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掌握力学才可能攻克地学难题 精选

已有 6567 次阅读 2023-5-29 20:09 |个人分类:建言献策|系统分类:科研笔记

力学是现代科学最早成熟的学科,也为现代各门学科的发展奠定了基础,其和数学一起成为人类认识自然的两大重要工具。能量守恒原理的发现者亥姆霍兹认为:“一切自然科学的最后目的,是把自己变成力学;只要把自然现象归结为简单的力这件事完成了,并且证明了自然现象只能这样来归结,那么科学的任务将就此终结了。” 牛顿强调:“自然的一切现象,完全可以根据力学的原理用相似的推理一一演示出来。”由此可见,力学的地位和作用是何等的高大上!

不少同行对我说:“你能搞懂地震,主要得益于你掌握了雄厚的力学知识,并能灵活运用之。”确实,我从上高中起,就对静力学、运动学和动力学情有独钟,之后又系统学习了理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、弹塑性力学、水力学、土力学、断裂力学、损伤力学、岩石力学等,并逐渐知晓了其精髓。随着科研活动的深入,我越来越感受到,力学才是攻克地学难题的法宝。

如上所述,力学是一门既经典又现代的成熟基础学科,其涉及的基本概念、原理、理论等,已通过了大量实验和工程实践验证,几乎无人怀疑其科学性和可靠性。若要说地球内部各圈层(图1)与构造块体(图2)的相互作用,遵循什么样的普适性地学原理,我孤陋寡闻;然而,我知道的是,其运动模式和规律一定遵循牛顿三大定律,其变形和破坏过程一定符合能量守恒原理,这都是公认的基本力学原理。

 图1 地球结构示意图

(图片来自网络,无商业目的,在此致谢)

 

岩石圈内不同层级断块(构造块体)示意图(改自张文佑等(1978))

墨子云:“力,形之所以奋也。”。确实,在力的作用下块体会变形乃至损伤;当损伤累积到足够程度时,块体会断裂。当力满足一定条件时,块体会启动,然后可能呈现匀速运动、加速运动或变速运动。再者,块体之间的相互作用,无不以应力、应变为媒介,以能量为抓手。研究者通过观测这些演变,再与演变机理结合,可找到普适性模式和规律,以揭示地球演变奥秘。

非均匀性是圈层与构造块体的根本物质属性。该非均匀性的存在,造就了千姿百态的地形地貌,造就了演变过程中非线性行为的出现,造就了能量(如小行星撞击地球、地震波)传播的衰减——奠定了地球宜居性的物质基础;再加之加卸载的非连续性,造就了随机的火山与地震时空分布。非均匀性的存在,虽导致研究难度增大,但也使圈层与构造块体演变具有某种特定模式和规律性。譬如,构造块体内锁固段的强非均匀性与低脆性,使其体积膨胀点至峰值强度点的破裂呈现“大-小-大”模式;据此模式和我们发现的指数律(图3),使得大地震(标志性地震)的预测成为现实。


3 锁固段破裂产生的地震序列和标志性地震演化规律示意图(改自Chen et al.(2022))

当前,地学界面临着诸多亟待攻克的难题,诸如驱动圈层和块体演变的动力学机理、重大地质事件的本质成因、普适性的成矿作用模式。要突破之,仅靠地质学家、地球物理学家、地球化学家不行,还需要具有一定地学知识的力学家参与进来并深入其中;如此,则前景可期,伟业将成。

可喜的是,近些年不少具有地质背景的力学家已深度参与地学难题的研究,其中唐春安教授是一位典型代表。他基于热力学、物理学和力学基本原理,从龟裂的形成机理入手,提出了以地球自身热平衡为驱动力的地球演化新假说——地球大龟裂,据此科学解释了构造板块的形成、地球表面气候变化、生物演化与灭绝、雪球事件、大氧化事件、地表沙漠形成、蒸发岩成因、红层成因、水循环、全球变暖等,这为人们认识地球演变提供了新的视角。

愿更多的力学家参与解锁地学难题,其不仅会提供新思路,而且会提出更加可靠的破解之道,从而为地球科学研究持续注入强劲活力。

参考(略)



https://m.sciencenet.cn/blog-575926-1389852.html

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