地震释放的炽热能在瞬间熔化岩石

麻省理工学院（MIT）的地质学家们现已追踪到"实验室地震"所释放的能量——这是在受控实验室环境中精心触发的自然地震微型类比物。他们首次量化了此类地震的完整能量收支，即转化为热量、震动和断裂的能量比例。

他们发现实验室地震中仅约10%的能量引发物理震动。更小比例——低于1%——用于破碎岩石和产生新表面。地震能量的绝大部分——平均80%——转化为震中附近区域的热能。事实上，研究人员观察到实验室地震能产生足以熔化周围物质的高温峰值，使其短暂转变为液态熔融物。

地质学家还发现地震能量收支取决于区域形变历史——即岩石受先前构造运动位移扰动的程度。产生热量、震动和岩石断裂的地震能量比例会随该区域历史经历而变化。

"形变历史——本质上是岩石记忆的内容——真正影响着地震可能的破坏性，"麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）研究生丹尼尔·奥尔特加-阿罗约解释道，"这段历史深刻影响岩石的诸多材料特性，并在某种程度上决定了其滑动方式。"

该团队的实验室地震是天然地震过程的简化模拟。长远来看，其成果可助地震学家预测地震多发区的地震发生概率。例如，若科学家掌握某区域历史地震的震动强度数据，或可估算地震能量通过熔化或破碎对地下深层岩石的影响程度，进而揭示该区域对未来地震的脆弱性变化。

"我们无法复制地球的复杂性，因此必须在实验室地震中分离出相关物理过程，"麻省理工学院地球物理学副教授马泰伊·佩奇强调，"我们期望理解这些机制并尝试外推至自然场景。"

佩奇（发音为"Peck"）与奥尔特加-阿罗约的研究成果发表于《AGU Advances》期刊。麻省理工学院合作者包括霍吉·奥格法里、卡米拉·卡塔尼亚，以及哈佛大学的龚正、傅罗杰和荷兰乌得勒支大学的马库斯·奥尔、奥利弗·普伦佩尔。

地表之下

地震由岩石中储存数百万年的能量驱动。当构造板块相互缓慢挤压时，应力沿地壳不断累积。当岩石承受压力超越其材料强度时，会沿狭窄区域突然滑动形成地质断层。断层两侧岩石滑动产生向外向上传播的地震波。

人类主要通过地面震动感知地震能量，这可通过地震仪等地面仪器测量。但地震另两种主要能量形式——热量与地下断裂——目前技术尚难直接探测。

"不同于可观测每日模式并测量相关变量的天气系统，地球深部探测极为困难，"奥尔特加-阿罗约指出，"我们无法获知岩石内部变化，且断层带地震复发周期长达数百年至数千年，这使任何可操作的预测充满挑战。"

为探究地震能量分配及其对区域地震风险的影响，他与佩奇转向实验室。过去七年中，佩奇团队在麻省理工学院开发了微观尺度模拟地震事件的方法与仪器，旨在解析宏观地震的发生机制。

"我们聚焦微尺度过程，在可控制破坏诸多因素的条件下进行理解，而后尝试放大至自然尺度，"奥尔特加-阿罗约说明。

微震模拟

在新研究中，团队模拟断层带岩石地震滑移产生微型实验室地震。他们选用代表地震发生层（大陆地壳中地震典型发源地）的花岗岩样本，将其研磨成细粉并与更精细的磁性颗粒粉末混合，后者充当内部温度计（颗粒磁场强度随温度波动而变化）。

研究人员将约10平方毫米、厚1毫米的花岗岩粉末样本置于两个微型活塞间，并用金箔包裹。施加强磁场使粉末磁性颗粒初始取向与场强一致。据此推定，颗粒后续任何取向与场强变化均可反映该区域因地震事件所受热量。

样本制备完成后，团队将其逐一置入定制装置，施加稳定增压（模拟地表下约10-20公里地震发生层岩石承受的压力）。利用合作者奥格法里研发的定制压电传感器测量样本加压过程中的震动，传感器附着于样本两端。

他们观察到特定压力下部分样本发生滑移，产生类似地震的微尺度震动事件。通过事后分析样本磁性颗粒，估算出各样本瞬时温升（此方法与哈佛大学傅罗杰实验室合作开发）。结合压电传感器测量值与数值模型，估算各样本震动强度。研究人员还在不同放大倍数下显微镜观测样本，评估花岗岩颗粒尺寸变化（例如是否及有多少颗粒破碎）。

综合所有测量数据，团队得以估算每次实验室地震的能量收支。平均而言，约80%能量转化为热量，10%产生震动，不足1%用于岩石断裂（即产生新的细小颗粒表面）。

"某些情况下，断层附近样本在微秒级时间内从室温升至1200摄氏度，运动停止后立即冷却，"奥尔特加-阿罗约描述，"有个样本断层移动约100微米，意味着滑移速度接近10米/秒。运动极快但持续时间极短。"

研究者推测千米级实际地震存在类似过程。

"我们的实验提供集成方法，展现了迄今最完整的地震类岩石破裂物理图景，"佩奇总结，"这将为改进现有地震模型及自然灾害减灾提供线索。"

本研究部分由美国国家科学基金会资助。