地震断层面上凹凸体和障碍体含义的解析＊

李正芳 周本刚

（中国地震局地质研究所，北京100029）

地震断层面上凹凸体和障碍体含义的解析＊

李正芳 周本刚

（中国地震局地质研究所，北京100029）

摘 要由凹凸体和障碍体研究引入的非均匀地震破裂模式，可解释主震前破裂的成因及主破裂之后的应力集中，对地震危险性分析具有重要的理论价值。本文在国内外研究成果的基础上，深入研究了凹凸体和障碍体在地震破裂过程中的作用和意义，解析了凹凸体和障碍体的本质含义，对比分析了两种模式的异同之处，给出了两种模式在不同滑动模型中的适用性，为地震安全性评价提供了有力的理论依据。

关键词凹凸体；障碍体；不均匀体；地震断层面

引言

凹凸体和障碍体均是地震断层面上不均匀体的表现形式，不均匀体的概念最初是为了解释地震波的高频辐射成分提出来的，由于材料强度相对于所受应力大小的不同，断层面上的某些区域可能在破裂传播后仍保持不破裂，也可能只是最初不发生破裂，但最终在集中应力的作用下也发生破裂[1]，把用来反映断层面上应力明显高于周围的部分，称为不均匀体。由不均匀体的研究引入的非均匀地震破裂模式，能较好地解释地震波中的复杂成分、主震前破裂的成因以及主破裂之后的应力集中，即不均匀体被认为是断层面上破裂的起始器、阻力器和集中器[2]。在研究不均匀体在破裂过程中所起的作用时，地震学家提出了多种模式，目前应用较广泛的模式主要为凹凸体和障碍体，而这两种模式在实际应用中经常被混淆。本文将结合国内外的相关文献和研究成果，对这两种模式的概念进行厘定，探讨其在地震危险性分析中的作用。

1　凹凸体的定义及作用

凹凸体是断层破裂面上不均匀体的一种表现形式，Kanamori和Stewart[3]将凹凸体的概念描述成断层面上应力更强的或是更集中的部分。Aki[4]认为，地震破裂面上的滑动是不均匀的，将滑动量明显高于其他部分的破裂范围称为凹凸体。Lay等[5-6]将凹凸体简单定义为断层面上阻碍断层错动被卡住的主要区域，地震通常是从一个凹凸体开始破裂，凹凸体的破坏是高频波产生的原因。Somerville等[7]将凹凸体定义为滑动量大于断层上平均滑动量1.5倍或以上的区域，以此确定断层上凹凸体的有效长度、宽度和面积。通过上述学者对凹凸体的定义，认为凹凸体在断层面上主要体现出以下特点，滑动

量大、应力降大、地震矩释放量大，投影到地表区域的峰值加速度大。如果地震发生后这些区域恰好是人口居住密集区，也往往是震害较严重的区域。因此，研究凹凸体在断层破裂面上的分布，对于地震动模拟、地震动的空间变化及其震害分布都具有重要意义。

凹凸体在地震破裂过程中发挥着不可替代的作用。主震和大震的发生一般可以利用凹凸体的破坏来解释。由于断层上的耦合强度等于断层面上作用应力的接触面积与接触带上平均应力的乘积。因此，可以说，大的凹凸体将产生大的耦合强度，而断层面上的强耦合能够克服剪切段所产生的作用，从而形成规模较大的地震破裂带，所以大震的发生常与凹凸体模式相联系[8]。最初将凹凸体引入地震理论研究的是1978年Kanamori 等[3]用凹凸体模式解释了1976年危地马拉地震的过程。他们认为，震前断层面上存在着许多不均匀体，断层面上应力是不均匀分布的，随着小凹凸体的破坏和大凹凸体应力强度的增加，应力分布不断发生变化，最终使凹凸体全部破坏，从而发生了大震，而震后断层面上的应力又均匀分布。这种模式说明凹凸体最终破坏的过程正是大震发生的过程，同时也是应力均匀化的过程[8]。

2　障碍体的定义及作用

障碍体是断层破裂面上不均匀体的另一种表现形式。地震发生时，断层发生错动，两侧岩层出现局部的滑动，但仍存在未滑动或未受破坏的区域，我们将破裂面上的该块体称为障碍体。障碍体的形成过程也是应力不均匀化的过程，当地震的破裂传播遇到障碍体时，障碍体可能被破坏，也可能在破裂通过后仍未破坏，或当时虽未破坏，后期随着周围的动应力即构造应力与障碍体强度值比值的增加，最终发生破坏。而破裂通过时是否发生破坏，取决于障碍体区域的大小及其自身的抗应力强度[8]。如果障碍体的强度大于破裂传播通过的能量，则障碍体就起到阻止破裂传播的作用，破裂就此停止传播，我们把此类可以阻止破裂传播的障碍体称为“持久性障碍体”。如果障碍体的强度与地震破裂所产生的应力相当或更小时，此时障碍体就会被地震破裂所贯通，发生破坏，我们把此类障碍体称为“非持久性障碍体”。

障碍体在地震破裂传播过程中起着至关重要的作用，主要体现在以下几个方面：①障碍体的存在可以解释地表破裂的不规则行为；②可以用来给断层分段，从而解释其断层痕迹的不连续现象；③障碍体可作为破裂的阻力器。当破裂传播时，断层面上的障碍体不管是否发生破坏，都会对破裂起到阻止的作用，从而造成应力的集中。

3　基于凹凸体和障碍体建立模型的对比分析

凹凸体和障碍体的存在都是由于其内部强度高于周围介质强度的缘故，正是由于这些区域的存在，使得断层面上的位错和应力降分布很不规则，表现在震源断层面上发生破裂过程中具有的不规则性。但它们在地震发生过程中承担的作用却完全不同，凹凸体可以简单地理解为震前断层面上存在的一些高强度的未发生破裂的区域，可能是下次地震发生的起始点。障碍体则把强硬的应力集中区作为断层破裂段的边界，起到限制破裂，在极端情况下还会终止破裂的作用[2]，详细对比见表1。

表1中的大部分特点在地震破裂过程的研究中，都是比较便于观察的。一般障碍体的强度大于其所受的构造应力场，可以承受一定程度的集中应力作用，当破裂传播遇到障碍体时，就会起到阻止破裂的作用，充当了破裂带传播的止裂区。破裂发生之后，障碍体所在区域周围的应力会缓慢地增加，但该应力的积累水平远小于可以使其发生破裂

的水平，因此，该破裂之后在障碍体的周围可能出现微震群活动。凹凸体所处区域的强度基本等于或者小于其所受的应力，一旦凹凸体内所受的应力与使其破裂的界限值相当，只要该区域的应力稍有增加就会发生地震，从而产生宏观破裂，此时该凹凸体所在的区域称之为地震发生的起裂区，由于应力从最初较快较强的释放形式逐渐转缓，因此，主震发生以后，该区域会出现较多的余震。基于凹凸体和障碍体建立的不均匀破裂模式在地震孕育和发生过程中承担着完全不同的作用，本文将以图示的方式解释两种模式震前震后的应力分布状态（图1）。

表1　凹凸体和障碍体岩石强度与构造应力场特点对比[1]

（a）震前受构造应力作用的断层面；（b）障碍体模式（主破裂之后留下一些高强度闭锁段）；（c）凹凸体模式（主震本身是由闭锁段的破裂引起）；（d）应力得到释放后的断层面图1　主震前后障碍体与凹凸体模式的对比[4]

图1对比了地震前后断层面处的不同应力状态及其凹凸体和障碍体模式的表现形式。图中的阴影部分表示断层尚未发生错动，可承受剪应力作用，空白区域表示断层面两侧已发生相对位移，不能再承受剪应力作用。图1a的阴影部分代表震前断层面的应力状态；图1d的空白区域表示震后断层面上的应力释放状态，没有任何闭锁区域存在；从图1a～b的破裂过程中，认为障碍体模式是一种“应力糙化”过程[1]，该模式在地震发生前断层面上的应力是均匀的，而震后断层面上出现了应力集中。所以这些被称为不均匀块体的障碍体模式可以用来分析地震的强震动观测记录数据，解释其中的高频地震波的辐射成分[9-12]，同时障碍体周围的集中应力的释放可以用来解释余震的发生[13-15]。且国内部分学者也对有障碍体存在的破裂过程进行了研究，进一步验证了上述的观点[16-17]。图1c～d的破裂过程中，认为凹凸体模式是一种“应力均匀化”过程，在地震发生前，断层面上存在的未发生破裂的区域，其周围空白区域的应力已在前震中释放，这些未发生破裂的不均匀块体称为凹凸体，国外学者利用这种模式成功地解释了1976年的危地马拉（Guatemala）地震[3]。针对凹凸体模式，地震发生前的区域所受的应力是不均匀的，而地震发生后凹凸体内的集中应力得到释放，断层面上的应力趋于均匀，所以这一过程被称为“应力均匀化”过程，方便与障碍体模式的“应力糙化”过程相对比。Hanks[18]在1974年利用凹凸体模式成功地解释了圣安德烈斯断层上发生的地震，得到了凹凸体所在位置就是地震破裂起始位置的结果，且这个位置具有较高的应力降。

由于障碍体和凹凸体模式的主震破裂方式不同，与其相应的前震或余震就会存在明显的差异。如果是以凹凸体模式为主震的破裂方式，可能主震前有较多的前震发生。如果是以障碍体模式为主震的破裂方式，很可能没有前震发生，但余震活动频繁，而且很可能有中强余震。因此，凹凸体模式可以用来描述断层活动分布的总体特征[3-4]，而障

碍体模式，破裂起始于某一断层段，然后突破段落之间的障碍体单侧或双侧向相邻的段落传播。这种情况下，障碍体与诸如弯曲、断错等可识别的断层几何特征相关，而且地震产生的滑动分布也明显地表现出与该障碍体相应的特征[19]。

4　凹凸体和障碍体在不同断层滑动模型中的应用

断裂活动与地震的关系一直是地震学家关注的问题。一些学者从应力积累的角度讨论强震的发生条件，提出单一断面的阶步、两个断面交叉、多个断面交叉或交接等“闭锁”类型，作为强震地点的特征；而另一些地震学家则从地震波的研究中，提出断层的凹凸体和障碍体模式。不论是利用哪种模式来解释地震破裂特征，都必须考虑破裂单元的整体性、段的持久性和独立性。

Schwartz等[20]在1984年提出了3种断层滑动模型，分别为可变滑动、均一滑动和特征地震模型（图2）。3种滑动模型可进一步归并为两类，其中可变滑动模型破裂事件随机分布于断裂带上，具有可变的破裂位置和破裂规模，即一次破裂的发生并不能保证下次破裂原地重复发生，破裂段不具有稳定性；均一滑动模型和特征地震模型，大震具有固定的位置和规模，显示出大震重复段断裂活动的相对独立性，即一次大破裂的发生同时显示了下一次破裂的范围，大震破裂段在断层活动中具有持久性[21]。这样，根据前人提供的理论模型和事实资料，把破裂段按照稳定时间的差别分为3类：①不稳定的破裂段。相当于可变滑动的情况，即一次破裂的发生对下一次破裂发生的空间位置影响很小，不存在作为破裂单元的稳定破裂段。②非持久性破裂段。在断层发生的一定时间段内，作为稳定的破裂单元重复破裂。③持久性破裂段。破裂段作为永久性的破裂单元存在。3种类型的破裂段对未来预测的意义是不同的，类型①由于极不稳定，很难对未来破裂进行预测；类型③可以很好地预测未来破裂的范围；类型②则需判断现在所处的状态。因此，从预测意义上讲，类型③是最有意义的类型。而本文研究的不均匀地震破裂模型的目的就是将其应用于地震危险性的分析中，对类型②和类型③的破裂段具有实际意义，对类型①的破裂段的研究意义不大。

图2　断层滑动模型[22]

5　结论

凹凸体和障碍体模式是断层面上不均匀性的两种表现形式，两者之间的共同点是其内部均由高强度的介质构成，不同点是其两种模式的运动机制存在较大差异。当断层面上沿块体发生主震时，一般凹凸体模式起主导作用；而当沿断层面上出现较多的余震群时，障碍体模式占主导作用。但在实际的地

震实例中，也存在较大的障碍体引发主震的情况，导致主震的迁移和扩展，所以无论是凹凸体模式还是障碍体模式都是在某一特定条件下，特殊断层面上的模式，它们不可能对断层面上发生的任一地震都给出较好地解释，更甚至一个真实的断层面可能是一个同时具有凹凸体和障碍体的综合体，在利用其解释主震的发生或余震的序列时，应该同时将两者纳入考虑范围。

（作者电子信箱，李正芳：lizhengfang07@163. com）

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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

基金项目：地震行业专项“南迦巴瓦地区水电工程地震安全性评价关键技术研究”（2015419024）资助。

收稿日期：＊2014-11-02；修回日期：2015-01-21。

中图分类号：P315.3；

文献标识码：A；doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.005