地震，作为地球内部能量突然释放的宏大自然现象，其破坏力我们有目共睹。然而，尽管地震波的传播模式已被广泛研究，我们对于地壳深处地震能量究竟如何细致分配到不同形式——例如地表震动、岩石内部热量生成及结构破裂——的认识却长期以来模糊不清。在野外环境中，精确测量这些能量组分几乎是不可能完成的任务。
麻省理工学院（MIT）的地球物理学家们在受控的实验室环境中，通过精心触发“实验室地震”（Lab Quakes）——一种模拟自然地震的微型事件——首次成功地量化了此类地震的完整能量预算。这项开创性的研究揭示了地震能量在热能、震动和岩石破裂之间的具体分配比例，为理解地震的深层物理机制提供了前所未有的洞察。
能量预算的惊人发现：80%转化为热能
研究团队的发现令人瞩目：在实验室地震中，仅有大约10%的能量转化为导致地表震动的物理晃动。更令人惊讶的是，用于破碎岩石、形成新断裂面的能量占比甚至低于1%。绝大部分的地震能量——平均高达80%——都转化为震源区域的瞬时热能。研究人员甚至观察到，在实验室地震中，震源区域的温度会瞬间飙升，足以将周围的岩石熔化并短暂地转变为玻璃状熔体。
这些数据颠覆了我们以往对地震能量分配的直观认知。我们通常将地震的破坏力主要归结于地表震动，但实际上，地壳深处巨大的热量生成才是能量释放的主导形式。
变形历史：影响地震破坏力的关键因素
该研究还揭示了一个关键因素：地震的能量预算并非一成不变，它与区域的“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。岩石在过去所受到的应力、形变以及形成的微观结构，会显著影响其在未来地震中能量转化为热量、震动或破裂的比例。
正如麻省理工学院地球、大气与行星科学系的研究生Daniel Ortega-Arroyo所指出的：“变形历史，本质上是岩石的‘记忆’，它极大地影响了地震的潜在破坏力。这种历史会改变岩石的许多材料属性，并在一定程度上决定其滑移方式。”这意味着，在不同地质背景下，即使是相似规模的地震，其能量释放模式和潜在破坏性也可能大相径庭。
模拟深层秘密：实验室微震的精妙设计
为了揭示这些深层秘密，研究团队采取了精密的实验方法。Matěj Peč副教授的团队在过去七年中，不断完善模拟地震事件的仪器和方法，力求在微观尺度上理解宏观地震的发生机制。
他们选择花岗岩作为实验样本，因为它代表了地震多发层（地壳中地震通常起源的区域）的典型岩石。研究人员将花岗岩研磨成细粉，并与更细的磁性颗粒混合。这些磁性颗粒充当了内部温度计：它们的磁场强度会随温度波动而变化，从而能够记录地震发生时的瞬时温度。
在扫描电子显微镜下，实验室地震中岩石滑移区域清晰可见。其中“流体状”的中心区域代表了岩石因剧烈摩擦生热而熔化并转化为玻璃的部分。
将这种混合粉末样本（约10平方毫米，1毫米厚）置于两个活塞之间，并用金箔包裹。研究人员施加一个强磁场，使所有磁性颗粒初始方向和场强一致。随后，任何颗粒方向和场强的变化都将指示该区域因地震事件所经历的热量变化。
能量分区的精确测量
团队将制备好的样本逐一放入定制设备中。该设备能够施加逐渐增大的压力，模拟地壳深处（地下约10至20公里）岩石所承受的压力环境。同时，由共同作者O’Ghaffari开发的定制压电传感器被连接到样本两端，用于测量样本在应力增加时产生的任何震动。
研究观察到，在特定应力下，一些样本会发生滑移，产生类似地震的微观事件。通过事后分析样本中的磁性颗粒，结合Roger Fu实验室的合作方法，他们估算了每个样本在滑移过程中短暂升高的温度。利用压电传感器的测量数据和数值模型，他们还估算了每个样本所经历的震动强度。此外，研究人员在不同放大倍数下检查了每个样本，评估花岗岩颗粒尺寸的变化——例如有多少颗粒破碎成更小的碎片。
此示意图展示了岩石样本在实验室地震实验中经历的能量释放过程，主要以三种形式呈现：断裂和粉碎（颗粒尺寸减小）、摩擦生热以及地震震动。
通过这些全面的测量，团队成功估算了每次实验室地震的能量预算。平均而言，约80%的地震能量转化为热能，10%产生震动，而不到1%用于岩石的破裂或形成新的、更小的颗粒表面。
Ortega-Arroyo描述了极端情况：“在某些情况下，我们看到在断层附近，样本的温度在几微秒内从室温飙升至1200摄氏度，并在运动停止后立即冷却。在一个样本中，我们观察到断层位移了大约100微米，这意味着滑移速度约为每秒10米。它移动得非常快，尽管持续时间不长。”
展望未来：提升地震预测与减灾能力
研究人员推测，在实际的、公里尺度的大型地震中，也可能发生类似的能量分配过程。这项研究提供了一种集成方法，对岩石中类地震破裂的物理学提供了迄今为止最完整的视图。
Matěj Peč教授表示：“我们的实验为理解地震破裂的物理机制提供了一种综合性方法，这是迄今为止最全面的视图之一。这将为改进我们当前的地震模型和自然灾害缓解策略提供重要线索。”
通过理解地壳深处地震能量的真实分配方式，地震学家有望更精确地评估地震多发区域的脆弱性。例如，如果能估计过去地震产生的震动程度，或许就能反推地震能量对深层岩石造成的熔化或破裂影响，从而揭示该区域对未来地震的脆弱性是增加还是减少。这项由美国国家科学基金会部分资助的研究，正逐步推动我们对地球深层动态的理解边界，为构建更安全的未来奠定基础。
