張嗣偉

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院 北京 102249)

1 自然災害摩擦學的提出

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

早在1978 年，BLOK提出了“地質摩擦學”這個概念，表明摩擦學在地震、火山運動等地質現(xiàn)象中的重要性[1]。1987 年，國際摩擦學理事會主席JOST 在“摩擦學50 年”國際會議上指出:宏觀的天體現(xiàn)象，如地球上的板塊運動也受摩擦學規(guī)律的制約，這方面的研究可能導致減少或消除地震，或將火山爆發(fā)轉移到危害最小的地區(qū)。所以，稱為“天體摩擦學”的新興學科實際上已經(jīng)出現(xiàn)[2]。以后，他又進一步指出，在板塊構造地質學(Plate tectonics)領域，開展摩擦學的研究和應用是未來摩擦學家的任務；并設想，如果能找到一種摩擦學控制地球板塊運動的方法，實現(xiàn)輕微的連續(xù)運動，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，有學者早在20世紀90年代初就認識到摩擦學在地震研究中的重要性，認為將來會出現(xiàn)地震摩擦學[4]。

以上表明，在國外提出的地質摩擦學、天體摩擦學和地震摩擦學，其主要目標都是針對地質災害(地震、火山爆發(fā)等)。本文作者在20世紀也曾經(jīng)倡導過地質摩擦學[5-6]。但是，地質災害只是自然災害的一種。為此，本文作者特提出針對多種自然災害的自然災害摩擦學這個新概念和新領域，這是摩擦學與自然災害學交叉形成的一門學科。正如上面所述，它實際上已是一門略見端倪、正在形成的新學科。它是綠色摩擦學的主要分支學科之一，具有綠色摩擦學的學科性質與學科特征。因此，本文作者將在已建立的綠色摩擦學的理論體系[7]的基礎上，對自然災害摩擦學作一簡要的論述。

2 基本概念

2.1 定義與研究對象

自然災害包括地質災害、天文災害、海洋災害、氣象災害和生物災害等。

2.2 社會功能與主要任務

自然災害摩擦學的社會功能是減小或消除某些自然災害的危害，改善人類的生存質量；它的主要任務則是應用摩擦學的方法與技術，避免某些自然災害的發(fā)生或減輕其發(fā)展的程度，并為制定減災對策提供依據(jù)。

3 自然災害摩擦學在前科學時期地質災害研究的主要進展

早在20世紀建立摩擦學之前，地球科學各領域的學者就已經(jīng)開始進行地質災害的探索性研究，取得了不少有益的成果。

3.1 地震機制的研究

巖石圈內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，在構造應力場作用下產生相對運動。相對運動的表面上有著力學的、熱力學的及物理化學的相互作用，地震就是巖體沿斷層在摩擦控制下的力學作用引發(fā)的。

研究表明，地殼巖石介質內部各種尺度的運動，如巖石中晶粒之間、微裂縫兩側之間、節(jié)理裂隙之間、斷層兩盤之間、構造體以至板塊之間的運動，都表現(xiàn)為地殼物質的摩擦滑動[8]。巖石摩擦滑動中的黏滑現(xiàn)象被認為是構造地震的一種重要發(fā)生機制，研究巖石黏滑失穩(wěn)的條件與前兆有助于探索預報地震的途徑[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的時空變化方面起著主要作用[10-11]。

在斷層中，水的聚集產生孔隙水壓,對斷層的運動起著潤滑作用。研究表明：天然斷層的運動，并不像實驗室的巖石摩擦模擬實驗所顯示的那么強，所以，關鍵是要知道巖石之間的強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開始的。因此，闡明對斷層運動起弱化作用的潤滑機制是近年來地震研究領域中重要課題之一[12]。

中國臺灣的科學家通過反演，研究了1999年臺中大地震的震源機制，發(fā)現(xiàn)一個新的現(xiàn)象，即地殼中的地殼應力和摩擦的空間不均勻性[13]。這是中國臺灣科學院地球科學研究所、中國臺灣大學地球科學系、中國臺灣中央氣象局和法國斯特拉斯堡大學、美國加州工學院地震學實驗室的5名科學家合作研究的成果。

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

當吃飽的羊羔羔在羊舍里盡情撒歡的時候，科爾沁沙地在靜悄悄地改變著模樣。當然，農民的生產和生活方式也在靜悄悄改變著。

HAN等[16]研究了熱分解導致的碳酸巖斷層的超低摩擦，認為由于摩擦熱產生的方解石的熱解，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，熱解可能是斷層動態(tài)削弱的一個重要過程。

3.2 滑坡機制的研究與預警預報

成都理工大學地質災害氣象防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室的一項成果： “巨型滑坡底部超低摩擦機理——摩擦熱產生的蒸汽壓和二氧化碳氣壓與巖石重結晶共同潤滑作用” 被《Nature》雜志列為當年全球研究熱點的科研成果。這是他們歷時4年，對2008年汶川大地震誘發(fā)的巨型滑坡——大光包滑坡相關調查研究的成果。它揭示了高速遠程滑坡底部超低摩擦的機制。他們將繼續(xù)把這種物理機制轉化為數(shù)學模型，與數(shù)值計算相結合，用于大型滑坡災害風險區(qū)劃和預警預報[17]。

3.3 今后的幾個研究方向

(1)地震產生的摩擦學機制，包括：

①地殼巖石介質內部各種尺度的運動，即地殼物質摩擦滑動的摩擦機制；

②斷層泥和巖石斷層泥系統(tǒng)的摩擦效應；

③對斷層運動起弱化作用的潤滑機制。

(2)對山體滑坡和泥石流起弱化作用的摩擦/潤滑機制。

(3)海洋地震與火山爆發(fā)產生的摩擦學機制。

(4)熱帶氣旋與沙塵暴產生的摩擦學機制。

4 結束語

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

面對全球自然災害頻發(fā)的嚴峻形勢，摩擦學家應以減災防災為己任，責無旁貸，中國摩擦學家應當有這種胸懷和氣魄：地球興亡，匹夫有責。