2024年6月25日，国际著名综合性学术期刊《Nature Communications》在线发表了海洋与地球科学学院程怡芳教授与合作者的研究成果：3D architecture and complex behavior along the simple central San Andreas fault，刻画了断层的精细结构和复杂多元的断层行为，并利用数值模拟揭示了其断层耦合状况。
断层带具有几何复杂性，是多尺度系统，由局部断层核心（主要滑动）、高度破碎的损伤带（少量变形）和周围主岩组成。断层带的变形可以是地震性的，如大地震、小地震和构造颤动，也可以是非地震性的，如暂时性缓慢滑动、稳定蠕变和震后滑动。地震和非地震滑动的划分通常通过地质测定的断层耦合来量化。断层耦合和滑动缺失的空间分布有助于我们理解断层特性、确定地震潜力并限制地震的重现期和最大可能震级。然而，传统研究通常假设断层上的所有部分都以相同方向滑动，而忽略了滑动方向及其他断层物理性质的变化，并且完全忽略断层面周围的形变过程（图1，左侧）。该研究聚焦小地震的震源机制分析，以期解决这些挑战（图1，右侧），主要通过整合震源机制目录，以深化对主要断层带细尺度结构和复杂行为的理解。
图1.与以往研究相比的改进之处。以往研究和该研究的数据及假设的对比。闭锁区域为暗红色，蠕滑区域为浅红色。在San Andreas断层中段的模拟的和观测的蠕滑速率和方向。黄色星星和沙滩球分别指代地震的位置和震源机制，黑色和蓝色的沙滩球分别为断层面上和其周围的地震，红色箭头代表断层蠕滑方向。
该研究集合了2千米宽，190千米长的圣安德烈斯断层中段（central San Andreas Fault）从1984年到2015年的近八万个1级以上地震的震源参数及相应时间的大地测量学结果，全方位刻画了该断层的三维精细断层结构及其在震间耦合形变阶段的断层带运动学过程。结果表明，可以用一个简单的断层耦合模型解释观测到的震间断层蠕变速率、蠕变方向（图2）。该断层耦合模型表明断层在150年积累的地震矩相当于一个矩震级7.5的地震。
图2.观测和模拟的断层位移性质的对比。a.断层模型1设置，包括自由滑动区（蓝色）、锁定区（灰色）和恒速蠕变区（红色）；驱动浅层蠕变的深层蠕变区从15公里延伸至2000公里深度，远远超出CSAF的横向端点；浅层断层在166公里西北和17公里东南之外完全耦合；每个断层片段的大小为3×3公里，白色星星标示地震。b. 通过重复地震发生推算的模拟断层蠕变速率。c.观测到的断层蠕变速率。d.通过重复地震震源机制的倾滑角和倾角估算的模拟断层滑动方向。e.观测到的断层滑动方向，黑色细线表示断层东北侧的局部蠕变方向。c、e中的彩色点和网格表示每个重复地震序列的值及各空间单元的平均值，正蠕变方向表示断层东北侧向上的倾滑分量。f.通过InSAR视线数据（Jolivet等，2014）估算的模拟（蓝色）和观测（红色）地表蠕变速率，绿色圆圈和方块分别表示通过蠕变仪和对齐阵列测得的平均地表蠕变速率。
此外，基于断层耦合模型模拟的断层带周围应力场和观测到的应力场也有显著的相关性，表明断层面的耦合异质性会导致断层带周围应力的显著空间变化（图3a-b）。断层带周围也存在大量的跟主断层走向相差甚远的小尺度断层，并且这些小尺度断层都倾向于沿着主断层走向方向滑移而非朝两侧主岩方向滑移，表明断层周围有一个狭窄薄弱、更易于形变的断层带（图3c-e）。
图3. 断层带周围的应力场和运动学过程。 a. 主断层与模型计算的主断层1.5公里东北处的断层外最大水平应力方向角度。b. 主断层与通过震源机制计算的断层周围2公里范围内观测到的最大水平应力方向角度，白点表示用于应力反演的震源机制位置。c. 断层周围2公里范围内震源机制中斜逆断层事件的百分比（红色曲线）。d. b、c结果的点对点对比。e.断层带结构、薄弱性和应力场变化的示意图。
综上所述，该研究所推断的三维力学性质薄弱的断层带和弱耦合断层面，为观测到的复杂精细的运动学过程提供了统一解释，表明该断层分布式的滑移缺失会更容易导致中、小地震的发生，并影响局部应力的异质性及复杂的多尺度断层破裂。通过这样精细的刻画，我们可以将小尺度的断层结构和活动与未来可能的大尺度断层破裂行为联系起来。
文章的第一和通讯作者为我院教授程怡芳。该项研究得到国家优秀青年（海外）基金及加利福尼亚州州长紧急服务办公室资助。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49454-z