近日，中外科學家在國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助下，推導并建立了同震應力變化過程中飽水巖層溫度響應熱-力學理論基礎，并嘗試用于解釋震后鉆孔測溫結果。相關成果發表于《地球物理與化學》（Physics and Chemistry of the Earth）。
地震發生后，鉆孔測溫結果往往能揭示一些關鍵信息。1999年我國臺灣集集地震、2008年汶川地震及2011年日本東北大地震后，鉆孔測溫結果顯示：在同震滑移面上下5-20米范圍內存在溫度正異常；同時，在距滑移面20-60米范圍內也存在明顯的溫度負異常，其峰值雖僅為正異常峰值的1/4-1/3，但其分布范圍卻是正異常的3-4倍。目前，溫度正異被普遍認為是由摩擦生熱效應所致，而溫度負異常的成因一直未被充分認識。
中國科學院南海海洋研究所研究員施小斌團隊成員楊小秋和許鶴華，與美國密西西比大學教授Alexander H.D. Cheng、日本京都大學教授Weiren Lin及中國科學院大學教授張懷合作，基于多孔介質熱彈性理論，提出同震應力釋放是導致溫度負異常的成因機制。為驗證該理論預測，需要獲取巖石絕熱應力-溫度響應系數β=(?T/?P)s。前期，團隊已開展實驗并獲得干燥條件下地殼常見巖石的絕熱應力-溫度響應系數βdry (1.53-6.15 mK/MPa)。然而，地殼巖層多為飽水狀態。
該研究首先基于有效應力原理進行理論推導，首次建立了飽水巖石絕熱應力-溫度響應（βwet）的熱-力學理論公式，并從孔-熱-彈理論出發，進一步證實了該理論公式的正確性和普適性。該公式揭示了飽水巖石絕熱應力-溫度響應系數與巖石固體介質、孔隙流體的應力-溫度響應系數、體熱膨脹系數、體積熱容、孔隙度、Skempton系數及背景溫度之間的定量關系，使得研究人員能夠基于常規巖石熱-力學參數定量計算不同背景溫度下的βwet。
基于該理論基礎，研究團隊計算了15種代表性巖石在背景溫度23-50°C內的βwet取值范圍，發現其值均高于干燥條件下的βdry，且可壓縮性越高的巖石，βwet與βdry的比值越顯著。此外，βwet隨背景溫度呈線性增長趨勢。通過該理論，團隊計算獲得集集地震同震溫度降在18-53 mK范圍，與震后鉆孔測溫結果（~25 mK）較吻合，并進一步論證理論可預測現場觀測到的“負-正-負”溫度變化模式。
論文第一作者兼通訊作者、中國科學院南海海洋研究所研究員楊小秋指出，同震事件是多物理場耦合的復雜現象，建模工作常因缺乏可靠原位數據而更加困難。該研究聚焦于應力致熱機制的理論闡釋，其預測結果與實測現象的合理吻合為構建更全面的耦合模型提供了理論基礎。