中國科大揭示巖石長期緩慢破裂新機制
|
| 日期：2025.11.17 資訊來源：網絡來源 瀏覽人次：765 |
近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院張詩淮研究員團隊首次揭示了巖石在遠低于破裂強度的低應力蠕變條件下，從微觀破裂緩慢演化到宏觀失穩的全新物理機制。這一發現為破解巖石“亞臨界破裂”難題提供了精準的“力學解碼器”，并為理解地震成核、地殼應力演化等地質過程奠定了關鍵理論基礎。相關研究以“From distributed damage to strain localization in rocks during brittle creep”為題，11月13日發表于國際知名物理學期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)，這是中國巖石力學領域率先在該刊發表聚焦巖石破裂物理機制的研究成果。
“亞臨界破裂”是指巖石、冰、陶瓷等脆性材料會在看似穩定的低受力環境中，經歷漫長演化后突然破壞，這在巖石力學、地球物理學、航空航天材料等諸多領域是一個長期困擾學界的共性科學問題。針對巖石材料，傳統理論認為其在低應力下的脆性蠕變主要由亞臨界裂紋擴展控制，但該機制僅適用于接近峰值強度的高應力環境，難以解釋地殼中在極低應力下持續數百萬年乃至更長時間的緩慢變形及破裂現象。
圖1.低應力蠕變實驗觀測到裂紋自相似滑移(a)和應力轉移(b)
針對上述科學挑戰，研究團隊首先設計了恒定低荷載蠕變實驗，模擬自然界中長期構造力的作用。實驗采用脆性聚苯乙烯材料制備含預制閉合裂紋的試樣，通過數字圖像相關(DIC)技術精確測量裂紋周圍的微應變演化，首次在緩慢滑動階段直接觀測到兩個關鍵過程(圖1)：一是裂紋界面在低于破裂強度的恒定應力水平下發生自相似的持續滑移；二是此過程伴隨著持續的剪應力松弛并向裂紋尖端方向轉移，表現為裂紋膨脹區向初始壓實區的逐步擴展，引發尖端局部應變的持續累積。
基于這一新機理，研究團隊進一步開發了結合速率-狀態摩擦與斷裂力學的有限元模型，成功再現了巖石在脆性蠕變過程中從分布式損傷到應變局部化轉變的這一普遍現象，并解釋了一些大地震前持續數年的漸進性局部化變形過程。模擬結果表明，巖石中廣泛存在的微裂紋在持續摩擦滑移的調控下，大多數會因應力松弛而逐漸衰減，而少數裂紋則會相互觸發不斷加速，最終形成宏觀斷層帶(圖2)?；谏鲜霭l現，研究團隊建立了從微觀摩擦滑移到宏觀失穩的統一物理框架，揭示了巖石“亞臨界破裂”的本質是其內部永不停歇的微觀摩擦主導的應力重分配與破裂的協同演化。
圖2.四種微裂紋應力調制模式與宏觀破裂分布統計
研究首次從實驗與理論兩方面完整揭示了巖石長期緩慢破裂的物理機制，成功破解了長期困擾巖石力學、材料力學、地球科學等領域的“亞臨界破裂”難題，為巖石、冰、陶瓷等脆性結晶材料在任意受力條件下的長期變形與破裂提供了統一的解釋框架，也為理解地震孕育、地殼應力演化及地下工程長期穩定性等領域提供了關鍵物理基礎。
審稿人高度評價這項工作，認為其“為分布式損傷如何演變成局部剪切帶提供了寶貴見解，對理解地震成核的起始非常重要”，“有助于拓寬期刊PRL的視野，促進地球物理學、材料科學和物理學界之間的跨學科交流”。
論文第一作者是中國科學技術大學地球和空間科學學院博士生蔣林桐，通訊作者是中國科學技術大學地球和空間科學學院張詩淮研究員，合作者包括昆明理工大學國土資源工程學院吳順川教授。該研究得到了中國科學技術大學“雙一流”建設專項基金、深地國家科技重大專項以及中國科協青年人才托舉工程的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/rtvp-wnfd
|
|
|
免責聲明：本文僅代表作者本人觀點，與全球礦產資源網無關。 文章內容僅供參考，不構成投資建議。請讀者僅作參考，并請自行承擔全部責任。 |
|
|
|