MIT实验室揭示地震能量惊人去向
地震八成能量化为高温，而非摇晃。MIT实验室揭示了这一能量分配的惊人秘密。
当地震发生时，我们所感受到的地动山摇，其实仅仅是其释放总能量的一小部分。一场地震在引发剧烈震动的同时，还会在地下岩石中产生一道闪电般的热量，并引发多米诺骨牌式的岩石破裂。然而，要想在真实世界中精确测量这三股能量各自的比例，即便不是天方夜谭，也堪称一项极其艰巨的挑战。
现在，麻省理工学院的地质学家们通过“实验室地震”，一种在受控环境中精心触发的微型地震模拟，成功追踪了能量的完整踪迹。他们首次量化了一场地震完整的能量预算，清晰地揭示了能量在产生热量、引发震动和造成岩石破裂这三个过程中的分配比例。
地质学家们还发现，地震的能量预算与一个地区的“形变历史”密切相关——也就是岩石在过去的地质构造运动中被移动和扰动的程度。这意味着，一个地区过往的经历，会直接影响未来地震中能量的分配方式，从而决定其破坏力的性质。
“岩石的形变历史，本质上就是岩石的‘记忆’，它确实影响着一场地震的破坏力有多大，”麻省理工学院地球、大气与行星科学系的研究生Daniel Ortega-Arroyo说道，“这段历史影响了岩石的许多物理特性，并在某种程度上决定了它将如何滑动。”
尽管团队的实验室地震只是对自然地震的简化模拟，但从长远来看，这些成果可以帮助地震学家预测地震多发地区的风险。例如，如果科学家们知道某地过去一次地震产生了多大的震动，他们或许就能估算出其余能量对地下深处岩石的影响程度，比如有多少岩石被熔化或破碎。这些信息反过来又能揭示该地区在未来地震面前的脆弱程度。
“我们永远无法完全复制地球的复杂性，所以我们必须在这些实验室地震中，将正在发生的物理过程独立出来进行研究，”麻-理工学院地球物理学副教授Matěj Peč表示，“我们希望能理解这些过程，并尝试将它们外推到自然界中去。”
地震的能量源于数百万年来储存在岩石中的应力。随着构造板块缓慢地相互挤压研磨，应力在地壳中不断累积。当岩石所受的推力超过其材料强度时，它会沿着一个狭窄的区域突然滑动，形成地质断层。随着断层两侧的岩石错动，便会产生向外和向上传播的地震波。我们主要通过地面震动来感知地震的能量，但这只是冰山一角。另外两种主要的能量形式——热量和地下岩石的破裂，用现有技术几乎无法触及。
“这不像天气，我们可以观察日常模式并测量许多相关变量。深入地球内部去做同样的事情是非常困难的，”Ortega-Arroyo说，“我们不知道岩石本身发生了什么，而且同一断裂带上地震的复发周期长达数百年甚至数千年，这使得任何有实际意义的预报都极具挑战性。”
为了弄清地震能量的分配之谜，他和Peč教授走进了实验室。在过去的七年里，Peč在麻省理工学院的研究小组开发了一系列方法和仪器，旨在通过模拟微观尺度上的地震事件，来理解宏观尺度上地震的真实面貌。
在他们的新研究中，团队使用了花岗岩的小样本，这种岩石是“地震孕育层”的代表，即大陆地壳中地震通常起源的地质区域。他们将花岗岩磨成细粉，并与更细的磁性颗粒粉末混合，将这些磁性颗粒作为一种巧妙的“内置温度计”。
随后，研究人员将这些粉末样本放置在两个小活塞之间，并用金箔包裹起来。他们施加强磁场，使粉末中的磁性颗粒初始方向和场强都保持一致。这样一来，之后颗粒方向和场强的任何变化，都可以作为该区域因地震事件而经历温度变化的可靠标志。
准备好样本后，团队将其逐一放入一个定制的设备中。该设备可以稳定施加逐渐增大的压力，模拟地表下约10到20公里深处地震孕育层中岩石所承受的压力。他们还使用了共同作者O’Ghaffari开发的定制压电传感器，将其固定在样本两端，以测量任何发生的震动。
实验观察到，在特定压力下，一些样本会突然滑动，产生类似于地震的微观尺度事件。通过事后分析样本中的磁性颗粒，他们估算出了每个样本瞬间被加热的程度。同时，利用压电传感器的测量数据和数值模型，他们也估算出了每个样本经历的震动量。研究人员还在不同放大倍率的显微镜下检查了每个样本，以评估花岗岩颗粒大小的变化。
（示意图）
综合所有这些测量结果，团队最终得以估算出每次实验室地震的能量预算。平均而言，大约80%的能量转化为热量，10%产生震动，而不到1%用于岩石破裂。
“在某些情况下我们看到，在断层附近，样本温度在几微秒内就从室温飙升至1200摄氏度，然后在运动停止后立即冷却下来，”Ortega-Arroyo说，“在一个样本中，我们观察到断层移动了大约100微米，这意味着滑动速度基本上达到了每秒10米。它的移动非常快，尽管持续时间很短。”
研究人员推测，类似的过程也发生在实际的、公里尺度的地震中。
“我们的实验提供了一种综合性方法，为迄今为止岩石中类地震破裂的物理学提供了最完整的视角之一，”Peč总结道，“这将为我们如何改进当前的地震模型和减轻自然灾害提供重要线索。”