地震斷層面上凹凸體和障礙體含義的解析＊

李正芳 周本剛

（中國地震局地質研究所，北京100029）

地震斷層面上凹凸體和障礙體含義的解析＊

李正芳 周本剛

（中國地震局地質研究所，北京100029）

摘 要由凹凸體和障礙體研究引入的非均勻地震破裂模式，可解釋主震前破裂的成因及主破裂之后的應力集中，對地震危險性分析具有重要的理論價值。本文在國內外研究成果的基礎上，深入研究了凹凸體和障礙體在地震破裂過程中的作用和意義，解析了凹凸體和障礙體的本質含義，對比分析了兩種模式的異同之處，給出了兩種模式在不同滑動模型中的適用性，為地震安全性評價提供了有力的理論依據。

關鍵詞凹凸體；障礙體；不均勻體；地震斷層面

引言

凹凸體和障礙體均是地震斷層面上不均勻體的表現形式，不均勻體的概念最初是為了解釋地震波的高頻輻射成分提出來的，由于材料強度相對于所受應力大小的不同，斷層面上的某些區域可能在破裂傳播后仍保持不破裂，也可能只是最初不發生破裂，但最終在集中應力的作用下也發生破裂[1]，把用來反映斷層面上應力明顯高于周圍的部分，稱為不均勻體。由不均勻體的研究引入的非均勻地震破裂模式，能較好地解釋地震波中的復雜成分、主震前破裂的成因以及主破裂之后的應力集中，即不均勻體被認為是斷層面上破裂的起始器、阻力器和集中器[2]。在研究不均勻體在破裂過程中所起的作用時，地震學家提出了多種模式，目前應用較廣泛的模式主要為凹凸體和障礙體，而這兩種模式在實際應用中經常被混淆。本文將結合國內外的相關文獻和研究成果，對這兩種模式的概念進行厘定，探討其在地震危險性分析中的作用。

1　凹凸體的定義及作用

凹凸體是斷層破裂面上不均勻體的一種表現形式，Kanamori和Stewart[3]將凹凸體的概念描述成斷層面上應力更強的或是更集中的部分。Aki[4]認為，地震破裂面上的滑動是不均勻的，將滑動量明顯高于其他部分的破裂范圍稱為凹凸體。Lay等[5-6]將凹凸體簡單定義為斷層面上阻礙斷層錯動被卡住的主要區域，地震通常是從一個凹凸體開始破裂，凹凸體的破壞是高頻波產生的原因。Somerville等[7]將凹凸體定義為滑動量大于斷層上平均滑動量1.5倍或以上的區域，以此確定斷層上凹凸體的有效長度、寬度和面積。通過上述學者對凹凸體的定義，認為凹凸體在斷層面上主要體現出以下特點，滑動

量大、應力降大、地震矩釋放量大，投影到地表區域的峰值加速度大。如果地震發生后這些區域恰好是人口居住密集區，也往往是震害較嚴重的區域。因此，研究凹凸體在斷層破裂面上的分布，對于地震動模擬、地震動的空間變化及其震害分布都具有重要意義。

凹凸體在地震破裂過程中發揮著不可替代的作用。主震和大震的發生一般可以利用凹凸體的破壞來解釋。由于斷層上的耦合強度等于斷層面上作用應力的接觸面積與接觸帶上平均應力的乘積。因此，可以說，大的凹凸體將產生大的耦合強度，而斷層面上的強耦合能夠克服剪切段所產生的作用，從而形成規模較大的地震破裂帶，所以大震的發生常與凹凸體模式相聯系[8]。最初將凹凸體引入地震理論研究的是1978年Kanamori 等[3]用凹凸體模式解釋了1976年危地馬拉地震的過程。他們認為，震前斷層面上存在著許多不均勻體，斷層面上應力是不均勻分布的，隨著小凹凸體的破壞和大凹凸體應力強度的增加，應力分布不斷發生變化，最終使凹凸體全部破壞，從而發生了大震，而震后斷層面上的應力又均勻分布。這種模式說明凹凸體最終破壞的過程正是大震發生的過程，同時也是應力均勻化的過程[8]。

2　障礙體的定義及作用

障礙體是斷層破裂面上不均勻體的另一種表現形式。地震發生時，斷層發生錯動，兩側巖層出現局部的滑動，但仍存在未滑動或未受破壞的區域，我們將破裂面上的該塊體稱為障礙體。障礙體的形成過程也是應力不均勻化的過程，當地震的破裂傳播遇到障礙體時，障礙體可能被破壞，也可能在破裂通過后仍未破壞，或當時雖未破壞，后期隨著周圍的動應力即構造應力與障礙體強度值比值的增加，最終發生破壞。而破裂通過時是否發生破壞，取決于障礙體區域的大小及其自身的抗應力強度[8]。如果障礙體的強度大于破裂傳播通過的能量，則障礙體就起到阻止破裂傳播的作用，破裂就此停止傳播，我們把此類可以阻止破裂傳播的障礙體稱為“持久性障礙體”。如果障礙體的強度與地震破裂所產生的應力相當或更小時，此時障礙體就會被地震破裂所貫通，發生破壞，我們把此類障礙體稱為“非持久性障礙體”。

障礙體在地震破裂傳播過程中起著至關重要的作用，主要體現在以下幾個方面：①障礙體的存在可以解釋地表破裂的不規則行為；②可以用來給斷層分段，從而解釋其斷層痕跡的不連續現象；③障礙體可作為破裂的阻力器。當破裂傳播時，斷層面上的障礙體不管是否發生破壞，都會對破裂起到阻止的作用，從而造成應力的集中。

3　基于凹凸體和障礙體建立模型的對比分析

凹凸體和障礙體的存在都是由于其內部強度高于周圍介質強度的緣故，正是由于這些區域的存在，使得斷層面上的位錯和應力降分布很不規則，表現在震源斷層面上發生破裂過程中具有的不規則性。但它們在地震發生過程中承擔的作用卻完全不同，凹凸體可以簡單地理解為震前斷層面上存在的一些高強度的未發生破裂的區域，可能是下次地震發生的起始點。障礙體則把強硬的應力集中區作為斷層破裂段的邊界，起到限制破裂，在極端情況下還會終止破裂的作用[2]，詳細對比見表1。

表1中的大部分特點在地震破裂過程的研究中，都是比較便于觀察的。一般障礙體的強度大于其所受的構造應力場，可以承受一定程度的集中應力作用，當破裂傳播遇到障礙體時，就會起到阻止破裂的作用，充當了破裂帶傳播的止裂區。破裂發生之后，障礙體所在區域周圍的應力會緩慢地增加，但該應力的積累水平遠小于可以使其發生破裂

的水平，因此，該破裂之后在障礙體的周圍可能出現微震群活動。凹凸體所處區域的強度基本等于或者小于其所受的應力，一旦凹凸體內所受的應力與使其破裂的界限值相當，只要該區域的應力稍有增加就會發生地震，從而產生宏觀破裂，此時該凹凸體所在的區域稱之為地震發生的起裂區，由于應力從最初較快較強的釋放形式逐漸轉緩，因此，主震發生以后，該區域會出現較多的余震?；诎纪贵w和障礙體建立的不均勻破裂模式在地震孕育和發生過程中承擔著完全不同的作用，本文將以圖示的方式解釋兩種模式震前震后的應力分布狀態（圖1）。

表1　凹凸體和障礙體巖石強度與構造應力場特點對比[1]

（a）震前受構造應力作用的斷層面；（b）障礙體模式（主破裂之后留下一些高強度閉鎖段）；（c）凹凸體模式（主震本身是由閉鎖段的破裂引起）；（d）應力得到釋放后的斷層面圖1　主震前后障礙體與凹凸體模式的對比[4]

圖1對比了地震前后斷層面處的不同應力狀態及其凹凸體和障礙體模式的表現形式。圖中的陰影部分表示斷層尚未發生錯動，可承受剪應力作用，空白區域表示斷層面兩側已發生相對位移，不能再承受剪應力作用。圖1a的陰影部分代表震前斷層面的應力狀態；圖1d的空白區域表示震后斷層面上的應力釋放狀態，沒有任何閉鎖區域存在；從圖1a～b的破裂過程中，認為障礙體模式是一種“應力糙化”過程[1]，該模式在地震發生前斷層面上的應力是均勻的，而震后斷層面上出現了應力集中。所以這些被稱為不均勻塊體的障礙體模式可以用來分析地震的強震動觀測記錄數據，解釋其中的高頻地震波的輻射成分[9-12]，同時障礙體周圍的集中應力的釋放可以用來解釋余震的發生[13-15]。且國內部分學者也對有障礙體存在的破裂過程進行了研究，進一步驗證了上述的觀點[16-17]。圖1c～d的破裂過程中，認為凹凸體模式是一種“應力均勻化”過程，在地震發生前，斷層面上存在的未發生破裂的區域，其周圍空白區域的應力已在前震中釋放，這些未發生破裂的不均勻塊體稱為凹凸體，國外學者利用這種模式成功地解釋了1976年的危地馬拉（Guatemala）地震[3]。針對凹凸體模式，地震發生前的區域所受的應力是不均勻的，而地震發生后凹凸體內的集中應力得到釋放，斷層面上的應力趨于均勻，所以這一過程被稱為“應力均勻化”過程，方便與障礙體模式的“應力糙化”過程相對比。Hanks[18]在1974年利用凹凸體模式成功地解釋了圣安德烈斯斷層上發生的地震，得到了凹凸體所在位置就是地震破裂起始位置的結果，且這個位置具有較高的應力降。

由于障礙體和凹凸體模式的主震破裂方式不同，與其相應的前震或余震就會存在明顯的差異。如果是以凹凸體模式為主震的破裂方式，可能主震前有較多的前震發生。如果是以障礙體模式為主震的破裂方式，很可能沒有前震發生，但余震活動頻繁，而且很可能有中強余震。因此，凹凸體模式可以用來描述斷層活動分布的總體特征[3-4]，而障

礙體模式，破裂起始于某一斷層段，然后突破段落之間的障礙體單側或雙側向相鄰的段落傳播。這種情況下，障礙體與諸如彎曲、斷錯等可識別的斷層幾何特征相關，而且地震產生的滑動分布也明顯地表現出與該障礙體相應的特征[19]。

4　凹凸體和障礙體在不同斷層滑動模型中的應用

斷裂活動與地震的關系一直是地震學家關注的問題。一些學者從應力積累的角度討論強震的發生條件，提出單一斷面的階步、兩個斷面交叉、多個斷面交叉或交接等“閉鎖”類型，作為強震地點的特征；而另一些地震學家則從地震波的研究中，提出斷層的凹凸體和障礙體模式。不論是利用哪種模式來解釋地震破裂特征，都必須考慮破裂單元的整體性、段的持久性和獨立性。

Schwartz等[20]在1984年提出了3種斷層滑動模型，分別為可變滑動、均一滑動和特征地震模型（圖2）。3種滑動模型可進一步歸并為兩類，其中可變滑動模型破裂事件隨機分布于斷裂帶上，具有可變的破裂位置和破裂規模，即一次破裂的發生并不能保證下次破裂原地重復發生，破裂段不具有穩定性；均一滑動模型和特征地震模型，大震具有固定的位置和規模，顯示出大震重復段斷裂活動的相對獨立性，即一次大破裂的發生同時顯示了下一次破裂的范圍，大震破裂段在斷層活動中具有持久性[21]。這樣，根據前人提供的理論模型和事實資料，把破裂段按照穩定時間的差別分為3類：①不穩定的破裂段。相當于可變滑動的情況，即一次破裂的發生對下一次破裂發生的空間位置影響很小，不存在作為破裂單元的穩定破裂段。②非持久性破裂段。在斷層發生的一定時間段內，作為穩定的破裂單元重復破裂。③持久性破裂段。破裂段作為永久性的破裂單元存在。3種類型的破裂段對未來預測的意義是不同的，類型①由于極不穩定，很難對未來破裂進行預測；類型③可以很好地預測未來破裂的范圍；類型②則需判斷現在所處的狀態。因此，從預測意義上講，類型③是最有意義的類型。而本文研究的不均勻地震破裂模型的目的就是將其應用于地震危險性的分析中，對類型②和類型③的破裂段具有實際意義，對類型①的破裂段的研究意義不大。

圖2　斷層滑動模型[22]

5　結論

凹凸體和障礙體模式是斷層面上不均勻性的兩種表現形式，兩者之間的共同點是其內部均由高強度的介質構成，不同點是其兩種模式的運動機制存在較大差異。當斷層面上沿塊體發生主震時，一般凹凸體模式起主導作用；而當沿斷層面上出現較多的余震群時，障礙體模式占主導作用。但在實際的地

震實例中，也存在較大的障礙體引發主震的情況，導致主震的遷移和擴展，所以無論是凹凸體模式還是障礙體模式都是在某一特定條件下，特殊斷層面上的模式，它們不可能對斷層面上發生的任一地震都給出較好地解釋，更甚至一個真實的斷層面可能是一個同時具有凹凸體和障礙體的綜合體，在利用其解釋主震的發生或余震的序列時，應該同時將兩者納入考慮范圍。

（作者電子信箱，李正芳：lizhengfang07@163. com）

參考文獻

[1]王家富.非均勻地震破裂及其與地震序列之間關系.地殼形變與地震，1990，10（3）：37-43

[2]李正芳.強震破裂面上的不均勻體及其在地震危險性分析中的應用研究.國際地震動態，2014（9）：42-45

[3]Kanamori H，Stewart G S.Seismological aspects of the Guatemala earthquake of February 4，1976.J. Geophys.Res.，1978，83（B7）：3427-3434.doi：10.1029/JB083iB07p03427

[4]Aki K.Asperities，barriers，characteristic earthquake and strong motion prediction.J.Geophy.Res.，1984，89（B7）：5867-5872

[5]Lay T，Kanamori H，Ruff L.The asperity model and the nature of large subduction zone earthquake∥Earthquake Prediction Research.Tokyo：Terra Scientfic Publishing Company.1982：3-71

[6]王海云.近場強震動預測的有限斷層震源模型.哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2002

[7]Somerville P，Irikura K，Graves R，et al.Characterizing crustal earthquake slip models for the prediction of strong ground motion.Seism.Res.Lett.，1999，70（1）：59-80.doi：10.1785/gssrl.70.1.59

[8]張智，吳開統.地震斷層面上的不均勻體研究進展概述.國際地震動態，1985（7）：1-4，30

[9]Kato A，Miyatake T，Hirata N.Asperity and barriers of the 2004Mid-Niigata prefecture earthquake revealed by highly dense seismic observations.Bull.Seis.Soc.Amer.，2010，100（1）：298-306.doi：10. 1785/0120090218

[10]Aki K.Scaling law of seismic spectrum.J.Geophys.Res.，1967，72（4）：1217-1231.doi：10.1029/ JZ072i004p01217

[11]Aki K.Characterization of barriers on an earthquake fault.J.Geophys.Res.，1979，84（B11）：6140-6148.doi：10.1029/JB084iB11p06140

[12]Papageorgiou A，Aki K.A specific barrier model for the quantitative description of inhomogeneous faulting and the prediction of strong ground motion.Part II.Applications of the model.Bull.Seis.Soc. Amer.，1983，73（4）：953-978

[13]Mogi K.Study of elastic shocks caused by the fracture of heterogeneous material and its relation to earthquake phenomena.Bulletin of Earthquake Research Institute.1962，40：125-173

[14]Page M T，Dunham E M，Carlson J M.Distinguishing barriers and asperities in near-sourse ground motion.J.Geophys.Res.，2005，110，B11302.doi：10.1092/2005JB003736

[15]Das S，Scholz C H.Theory of time-dependent rupture in the earth.J.Geophys.Res.，1981，86（B7）：6039-6051.doi：10.1029/JB086iB07p06039

[16]盧振業，郭鐵拴.多閉鎖段破裂過程的模擬實驗.地震，1986（2）：36-43

[17]張智，吳開統.地震破裂擴展面上多個障礙體的實驗研究.中國地震，1986，2（2）：24-29

[18]Hanks T C.The faulting mechanism of the San Fernando earthquake.J.Geophys.Res.，1974，79：1215-1229.doi：10.1029/JB079i008p01215

[19]Klinger Y，Michel R，King G C P，et al.從青藏可可西里MW7.8級地震滑動分布得到的地震障礙體模型的證據.世界地震譯叢，2008（6）：28-38

[20]Schwartz D P，Corpersmith K J.Fault behavior and characteristic earthquakes：examples from the Wasatch and San Andreas fault zones.J.Geophys.Res.，1984，89（B7）：5681-5698.doi：10.1029/ JB089iB07p05681

[21]丁國瑜.活斷層的分段模型.地學前緣，1995，2（2）：195-202

Analysis on the meaning of the asperity and barrier located on the seismic fault plane

Li Zhengfang，Zhou Bengang

（Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China）

AbstractThe model of asperity and barrier could explain the complex components and the mainshock rupture of seismic waves as well as the main rupture stress concentration.It has great theoretical value for seismic hazard analysis.Based on the results of previous studies in domestic and abroad，we studied the effect of asperities and barriers in the process of seismic rupture，and analyzed the meaning of asperity and barrier.We also compared the similarities and differences between asperity and barrier.The applicability of the two models in different sliding model was presented.The study provides a strong theoretical basis for seismic safety evaluation.

Keywordsasperity；barrier；inhomogeneous body；seismic fault plane

基金項目：地震行業專項“南迦巴瓦地區水電工程地震安全性評價關鍵技術研究”（2015419024）資助。

收稿日期：＊2014-11-02；修回日期：2015-01-21。

中圖分類號：P315.3；

文獻標識碼：A；doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.005