《Earthquake Research Advances》：The conditional role of the free surface in cascading rupture: Insights from dynamic rupture simulations
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多断层级联破裂在大地震中频繁发生，表现出复杂的破裂行为并造成严重的地震灾害。然而，自由表面在级联破裂中的作用仍未得到完全理解，尤其是对于走滑分支断层系统。本研究通过动态破裂模拟研究了自由表面对分支断层系统中级联破裂的影响，并将研究结果与前人对阶区（stepov
多断层级联破裂在大地震中频繁发生，表现出复杂的破裂行为并造成严重的地震灾害。然而，自由表面在级联破裂中的作用仍未得到完全理解，尤其是对于走滑分支断层系统。本研究通过动态破裂模拟研究了自由表面对分支断层系统中级联破裂的影响，并将研究结果与前人对阶区（stepover）的应力分析相结合。研究表明，自由表面在触发与最终滑移量标定的断层解锁（fault unclamping）相关的级联破裂中具有显著促进作用，但在动态应力主导的情况下作用次之。具体而言，对于连续正向传播破裂，自由表面通过增强近地表动态应力表现出次要效应，仅在临界初始条件下促进向自持破裂（run-away rupture）的转变。对于反向传播破裂或阶区，由于破裂时间延迟和几何关系，触发过程由静态正应力、深部动态剪应力和近地表动态应力共同主导，此时自由表面的作用变得更加重要，因为它显著促进了断层解锁。这些发现表明自由表面在级联破裂中的作用是有条件的，为复杂多断层系统更可靠的地震危险性评估提供了依据。
多断层级联破裂在大地震中频繁发生，如2008年Mw 7.9汶川地震、2016年Mw 7.8 Kaikōura地震和2023年土耳其双震，理解多断层系统的破裂动力学对地震灾害防灾减灾至关重要。对于走滑多断层系统，几何复杂性包括阶区和分支。其中，阶区的破裂动力学已被广泛研究，但由于数值困难，分支断层系统的破裂动力学仍未得到完全理解。自21世纪以来，多次大地震涉及分支断层系统的级联破裂，如2002年Mw 7.9 Denali地震、2014年Ms 7.3于田地震、2021年Mw 7.4玛多地震和2023年土耳其双震，造成了严重的地震灾害，因此分支断层系统的破裂动力学亟待进一步研究。早期二维动态破裂模拟为分支断层破裂行为的影响因素提供了一些基本认识，包括分支角度、破裂速度、分支断层有限长度、断裂能比、地震循环演化、双材料效应等。基于三维全空间分支断层模型，Aochi等发现均匀应力条件下较小分支角度阻碍主断层破裂传播，而大分支角度时两断层段破裂似乎相互独立；随着最大主压应力方向与主断层之间角度的减小，最有利于破裂传播的分支从伸展侧转向挤压侧。Qian和Zhang识别出控制分叉处破裂传播方向选择的临界应力状态。对于Y形埋藏分支断层模型，超剪切破裂促进破裂向大、小分支角度的分支传播，且上部分支平面的破裂抑制下部分支平面的破裂。近年来，随着数值方法和计算能力的进步，真实地震和情景地震的复杂分支断层系统动态破裂模拟取得了显著进展。相比之下，三维半空间中分支断层破裂动力学的理论研究仍然缺乏。自由表面作为地球的关键边界，是二维和三维问题的主要差异之一，且已被证明在破裂动力学中起重要作用，如自由表面诱导的超剪切破裂、最终滑移的显著增强、阶区破裂跳跃距离的增加以及地形效应。目前仅有少数理论研究明确考察了三维分支断层系统中的破裂动力学，但自由表面对分支断层破裂行为的影响尚未被系统研究。本研究比较了三维走滑分支断层的半空间模型和埋藏模型的破裂行为，涵盖正向和反向传播破裂，并分析了与触发过程相关的应力演化。结合阶区的触发过程，研究表明自由表面在级联破裂中起条件性而非普遍性作用：对连续正向传播破裂作用次要，但对反向破裂和阶区作用显著。
研究人员开展了三维走滑分支断层动态破裂模拟研究。主要关键技术方法包括：构建三维均匀弹性半空间中垂直、平面、右旋走滑分支断层几何模型，通过分支角度θ和区域最大主应力方向Ψ参数化模型，采用区域应力投影法设置初始应力，使用滑移弱化摩擦定律（slip-weakening friction law），利用非连续伽辽金（discontinuous Galerkin）软件DRDG3D模拟分支断层动态破裂过程。模型参数空间覆盖θ和Ψ以10°为增量变化，设置半空间模型与埋藏深度2 km的埋藏模型进行对比，并将成核区移至分支断层以研究反向破裂。研究结果如下：
3.1 不同应力方向和分支角度下的破裂行为：半空间模型和埋藏模型产生相似的相图，表明自由表面仅具有次要效应。模型A和B对比显示自由表面导致主断层分支交汇处后方出现小的近地表滑移。模型C和D的对比揭示在小分支角度和高应力状态下大滑移产生强断层相互作用始终阻止主断层破裂，而在较低应力下相互作用减弱、破裂可传播至整个断层系统。模型F和G表明自由表面可促进分支断层破裂从自停止转变为自持破裂。总体而言，自由表面虽可促进最终滑移并诱导超剪切破裂，但仅修改分支断层的某些动态破裂细节，而非显著改变级联破裂行为。断层上台站的应力演化表明深部动态应力几乎相同，即破裂触发主要受动态应力控制，自由表面效应限于极浅深度；自由表面增强的浅部动态应力可提供触发分支断层的额外机会，但是否发生自持破裂仍取决于初始应力和摩擦性质。
3.2 反向破裂传播：反向破裂传播相比正向破裂表现出时间延迟、较慢的破裂速度和较小的滑移。正应力和剪应力变化快照揭示了模型J和K的触发过程：分支断层破裂过程中反向分支经历正应力和剪应力降低，剪应力与正应力比值（μ0）也降低，表明反向分支不易破裂；但随着断层强度降低，反向分支可在某些情况下被正向分支破裂产生的动态应力触发。在自由表面影响下，半空间模型正应力降低区的面积和量值均大于埋藏模型，有利于反向分支上的自持破裂，浅部领先的破裂前锋也支持这一点。由于时间延迟和几何关系，动态剪应力增加需与静态正应力降低相结合才能触发反向分支；在相似动态应力条件下，触发的关键转向由分支断层最终滑移产生的静态应力。因此，通过显著促进分支断层最终滑移，自由表面在级联破裂中的作用强于第3.1节的情况。
讨论部分总结：多断层系统包括分支和阶区。前人阶区研究已证实临界破裂跳跃距离对自由表面敏感。从Wang和Zhang的应力分析可进一步得出自由表面在阶区中的作用：对于伸展阶区，重叠区静态正应力降低是触发过程的关键因素，与最终滑移相关因而与自由表面相关；对于挤压阶区，触发过程是近地表动态正应力和剪应力共同作用的结果，明显受自由表面强烈影响。综合考虑分支断层系统结果，可阐明自由表面在级联破裂中的作用：自由表面通过改变动态应力和静态应力影响级联破裂行为，动态应力主要受初始应力和摩擦控制、自由表面影响仅出现在近地表区域，而静态应力受最终滑移控制、可被自由表面显著促进。因此，自由表面在触发依赖最终滑移标定的断层解锁的情况下显著促进级联破裂（如反向传播破裂和阶区），但在动态应力主导的情况下仅表现出次要效应（如连续正向传播破裂），此时仅在临界初始条件下促进向自持破裂的转变。关于深度依赖应力的影响，研究人员将应力设为从5 km深度处值线性衰减至自由表面零值进行测试，仅两个模型（F'和D'）显示出与半空间模型明显不同的破裂行为，这是由于深度依赖模型中近地表应力降和应力扰动低于半空间模型，且近地表最终滑移减小。模型局限性方面，本研究仅关注自由表面，阶区背景下讨论的各种因素如脆性岩石损伤、断层外损伤、破裂速度等也可能影响分支断层破裂行为，有待未来研究；理解倾滑断层系统的破裂动力学也很重要；模型初始应力和摩擦性质为均匀设置以隔离自由表面作用，真实地震中非均匀地质和物理条件可能与自由表面相互作用。尽管如此，研究结果阐明了自由表面在级联破裂中的作用，为多断层系统地震危险性评估提供了重要启示，未来应加强对盲分支断层的探测以充分考虑潜在级联破裂危险，对于到达自由表面的分支断层其触发主断层反向破裂的潜力可能比先前预期的更强。
研究结论翻译：本研究通过三维走滑分支断层动态破裂模拟结合前人阶区应力分析，系统研究了自由表面在级联破裂中的作用。研究发现，对于连续正向传播破裂，自由表面仅起次要作用，增强近地表动态应力并在临界初始条件下促进从自停止破裂向自持破裂的转变。相比之下，对于反向传播破裂或阶区，触发过程由静态正应力、深部动态剪应力和近地表动态应力共同控制，此时自由表面变得更加重要，因为它显著增强静态正应力降低（断层解锁），从而促进级联破裂。这些发现识别了自由表面显著促进级联破裂的条件，对复杂多断层系统的地震风险评估具有重要意义。
