地空学院研究团队揭示2023年土耳其大双震的超剪切触发和级联破裂过程

大地震，以猝不及防的突发性和破城绝地的毁灭性成为地球上最严重的自然灾害之一。其破裂是一个尤为复杂的物理过程，涉及断层滑动、应力释放和地震波传播等物理过程。一个地震的破裂从初始破裂点（震源）发展成为具有灾难性破坏强度的大震，这一过程受很多因素控制。譬如，在一个复杂断层系统中，一个小分枝断层的破裂所产生的动态应力扰动可以触发相邻主断层的级联破裂，从而造成整个断层系统的破裂，形成超大规模的地震。因此，认识大地震破裂的过程和确定造成整个断层系统破裂的触发机制是理解大地震发生的重点和难点。

2023年2月6日，当地时间4时17分34秒土耳其及叙利亚边境发生了震级7.8级的强震，9小时之后在第一次强震以北约100公里又发生了7.6级强震。该土耳其大双震造成两个国家约5万人死亡、10万人受伤以及约1000亿美元的经济损失，是当代地震学记录到最大的大陆走滑地震以及双震序列，其破裂过程成为全球地震学界关注的焦点。北京大学地球与空间科学学院联合国内外七家单位的科研人员，通过综合分析本次土耳其大双震期间的地震波、卫星定位系统（GPS）和合成孔径雷达（SAR）观测等多种数据，重建了该地震破裂时空演化的详细图像，包括发震断层三维模型、不同断层分段的破裂时间和速度、断层面上的滑动位移分布、以及同震动态应力状态和触发过程。

研究结果表明在第一个强震的破裂过程中，初始破裂发生在主断层南侧的一条分枝断层上。通过近断层地震仪拾取的波形分析，识别了初始破裂的速度为超剪切（破裂传播速度约4.2km/s，超过约为3.6km/s的介质剪切波波速）。与一般破裂动力学假设的在分枝交接点触发的模型不同，超剪切产生的马赫波率先到达主断层，并在分枝交接处以西约10公里的位置动态触发了主断层上的破裂。随后破裂沿主断层双侧以亚剪切速度传播，其东北向破裂经过分枝交接点后转变为超剪切破裂（速度约4.0km/s）；而西南向破裂传播的平均速度为亚剪切（2.0~3.2km/s）。第二个强震的破裂过程也不均一，破裂在断层中间部位开始，向西和向东分别以超剪切和亚剪切的破裂传播。相对于亚剪切破裂，超剪切破裂产生的马赫波没有空间几何衰减，因此能量可以被传到距离断层更远的位置，破坏力更强（下图）。模拟显示，相对于所有破裂段都是亚剪切的情形，超剪切破裂的发生让本次地震六度以上的烈度分布范围扩大了20%。通过研究主断层的动态触发过程发现超剪切破裂段的原有应力水平比亚剪切段高出近1倍，更接近破裂临界点，与观测到的超剪切现象相互印证。本工作所报道的特殊破裂过程及触发关系为大地震发震机理研究、大地震发生的级联破裂过程与机制、以及抗震减灾工程提供了重要参考。

 2023土耳其大双震的观测系统和获得的断层模型示意图。（上图）本研究所利用的土耳其双震期间的不同类型观测。红色斑马线标出了两个地震的主要破裂范围，图中给出了GPS， 强地面运动（Strong Motion）以及合成孔径雷达（SAR）数据。（下图）三维断层破裂模型及产生的地表振动。断层面上的滑动位移大小以及运动学破裂过程在断层面上标出。第一次主震主断层初始破裂点（Pnt I）以及分枝连接点（Pnt J） 分别标出。地表颜色为模拟地表峰值加速度。右下角展示框图展示了分枝与主断层交接附近的破裂运动学特征

该成果于2024年1月19日在国际学术期刊《科学》(Science)上发表，题为“Super-shear triggering and cascading fault ruptures of the 2023 Kahramanmaraş, Türkiye earthquake doublet”。此项工作是团队合作的产物，由北京大学地球与空间科学学院牵头，合作单位有土耳其伊斯坦布尔技术大学地球物理工程系、南方科技大学地球与空间科学学院、北京大学地球与空间科学学院深地实验室、美国加州大学洛杉矶分校地球行星和空间科学系、武汉大学GNSS研究中心、土耳其科贾埃利大学地球物理工程系，以及加州大学河滨分校地球与行星科学系。北京大学博士研究生任春美和王泽鑫为文章的共同第一作者，岳汉副教授和宋晓东讲席教授为文章的通讯作者。该研究受到科技部重点专项和自然科学基金的资助。

团队合影。作者姓名按从左到右的顺序如下。第一排：沈正康、岳汉（通讯作者）、徐皓宇、罗恒、王泽鑫（共同第一作者）、任春美（共同第一作者）、胡楠、赵泽严、宋晓东（通讯作者）、TuncayTaymaz。第二排：T. Serkan Irmak、耿江辉、李震、曹博男、徐航、丁鸿扬、周一剑、盖增喜、王腾、张伟、CeyhunErman

参考文献：

C.M.Ren, Z.X. Wang, T. Taymaz, N. Hu, H. Luo, Z.Y. Zhao, H. Yue, X.D. Song, Z.K. Shen, H.Y. Xu, J.H. Geng, W. Zhang, T. Wang, Z.X. Ge, T. S. Irmak, C. Erman, Y.J. Zhou, Z. Li, H. Xu, B.N. Cao, and H.Y. Ding. Super-shear triggering and cascading fault ruptures of the 2023 Kahramanmaraş, Türkiye earthquake doublet. Science, January 19, 2024.