低摩擦软颗粒剪切诱发慢地震统计规律的起源机制

《Nature Communications》：Origin of slow earthquake statistics in low-friction soft granular shear

本研究针对慢地震与常规地震在矩释放速率和规模分布上的差异，通过实验模拟 hydrothermal 条件下低摩擦软颗粒断层材料的剪切行为。研究人员利用浮于润滑液上的水凝胶颗粒层开展 stick-slip 实验，发现其滑移事件遵循慢地震的指数型规模分布和线性矩-持续时间标度律（M0 ∝ T），揭示了低摩擦性与颗粒软度通过剪切局部化和孔隙率调控压力增强的竞争机制，为理解断层带中流体驱动慢地震的物理起源提供了新视角。

　　

在地球深部的断层带中，有一类被称为“慢地震”的特殊现象——它们释放能量的速度远低于常规地震，且规模分布以小型事件为主导。这种差异为何存在？其背后的物理机制一直是地学领域的争议焦点。传统观点认为，断层滑移行为主要受摩擦控制，但慢地震的独特统计特征（如指数型规模分布和线性矩-持续时间关系）暗示了更复杂的微观动力学过程。尤其值得注意的是，慢地震常发生于流体丰富的断层带，例如俯冲带的脆-韧性过渡区，其中低摩擦的含水粘土矿物和高压孔隙流体可能共同调控了慢滑移行为。然而，由于实验系统尺寸限制和断层材料内部结构观测的困难，慢地震的多重统计规律及其起源尚未在实验中系统重现。

为了揭示慢地震统计特性的物理本质，日本大阪大学地球与空间科学系的Yuto Sasaki和Hiroaki Katsuragi团队在《Nature Communications》发表研究，通过创新性的低摩擦软颗粒剪切实验，首次在实验室中同时复现了慢地震的关键统计规律。研究团队设计了一种准二维旋转剪切装置：将单层球形水凝胶颗粒（直径4.4 mm）浮于高密度润滑液表面，通过扭簧连接的圆柱以恒定角速度旋转，模拟断层剪切过程。该系统通过调控颗粒层孔隙率（φ = 0.18–0.41），实现了对断层材料中流体含量、有效正应力和剪切局部化程度的定量控制。

实验通过扭矩测量和颗粒运动原位追踪技术，捕获了数百次粘滑事件。关键方法包括：（1）利用粘度计电机与扭簧系统量化扭矩波动和滑移持续时间；（2）通过底部高速摄像记录颗粒运动，生成二值化图像并分析剪切带结构；（3）基于应力降（Δσ）和滑移面积（S）计算地震矩（M₀ = μSD）；（4）系统改变孔隙率、颗粒类型（水凝胶/玻璃珠）、液体粘度和容器尺寸，验证统计规律的普适性。

滑移事件的矩统计特征

研究发现，随着孔隙率降低，扭矩降幅和滑移事件频率显著增加，且滑移事件同时满足慢地震的两大统计规律：一是矩规模遵循指数分布（而非常规地震的幂律分布），表明其受限于特征尺度；二是矩与持续时间呈线性关系（M₀ ∝ T），意味着矩释放速率（M₀）恒定。这种线性标度律在低剪切速率下尤为明显，与自然慢地震观测一致。

原位颗粒运动与剪切局部化

通过时间序列图像分析，团队观察到三类区域：中央剪切带（活跃滑移区）、外围振动区（颗粒漂移<粒径）和外部固定区。随着孔隙率从0.41降至0.18，剪切带厚度（w）从≥9d（d为粒径）减小至2d，显示强烈局部化。值得注意的是，尽管剪切带变窄，但其内部孔隙率保持较高（φ ≈>

统计规律的机制阐释

指数型规模分布源于低摩擦、低正应力条件下力链（force chain）的局部屈曲坍塌，而非干摩擦系统中的级联破裂。力链应力呈指数分布，导致滑移规模受限。线性矩-持续时间标度则归因于恒定滑移面积（S(w(φ))）和平均滑移速度（V?）。通过建立力学模型，团队推导出矩与孔隙率的关系：M₀ ∝ δ2(R+w)Δσ，其中应力降满足〈Δσ〉 ∝ φ^?5.0，证实了孔隙率通过增强正应力和局部化共同调控矩释放。

讨论与地质意义

本研究提出，慢地震统计特性源于断层带中低有效正应力、有限断层宽度和软颗粒材料共同导致的力链网络渗流抑制。该模型可解释俯冲带不同深度地震行为的差异：深部过渡区高孔隙率（富流体）环境下，稀疏力链局部坍塌对应短期慢地震；浅部过渡区孔隙率降低，力链增强但未形成级联网络，对应长期慢事件；而地震带低孔隙率条件下，力链网络渗流则触发常规地震。

该研究通过简化的实验系统，首次将慢地震的宏观统计规律与微观颗粒动力学直接关联，为理解流体调控断层滑移提供了新范式。未来工作可进一步探索剪切速率、三维压力场和断层几何的影响，推动慢地震预测与灾害评估模型的发展。