地震能量之谜：超越地表震动的深层秘密
我们对地震最直观的感受，往往来自于地面的剧烈晃动。然而，这种地震波引起的震动，仅仅是地震所释放总能量中的一小部分。在地壳深处，一场地震还会引发强烈的热量瞬间释放，以及连锁反应般的地下岩石断裂。长期以来，科学家们一直难以精确测量这三种能量——热能、震动能和岩石破裂能——在天然地震中各自所占的比例，这在野外几乎是一项不可能完成的任务。
近期，麻省理工学院（MIT）的地质学家们通过对“实验室地震”的研究，首次成功追踪并量化了这类在受控实验室环境中精心触发的微型地震所释放的完整能量预算。这项开创性工作首次明确了地震能量在热量、震动和岩石破裂之间是如何分配的，为我们理解地震的深层物理机制提供了前所未有的视角。
实验突破：量化“实验室地震”的能量预算
研究团队发现，在一次实验室地震中，仅约10%的能量导致物理性的地面震动。更小的比例——不到1%——用于破碎岩石并产生新的表面。令人惊讶的是，绝大部分的地震能量，平均高达80%，都转化为震源附近区域的剧烈加热。事实上，研究人员观察到，实验室地震能够产生足以熔化周围物质，并使其短暂转变为液态熔体的超高温瞬时峰值。
更为重要的是，地质学家们还发现，地震的能量预算并非一成不变，它与地质区域的“变形历史”密切相关。所谓变形历史，是指岩石在过去构造运动中经历的位移和扰动程度。热量、震动和岩石破裂所占的能量比例，会根据该区域过往的经历而发生显著变化。
麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）的研究生丹尼尔·奥尔特加-阿罗约（Daniel Ortega-Arroyo）指出：“变形历史——本质上是岩石的‘记忆’——极大地影响了地震的潜在破坏力。这种历史会影响岩石的许多材料属性，并在一定程度上决定其如何滑动。”
上图显示了一张扫描电子显微照片，突出显示了实验室诱发地震期间发生滑动的岩石区域。其中“流动状”的中心区域代表了岩石因剧烈摩擦加热而熔化并变成玻璃质的部分。这直观地展示了地震能量转化为热能的证据。
研究团队认为，尽管他们的实验室地震是对天然地震的简化模拟，但其结果对地震学家预测地震多发区的地震可能性具有深远意义。例如，如果科学家们能够了解过去地震产生了多少震动，他们或许就能估算出地震能量在地下深处通过熔化或破碎岩石所造成的影响程度。这反过来可以揭示该区域对未来地震的脆弱程度是增加还是降低。
麻省理工学院地球物理学副教授马捷·佩奇（Matěj Peč）强调：“我们永远无法重现地球的复杂性，因此我们必须在这些实验室地震中分离出正在发生的物理过程。我们希望理解这些过程，并尝试将它们推断到自然界中。”
佩奇和奥尔特加-阿罗约已于8月28日在《AGU Advances》期刊上发表了他们的研究成果。他们的麻省理工学院合作者包括霍吉·奥格哈法里（Hoagy O’Ghaffari）和卡米拉·卡塔尼亚（Camilla Cattania），以及哈佛大学的郑功（Zheng Gong）和罗杰·傅（Roger Fu），以及荷兰乌得勒支大学的马库斯·奥尔（Markus Ohl）和奥利弗·普伦珀（Oliver Plümper）。
深入地下：地震能量的隐秘流向
地震的驱动力源于岩石在数百万年间储存的能量。当地球构造板块缓慢相互摩擦时，地壳中会逐渐积累应力。当岩石所承受的压力超过其材料强度时，它们会沿着一个狭窄的区域突然滑动，形成地质断层。断层两侧的岩石滑动时，会产生向外和向上传播的地震波。我们感知到的地震能量主要以地面震动的形式出现，这可以通过地震仪和其他地面仪器进行测量。然而，地震能量的另外两种主要形式——热量和地下岩石破裂——在现有技术下几乎无法触及。
奥尔特加-阿罗约表示：“与天气不同，我们可以观察日常模式并测量许多相关变量，但要对地球深处进行这样的测量非常困难。我们不了解岩石本身发生了什么，而且断层带内地震重复的时间尺度是以百年到千年计的，这使得任何可操作的预测都充满挑战。”
为了了解地震能量如何分配，以及这种能量预算可能如何影响区域的地震风险，他和佩奇教授深入实验室。在过去的七年里，佩奇在麻省理工学院的团队开发了模拟微尺度地震事件的方法和仪器，旨在理解宏观尺度地震的发生机制。
奥尔特加-阿罗约说：“我们专注于微观尺度上发生的事情，在那里我们可以控制许多破坏的方面，并在进行任何尺度扩展到自然界之前尝试理解它。”
微震实验：揭示能量转化的具体过程
在这项新研究中，团队生成了模拟断层带岩石地震滑动的微型实验室地震。他们使用了小块花岗岩样本，这代表了地震发生层（大陆地壳中地震通常起源的地质区域）中的岩石。他们将花岗岩研磨成细粉，并将其与更细的磁性颗粒粉末混合，用作一种内部温度计。这种磁性颗粒的磁场强度会随着温度波动而改变，从而间接反映出岩石所经历的温度变化。
研究人员将约10平方毫米、1毫米厚的花岗岩粉末样本夹在两个小活塞之间，并用金套将其包裹。随后，他们施加了强大的磁场，使粉末中的磁性颗粒初始方向和场强保持一致。他们推断，之后颗粒方向和场强的任何变化都将表明该区域因地震事件而经历了多少热量——这种方法是与哈佛大学罗杰·傅教授的实验室合作开发的。
上图是一个简单的示意图，展示了一个岩石样本正在经历一次实验室地震实验，该实验以三种形式释放能量：断裂和粉碎（颗粒尺寸减小）、摩擦加热以及地震震动。这清晰地描绘了实验的核心原理。
一旦样本准备就绪，团队便将它们逐一放入一个定制的实验装置中。研究人员调整该装置以施加持续增加的压力，类似于地球地震发生层（地表以下约10至20公里）中的岩石所承受的压力。他们使用了由合著者奥格哈法里开发的定制压电传感器，将其连接到样本两端，以测量随着压力增加而发生的任何震动。
他们观察到，在某些应力条件下，一些样本发生了滑动，产生了类似于地震的微尺度地震事件。事后通过分析样本中的磁性颗粒，他们估算了每个样本暂时被加热的程度。同时，利用压电传感器的测量结果和数值模型，他们估算了每个样本所经历的震动量。研究人员还在不同放大倍数下检查了每个样本的显微结构，以评估花岗岩颗粒尺寸的变化——例如，有多少颗粒破裂成更小的碎片。
颠覆性发现与未来展望
通过所有这些测量，研究团队成功估算了每次实验室地震的能量预算。平均而言，他们发现约80%的地震能量转化为热量，而10%产生震动，不到1%用于岩石破裂或产生新的、更小的颗粒表面。
奥尔特加-阿罗约说：“在某些情况下，我们看到在断层附近，样本在几微秒内从室温飙升至1200摄氏度，然后在运动停止后立即冷却下来。在一个样本中，我们观察到断层滑动了约100微米，这意味着滑动速度基本上达到了每秒10米。它移动得非常快，尽管持续时间不长。”
研究人员推测，在实际的、公里尺度的大地震中，也可能发生类似的过程。佩奇教授总结道：“我们的实验提供了一种综合方法，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图。这将为如何改进我们当前的地震模型和自然灾害缓解提供线索。”
这项研究得到了美国国家科学基金会（NSF）的部分支持。这些发现不仅加深了我们对地震基本物理过程的理解，也为地质学家和地震学家评估地震风险、预测灾害并制定更有效的缓解策略提供了重要的科学依据。随着对地震能量分配机制的进一步深入研究，人类在应对地震挑战的道路上将迈出坚实的一步。
