为什么说缅甸地震很有可能发生了超剪切破裂

在昨天的推文中，笔者提到，该地震很有可能发生了超剪切破裂。

1 什么是超剪切破裂

地震破裂的扩展速度一般为剪切波速度（S波速度）的 0.8 倍，超剪切破裂指地震破裂扩展速度超过剪切波速度。当断层破裂传播速度超过剪切波速度时，破裂快速扩展辐射出的地震波会在破裂前缘相干叠加，形成马赫锥，造成地震波振幅更大，辐射范围更广，从而更具破坏力。

下面第一、二张动态图就发生了超剪切破裂，可以看到其主破裂前锋的前面出现了一个子破裂。

图片来源：南方科技大学张振国教授课题组

2 超剪切破裂产生条件与机制

对缅甸地震，笔者为什么会有这样的判断呢？原因很简单：

（1）该地震为走滑型大地震，并且撕裂了地表；

（2）断层足够长且直，十分有利于破裂加速。

这里面最关键的因素的是：走滑型破裂且到达地表。

为什么呢？

断裂力学告诉我们，存在三种类型的裂纹。

其中，Ⅱ型裂纹对应走滑断层；Ⅲ型裂纹对应纯逆冲与纯正断。Ⅰ型裂纹是工程上破坏的主要形式。

由于地球内部是一个压力环境，很难发生张破裂（Ⅰ型），故地震破裂通常不考虑Ⅰ型裂纹的情况。

（赵亚溥，2016）

并且，前人结合理论推导、数值模拟与实验研究，认为：

Ⅲ型裂纹的破裂速度永远小于S波速度，即纯逆冲或纯正断层的地震不可能发生超剪切破裂。

与之相对，Ⅱ型裂纹的破裂速度是可能超过S波速度的，即走滑地震可以发生超剪切破裂（见下图）。

这就是理由（1）的依据。

图片来源：斯坦福大学Dunham教授课题组

那是否所有的走滑地震都会发生超剪切破裂呢？

生活经验告诉我们，显然不是。即走滑破裂是发生超剪切的必要条件，那还需要啥？

这就是第二个因素，自由地表的作用啦。

高中物理知识告诉我们，平面波传播到界面时，会发生反射与透射。

图片来源：(傅承义等，1985)

而自由地表上为空气，因此地震波传播到地表时，主要发生反射。

（Aki & Richards, 2002）

利用波动方程结合边界条件，我们易得：

• 当SV波以临界角度入射时，转换的P波振幅是入射SV波的数倍，并且转换P波贴着地表传播。注意：振幅大意味着造成的动态应力扰动大。

（Aki & Richards, 2002）

• 若SV波大于临界角入射，则会产生不均匀的瑞利面波。
• 对于面波，傅承义先生在其《地球物理学基础》中曾写道(P337)：“面波可以看作是波的一种干涉现象，它的频散方程可以解释为在层间全反射后的平面波与原平面波发生相长干涉的条件。按照这种观点，面波的相速度即是波在水平方向的视速度;高阶振型的面波对应于较高级的干涉。

这一贴地表传播的波动，会造成较大的应力扰动，可能让破裂前锋未破裂区发生破裂，从而诱发超剪切。

因此，自由地表是非常关键的因素。

难怪，有人会讲：There was no Rayleigh, but when an incoming P and SV interact at the surface, there became one…

那除了自由地表作用，还有别的因素可能诱发超剪切破裂吗？

还有很多啦！比如：

（1）应力场的各向异性(Fukuyama and Olsen, 2002)；

（2）断层两侧介质剪切模量不同(双相介质)(Xia, 2005)；

（3）应力障碍体的影响(Weng et al., 2015)；

（4）复杂的断层几何(胡峰, 2014;Hu et al., 2016)；

（4）断层破碎带的影响(Huang et al., 2016)；

（5）粗糙断层面(Bruhatet al., 2016)；

（6）地表沉积层的影响(Xu et al., 2021)等。

总之，这些因素会直接或间接影响破裂过程中破裂前缘应力状态，从而可能直接诱发超剪切破裂或影响超剪切出现的时间 (提前或推迟)。

3 特点

说了那么多，超剪切地震有什么特点呢？

（1）破裂速度非常快，约4-5 km/s。

即一分钟破裂的长度，高铁需要行驶一小时。

大家都有在站台候车，遇高铁全速通过的经历吧，冲击波是很大的吧。超剪切地震的破裂速度是其60倍！

（2）发生超剪切破裂及其“下游”区域，地震动非常强，对建筑物的破坏非常严重。

图片来源：斯坦福大学Dunham教授课题组

如上图所示，超剪切破裂的前锋（红色），如同“超级子弹”，遇山开山。

然而，这次缅甸7.9级地震，很有可能在其破裂向南传播过程中，发生了超剪切破裂，见下图。

这意味着：震中南边地区感受到的震动远大于震中北方，并且晃动时间可能也更长，破坏力更强。

图片改自：美国地质调察局

注意，笔者圈定的超剪切破裂可能发生段落，为什么没有从震中一开始就圈定呢？笔者认为破裂加速需要时间与距离，如同飞机起飞。同理，破裂减速也需要时间与距离。

说了半天，这次地震到底有无发生超剪切破裂呢？

据得克萨斯大学奥斯汀分校贾哲教授的结果，该地震发生了超剪切破裂，破裂速度可达惊人的5 km/s。

图片来源：UT Austin贾哲教授课题组

4 全球分布

在全球看，超剪切地震多吗？

从目前人类有限的观测来看，不多，约20个（包括存疑的）。

(Bao et al., 2022)

笔者也统计过，全球已被观测证实的浅源超剪切地震，只有13个。注意：加上2023年土耳其地震，2025年缅甸地震，共15个。

从防震减灾角度讲，这是非常好的消息，破坏性更强的超剪切地震很稀少。

不过，目前的观测技术对超剪切破裂距离太短和间歇性的超剪切破裂，很难有效识别。

5 研究历程

对于超剪切破裂的研究历程，笔者展示一张学生时代总结的图，供大家参考。

6 尾声

最后，我想给大家提一个问题：

地震破裂速度可能超过P波速度吗，即超压缩破裂？

在正常情况下，是不可能的，理由如下：

发生破裂，需满足如下两个条件之一：

（1）破裂前锋直接导致未破裂区域发生破裂；

（2）破裂激发的地震波，产生应力扰动，让未破裂区域发生破裂。

注意，P波英文为：primary wave，意思为：最初到达的波，即最快的波。

并且，地震时，断层发生剪切破裂，这会产生很强的剪切波（S波），但压缩波就非常弱（P波），从而P波直接造成的应力扰动非常小。

综上所述，正常情况下，破裂速度不可能超过P波速度。

这一认识，早在100多年前，Harry Fielding Reid就认识到了。

在Reid提出弹性回跳理论的文章中，他讲道：

The rupture does not occur simultaneously at all parts of the fault-plane; but, on account of the elastic qualities of the rock,it begins in a very limited area and spreads at a rate not exceeding the velocity of compressional waves in the rock....

参考文献

Aki, K., & Richards, P. G. (2002). Quantitative seismology.

Bao, H., Xu, L., Meng, L., Ampuero, J. P., Gao, L., & Zhang, H. (2022). Global frequency of oceanic and continental supershear earthquakes. Nature Geoscience, 15(11), 942-949.

赵亚溥, (2016),近代连续介质力学，科学出版社，PP361

傅承义, 陈运泰, & 祁贵仲. (1985).地球物理学基础. 科学出版社.