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物理学家怎样研究地震? 精选

已有 4208 次阅读 2021-8-7 09:52 |个人分类:科研随想|系统分类:科研笔记

物理学是研究物质(大至宇宙,小至基本粒子)最一般的运动规律和物质基本结构的学科,是其他自然科学学科的基础。物理思想与方法不仅对物理学本身有价值,而且对整个自然科学,乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。难怪某洋专家十分尖锐地指出:没有物理修养的民族是愚蠢的民族!

在物理学上做出非凡成就的学者,通常视野开阔、洞察力深厚、创造力惊人,乃聪明绝顶之士也。对这些物理学家,典型如牛顿和爱因斯坦,我一直崇拜和效仿之。

地震是一种自然现象,属于物理学研究范畴;此外,历经多年探索,越来越多的学者已清醒地认识到,解决地震预测科学难题的根本出路,是走物理预测之路。由此而论,物理学家们研究地震更能大显身手。那么,其能不能在地震机理和地震物理预测模型上做出实质性贡献呢?

下面,我根据几位海龟在国外留学时听说的故事和有关文献,进行简略整理,写就这篇文章,以期规避陷阱、走出误区,从而推动地震科学的健康发展。

一、 有心栽花花不开

二战后,几位洋物理学家看到实验室里有一堆厚块玻璃,觉得当垃圾扔出去太可惜,不如做压裂实验看看有无断裂前兆以用于地震预测。然而,结果令人大失所望,从监测的应力-应变曲线、AE-时间曲线与波速-时间曲线上,找不到可判识的前兆信号,于是乎认为地震很难被预测。

这是为什么呢?原因是玻璃与地震的主要发源地——锁固段(岩石),在均匀性和脆性上存在巨大差异。前者均匀性强和脆性高,断裂前几乎没有破裂损伤,因此不可能观测到可判识的前兆。

二、理想很丰满,现实很骨感

地震学家通过观测,发现:(1)地震大小的统计分布服从G-R律(幂律);(2)“余震”频度随时间的统计分布服从Omori律(幂律);(3)断层系统和地震震中的空间分布具有分形结构。此外,几位岩石力学学家指出:从厘米级受载岩样中的微破裂(AE)、米级的矿山微震活动到公里级尺度的地震,其频次—震级关系与变形时空分布等的一阶统计具有相似性。

受此启发,一些物理学家开启了利用理论物理(主要是统计物理)探索地震奥秘之路;然而,历经多年探索,并无实质性进展。正如Kangan2006)所指出的,失败的原因在于:

1.地震活动的多维特性:时间、空间和地震震源机制需要建模。后者是一种特殊的对称二阶张量。

2.地震发生的内在随机性,需要使用随机点过程和适当的复杂统计技术。

3.随机稳定或重尾变量的理论比高斯变量的理论要困难得多,而且现在才发展起来。地震过程(具有尺度不变或分形特性)理论应该能够被重正化。

4.地震大小的统计分布、地震时间相互作用、空间模式和震源机制在很大程度上是普适的,即不同构造带地震的主要参数值相似。这些分布的普适性将为地震过程理论提供更好的基础。

5.目前地震资料统计分析质量较低。由于很少或没有对随机和系统误差进行研究,大多数公布的统计结果都是人为的。

6.在地震破裂期间,传播的震源机制有时会经历大的三维旋转。这些旋转需要非交换代数(例如四元数和规范理论)来精确地模拟地震的发生。

7.这些现象学和理论上的困难不仅限于地震:任何脆性材料的断裂,拉伸或剪切,都会遇到类似的问题。  

在我看来,Kangan提及的问题并未涉及实质,要解决的实质问题包括:(1)须澄清地震发源地(锁固段)的物理条件、力学特性和力学行为(特别是破裂模式),才可能建立可靠的地震过程理论;(2)须界定地震之间的关联性,才能进行可靠的统计分析。在此,还需指出的是,过去对“研究区”的划分缺乏科学依据,具有强人为性。

三、 有位佳人,在水一方

谈到地震过程,需提及沙堆模型(sandpile model)、自组织临界性(SOC)与描述自组织临界行为的重正化群(RG)理论。物理学家Bak等(1987)沙堆模型实验出发,提出了自组织临界性的概念,指出一个具有持续、缓慢、均匀的能量供给且由许多基本单元组成的系统,当单元之间具有非线性相互作用时,会自发地演化到某个临界状态。此时,整个系统处在一个非常敏感的状态,任何微小的局域扰动均有可能触发一次贯穿整个系统的“雪崩”。 雪崩”规模与发生频率服从幂律分布,通常认为这是自组织临界态的“指纹”。自组织临界性的提出,具有划时代的意义。然而,某些地震专家,信奉“拿来主义”,直接把此概念张冠李戴于地震预测。Geller等人是典型代表,其于1997Science发文,认为“地球处于自组织临界状态,任何小地震有可能级联性地发展成大地震。”此种谬误流传甚广,不少地震学家在对地震机理不明的情况下被其误导,从而对地震预测前景悲观失望。

为什么Geller等人对地震的认识不靠谱呢?我做几点通俗的解释:(1)沙堆与锁固段不同,前者为低承载力的散体而后者为高承载力的块体,且前者均匀性强而后者非均匀性强,这说明两者不能可靠地类比;(2)地球上每天发生众多不同量级的地震,但大地震罕见,且越大的地震越少,这种强不匹配性说明不存在必然的级联性,这也被某地小震群发生后通常并无后续大地震发生的事实佐证3)我们的研究(吴晓娲等,2018)表明,不能把自组织和临界性混为一谈,自组织是“因”,临界性是“果”,即对大地震(标志性地震)演化过程而言,由于存在每次地震(预震)后的卸载和应力恢复机制,从自组织到临界是一个漫长且遵循确定性规律的过程——说明需发生足够数量的预震才能导致标志性地震发生;(4我们的研究(杨百存等,2020)还表明,小地震主要源自于非锁固段破裂,其与源自于锁固段破裂的大地震,无直接力学联系。

重正化群理论由美国物理学家Wilson1971年创立,该理论已在诸多学科得到广泛应用。在用该理论描述地震过程建模方面,包括物理学家在内的一些学者,做出了不错的工作。然而,遗憾的是:(1)其未解决谁地震(地震发源地)的问题,以及发源地的物理条件、力学属性与力学行为(特别是破裂模式)问题,以至于难以选定合适的重整化群变换模型;(2)其对临界点的物理意义认识不清。不过,幸运的是,我们用该理论给出了锁固段体积膨胀点的应变表达式,并利用损伤本构模型给出了峰值强度点处的应变表达式。由于在这两点处各发生一次标志性地震,故可利用前者预测后者。确实,科学研究具有传承性;为此,感谢物理学家Wilson为我们建立标志性地震物理预测模型提供的工具——重正化群理论。

四、 山重水复疑无路,柳暗花明又一村

关于地震产生机制,一些物理学家坚持以前的“黏滑说”,其主要依据是:(1)从地震现象上看,貌似是先黏后滑;(2)从含软弱夹层(模拟断层)的室内三轴实验结果看,确实能模拟出黏滑致震现象。然而,我们的研究表明:(1)锁固段破裂致震前,因锁固段的阻滑效应,貌似断层被黏住了;在破裂时,锁固段快速释能导致断层突然滑动。这说明破裂前的聚能和破裂时的释能行为也能呈现“黏滑”现象,但破裂是“本”,滑动是“表”,且实际地震的表现已给锁固段脆性破裂机制投了赞成票。(2上述实验结果未考虑锁固段所处的温压环境和剪切受载条件,得出的结果难以令人信服。实际上,在真实的温压条件下,断层内的软弱介质在经历一定的剪切变形后,呈现应变硬化性质,断层也随之呈现稳态蠕滑,即不含锁固段和非锁固段的断层不会发生构造地震。做科研嘛,一要练就透过现象看本质的火眼金睛,才能少走弯路;二要对症下药、有的放矢,才能避免室内实验与实际脱节。

五、敢问路在何方,路在脚下

关于地震预测,只有两条路可走,一条是找前兆,另一条是找规律。一些物理学家们聚焦于前者,想找到普适性的物理前兆,如电磁信号异常,但未能成功。我们的研究表明,除锁固段峰值强度点处标志性地震前存在体积膨胀点处标志性地震和首发前震这两个可判识地震活动前兆外不存在其他物理前兆;其他物理异常出现在震时,而不是震前。在找规律方面,我们发现标志性地震的演化遵循指数律,其是可预测的。

总结下,不管是物理学家,还是地震学家、地球物理学家、岩石力学学家,研究地震都需要解决以下几大问题:(1)谁地震(地震发源地);(2)发源地的物理条件、力学属性和力学行为(特别是破裂模式);(3)地震的关联性界定。这是绕不过去的坎。虽然学术研究提倡“百花齐放百家争鸣”,但任何观点的提出需满足逻辑自洽,任何观点的成立需通过实证。物理学,大致上属于一门实证科学。因此,物理学家们进行地震研究,千万不要忘记实证这一试金石。然而,我从文献中看到的结果,不太令人满意,即关于地震机制和物理预测模型的研究,缺乏广泛的回溯性验证。试想,连已发生的大地震几乎都不能“回放”,何谈前瞻性预测呢?

看到这里,可能有童鞋会问,地震预测这么难的问题,连聪明绝顶的物理学家几乎没招儿,就你能,呵呵。如果有人问这样的问题,我准备这样回答:(1)虽然我的智商一般一般,但我的知识积累恰好具备了打开地震物理预测之门的钥匙——懂地学和力学、熟悉岩石破裂过程且掌握非线性科学(包括重整化群)的基础知识,且专注勤奋,正所谓勤能补拙嘛;(2)我开始转变科研方向研究地震,是受灵感启发,纯属误打误撞进来的,以前几乎没看过地震方面的文献,不受前人条条框框的约束;(3)或许世界上存在只有某个人才能弄明白的问题,待一切时机成熟时,上帝就降大任于此人矣。实话实说,我之前做过长期的基坑支护与非线性岩土力学研究,感觉缺乏激情和敏锐性,未有重要建树,但琢磨地震仿佛对路了——棋逢对手,自己全部的科研潜力都被激发调动起来,像换了个人似的,尤其自2016年以来,简直是指哪打哪,如有神助啊,于是有了博文《科研的最高境界之我见》中的感想“无招胜有招”。

最后,谈点感悟吧。学者要攻克某一科学难题,不一定需要自己多么聪明,但需要自己具有多学科的知识、敏锐的观察力和深厚的洞察力,还需要灵感的助力;在找到该难题的突破口扩大战果的征途上,千万不要被各种“噪音”所扰,应专注于深度思考下一步的着力点和good idea。有些学者常抱怨自己不够聪明而不愿攻坚克难,实则是想当逃兵矣。但愿这篇博文,能给有志学者以正能量的启示。

其他参考(略)



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