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构造地质学、岩石变形实验和数值模拟对于提高对地震周期的理解的贡献
特殊卷“地震周期中的物理化学过程”的前言
地震是世界上危害最大的地质灾害之一，仅仅在过去的十年里平均每年有80000人死于地震（巴特尔斯和范罗严，2011）。根据预测出的全球人口的继续增长可知，在21世纪由地震造成的死亡人数还会增加。地震灾害图（基于器械、历史地震目录和岩石声波传输特性的地面加速度概率图）、以及严格的地面建筑施工规范是降低地震破坏、减少人员伤亡的最有效的工具。在一些情况下，海啸和地震预警警报系统是挽救人类生命的附加功能强大的工具。地震的确定性预测（例如：主震的震源位置、震级以及时间）是地球科学的圣杯，而且可能还无法实现（see Hough2010年审查）。但是，仍然存在有前景的地震预测模型（即测定即将发生的地震事件的主震震源位置、震级、时间），这些模型是基于近期的地震数据统计（地震群集、大森法、古腾堡-里克特法等）和推测出的应力转移与地震活动率之间的关系（斯坦，1999；乔丹等，2011）。然而，预测模型需要辅以物理约束（断层几何、同震滑移分布、摩擦定律，例如：塔利斯，1988；迪特里希，1994；海因茨等，2010；科科，2010）。在此框架内，改进的物理-化学过程的地震周期内活动的知识必然对更好的定义基于物理的地震预测模型有所贡献。
地震是破裂和摩擦的结果（斯科尔茨，2002），是与地质断层有关的主要上地壳变形过程（西布森，1989）。由于破坏性地震的震源深度较深（7-25千米），直接去进入现代地震的震源是不可能的，因此大多数对于地震震源的研究使用的是地震学和地球物理学的方法（见阿伯克龙比等，2006；李等，2002评论）。地震学可以从地震波分析检索五个主要地震参数（金森和里维拉，2006）：
— 地震矩Mo；
— 静态应力降△τs；
— 辐射能量ER；
— 破裂速度Vr和方向；
— 破裂能量（有时称为破裂功Wb）。
但是，重要的是，一些基本信息（包括剪应力的绝对值、断层在滑移时的演化、地震时的能量分配）以及可能会限制在地震滑移期间对断层起作用的物理过程的更一般的信息都超出了地震学调查的范围（比勒，2006）。此外，由于地震波反演分析的动态应力降的估计非常依赖于模型，所以滑移弱化距离的确定约束性仍然不够（伊德和武雄，1997；福山等，2003；Piatanesi等，2004）。地震学和地球物理观测，例如：破裂速度和动态（自我愈合裂纹与似脉冲，希顿，1990）、地震瞬间辐射能量的增加（金森和希顿，2000）、大的地震滑距、强烈的地面震动等，可以用地震滑移期间不同的物理化学过程的活跃来解释。最受欢迎的包括熔体润滑、热加压以及瞬间加热和降温（本森和希顿，2000；马等，2003；韦伯利和岛本，2006；赖斯，2006；野田佳彦和拉普斯塔，2010）。但是，可以从地震波中检测到的信息受到信号的分辨率和清晰度限制：鉴于切断了高频波的源影响（指向性和辐射影响）、路径和点影响（衰减和几何传播）（温卡塔拉曼，2006），很少可以说物理化学过程和破裂成核和传播有关（比勒，2006）。
地震周期的复杂性是由压力和断层强度与时间之间的非线性关系和混沌演化造成的（金森和布罗茨基，2004）。至少在人类的时间尺度上（几十年到几千年间），看似毫无规律的断层地震主震的发生是下面两个参数的结合和反馈：⑴、构造应力（和一些情况下引力）加载速率加上应力扰动（后者可能由于孔隙流体的动态或静态迁移突然触发，拜尔利，1993；斯坦因，1999；贡贝格等，2001；约翰逊和小平，2005；米勒等，2004）；⑵、控制断层带强度（断层带弹性介质随着时间的演化、断层封闭性与断层削弱过程等）的相对短到长的生物化学和物理过程（布兰比德等，1992；洛克内尔和拜尔利，1995；温蒂斯什等，1995；米勒等，1996；奥尔森等，1998；嘉利特等，2003；唐托雷等，2003；霍尔兹沃斯，2003；李等，2006；柯莱蒂尼等，2009；米特姆贝格等，2011）。作用于一个断层上的应力和断层强度之间的关系比同震过程要复杂的多（速度依赖于应力的削弱和增强，宋和岛本，2009；戴·拓若等，2011）。
在一个基于物理的断层可能性预测模型中，必须将岩石非均质性、断层带和破裂带几何特征、流体的物理化学特性、岩石的物理特征（渗透率、强度等）考虑在内。在非火山地震（低频地震）下隐藏和蠕变的主要发震断裂带部分的惊人发现（小原，2002；谢莉，2010）时我们意识到我们对于发震上地壳层和下地壳之间耦合的知识仍然缺乏。世界上监测最好的断层部分（帕克菲尔德的圣安德烈斯断层）曾在没有任何清楚的可以被感知的前兆的情况下产生了一个中等强度的地震（帕克菲尔德地震，2004，里氏6.0级）（巴贡等，2005），然而，其他的断层（如北安那托利亚断层）可能在前期一个不太复杂的监测站的地表监测的成核区的蠕变相逐渐积累后发生破裂（伊兹米特地震，1999，里氏7.1级），这一事实说明了地震周期的复杂性。无论哪种情况，如果没有地震周期中断层被激活的过程的知识，地震物理学说无从谈起，从而使任何一个受这部分知识限制的地震预测模型成为几乎不可能得到解决的挑战。
从对断层带和断层岩的野外调查、实验研究和理论分析中得出了一个研究地震的互补的方法，这种方法主要运用了构造地质学的原则，还包括了显微构造学、矿物学、地球化学、岩石物理学和数值模拟的方法。这样基于地质学的方法为2010年11月18-20日帕多瓦大学（意大利）地球科学系举办的主题为“地震断层发生的物理化学过程”的研讨会（这届研讨会汇聚了来自13个国家代表了66篇论文的100位科学家，这届研讨会的抽象卷可以从http://www.geoscienze.unipd.it/workshop/WorkshopAbstractVolume_cover.pdf下载）的召开提供了契机。研讨会上的其他议题已应用到地球科学中其他重要的过程中，例如：山体滑坡力学、火山管道的形成过程和岩浆侵位机制以及与包括材料科学与工程（磨损、铣削、润滑等）的其他学科之间的交叉。这些论文中有19篇发表在这个涉及到对震间和同震过程的野外和实验研究的特殊期刊上。
野外研究的结论开始是与高温糜棱岩相关的深层次假玄武的研究（怀特，2012）。笔者推测这些假玄武的形成机制可能与一些沿现代断层的表面非火山地震有关（小原，2002；谢莉，2010）。贝斯特门内等的研究（2012）验证了典型的地壳震源深度（9-11km）处与假玄武轴承断层毗邻的晶体塑性变形和石英的超微重结晶的存在。晶体塑性变形被约束在同震滑移时的摩擦发热造成的短暂高温瞬间发生，似乎是许多假玄武轴承断层的特征。这样的发现可能与发震断层的流变性有关。在浅地壳层次，Oohashi等（2012）和摩尔和赖迈（2012）强调摩擦性弱的矿物的作用，例如：石墨（町迹津川断裂带，日本）和滑石粉（圣安德烈斯断裂，美国），特别是在控制在所谓的大位移成熟断裂带中的断层削弱和蠕变上的作用。
在理论性结论中，野田佳彦和岛本（2012）描述了砂岩的岩石模拟实验，在这个实验中，再现了经验主义的速率和状态摩擦流动规律下的压力依赖性到压力不敏感性的过渡。这个新的有创造性的规律可能会广泛应用于地震周期研究模型中。在地震周期中，渗透性和孔隙度随时间的变化对于水力扩散的影响比萨里在2012年在理论上进行了分析，他探索了由于断层带附近孔隙度和渗透性随时间的降低数值模拟地震复发的时间跨度。在这次理论分析中，也分析了与致密颗粒流动的物理学特征有关的同震弱化过程对的激活，这些物理学特征包括在加载和破碎过程中储存在颗粒中的弹性应变能量和维持断层润滑或更传统的模型时释放的能量（戴维斯和McSaveney等，2012），同时要考虑摩擦生热诱导的晶格击穿引起的超临界流体的释放导致的热化学增压（Veveakis等，2012）。
大部分的这些理论研究的方法都缺少支持输入参数和假设的实验数据，这就需要从岩石物理学的角度进行详细的实验。一个最相关的未知参数是同震断裂带的渗透性，因为它要特别控制滑动区的加压。同震滑动引起的摩擦生热会触发孔隙流体和固体基质的热膨胀。与此同时，由摩擦滑动引起的断层岩的粉碎（见有关颗粒粉碎、泉华的讨论，沙杯等，2012；多哥和岛本，2012）、可能会释放流体（二氧化碳、水）的矿物破碎（韩等，2007；本兰特等，2008；广野等，2007）和破裂尖端的岩石粉碎和压裂（里斯和德维尔，2005）可能会极大的改变震前和震中的渗透性状态。古川等在2012年报道了确定同震滑移变形条件（滑动速率约1m/s）下断裂带传输性质的第一次尝试。以实验为基础的研究中一个高度相关的问题是缩放比例，这可以使机械数据的外推法达到自然的极限挑战。这个问题曾在比勒等人（2012）的论文中出现，说明，至少在这个实验条件（双轴应力大样本）下，相比较于断裂能和摩擦功，辐射能可以忽略不计，且实验确定的地震震源参数值（静态应力降、断裂效率）和地震学观测值相符。如前面讨论的，地震能量估测不能有地震勘探确定。这个问题的灵感来自于多哥和岛本（2012）、沙杯（2012）、广濑等（2012）的论文。通过用旋转剪切装置做实验，再现地震滑移速率和典型位移地震滑移，两组的作者都证实：地表断裂能仅为地震能量估计的一小部分（大部分为控制滑移区摩擦演化的热能）。斯托尔蒂和巴尔萨莫（2010）认为这些论文首先强调了在测量超细泥粒度（大小往往以纳米为单位）分布上的技术困难。然后，即使考虑一个事实，即这些实验没有再现与新断层面形成有关的同震过程（预计在破裂尖端发生的较大应力扰动没有在这样的实验条件下再现），实验测得的颗粒表面可能受到磨圆和泉华过程的影响。泉华形成时，通过在滑移区冷却减小了可以表面积，使得能量估算估计在野外和微观结构为基础的研究中非常困难。广濑等（2012）的研究专注于磨损过程的特点和磨损率随滑动速率的变化。这些信的研究表明，在富含硅酸盐结晶盐中，磨损率与位移从次地震滑动速率下的已知幂次法则转到地震滑动速率（约1m/）下的指数规律。由于大部分的地壳断层位移可能是由地震滑动造成的，在未来，这种关系可以而且应该在已发现的断裂带中得到检测。佩奇等（2012）在高温（300-500℃）和围压（500-1500MPa）条件下花岗岩沟槽中进行的实验中研究了介于压力依赖和压力不敏感之间的变形过程的结果。不出意料，在较高温度条件下变形的岩石强度较小（随着温度的升高、围压的加大，初始摩擦峰值变小），但是值得注意的是，在实验中，即使在低温条件下，伴随着化学反应和质量传递，形成了壮观的S-C组构。考虑到天然断层产物的纹理相似性，这些研究成果在摩擦粘性介质的流变性特征和弹性应变能的大小方面还是不够的，如果存在能量，这些能量可能会储存起来，并最终在地震时释放。
岩石的摩擦性质在实验室内的测定仍然至关重要。事实上，地震的成核、同震断裂和滑移、震后余滑和蠕变取决于摩擦滑移和滑移速率的演化和依赖性（迪特里希，1978；斯科尔茨，2002）。在本书中，不同的岩石材料的摩擦系数是通过几个实验研究来测定的，在实验中，模拟了原来的温压条件下富含蒙脱石、伊利石的大型逆冲断层断层泥的摩擦性质，其中包括在俯冲相关的大型逆冲断层环境中控制固锁部分深度的稳定到不稳定过渡的滑移条件（丹·哈尔托克等，2012）。宋等（2012）曾调查研究了与皂石有关的断层（在圣安德烈斯断层深度观测平台项目中也发现这种断层，摩尔和赖麦，2012；霍尔兹沃斯等，2011）的摩擦性质，宋的调查研究表明这种断层的摩擦系数极低（<0.12）且存在速率强化行为。这样的实验结果支持了主要断裂带的一些片段的“绝对”松弛和蠕变。实验研究的目的在于区分地震滑移开始时动态减弱的摩擦行为和物理过程。蒂萨托等（2012）的研究表明当临界滑移率的达到导致与赖斯（2006）提出的瞬间加热和削弱模型相兼容的石灰岩产生极大的削弱时，这个物理模型并不符合微观构造学和矿物学的结论，至少在这些石灰岩的实验中是这样。实验观察到的力学数据并不符合瞬间加热摩擦规律。
由于火山管道摩擦熔融形成的假玄武玻璃直到最近才被发现（塔菲和丁维尔，2005），这个发现包含了一项研究，该研究试图介绍断层的物理化学过程，并加入到火山管道和酸性脊状隆起侵位的物理学研究中（肯德里克等，2012）。虽然还在起步阶段，但是，近期有关硅酸盐岩浆的物理性质的研究结果在假玄武玻璃研究上的应用看起来非常有前景。在这里，熔融润滑是由几个参数控制的：断层粗糙度、应变率（即熔融厚度和滑移率）、熔体逃逸距离以及熔体粘度（佩尔松，2000；广濑和岛本，2005；尼尔森等2008、2010年的讨论）。后者不仅取决于熔体组分和温度，还与碎屑和基质的组分和碎屑的形状有关。牛顿流变学的使用可能会导致熔体强度极限估计的降低（斯普雷，1993；氏家等，2007）。拉瓦雷等（2012）讨论了实验产生的摩擦引起的非牛顿熔体流变学。结果表明了火山学、构造地质学、实验岩石变形之间相互作用的潜力，以及从不同学科中获得的知识如何可以形成火山与断层相关过程的新观点和新理解。
最后，在帕多瓦大学的研讨会也是广岛大学（日本）的彦岛本教授的退休（但不是不在从事研究工作）以及他对于地震周期中的物理化学过程的理解所作出的贡献的庆祝。岛本教授的发现以及他的实验方法在其它领域也得到了广泛应用（例如：山体滑坡力学，费里等，2011）。这些贡献，以及他和她以前的学生共同写的论文，清楚的表明了在他的职业生涯中的研究主题的覆盖范围之广（从摩擦性能到压力依赖与压力独立之过渡，甚至地震能量估算，野田佳彦和岛本，2012；多哥和岛本，2012；丹·哈尔托赫，2012；沙怀等，2012；宋等，2012；广濑等，2012；大桥等，2012）。
岛本教授率先开创了野外研究和实验研究（一些情况下是数值模拟研究）联系：他依然是能够设计复杂的实验体系并进行高质量野外研究的少数几位科学家之一。岛本教授在地震物理学方面的贡献包括以下几个方面：
1) 研究断裂带的物理和传输性质（磁导计、双轴和三轴仪）、地震滑动速率中的岩石摩擦性能（高速旋转剪切机）的精密仪器的设计（岛本和堤正臣，1994；川本和岛本，1998；野田佳彦和岛本，2010；韦伯利和岛本，2003）。
2) 导致从摩擦滑动到晶体塑性流动的过渡过程的实验研究（岛本，1986；川本和岛本，1998），流体流动的速率和状态规律的提出（野田佳彦和岛本，2010），以及基于此规律的摩擦流动规律和断层稳定性分析的发展（野田佳彦和岛本，2012）。
3) 同震滑动速率中的岩石摩擦的首要决定因素（堤正臣和岛本，1997），断层带渗透性的测定和热增压分析（韦伯利和岛本，2003；2005），摩擦熔融过程的实验研究（广濑和岛本，2005），同震滑动速率的断层泥第一次实验研究（沟口等，2007），矿物分解以及其对热增压的影响（韩等，2007；勃兰特等，2008），关于纳米颗粒高速度摩擦实验研究和粉末润滑的提出（韩等，2010）。岛本的实验研究奠定了地震断裂的几个数值模拟或者理论模型研究（费阿尔克和哈赞，2005；西罗诺等，2006；尼尔森等，2008；赖斯，2006；比勒等，2008）和慢速滑移事件（柴琦和岛本，2007）的基础。
但是，可能最重要的是，岛本教授的热情和献身的精神不断激励着许多年轻研究者（和一些现在并不怎么年轻的研究者）的研究工作，这将成为他最持久的遗产。因此，这卷论文应该献给都敏，承认他在此科学领域所做的努力的基本和持久的影响力，这是非常合适的。