地震是地壳岩石在构造应力作用下突然破裂并释放能量的自然现象。全球每年约发生500万次地震，其中造成严重破坏的强震可达数十次。尽管人类对地震的研究已有百余年历史，但断层如何“锁定”、如何“滑动”，以及摩擦如何在微观尺度上产生，仍是地震物理学中的关键科学问题。传统地震模型通常认为，断层摩擦主要来源于凹凸体互锁、硬颗粒犁耕以及破碎岩粉的研磨作用。然而，真实断层界面具有复杂的多尺度粗糙结构，其摩擦行为可能受到更深层次界面物理过程的控制。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室 Bo Persson 博士联合德国萨尔大学Sergey V Sukhomlinov 博士，利用融合宏观摩擦试验、分子动力学模拟与接触力学理论，依托花岗岩模型体系，跨尺度阐明了岩石界面摩擦的内在物理机理。

花岗岩是大陆地壳中常见的岩石类型，其力学性质与许多天然断层围岩具有相似性，是断层摩擦研究的重要模型材料。试验证实，花岗岩界面高摩擦并非主要源于颗粒犁削或研磨作用，而是来源于接触面微凸体受压塑性变形后形成的原子级“冷焊”键合。滑动过程中，界面键合持续生成与断裂，构成宏观摩擦阻力的主要来源。

研究发现，在一定条件下，磨屑越少、界面冷焊作用越强，摩擦系数越高；而磨屑大量积累后，可能隔离基体直接接触、削弱界面粘附，从而降低摩擦。上述结果挑战了颗粒磨损主导岩石摩擦的传统认识，表明断层摩擦强度需要结合微凸体接触、界面粘附、塑性变形和能量耗散等多尺度过程综合理解。

此外，研究发现花岗岩摩擦对温度、滑移速率和静置时长变化不敏感，提示经典速率-状态摩擦定律在向天然大尺度断层外推时需考虑尺度效应。分子动力学模拟进一步揭示了摩擦能量耗散的三条主要路径，化学键断裂、局部塑性变形和应力诱导石英相变。低速试验中接触闪温温升有限，难以显著弱化石英；而在地震高速错动过程中，摩擦升温引发的热弱化可能对断层失稳产生重要影响。

该成果从摩擦学视角重新认识了断层滑动机理，表明粘附与界面变形是断层摩擦的重要来源，有助于优化现有地震动力学模型，深化对断层锁固-滑移及粘滑失稳过程的物理认识，为板块运动、地震触发机制研究及地震危险性定量评估提供新的理论参考。

图 1. 花岗岩摩擦宏观试验与微观模拟关键结果。左上（原图 8）：滑移速率 3 mm/s 条件下，单次清除磨屑摩擦偏低，磨屑累积后干态摩擦系数升至 0.95；滑移 300 m 加水后，摩擦降至 0.7。右上（原图 10）：在 -40 ℃~24 ℃区间内，摩擦系数几乎不受温度与滑动速率影响。下方（原图 21 c）：分子动力学模拟截图，绿色方框标示剪切诱发石英可逆相变区域，接触面出现塑性变形与非晶化。三组数据共同证明：花岗岩摩擦由界面冷焊主导，宏观尺度无明显速率-状态摩擦效应。

相关成果以“Granite sliding on granite: friction, wear rates, surface topography, and the scale-dependence of rate–state effects”为题发表在Reports on Progress in Physics上，Bo Persson 博士和德国萨尔大学 Sergey V Sukhomlinov 博士为共同第一作者，Bo Persson 博士为通讯作者。相关成果受到国际学术媒体关注，IOP Publishing /Progress In series以“The hidden mechanics behind earthquakes” 为题刊发 Research Highlight 报道。报道指出，该研究阐明了断层摩擦的微观力学机理，证实微凸体粘附、原子键断裂与能量耗散过程在宏观摩擦行为中发挥关键作用，为理解断层滑移及地震发生机制提供了新的物理图像。

图2. Progress In series 专题报道配图：地震断层边界。