研究發現巖石深處的“慢性病” | 科技前線

近日，中國科學技術大學團隊通過實驗和模擬，揭示了巖石在低應力蠕變條件下從微觀破裂到宏觀失穩的機制，為破解巖石“亞臨界破裂”難題提供了“力學解碼器”，并為探討地震成核、地殼應力演化等地質過程奠定了理論基礎。

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巖石的“微觀病灶”

傳統認知中，巖石被視為完整固體，但在顯微鏡下，其內部卻宛如一座布滿瑕疵的“微型城市”。其中的關鍵隱藏角色當屬裂紋——它們可能細如發絲，卻決定巖石強度、巖石斷裂時機與方式。

裂紋之所以值得關注，是由于多數災難性破壞往往始于一道看似微不足道的小裂紋。

這些裂紋多源于巖石形成的自然過程——礦物晶粒在結晶時發生收縮、地殼長期擠壓導致結構錯動，甚至溫度驟變和地下水滲流等環境因素，都能夠在巖石內部留下細微破損。

隨著外力的持續作用，這些不規則的小破口逐漸擴展并演化出張開型裂紋、剪切型裂紋和撕開型裂紋三種破裂方式。

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巖石“慢性病”

盡管巖石在極低受力條件下表現得表面風平浪靜，其內部裂紋仍在長期、緩慢、持續地活動。

為剖析裂紋的真實行為，研究團隊設計了低應力蠕變實驗——將巖石替換為脆性材料聚苯乙烯，在試樣內部預制一條閉合裂紋，并在低于材料破裂強度的條件下，持續施加穩定且極低的外力。

團隊運用高精度數字圖像相關技術，為裂紋裝上了“動態顯微鏡”，實時監測裂紋周圍的微應變變化。

▲實驗示意圖

實驗結果顯示，即使在沒有達到破裂條件、甚至遠低于巖石承受極限的負載下，裂紋仍然持續發生靜默滑動。隨著這種緩慢滑動的進行，裂紋周圍的剪應力并未保持穩定狀態，而是通過“松弛—轉移—再次累積”的過程，驅動裂紋的兩端持續擴展。

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破裂的“連鎖反應”

巖石內部分布著大量微裂紋，彼此間既獨立又時刻影響對方。

為理解其群體動力學密碼，團隊構建了包含大量隨機分布微裂紋的數值模型，并將速率—狀態摩擦理論引入蠕變狀態下微裂紋破裂演化框架。模擬過程呈現出如下力學過程：

初期：微破裂事件均勻分布。每條裂紋獨立活動，彼此之間幾乎沒有影響。

中期：應力呈現“偏心”特征，導致裂紋相互影響。部分裂紋因應力釋放活動減緩，少數因應力集中持續活躍，最終主導蠕變并引發裂紋簇集。

后期：局部區域“連點成線”，使斷層帶出現。當幾個小區域內的裂紋活動越來越集中，它們會連接成一條連續的剪切帶——這就是斷層形成的起點。也就是說，大破壞并非憑空出現，而是微小滑動之間的“連鎖反應”的終極產物。

實驗捕捉到了微小裂紋緩慢滑動、累積和擴展的完整過程，這種微觀力學過程在地球深部同樣存在，只是時空尺度更宏大。

研究這些緩慢演變的動力學機制，為我們打開了更好認識地球內部動態的窗戶，為理解地震孕育、地殼應力演化及地下工程長期穩定性等奠定了基礎，也為地質災害預測提供了新視角。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1103/rtvp-wnfd

來源：中國科學技術大學

責任編輯：侯茜