动态破裂复杂性解释地震震源辐射的方位差异

为什么有些小地震在某些方向震动更强

当地震发生时，我们常把它想象成像石子投入水中那样向四周均匀扩散的波纹。实际上，即便是相对较小的地震，某些方向的震动也可能明显更强。本研究考察了意大利中部数十次规模适中的地震，表明它们在地下复杂的破裂行为可以解释为何某些城镇会感到更强的震动，尤其是在对建筑和基础设施重要的高频段。

细看多次小型意大利地震

研究人员分析了在意大利中部近期地震序列中发生的49次震级3到5的地震。每次事件至少被80个台站记录，提供了密集的观测网络。通过仔细去除波传播路径和局部土壤条件的影响，他们在每个台站处分离出了所谓的“表观震源谱”：本质上就是地震在各个方向不同频率下的辐射强度。他们发现谱弯折处的特征频率（“拐角频率”）以及高频能量衰减的速度，都随每次地震周围方向显著变化。

单向强烈与更均匀的地震

为了说明这些模式，团队聚焦于两个代表性事件。一个事件表现出明显的指向性，意味着断层上的破裂优先向一个方向蔓延，向该方向发出更强的高频震动。位于该前进路径上的台站记录到更高的拐角频率和更陡的高频衰减，而相反方向的台站则较弱。相较之下，第二个事件能量更均匀地辐射，各方向的谱相似且高频衰减较缓。在所有49次地震中，作者发现每个台站处更高的拐角频率通常伴随着更快的高频衰减，揭示了一个在台站数据平均后通常被掩盖的稳健关系。

在真实断层上模拟复杂破裂

为了解释这些观测，研究人员使用基于物理的计算模拟研究断层如何破裂。他们没有把每次地震视为在简单断层上均匀、平滑的滑动，而是构建了成千上万种模型，其中关键断层属性——应力、强度以及断层滑动时弱化的速率——在空间上按现实的统计模式随机变化。这些“粗糙”断层产生的破裂会加速、减速，并与小尺度高应力斑块相互作用，产生强烈的滑动突发和丰富的高频波。通过调节小尺度差异的强度，他们不仅能重现观测谱在高达25赫兹范围内的总体形状，还能复制详尽的方向性差异以及拐角频率与高频衰减之间的正相关关系。

从简单模式到多样谱形

模拟显示，常被假设的“ω平方”谱形仅在断层复杂性处于某些水平时才会出现。当断层属性几乎均匀时，破裂较为平滑，高频震动太弱。随着异质性增大，高频能量增加，谱形更接近在意大利地震中测得的情况。非常强的异质性可以在各个方向产生特别强的高频辐射，且事件的谱在所有方向上衰减得比通常更慢。重要的是，这些模型表明，通过改变断层上小尺度复杂性的程度，同一套基本物理机制既能解释明显的指向性事件，也能解释更对称的事件。

这对危险性评估与日常风险意味着什么

对非专业人士而言，关键结论是即便是小地震也并非简单的裂缝，而是复杂的破裂过程，可能向某些地点发送更强的震动。该研究表明，包含断层小尺度复杂性的真实物理模型能够匹配实测数据中丰富的方向性模式，包括不同谱特征如何相互交织。通过更好地刻画高频震动如何以及在哪里产生，此类模型可改善对未来地震地面运动的预测，进而为建筑规范和风险评估提供更可靠的输入，帮助社区为地面以不均匀且有时出人意料的方式震动做好更充分的准备。

引用: Joshi, L., Gallovič, F. & Sgobba, S. Dynamic rupture complexity explains observed azimuthal variability in earthquake source radiation. Commun Earth Environ 7, 329 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03326-0

关键词: 地震破裂, 地震谱, 地面运动, 意大利中部, 地震危险性