研究地震发生断层与破裂的新成果
（一）研究地震发生断层现象的新信息
1．采取新方法探测和研究地震断层
⑴利用激光探测仪探测潜在的地震断层。[8]2006年11月，有关媒体报道，世界上绝大多数地震都是由地震断层引起的，提前发现潜在的地震断层，对于预防地质灾害具有极为重要的意义。英国莱斯特大学，地质系教授迪更斯·坎宁安主持的一个研究小组宣布，他们将利用飞行器携带激光探测仪，寻找被森林以及高山掩盖的地震断层。
研究人员称，世界上存在很多地震断层，但由森林以及高山的覆盖，科学家们此前一直没有发现任何将要发生地震的迹象。2005年，克什米尔地区发生强烈的地震，并造成巨大的财产人员损失，就是由于地震带位于茂密森林的掩盖下，使得人们无法提前做出任何预报。科学家们已经研制出了一款新型的激光探测仪，这种仪器的功率十分强大，将通过飞行器从空中对地面进行扫描探测，可以发现地震断层的具体特征，甚至能够准确地预报地震将要发生的日期。
坎宁安称，地震断层板块边界的运动形态，使得板块边界地区的地壳发生弹性变形，并因此产生地质应力。由于变形的持续加剧，应力也会继续累积，一旦超过抵抗它的摩擦阻力时，地壳即会错动反弹至没有应变的位置，同时发生固体的振动而产生地震。目前看来，全球的地震断层，主要分布在环太平洋带、阿尔比斯-喜马拉雅带和大西洋中脊和印度洋中脊上。总的来说，地震断层主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的板块边缘等构造活动地带。
坎宁安说：“全球的地震断层，主要集中在环太平洋地震带，包括南北美洲太平洋沿岸和阿留申群岛、堪察加半岛，经千岛群岛、日本列岛南下经中国台湾再到菲律宾转向东南，达新西兰。喜马拉雅地中海也存在一个巨大的地震断层，其范围从印度尼西亚西部经缅甸至横断山脉，喜马拉雅山脉，越过帕米尔高原，经中亚细亚到达地中海及其沿岸。目前记录到最大的地震还没有超过8.9级地震，1960年5月22日南美智利曾发生8.9级地震，1933年3月2日日本三陆东边海中也曾发生8.9级地震。这些地震的直接原因，全部是因为地震断层。”
坎宁安认为，绝大多数地震，都是地壳中的岩层发生断裂错动造成的，这种地层断裂并移动了位置的现象，被称为断层，这类地震也就被称为断层地震。有的断层地震，是原有的断层重新活动而造成的，有的则是由于新产生了断层而造成的。1891年日本地震的断层，就是新出现的。1906年美国西部的地震，除了原有的断层重新活动外，也有新的断层产生，在旧金山的地下就正好有一条新断层通过，所以震动特别强烈。在地壳中，存在着许多断层，不过并不是任何断层都会继续升沉错动的，有些断层已经不再活动了。地震的产生，主要出现在那些今天还在强烈运动着的地区。那些还具有活动性的断层，特别是它们的端点、转折处和两条以上断层的交会处，最容易成为地震的震源。
2004年12月，印度尼西亚苏门答腊岛海底突发大地震，并引起强烈的海啸灾难。地质学家们最终确认，在苏门答腊岛海底的桑达海沟区域，竟然隐藏着一条深2.3公里、长45公里的地震断层。该地震断层的上下落差达10米，最大裂口处宽40米。地质学家们如果能够提前发现这一断层，就能及时避免灾难造成巨的人员财产损失。
⑵利用一种新雷达成像仪探测地震断层。[9]2009年6月23日，《洛杉矶时报》报道，美国航空航天局下属的喷气推进实验室，地球物理学家安德里亚·多勒兰主持的一个研究小组，日前宣布，为了进一步研究地震活动规律，他们正在利用一种新的雷达成像仪，对加利福尼亚州的地震断层进行探测。
据报道，这种仪器，安装在美国湾流航空航天公司生产的一种特制飞机的机身下，它可拍摄到地壳运动时，在地球表面所引起的移动和变形的详细图像。目前，这种地震雷达探测仪，正在对加州约70％的地震断层进行探测。
报道说，多年以来，其他国家一直通过卫星提供的雷达数据，来了解地球表面的活动情况，但该研究小组最新使用的这种仪器具有不同特点。它采取长波雷达，可穿透植被，能更准确地观察到地表硬壳。此外，由于运载这种仪器的飞机，在距地面约1.37万米的高度飞行，要比卫星更接近地面，拍摄到的图像更为清晰。
多勒兰介绍说，这种雷达探测仪能发现活跃的地震断层，让研究人员通过地表的活动，研究地下深处发生的变化。她说，虽然研究人员还不能根据这种雷达探测仪提供的数据，准确判断地震发生的时间、地点和强度，但能判断出哪里的地震活动最活跃，并对未来5年至10年内的地震活动做出预测，为长期防震抗震提供支持。
⑶利用科学钻探方法研究汶川地震断裂带。[10]2013年6月27日，由中国地质科学院地质研究所李海兵任总地质师，美国加州大学圣克鲁斯分校在读博士生薛莲为第一作者的汶川断裂带科学钻探项目组，在《科学》杂志发表研究报告说，他们通过科学钻探方法，对汶川地震主断裂带附近的地下水位进行测量和分析。该研究成果，或对汶川地震孕震机制和震后愈合提供新见解。
中国科技部、国土资源部和中国地震局共同组织实施的汶川断裂带科学钻探项目，在有关地区先后打出5口600米至3400米深的钻孔，国内外多家研究机构和大学共同参加了钻孔中地下水位的连续观测、数据采集和分析工作。汶川地震断裂带科学钻探项目是中国第一次围绕大地震进行的科学钻探，也是世界范围内大地震后实施科学钻探最快（震后178天）的科学研究。
薛莲说，研究人员基于一号钻孔中地下水位的连续观测，计算出震后断层地下水渗透率的时间变化，进而分析震后断层破裂带的愈合状况。在历时18个月的观测期内，汶川地震带的渗透率整体随时间而逐渐减小。
薛莲表示，这是第一次用水文方法连续观测到断层破裂带震后愈合的过程。渗透率主要反映水在岩石孔隙中流动的快慢，地震产生的裂隙会导致断层介质的渗透率短期增高。随着震后裂隙愈合，断层介质的渗透率逐渐减小。汶川地震带渗透率的变化趋势反映了震后愈合过程，这对于认识汶川地震的孕震机制及周期有指示意义。
地下水流动会对地震的破裂过程发生影响。研究人员发现，汶川断层破裂带的渗透率比已知其他地震断裂带的渗透率高，这表明汶川地震发生时，断层附近有显著的地下水流动。此外，在渗透率整体随时间逐渐减小的过程中，研究人员观测到其他地震引发的地震波造成汶川断裂带渗透率增加的现象，这表明汶川地震的震后愈合也受到其他地震影响。
李海兵说，下一步将不仅利用一号钻孔断层测温来测量断层的强度，也会对另外４个钻孔进行类似的测量、分析和研究，从而更全面地了解汶川地震的发震机制。
2．探索地震断层地质结构的新进展
⑴研究揭示汶川地震内部断层地质结构变动。[11]2009年9月27日，中国地震局地质研究所特聘研究员、北京大学教授沈正康为第一作者的一个研究小组，在《自然·地球科学》杂志上发表研究报告说，通过分析卫星大地测量数据，发现汶川大地震的能量释放主要来自3个断层破裂极大区。这项新成果，不但有助于汶川地区今后的防震减灾工作，而且对其他地震多发区相似地质断层分析甚至地震预测也有一定借鉴作用。
研究结果显示，汶川地震涉及多个地质断层单元，而映秀、北川和南坝这3地附近为不同断层单元的连接交汇部，地震前承受着比其他地方高得多的压力，如同3个储量巨大的“能量库”。2008年5月12日，映秀镇附近的断层首先破裂，第一个交汇部失去稳定，由此产生的地震波带来了多米诺骨牌效应，接连触发另外两个“能量库”，它们共同释放出巨大的能量，导致汶川大地震的发生。测量数据表明，这3地接近地表处是汶川地震中的断层破裂极大区，是大地扭曲变形最为严重的地方。
沈正康介绍说，这些断层单元分别出现了4米至7米的“位错量”，即大地在地震后被撕裂的“伤口”大小。由于地球板块运动平时也在推动大地发生微小变化，通过卫星数据计算各地的形变累积速率，可以近似推算出同等规模地震的复发周期。
在汶川地震涉及的各个断层单元中，有的地方地震复发周期只有一两千年，而有的地方却可能数倍于此。由于多个断层单元的相互作用才促发了汶川大地震，总的来说，这一地区再发生类似地震的周期约为4000年。
沈正康总结说，这项研究较清晰地揭示了汶川地震的内部断层地质结构和破裂空间分布，提出了破裂分布规律及可能成因，并对该地区地震风险进行了初步分析。
⑵探索东日本大地震发生断层区域的地质结构。[12]2016年3月2日，美国加利福尼亚斯克里普斯海洋研究所丹·巴塞特领导的研究团队，在《自然》杂志上发表的一篇地球科学论文，对2011年3月东日本大地震发生断层破裂的地质结构进行了详细研究，阐明了该地区和其他潜在地区的地震特征。
2011年的东日本大地震是过去十年中最广为人知的自然灾害之一，也是过去50年中第二强的地震，矩震级超过9级。虽然有描述地震发生时与断层运动有关的能量突然释放的高分辨率数据，但导致断层破裂的物理或结构特征，此前并不清楚。
此次，该研究团队使用地貌和重力数据，对地震区域的地质结构进行分析。他们重点研究俯冲带上方的地质边缘，在此处，太平洋板块俯冲到日本本州岛下面。研究团队的数据揭示，这个上冲断层中存在着一个突变边界，研究人员分析认为这是日本中央构造线在海上的延伸。中央构造线在陆地上可以被观测到，表现为不同来源和密度的岩石并列出现。
研究人员提出，这个上冲断层的地址结构，在控制地震发生中起到重要作用。他们表示，这些研究结果，可以用于了解有着类似地质组成的世界其他地区的地震风险。
（二）研究地震发生破裂现象的新信息
1．探索地震破裂发展及速度的新进展
⑴揭示最大深源地震的破裂发展过程。[13]2013年9月19日，美国加州大学圣克鲁斯分校中国在读博士生叶玲玲及其美国同事组成的研究小组，在《科学》杂志上发表研究报告称，2013年5月24日，邻近俄罗斯的鄂霍次克海发生震源深度为610公里的8.3级强震。他们研究表明，这一深源地震释放出大约36兆吨TNT炸药爆炸的能量，相当于约2300个广岛原子弹爆炸的威力，创下震级和能量释放最高纪录。
研究人员表示，他们利用全球数百个地震台站记录的数据，分析了鄂霍次克海深源地震，发现该地震释放出了有记录以来空前强大的能量。
分析结果显示，此次鄂霍次克海地震的破裂速度约为每秒4公里，在长约180公里、宽约50公里的断层面（即岩石之间的破裂面）上发生了平均约2米的滑动，最大滑动位移达10米左右。叶玲玲说：“这是目前观测到的破裂最长的深源地震。”
深源地震是指发生在地表以下400公里到700公里的地震，一般发生在俯冲板块内。地球上有记录以来的最深地震发生在地下约700公里处。由于震源较深，这类地震对地表产生的危害较小，其地震发生机制及地震破裂发展过程至今仍是未解之谜。
研究人员通过对比发现，此次鄂霍次克海深源地震，与1994年玻利维亚深震在破裂速度、能量和应力释放等方面存在显著不同，可能是由它们所对应的俯冲板块的年龄和温度不同所致。俯冲到鄂霍次克海下方的太平洋板块较冷，而玻利维亚地震所对应的俯冲板块温度较高，产生了较多的黏性变形并耗散了更多能量。
研究人员还猜测，鄂霍次克海地震可能发生在已存在的断层面上。这一断层曾发生浅层地震，之后该断层随着俯冲的太平洋板块以每年大约8厘米的速度，从千岛群岛－堪察加海沟下插到了鄂霍次克海下方。
叶玲玲说，尽管他们不清楚这场地震是如何开始的，但发生深源地震的俯冲板块内应力分布情况，可能与造成巨大灾害的浅源地震有密切联系，对深源地震的研究有助于深入理解地震发生和进一步发展的条件。
⑵首次发现破裂速度超快的深源地震。[14]2014年7月，美国斯克里普斯海洋研究所博士后詹中文率领的一个研究小组，在《科学》杂志上发表论文称，他们第一次在地球深部发现了破裂速度超快的地震，其破裂速度高达每秒8公里，约是音速的23倍。这一发现，将有助于了解深源地震的发生机制，并更好地评估某些断层的危害。
詹中文说，一般地震的破裂速度，都不会超过岩石的剪切波(又称横波)的传播速度，就像飞机飞行速度很难超过声波速度一样。但正如有超音速的飞机，也有极少的地震破裂速度超过剪切波波速，这些地震被称为超剪切地震。
詹中文说：“在我们之前，大概仅有6或7个地震被发现可能有超剪切的现象，但这些地震全部都是浅源地震，而我们这次观测到的是一个深度超过600公里的超剪切深源地震。”
据研究人员介绍，2013年5月24日，邻近俄罗斯的鄂霍次克海发生震源深度为610公里的8.3级强震，这也是迄今观测到的震级最大的深源地震。他们在分析该地震的余震时，发现了一个奇怪的6.7级的余震。一般6.7级震级的地震会持续8秒左右，而这个余震的持续时间只有2秒。
进一步研究表明，该余震持续时间超短，唯一的解释是它的破裂速度超快。詹中文说：“我们发现，破裂速度必须高达每秒8公里才能解释我们的观测结果，而这已经超过了地震所在地每秒5.5公里的剪切波速度。”
他说，超剪切现象受到学术界高度关注，因为超剪切地震一旦发生，将会产生很强的震动，如果在地表附近发生就有可能产生更强的破坏。这是第一次在地球深部发现超剪切现象，这有助于加深对超剪切产生机制的理解，也有可能帮助更准确地评估某些断层存在的危害。
此外，这一发现，对了解深源地震的发生机制也很重要。詹中文指出，深震是指震源超过300公里深的地震。以前曾观测到破裂速度非常慢，如每秒1.5公里的深震。他说：“这次我们观察到了另外一个极端的深震，充分说明了深震的复杂性。我们认为深震可能有不止一种的破裂机制。根据所在地区、深度的岩石性质不同(比如温度)，不同的机制可能在控制深震的发生”。
2．研究用于揭示地震破裂模式的新方法
用机器学习方法揭示全球中大地震破裂模式。[15]2022年4月，中国科学技术大学李泽峰研究员率领的研究团队，在《地球物理研究快报》上发表研究成果称，他们利用机器学习方法，总结全球3000多个5.5级以上地震的震源时间函数特征，全景式地展示全球地震破裂过程的相似性和多样性，深化了对地震能量释放模式的认识，对地震早期预警具有启示意义。
地震是人类社会面临的重要自然灾害之一，近20年来全球中大地震已经造成近100万人伤亡，经济损失不计其数。地震破裂过程多种多样，客观衡量它们的相似性和差异性，有助于认识地震物理过程和地震震级的早期预测。然而，前人研究或是叠加多个地震的平均破裂过程，无法衡量全球地震差异范围，或是基于某些破裂特征的统计，无法做到整个破裂过程的系统比较。
该研究团队利用深度学习中的变分自编码器，对全球3000多个中大型地震的震源时间函数进行二维空间压缩和模型重构，全景式地展示了全球地震矩释放模式和数量分布。研究发现，中大地震以简单破裂为主，复杂破裂较少，并且揭示了两类特殊地震的分布规律，即能量释放集中在破裂后期的逃逸模式，以及分多次能量释放的复杂地震，发现能量释放模式具有弱震级依赖性，对地震早期预警中最终震级的可预测性提供了有益启示。
这项研究成果，是继该团队与哈佛大学合作研究的震源时间函数聚类方法的发展，也是团队近年来致力于将人工智能应用于科学发现系列研究成果之一。
