力學(xué)的預(yù)測。他們的計(jì)算機(jī)模擬不僅成功再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中的緩慢和快速地震過程，還在破裂速度、應(yīng)力下降幅度和光透過率等多個(gè)維度與預(yù)測結(jié)果高度吻合。地震周期中接觸面積的變化會(huì)影響諸如電導(dǎo)率、滲透率和地震波透射率等多種可測物理屬性。因此，持續(xù)監(jiān)測這些間接指標(biāo)，有望揭示斷層的行為變化。
這項(xiàng)研究結(jié)果揭示了一個(gè)長期隱藏的聯(lián)系：標(biāo)準(zhǔn)地震模型中使用的經(jīng)驗(yàn)性“狀態(tài)變量”，其實(shí)正對應(yīng)著斷層面之間的實(shí)際接觸面積。這是自20世紀(jì)70年代以來，地震科學(xué)領(lǐng)域第一次對這一關(guān)鍵數(shù)學(xué)變量給出物理解釋。
這一發(fā)現(xiàn)不僅具有理論意義，更可能為現(xiàn)實(shí)世界的地震預(yù)測帶來突破。未來，監(jiān)測斷層真實(shí)接觸狀態(tài)的物理屬性可能成為短期預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。
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