18819365158
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員張詩淮團(tuán)隊與昆明理工大學(xué)教授吳順川合作，首次揭示了巖石在遠(yuǎn)低于破裂強度的低應(yīng)力蠕變條件下，從微觀破裂緩慢演化到宏觀失穩(wěn)的全新物理機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為破解巖石“亞臨界破裂”難題提供了精準(zhǔn)的“力學(xué)解碼器”，并為理解地震成核、地殼應(yīng)力演化等地質(zhì)過程奠定了關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。11月13日，研究成果發(fā)表于《物理評論快報》，這是中國巖石力學(xué)領(lǐng)域率先在該刊發(fā)表聚焦巖石破裂物理機(jī)制的研究成果。
“亞臨界破裂”指的是巖石、冰、陶瓷等脆性材料會在看似穩(wěn)定的低受力環(huán)境中，經(jīng)歷漫長演化后突然破壞的一種現(xiàn)象。這是一個長期困擾巖石力學(xué)、地球物理學(xué)、航空航天材料等多領(lǐng)域中研究人員的共性科學(xué)問題。針對巖石材料，傳統(tǒng)理論依賴亞臨界裂紋擴(kuò)展，但該機(jī)制僅適用于接近峰值強度的高應(yīng)力環(huán)境，難以解釋地殼中低應(yīng)力下持續(xù)數(shù)百萬年乃至更長時間的緩慢變形及破裂現(xiàn)象。
針對上述科學(xué)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊首先設(shè)計了恒定低荷載蠕變實驗，模擬自然界中長期構(gòu)造力的作用。實驗采用脆性聚苯乙烯材料制備含預(yù)制閉合裂紋的試樣，通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)精確測量裂紋周圍的微應(yīng)變演化，首次在緩慢滑動階段直接觀測到兩個關(guān)鍵過程：一是裂紋界面在低于破裂強度的恒定應(yīng)力水平下發(fā)生自相似的持續(xù)滑移；二是此過程伴隨著持續(xù)的剪應(yīng)力松弛并向裂紋尖端方向轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為裂紋膨脹區(qū)向初始壓實區(qū)的逐步擴(kuò)展，引發(fā)尖端局部應(yīng)變的持續(xù)累積。
基于此，研究團(tuán)隊進(jìn)一步開發(fā)了結(jié)合速率-狀態(tài)摩擦與斷裂力學(xué)的有限元模型，揭示巖石中廣泛存在的微裂紋在持續(xù)摩擦滑移的調(diào)控下，大多數(shù)會逐漸減速“安靜”，而少數(shù)裂紋則會相互觸發(fā)不斷加速，最終形成宏觀斷層帶。基于該發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊建立了從微觀摩擦滑移到宏觀失穩(wěn)的統(tǒng)一物理框架，揭示了巖石“亞臨界破裂”的本質(zhì)是其內(nèi)部永不停歇的微觀摩擦主導(dǎo)的應(yīng)力重分配與破裂的協(xié)同演化。
研究首次從實驗與理論兩方面完整揭示了巖石長期緩慢破裂的物理機(jī)制，成功破解了“亞臨界破裂”難題，為巖石、冰、陶瓷等脆性結(jié)晶材料在任意受力條件下的長期變形與破裂提供了統(tǒng)一的解釋框架，也為理解地震孕育、地殼應(yīng)力演化及地下工程長期穩(wěn)定性等領(lǐng)域提供了關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。
審稿人高度評價這項工作，認(rèn)為其“為分布式損傷如何演變成局部剪切帶提供了寶貴見解，對理解地震成核的起始非常重要”，“有助于拓寬期刊《物理評論快報》的視野，促進(jìn)地球物理學(xué)、材料科學(xué)和物理學(xué)界之間的跨學(xué)科交流”。
新手指南
我是買家
我是賣家
