一．岩石介质的非均匀性与其力学行为的非线性

众所周知，岩石是一种非均匀材料，其微观介质（单元）参数（如强度）是不均匀的。这种不均匀性使得岩石在承载过程中不断经历单元体的破坏，微（细）观单元体的连续破坏便造成宏观介质的不断损伤，从而形成宏观的非线性变形现象。因此，在一个统一的变形场中，微破裂不断产生的原因除了荷载不均、形态不够光滑等结构因素形成应力集中之外，更主要的是单元体强度的不均匀性【1】。例如，微观介质强度分布较为均匀的材料，其宏观表现一定是以线性性质为主的材料；反之则一定表现出明显的非线性行为。

对完全均质的材料，如玻璃，无论采取何种加载方式，其力学行为一定是线性的。

由上述分析知，岩石介质的非均匀性是其力学行为非线性的物质根源。

二．岩石介质的自组织临界性

以三轴压缩条件下，岩样的变形破坏（图1）为例加以说明。

1．压密阶段：虽然压缩变形具非线性特征，但在该区域加载和卸载，岩石结构和性质并不产生不可逆变化，这是一种平衡态。

2．弹性阶段：系统内部没有宏观不可逆过程，处于一种均匀的变形状态，这亦是一种平衡态。耗散结构理论已指出：处于平衡态的系统一般具有空间均匀的结构，即无序结构。

3．稳定破裂阶段：超过弹性极限后，岩体进入非线性变形阶段，体内微破裂开始出现且随应力差的增大而发展，当应力保持不变时，破裂也停止发展。

此阶段变形开始出现不可逆过程，但这种过程容易被控制。如在此阶段停止加载，经过一定时间后，系统将可能达到一个宏观上不随时间变化的恒定状态，即定态。

4．非稳定破裂阶段：进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，体应变由压缩转为膨胀。由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使工作应力不变，破裂仍会不断地累进性发展，使薄弱环节依次破坏。

在此阶段，微破裂在空间的分布出现应变局部化，即已从无序向有序转化。由于微破裂的扩展是一个自发的动态过程，系统远离平衡，一方面从外界吸收能量，另一方面又因微破裂发展释放能量（以声能或热能形式等），系统的宏观状态也将随时间变化（变形速率增大、膨胀），这是一种远离平衡的非平衡态。

在远离平衡的非平衡态时，由于非线性的作用，岩石变形破坏呈现出自组织行为【2】。当自组织过程发展到峰值强度点时，出现临界行为。换句话说，岩石失稳发生前，必须出现自组织过程。自组织是“因”，失稳是“果”。

图1 三轴压缩下岩样变形破坏过程示意图

由上述分析知，岩石变形演化到膨胀点时，开始出现自组织行为，从图2可以看的更清楚。

由岩石单轴拉张试验（如图2所示）可看出：随着外荷载增加，首先是均匀的变形阶段，微破裂在空间均匀地分布，随着变形进入非线性阶段，微破裂开始丛集，并逐渐向未来大断裂面附近集中，这种集中和丛集过程使微破裂的空间分布出现有序降维趋势。

从微破裂的均匀、随机的空间分布（无序）到出现应变局部化，直至贯通断裂（有序），其根本原因在于系统离开了原有的平衡态，系统失稳之源也来自于无序结构的失稳和新的有序结构的形成。

图2 在岩石变形过程中微破裂的空间分布【3】

在外载作用下，岩石变形到膨胀点时，微破裂丛集（图3），应变局部化开始，此时震群事件开始发生，反映在蠕变-时间监测曲线上，出现应变加速现象，这是岩石发生宏观破裂前，出现的唯一可识别前兆现象。有了这种前兆，才使得对强震、崩塌、滑坡与岩爆等地质灾害的预测变为可能。

图3  花岗岩的应力应变曲线与AE活动（温度800°C以下）【4】

总结一下，岩石介质的非均匀性导致了其力学行为的非线性，非线性行为又会导致自组织过程，自组织过程发展到一定程度就会出现临界性。自组织行为的出现使得对岩石破裂失稳的预测成为可能。这都是拜非均匀性所赐啊。

所以，我们应该感谢岩石的非均匀性。感谢天，感谢地，感谢非均匀性赐予了岩石。

三．强震、岩爆与崩滑灾害的可预测性

强震、岩爆与崩滑灾害等在孕育过程中，是否会出现应变（位移）加速这一前兆现象呢？从我们分析过的实例（图4~6）看，确实如此。进一步的研究表明，这些地质灾害的孕育机制类同且遵循统一演化规律。

图4  1976年5月6日亚得里亚海M6.5级地震（数据引自文献【5】）

（红线表示M6.5级地震发生时间）

图5  Log-periodic fit of the optimal data set for rockburst event No.5

(数据引自文献【6】)

图6  瓦伊昂滑坡位移观测记录(数据引自【7】)

四．Geller等人对自组织临界性的误解

Robert J. Gellerd等人【8】在《Science》杂志上发表了一篇题为《Earthquakes Cannot Be Predicted》的文章，他们从自组织临界性的概念出发，认为地震（大震）不能被预测，这在地震学界引起了轩然大波，导致许多学者对地（强）震预测悲观失望，甚至放弃了地震预测研究。

先看看文章中的部分观点吧（略掉了引用的参考文献编号和图件）。

【For large earthquakes to be predictable, they would have to be unusual events resulting from specific physical states. However, the consensus of a recent meeting was that the Earth is in a state of self-organized criticality where any small earthquake has some probability of cascading into a large event. This view is supported by the observation that the distribution of earthquake size is invariant with respect to scale for all but the largest earthquakes. Such scale invariance is ubiquitous in self-organized critical systems. Whether any particular small earthquake grows into a large earthquake depends on a myriad of fine details of physical conditions throughout a large volume, not just in the immediate vicinity of the fault. This highly sensitive nonlinear dependence of earthquak erupture on unknown initial conditions severely limits predictability. The prediction of individual large earthquakes would require the unlikely capability of knowing all of these details with great accuracy. Furthermore, no quantitative theory for analyzing these data to issue predictions exists at present. Thus, the consensus of the meeting was that individual earthquakes are probably inherently unpredictable.】

上段英文的大意是：地球处于自组织临界状态，任何小地震有可能级联性地发展成大地震（纯属老头劈叉啊），……，是否小地震能发展成大地震取决于要详细知道一个大区域的物理条件，而不仅是断层附近区域的细节（我们的研究表明，这个非必要条件，因为有监测数据），……，大地震从本质上看可能是不能预测的。

思考与解读：

1、小地震能级联性地直接发展到大地震吗？有这种可能性吗？对具有自组织临界特性的孕震系统会违反能量积累与释放的守恒原理吗？显然答案是不言而喻的。

2、对自组织系统，能否预测它的临界状态呢？只要掌握了其规律性，建立了其失稳准则，为什么不能预测呢？反而对非自组织系统，因其在临界状态前，内部组织与结构呈现无序状态，即没有规律性，反而不能预测其临界行为。

3、我们的研究表明，强震孕育系统有自组织特性，断层中锁固体的损伤累积到一定程度才能到达临界状态，这需要一定的时间过程，即自组织现象的出现并不标志着系统已到达临界状态。

参考

【1】 唐春安．1997．岩石声发射规律数值模拟初探．岩石力学与工程学报，Vol.16，No.4，368～374．

【2】自组织临界性（SOC）：从沙堆模型到固体介质模型

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-655465.html

【3】Mogi K.1985. Earthquake Predication, Tokyo, Academic Press.

【4】翟松韬，吴刚，张渊，等。高温作用下花岗岩的声发射特征研究。岩石力学与工程学报，2013，Vol.32，No.1，126-134。

【5】 Scordilis E M, Papazachos C B, Karakaisis G F,Karakostas V G. Accelerating seismic crustal deformation before strongmainshocks in Adriatic and its importance for earthquake prediction. Journalof Seismology, 2004, 8: 57–70

【6】 Ouillon G,  Sornette. The concept of‘critical earthquakes’ applied to mine rockbursts with time-to-failureanalysis. Geophys. J.Int., 2000,143:354-468

【7】Crosta G B，AgliardiF. Howto obtain alert velocity thresholds for large rockslides[J]. Physics andChemistry of the Earth，2002，27(36)：1 557–1 565.

【8】Robert J. Geller, David D. Jackson, Yan Y. Kagan,Francesco Mulargia. Earthquakes Cannot Be Predicted.Science ,1997,Vol. 275.：1616.