地震成核过程中，前震的时空演化特征复杂。天然地震研究表明，主震往往不在前震所在震源区发生，而是出现在断层系统的其他构造位置。由于野外观测条件限制，目前对于断层进入成核阶段后前震活动的演化机制仍缺乏系统认识，前震迁移现象成为制约地震预测和地震危险性评估能力提升的重要障碍之一。

为解决这一问题，本研究利用中国地震局地球物理研究所震源物理重点实验室的大型卧式双轴压机，在实验室可控条件下开展大尺度岩石断层（约1米）成核过程研究（图1）。研究使用自主研发的高灵敏度近断层多通道声发射（微震）连续监测系统，以及具有自主知识产权的AEBagging高性能深度学习集成框架的声发射（微震）拾取模型，获得了从间震期到临震前长时间跨度、高时空分辨率的地震目录（图2），并分析了前震的震级、b值以及空间定位的时空演化行为。研究发现，断层从成核到b值发生不可逆下降，时间跨度约为2个数量级（主震发生前10秒到0.27秒）。基于现代摩擦接触理论（Conformity of Contact Theory），研究还发现断层表面粗糙度控制着前震迁移成核模式及其空间分布（图3），证实了断层表面粗糙度的空间特征与地震活动分布之间存在因果关系。该研究成果为地震预报及亚失稳观测与识别提供了直接的实验室地震学证据。

图1 (a)大尺度断层摩擦实验及其传感器和剪切应变片的布设和加载模式，断层的方向为UL（左上）和LR（右下）；(b)剪切应力和位移随加载时间的变化，浅橙色框表示这些粘滑事件（事件5-9）的剪切应力保持相对稳定的水平；(c-i)红蓝填充线表示高于（红色）和低于（蓝色）断层表面平均粗糙度的曲线，沿断层方向用灰色虚线将断层面划分为P0、P1、P2和P3四个断层段，灰色水平虚线表示全局平均粗糙度高度，作为比较不同断层段粗糙度的基准；(c-ii)断层表面粗糙度空间分布的等高线图。

图2 (a-i)叠加后震前声发射序列的震级随时间的变化，红色圆圈表示主震的震级，其他彩色圆圈分别表示8个粘滑事件的震前声发射事件；(a-ii)叠加后震前声发射序列的b值随时间的演化；(b)叠加后震前声发射序列的平均位置随时间向主震方向移动，红色圆圈表示主震的平均位置，图右侧的红色和蓝色填充线表示高于（红色）和低于（蓝色）平均粗糙度的曲线，P0、P1、P2和P3分别表示沿断层的4个断层段。

图3 叠加后断层表面粗糙度引起的正应力扰动（，蓝线）和叠加后前震和主震随时间沿断层的分布；圆圈表示前震活动，面积与前震震级成正比，五角形代表主震事件，颜色梯度表示距离主震发生的时间，其中较亮的阴影表示较早发生的前震事件。

研究成果于2025年7月发表于学术期刊《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.）。研究受国家自然科学基金项目（42120104002）和国家重点研发计划（2020YFA0710600）共同资助。

【作者简介】

第一作者：李德康，博士生，主要从事实验地球物理及人工智能驱动的科学（AI for Science）研究。E-mail: de_kang_li@163.com

通讯作者：谢凡，研究员，主要从事环境地震学研究及其工程应用。E-mail: xiefan@ cea-igp.ac.cn