MIT實驗室揭示地震能量驚人去向＊阿波羅新聞網

地震八成能量化為高溫，而非搖晃。MIT實驗室揭示了這一能量分配的驚人秘密。

當地震發生時，我們所感受到的地動山搖，其實僅僅是其釋放總能量的一小部分。一場地震在引發劇烈震動的同時，還會在地下岩石中產生一道閃電般的熱量，並引發多米諾骨牌式的岩石破裂。然而，要想在真實世界中精確測量這三股能量各自的比例，即便不是天方夜譚，也堪稱一項極其艱巨的挑戰。

現在，麻省理工學院的地質學家們通過「實驗室地震」，一種在受控環境中精心觸發的微型地震模擬，成功追蹤了能量的完整蹤跡。他們首次量化了一場地震完整的能量預算，清晰地揭示了能量在產生熱量、引發震動和造成岩石破裂這三個過程中的分配比例。

研究結果令人驚訝：在一次實驗室地震央，只有大約10%的能量真正轉化為了物理上的搖晃。更小的一部分，不足1%，用於擊碎岩石、創造新的斷裂面。而絕大部分能量，平均高達80%，都轉化為了熱量，迅速加熱了震源周圍的區域。研究人員甚至觀察到，一次實驗室地震產生的瞬間高溫，足以熔化周圍的物質，使其短暫地變為液態熔融體。

地質學家們還發現，地震的能量預算與一個地區的「形變歷史」密切相關——也就是岩石在過去的地質構造運動中被移動和擾動的程度。這意味著，一個地區過往的經歷，會直接影響未來地震央能量的分配方式，從而決定其破壞力的性質。

「岩石的形變歷史，本質上就是岩石的『記憶』，它確實影響著一場地震的破壞力有多大，」麻省理工學院地球、大氣與行星科學系的研究生Daniel Ortega-Arroyo說道，「這段歷史影響了岩石的許多物理特性，並在某種程度上決定了它將如何滑動。」

儘管團隊的實驗室地震只是對自然地震的簡化模擬，但從長遠來看，這些成果可以幫助地震學家預測地震多發地區的風險。例如，如果科學家們知道某地過去一次地震產生了多大的震動，他們或許就能估算出其餘能量對地下深處岩石的影響程度，比如有多少岩石被熔化或破碎。這些信息反過來又能揭示該地區在未來地震面前的脆弱程度。

「我們永遠無法完全複製地球的複雜性，所以我們必須在這些實驗室地震央，將正在發生的物理過程獨立出來進行研究，」麻-理工學院地球物理學副教授Matěj Peč表示，「我們希望能理解這些過程，並嘗試將它們外推到自然界中去。」

地震的能量源於數百萬年來儲存在岩石中的應力。隨著構造板塊緩慢地相互擠壓研磨，應力在地殼中不斷累積。當岩石所受的推力超過其材料強度時，它會沿著一個狹窄的區域突然滑動，形成地質斷層。隨著斷層兩側的岩石錯動，便會產生向外和向上傳播的地震波。我們主要通過地面震動來感知地震的能量，但這只是冰山一角。另外兩種主要的能量形式——熱量和地下岩石的破裂，用現有技術幾乎無法觸及。

「這不像天氣，我們可以觀察日常模式並測量許多相關變量。深入地球內部去做同樣的事情是非常困難的，」Ortega-Arroyo說，「我們不知道岩石本身發生了什麼，而且同一斷裂帶上地震的復發周期長達數百年甚至數千年，這使得任何有實際意義的預報都極具挑戰性。」

為了弄清地震能量的分配之謎，他和Peč教授走進了實驗室。在過去的七年裡，Peč在麻省理工學院的研究小組開發了一系列方法和儀器，旨在通過模擬微觀尺度上的地震事件，來理解宏觀尺度上地震的真實面貌。

在他們的新研究中，團隊使用了花崗岩的小樣本，這種岩石是「地震孕育層」的代表，即大陸地殼中地震通常起源的地質區域。他們將花崗岩磨成細粉，並與更細的磁性顆粒粉末混合，將這些磁性顆粒作為一種巧妙的「內置溫度計」。

隨後，研究人員將這些粉末樣本放置在兩個小活塞之間，並用金箔包裹起來。他們施加強磁場，使粉末中的磁性顆粒初始方向和場強都保持一致。這樣一來，之後顆粒方向和場強的任何變化，都可以作為該區域因地震事件而經歷溫度變化的可靠標誌。

準備好樣本後，團隊將其逐一放入一個定製的設備中。該設備可以穩定施加逐漸增大的壓力，模擬地表下約10到20公里深處地震孕育層中岩石所承受的壓力。他們還使用了共同作者O』Ghaffari開發的定製壓電傳感器，將其固定在樣本兩端，以測量任何發生的震動。

實驗觀察到，在特定壓力下，一些樣本會突然滑動，產生類似於地震的微觀尺度事件。通過事後分析樣本中的磁性顆粒，他們估算出了每個樣本瞬間被加熱的程度。同時，利用壓電傳感器的測量數據和數值模型，他們也估算出了每個樣本經歷的震動量。研究人員還在不同放大倍率的顯微鏡下檢查了每個樣本，以評估花崗岩顆粒大小的變化。