【研究亮点】李海兵、潘家伟等-Geology：主震“沉默”，余震却撕裂大地——2024年新疆乌什地震揭示复杂断层新机制

　　通常情况下，大地震发生后，主震会造成地表出现令人触目惊心的巨大破裂和错动。但是，2024年1月23日在我国新疆乌什地区发生的Mw7.0地震，呈现截然不同的景象：能量巨大的主震竟然未能撕开地表，却“沉默”地在地下深处形成破裂；而七天之后，规模较小的Mw5.7余震，造成了清晰可见、长达数公里的地表破裂带（图1，2）。

　　针对这一地震反常现象，中国地质科学院地质研究所李海兵研究员团队联合多家单位，通过地质学、地震学与大地测量学等综合研究，取得了以下主要认识。

图1：2024年新疆乌什地震（Mw7.0）的余震（Mw5.7）产生的地表破裂特征

（A）分布在山腰处的清晰线状地表破裂（红色箭头指示）；（B） 破裂呈NW向逆冲，清晰地切割山脊（红色箭头指示）；（C）NW向逆冲的同震地表破裂面，形成约95cm的垂直位错的新鲜断层陡坎，断层面上可见红色薄层断层泥，表明破裂沿原先存在的不成熟的断层发生；（D）同震地表破裂切割山脊形成约52cm垂直位错；（E） 断层面上可见原先存在的断层泥，并显示出这次地震近垂直的擦痕（红色箭头处），指示了断裂活动为纯的逆冲运动性质。

1. 核心发现：反常的破裂序列

　　2024年1月23日，乌什Mw7.0主震发生在西南天山南缘NE-SW走向的逆冲断裂带中的南迈丹断裂上。综合卫星雷达（InSAR）观测、野外实地调查和无人机航拍信息，确认主震没有产生任何同震地表破裂，其能量释放主要集中在地下5-20公里的深度（图2A，C）。

　　出乎意料的是，1月29日发生的Mw5.7余震，却在主震震中南侧约12公里、南迈丹断裂西北方向约3.7公里处，形成了一条同为NE-SW走向，但倾向与主震发震断层相反，长达4.7公里、垂直位错最高达1.7米的地表破裂带（图2B，D，F，G）。

图2：2024年新疆乌什地震主震（Mw7.0）与余震（Mw5.7）产生的地表形变

 （A）Mw7.0主震和（B）Mw5.7余震的Sentinel-1干涉图；（C）乌什地震主震（Mw7.0）的InSAR反演断层滑动分布。反演得到的断层走向、倾向和倾角分别为225°、NW和67°。黑色箭头表示发震断层上的滑动矢量，破裂没有延伸至地表；（D）针对Mw5.7余震沿西北段（D）和东南段（E）的InSAR反演断层滑动分布，破裂延伸至地表；（F）Mw5.7余震产生的长达4.7公里的地表破裂带（红色线条），SE盘抬升；（G）基于无人机测绘生成的数字高程模型测量获得的Mw5.7余震垂直位移量（蓝色线条，包含野外实地测量）与InSAR形变数据（灰色阴影），最大垂直位错～170厘米（见插图）。

2. 机制揭秘：余震如何“造山”？

　　一次地震事件中主震释放的能量一般占据全部能量的90%以上，为什么占据能量极少的余震能造成如此显著的地表破坏？研究团队通过整合余震精定位、InSAR形变场和地质构造分析，发现Mw5.7余震并非发生在主震的NW倾向的南迈丹断裂上，而是激活了一条倾向与之相反（SE倾向）的“反向逆冲断层”。与此同时，InSAR数据显示，在南迈丹断裂对应的地表位置，也发生了轻微的褶皱变形。也就是说，这次余震实际上同时激活了SE倾向的反向断层和浅部的NW倾向的南迈丹断裂，二者共同作用，如同一个巨大的“夹子”，使其间的岩块向上抬升，形成了一个典型的“弹出构造”（Pop-up structure）（图3）。

图3：2024年新疆乌什地震构造模型示意图

(A) InSAR变形剖面显示Mw5.7级余震产生的“弹出”结构（见棕线指示的地表形变构造）。绿线和棕线分别表示主震和余震造成的地表变形。(B)横跨地表破裂带的地震构造剖面，Mw5.7余震产生NW向逆冲地表破裂和SE向逆冲的褶皱变形，其余震的质心深度为1～2km（兰色海滩球位置），余震分布指示在主震断裂下盘存在SE倾向的次级破裂。(C)主震震中东侧横跨迈丹断裂系统的地震反射构造剖面，余震分布显示在主震断裂上下盘可能存在SE倾向的次级破裂，与乌什盆地内分布的SE倾向的次级断裂一致。(D)主震断层破裂、Mw5.7余震破裂以及主震和余震相对位置的三维示意图。图B、C中余震分布为各剖面10 km宽范围内的余震。红色线表示地震断层；黑色（虚）线表示这次事件中未活动的断裂。NMDF-北迈丹断裂；SMDF-南迈丹断裂。

3. 科学模型与深远意义

　　研究团队进一步提出了“主震止步阶区，余震激活反向断层”的普适性概念模型来解释这一现象。乌什震区的地下构造是由南、北两条倾角较陡的迈丹断裂组成的（逆冲）挤压型“阶区”。主震在南迈丹断裂上破裂，但由于两条断裂间距约10公里，超过了断层破裂通常能够直接跨越的宽度（约5公里），导致主震破裂在此“止步”。但是，主震的巨大能量并非凭空消失，它极大地改变了周边区域的应力状态，像一个“应力传递器（plunger）”一样，在阶区下方的下盘（footwall）中积累了巨大的应力。最终，这部分应力在Mw5.7余震中释放，推动浅部预先存在的脆弱反向逆冲断层发生破裂，并最终抵达地表。

　　本研究挑战了传统认知，它打破了“只有主震才能产生地表破裂”的固有观念，证明即使在主震没有产生地表破裂的情况下，余震同样能造成严重的地表变形。本研究同时革新了灾害评估模型，在复杂的挤压构造区，必须将那些浅部、次要的断层（如反向断层）纳入评估体系，因为它们可能在主震后的余震中被激活，对位于其上的建筑物、管道等生命线工程构成直接威胁。

　　乌什地震序列提供了一个理解复杂断层系统行为的宝贵天然实验，清晰地表明，大地震的风险并非仅在主震发生时一次性释放，其后的一段时间内，那些被应力改变的浅部次级断层，依然可能扮演“沉默的杀手”角色。未来，在评估诸如天山、喜马拉雅等活跃造山带的地震风险时，科学家和工程师们需要戴上“新眼镜”，更仔细地审视这些潜在的危险源。

　　该研究由国家自然科学基金项目（42230312，42325207）、科技部项目（2019QZKK0901, 2021FY100101，2023YFC3012003）和中国地质调查局地质调查项目（DD20240041）等共同资助。研究成果发表于国际权威期刊《Geology》上。中国地质科学院地质研究所李海兵研究员为第一作者，并与中国地震局地震预测研究所房立华研究员、北京大学王腾教授为共同通讯作者。

论文信息：

Haibing Li*, Jiawei Pan, Marie-Luce Chevalier, Dongliang Liu, Shiguang Wang, Heng Luo, Long Zhang, Lihua Fang*, Teng Wang*, Fucai Liu, Shenqiang Chen, Xiaohui He, Xunzhang Zhu, Yihu Zhang, Qiong Wu, and Chunrui Li. 2025. Aftershock-induced surface ruptures overshadow the 2024 Mw 7.0 Wushi mainshock, China. Geology.）

　　原文链接：https://doi.org/10.1130/G54078.1