由于不同尺度下岩桥广泛发育（图1），天然岩体结构具有强烈的非均质性，导致岩体的力学行为及灾变失稳过程非常复杂、难以预测。岩桥的剪切破坏是滑坡、地震等岩体动力破坏现象中的关键过程，对岩桥剪切渐进破坏过程的精确刻画，将有助于我们理解诸如滑坡、地震中复杂灾变前兆信息（例如前震等）的成因（Kato and Ben-Zion, 2020），从而为实现灾变预测和防治这一目标提供科学基础。
针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室祁生文研究员团队，联合中国矿业大学（北京）、美国宾夕法尼亚州立大学和中国科学院新疆生态与地理研究所开展了系列花岗岩岩桥剪切试验研究，结合声发射活动演化对岩体结构非均质性影响下的复杂灾变前兆提出了新见解。
图1 （a）天然断层非均质性；（b）实验室非贯通断层剪切试验
试验基于祁生文团队自主研发的大型岩体动态性能测试系统（Qi et al., 2020）开展，采用新鲜完整花岗岩样品制作了不同岩桥尺寸（20-80 mm）的非贯通结构面试样（长100 mm,宽50 mm，高100 mm, Luo et al., 2022），以表征不同程度的岩体非均质性。以恒定剪切速率和法向应力对非贯通结构面试样进行直剪试验，在剪切过程中，基于声发射技术实时采集岩桥剪切破坏过程的声发射活动信号（实验室前震）。
图2 大型岩体动态性能测试系统及配套的声发射监测装备 (Qi et al., 2020)
根据剪切力学曲线特征和声发射活动演化规律，厘定了花岗岩岩桥剪切渐进破坏过程法向压密、弥散破坏（稳定破裂）、剪切局部化（不稳定破裂）、最终破坏和残余摩擦等五个阶段，并提出了定量的划分依据（图3）。与完整岩石或完全贯通结构面相比，非贯通结构面剪切的声发射活动呈现了2种不同的前兆异常特征：（1）声发射b值（大小-频度关系指标）在不稳定破裂阶段和最终失稳阶段呈现波动下降而非持续单调下降的特征（图4）；（2）在剪切局部化而非最终破坏之前，声发射事件率呈现幂律型增加的特征，符合反向余震分布定律（time-reversed Omori law），其增加的快慢程度可以用该定律关系中的p值刻画（图5）。
研究进一步发现，岩桥尺寸对岩桥剪切破坏模式与声发射前兆特征具有重要影响：最短（20 mm）和最长(80 mm)的岩桥试样在剪切过程中应变集中程度较高，少量倾斜拉张裂纹发育，最终被剪切裂纹贯通，呈现脆性、突发破坏。相应地，剪切过程最小声发射b值较低，不稳定破裂阶段声发射事件率增加较快（p值较高）。中间长度（40-60 mm）的岩桥试样应变集中程度较低，通过多个较短的倾斜拉张裂纹释放能量，最终被剪切裂纹贯通，呈现渐进破坏。相应地，剪切过程最小声发射b值较高，声发射事件率p值较低。
图3 不同尺寸岩桥剪切过程力学曲线及声发射活动演化规律：（a）20 mm岩桥；（b）40 mm岩桥；（c）60 mm岩桥；（d）80 mm岩桥
图4 声发射事件b值演化规律：（a）b值时移窗口估计；（b）根据各破坏阶段全体事件计算的b值；（c）特征b值比较
图5 不同尺寸岩桥破坏前声发射事件增加的快慢比较（p值）
试验结果对天然岩体断层及地震的启示在于：天然断层的非均质性包括摩擦非均质性（不同摩擦性质的断层段）和几何非均质性（不同走向、连通率和重叠度的断层段）。实验室岩桥的尺寸一定程度上代表了天然断层非均质性的尺寸，例如阶区的长度。该研究发现岩桥尺寸对岩桥剪切破坏前的声发射活动具有调制作用，指示了天然断层阶区的长度对其破坏及前兆活动具有的潜在影响，例如中等长度的阶区破裂（两侧断层连接）过程可能需要显著的断层外非弹性变形，形成较为复杂的断裂网络，伴随较为渐进缓和的前震能量释放；同时，天然地震前也往往观测到类似本实验中的b值波动下降以及长周期的应变集中过程，显示了广泛存在的断层结构非均质性的影响，呼应了当前学术界对b值能否作为稳健的地震灾变前兆指标的重要争论（Gulia and Wiemer, 2019；Herrmann et al., 2022）。该研究表明断层非均质性是b值复杂变化的来源之一，强调了深入开展断层系统结构非均质性、复杂性对其失稳发震过程及其前兆信息影响研究的必要性。
研究成果发表于国际学术期刊EPSL（罗光明, 祁生文*, 郑博文，何满潮，Derek Elsworth，肖文交*. Fault heterogeneity increases the complexity of earthquake precursors: Insights from direct shear tests with AE activity [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2026, 683: 119979. DOI: 10.1016/j.epsl.2026.119979.）。研究受国家自然科学基金（42527805, U25B20213, 42141009）等项目支持。
罗光明（博士后）
