中国科学技术大学张诗淮研究员团队与昆明理工大学吴顺川教授团队联手取得重大科研突破，首次系统揭示了岩石在低应力环境下从微观破裂到宏观崩塌的完整演化机制。这项具有里程碑意义的研究成果不仅为困扰学界百年的'岩石亚临界破裂'现象提供了精确的力学解释，更为地震形成机理研究和地壳应力演化规律探索奠定了坚实的理论基础。2023年11月13日，这项开创性研究荣登国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（physical review letters），标志着中国岩石力学研究在该领域取得的历史性突破。
'亚临界破裂'这一专业术语描述的是岩石、冰川冰体、陶瓷等脆性材料在远低于其极限强度的应力条件下，经过长期缓慢变形后突然发生破坏的特殊现象。这种现象在地球科学领域具有极其重要的研究价值——据美国地质调查局统计，全球每年约发生50万次可监测地震，其中绝大多数都与地壳岩石的亚临界破裂过程密切相关。然而，传统理论主要基于亚临界裂纹扩展模型，仅适用于接近材料极限强度的高应力环境，对解释地壳岩石在低应力状态下持续数百万年的缓慢变形过程显得力不从心，这一理论空白长期制约着相关学科的发展。
为攻克这一世界性难题，研究团队创新性地设计了恒定低荷载蠕变实验系统，精确模拟了自然界中长期存在的构造应力环境。他们选用具有典型脆性特征的聚苯乙烯材料制备了带有预制闭合裂纹的试样，并运用先进的数字图像相关技术（dic）实现了对裂纹周边微应变演化过程的高精度观测。在历时数月的实验中，研究人员首次捕捉到两个关键现象：其一，裂纹界面在仅相当于破裂强度30%的恒定应力下，呈现出显著的自相似持续滑移特征；其二，这一过程伴随着剪应力的渐进式松弛和向裂纹尖端的定向转移，具体表现为裂纹膨胀区以每年约0.1毫米的速度向初始压实区扩张，最终导致尖端局部应变呈现指数级累积。
基于这些突破性发现，研究团队创造性地构建了一个融合速率-状态摩擦理论和断裂力学的多尺度有限元模型。该模型首次揭示了岩石内部微裂纹群的协同演化规律：在持续摩擦滑移作用下，约95%的微裂纹会逐渐减速并趋于稳定，但剩余的5%关键裂纹会通过应力场耦合产生链式反应，最终形成加速扩展的宏观断层带。这一发现完美构建了从微观摩擦滑移到宏观崩塌的完整理论框架，证实岩石'亚临界破裂'的本质是其内部微观摩擦主导的应力重分配与破裂过程的动态协同演化。
这项研究开创性地通过实验观测与理论建模相结合的方式，系统阐明了岩石长期缓慢破裂的物理机制。其科学价值不仅在于为各类脆性材料的长期变形行为提供了统一的理论解释，更将深远影响多个重要领域：在地震预警方面，该成果可提升对前兆微破裂的识别精度；在深地工程领域，为评估核废料处置库等重大设施的万年尺度稳定性提供新依据；在行星科学中，有助于理解火星等地外天体表面的断层形成机制。正如美国科学院院士、著名地球物理学家chris marone教授评价：'这项研究为理解分布式损伤到局部剪切带的转变提供了范式级见解，将深刻改变我们对地震成核过程的认识。'
值得一提的是，该研究采用的聚苯乙烯材料与日常生活中常见的泡沫塑料同属一类，这生动体现了基础研究与社会应用的紧密联系。研究团队表示，他们正计划将这套理论方法拓展应用于冰川崩塌预测和陶瓷材料寿命评估等民生领域，充分彰显了基础科研服务社会发展的责任担当。正如《物理评论快报》编辑部在刊发评述中指出的，这项来自中国的研究'成功架起了固体力学与地球物理学的学科桥梁，为跨学科研究树立了典范'。
从更宏观的视角来看，这项研究恰如其分地诠释了中国科学家在解决全球性科学难题中的智慧和担当。在应对气候变化、防灾减灾等人类共同挑战的背景下，对地球物质基础行为的深入理解显得尤为重要。研究团队表示，他们将继续深化相关研究，下一步计划将实验对象扩展到玄武岩等典型地壳岩石，并开发适用于野外监测的新型传感技术，为推动地球科学进步贡献更多中国方案。
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