双相介质对地震跨越断层阶区起关键控制作用

  近日，学院胡峰副教授，与加州大学河滨分校David D. Oglesby教授、斯坦福大学张文强博士后合作，通过三维地震动力学破裂数值模拟，揭示了双相介质（bi-material）对地震跨越断层阶区（step-over）的关键控制作用。相关成果以“Bi-Material Effects on Critical Jump Distance Over Step-Overs” 为题，于北京时间2025年5月30日在线发表于国际地球科学权威期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。

  断层阶区广泛分布于大型走滑断裂带，常被视为阻止地震继续传播的屏障，然而，自然界中不乏破裂成功跨越阶区并引发更大规模地震的实例。因此，探寻破裂跨越断层阶区的控制机制，对深入理解级联地震以及开展地震危险性评估至关重要。

  研究团队利用间断伽辽金数值方法，开展三维地震动力学破裂模拟，系统分析了走滑断层两侧岩石介质速度差异对断层阶区跳跃距离的影响。研究发现，当发震断层两侧为双相介质（bi-material）时，其在发震断层两侧会表现出不一样的破裂方向性，而这对与破裂跳跃阶梯断层的能力有重要影响。

  在双相介质的正方向，即低速介质相对向前运动的方向，发震断层的峰值滑动速率大大增强，对应破裂方向性也大大增强了正方向一侧的破裂跳跃能力（图1）。当断层两侧介质差异达到30%的时候，对拉张阶区，临界跳跃距离从1 km增加到3 km；对压缩阶区，临界跳跃距离从0 km增加到14 km。而在负方向，发震断层的峰值滑动速率被削弱，即使发震断层存在超剪切破裂，包括自由地表超剪切、Burridge-Andrews自发超剪切破裂以及直接转换超剪切破裂（direct-transition supershear），破裂的跳跃能力也会被大幅削弱，这表明双相介质方向性对破裂跳跃的控制强于超剪切破裂。

图1、左侧为拉张型阶梯断层在不同介质结构中的临界跳跃距离相图；右侧为压缩型阶梯断层在不同介质结构中的临界跳跃距离相图

图2展示了拉张阶梯断层在均匀介质和20%介质差异的双相介质中的断层两侧的质点速率大小和方向，可以看到在双相介质正方向一侧存在显著的非对称速度脉冲，这种动态松弛效应（dynamic unclamping effect）解释了这一侧的正应力降低，对应了观测到的拉张正应力脉冲（tensile normal stress pulse），从物理上给出双相介质正方向对破裂的促进机制解释。

图2、（a）均匀介质在5 s的断层周围的质点速度场；（b）双相介质在5 s的断层周围的质点速度场

  研究还表明，临界跳跃距离还受到自由地表效应、初始应力状态、子断层深度等多重因素共同控制。这些发现不仅有助于更好地理解大地震在郯庐断裂带、圣安德烈斯断裂带、北安纳托利亚断裂带等复杂断裂体系中发生的连续破裂行为，也为未来大尺度走滑断层的地震危险性评估提供了新思路。该项研究还指出，常见于走滑断层拉张型阶区的拉分盆地也可能表现为一种局部具有双相介质的构造，其在控制跳跃能力方面的潜在作用值得进一步研究。

论文信息：

  本研究的第一作者及通讯作者为中国科学技术大学地球和空间科学学院胡峰副教授，合作者包括加州大学河滨分校David D. Oglesby教授、斯坦福大学张文强博士和中国科学技术大学硕士研究生卢泽昱。此次研究得到了国家自然科学基金（42074049）和中国科学院青年创新促进会（2023471）的资助。

Hu, F., Oglesby, D. D., Zhang, W., & Lu, Z. (2025). Bi-Material Effects on Critical Jump Distance Over Step-Overs. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 130(6), e2024JB030992. https://doi.org/10.1029/2024JB030992