研究发现岩石深处的“慢性病” | 科技前线

近日，中国科学技术大学团队通过实验和模拟，揭示了岩石在低应力蠕变条件下从微观破裂到宏观失稳的机制，为破解岩石“亚临界破裂”难题提供了“力学解码器”，并为探讨地震成核、地壳应力演化等地质过程奠定了理论基础。

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岩石的“微观病灶”

传统认知中，岩石被视为完整固体，但在显微镜下，其内部却宛如一座布满瑕疵的“微型城市”。其中的关键隐藏角色当属裂纹——它们可能细如发丝，却决定岩石强度、岩石断裂时机与方式。

裂纹之所以值得关注，是由于多数灾难性破坏往往始于一道看似微不足道的小裂纹。

这些裂纹多源于岩石形成的自然过程——矿物晶粒在结晶时发生收缩、地壳长期挤压导致结构错动，甚至温度骤变和地下水渗流等环境因素，都能够在岩石内部留下细微破损。

随着外力的持续作用，这些不规则的小破口逐渐扩展并演化出张开型裂纹、剪切型裂纹和撕开型裂纹三种破裂方式。

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岩石“慢性病”

尽管岩石在极低受力条件下表现得表面风平浪静，其内部裂纹仍在长期、缓慢、持续地活动。

为剖析裂纹的真实行为，研究团队设计了低应力蠕变实验——将岩石替换为脆性材料聚苯乙烯，在试样内部预制一条闭合裂纹，并在低于材料破裂强度的条件下，持续施加稳定且极低的外力。

团队运用高精度数字图像相关技术，为裂纹装上了“动态显微镜”，实时监测裂纹周围的微应变变化。

▲实验示意图

实验结果显示，即使在没有达到破裂条件、甚至远低于岩石承受极限的负载下，裂纹仍然持续发生静默滑动。随着这种缓慢滑动的进行，裂纹周围的剪应力并未保持稳定状态，而是通过“松弛—转移—再次累积”的过程，驱动裂纹的两端持续扩展。

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破裂的“连锁反应”

岩石内部分布着大量微裂纹，彼此间既独立又时刻影响对方。

为理解其群体动力学密码，团队构建了包含大量随机分布微裂纹的数值模型，并将速率—状态摩擦理论引入蠕变状态下微裂纹破裂演化框架。模拟过程呈现出如下力学过程：

初期：微破裂事件均匀分布。每条裂纹独立活动，彼此之间几乎没有影响。

中期：应力呈现“偏心”特征，导致裂纹相互影响。部分裂纹因应力释放活动减缓，少数因应力集中持续活跃，最终主导蠕变并引发裂纹簇集。

后期：局部区域“连点成线”，使断层带出现。当几个小区域内的裂纹活动越来越集中，它们会连接成一条连续的剪切带——这就是断层形成的起点。也就是说，大破坏并非凭空出现，而是微小滑动之间的“连锁反应”的终极产物。

实验捕捉到了微小裂纹缓慢滑动、累积和扩展的完整过程，这种微观力学过程在地球深部同样存在，只是时空尺度更宏大。

研究这些缓慢演变的动力学机制，为我们打开了更好认识地球内部动态的窗户，为理解地震孕育、地壳应力演化及地下工程长期稳定性等奠定了基础，也为地质灾害预测提供了新视角。

论文链接：

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

来源：中国科学技术大学

责任编辑：侯茜