破裂速率是评判地震裂纹在断层上传播快慢的标准。对理解地震背后的物理行为和断层上的动力学参数都有重要意义。尽管天然地震的发震断层几何错综复杂，一般来说我们可以把它们简化为一个平面断层进行分析。在平面断层上，破裂从成核区域产生向四周扩展，直到破裂停止，对常规地震来说，通常会在几秒到几十秒内完成。如果裂纹传播的速率超过介质中剪切波传播的速率，可以在断层周围产生马赫波，这种破裂被定义为超剪切破裂。因其破裂速率快，造成的近场震动强，直接观测难度高而备受地震学者关注。然而裂纹传播的速率到底该如何定义呢？不同的定义方式是否会揭示一样的信息？
带着这些疑问，中国科学技术大学地球和空间科学学院胡峰副教授和美国加州大学河滨分校David Oglesby教授、吴葆宁博士生以及南方科技大学陈晓非教授合作，利用有限差分数值模拟走滑断层动力学破裂过程，对比不同破裂速率在平面断层上的分布，发现一维破裂速率显示为超剪切破裂的断层可能在二维破裂速率视角下为亚剪切破裂，无法在断层近场激发出超剪切破裂特有的马赫波。文章发表在国际著名学术期刊《Geophysical Research Letter》上。
图一、滑动速率在断层面上分布（a）均匀应力模型，（f）随深度变化应力模型；破裂前锋分布（黑线1.0 秒间隔）和四种不同定义的破裂速率分布图，（b-e）均匀应力模型，（g-j）随深度变化应力模型。
胡峰等人复现了Kaneko & Lapusta（2010）论文中两个走滑平面断层上自由地表诱发超剪切破裂的例子。如图一所示，图一a和一f分别为均匀应力和随深度变化应力下的发震断层上的不同时刻的滑动速率分布，可见两个破裂传播到自由地表后均出现子破裂，且和Hu et al. (2019)发现的不可持续超剪切破裂不同，这里的子破裂均随着破裂的前进持续传播到断层底部。然而，图一还比较了四种不同的破裂速率在断层面上的分布，包括二维瞬时破裂速率Vr2d, 一维瞬时破裂速率Vr1d, 二维平均破裂速率Vrsecant2d,和一维平均破裂速率Vrave1d。可见，这里均匀应力下一维和二维瞬时破裂速率均显示为超剪切破裂，而对于随深度变化应力模型，尽管一维瞬时破裂速率显示为超剪切破裂，二维瞬时破裂速率显示断层上的破裂大部分经历着亚剪切速率，仔细检查发现在靠近地表200米以内的范围二维瞬时破裂速率仍然超过剪切波波速。同样，由于子破裂的存在，二者平均破裂速率的存在同样会超过剪切波速。
对比二者的近场地表速率（图二）可见，均匀应力模型下的地表超剪切破裂引起的马赫波清晰可见，而随深度变化应力模型下的子破裂并没有在地表产生可观测到的马赫波。
图二、（a，b）均匀应力模型和（c，d）随深度变化应力模型下断层垂直方向的地表震动速率在14s的分布，M_S 和 M_R 分别表示剪切波和Rayleigh波分别在地表形成的Mach锥。
为了更好的理解自由地表形成的子破裂，图三对比了随深度变化应力下破裂前锋的分布图（黑线）和一种假定模型下的破裂前锋分布（红线）；这种假定模型中，当P波或者P到SV转换波传播到断层上任一质点，破裂开始（这里仅考虑到时，不考虑破裂过程）。结果显示在靠近地表区域假定模型对应的子破裂前锋比实际模型要慢，而在断层深部区域二者重合度较好，因此，在靠近地表区域，Kaneko & Lapusta（2010）提出的SV到P的转换波可能在子破裂的形成中起到更主要的作用。
图三、随深度变化应力下破裂前锋的分布图（黑线）和假定模型下的破裂前锋分布（红线）。
因此，对破裂速率的判断需要更加谨慎。一维破裂速率因其简单易算在天然地震破裂速率推算中被广泛使用，但当破裂前锋法线方向和水平方向不重合时，例如对于自由地表形成的超剪切破裂，一维破裂速率可能会对真实破裂速率存在误判，需要仔细判别。
本文由中国科学技术大学地球和空间科学学院胡峰副教授和美国加州大学河滨分校David Oglesby教授、吴葆宁博士生以及南方科技大学陈晓非教授合作完成，文章发表在https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL092832。
参考文献：
Hu, F., Oglesby, D. D., & Chen, X. (2019). The Sustainability of Free-Surface-Induced Supershear Rupture on Strike-Slip Faults. Geophysical Research Letters, 46(16), 9537-9543. doi:10.1029/2019gl084318
Kaneko, Y., & Lapusta, N. (2010). Supershear transition due to a free surface in 3-D simulations of spontaneous dynamic rupture on vertical strike-slip faults. Tectonophysics, 493(3-4), 272-284.