期刊：SCIENCE

中文题目：停止相位揭示大型走滑地震的突然终止

英文题目：Stopping phase reveals abrupt arrest of large strike-slip earthquakes

作者：Jesse Kearse, Yoshihiro Kaneko

发表日期：2026年4月24日

摘要：地震震级受控于破裂传播停止的位置和时间。然而，在天然地震的近场地震记录中，破裂停止现象很少被直接观测到。该研究展示了大型走滑地震中地面运动停止相位的系统性近场观测结果。对全球12次地震事件的分析表明，断层平行方向地表位移的瞬时过冲，是破裂传播突然终止的一个特征。动态破裂模拟显示，浅层低速岩石会强烈放大近场地表运动，从而增强地表记录的位移过冲幅度。远离已知破裂终止点的近断层位置出现停止相位，表明大型走滑地震以分段方式破裂，断层内部段边界处发生动态破裂传播的突然停止与重新启动。

研究意义

理解地震破裂如何传播并最终停止，是地震学中的一项重大挑战。古地震和地质数据表明，走滑断层系统(例如圣安地列斯断层)由一系列不连续的结构段组成，这些段可能在中等强度的事件中独立破裂，也可能在跨越数百公里的大型地震破裂中动态连接。破裂究竟是局限于单个断层段，还是发展为跨越多段的大震级事件，最终取决于破裂在传播至段边界之前是否会停止。

尽管破裂停止在控制地震大小方面起着根本性作用，但其地震学标志——即“停止相位”，一种携带与断层滑动方向相反极性的动态应力的体波——在大型地震中很少被观测到，这导致控制破裂终止的物理过程在很大程度上无法被直接观测。停止相位最早在实验室断裂实验中被识别出来，随后被用于推断远震和小地震的震源性质。

如果天然地震中产生了这些相位，它们应在地震近场地表运动中最为明显，然而这样的观测极为罕见，数据稀缺。该研究报告了大型走滑地震中停止相位的明确证据。通过对12次地表破裂事件的近场观测（附表S1），在破裂终止点附近记录的地面运动中识别出了系统的停止相位特征，并通过动态破裂模拟重现了这些特征。这些结果提供了直接的地震学证据，表明大型地震是突然停止的，而非逐渐减速。进一步表明了大型走滑破裂以分段方式传播，跨越多个断层段的级联破裂过程，被内部段边界处的瞬态停止打断。

过冲在破裂终止点附近的空间局域性表明波形反转与破裂传播的停止之间的关联

该研究分析了来自12次大型走滑地震的近场地震和大地测量数据(图1)。其中五次仪器布设良好、沿断层走向分布有多个近断层台站的事件，这些事件跨越了不同的构造环境，因此能够区分断层中部产生的地面运动与地震两端破裂停止时辐射出的地面运动(图2)。这些事件的数据集包含24条近场记录，包括强震动加速度和1-10 Hz的GNSS位移波形，平均离断层距离为3km。

近场位移波形在破裂中部与破裂终止区域附近表现出系统性差异。在震中附近及断层破裂中部记录的波形，呈现阶梯状的断层平行位移包络线，且动态过冲值较低(η ≤ 0.15)(图2; 台站IZT、H16、KEKS、EKZ1和 143)。反映了附近断层面上的滑动累积，与先前有关走滑断层近场质点运动的运动学及动力学模型结果一致。相比之下，在破裂传播终止的断层端部附近记录的波形，则显示出较大的动态过冲(η = 0.2−0.5)，表现为断层平行位移中一个显著而瞬时的峰值(图2; 台站 ARC、011、CMBL、4612和141)。

图2 五次大型走滑地震的静态与动态位移分布

破裂传播与停止的动力学模型

大型走滑地震近场地表运动的系统性模式表明，断层平行方向位移的动态过冲与破裂停止有关。为验证这一理论，该研究针对一条长45km、宽15km的垂直右旋走滑断层进行了动态破裂模拟，生成了矩震级Mw 6.9的合成地震(图3A)。破裂在7.5km深度成核，双向传播，最终在断层末端的强度屏障处停止，这代表了突然的破裂终止。

图3 停止相地面运动的动态破裂模型

具有均匀弹性属性和均匀初始应力条件的模拟，未能重现观测到的近场位移过冲。在这些模型中，无论是在断层中心附近还是在破裂终止点附近，断层平行的地面运动均呈现阶梯状的位移包络线，没有明显的过冲(图3D)。这种行为与天然地震的观测结果形成对比。引入随深度变化的地震波速度结构显著改变了模拟的地面运动。采用近地表波速较低且随深度增加而增大的模型时，断层平行位移产生了明显的沿走向变化(图3)。在破裂终止点附近，这些模拟产生了较大的动态过冲(图3A; 台站S3)，而离断层端部较远的位置则表现出阶梯状的位移曲线(图3A; 台站S1)。

模拟中产生的过冲源于突然破裂终止时辐射出的停止相位。当破裂遇到尖锐的强度屏障时，会产生一个沿断层回传的停止相位，导致滑动迅速减速(图3A)。由于破裂前沿是弯曲的，断层较深部分首先到达屏障，破裂停止过程在大约2s的持续时间内向上发展。在此期间，随着终止位置沿屏障边缘垂直迁移，停止相位被连续产生。当这种波穿过低速介质向地表自由面传播, 其振幅增大。到达地表后，停止相位产生与断层滑动极性相反的瞬态断层平行地表速度(0.5 m/s)，从而导致破裂终止点附近的位移过冲(图3A; 台站S3)。我们通过测试非线性屏障几何形态，验证了模型中过冲的空间模式和幅度并未受到线性边缘屏障假设的显著影响。

尽管在均匀介质模型中也会产生停止相位，但它们在自由表面的位移幅度并未导致过冲(图3D)。这一结果表明，浅部的低速波速材料对于将停止相位的地面运动放大到近场位移记录可检测的幅度至关重要。为了区分突然的破裂终止与逐渐的破裂终止，研究还模拟了破裂向断层末端逐渐减速的情景(图3B)。在这些模型中，尖锐的强度屏障被在有限距离内初始剪应力的平滑减小所取代(图3B)。在此条件下，停止相位的幅度受到抑制，断层平行位移波形缺乏明显的过冲(图3D)，这与近场观测结果形成对比(图3C)。另一项包含分段断层和阶区几何形态的模拟证实，内部段边界处的瞬态破裂停止所产生的停止相位特征，与单断层突然终止模型中产生的特征相似。

大型走滑地震的突然停止

研究结果表明，大型走滑地震的突然终止会在近场断层平行方向的地表位移中产生明显的过冲。这一特征在过去许多地震中未被发现，可能是因为近断层地震仪器的布设稀疏，限制了对破裂停止的系统性观测。在近年来几次仪器记录良好的地震中，这一特征的一致出现，凸显了现代地震台网以高分辨率解析破裂动力学的能力在不断增强。另外七次事件的近断层记录可能也反映了相同的潜在过程(图1)。

动态破裂模拟阐明了位移过冲能够发生的条件，即断层上某一点的滑动在破裂前沿经过后仍持续很长时间。然而在以脉冲型破裂行为为主的模拟中也会出现较大的过冲，这种脉冲型破裂的特征是持续时间较短的自愈合滑动脉冲。在这些模拟中，破裂前沿之后的断层快速再强化，产生了一个紧随传播破裂之后的反向断层平行运动相位，从而沿断层大部分长度产生了明显的过冲。这种行为与观测结果不同，因为1999年Mw 7.4伊兹米特地震、2016年Mw 7.0熊本地震和2023年Mw 7.7埃尔比斯坦地震的近震中台站均显示出较低的η值(图2)，这与裂纹型破裂行为更为一致。无论天然地震更倾向于以裂纹型还是脉冲型模式破裂，都需要一个停止机制来解释在破裂终止点附近观测到的η值显著增加。

研究结果提供了近场地震学证据，表明大型走滑地震是突然终止的，与长期存在的理论模型(预测破裂停止时会辐射停止相位)一致。破裂传播的突然终止是解释观测到的全球震源谱高频衰减(ω²)的有效机制。另一方面，通过破裂逐渐减速而终止的地震不会产生近场停止相位(图3B)，且缺乏高频能量，表明逐渐停止不太可能是大型地震破裂的常见方式。大型走滑地震的停止相位特征，在远离已知破裂终止点的近断层位置也能观测到。2023年Mw 7.8帕扎尔哲克地震提供了一个案例：沿着100km长的阿马诺斯段，多个台站在局部断层弯曲和阶区附近记录到了停止相位。研究结果表明，这些观测记录了在结构屏障处发生的瞬态破裂停止，与阿马诺斯段弯曲处破裂传播延迟以及局部滑动幅度减小的动力学模拟结果一致。

全球范围内走滑断层段边界附近普遍存在停止相位，这表明破裂传播的内部屏障是常见的(图1)。这意味着在一次事件中，走滑断层的破裂以分段方式沿走向传播，在内部段边界处发生多次破裂停止的幕式事件(图4)。尽管此类破裂传播的不连续性已从地表变形模式中推断出来，本文所展示的结果为这一过程提供了直接的原位地震学证据。

图 4 段化走滑破裂的动力学概念模型

这些发现对近断层地面运动灾害也具有重要影响。工程地面运动模型通常使用单侧脉冲(称为“突跳步阶”)来表征永久性的断层平行位移。结果表明，这种位移常常伴随有一个停止相位，产生瞬态的反向断层平行运动。这种大幅值的位移脉冲对城市环境中的隔震结构和其他长周期结构尤其具有破坏性。停止相位特征是一种普遍的地震震源效应，在评估大型走滑地震破裂端点及内部断层段边界附近的近场地面运动危险性时，应明确加以考虑。

对开展工作的启示

论文证实大型走滑地震并非一次性贯通全断层，而是多个分段逐级级联，每经过一个段边界可能发生瞬态停止与再启动。

· 段边界的“停止重启”行为限制了单次事件的破裂长度，从而约束了该断层系统的最大可能震级。

· 对于震级评估而言，不应简单假设整个断层带一次断裂，而应通过古地震与历史地震记录识别哪些段边界具有终止停止相位的物理特征（如弯曲、阶区），并据此设定分段最大震级。

论文地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef3733

DOI: 10.1126/science.aef3733

声明：以上中文翻译为本人对文章的概略理解，论文传递的准确信息和专业名词译注请参照英文原文。

撰稿：胡秀

初审：任杰

复审：杜军

终审：鲁鹏