较为普遍的观点认为，断层凹凸体跟地震的孕育和发生密切相关；很多有关断层活动的观测现象（如断层带的局部强闭锁、重复地震、地震过程的大位错等），也经常用凹凸体的概念来解释。但受限于震源所处地下几到几十公里的深度，野外很难直接观测凹凸体及影响行为；同时受限于强震几十到几千年的复发间隔，野外观测也很难记录到一个完整地震循环。这些观测上的时空局限，给理解凹凸体与地震的关系带来困难，也因此出现一些争议。以俯冲带的海山凹凸体为例，一种观点认为海山会孕育破坏性大地震(Lee et al., 2023；Scholz and Small, 1997)，而相反观点认为，海山更易于产生小震(Wang and Bilek, 2011)。

在实验室开展可控的物理模拟为我们理解野外断层的活动行为及其动力学特征提供了宝贵的视角。中国地震局地质研究所构造物理实验室王丽凤、马胜利研究员协同卓燕群副研究员和刘培洵研究员，与南方科技大学的徐世庆助理教授合作，对大陆地壳典型岩石¾花岗闪长岩的断层摩擦实验结果(Zhuo et al., 2018)进行了详细的分析和数值建模，揭示出凹凸体在地震循环不同阶段起不同的作用：

①在较长的间震期，小震集中发生在凹凸体ASP1(见图1b中断层50 mm附近的凸起几何形貌)的周围，且复发间隔维持在一个相对稳定的水平。②主震前有持续约2秒的成核过程(图1a)，且表现出两个阶段：早期预滑从南向北以准静态形式单向扩展(图1b)；后期预滑出现双向扩展(图1b中从断层~120 mm附近启动的局部预滑)，但往北的扩展受到凹凸体ASP1的阻挡，使得准动态阶段的预滑呈南向扩展(图1c)。凹凸体ASP1对两个阶段的预滑起了障碍体的作用。此外，与间震期局限在凹凸体ASP1附近的准周期小震活动不同，成核期的小震在空间上呈现与预滑一致的北向迁移，并且发生频次随着主震的临近而加快。这表明成核过程中的小震具有前震特征，意味着主震临近。③主震过程表现出凹凸体ASP1及其北部受到闭锁的断层段发生快速滑动，进而引发了断层的整体失稳(图1d)。

上述凹凸体ASP1在地震循环不同阶段的作用，也得到速率-状态摩擦力学本构为基础的数值模拟验证(图1e-g)。此外，数值模拟也揭示出凹凸体ASP2由于靠近断层边缘(加载前缘)而缺乏足够的愈合过程，因而在地震循环的大部分时间保持蠕滑状态。

这一结合实验和数值模拟的研究，对理解野外凹凸体的潜在作用有如下三方面的启示：①几何凹凸体(如海山)在震间阶段既能以局部失稳的形式产生高频次的小震，也可以在其周围形成大范围的滑动影区(slip shadow zone)，从而孕育大地震；②相比平直断层上单调滑动加速的地震成核过程，凹凸体的存在会造成多期次预滑，并伴随前震的迁移。这与2011年M9日本Tohoku-oki地震(Kato et al., 2012)、2014年M8.1智利Iquique地震(Kato and Nakagawa, 2014)和2021年M6.1漾濞地震(Wang et al., 2024)的前震现象类似。③结合小震活动特征在间震期和成核期的差异，以及凹凸体引起的丰富断层活动，将有助于捕捉地震前兆。

该成果发表在近期的Earth and Planetary Science Letters杂志：王丽凤*，徐世庆，卓燕群，刘培洵，马胜利，Unraveling the Roles of Fault Asperities over Earthquake Cycles, Earth Planet. Sci. Lett., 2024, 636, doi: 10.1016/j.epsl.2024.118711。该研究得到国家自然科学基金¾地震科学联合基金、国家重点研发计划和中央级公益性科研院所基本科研业务专项的资助，一并致谢。

图1.半米尺度花岗闪长岩的摩擦实验和相应数值模拟揭示断层凹凸体在震间后期、成核期和主震过程中的作用。(a) 实验观测的断层平均滑动和滑动速率显示，主震(0时刻)前断层滑动出现加速，滑动速率在主震前~2s超过加载速率。(b) 断层滑动的时空分布显示主震前的预滑扩展(白色等值线为0.5 mm滑动等值线)。图左侧灰色点线给出的断层几何形貌表现出两个明显的凹凸体(ASP₁和ASP₂)；红色点代表的小震活动显示，早期的小震集中在凹凸体ASP₁周围而后期则伴随着预滑呈现由南向北的迁移，意味着前震。(c)主震前10毫秒的断层滑动速率显示这个阶段的预滑受ASP₁的阻挡而反向扩展。近水平的白色曲线为声发射记录波形。(d)主震过程的滑动速率显示，震前因凹凸体ASP₁闭锁的断层段在主震过程中发生高速滑动，并且凹凸体的破裂最终导致断层的整体失稳。(e-g) 数值模拟揭示出类似实验观测的断层滑动过程，进一步验证了凹凸体在不同阶段的作用。

参考文献：

Kato, A., Nakagawa, S., 2014. Multiple slow-slip events during a foreshock sequence of the 2014 Iquique, Chile Mw 8.1 earthquake. Geophys. Res. Lett. 41, 5420-5427.

Kato, A., Obara, K., Igarashi, T., Tsuruoka, H., Nakagawa, S., Hirata, N., 2012. Propagation of Slow Slip Leading Up to the 2011 M9.0 Tohoku-Oki Earthquake. Science 335, 705-708.

Lee, S., Choi, E., Scholz, C.H., 2023. Do Subducted Seamounts Act as Weak Asperities? Journal of Geophysical Research: Solid Earth 128, e2023JB027551-e022023JB027551.

Scholz, C.H., Small, C., 1997. The effect of seamount subduction on seismic coupling. Geology 25, 487-490.

Wang, K., Bilek, S.L., 2011. Do subducting seamounts generate or stop large earthquakes? Geology 39, 819-822.

Wang, K., Peng, Z., Liang, S., Luo, J., Zhang, K., He, C., 2024. Migrating Foreshocks Driven by a Slow Slip Event Before the 2021 MW 6.1 Yangbi, China Earthquake. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 129, e2023JB027209.

Zhuo, Y.-Q., Liu, P., Chen, S., Guo, Y., Ma, J., 2018. Laboratory Observations of Tremor-Like Events Generated During Preslip. Geophysical Research Letters 45, 6926-6934.