本研究由伦敦大学学院地球科学系的 Dong Liu、Nicolas Brantut 以及荷兰应用地球科学研究院（TNO Applied Geosciences）的 Franciscus M. Aben 共同完成，发表于 *Journal of Geophysical Research: Solid Earth*，于 2024 年 1 月 26 日收稿，2024 年 8 月 22 日接受，2024 年 9 月 28 日修正后正式刊出。

这项研究属于实验岩石力学与地震物理学的交叉领域。研究团队关注的核心科学问题是：在地震断层发生剪切破坏（shear failure）与滑移的过程中，断层带内部（on‐fault）与断层带外围围岩（off‐fault）中的孔隙压力（pore pressure）如何演化。以往大量研究已经证实，断层带在地震滑移时由于剪胀（dilatancy）作用会导致局部孔隙压力下降，这一现象被称为“剪胀硬化”（dilatancy hardening），对断层滑动具有稳定化作用。然而，断层外围围岩在应力骤降（stress drop）时的孔隙压力响应却很少被实验直接测量。已有理论指出，围岩在达到剪胀起始应力（dilatancy threshold，即 C’ 应力水平）后会形成大量大致平行于最大主压应力方向的微裂隙，这些定向微裂隙在地震应力降过程中可能闭合，导致围岩体积孔隙度（porosity）下降，在相对不排水（undrained）条件下就可能引起孔隙压力升高。研究团队的核心目标是：在实验室中通过三轴破裂实验，检测并量化“断层上孔隙压力下降”与“断层外孔隙压力升高”是否能够同时出现，并厘清这一现象发生的必要条件及其对邻近断层稳定性的潜在影响。

研究团队采用四块完整的 Westerly 花岗岩（Westerly granite）圆柱样品，直径 40 mm、长度 100 mm，并在其中两块样品上预制了缺口（notch）以约束未来破裂面的位置。岩样放置在三轴岩石力学实验系统中，施加 100 MPa 的围压（confining pressure）和 60 MPa 的孔隙压力，即有效围压（effective confining pressure）为 40 MPa。实验的关键技术在于将微型孔隙压力传感器（miniature pore pressure transducers）直接安装在岩样侧面，穿过丁腈橡胶套（nitrile sleeve）与岩石表面直接接触，分别布置在预期断层带内和远离断层带的围岩中，以捕捉孔隙压力的空间非均匀演化。四块样品分别编号为 wg16、wg17、wg18 和 wg21。其中 wg16 和 wg17 含预制缺口，wg18 和 wg21 为完整岩样。在加载过程中，研究团队采用了不同的加载历史来控制破裂类型：wg17 和 wg18 以 10⁻⁶ s⁻¹ 的轴向应变速率连续加载直至发生动态破坏（dynamic failure）；wg16 和 wg21 则在接近峰值应力前暂停加载，待孔隙压力重新平衡后再继续加载，以促进稳定破坏（stable failure）。此外，在 wg16 中，团队还在剪切破坏前从接近峰值应力的高压应力状态快速卸载，以观察围岩孔隙压力对应力降的响应；在 wg21 中，团队在破坏过程中将加载速率提升至 10⁻⁵ s⁻¹，以尝试触发动态失稳（dynamic instability）。

实验结果显示，在四块样品中均观测到断层带内孔隙压力在剪切破坏时发生下降，这与前人研究一致。但最关键的发现是，在 wg17、wg18 和 wg21 中，当动态失稳发生时，断层外围围岩中的孔隙压力出现了显著升高。以 wg17 为例，断层上孔隙压力几乎降至零，而距断层最远的传感器记录到约 24.3 MPa 的孔隙压力升高，并在样品内部形成高达 10 MPa/cm 的孔隙压力梯度。wg18 中围岩孔隙压力升高幅度更大，达到 50.7 MPa。值得注意的是，wg16 虽然在破坏前的快速卸载阶段观测到围岩孔隙压力随应力下降而升高，但在后续的稳定破坏过程中并未出现明显的断层外孔隙压力升高。研究团队据此总结出断层外孔隙压力升高出现的两个必要条件：其一，破坏或失稳前应力水平必须足够高，至少超过剪胀起始应力，使得围岩中已经形成了大量定向微裂隙；其二，破坏过程必须足够快速，使流体扩散来不及平衡孔隙压力变化，即处于相对不排水状态。在 wg16 的稳定破坏中，应力降发生得非常缓慢，流体扩散有足够时间耗散孔隙压力异常，因此未观察到明显的断层外增压现象。

研究团队进一步建立了一个简化的一维流体扩散模型（1‐D fluid diffusion model），将断层带视为局部孔隙度增加的区域，将围岩视为孔隙度减少的区域，并引入三个无量纲参数来控制孔隙压力演化：断层外最大不排水孔隙压力升高值与断层内最大不排水孔隙压力下降值之比、断层稀释作用的影响范围与样品尺寸之比、以及流体扩散时间尺度与破坏持续时间之比。模型预测，断层外孔隙压力升高的幅度和持续时间取决于这些参数的相对大小。然而，将模型预测与 wg17 的实验数据对比后发现，基于干燥 Westerly 花岗岩循环加载实验估算的体孔隙度变化所预测的孔隙压力升高远大于实际测量值。研究团队分析了可能的原因，包括：传感器响应时间的延迟、孔隙度变化并非瞬时完成、损伤区（damage zone）的非均匀孔隙度与渗透率分布、以及快速应力降下微裂隙的反向滑动受限等。

在讨论部分，研究团队还分析了断层外孔隙压力升高对邻近断层稳定性的潜在触发作用。基于 Mohr‐Coulomb 摩擦准则的简单计算表明，对于一个摩擦系数约为 0.6 的断层，要使邻近的、已破裂断层面重新活化，所需的孔隙压力升高与差应力降之比至少为 0.47；对于摩擦系数更低的断层，该阈值更高。虽然实验中观测到的孔隙压力升高与应力降之比（δp/δσ₁ ≈ 0.11–0.14）低于这一阈值，但由于实验室中系统的排水条件和传感器扰动会低估实际孔隙压力升高幅度，研究团队认为这一机制在自然界中仍可能对邻近断层的触发和余震序列的产生有所贡献。

研究团队指出，在自然界中，这一现象最可能发生于几何形态不规则（如粗糙、弯曲或拐折）的断层区域，因为在这些区域局部应力水平可能超过剪胀起始应力。此外，致密结晶岩（如花岗岩和碳酸盐岩）比多孔砂岩更有利于维持不排水条件，因此更可能出现断层外孔隙压力升高。研究还提出，地震波速度变化、地下水井水位监测和 InSAR 地表形变观测等地球物理方法可能有助于在野外识别这一过程，但由于其空间和时间尺度较小，直接观测仍具挑战性。

本研究的科学意义在于首次在实验室中直接测量到了地震型剪切破坏时断层内与断层外孔隙压力同时反向变化的实验证据，明确了这一现象发生的物理机制和必要条件，并为理解地震过程中孔隙压力空间非均匀性、断层稳定性以及余震触发机制提供了新的实验约束和理论框架。