近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质实验室(OMG)施小斌研究员团队杨小秋和许鹤华，与美国密西西比大学教授Alexander H.D. Cheng、日本京都大学教授Weiren Lin及中国科学院大学教授张怀合作，推导并建立了同震应力变化过程中饱水岩层温度响应热-力学理论基础，并尝试用于解释震后钻孔测温结果。该工作已发表在Physics and Chemistry of the Earth上。研究员杨小秋为论文第一作者和通讯作者。
地震发生后，钻孔测温结果往往能揭示一些关键信息。1999年我国台湾集集地震、2008年汶川地震及2011年日本东北大地震后，钻孔测温结果显示：在同震滑移面上下5–20米范围内存在温度正异常；同时，在距滑移面20–60米范围内也存在明显的温度负异常，其峰值虽仅为正异常峰值的1/4–1/3，但其分布范围却是正异常的3–4倍。目前，温度正异被普遍认为是由摩擦生热效应所致，而温度负异常的成因一直未被充分认识。
该团队基于多孔介质热弹性理论，提出同震应力释放是导致温度负异常的成因机制。为验证该理论预测，需要获取岩石绝热应力-温度响应系数β = (∂T/∂P)s。前期，研究团队已开展实验并获得干燥条件下地壳常见岩石的绝热应力-温度响应系数βdry (1.53–6.15 mK/MPa)。然而，地壳岩层多为饱水状态。因此，本研究首先基于有效应力原理进行理论推导，首次建立了饱水岩石绝热应力-温度响应(βwet)的热-力学理论公式，并从孔-热-弹理论出发，进一步证实了该理论公式的正确性和普适性。该公式揭示了饱水岩石绝热应力-温度响应系数与岩石固体介质、孔隙流体的应力-温度响应系数、体热膨胀系数、体积热容、孔隙度、Skempton系数及背景温度之间的定量关系，使得研究人员能够基于常规岩石热-力学参数定量计算不同背景温度下的βwet。
基于该理论基础，研究团队计算了15种代表性岩石在背景温度23–50°C内的βwet取值范围，发现其值均高于干燥条件下的βdry，且可压缩性越高的岩石，βwet与βdry的比值越显著。此外，βwet随背景温度呈线性增长趋势。通过该理论，团队计算获得集集地震同震温度降在18–53 mK范围，与震后钻孔测温结果(~25 mK)较吻合，并进一步论证理论可预测现场观测到的“负–正–负”温度变化模式。
同震事件是多物理场耦合的复杂现象，建模工作常因缺乏可靠原位数据而更加困难。本研究聚焦于应力致热机制的理论阐释，其预测结果与实测现象的合理吻合为构建更全面的耦合模型提供了理论基础。
本项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院南海海洋研究所自主部署项目、自然资源部海底矿产重点实验室开放基金课题及日本科学促进会的资助。
相关论文信息：Yang,X.,A. H. D. Cheng,W. Lin,H. Xu,and H. Zhang. Theoretical basis and analyses of temperature responses of water-saturated rocks to rapid changes in confining pressure,Physics and Chemistry of the Earth,2025,103925 .
论文链接:https://doi.org/10.1016/j.pce.2025.103925
同主题相关前期工作：
1.杨小秋,林為人,葉恩肇等. 断裂带同震温度负异常机制分析. 地球物理学报,2020,63(4):1422-1430 .
论文链接:http://www.geophy.cn/article/doi/10.6038/cjg2020M0638
2.Xiaoqiu Yang,Weiren Lin,Osamu Tadai,Xin Zeng,En-Chao Yeh,Chuanhai Yu,Haibing Li,Huan Wang. Experimental and numerical investigation on temperature response to stress changes of rocks. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2017,122(7):5101-5117.
论文链接:https://doi.org/10.1002/2016JB013645
图1 1999年我国台湾集集地震震后车龙铺断层(F1)TCDP Hole-A钻孔温度测量概况
图2 在23~50℃下，地壳常见岩石的βdry和βwet与体积模量Kd_i之间的关系
图3 15种代表性岩石的βwet对背景温度T0 (23~50℃)的依赖性
(蓝色和红色实心圆分别表示每种岩石的下限和上限。在23°C下，βdry以红星作为参考。虚线FL是每个岩样的线性拟合)
图4 震后地层孔隙压分布模式示意图
(以穿过空间点(-1.2,0,0.3)到点(1.6,1,-5)的线为例；其中纵轴和横轴分别代表孔隙压力(p)和距离(Distance)，它们可以是任意比例)
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