社科在线李海兵 潘家伟等
地震时断裂如何破裂、破裂能否传播至地表，是地震物理学长期关注的重大科学问题之一。
传统理论认为，大地震的能量主要由主震释放，主震往往造成最显著的地表破裂和错动。自1906年旧金山地震以来，地震学界普遍接受“震级越大、地表破裂越显著”的基本认知。然而，这一认知是否适用于所有类型的断层系统？在复杂构造区，主震与余震的地表破裂贡献是否存在特殊规律？这些问题一直缺乏直接观测证据。
2024年1月23日，新疆阿克苏地区乌什县发生Mw7.0地震，这是自1992年以来天山地区最强烈的一次地震。然而，令人意外的是，能量巨大的主震未能破裂至地表，仅在地下深处形成错动；而七天之后，规模小得多的Mw5.7余震却造成清晰可见、长达数公里的地表破裂带。
这一反常现象，直接挑战了地震学界的传统认知，也为深入研究复杂断层系统中的破裂传播机制提供了难得的天然实验场。
震后第一时间，我们科研团队就赶赴海拔约3000米的中国-吉尔吉斯斯坦边境震区，并联合多家单位开展地质学、地震学与大地测量学综合研究，获取了主震-余震序列的完整数据，系统揭示了这一反常现象背后的科学机制。
主震“隐身”——
高角度逆冲与挤压阶区共同导致破裂“止步”
地震定位和InSAR观测显示，乌什主震的发震构造为南迈丹逆冲断裂，该断裂倾角约50°-67°，属于典型的高角度逆冲断层，其浅部往往存在“锁止区”，破裂难以持续传播至地表。
与此同时，乌什震区的地下构造是由南、北两条迈丹断裂组成的挤压型“阶区”，两条断裂间距约10公里，超过了断层破裂通常能够直接跨越的约5公里宽度。两种因素耦合作用，导致主震破裂无法传播至地表，能量主要集中在地下5-20公里深度释放（图1A，C）。这一机制解释了为何能量巨大的主震“隐身”地下。
余震“破土”——
主震应力触发反向断层
令人意外的是，1月30日发生的Mw5.7余震，却在主震震中南侧约12公里处形成了一条长达4.7公里、垂直位错最高达1.7米的显著地表破裂带（图1B，D，F，G）。 该破裂带走向与主震发震断层相同，但倾向相反（倾向SE）。
我们团队通过主震-余震精定位和应力场分析发现，Mw5.7余震激活了一条倾向与主震发震断层相反的“反向逆冲断层”。 主震虽未破裂至地表，但其巨大能量在阶区下方的下盘中积累了巨大应力，在余震中释放，推动浅部预先存在的反向逆冲断层破裂并抵达地表。
图1：2024年新疆乌什地震主震（Mw7.0）与余震（Mw5.7）产生的地表形变
（A）Mw7.0主震和（B）Mw5.7余震的Sentinel-1干涉图；（C）乌什地震主震（Mw7.0）的InSAR反演断层滑动分布。反演得到的断层走向、倾向和倾角分别为225°、NW和67°。黑色箭头表示发震断层上的滑动矢量，破裂没有延伸至地表；（D）针对Mw5.7余震沿西北段（D）和东南段（E）的InSAR反演断层滑动分布，破裂延伸至地表；（F）Mw5.7余震产生的长达4.7公里的地表破裂带（红色线条），SE盘抬升；（G）基于无人机测绘生成的数字高程模型测量获得的Mw5.7余震垂直位移量（蓝色线条，包含野外实地测量）与InSAR形变数据（灰色阴影），最大垂直位错～170厘米。
提出新机制——
“弹出构造”与“主震止步阶区，余震激活反向断层”模型
InSAR数据显示，余震同时激活了SE倾向的反向断层和浅部的NW倾向的南迈丹断裂。二者共同作用，使其间的岩块向上抬升，形成了典型的“弹出构造”（图2）。
基于上述发现，我们团队创新性提出“主震止步阶区，余震激活反向断层”的普适性概念模型，首次将主震-余震序列与断层系统相互作用联系起来，为理解复杂构造区的地震破裂行为提供了全新理论框架。
图2：2024年新疆乌什地震构造模型示意图
(A) InSAR变形剖面显示Mw5.7级余震产生的“弹出”结构（见棕线指示的地表形变构造）。绿线和棕线分别表示主震和余震造成的地表变形。(B)横跨地表破裂带的地震构造剖面，Mw5.7余震产生NW向逆冲地表破裂和SE向逆冲的褶皱变形，其余震的质心深度为1～2km（兰色海滩球位置），余震分布指示在主震断裂下盘存在SE倾向的次级破裂。(C)主震震中东侧横跨迈丹断裂系统的地震反射构造剖面，余震分布显示在主震断裂上下盘可能存在SE倾向的次级破裂，与乌什盆地内分布的SE倾向的次级断裂一致。(D)主震断层破裂、Mw5.7余震破裂以及主震和余震相对位置的三维示意图。图B、C中余震分布为各剖面10 km宽范围内的余震。红色线表示地震断层；黑色（虚）线表示这次事件中未活动的断裂。NMDF-北迈丹断裂；SMDF-南迈丹断裂。
成果亮点——
完善地震断裂理论推动学科发展
亮点一：我们的研究打破了“只有主震才能产生地表破裂”的传统观念，证明即使在主震没有产生地表破裂的情况下，余震同样能造成严重的地表变形。这一发现挑战了传统地震学关于“震级-地表破裂”关系的简单认知，揭示了复杂断层系统中破裂传播的多样性和复杂性。
亮点二：“主震止步阶区，余震激活反向断层”模型首次将主震-余震序列与断层系统相互作用统一起来，为理解复杂断层系统中应力转移与应变分配提供了新范式。该模型对逆冲、走滑、正断裂系统均具普适性意义，推动地震地质学从单一断层研究向断层系统相互作用研究拓展。
亮点三：通过揭示“弹出构造”的形成机制，本研究深化了对地震破裂传播、应力触发和断层相互作用的认识。首次系统阐明了浅部次级断层在主震后应力场变化中被激活的物理过程，为地震物理学提供了重要的天然实验观测证据。
重大意义——
显著提升防灾减灾的科学性和精准性
该研究成果作为封面文章发表于国际顶级期刊《Geology》，并获国际同行高度评价。这项研究综合运用高精度地震定位、InSAR形变场分析、野外精细调查和无人机摄影测量等多源数据，数据翔实、方法严谨，结论可靠，为地震破裂机制研究提供了新的方法论范式。
该研究不仅具有重要科学价值，对防震减灾实践也具有直接启示。我们提出的“浅部次级断层须纳入地震风险评估体系”的新理念，革新了传统的地震灾害评估模型。在我国天山、喜马拉雅、青藏高原等复杂挤压构造区，大量浅部、次要的断层可能因主震后的应力触发而被激活，对城镇和生命线工程构成直接威胁。将这类断层纳入地震风险评估体系，可显著提升地震灾害预测的科学性和精准性。
作者简介：李海兵，男，汉族，1966年10月出生，中共党员，中国地质科学院地质研究所二级研究员，博士生导师，现任深地探测与矿产勘查全国重点实验室首席科学家、自然资源部大陆动力学重点实验室主任。入选国家百千万人才工程，授予“国家有突出贡献的中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。发表学术论文420余篇，其中SCI收录论文240余篇，第一作者及通讯作者140余篇，出版专著7部。三十多年来，他扎根青藏高原科研一线，聚焦活动断裂与地震机制研究，在汶川地震断裂带科学钻探、青藏高原主要活动断裂体系演化、重大工程区活动构造评价等方面取得系统性原创性成果，为认识强震孕震机理、评估区域地震危险性及服务国家防灾减灾重大需求等方面作出了突出贡献。相关成果获国家自然科学二等奖1项、省部级一等奖1项及二等奖3项，先后有5项成果入选中国地质学会、中国地质调查局和中国地质科学院年度十大地质科技进展。并获全国创新争先奖、全国先进工作者、全国五一劳动奖章、全国职工职业道德建设先进个人、中央和国家机关五一劳动奖章、全国地质勘探行业“最美地质队员”、自然资源部科技领军人才、中国地质调查局“卓越地质人才”、“青藏高原青年科技奖”等荣誉。
2024年乌什地震野外工作照
