在复杂断层网络中发生的大地震能够跨越多个断层段落，例如2016年新西兰凯库拉 Mw 7.6地震和1992年美国兰德斯 Mw 7.地震（图1），前者是迄今为止记录到的最复杂的破裂事件，至少涉及到Marlborough断层系统的21个分段。作为复杂断层几何的一种典型例子，评价断层阶区对破裂传播的影响对于评估地震震级的潜在上限至关重要。基于物理框架的地震序列和无震滑移模拟揭示了孔隙弹性、断层外塑性、摩擦定律、孕震深度、自由表面和背景应力等因素显著影响阶区上的破裂传播和地震复杂性。其中，孔隙弹性已被证明可以有效改变破裂传播能够跳跃阶区的临界距离。然而，以往的研究基于固定的Skempton系数（B=0.8），未能充分讨论该系数对阶区地震破裂传播能力的影响。此外，单次动态破裂模拟需要假设均匀初始应力场，难以考虑多次地震循环造成的应力非均匀，因此忽视了应力非均匀对破裂跃过阶区能力的影响。同时，单次动态破裂无法提供地震破裂在阶区跨越或终止的频率。相比之下，地震序列模拟虽然同样假设初始应力，但通过多次地震循环能够逐渐降低人为假设的影响，从而提供关于地震破裂跨越阶区频率的有价值信息。

图1 （a）2016年Kaikōura Mw 7.6地震和（b）1992年Landers Mw 7.地震的地表破裂迹线

为了解决上述问题，中国地震局地球物理研究所黄禄渊副研究员、冰岛大学Elías Rafn Heimisson教授以及南洋理工大学Luca Dal Zilio教授合作建立了考虑不排水孔弹性的准动态二维边界元模型（图2）。该模型的滑动行为由速率-状态摩擦本构方程控制，状态变量演化遵循老化定律。研究首先刻画了破裂跨越孔弹性挤压型阶区的物理过程（图3），随后通过参数研究评估了Skempton系数和阶区宽度对破裂跨越阶区频率的影响。其次，比较了数值解与解析解（孔弹性介质中剪切位错引起的孔隙压力变化），一方面用来验证模型可靠性，另一方面展示了利用解析公式高效、简洁地预测断层滑动引起的孔隙压力变化的潜力。最后，基于该物理模型进行了统计分析，得出了在不同Skempton系数条件下，地震破裂跨越孔弹性阶区的临界宽度（在这一临界值下，破裂跳跃与终止的频率相同）。研究表明：

1. 挤压型孔弹性阶区的有效正应力受到两个影响因素——即由Skempton系数调节的不排水孔隙压和挤压驱动的岩石基质正应力——的相互作用影响。因此，Skempton系数能够显著影响有效正应力，调节断层的张开/压紧效应，从而影响破裂在孔弹性阶区的传播；
2. Skempton系数和阶区宽度共同影响破裂跨越阶区的能力；
3. 解析方法为我们提供了有效手段，可提高评估断层阶区附近的孔隙压力变化和相关地震危险的能力；
4. 模型预测挤压型孔弹性阶区临界跳跃宽度为4.4至5.1公里。超过该临界值，破裂跃过阶区的情况极为罕见，这与观测有很好的一致性。

本研究构建了二维孔弹性断层阶区地震循环模型，揭示了不排水孔弹性对破裂在阶区传播的影响机制。预期能够为地震震级的潜在上限评估及级联破裂等研究提供科学依据。成果于2024年11月19日在线发表于《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），受国家自然基金（批准号：42074111、42174120）以及国家留学基金委“地震英才项目”（202004190042）共同资助。

图2 模型设置。颜色线和花瓣表示断层滑动引起的孔隙压力变化，其中红色代表正孔隙压力，蓝色代表负孔隙压力（以挤压为正）

图3 破裂跨越走滑断层阶区时 (a)孔隙压力变化、(b)有效正应力、（c）剪应力和（d）滑动速率随时间的演化

【作者简介】

黄禄渊（第一作者），重力与地壳变形研究室副研究员，主要从事计算地球动力学研究工作。

Email: luyuanhuang@cea-igp.ac.cn