新闻网讯（通讯员水苑）近日，Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS，《美国科学院院刊》）在线发表武汉大学水利水电学院、水资源工程与调度全国重点实验室、水工岩石力学教育部重点实验室陈益峰、周佳庆团队在岩石破裂预测方面的重要研究成果。论文题为“Probing rock rupture with naturally occurring nuclide signals”（基于天然放射性同位素信号探测岩石破裂）。武汉大学为论文第一署名单位，副教授周佳庆为第一作者，教授陈益峰为通讯作者，新泽西理工学院博士后毛荣为共同第一作者，香港大学研究员罗新与美国科学院院士、加州大学伯克利分校教授Michael Manga为共同通讯作者，论文合作者还包括中国工程院院士周创兵，中国科学院院士唐辉明，德州大学奥斯汀分校教授Bayani Cardenas，中国地质大学（武汉）教授李长冬，武汉大学教授胡冉、杨志兵，博士研究生甘馥硕。
地震、山体滑坡、火山喷发等重大地质灾害，以及库坝渗漏、隧洞突涌水等水工岩体病害，本质均源于岩体渐进损伤与突发性破裂。这类灾害隐蔽性强、突发性高、破坏力巨大，能否精准捕捉岩石破裂前兆、提前识别灾变信号，直接决定灾害预警与工程防控的成败，是全球地球科学与岩石工程领域长期面临的关键科学与技术难题。岩石在发生宏观破裂前，会释放氡、氦、氩等天然放射性同位素信号，这类信号对岩石变形扰动极为灵敏。半个多世纪以来，学界已在多种类型灾害发生之前监测到此类异常信号波动，因而天然放射性同位素信号是极具应用潜力的灾害前兆指标。但相关研究长期停留在现象观测层面，解译理论缺失，导致灵敏度极高的天然示踪信号始终无法落地应用于灾害防控及预警。
图1 岩石破裂与天然放射性同位素信号释放的关联模型
图2 天然放射性同位素长时序信号分解与重构
为此，研究团队首次提出了基于物理过程的天然放射性同位素长时序信号分解与重构方法，结合室内长周期岩石破裂试验、库岸边坡变形多年观测数据研究，发现了岩石变形破裂过程中同位素信号演化的通用范式曲线。该曲线由瞬时脉冲信号（Amax）与衰减稳态信号（Aeq）两大核心特征构成，并分别与岩石破裂面积（Se）与破裂开度（b）两大关键结构参数关联。通过严谨理论推导，结合系统刻画母核α衰变生成、子核α衰变消亡、裂隙壁面吸附–解吸附、沉淀及风化等复杂物理化学过程的同位素信号演化精细模拟，建立了天然放射性同位素特征信号与岩石破裂关键参数之间的本构关系，据此构建了岩石破裂定量诊断理论与预测方法，实现了单个微破裂离散信号与岩体宏观破裂信号的有机统一，完成了从定性观测到定量评估的关键跨越。
图3 岩石破裂状态与天然放射性同位素特征信号之间的本构理论
图4 示踪诊断理论在岩石力学试验和水库岸坡观测中的有效性验证
该成果将岩体灾变的水化学前兆信号研究，从经验观测层面提升至机理解析、定量诊断的全新高度，填补了该领域理论研究与工程应用之间的空白，使得未来超前“嗅探”各类岩体灾害成为可能。研究成果在重大地质灾害预测预报、库坝渗漏通道示踪溯源、深地工程环境探测与灾变防控等领域具有重要应用前景，有望服务国家重大水利水电工程建设运维及防灾减灾战略需求。
该研究得到国家自然科学基金重大项目、卓越研究群体项目、优青项目，以及湖北省杰青项目等资助。
论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2602434123
