1 引言
您是否想過這些問題：

（1）決定一個(gè)地震是大地震還是小地震的控制因素是什么？

（2）大地震與小地震最本質(zhì)的區(qū)別在哪？
（3）斷層某處一旦開始破裂，后續(xù)破裂能持續(xù)多久、破裂多遠(yuǎn)，是否可以提前預(yù)知？

（4）僅看地震記錄的起始波形，我們能否區(qū)分大地震與小地震？這對地震預(yù)警至關(guān)重要。

這些樸素的問題不僅是公眾非常關(guān)注的，也是地震學(xué)研究者一直在探索的問題。

全球6級以上地震分布（1900-2017年）

從上圖可以明顯看出，對于6級以上的地震，地震震級越大，數(shù)量越少。

一般地，全球每年大概發(fā)生：

數(shù)百個(gè)6級以上地震；
數(shù)十個(gè)7級以上地震；
個(gè)位數(shù)8級以上地震。
這一規(guī)律對于更小震級的地震是否成立呢？

回答是：YES!

那么，為什么地震越小，數(shù)量會(huì)越多？

換言之，為什么大部分地震都是小地震？

實(shí)際上，地球每時(shí)每刻都在發(fā)生地震，只是絕大多數(shù)我們感受不到，也對我們沒有影響。

您可能會(huì)講，小地震破裂區(qū)域小，大地震破裂區(qū)域很大，這就是區(qū)別。

這樣講沒有錯(cuò)，但僅僅是現(xiàn)象上的描述，沒有涉及物理過程。

您可能也會(huì)說，大地震，“舞臺(tái)”（發(fā)生破裂的斷層）足夠大，足夠長！

這樣也沒錯(cuò)，但這些地方也會(huì)發(fā)生很多小地震！比如汶川地震后發(fā)生的大量余震，都在龍門山斷裂帶（提供了足夠大的舞臺(tái)）。

(Zhang P Z et al., 2010)

哦，對了，您再說，驅(qū)動(dòng)大地震的力量大，小地震的力量小。
這樣講，似乎看上去挺合理。

但有沒有想過，在大地震前，大多數(shù)時(shí)候也會(huì)發(fā)生一些小地震。

這些小地震位置與大地震起始破裂位置非常接近，

這說明其驅(qū)動(dòng)力應(yīng)該差不了多少，那為什么這些地震是小地震呢？
那答案到底是什么？

2 地震出身論

實(shí)話來講，絕對合理的答案目前仍在探索當(dāng)中，是學(xué)界研究的重難點(diǎn)問題。
但近年來有一些令人欣喜的進(jìn)展：
地震是講“出身”的！

小地震在其開始破裂時(shí)就已經(jīng)確定了其為小地震，不可能為大地震；
大地震要復(fù)雜一些：在其開始破裂時(shí)，就已經(jīng)確定其非常有潛力發(fā)展為大地震，但最終能否真正成為大地震，還得看外界條件是否支持。
換言之，小地震是內(nèi)因控制，大地震是內(nèi)因與外因共同控制。
這樣說的依據(jù)何在？
這是前人（Xu, Zhang, and Chen, 2015）利用半解析的邊界積分方程方法，通過大量數(shù)值模擬得到的新發(fā)現(xiàn)。

注：半解析意味著精度非常高，解析就是有明確的數(shù)學(xué)公式，比如高中物理里面的公式。由于求解地震破裂動(dòng)力學(xué)問題涉及數(shù)值積分，所以為半解析。

具體地，前人研究表明，地震破裂前，準(zhǔn)備破裂區(qū)域（成核區(qū)域）大小、斷層應(yīng)力水平、斷層本身的斷裂力學(xué)屬性（如破裂能的空間分布），決定著其后續(xù)破裂能否持續(xù)。
若不能持續(xù)（自停止破裂），就對應(yīng)大部分中小地震；
若能持續(xù)（失控破裂），那就可能是大地震。

注意下圖：顏色代表破裂速度，取對數(shù)；N代表破裂時(shí)間。

有顏色區(qū)域發(fā)生了破裂，藍(lán)色背景區(qū)域未發(fā)生破裂。

（1）對應(yīng)小地震情形：

可以看出：隨著時(shí)間的推進(jìn)，破裂自發(fā)停止了（徐建寬，2015）。

（2）對應(yīng)中等地震情形：

可以看出：隨著時(shí)間的推進(jìn)，破裂自發(fā)停止了，但破裂區(qū)域更大（徐建寬，2015）。

（3）對應(yīng)大地震情形：

可以看出：隨著時(shí)間的推進(jìn)，破裂區(qū)域越來越大（徐建寬，2015）。

（4）對應(yīng)大地震且出現(xiàn)超剪切情形：

破裂前緣出現(xiàn)“耳朵”，這是超剪切的標(biāo)志（徐建寬，2015）。

所謂超剪切，就是破裂速度比S波(剪切波)速度還要大，這通常會(huì)激發(fā)出非常強(qiáng)的地面震動(dòng)，破壞力驚人。

類似超音速飛機(jī)，會(huì)產(chǎn)生馬赫錐：

超剪切破裂也會(huì)在地表激發(fā)這樣的強(qiáng)地面震動(dòng)，也就是地面晃得更厲害：

你可能會(huì)講，在上述大地震情形，破裂不是沒有停下來嗎?

這是因?yàn)榇颂幠Ｐ蜑楹唵纹矫鏀鄬?，沒有能阻止破裂的障礙體。

但在自然界中，處處都有障礙體，如復(fù)雜的斷層幾何、應(yīng)力分布的不均性等，這也是地震不可能無限大的一個(gè)原因。

同樣，在歷史地震調(diào)查中，我們能發(fā)現(xiàn)地震破裂的分段性，也是這個(gè)道理。

到目前為止，新的發(fā)現(xiàn)看上去非常漂亮，那有無一張總結(jié)各種破裂狀態(tài)的圖呢？

3 地震破裂相圖

有的，前人在參數(shù)空間里面做了大量的數(shù)值模擬，總結(jié)得到了地震破裂相圖。

2006年版

張海明，2006，博后出站報(bào)告，北京大學(xué)

2014年版

（徐建寬&陳曉非，2014）

上圖中，橫縱坐標(biāo)都是無量綱的參數(shù)。

橫坐標(biāo)表征成核尺度、臨界滑動(dòng)弱化距離等參數(shù)組合，縱坐標(biāo)表征斷層應(yīng)力水平。

破裂相圖中，每個(gè)點(diǎn)都代表一種破裂狀態(tài)。

對任何一個(gè)地震，由成核時(shí)初始條件，就能計(jì)算其位于相圖中的位置：

（1）若其位置在綠色區(qū)域，代表其破裂擴(kuò)展在不受外界因素影響時(shí)，能自發(fā)地停止，因此前人命名為自停止破裂。
（2）若其位置處于黃色區(qū)域，代表其破裂擴(kuò)展需要外界因素阻止才能停止；并且，其破裂速度始終小于剪切波速度；

（3）若其位置位于紫色區(qū)域，代表其破裂擴(kuò)展需要外界因素阻止才能停止；并且，其破裂速度會(huì)逐漸超過剪切波速度，成為超剪切破裂。

特別地，若為純逆沖破裂（斷裂力學(xué)中的三型裂紋），則其破裂速度永遠(yuǎn)小于S波速度。

換言之，地震破裂相圖認(rèn)為：任何一個(gè)地震，成核時(shí)的初始條件，決定著后續(xù)破裂過程。

所謂成核，可簡單理解為：破裂前，各種準(zhǔn)備工作的統(tǒng)稱。

從能量角度講，自停止破裂的本質(zhì)是成核時(shí)初始能量不夠強(qiáng)，而失控破裂是其成核時(shí)能量已足夠強(qiáng)。

為了說明地震破裂相圖的精度，在各破裂狀態(tài)邊界，當(dāng)無量綱參數(shù)的差異在第三位小數(shù)時(shí)，都能由地震破裂相圖準(zhǔn)確預(yù)測其完全不同的破裂狀態(tài)。

高精度的地震破裂相圖，自（陳曉非院士slides，2013）

此理論看上去非常漂亮，有觀測支持嗎？

別著急，還真有。

4觀測證據(jù)

前人研究表明，對不同震級的地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)特別有趣的現(xiàn)象（如下圖所示）：存在一個(gè)震級上限，在此震級下，地震數(shù)量與震級符合標(biāo)準(zhǔn)的GR關(guān)系；但在此震級上，就會(huì)出現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)GR關(guān)系的大地震個(gè)例，前人稱為特征地震。

為什么會(huì)這樣？

從地震破裂相圖角度可以這樣解釋：

若小于震級上限的地震對應(yīng)為自停止破裂，自然地，其震級應(yīng)該是連續(xù)變化的。

若大于震級上限的地震對應(yīng)于失控破裂，其最終震級由外界因素何時(shí)將其破裂擴(kuò)展中止而決定，因此其震級是不連續(xù)的。

simple andelegant!

對于大地震，復(fù)雜斷層幾何是控制破裂擴(kuò)展重要的外界因素之一。

前面講了，自停止破裂可能存在震級上限。

那么，其上限值是多少呢？

前人通過大量數(shù)值模擬，認(rèn)為上限值為Mw 6.0~6.5（見下圖）。

那么，目前是否觀測到了如此大的自停止地震呢？

YSE！
在地震學(xué)與大地測量的觀測約束下，前人通過大量地震破裂動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，揭示2016年發(fā)生在青海的Mw 5.9門源地震可能就是自停止地震。

第一列為自停止破裂，第二列為失控破裂；第三列前兩行為自停止破裂的觀測（黑線）與模擬（彩線）；后兩行為失控破裂的觀測與模擬（Xu et al., 2023）。

從上圖可以看出，只有當(dāng)破裂為自停止破裂時(shí)，其觀測（黑線）與模擬（彩線），無論在時(shí)間域(e)還是頻率域(f)，都較接近。而失控破裂，區(qū)別較大。

那么，對于斷層幾何控制大地震破裂擴(kuò)展，有沒有觀測呢？

有的。

同樣也在青海門源，2022年發(fā)生的Mw 6.6 門源地震就是這樣一個(gè)典型的案例(如下圖所示)。

2022年門源地震破裂動(dòng)力學(xué)過程模擬（Xu et al., 2024）

從上圖可以清楚的看出，其破裂擴(kuò)展如何被斷層的彎折所減速并最終中止。

注意：這兩個(gè)地震雖然都發(fā)生在門源，但其發(fā)震斷層是完全不同的：

2016年地震發(fā)生在海原斷裂的次級斷裂，為逆沖破裂；

而2022年地震主要發(fā)生在海原斷裂的冷龍嶺斷裂段，為走滑破裂。

因此，其構(gòu)造背景完全不同，其成核初始狀態(tài)也不同，破裂狀態(tài)也不同。

這兩個(gè)地震在破裂相圖中的位置總結(jié)：

在破裂相圖中，這兩個(gè)地震的位置（Xu et al., 2024）

最后，您可能還有一個(gè)問題：

破裂相圖右邊，為什么存在一個(gè)很陡的突變？

您物理直覺真好！
前人通過大量觀測與數(shù)值模擬研究表明，地震破裂相圖突變后的區(qū)域可能對應(yīng)著一類特殊的地震，這類地震叫慢地震。

此類地震最大特點(diǎn)為：破裂起始非常微弱，破裂擴(kuò)展自然停止。

（wei et al., 2021）

5 總結(jié)

地震可能也講“出身”！

小地震“生下來”就是小地震，大地震除了“基因”好，還需要良好的外界條件支持。

地震破裂相圖重要意義在于其從震源物理角度，給我們提供了一幅關(guān)于地震破裂簡單且清晰的物理圖像。

這為認(rèn)識(shí)地震破裂動(dòng)力學(xué)過程的提供了一個(gè)新視角，為理解小地震、中強(qiáng)震、大地震與低頻地震等看上去完全不同的地震現(xiàn)象提供了一個(gè)統(tǒng)一的理論框架，給出了其動(dòng)力學(xué)機(jī)制內(nèi)在的聯(lián)系與區(qū)別。

參考文獻(xiàn)：

張海明. 復(fù)雜斷層系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)破裂的理論研究和地表影響下的超剪切破裂問題的初步研究 [D]. 北京: 北京大學(xué), 博后出站報(bào)告，2006

XU J, ZHANG H, CHEN X. Rupture phase diagrams for a planar fault in 3-D full-space andhalf-space[J]. Geophysical Journal International, 2015, 202(3): 2194-2206.

徐建寬. 自由地表作用下的超剪切破裂及強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)研究[D]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 博士學(xué)位論文，2014

徐杜遠(yuǎn).基于觀測約束的強(qiáng)震破裂動(dòng)力學(xué)研究 [D].深圳：南方科技大學(xué)，博士學(xué)位論文，2024
Xu, D., Gong, W., Zhang, Z., Xu, J., Yu, H., & Chen, X. (2023). The 2016 Menyuan earthquake: The largest self‐arrested crustal earthquake ever observed.Geophysical Research Letters,50(11), e2023GL103556.

Xu, D., Li, Z., Zhang, Z., Yu, H., Xu, J., Yang, Z., & Chen, X. (2024). The 2022 Mw 6.6 Menyuan earthquake: An early-terminated runaway rupture by the complex fault geometry.Earth and Planetary Science Letters,638, 118746.

WEI X, XU J, LIU Y, et al. The slow self-arresting nature of low-frequency earthquakes[J].Nature communications, 2021, 12(1): 5464.