我們已經(jīng)知道世界上絕大多數(shù)地震是由地殼斷層引起的，但這些斷層在什么時候會突然發(fā)作，我們卻難以準(zhǔn)確把握斷層的"脾氣"。除了在地震統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)規(guī)律、尋找地震的"前兆"現(xiàn)象之外，科學(xué)家們主要通過檢測地質(zhì)情況來試圖預(yù)測地震，比如用激光儀來探測地殼活動、用地震儀來捕捉地震波。目前人類已經(jīng)大致把握住地震多發(fā)地帶，但對于發(fā)生時間的預(yù)判能力十分有限。

近日，美國的一個研究團(tuán)隊(duì)建立了首個摩擦力"老化"的數(shù)學(xué)模型，不僅更好地解釋了大型地震的發(fā)生，也有助于判斷斷層何時會發(fā)生滑動，由此可能實(shí)現(xiàn)對大型地震的預(yù)測。

此前，地質(zhì)學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在地殼發(fā)生形變的地震斷層板塊邊界，斷層也會產(chǎn)生對抗形變的地質(zhì)應(yīng)力，這時斷層處于一個"蓄力"的狀態(tài)，等待在沉默中暴發(fā)。由于斷層處的形變會不斷累積，一旦應(yīng)力突破最大靜摩擦力，斷層就會發(fā)生滑動，觸發(fā)地震。

但來自賓夕法尼亞大學(xué)、哈佛大學(xué)和威斯康辛麥迪遜大學(xué)的這個研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《物理評論快報》上的文章指出，一方面，地質(zhì)應(yīng)力會在形變中不斷積累，另一方面，摩擦力本身也是在增加的。地質(zhì)應(yīng)力和摩擦力兩兩相漲，最終形成大暴發(fā)，不僅增加了地震發(fā)作時間的不確定性，也增加了大型地震的發(fā)作頻率。

速率與狀態(tài)依賴性摩擦本構(gòu)關(guān)系（RSF本構(gòu)關(guān)系）是宏觀摩擦力領(lǐng)域的一條"基本法"，被廣泛應(yīng)用在描述孕震帶不同巖石材料的宏觀摩擦行為。RSF本構(gòu)關(guān)系中有一個基本概念是"老化"，指的是在粗糙面蠕變和界面強(qiáng)化的作用下，摩擦力隨靜態(tài)接觸時間的增加而增加。在地震這個例子里，就是地殼斷層處的靜摩擦力會在斷層尚未滑脫、相互擠壓接觸時不斷累加。

"這個 老化 機(jī)制是斷層活動不穩(wěn)定性的關(guān)鍵"，論文主要作者、賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程和應(yīng)用機(jī)械系主任Robert Carpick說道，"如果沒有 老化 機(jī)制，斷層會更容易滑動，這樣只會觸發(fā)小型地震，甚至都不是地震，而是平滑的移動。 老化 機(jī)制導(dǎo)致了不頻繁的災(zāi)難性大地震。"

以往的研究都集中在宏觀的地殼層面上，為了探究大地震更基礎(chǔ)的、更"物理學(xué)"的本質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)選擇在微觀層面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以期建立某種基本模型。

在微觀層面上，美國的這個研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用原子力顯微鏡觀察到納米級二氧化硅接觸面的摩擦力的"老化"現(xiàn)象。之所以選擇二氧化硅，是因?yàn)樗窃S多種巖石的主要成分。

在第一部分實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)材料的接觸時間和靜摩擦力呈近似對數(shù)關(guān)系。即，當(dāng)兩塊納米二氧化硅材料接觸的時間增加到10倍時，外力需要加倍才能迫使它們產(chǎn)生滑動。

在第二部分實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)材料承載的負(fù)荷與靜摩擦力呈近似線性關(guān)系。即，當(dāng)承載負(fù)荷加倍時，產(chǎn)生滑動所需的外力也會加倍。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此前一種解釋"老化"機(jī)制的理論模型相符。該理論假設(shè)，摩擦力增加是由于接觸面逐漸生成了化學(xué)鍵。接觸時間更長，生成的化學(xué)鍵數(shù)目自然會越多。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也反駁了另一種理論假說：壓力越大，化學(xué)鍵會形成得越快。研究者認(rèn)為，增大接觸壓力僅僅是增加了原子接觸位點(diǎn)的數(shù)量。

目前，研究者們正試圖在更短的接觸時間內(nèi)觀察摩擦力的變化，以期窺探出材料接觸的那一瞬間到底發(fā)生了怎樣的起始變化。

Carpick總結(jié)道，"現(xiàn)在地震位置能被較好地預(yù)測出來，但預(yù)測地震發(fā)生的時間時間很難。這在很大程度上是因?yàn)槲覀內(nèi)狈Φ卣鸨澈竽Σ亮C(jī)制的物理學(xué)理解。我們還需要花很久把這個成果應(yīng)用在地震上，但是，這個成果揭示了摩擦力老化 的基本機(jī)制。未來，我相信這種基礎(chǔ)性的研究能幫助我們更好地預(yù)測地震。"