創(chuàng)建和發(fā)展自然災(zāi)害摩擦學(xué)

張嗣偉

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 北京 102249)

1 自然災(zāi)害摩擦學(xué)的提出

自然災(zāi)害是危害人類生存、損壞人類生活環(huán)境的自然現(xiàn)象，對(duì)人類生存和社會(huì)發(fā)展造成巨大威脅。它嚴(yán)重影響到人類社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，已成為世界嚴(yán)重的不穩(wěn)定因素，是當(dāng)今全球面臨的重大問題之一。如何避免或減輕自然災(zāi)害的危害已成為當(dāng)前一項(xiàng)世界性的緊迫任務(wù)。據(jù)有關(guān)報(bào)道，2017年，全球因自然災(zāi)害(包括地震、颶風(fēng)、洪水、森林大火等)造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3 060億美元。全球自然災(zāi)害日趨嚴(yán)重的主要原因是二氧化碳排放引起氣候變暖的溫室效應(yīng)。因此，摩擦學(xué)不僅應(yīng)當(dāng)在實(shí)現(xiàn)碳中和方面發(fā)揮重要作用，而且還要直接干預(yù)某些自然災(zāi)害的產(chǎn)生和發(fā)展。

早在1978 年，BLOK提出了“地質(zhì)摩擦學(xué)”這個(gè)概念，表明摩擦學(xué)在地震、火山運(yùn)動(dòng)等地質(zhì)現(xiàn)象中的重要性[1]。1987 年，國(guó)際摩擦學(xué)理事會(huì)主席JOST 在“摩擦學(xué)50 年”國(guó)際會(huì)議上指出:宏觀的天體現(xiàn)象，如地球上的板塊運(yùn)動(dòng)也受摩擦學(xué)規(guī)律的制約，這方面的研究可能導(dǎo)致減少或消除地震，或?qū)⒒鹕奖l(fā)轉(zhuǎn)移到危害最小的地區(qū)。所以，稱為“天體摩擦學(xué)”的新興學(xué)科實(shí)際上已經(jīng)出現(xiàn)[2]。以后，他又進(jìn)一步指出，在板塊構(gòu)造地質(zhì)學(xué)(Plate tectonics)領(lǐng)域，開展摩擦學(xué)的研究和應(yīng)用是未來摩擦學(xué)家的任務(wù)；并設(shè)想，如果能找到一種摩擦學(xué)控制地球板塊運(yùn)動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)輕微的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，以避免板塊的黏滑過程，這樣就有可能防止地震發(fā)生[3]。在地震多發(fā)的日本，有學(xué)者早在20世紀(jì)90年代初就認(rèn)識(shí)到摩擦學(xué)在地震研究中的重要性，認(rèn)為將來會(huì)出現(xiàn)地震摩擦學(xué)[4]。

以上表明，在國(guó)外提出的地質(zhì)摩擦學(xué)、天體摩擦學(xué)和地震摩擦學(xué)，其主要目標(biāo)都是針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害(地震、火山爆發(fā)等)。本文作者在20世紀(jì)也曾經(jīng)倡導(dǎo)過地質(zhì)摩擦學(xué)[5-6]。但是，地質(zhì)災(zāi)害只是自然災(zāi)害的一種。為此，本文作者特提出針對(duì)多種自然災(zāi)害的自然災(zāi)害摩擦學(xué)這個(gè)新概念和新領(lǐng)域，這是摩擦學(xué)與自然災(zāi)害學(xué)交叉形成的一門學(xué)科。正如上面所述，它實(shí)際上已是一門略見端倪、正在形成的新學(xué)科。它是綠色摩擦學(xué)的主要分支學(xué)科之一，具有綠色摩擦學(xué)的學(xué)科性質(zhì)與學(xué)科特征。因此，本文作者將在已建立的綠色摩擦學(xué)的理論體系[7]的基礎(chǔ)上，對(duì)自然災(zāi)害摩擦學(xué)作一簡(jiǎn)要的論述。

2 基本概念

2.1 定義與研究對(duì)象

自然災(zāi)害包括地質(zhì)災(zāi)害、天文災(zāi)害、海洋災(zāi)害、氣象災(zāi)害和生物災(zāi)害等。

2.2 社會(huì)功能與主要任務(wù)

自然災(zāi)害摩擦學(xué)的社會(huì)功能是減小或消除某些自然災(zāi)害的危害，改善人類的生存質(zhì)量；它的主要任務(wù)則是應(yīng)用摩擦學(xué)的方法與技術(shù)，避免某些自然災(zāi)害的發(fā)生或減輕其發(fā)展的程度，并為制定減災(zāi)對(duì)策提供依據(jù)。

3 自然災(zāi)害摩擦學(xué)在前科學(xué)時(shí)期地質(zhì)災(zāi)害研究的主要進(jìn)展

早在20世紀(jì)建立摩擦學(xué)之前，地球科學(xué)各領(lǐng)域的學(xué)者就已經(jīng)開始進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的探索性研究，取得了不少有益的成果。

3.1 地震機(jī)制的研究

巖石圈內(nèi)部存在不同尺度的斷裂(斷層、節(jié)理、裂縫等)，在這些不同尺度的斷裂處，在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面上有著力學(xué)的、熱力學(xué)的及物理化學(xué)的相互作用，地震就是巖體沿?cái)鄬釉谀Σ量刂葡碌牧W(xué)作用引發(fā)的。

研究表明，地殼巖石介質(zhì)內(nèi)部各種尺度的運(yùn)動(dòng)，如巖石中晶粒之間、微裂縫兩側(cè)之間、節(jié)理裂隙之間、斷層兩盤之間、構(gòu)造體以至板塊之間的運(yùn)動(dòng)，都表現(xiàn)為地殼物質(zhì)的摩擦滑動(dòng)[8]。巖石摩擦滑動(dòng)中的黏滑現(xiàn)象被認(rèn)為是構(gòu)造地震的一種重要發(fā)生機(jī)制，研究巖石黏滑失穩(wěn)的條件與前兆有助于探索預(yù)報(bào)地震的途徑[9]。

從微裂縫到大斷層，巖石圈中各種尺度的裂縫中都可觀察到磨損的產(chǎn)物，即斷層泥的存在。在斷層中，越來越多的證據(jù)表明，斷層泥在控制天然斷層的穩(wěn)定性以及在震前蠕動(dòng)的時(shí)空變化方面起著主要作用[10-11]。

在斷層中，水的聚集產(chǎn)生孔隙水壓,對(duì)斷層的運(yùn)動(dòng)起著潤(rùn)滑作用。研究表明：天然斷層的運(yùn)動(dòng)，并不像實(shí)驗(yàn)室的巖石摩擦模擬實(shí)驗(yàn)所顯示的那么強(qiáng)，所以，關(guān)鍵是要知道巖石之間的強(qiáng)摩擦是怎樣被弱化的，而不論這種弱化是永久性的還是在地震撕裂時(shí)開始的。因此，闡明對(duì)斷層運(yùn)動(dòng)起弱化作用的潤(rùn)滑機(jī)制是近年來地震研究領(lǐng)域中重要課題之一[12]。

中國(guó)臺(tái)灣的科學(xué)家通過反演，研究了1999年臺(tái)中大地震的震源機(jī)制，發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的現(xiàn)象，即地殼中的地殼應(yīng)力和摩擦的空間不均勻性[13]。這是中國(guó)臺(tái)灣科學(xué)院地球科學(xué)研究所、中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)地球科學(xué)系、中國(guó)臺(tái)灣中央氣象局和法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)、美國(guó)加州工學(xué)院地震學(xué)實(shí)驗(yàn)室的5名科學(xué)家合作研究的成果。

咸水河斷層是位于西藏高原的一個(gè)高度活動(dòng)的走向滑動(dòng)斷層，為了認(rèn)識(shí)它以往地震活動(dòng)的特征，特別是深入了解其地震潛能，KATO等[14]采用與速率和狀態(tài)相關(guān)的摩擦定律，制訂出對(duì)咸水河斷層地震活動(dòng)的數(shù)值模擬方法。DE LORENZO 和LODDO[15]采用與速率、狀態(tài)和溫度相關(guān)的摩擦定律，開發(fā)了一種研究摩擦熱對(duì)地震前滑動(dòng)的影響的數(shù)值方法。

當(dāng)吃飽的羊羔羔在羊舍里盡情撒歡的時(shí)候，科爾沁沙地在靜悄悄地改變著模樣。當(dāng)然，農(nóng)民的生產(chǎn)和生活方式也在靜悄悄改變著。

HAN等[16]研究了熱分解導(dǎo)致的碳酸巖斷層的超低摩擦，認(rèn)為由于摩擦熱產(chǎn)生的方解石的熱解，引發(fā)了穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)很低(0.06)的明顯的斷層削弱，熱解可能是斷層動(dòng)態(tài)削弱的一個(gè)重要過程。

3.2 滑坡機(jī)制的研究與預(yù)警預(yù)報(bào)

成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害氣象防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)成果： “巨型滑坡底部超低摩擦機(jī)理——摩擦熱產(chǎn)生的蒸汽壓和二氧化碳?xì)鈮号c巖石重結(jié)晶共同潤(rùn)滑作用” 被《Nature》雜志列為當(dāng)年全球研究熱點(diǎn)的科研成果。這是他們歷時(shí)4年，對(duì)2008年汶川大地震誘發(fā)的巨型滑坡——大光包滑坡相關(guān)調(diào)查研究的成果。它揭示了高速遠(yuǎn)程滑坡底部超低摩擦的機(jī)制。他們將繼續(xù)把這種物理機(jī)制轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，用于大型滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和預(yù)警預(yù)報(bào)[17]。

3.3 今后的幾個(gè)研究方向

(1)地震產(chǎn)生的摩擦學(xué)機(jī)制，包括：

①地殼巖石介質(zhì)內(nèi)部各種尺度的運(yùn)動(dòng)，即地殼物質(zhì)摩擦滑動(dòng)的摩擦機(jī)制；

②斷層泥和巖石斷層泥系統(tǒng)的摩擦效應(yīng)；

③對(duì)斷層運(yùn)動(dòng)起弱化作用的潤(rùn)滑機(jī)制。

(2)對(duì)山體滑坡和泥石流起弱化作用的摩擦/潤(rùn)滑機(jī)制。

(3)海洋地震與火山爆發(fā)產(chǎn)生的摩擦學(xué)機(jī)制。

(4)熱帶氣旋與沙塵暴產(chǎn)生的摩擦學(xué)機(jī)制。

4 結(jié)束語

迄今為止，自然災(zāi)害減災(zāi)與防災(zāi)的研究都是由自然災(zāi)害學(xué)的學(xué)者單獨(dú)進(jìn)行，幾乎沒有摩擦學(xué)學(xué)者介入，從而使摩擦學(xué)中一些成熟的理論、方法和技術(shù)沒能充分地應(yīng)用到自然災(zāi)害的研究中。而自然災(zāi)害摩擦學(xué)的建立可以使摩擦學(xué)學(xué)者與自然災(zāi)害學(xué)的科學(xué)家與工程技術(shù)人員密切合作，協(xié)同攻關(guān)，開展多學(xué)科的交叉研究，從而更有利于自然災(zāi)害的減災(zāi)與防災(zāi)研究取得重要突破。因此，本文作者提出創(chuàng)建和發(fā)展自然災(zāi)害摩擦將為自然災(zāi)害的減災(zāi)與防災(zāi)做出重要貢獻(xiàn)。

面對(duì)全球自然災(zāi)害頻發(fā)的嚴(yán)峻形勢(shì)，摩擦學(xué)家應(yīng)以減災(zāi)防災(zāi)為己任，責(zé)無旁貸，中國(guó)摩擦學(xué)家應(yīng)當(dāng)有這種胸懷和氣魄：地球興亡，匹夫有責(zé)。