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地震為何會在看似穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境中突然發(fā)生？地下隧道等工程為何會在長期使用中出現(xiàn)意外坍塌？這些困擾學(xué)界數(shù)十年的“亞臨界破裂”難題，如今有了全新答案。

記者11月16日從昆明理工大學(xué)獲悉，該校國土資源工程學(xué)院吳順川教授團(tuán)隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院張詩淮研究員團(tuán)隊合作，在國際期刊《物理評論快報》發(fā)表重要研究成果，首次公開揭示了巖石在長期緩慢破裂過程中的全新物理機制。

“這一成果不僅具有重要理論意義，也為地震孕育機制、地殼應(yīng)力演化研究以及地下工程長期安全性評估提供了新的物理依據(jù)”吳順川介紹，這標(biāo)志著我國在這一領(lǐng)域取得具有國際影響力的重大突破，還將為地震孕育研究、地下工程安全防護(hù)等提供關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

捕捉巖石“隱形破裂”全過程

自然界中的巖石常年承受著遠(yuǎn)低于其破裂強度、卻始終存在的構(gòu)造力。在這種微弱外力的推動下，巖石可能在幾十年到上百萬年的時間尺度上悄然變形乃至破裂。

然而，實驗室試驗往往只能持續(xù)數(shù)天或數(shù)月，很難直接再現(xiàn)如此漫長的地質(zhì)過程。要解開巖石長期緩慢破裂的謎團(tuán)，關(guān)鍵是找到一種能夠在實驗條件下“以短窺長”的方法，捕捉微弱外力驅(qū)動下的跨尺度物理過程。為此，研究團(tuán)隊巧妙設(shè)計了“恒定低荷載實驗”，以極低而穩(wěn)定的外力模擬自然界的長期構(gòu)造作用——這種力量雖小，卻足以在漫長時間里改變巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了更清晰地觀測巖石內(nèi)部裂紋的變化，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地采用脆性聚苯乙烯材料制作預(yù)制裂紋模型，并借助數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對裂紋周圍的細(xì)微應(yīng)變進(jìn)行實時捕捉。這項實驗讓原本不可見的“裂紋內(nèi)部活動”首次清晰浮現(xiàn)：即便外力極小，裂紋界面仍在發(fā)生持續(xù)的、極緩慢的摩擦滑移，導(dǎo)致局部應(yīng)力不斷重新分布。一部分區(qū)域逐漸松弛，而裂紋尖端則像“能量匯聚點”一樣慢慢積累應(yīng)力，最終發(fā)生漸進(jìn)式破裂。

結(jié)合先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，研究團(tuán)隊模擬了天然巖石中大量微裂紋互相影響的過程。結(jié)果顯示，多數(shù)微裂紋會因持續(xù)滑移而逐漸“安靜”下來，但少數(shù)裂紋會互相觸發(fā)、加速滑移，最終形成貫穿結(jié)構(gòu)的宏觀斷層帶?！肮庥袑嶒炗^測還不夠，為了更深入理解裂紋演化的規(guī)律，團(tuán)隊還結(jié)合了先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)?！睆堅娀凑f，通過模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)，巖石內(nèi)部并非“鐵板一塊”，而是存在大量隨機分布的微裂紋。這些微裂紋在持續(xù)的摩擦滑動作用下，會自發(fā)地“抱團(tuán)”演化——從最初分散的微觀破裂，逐漸向集中的宏觀失穩(wěn)轉(zhuǎn)變。

基于這一系列發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊最終建立起一套從微觀摩擦滑移到宏觀破壞的統(tǒng)一物理框架，就像為研究巖石破裂繪制了一張清晰的“路線圖”，讓學(xué)界能更系統(tǒng)地理解這一復(fù)雜過程。

揭示潛在風(fēng)險有重大現(xiàn)實意義

吳順川介紹，在長期微弱外力作用下，巖石內(nèi)部的微裂紋從未真正停止，微裂紋持續(xù)滑移、重新分配能量，不斷打亂巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布，讓裂紋尖端逐漸成為受力焦點，進(jìn)而引發(fā)漸進(jìn)式破裂，最終導(dǎo)致巖石整體失穩(wěn)。

這一發(fā)現(xiàn)從物理機制上，徹底解開了困擾學(xué)界數(shù)十年的“亞臨界破裂”難題——終于解釋了為何巖石會在看似穩(wěn)定的低受力環(huán)境中，經(jīng)過漫長演化后突然發(fā)生破壞。

這項成果的價值，不只停留在理論層面。

“從現(xiàn)實應(yīng)用來看，它為多個與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域提供了新的科學(xué)依據(jù)?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)博士生蔣林桐介紹，在地震研究中，這一成果或能幫助科研人員更準(zhǔn)確地理解地震孕育的機制，為地震預(yù)警模型的優(yōu)化提供支持；在地殼應(yīng)力研究中，可進(jìn)一步揭示地殼內(nèi)部應(yīng)力的演化規(guī)律，助力地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估；在地下工程領(lǐng)域，無論是地鐵隧道、礦山巷道還是地下管線，都能依據(jù)這一機制，更精準(zhǔn)地評估工程的長期安全性，提前排查潛在風(fēng)險，減少坍塌等事故的發(fā)生。

業(yè)界人士認(rèn)為，此項研究是中國科學(xué)家在巖石破裂物理研究領(lǐng)域樹立的重要里程碑，也是中國巖石力學(xué)領(lǐng)域首次在這一著名物理學(xué)期刊上發(fā)表巖石破裂物理機制方面的研究成果，標(biāo)志著我國在此研究方向取得了具有國際影響力的重大突破，更為后續(xù)相關(guān)研究的開展奠定了理論基礎(chǔ)。