俯冲带大型逆冲断层（megathrust），即俯冲的大洋板片与上覆板片之间的边界，孕育了全球大多数8级以上的大地震。断层三维几何形态和摩擦等物理特性，控制着大地震破裂的起始、演化和终止，进而影响地震大小及其造成的地震和相关次生灾害（例如海啸）。因此，精细约束俯冲带大型逆冲断层的几何和摩擦状态，对理解大地震震源物理及防震减灾至关重要。

近年来，随着地震观测台网密度的增加和分析手段的不断进步，地震的精定位和震源机制解已成为理解断层几何和摩擦状态的重要手段。尽管在少部分陆地区域密集台阵地震精定位方法已取得广泛的发展和应用，但在台站相对匮乏的地区（如海域）地震的震源参数精细研究仍面临挑战。在绝大部分俯冲带地区，由于缺乏近场地震观测资料，仅利用全球远场观测数据和常规方法只能获得极少量地震的震源机制解，且其水平位置和深度常有较大误差，制约着我们对大型逆冲断层几何和大地震破裂机制的认知。

中国科学院地质与地球物理研究所王新特聘研究员、韦生吉客座研究员、陈凌研究员、郝天珧研究员、赵亮研究员及其合作者，发展了基于全球远场地震波波形模拟和分析的系列方法（图1），并将其应用于苏门答腊俯冲带Mentawai地区。通过波形反演、地震深度震相模拟以及远震面波相对定位等一系列手段（图1），精细地约束了1990年至2017年间该地区108个中等震级地震的位置和震源机制解（图2和图3）。综合历史大地震和重力/地形异常分析，识别出了断层几何和闭锁状态在沿着走向和倾向的变化，认为该区域2007年发生的Mw8.4（Bengkulu）地震破裂了断层上一个永久性凹凸体，而2010年的Mw7.8（Mentawai）海啸型地震则对应更为不规则的发震周期。

图1 基于全球远场地震波波形模拟和分析约束地震震源参数的系列方法。(a) 示例波形用于展示该研究中使用的三分量地震波；（b）基于远场三分量P波和S波约束地震震源机制解的波形反演方法；（c）远震面波相对定位方法，用以精确确定地震的水平位置；（d）深度震相模拟方法，用于精确约束地震的深度

图2 研究区域及该研究获得的地震震源参数。（a）苏门答腊俯冲带历史大地震及前人研究获得的震间闭锁模型；（b）苏门答腊Mentawai地区概况，包括大地震同震破裂范围（2007年发生的Mw8.4 Bengkulu地震及其Mw7.9的余震，以及2010年发生的Mw7.8 Mentawai海啸型地震）及该研究中获得的中等震级地震的震源机制解

图3 地震沿剖面分布及其倾角变化。（a）该研究结果与全球USGS地震目录和GCMT地震目录的对比；（b）该研究获得的地震倾角与全球GCMT地震目录的对比。其中，黑色实线和虚线分别代表Slab1.0和Slab2.0模型，绿色曲线为研究区主动源深反射探测结果。剖面位置参见图2

具体研究结果显示，这些中等震级的地震主要集中于2007年Mw 8.4 Bengkulu地震同震破裂区的上倾端(up-dip seismic belt)和下倾端(down-dip seismic belt)，形成了两条明显的地震带（图2和图3）。下倾端地震带的倾角比主震倾角陡约8度，显示出大型逆冲断层几何在此处发生了明显的弯曲；这种断层几何形态的改变可能影响着大地震破裂向更深处传播，并伴随着由于温度变化导致的脆性到塑性的本构关系变化（图4）。上倾端地震带标志着孕震区与稳定滑动区（或条件稳定滑动区）之间的摩擦边界，并且具有显著的横向变化。这些横向和纵向的断层几何/摩擦变化极有可能对限制2007大地震的破裂范围起到了关键性作用（图4）。此外，地形和重力异常数据与上倾端地震带及2007主震同震变形分布高度一致（图5），指示了大地震同震破裂和地形/重力异常之间的因果关系，认为2007年Mw8.4地震破裂了一个永久性板块闭锁区域（凹凸体），而2010年的Mw7.8海啸型地震区没有造成显著地形/重力异常，对应更为不规则以及更长的发震周期，和断层上的条件稳定滑动摩擦本构关系密切相关。因此，在研究未来大型逆冲断层上的大地震时，考虑上倾端和下倾端地震带、地形异常及重力异常的影响至关重要。该研究完全使用远场地震波形数据，对随后的全球类似震源和断层几何研究具有指导性意义。

图4 俯冲带大型逆冲断层三维结构卡通图。该研究获得的高分辨率地震机制解目录揭示了该区域大型逆冲断层沿走向和倾向的几何变化，对理解大地震破裂过程有重要意义

图5 研究区域地形异常（a）及重力异常（b）与地震分布的关系。图中黑色闭合曲线表示大地震同震破裂范围（见图2）

研究成果发表于国际学术期刊EPSL（王新，韦生吉^*，Catalina Morales-Yáñez，Zacharie Duputel，陈凌，郝天珧，赵亮^*. Plate interface geometry complexity and persistent heterogenous coupling revealed by a high-resolution earthquake focal mechanism catalog in Mentawai, Sumatra[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.118726）。研究受国家重点研发计划青年科学家项目（2022YFF0802600）和中国科学院地质与地球物理研究所自主部署项目（IGGCAS-201904）联合资助。