近日，南方科技大学地球与空间科学系陈克杰团队及其合作者在Nature Communications 发表题为Super-shear ruptures steered by pre-stress heterogeneities during the 2023 Kahramanmaraş earthquake doublet的研究论文，剖析了2023年土耳其M7.8级和M7.5级双震破裂过程与预应力关系，为理解复杂几何形态断层上的破坏性大震致灾机理提供了新视角。

作为地中海地区最活跃的走滑断层之一，东安纳托利亚断层（East Anatolian Fault, EAF）在历史上大震频发。众所周知，EAF几何形态复杂，包含弯曲、阶跃和次级平行断层，特别是在土耳其南部，EAF与阿拉伯和非洲板块以及安纳托利亚地块之间的三重接合处的死海断层（Dead Sea Fault, DSF）相连（见图1）。由于复杂断层不利于破裂传播，该区域历史强震破裂多局限于相对平直的EAF断层部分。然而，遥感影像及野外地质调查显示，2023年2月6日土耳其M7.8和M7.5级双震地表破裂迹线走向异常曲折。特别是M7.8级地震，地表破裂长达320 km，走向弯曲高达44°，且震中位于Nurdagi-Pazarik断层分支断层上，与主EAF断层分开。为何破裂能够越过如此复杂的断层？

图1. 2023年土耳其M7.8和M7.5双震构造背景，红色五角星表示震中位置，黑色线段表示依据地表破裂迹线确定的子断层走向。

地震本质上是地壳内部应力的积累和释放。因此，为回答这一问题，本文重建了土耳其双震破裂时空过程，反演得到了区域预应力，并探讨其对应关系。具体而言，基于地表破裂和合成孔径雷达（SAR）同震观测，本文首先通过完全贝叶斯推断确定了各子断层倾角 （图2）。与目前很多研究认为M7.5级地震为高陡断层不同，本文发现M7.5级地震的端部断层B1、B5和B6倾角仅约55°左右。接着通过对高频GNSS、强震波形和GNSS静态位移联合反演，本文得到了不同断层的滑移分布和破裂速度。其中，M7.8级地震在75秒内释放了~7.78×10²⁰Nm的能量，最大滑移约11米，平均破裂速度在3.0-4.0km/s之间，但所用数据无法确定M7.8级地震是否有超剪切（super-shear）现象。相比之下，M7.5级地震破裂速度能够被观测数据较好地约束，表现出了明确的超剪切破裂，以大约5.0-6.0km/s 的速度在震中两侧各传播了约40公里，这与许多研究认为仅震中西侧发生超剪切破裂不同。值得注意的是，已有研究往往因为位于M7.5级地震震中上方的高频GNSS台站EKZ1数据部分中断而弃之不用，本文则将EKZ1纳入破裂速度约束，这可能是结论有所差别的原因之一。

图2. 基于贝叶斯推断的子断层模型参数，红色虚线标示了每个参数样本的中位数。

进一步地，利用55个历史地震的震源机制解，本文估计了此次双震预应力张量。本文假设滑动方向与剪应力方向平行，这样就获得了沿EAF三个区域的归一化偏应力张量（南部区域覆盖A1-A3段、中部区域覆盖A4、A5和A8段，北部区域包括A6、A7和A9段）。结果显示，沿M7.8级地震破裂的东北至西南方向，主应力呈现约20°的逆时针旋转。因此，即使在M7.8级地震整个320公里长的破裂过程中，断层总体走向发生了约44°的变化，从M7.8破裂东北部区域的近东西走向（A6和A7段）到西南部的近西南走向（A1-A3段），由于沿走向的预应力场旋转，断层面几乎总是最优对齐的。其中，南部区域的断层不稳定性最高，断层的平均值为0.98，在东北部略微降低至0.85。

图3. 预应力张量和不同区域的断层滑动。

M7.5级地震滑移分布相较于M7.8级地震更加集中，应力降更大（约11-21 MPa）。鉴于发震断层Sürgü-Çardak与东安纳托利亚板块边界断层高度倾斜，出现大应力降和超剪破裂超乎预期，这表明Sürgü-Çardak的局部应力场可能与区域预应力场不一致。实际上，本文反演得到的应力张量主应力（图3d）与Sürgü-Çardak的夹角约为60°，两者并不对齐。不过，沿Sürgü-Çardak断层只有6个历史地震，可能不足以稳健地约束应力张量 。基于2014-2019年间的InSAR时间序列和GNSS数据估算的地壳速度场得到的主应变率场显示，从M7.8破裂在EAF（A6、A7和A9段）上的东北区域到Sürgü-Çardak周围区域，主应变率发生了多达30°的旋转 ，大部分Sürgü-Çardak断层（B2至B4段）仅与之相差约34°。在这种应力状态下，M7.5级地震破裂期间的绝大多数断层将处于有利的破裂条件（图3e）。总而言之，在该区域内存在显著的预应力空间异质性（在25公里的距离内旋转30°），但目前尚不清楚什么机制可能导致如此大的应力旋转。

本文结果表明，尽管断层几何形态复杂，但由于受预应力空间方向变化控制，土耳其双震依然发育成为了迄今为止记录到的最大大陆走滑地震以及双震序列。与我国2008年汶川地震类似，土耳其双震导致的人员伤亡和经济损失十分巨大。土耳其双震和2008年汶川地震分别发生在地中海和喜马拉雅典型地震带。本文对大陆走滑地震的研究也可为更好地了解我国青藏高原周边地震活动以及强震孕育提供参考。

陈克杰为论文第一兼通讯作者，南科大是论文第一单位，博士生魏国光为第二作者。合作者还包括加州理工学院博士后Christopher Milliner和教授Jean-Philippe Avouac、南洋理工助理教授Luca Dal Zilio以及北京大学助理教授梁存任。以上研究得到了国家自然科学基金、广东省高精度成像实验室等基金的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51446-y