近日，南方科技大学地球与空间科学系徐世庆助理教授与日本的合作者一起在Nature Geoscience上发表题为“Fault strength and rupture process controlled by fault surface topography”的研究论文。该研究利用米量级振动台开展实验室断层摩擦实验（图1，图2a）,针对断层表面粗糙度对断层强度和断层滑动行为的控制作用做了系统分析。

天然断层表面由于受到磨损、侵蚀以及非均匀应力加载等作用的影响总是粗糙的。如何理解断层粗糙度对断层强度和地震危险性的控制作用一直以来都是地震学研究的难点。目前的天然观测数据受到大地震稀缺和远离断层等因素的限制，尚不足以对以上问题给出确定性回答。

图1、安装在日本防灾科学技术研究所的米量级岩石摩擦装置

南科大地空系徐世庆助理教授和合作者另辟蹊径，在实验室里系统比较了相对均匀和相对不均匀断层（图2b）在力学、运动学以及动力学等方面的属性，成功地揭示了断层粗糙度在地震循环中所扮演的角色。他们的实验结果显示，相对不均匀的断层（LB12-012，红色）具有较高的宏观断层强度，较小的宏观应力降，以及较短的地震复发周期（图2c）。与此同时，局部的观测结果表明分布在相对不均匀断层上的剪应力呈现出明显的短波长特征且具有较高的平均值（图2d）。

 图2、米量级实验室断层的几何特征以及基本力学特征

进一步的观测结果表明，相对均匀断层（LB12-006，蓝色）上的破裂演化比较简单，通常表现出从“成核”阶段连续平稳地过渡到“失稳”阶段，而破裂的传播速度主要维持在S波波速以下，即处于亚剪切模式（图3c）。与之形成对比的是，相对不均匀断层上的破裂演化比较复杂，表现出从早期的“慢滑移”断断续续地过渡到晚期的“快速滑动”（图3d），以及破裂在“快速滑动”阶段可以呈现非单调的演化特征，包括多次达到超剪切模式，即速度超过S波波速（图3e）。

图3、破裂在相对均匀（蓝色）和相对不均匀（红色）断层上的演化特征

结合其他若干观测结果，研究人员提出，断层粗糙度能够显著改变断层在震间的耦合情况。相对均匀的断层在地震发生前只有震中区域处于临界加载状态，因此平均剪应力水平较低，宏观表现为“弱断层”，更倾向于产生亚剪切破裂。而相对不均匀的断层允许若干个断层区域在地震发生前处于临界加载状态，因此平均剪应力水平较高，宏观表现为“强断层”。由于受到能量势阱的控制，相对不均匀断层上的破裂过程依赖于初始扰动的幅度。如果初始扰动较小，破裂过程要么很慢要么很容易停下来；但是如果初始扰动非常大，破裂过程则可能以较快的速度进行并且有能力贯穿整个断层。

这些结果为理解断层粗糙度对断层强度和断层滑动行为的控制作用提供了新的观测资料和解释机制。特别地，该工作显示，在经过若干地震循环后，粗糙断层，而非平滑断层，更有利于产生超剪切破裂，从而为评估地震危险性提供了新的思考方向。

南科大徐世庆助理教授为论文第一兼通讯作者，合作者包括日本京都大学的Eiichi Fukuyama教授，日本防灾科学技术研究所的Futoshi Yamashita博士和Shigeru Takizawa博士，日本立命馆大学的Hironori Kawakata教授，以及日本电力中央研究所的Kazuo Mizoguchi博士。南科大是论文第一单位。以上研究得到了日本防灾科学技术研究所、日本学术振兴会、中国国家自然科学基金面上项目以及科技部国家重点研发计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41561-022-01093-z