地震的发生源于岩石中积累的弹性应变超过断层的静摩擦强度，引发断层突然滑动并释放储存的能量。地质学观测和实验研究表明，弹性应变能主要通过滑移诱发的摩擦生热、断层岩石破碎以及地震波辐射等方式耗散。理解地震过程中的能量如何分配对于地震波造成的灾害评估具有重要意义，因为不同能量消耗方式之间的分配决定了有多少能量转化为破坏性的地震波，详细了解地震能量分配还能够帮助我们量化古地震的震级和强度。
地震力学中另一个基本问题是断层滑动过程中摩擦阻力的演化。实验研究和对断层滑动后热异常的测量表明，断层面在快速滑动时的摩擦系数显著低于准静态或慢速滑移时的摩擦系数。这些观测结果推动了各种对断层弱化机制的理论描述，包括孔隙流体增压、矿物分解、颗粒细化和局部熔融等。由于断层弱化机制在不同的热量条件下产生，深入理解地震能量分配和同震生热对区分以上机制十分重要。
滑移诱发的摩擦生热会提高断层泥和围岩的温度，引起相应的物理、化学变化。估算主滑动带附近的温度变化可以约束生热过程的总热量。如果温度测量能够在足够接近断层的位置上进行，还可以进一步约束可能的断层弱化机制。目前已有多种地质温度计被用于量化摩擦生热引起的升温，如有机热成熟度分析和低温热年代学方法等。虽然这些技术有一些成功应用案例，但它们的空间分辨率较低，普遍在100微米以上，并且需要特定类型的岩石或矿物，而这些特定物质在断层中并不总是存在。
相比之下，铁磁性矿物在地球表面环境中普遍存在。铁磁性矿物在加热时能够发生矿物反应，并改变其磁性特征。由于铁磁性矿物在不同温度下形成，通过比较新形成的矿物与围岩中已存在的矿物，可以约束升温幅度。然而，岩石是热的不良导体，而主滑动带往往只有100微米到数毫米，因此，以往利用铁磁性矿物的全岩尺度的研究空间分辨率较低，不足以精确辨别摩擦生热可能造成的温度差异。此外，基于新形成的铁磁性矿物的测温方法其温度不确定性也较高，可达到数十摄氏度甚至超过100摄氏度。
为解决以上难点，本研究采用跨学科方法，结合高压实验、岩石磁学和高分辨率磁学成像技术来量化断层滑移诱发的摩擦生热。本研究使用了量子钻石显微镜，以微米级的空间分辨率绘制主滑动带附近的磁场分布（图1）。铁磁性矿物磁性对温度敏感，由于断层摩擦造成的升温随与断层主滑动带的距离增大而逐渐降低，矿物磁性强度也与之减弱(图2)。本研究利用磁性对温度的敏感性，在约10微米尺度上可靠约束断层面温度变化（图3），显著提高了温度分辨率，并可视化实验室诱发断层的热演化过程。实验结果还显示，断层升温在平行于断层面的不同位置上具有差异性，突显了局部应力与变形在控制摩擦演化过程中的关键作用。结合热扩散模型，本研究将实验室诱发断层过程中摩擦生热的热能密度限定为52–65 kJ/m²，约占总能量的52–75%。在快速滑动期间，平均摩擦系数为0.2–0.3，表明断层在滑动过程中发生了显著的弱化。
图1: 受摩擦生热影响，磁场强度由断层主滑动带向周围随距离增大逐渐衰减
图2: 铁磁性矿物磁性遇热会发生退磁，由断层摩擦造成的升温随与断层主滑动带的距离增大逐渐降低，矿物磁性强度也随之减弱
图3: 利用铁磁性矿物剩磁对温度的敏感性，重建断层主滑动带由摩擦生热所达到的最高温度
这项研究不仅为理解地震能量分配机制提供了新的技术手段，还为评估地震破坏力和改进灾害预测模型奠定了基础。通过精确测量断层滑动时的温度分布，我们能够更深入地认识地震过程中的能量转化规律，为地震风险评估和防灾减灾提供更可靠的科学依据。
该研究成果近期在国际地学自然指数(Nature Index)期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上发表。龚政研究员为论文的第一兼通讯作者，合作作者包括哈佛大学Roger Fu教授、麻省理工大学Matěj Peč教授团队以及加州大学圣克鲁兹分校Valère Lambert研究员。该研究获得了304永利集团官网入口人才队伍建设科研启动经费等项目资助。
论文信息：Gong, Z.*, Fu, R. R., Ortega-Arroyo, D., O’Ghaffari, H., Peč, M. & Lambert, V. R. (2025). Imaging localized slip-induced frictional heating during laboratory earthquakes using magnetic microscopy. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 130, e2025JB031286. https://doi.org/10.1029/2025JB031286
图文：龚政
审核：陈天宇
