研究人员开发了一种实验室地震模型，首次将断层表面之间的真实接触面积与地震的可能性直接相关，揭示了微摩擦与宏观地震之间的机械联系，为地震机制的研究和预测提供了新的视角。这些研究最近发表在《国家科学院》杂志上。

“我们本质上打开了通往地震力学核心的窗口。”南加州大学多恩西夫文理学院地球科学副教授、研究首席研究员Sylvain “通过观察地震周期中断层表面之间实际接触面积的演变，我们现在可以解释断层应力的缓慢积累和随后的快速破裂。从长远来看，这可能会产生一种新的方法来监测和预测早期地震妊娠。”

几十年来，科学家们一直依靠经验性的“速度和状态”摩擦定律来模拟地震——这些数学描述是有效的，但它们背后的物理机制无法解释。“我们的模型揭示了地震周期中断层界面的实际物理过程。”巴比尔说。

“当两个粗糙的表面相互滑动时，它们只在微观和孤立的接触点上相互作用，只覆盖了总表面积的一小部分。”这种肉眼看不见但可以通过光学技术测量的“实际接触面积”是控制地震行为的关键状态变量。

研究采用透明丙烯酸材料，使研究人员能够直观地观察地震破裂的实时演变。在高速相机和光学测量技术的帮助下，团队跟踪了LED光强在实验室地震中随接触点形成、生长和破坏的动态变化。

“我们可以直接观察破裂传播过程中接触面积的演变，”巴比说，“在快速破裂阶段，约30%的接触面积在毫秒内消失——这种剧烈弱化是地震驱动的关键。”

实验结果揭示了几十年来隐藏的关系：传统地震模型中使用的经验“状态变量”本质上与断层之间的真实接触面积相对应。这一发现首次为20世纪70年代以来地震科学的核心数学概念提供了物理解释。

研究人员分析了26种不同的模拟地震场景，发现破裂速度与断裂能量之间的关系符合线性弹性断裂力学的预测。该团队的计算机模拟成功地再现了实验室中的慢速和快速地震，不仅匹配了破裂速度和应力下降，而且还再现了破裂过程中穿越断层界面的光强变化。

在地震周期中，接触面积的变化会影响电导率、水渗透性和地震波的传播。由于实际接触面积影响断层带的各种物理特性，这些代理参数的持续监测有望为断层行为的研究提供新的见解。

研究表明，监测断层接触的物理状态可能为短期地震预警系统提供新的工具，甚至通过监测断层的电导率来实现可靠的地震预测。

“如果我们能在自然断层上继续监测这些特征，我们可能会探测到地震核的早期阶段。”“这将催生一种新的方法来监测地震波辐射前的地震源繁殖过程。”

研究人员计划将他们的发现扩展到实验室控制条件之外。Barbot认为，这项研究的模型为了解地震周期中断层特征的演变提供了物理基础。