地震是地球内部应力积累与释放的表现，其发生机制和致灾机理与断层的应力状态和流变学属性（即岩石在应力作用下的变形方式）密切相关。虽然地震破裂主要集中在几厘米宽的断层核区（fault core），但地震破裂会延伸至周围宽度从几米甚至上千米不等的破碎带（damage zone）（Chalumeau et al.,2024）。断层核区与破碎带共同组成断裂带，它不仅是地震破裂的主载体，也在地壳的长期演化中发挥着重要作用（Thakur et al.,2020）。正是断裂带的流变学性质，使这种地震-断层-地壳的耦合得以实现，控制着地壳在地震周期中的变形与恢复行为。因此，深入理解断裂带的流变学特征，不仅有助于揭示板块构造应力的调节与释放机制，也对约束岩石圈强度、理解地球动力学过程及地震灾害机制具有重要意义。
然而，要约束断裂带深部性质，尤其是五公里以下的结构，并非易事。传统方法主要依赖微震震源特性，或追踪地下地震波速度与各向异性随时间的变化。但这些方法各有局限：震源方法往往依赖稀疏且分布不均的重复地震事件，难以提供时空连续观测；而基于背景噪声的监测虽然能实现长期追踪，但深部探测主要依赖长周期面波，其空间敏感范围宽泛且受散射影响，水平和深度分辨率均有限。而要从背景噪声中提取具有更短周期和更高分辨率的体波信号，就需要特定的震源分布和台阵几何，通常实现困难。受限于这些因素，地震周期相关的深部地壳变形在时间与空间上均采样不足，因而难以全面刻画整个地壳在震前、同震与震后的应力和流变学属性演化。这一观测空白长期以来是制约地震学研究的重要瓶颈。
近期，美国麻省理工研究团队及其合作者在《Science》发表一项成果，以2019年美国加州Ridgecrest地震为例，系统约束了断裂带在地震前后数年时间尺度的地壳波速时空变化特征，揭示断裂带在震后存在显著的深浅差异性恢复过程（图1）（Bryan et al.,2025）。这一进展得益于研究团队发展了一种基于远震接收函数约束地壳速度结构时变特征的新方法。研究团队引入“最优传输”算法来追踪非线性时间–振幅信号变化，从而有效剥离震源路径效应与随机地下扰动的影响（图2）（Bryan et al.,2023）。与以往主要依赖背景噪声干涉或局部地震事件的方法不同，新方法不再局限于只能探测浅部（<5公里）的波速时变特征，而是利用远震P波的散射信号，能够在整个地壳尺度上约束波速时变特征且提升垂向分辨率。
图1 美国加州Ridgecrest断裂带的同震地表破裂区域与基于地震台站约束的波速时变特征。地图显示加州Ridgecrest区域的地震台站，圆点颜色表示地震波速的变化，圆点上的线段表示地震各向异性的快轴方向（黑色为震前，彩色为震后变化）。台站CI.WRC2位于主震破裂北端，变化最显著。红色线为本次地震破裂的断层，其余灰色线为美国地质调查局公布的第四纪断层。插图展示研究区在加州与圣安德烈亚斯断层、内华达州边界等的相对位置
图2 Ridgecrest断层附近CI.WRC2台站的接收函数的波形变化。(A) 台站CI.WRC2（位置见图1）在2019年地震前（蓝色）和地震后（红色）的接收函数叠加结果，显示随时间延迟逐渐增大的明显波形差异；(B) 去除了震源效应后，前后对比更加突出，反映震后波形的真实变化；(C) 利用最优传输方法分析不同延迟时间的波形差异，揭示这些变化来自不同深度的波速扰动：早期信号主要反映浅层变化，后期信号则对应更深部及多次波的响应
通过分析震前4年到震后3年的连续接收函数数据，研究揭示了地壳不同深度的差异性恢复特征（图3A、图3B）。在浅部（<10公里）破坏区，地震导致地表破裂和波速下降，反映了岩石的损伤（Brenguier et al.,2008）。但这一损伤在震后数月内即趋于恢复，说明浅层岩石能够通过裂隙愈合、压实以及流体作用实现快速“自我修复”。
相比之下，在10至15公里深度的地壳中，情况截然不同：地震后波速持续下降，并在数年观测期内未见恢复，指示深部地壳可能正在经历一种缓慢、甚至不可逆的损伤过程，反应了黏性和局部脆性的变形行为（Nüchter and Stöckhert,2007）。而在更深部位（>15公里），地震前后几乎未观测到明显变化。
进一步分析还显示，深部异常不仅表现为波速降低，还伴随地震各向异性的旋转（图3C）。震前，该区各向异性方向与主要断层结构一致，而在Ridgecrest地震后，快轴方向发生最高约10°的系统性偏转，并随远离断层逐渐衰减。这种旋转在震后持续存在、未见恢复，与超过10公里深度处的波速持久降低相呼应。作者认为这一现象并非浅层裂隙愈合所能解释，而更可能源于深部的流体驱动半脆性蠕变。在这一过程中，各向异性可能反映了对应力敏感的裂隙和流体产生的各向异性与过去演化形成的矿物晶格取向各向异性（Audet,2015）的叠加效应，因此能够随应力场的重新取向而发生系统旋转（Tong et al.,2021）。
这些结果表明，Ridgecrest地震周期形变过程不仅发生在地壳浅层（<10公里），而且表现在地壳深部（>10公里）。由于上下地壳之间存在几十到上千倍的力学强度差异（Wang and Zhan,2020），因此在长期变形过程中表现出明显的解耦特征：震后浅层能够较快恢复，而中下地壳则可能持续累积损伤。
图3 Ridgecrest地震前后，不同深度的地壳波速与各向异性随时间的演化。(A) 台站CI.WRC2（位置见图1）的波形对比：早期延迟（蓝色）主要反映浅层变化，晚期延迟（红色）则指示深部变化；(B) 不同深度范围的波速随时间变化：浅层波速在数月内恢复，而深部（10–15公里）波速则持续下降，未见恢复；(C) 各向异性的快轴方向随时间旋转，与震后地壳形变过程一致，并可与GNSS观测到的垂直和断层平行位移速率对比
该研究通过对震前、同震和震后不同时期以及不同深度地震波速变化特征的对比，揭示了断裂带在多时空尺度上的复杂演化：浅层损伤能够快速恢复，而深层在震后观测期内则持续变形，未见恢复。对于更长时间尺度（几十年至上百年）的深部演化，作者提出了两种可能性（图4）：其一，深部扰动最终逐渐恢复，反映出长期的应力调节过程；其二，扰动持续累积，意味着年轻断裂带会在多次大震作用下不断弱化。要区分这两种情景，跨时间尺度的动力学模拟（Preuss et al.,2020）及出露断层及其围岩所保存的地质记录（Oncken et al.,2021），或可提供一些启示，但更关键的仍是来自高精度现代仪器长期连续观测的直接约束。
图4 Ridgecrest断裂带在整个地震周期中的应力与损伤演化。深部波速变化和各向异性旋转可作为地震周期内应力与破坏的指示。插图示意：浅层在地震中受损但迅速恢复，而深部则在震后逐渐累积损伤并伴随各向异性旋转
这一研究不仅揭示了Ridgecrest断裂带震后深浅层性质的显著差异，也为我们理解断裂带跨十个时间量级（即100-1010秒）的长期演化提供了新的视角。研究表明，浅层观测到的波速变化并不能完全代表深部的真实演化，这凸显了我们对地壳深部过程认识的不足。若深部扰动最终能够恢复，说明在整个震间期内，断裂带深部的强度和波速正不断演化，其背后是裂隙愈合、流体运移与构造加载之间的动态平衡；而如果扰动长期存在，则意味着像Ridgecrest这样的年轻断裂带会在一次次大震后逐渐弱化，并发生长时间的结构与性质演变。相比之下，成熟断裂带可能在经历多轮循环后趋于稳定，其深部性质在震后演化中表现出不同的恢复或稳态特征。厘清这些差异性的演化情景，对于建立断裂带强度演化模型和约束地震能量分配至关重要。
这一发现不仅揭示了大陆内部断裂带的流变学机制，也有助于理解地球固体圈层的普遍分层性（Chen,2017）及其在板块边界断裂带及大地震活动下的非线性流变响应（Freed et al.,2006）。研究表明，在不同空间和时间尺度下，地球固体圈层的浅部弹性层与深部黏弹性层、断裂带与周围壳-幔结构可能经历耦合与解耦的联合演化，从而控制地震周期的多时空特征（Li and Chen,2023）。这一多尺度机制不仅对理解大陆内部断裂带动力学至关重要，也对认识板块边缘构造变形和地震-火山活动等跨地壳重大地质灾害的发生机理具有深远意义。
主要参考文献
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(撰稿：李绍阳，陈凌/岩石圈演化学科中心；王新/地球与行星物理学科中心)
