与尺度相关的地震成核机制：对地震活动、构造作用及实验室实验的影响

《Tectonophysics》：Scale-dependent earthquake nucleation: Implications for seismicity, tectonics and laboratory experiments

地震成核的尺度依赖理论统一了岩石强度与断裂能量两种传统观点，提出成核应力与断层几何尺寸（W）的关系及三种模式：脆性薄壳区以强度控制为主，过渡区两者共同作用，深部大结构以能量控制为主。该理论解释了不同构造背景下地震b值差异及大陆稳定区大震群现象，为地震预测模型提供新约束。

　　

达维德·扎卡尼诺（Davide Zaccagnino）

风险分析、预测与管理研究所（Risks-X），南方科技大学（SUSTech）高级跨学科研究学院，中国广东省深圳市南山学园路1088号，518055

摘要

地震学中的一个长期挑战是调和关于地震成核的两种观点：一种基于岩石强度，另一种基于断裂能量。本文展示了最近的实验室实验和理论进展如何将这些观点统一到一个与尺度相关的框架中。核心概念是，成核应力取决于与断层特征尺寸（通常是地震生成区的下倾宽度 $W$）相对的凸起大小。由此产生了三种不同的情况：在薄而脆性的地壳区域（如某些火山地区），只有当差异应力超过岩石强度时才会发生破裂；对于中等大小的凸起，成核受强度和能量标准的共同影响；而大型地震生成结构即使在极低的差异应力下也可能发生破坏。通过将成核物理学与统计地震学和构造学联系起来，这个框架成为解释地震观测数据的强大工具。其重要预测包括解释不同构造环境中地震频率-震级分布的系统性变化，以及稳定大陆地区大型地震群发的现象。具体来说，在脆性地壳中，破裂可以高效传播并可能级联成大型事件，导致小地震的数量相对于大型地震较少（低 $b$ 值）。在火山区域或下地壳中，产生高应力降的相同物理过程也会抑制破裂扩展，从而导致高 $b$ 值。该框架提供了可检验的预测，这些预测可以通过分析地震目录来评估，为基于物理的地震危险模型提供了新的约束。

引言

地震是一种动态不稳定性，始于一个成核过程，其中局部失效逐渐演变为大规模破裂（Ohnaka, 1992; Ellsworth and Beroza, 1995; Lapusta and Rice, 2003）。理解这一初始阶段对于地震学以及评估不同构造环境中的地震潜力至关重要。地震的早期阶段通常被建模为在已有断层上的剪切裂纹成核（Kanamori and Brodsky, 2001），但长期以来一直存在一个需要调和的争议：一种方法将成核视为一个静态强度问题（Dieterich, 1992; Sammis et al., 1999; Li, 2007），即当剪切应力超过一个明确的断层强度 ${\tau }_{}$ 时破裂开始；另一种框架应用格里菲斯准则（Reches and Fineberg, 2023; Kammer et al., 2024），要求裂纹具有足够的长度 $l$，以便能量释放率能够克服断裂能量率 $\Gamma$（Udías et al., 2014）。最近的实验（Gvirtzman et al., 2025）和理论研究（Taylor et al., 2005; Paggi and Carpinteri, 2008; Cornetti et al., 2012; de Geus et al., 2019; Zaccagnino et al., 2025a; Liang and Ciavarella, 2026）表明这些情况代表了一个连续谱的两个极端，其中主导机制取决于失效区域的尺度 $R$，相对于实验室实验中的试样宽度 $W$ 或自然界中与地壳厚度成比例的下倾断层延伸。本文从理论角度探讨了这一统一框架的含义，将断层建模为由不同大小和强度的凸起组成的受限结构。在这种观点下，地震破裂代表了一系列凸起失效的级联，成核对应于单个凸起上的初始不稳定性，为地震活动的物理学提供了新的见解，并将其应用于构造物理学和地震危险评估。

部分摘录

理论框架

最近的一系列实验和理论工作正在为成核问题的尺度依赖性寻找可能的解决方案。例如（Gvirtzman et al., 2025）的研究，以及 Paggi and Carpinteri (2008)、Taylor et al. (2005) 和 Cornetti et al. (2012) 的研究表明，基于强度和基于能量的模型并不是对立的假设，而是由失效尺度控制的连续谱中的特定情况。

断层和地壳稳定性

应用这一理论框架可以发现，地震的成核会受到地震生成区几何限制的直接影响或间接影响，这通过其下倾宽度 $W$ 来体现。在过渡区域（$WG$），具有断裂能量 $\Gamma$ 和模量 $E$ 的凸起的成核应力遵循 ${\tau }_{\text{thresh}}?\sqrt{2E\Gamma /\left(\pi W\right)}$，这意味着动态破裂需要 $W\text{crit}\approx \frac{2E\Gamma }{\pi {\tau }_{\text{thresh}}^2}$。然而，在大多数地壳断层所具有的能量控制区域（$WG$），成核

成核机制的相图及其在实验室实验和断层系统中的应用

对所提出的统一框架的一个关键测试是其与脆性地壳力学中涉及的关键物理量是否一致。验证的难度在于参数的广泛变化；在本节中，我旨在提供费米式的数量级估计，以概述具有三种提出的成核机制的相图结构。断层区域及其周围体积的弹性模量，包括受损岩石，具有很高的

在脆性和韧性环境中的 b 值建模

上述基于尺度的成核框架为解释地震学中的关键观测数据提供了有力的视角，包括古登堡-里克特 $b$ 值、断层应力水平和应力降。为了正式推导这些关系并将其统一起来，本节介绍了一个简单的共震相位模型，该模型将断层流变学与推导出的成核标准结合起来，并利用尺度论证建立了物理量之间的定量联系

结论

本文基于最近的实验室实验和理论研究，提出了一个统一的、与尺度相关的地震成核框架的理论和观测意义，该框架调和了基于强度和基于能量的模型。基于图 1 中的相图（受 Liang and Ciavarella (2026) 的启发），我描述了三种基本机制：强度控制（$WG$），过渡（$WG$），以及能量控制（$WG$），在这些机制中，较大的凸起会成核

资助

本研究未获得外部资助，由风险分析、预测与管理研究所（Risks-X）和南方科技大学（SUSTech）支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢编辑 Gregory Houseman 处理手稿，以及 Seth Stein 和一位匿名审稿人的宝贵建议，这些建议极大地促进了文章的改进。与 Michele Ciavarella 的讨论启发了这项研究。