在復雜斷層網(wǎng)絡中發(fā)生的大地震能夠跨越多個斷層段落，例如2016年新西蘭凱庫拉 Mw 7.6地震和1992年美國蘭德斯 Mw 7.地震（圖1），前者是迄今為止記錄到的最復雜的破裂事件，至少涉及到Marlborough斷層系統(tǒng)的21個分段。作為復雜斷層幾何的一種典型例子，評價斷層階區(qū)對破裂傳播的影響對于評估地震震級的潛在上限至關重要?；谖锢砜蚣艿牡卣鹦蛄泻蜔o震滑移模擬揭示了孔隙彈性、斷層外塑性、摩擦定律、孕震深度、自由表面和背景應力等因素顯著影響階區(qū)上的破裂傳播和地震復雜性。其中，孔隙彈性已被證明可以有效改變破裂傳播能夠跳躍階區(qū)的臨界距離。然而，以往的研究基于固定的Skempton系數(shù)（B=0.8），未能充分討論該系數(shù)對階區(qū)地震破裂傳播能力的影響。此外，單次動態(tài)破裂模擬需要假設均勻初始應力場，難以考慮多次地震循環(huán)造成的應力非均勻，因此忽視了應力非均勻對破裂躍過階區(qū)能力的影響。同時，單次動態(tài)破裂無法提供地震破裂在階區(qū)跨越或終止的頻率。相比之下，地震序列模擬雖然同樣假設初始應力，但通過多次地震循環(huán)能夠逐漸降低人為假設的影響，從而提供關于地震破裂跨越階區(qū)頻率的有價值信息。

圖1 （a）2016年Kaikōura Mw 7.6地震和（b）1992年Landers Mw 7.地震的地表破裂跡線

為了解決上述問題，中國地震局地球物理研究所黃祿淵副研究員、冰島大學Elías Rafn Heimisson教授以及南洋理工大學Luca Dal Zilio教授合作建立了考慮不排水孔彈性的準動態(tài)二維邊界元模型（圖2）。該模型的滑動行為由速率-狀態(tài)摩擦本構方程控制，狀態(tài)變量演化遵循老化定律。研究首先刻畫了破裂跨越孔彈性擠壓型階區(qū)的物理過程（圖3），隨后通過參數(shù)研究評估了Skempton系數(shù)和階區(qū)寬度對破裂跨越階區(qū)頻率的影響。其次，比較了數(shù)值解與解析解（孔彈性介質中剪切位錯引起的孔隙壓力變化），一方面用來驗證模型可靠性，另一方面展示了利用解析公式高效、簡潔地預測斷層滑動引起的孔隙壓力變化的潛力。最后，基于該物理模型進行了統(tǒng)計分析，得出了在不同Skempton系數(shù)條件下，地震破裂跨越孔彈性階區(qū)的臨界寬度（在這一臨界值下，破裂跳躍與終止的頻率相同）。研究表明：

1. 擠壓型孔彈性階區(qū)的有效正應力受到兩個影響因素——即由Skempton系數(shù)調(diào)節(jié)的不排水孔隙壓和擠壓驅動的巖石基質正應力——的相互作用影響。因此，Skempton系數(shù)能夠顯著影響有效正應力，調(diào)節(jié)斷層的張開/壓緊效應，從而影響破裂在孔彈性階區(qū)的傳播；
2. Skempton系數(shù)和階區(qū)寬度共同影響破裂跨越階區(qū)的能力；
3. 解析方法為我們提供了有效手段，可提高評估斷層階區(qū)附近的孔隙壓力變化和相關地震危險的能力；
4. 模型預測擠壓型孔彈性階區(qū)臨界跳躍寬度為4.4至5.1公里。超過該臨界值，破裂躍過階區(qū)的情況極為罕見，這與觀測有很好的一致性。

本研究構建了二維孔彈性斷層階區(qū)地震循環(huán)模型，揭示了不排水孔彈性對破裂在階區(qū)傳播的影響機制。預期能夠為地震震級的潛在上限評估及級聯(lián)破裂等研究提供科學依據(jù)。成果于2024年11月19日在線發(fā)表于《Earth and Planetary Science Letters》 （Luyuan Huang, Elías Rafn Heimisson，Luca Dal Zilio, Poroelastic effects on rupture propagation across fault stepovers, Earth and Planetary Science Letters, 2025, 649, 119103,  https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.119103），受國家自然基金（批準號：42074111、42174120）以及國家留學基金委“地震英才項目”（202004190042）共同資助。

圖2 模型設置。顏色線和花瓣表示斷層滑動引起的孔隙壓力變化，其中紅色代表正孔隙壓力，藍色代表負孔隙壓力（以擠壓為正）

圖3 破裂跨越走滑斷層階區(qū)時 (a)孔隙壓力變化、(b)有效正應力、（c）剪應力和（d）滑動速率隨時間的演化

【作者簡介】

黃祿淵（第一作者），重力與地殼變形研究室副研究員，主要從事計算地球動力學研究工作。

Email: luyuanhuang@cea-igp.ac.cn