地震破裂扩展速度是影响地震强地面运动的重要因素，它进一步制约着天然地震破坏力的大小。特别是破裂速度超过断层岩石介质剪切波速（Cs）的超剪切地震破裂，破坏力巨大。传统的地震破裂理论认为，破裂速度只有在等于岩石介质的Rayleigh波速（~0.92Cs）和超过Eshelby速度（1.414Cs）时才能保持稳定；而且经典模型认为，均匀断层上的地震破裂在起始阶段通常是低于Rayleigh波速，然后通过Burridge-Andrews速度转换机制来达到超剪切破裂速度。然而，2018年Mw7.5 Palu地震在破裂的一开始就获得稳定且低于Eshelby速度的超剪切速度，颠覆了人们长期以来对地震破裂的上述认知！此外，大量天然地震的破裂速度低于Rayleigh波速，这也与传统地震破裂速度理论存在矛盾。总之，实际观测的天然地震破裂现象极大地挑战了地震破裂速度理论，地震破裂速度范围及其控制因素是困扰地震物理学家的根本科学问题，人们亟需破解这一难题并进一步获得地震破裂速度的基本模型。
针对上述科学问题，我校工程技术学院求真博士后董鹏，在夏开文教授的指导下，联合天津大学、加拿大多伦多大学、美国宾夕法尼亚州立大学、法国蔚蓝海岸大学的合作者，基于实验室地震研究方法，在不同断层粗糙度（极光滑、光滑、粗糙）和构造荷载（水平载荷1MPa、2MPa、3MPa）条件下进行实验室地震实验。通过对断层瞬态破裂过程开展全场高分辨率时空光电联合观测（图1），深入研究地震破裂机制，取得以下新的认识：
（1）均匀载荷作用下平直断层上的自发破裂能够以稳定的且低于Rayleigh波速的亚剪切速度或者低于Eshelby速度的超剪切速度传播（图2），而且破裂传播过程中广义断裂能与破裂长度呈正相关；
（2）自发孕育的地震在成核之后就可以获得稳定的超剪切破裂速度，不需要通过Burridge-Andrews速度转换机制来达到超剪切破裂（图2）；
（3）控制地震破裂传播速度的关键控制因素是断层驱动力（图3），理论分析地震破裂传播速度与断层驱动力的关系，发现地震破裂遵循自相似模式；
（4）通过创立的地震破裂速度统一力学模型，重新划分了地震破裂速度稳定区间，能够很好地解释天然地震破裂速度的分布范围（图3）。
图1 室内地震实验模拟天然地震过程
图2 实验室地震的成核及破裂传播过程
图3 地震破裂传播速度的稳定性及控制因素：a. 实验室地震破裂速度和断层驱动力的统一关系模型，并以此划分出破裂速度稳定区间；b. 天然地震破裂速度分布范围与破裂速度稳定区间相符
该项研究以实验室地震为基础，结合断裂力学理论分析和天然地震观测，创立了地震破裂速度的统一力学模型，具有鲜明的学科交叉特点。我校求真博士后董鹏为该论文第一作者，夏开文教授为该论文独立通讯作者，中国地质大学（北京）为论文的第一和通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金委项目（42174061和42141010），中国博士后科学基金特别资助（站前）项目（2022TQ0319），加拿大自然科学与工程研究基金（72031326）的支持。相关成果于2023年4月27日发表于国际著名期刊《Nature Communications》：Dong, P., Xia, K.*, Xu, Y., Elsworth, D. & Ampuero, J.-P. Laboratory earthquakes decipher control and stability of rupture speeds. Nature Communications, 14, 2427, doi:10.1038/s41467-023-38137-w (2023).
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38137-w
