NG：断层面粗糙度及其对地震的意义
近年来，断层面粗糙度成为地震学研究的热点之一。地震学家认识到：地震是由于断层面上强度相对较高的锁固段突然破裂产生的，这些锁固段被称为凹凸体（asperity）。地震中滑动传播过程的复杂程度可能与这些凹凸体的分布有关。凹凸体的分布是断层面粗糙度的一种表现形式，因此，断层面的形态对地震有着重要影响。
20世纪80年代，地震学家（Aki，1984）根据地震滑动位移分布的非均一性推断出断层面上分布着与破裂过程相关的凹凸体。2008年汶川地震研究也表明：破裂过程中存在凹凸体，两个明显的余震密集区分布在北川和映秀附近，这两个区域位于断层分段的交界处，同时也是同震位移的高值区域（图1）。
图1 汶川地震断层几何形态以及同震位移分布。a. 从SW方向以45°角观察断层几何形态的俯视图；b. 从NW方向以45°角观察同震位移分布的俯视图，黑色箭头代表同震位移的滑动方向，不同颜色代表位移大小；红色曲线为地表破裂的分布迹线；棕色长方柱体代表该长度段破裂迹线50 km范围内的余震累积次数（Shen et al., 2009）
凹凸体是如何形成的，凹凸体的分布是如何影响断层面粗糙度的，又是如何影响地震破裂过程的？回答这些问题，有助于我们深入认识地震机理以及断层破裂过程。这需要从形貌学上对断层面进行更加科学的分区，为地震危险性评价提供参考。
为此，学者们开展了大量室内岩石滑动摩擦实验（Renard et al., 2012；Yamashita et al., 2018; Taiet al., 2020）以及断层面形貌学测量（Candela et al., 2012; Karamitros et al., 2020），研究断层面粗糙度及其与破裂过程的相关性。然而，实验室尺度的断层面模型常常被过度简化，形貌学测量往往也只能观测到数量有限的断层面露头。尽管科学钻探已经可以探测到深度3千米以浅的小规模的锁固段，但破坏性地震涉及地下更深处的数百平方千米的断层面，仅仅依赖科学钻探并不现实。加拿大麦吉尔大学地球与行星科学系的Kirkpatrick等人借助三维地震数据，分析了哥斯达黎加近海俯冲板块断层面形态（Kirkpatrick et al., 2020），实现了对数千米以深无法观测到的可能引发地震的断层面的测量。
通过与未发生俯冲的海底地形进行比较，Kirkpatrick等定量分析了海平面以下6千米内的俯冲板块边界断层面形态。结果表明，断层面上沿俯冲滑动方向产生擦痕的区域具有明显的各向异性特征，且粗糙度较低。而断层面上其他未产生擦痕的区域具有明显的各向同性特征，且粗糙度较高。可将断层面的这种形貌特征差异与哥斯达黎加俯冲板块的另一个关键特征联系起来：俯冲板块每隔几公里就被与海沟平行的、间隔开的小尺度正断层切开，这些小尺度正断层由俯冲板块的弯曲产生。沿着这些次级断层的滑动使得一部分板块边界滑落到较低的构造层次，并被遗弃在那里，不再属于板块构造边界（图2中蓝色方框区域）；另一部分区域被迫突破以前未变形的岩体，形成粗糙度较高且各向同性的新俯冲板块边界断层面（图2中红色方框区域）。除了在板块边界断层面上形成粗糙的块体以外，正断层还会使更宽范围的板块边界断层面变得粗糙。由于正断层在俯冲板块边界上广泛分布，从某种程度上说，大尺度的断层表面甚至比正断层之间新形成的块体表面更加粗糙。
图2 Kirkpatrick等人所描述的哥斯达黎加板块边界断层面形态示意图（Ikari et al., 2020）
Kirkpatrick等认为：在正断层之间新形成的块体强度较高，这些块体所能提供的摩擦力较大，导致断层的剪应力在这些块体上集中，是潜在的可能产生剪切破裂并引发地震的凹凸体。此外，他们通过对地震资料的分析，得出另外一个有趣的结果：小规模地震破裂所产生的应力降幅度较大，而大规模地震破裂所产生的应力降幅度较小。由此认为小规模的地震破裂可能与断层表面的凹凸体破裂有关，而大规模的地震破裂在滑移过程中将不同区域的应力降进行了平均，因此较为复杂。
这项研究阐明了俯冲区断层面上凹凸体产生的地质过程，为断层面粗糙度差异的产生机理提供了新的认识。可能引发地震的凹凸体假说也支持了Wang et al.（2011）的研究结果：断层面粗糙度高、几何形态复杂的北川段断层在地震破裂中产生了最大的断层滑移量，在汶川地震破裂滑移中起主要作用。这些研究结果为我们深入了解逆冲断层破裂的几何学、运动学特征提供了依据。
主要参考文献
Aki K. Asperities, barriers, characteristic earthquakes and strongmotion prediction[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1984,89(B7): 5867-5872.
Candela T, Renard F. Segment linkage process at the origin of slipsurface roughness: Evidence from the Dixie Valley fault[J]. Journal ofStructural Geology, 2012, 45:87-100.
Ikari M J. The rough ride of subducting fault surfaces[J]. NatureGeoscience, 2020, 13(5):329-330.
Karamitros I, Ganas A, Chatzipetros A, et al. Non-planarity,scale-dependent roughness and kinematic properties of the Pidima active normalfault scarp (Messinia, Greece) using high-resolution terrestrial LiDAR data[J].Journal of Structural Geology, 2020: 104065.
Kirkpatrick J D, Edwards J H, Verdecchia A, et al. Subductionmegathrust heterogeneity characterized from 3D seismic data[J]. NatureGeoscience, 2020, 13(5): 369-374.
Shen Z K, Sun J, Zhang P Z, et al. Slip maxima at fault junctionsand rupturing of barriers during the 2008 Wenchuan earthquake[J]. NatureGeoscience, 2009, 2(10): 718-724.
Tal Y, Goebel T, Avouac J P. Experimental and modeling study of theeffect of fault roughness on dynamic frictional sliding[J]. Earth and PlanetaryScience Letters, 2020, 536: 116133.
Wang Q, Qiao X, Lan Q, et al. Rupture of deep faults in the 2008Wenchuan earthquake and uplift of the Longmen Shan[J]. Nature Geoscience, 2011,4(9): 634-640.
Yamashita F, Fukuyama E, Xu S, et al. Rupture preparation processcontrolled by surface roughness on meter-scale laboratory fault[J].Tectonophysics, 2018, 733: 193-208.
（撰稿：张建勇，崔振东/页岩气与工程室）
校对：李玉钤