近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室(OMG)施小斌研究員團(tuán)隊(duì)楊小秋和許鶴華，與美國(guó)密西西比大學(xué)教授Alexander H.D. Cheng、日本京都大學(xué)教授Weiren Lin及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授張懷合作，推導(dǎo)并建立了同震應(yīng)力變化過(guò)程中飽水巖層溫度響應(yīng)熱-力學(xué)理論基礎(chǔ)，并嘗試用于解釋震后鉆孔測(cè)溫結(jié)果。該工作已發(fā)表在Physics and Chemistry of the Earth上。研究員楊小秋為論文第一作者和通訊作者。
地震發(fā)生后，鉆孔測(cè)溫結(jié)果往往能揭示一些關(guān)鍵信息。1999年我國(guó)臺(tái)灣集集地震、2008年汶川地震及2011年日本東北大地震后，鉆孔測(cè)溫結(jié)果顯示：在同震滑移面上下5–20米范圍內(nèi)存在溫度正異常；同時(shí)，在距滑移面20–60米范圍內(nèi)也存在明顯的溫度負(fù)異常，其峰值雖僅為正異常峰值的1/4–1/3，但其分布范圍卻是正異常的3–4倍。目前，溫度正異被普遍認(rèn)為是由摩擦生熱效應(yīng)所致，而溫度負(fù)異常的成因一直未被充分認(rèn)識(shí)。
該團(tuán)隊(duì)基于多孔介質(zhì)熱彈性理論，提出同震應(yīng)力釋放是導(dǎo)致溫度負(fù)異常的成因機(jī)制。為驗(yàn)證該理論預(yù)測(cè)，需要獲取巖石絕熱應(yīng)力-溫度響應(yīng)系數(shù)β = (?T/?P)s。前期，研究團(tuán)隊(duì)已開展實(shí)驗(yàn)并獲得干燥條件下地殼常見巖石的絕熱應(yīng)力-溫度響應(yīng)系數(shù)βdry (1.53–6.15 mK/MPa)。然而，地殼巖層多為飽水狀態(tài)。因此，本研究首先基于有效應(yīng)力原理進(jìn)行理論推導(dǎo)，首次建立了飽水巖石絕熱應(yīng)力-溫度響應(yīng)(βwet)的熱-力學(xué)理論公式，并從孔-熱-彈理論出發(fā)，進(jìn)一步證實(shí)了該理論公式的正確性和普適性。該公式揭示了飽水巖石絕熱應(yīng)力-溫度響應(yīng)系數(shù)與巖石固體介質(zhì)、孔隙流體的應(yīng)力-溫度響應(yīng)系數(shù)、體熱膨脹系數(shù)、體積熱容、孔隙度、Skempton系數(shù)及背景溫度之間的定量關(guān)系，使得研究人員能夠基于常規(guī)巖石熱-力學(xué)參數(shù)定量計(jì)算不同背景溫度下的βwet。
基于該理論基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算了15種代表性巖石在背景溫度23–50°C內(nèi)的βwet取值范圍，發(fā)現(xiàn)其值均高于干燥條件下的βdry，且可壓縮性越高的巖石，βwet與βdry的比值越顯著。此外，βwet隨背景溫度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過(guò)該理論，團(tuán)隊(duì)計(jì)算獲得集集地震同震溫度降在18–53 mK范圍，與震后鉆孔測(cè)溫結(jié)果(~25 mK)較吻合，并進(jìn)一步論證理論可預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的“負(fù)–正–負(fù)”溫度變化模式。
同震事件是多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜現(xiàn)象，建模工作常因缺乏可靠原位數(shù)據(jù)而更加困難。本研究聚焦于應(yīng)力致熱機(jī)制的理論闡釋，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)現(xiàn)象的合理吻合為構(gòu)建更全面的耦合模型提供了理論基礎(chǔ)。
本項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所自主部署項(xiàng)目、自然資源部海底礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題及日本科學(xué)促進(jìn)會(huì)的資助。
相關(guān)論文信息：Yang,X.,A. H. D. Cheng,W. Lin,H. Xu,and H. Zhang. Theoretical basis and analyses of temperature responses of water-saturated rocks to rapid changes in confining pressure,Physics and Chemistry of the Earth,2025,103925 .
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.pce.2025.103925
同主題相關(guān)前期工作：
1.楊小秋,林為人,葉恩肇等. 斷裂帶同震溫度負(fù)異常機(jī)制分析. 地球物理學(xué)報(bào),2020,63(4):1422-1430 .
論文鏈接:http://www.geophy.cn/article/doi/10.6038/cjg2020M0638
2.Xiaoqiu Yang,Weiren Lin,Osamu Tadai,Xin Zeng,En-Chao Yeh,Chuanhai Yu,Haibing Li,Huan Wang. Experimental and numerical investigation on temperature response to stress changes of rocks. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2017,122(7):5101-5117.
論文鏈接:https://doi.org/10.1002/2016JB013645
圖1? 1999年我國(guó)臺(tái)灣集集地震震后車龍鋪斷層(F1)TCDP Hole-A鉆孔溫度測(cè)量概況
圖2? 在23~50℃下，地殼常見巖石的βdry和βwet與體積模量Kd_i之間的關(guān)系
圖3? 15種代表性巖石的βwet對(duì)背景溫度T0 (23~50℃)的依賴性
(藍(lán)色和紅色實(shí)心圓分別表示每種巖石的下限和上限。在23°C下，βdry以紅星作為參考。虛線FL是每個(gè)巖樣的線性擬合)
圖4? 震后地層孔隙壓分布模式示意圖
(以穿過(guò)空間點(diǎn)(-1.2,0,0.3)到點(diǎn)(1.6,1,-5)的線為例；其中縱軸和橫軸分別代表孔隙壓力(p)和距離(Distance)，它們可以是任意比例)
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