近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)和模擬，揭示了巖石在低應(yīng)力蠕變條件下從微觀破裂到宏觀失穩(wěn)的機(jī)制，為破解巖石“亞臨界破裂”難題提供了“力學(xué)解碼器”，并為探討地震成核、地殼應(yīng)力演化等地質(zhì)過程奠定了理論基礎(chǔ)。

01

巖石的“微觀病灶”

傳統(tǒng)認(rèn)知中，巖石被視為完整固體，但在顯微鏡下，其內(nèi)部卻宛如一座布滿瑕疵的“微型城市”。其中的關(guān)鍵隱藏角色當(dāng)屬裂紋——它們可能細(xì)如發(fā)絲，卻決定巖石強(qiáng)度、巖石斷裂時機(jī)與方式。

裂紋之所以值得關(guān)注，是由于多數(shù)災(zāi)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(jié)晶時發(fā)生收縮、地殼長期擠壓導(dǎo)致結(jié)構(gòu)錯動，甚至溫度驟變和地下水滲流等環(huán)境因素，都能夠在巖石內(nèi)部留下細(xì)微破損。

隨著外力的持續(xù)作用，這些不規(guī)則的小破口逐漸擴(kuò)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。

02

巖石“慢性病”

盡管巖石在極低受力條件下表現(xiàn)得表面風(fēng)平浪靜，其內(nèi)部裂紋仍在長期、緩慢、持續(xù)地活動。

為剖析裂紋的真實(shí)行為，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了低應(yīng)力蠕變實(shí)驗(yàn)——將巖石替換為脆性材料聚苯乙烯，在試樣內(nèi)部預(yù)制一條閉合裂紋，并在低于材料破裂強(qiáng)度的條件下，持續(xù)施加穩(wěn)定且極低的外力。

團(tuán)隊(duì)運(yùn)用高精度數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，為裂紋裝上了“動態(tài)顯微鏡”，實(shí)時監(jiān)測裂紋周圍的微應(yīng)變變化。

▲實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，即使在沒有達(dá)到破裂條件、甚至遠(yuǎn)低于巖石承受極限的負(fù)載下，裂紋仍然持續(xù)發(fā)生靜默滑動。隨著這種緩慢滑動的進(jìn)行，裂紋周圍的剪應(yīng)力并未保持穩(wěn)定狀態(tài)，而是通過“松弛—轉(zhuǎn)移—再次累積”的過程，驅(qū)動裂紋的兩端持續(xù)擴(kuò)展。

03

破裂的“連鎖反應(yīng)”

巖石內(nèi)部分布著大量微裂紋，彼此間既獨(dú)立又時刻影響對方。

為理解其群體動力學(xué)密碼，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包含大量隨機(jī)分布微裂紋的數(shù)值模型，并將速率—狀態(tài)摩擦理論引入蠕變狀態(tài)下微裂紋破裂演化框架。模擬過程呈現(xiàn)出如下力學(xué)過程：

初期：微破裂事件均勻分布。每條裂紋獨(dú)立活動，彼此之間幾乎沒有影響。

中期：應(yīng)力呈現(xiàn)“偏心”特征，導(dǎo)致裂紋相互影響。部分裂紋因應(yīng)力釋放活動減緩，少數(shù)因應(yīng)力集中持續(xù)活躍，最終主導(dǎo)蠕變并引發(fā)裂紋簇集。

后期：局部區(qū)域“連點(diǎn)成線”，使斷層帶出現(xiàn)。當(dāng)幾個小區(qū)域內(nèi)的裂紋活動越來越集中，它們會連接成一條連續(xù)的剪切帶——這就是斷層形成的起點(diǎn)。也就是說，大破壞并非憑空出現(xiàn)，而是微小滑動之間的“連鎖反應(yīng)”的終極產(chǎn)物。

實(shí)驗(yàn)捕捉到了微小裂紋緩慢滑動、累積和擴(kuò)展的完整過程，這種微觀力學(xué)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(xué)機(jī)制，為我們打開了更好認(rèn)識地球內(nèi)部動態(tài)的窗戶，為理解地震孕育、地殼應(yīng)力演化及地下工程長期穩(wěn)定性等奠定了基礎(chǔ)，也為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測提供了新視角。

論文鏈接：

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

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：侯茜