创建和发展自然灾害摩擦学研究

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摘要:回顾了自然灾害摩擦学孕育的历史背景，阐明其定义、研究对象、社会功能和主要任务。介绍这一新领域研究的主要进展，并提出今后的研究方向。

关键词:自然灾害摩擦学;定义;研究对象;社会功能

1自然灾害摩擦学的提出

自然灾害是危害人类生存、损坏人类生活环境的自然现象，对人类生存和社会发展造成巨大威胁。它严重影响到人类社会与经济的可持续发展，已成为世界严重的不稳定因素，是当今全球面临的重大问题之一。如何避免或减轻自然灾害的危害已成为当前一项世界性的紧迫任务。据有关报道，2017年，全球因自然灾害(包括地震、飓风、洪水、森林大火等)造成的经济损失高达3060亿美元。全球自然灾害日趋严重的主要原因是二氧化碳排放引起气候变暖的温室效应。因此，摩擦学不仅应当在实现碳中和方面发挥重要作用，而且还要直接干预某些自然灾害的产生和发展。早在1978年，BLOK提出了“地质摩擦学”这个概念，表明摩擦学在地震、火山运动等地质现象中的重要性［1］。1987年，国际摩擦学理事会主席JOST在“摩擦学50年”国际会议上指出:宏观的天体现象，如地球上的板块运动也受摩擦学规律的制约，这方面的研究可能导致减少或消除地震，或将火山爆发转移到危害最小的地区。所以，称为“天体摩擦学”的新兴学科实际上已经出现［2］。以后，他又进一步指出，在板块构造地质学(Platetectonics)领域，开展摩擦学的研究和应用是未来摩擦学家的任务;并设想，如果能找到一种摩擦学控制地球板块运动的方法，实现轻微的连续运动，以避免板块的黏滑过程，这样就有可能防止地震发生［3］。在地震多发的日本，有学者早在20世纪90年代初就认识到摩擦学在地震研究中的重要性，认为将来会出现地震摩擦学［4］。以上表明，在国外提出的地质摩擦学、天体摩擦学和地震摩擦学，其主要目标都是针对地质灾害(地震、火山爆发等)。本文作者在20世纪也曾经倡导过地质摩擦学［5－6］。但是，地质灾害只是自然灾害的一种。为此，本文作者特提出针对多种自然灾害的自然灾害摩擦学这个新概念和新领域，这是摩擦学与自然灾害学交叉形成的一门学科。正如上面所述，它实际上已是一门略见端倪、正在形成的新学科。它是绿色摩擦学的主要分支学科之一，具有绿色摩擦学的学科性质与学科特征。因此，本文作者将在已建立的绿色摩擦学的理论体系［7］的基础上，对自然灾害摩擦学作一简要的论述。

2基本概念

2.1定义与研究对象

自然灾害包括地质灾害、天文灾害、海洋灾害、气象灾害和生物灾害等。自然灾害摩擦学是研究某些自然灾害(主要是地质灾害及其次生灾害、海洋灾害和气象灾害)产生与发展中的摩擦学现象与规律的科学与技术及其应用的一门交叉学科。它的研究对象主要是导致某些自然灾害发生的自然变异的致灾因子中的摩擦学方面的问题。

2.2社会功能与主要任务

自然灾害摩擦学的社会功能是减小或消除某些自然灾害的危害，改善人类的生存质量;它的主要任务则是应用摩擦学的方法与技术，避免某些自然灾害的发生或减轻其发展的程度，并为制定减灾对策提供依据。

3自然灾害摩擦学在前科学时期地质灾害研究的主要进展

早在20世纪建立摩擦学之前，地球科学各领域的学者就已经开始进行地质灾害的探索性研究，取得了不少有益的成果。

3.1地震机制的研究

岩石圈内部存在不同尺度的断裂(断层、节理、裂缝等)，在这些不同尺度的断裂处，在构造应力场作用下产生相对运动。相对运动的表面上有着力学的、热力学的及物理化学的相互作用，地震就是岩体沿断层在摩擦控制下的力学作用引发的。研究表明，地壳岩石介质内部各种尺度的运动，如岩石中晶粒之间、微裂缝两侧之间、节理裂隙之间、断层两盘之间、构造体以至板块之间的运动，都表现为地壳物质的摩擦滑动［8］。岩石摩擦滑动中的黏滑现象被认为是构造地震的一种重要发生机制，研究岩石黏滑失稳的条件与前兆有助于探索预报地震的途径［9］。从微裂缝到大断层，岩石圈中各种尺度的裂缝中都可观察到磨损的产物，即断层泥的存在。在断层中，越来越多的证据表明，断层泥在控制天然断层的稳定性以及在震前蠕动的时空变化方面起着主要作用［10－11］。在断层中，水的聚集产生孔隙水压，对断层的运动起着润滑作用。研究表明:天然断层的运动，并不像实验室的岩石摩擦模拟实验所显示的那么强，所以，关键是要知道岩石之间的强摩擦是怎样被弱化的，而不论这种弱化是永久性的还是在地震撕裂时开始的。因此，阐明对断层运动起弱化作用的润滑机制是近年来地震研究领域中重要课题之一［12］。中国台湾的科学家通过反演，研究了1999年台中大地震的震源机制，发现一个新的现象，即地壳中的地壳应力和摩擦的空间不均匀性［13］。这是中国台湾科学院地球科学研究所、中国台湾大学地球科学系、中国台湾中央气象局和法国斯特拉斯堡大学、美国加州工学院地震学实验室的5名科学家合作研究的成果。咸水河断层是位于西藏高原的一个高度活动的走向滑动断层，为了认识它以往地震活动的特征，特别是深入了解其地震潜能，KATO等［14］采用与速率和状态相关的摩擦定律，制订出对咸水河断层地震活动的数值模拟方法。DELOＲENZO和LODDO［15］采用与速率、状态和温度相关的摩擦定律，开发了一种研究摩擦热对地震前滑动的影响的数值方法。HAN等［16］研究了热分解导致的碳酸岩断层的超低摩擦，认为由于摩擦热产生的方解石的热解，引发了稳态摩擦因数很低(0.06)的明显的断层削弱，热解可能是断层动态削弱的一个重要过程。

3.2滑坡机制的研究与预警预报

成都理工大学地质灾害气象防治与地质环境保护国家重点实验室的一项成果:“巨型滑坡底部超低摩擦机理———摩擦热产生的蒸汽压和二氧化碳气压与岩石重结晶共同润滑作用”被《Nature》杂志列为当年全球研究热点的科研成果。这是他们历时4年，对2008年汶川大地震诱发的巨型滑坡———大光包滑坡相关调查研究的成果。它揭示了高速远程滑坡底部超低摩擦的机制。他们将继续把这种物理机制转化为数学模型，与数值计算相结合，用于大型滑坡灾害风险区划和预警预报［17］。

3.3今后的几个研究方向

(1)地震产生的摩擦学机制，包括:①地壳岩石介质内部各种尺度的运动，即地壳物质摩擦滑动的摩擦机制;②断层泥和岩石断层泥系统的摩擦效应;③对断层运动起弱化作用的润滑机制。(2)对山体滑坡和泥石流起弱化作用的摩擦/润滑机制。(3)海洋地震与火山爆发产生的摩擦学机制。(4)热带气旋与沙尘暴产生的摩擦学机制。

4结束语

迄今为止，自然灾害减灾与防灾的研究都是由自然灾害学的学者单独进行，几乎没有摩擦学学者介入，从而使摩擦学中一些成熟的理论、方法和技术没能充分地应用到自然灾害的研究中。而自然灾害摩擦学的建立可以使摩擦学学者与自然灾害学的科学家与工程技术人员密切合作，协同攻关，开展多学科的交叉研究，从而更有利于自然灾害的减灾与防灾研究取得重要突破。因此，本文作者提出创建和发展自然灾害摩擦将为自然灾害的减灾与防灾做出重要贡献。面对全球自然灾害频发的严峻形势，摩擦学家应以减灾防灾为己任，责无旁贷，中国摩擦学家应当有这种胸怀和气魄:地球兴亡，匹夫有责。

作者:张嗣伟 单位:中国石油大学(北京)机械与储运工程学院