众所周知,地震和山体滑坡难以预测和防备。阿姆斯特丹自由大学(VU University Amsterdam)物理研究所的科学家在实验室研究地面微缩模型,展示这些事件如何被一个小小的外部冲击波触发。要带上漂浮瓶:冲击波会让地面变成液体。
与真正的固体不同,我们脚下的土地通常是由沙粒或岩石等颗粒构成的。在地壳深处,两个构造板块交汇的断层线也是如此。这些类型的无序颗粒物质永远不会稳如泰山。不稳定情况出现时,会对生活在地球表面的我们造成灾难性的影响。
问题是:抵抗滑坡或地震的摩擦力何时可使地面保持稳定,是很不容易准确预测或控制的。值得庆幸的是,可在实验室里研究物理原理完全一样的小系统。为重现地震,阿姆斯特丹大学的物理学家卡斯拉·法雷恩(Kasra Farain)和丹尼尔·波恩(Daniel Bonn)使用了一层1毫米厚的微小球体,每个球体的宽度细如人类的发丝。
科学家的实验装置可精确跟踪颗粒对外力的反应。为模拟在陡峭的山坡或构造断层上可能出现的力,科学家把一个圆盘压在地面,然后以恒定的速度缓慢旋转。随后,科学家在实验装置旁边弹了一个球,引发小地震波,他们看到所有颗粒是如何快速移动的:科学家引发了一场小地震。
“我们发现,一个非常小的扰动,一个小地震波,就能导致颗粒状物质完全自我重组,”法雷恩解释说。进一步的检查显示,颗粒在一瞬间表现得像液体而不是固体。触发波过去后,摩擦再次起作用,颗粒再次以新的形态团在一起。
在真实的地震事件中也是如此。“地震和构造现象遵循尺度不变定律,因此实验室规模摩擦装置的研究结果,与认识地壳中更大规模断层的地震波引发远程地震是相关的,”法雷恩说。
研究人员表示,他们从实验中推导出的数学模型定量地解释了1992年南加州兰德斯(Landers)地震如何远程触发北部415公里处的第二次地震事件。此外,他们还表明,模型准确地描述了2003年日本附近南海(Nankai)俯冲带发生一系列小地震后观测到的流体压力上升。
灵感来自一张摇晃的桌子
有趣的是,如果不是法雷恩的同事,整个研究项目可能不会取得成果:
最初,我的实验装置就放在一张普通的桌子上,没有精确测量所需的花式隔振装置。很快,我意识到有人经过或门关这样的平常事,都会对实验产生影响。我一定是给同事添麻烦了,总是要他们放慢脚步,或者轻轻关门。