地震成核過程中，前震的時空演化特征復(fù)雜。天然地震研究表明，主震往往不在前震所在震源區(qū)發(fā)生，而是出現(xiàn)在斷層系統(tǒng)的其他構(gòu)造位置。由于野外觀測條件限制，目前對于斷層進入成核階段后前震活動的演化機制仍缺乏系統(tǒng)認識，前震遷移現(xiàn)象成為制約地震預(yù)測和地震危險性評估能力提升的重要障礙之一。

為解決這一問題，本研究利用中國地震局地球物理研究所震源物理重點實驗室的大型臥式雙軸壓機，在實驗室可控條件下開展大尺度巖石斷層（約1米）成核過程研究（圖1）。研究使用自主研發(fā)的高靈敏度近斷層多通道聲發(fā)射（微震）連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，以及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的AEBagging高性能深度學(xué)習(xí)集成框架的聲發(fā)射（微震）拾取模型，獲得了從間震期到臨震前長時間跨度、高時空分辨率的地震目錄（圖2），并分析了前震的震級、b值以及空間定位的時空演化行為。研究發(fā)現(xiàn)，斷層從成核到b值發(fā)生不可逆下降，時間跨度約為2個數(shù)量級（主震發(fā)生前10秒到0.27秒）?；诂F(xiàn)代摩擦接觸理論（Conformity of Contact Theory），研究還發(fā)現(xiàn)斷層表面粗糙度控制著前震遷移成核模式及其空間分布（圖3），證實了斷層表面粗糙度的空間特征與地震活動分布之間存在因果關(guān)系。該研究成果為地震預(yù)報及亞失穩(wěn)觀測與識別提供了直接的實驗室地震學(xué)證據(jù)。

圖1 (a)大尺度斷層摩擦實驗及其傳感器和剪切應(yīng)變片的布設(shè)和加載模式，斷層的方向為UL（左上）和LR（右下）；(b)剪切應(yīng)力和位移隨加載時間的變化，淺橙色框表示這些粘滑事件（事件5-9）的剪切應(yīng)力保持相對穩(wěn)定的水平；(c-i)紅藍填充線表示高于（紅色）和低于（藍色）斷層表面平均粗糙度的曲線，沿斷層方向用灰色虛線將斷層面劃分為P0、P1、P2和P3四個斷層段，灰色水平虛線表示全局平均粗糙度高度，作為比較不同斷層段粗糙度的基準(zhǔn)；(c-ii)斷層表面粗糙度空間分布的等高線圖。

圖2 (a-i)疊加后震前聲發(fā)射序列的震級隨時間的變化，紅色圓圈表示主震的震級，其他彩色圓圈分別表示8個粘滑事件的震前聲發(fā)射事件；(a-ii)疊加后震前聲發(fā)射序列的b值隨時間的演化；(b)疊加后震前聲發(fā)射序列的平均位置隨時間向主震方向移動，紅色圓圈表示主震的平均位置，圖右側(cè)的紅色和藍色填充線表示高于（紅色）和低于（藍色）平均粗糙度的曲線，P0、P1、P2和P3分別表示沿斷層的4個斷層段。

圖3 疊加后斷層表面粗糙度引起的正應(yīng)力擾動（，藍線）和疊加后前震和主震隨時間沿斷層的分布；圓圈表示前震活動，面積與前震震級成正比，五角形代表主震事件，顏色梯度表示距離主震發(fā)生的時間，其中較亮的陰影表示較早發(fā)生的前震事件。

研究成果于2025年7月發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》（Li, D. K., Xie, F*., Wang, Q.-Y., Milanese, E., Xie, J. J., & Li, L. (2025). An ensemble deep learning-based acoustic emission picking model reveals migratory foreshocks on large-scale laboratory fault. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 130, e2024JB029934.）。研究受國家自然科學(xué)基金項目（42120104002）和國家重點研發(fā)計劃（2020YFA0710600）共同資助。

【作者簡介】

第一作者：李德康，博士生，主要從事實驗地球物理及人工智能驅(qū)動的科學(xué)（AI for Science）研究。E-mail: de_kang_li@163.com

通訊作者：謝凡，研究員，主要從事環(huán)境地震學(xué)研究及其工程應(yīng)用。E-mail: xiefan@ cea-igp.ac.cn