北京大学Science：2023年土耳其大双震的超剪切触发和级联破裂过程

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大地震，以猝不及防的突发性和破城绝地的毁灭性成为地球上最严重的自然灾害之一。其破裂涉及多种复杂的物理过程：包括断层滑动、应力释放和地震波传播等。一个大地震的破裂可能只是从一个小分枝开始发育， 并先后触发主断层上的多次破裂， 最终成长为长度几百公里的破坏性地震。这种级联破裂现象类似于“多米诺骨牌”效应， 是当代地震科学研究的重点和难点问题之一。 

2023年2月6日，当地时间4时17分34秒，土耳其及叙利亚边境发生了震级7.8级的强震，9小时之后在第一次强震以北约100公里又发生了7.6级强震。该土耳其大双震造成两个国家约5万人死亡、10万人受伤以及约1000亿美元的经济损失，是当代地震学记录到最大的大陆走滑地震以及双震序列，其破裂过程成为全球地震学界关注的焦点。

北京大学地球与空间科学学院联合国内外七家单位的科研人员，通过综合分析本次土耳其大双震期间的地震波、卫星定位系统（GPS）和合成孔径雷达（SAR）观测等多种数据，重建了该地震破裂时空演化的详细图像，包括发震断层三维模型、不同断层分段的破裂时间和速度、断层面上的滑动位移分布、以及同震动态应力状态和触发过程。 

研究结果表明在第一个强震的破裂过程中，初始破裂发生在主断层南侧的一条分枝断层上。通过近断层地震仪拾取的波形分析，识别了初始破裂的速度为超剪切（破裂传播速度约4.2 km/s，超过约为3.6 km/s的介质剪切波波速）。与一般破裂动力学假设的在分枝交接点触发的模型不同，超剪切产生的马赫波率先到达主断层，并在分枝交接处以西约10公里的位置动态触发了主断层上的破裂。随后破裂向主断层双侧以亚剪切速度传播，其东北向破裂经过分枝交接点后转变为超剪切破裂（速度约4.0 km/s）；而西南向破裂传播的平均速度为亚剪切（2.0 ~ 3.2 km/s）。

第二个强震的破裂过程也不均一; 破裂在断层中间部位开始，向西和向东分别以超剪切和亚剪切的速度传播。相对于亚剪切破裂，超剪切破裂产生的马赫波没有空间几何衰减，因此能量可以被传到距离断层更远的位置，破坏力更强（图1）。模拟显示，相对于所有破裂段都是亚剪切的情形，超剪切破裂的发生让本次地震六度以上的烈度分布范围扩大了20%。通过研究主断层的动态触发过程发现超剪切破裂段的原有应力水平比亚剪切段高出近一倍，更接近破裂临界点，与观测到的超剪切现象相互印证。

本工作所报道的特殊破裂过程及触发关系为大地震发震机理研究、大地震发生的级联破裂过程与机制、以及抗震减灾工程提供了重要参考。 

图1. 2023土耳其大双震的观测系统和获得的断层模型示意图。（上图）本研究所利用的土耳其双震期间的不同类型观测。红色斑马线标出了两个地震的主要破裂范围，图中给出了GPS， 强地面运动（Strong Motion）以及合成孔径雷达（SAR）数据。（下图）三维断层破裂模型及产生的地表振动。断层面上的滑动位移大小以及运动学破裂过程在断层面上标出。第一次主震主断层初始破裂点（Pnt I）以及分枝连接点（Pnt J） 分别标出。地表颜色为模拟地表峰值加速度。右下角展示框图展示了分枝与主断层交接附近的破裂运动学特征。  

北京大学地球与空间科学学院副教授， 主要研究方向为地震物理学。研究目标为通过多种数据以及实验方法的应用，了解断层的加载释放过程。具体研究方向包括：联合多种数据的大地震破裂过程的反演技术；断裂带动力学以及物理过程研究；微地震检测及分析；震源区绝对应力场反演；虚源法和断裂带精细结构。

北京大学讲席教授。主要从事地震学、地球深内部结构和动力学、东亚地区深部结构和区域构造、及地震灾害的研究。其工作曾入选Science年度十大科学突破之一。曾为美国伊利诺伊大学香槟分校终身教授，现为Earthquake Science主编，中国地震学会地震学专业委员会主任，国家重点研发计划和国家自然科学基金重大项目负责人。

本文由论文作者团队特邀供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。

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