近日，中国科学院海洋研究所海底地热与岩石圈动力学研究组联合日本东京大学，在俯冲带重复地震破裂机制研究方面取得新进展。研究基于日本东北—北海道俯冲带19年的地震波形资料，揭示了重复地震中广泛存在的层级断层结构和显著的下倾破裂传播特征，并发现其破裂过程很少完全重复。相关成果于9月18日发表在国际期刊Science Advances。

俯冲带孕育全球最大的地震和海啸，但巨型地震的复发周期通常长达数百年，而现代仪器观测仅有数十年，难以覆盖多个完整地震周期。相比之下，中小型重复地震可在数月至数年的时间尺度内在断层同一位置反复发生，为研究地震破裂机制和可预测性提供了天然实验室。然而，即使被称为“重复地震”，其破裂过程究竟能够在多大程度上真正重复，长期以来仍缺乏系统的定量认识。

研究团队综合日本陆地Hi-net和海底S-net地震台网资料，采用高精度震源－质心相对定位方法，重点对45个高质量地震序列开展统计分析。结果显示，80%和76%的序列分别表现出显著聚集的震源和质心位置，说明稳定的断层结构持续控制地震破裂的起始和终止。同时，60%的序列中存在起始位置相近、但震级明显不同的大小地震，表明相似的初始破裂可以演化为不同规模的地震，反映出断层内部广泛存在多尺度层级结构。

研究还发现了显著的下倾破裂传播优势，即地震破裂更倾向于沿板块界面向陆侧传播。在能够可靠解析破裂方向的事件中，约45%向下倾方向传播，约20%向上倾（即向海方向）传播。这种破裂方式可能增强沿海地区的地震动，对俯冲带沿海地区地震灾害评估具有重要意义。进一步定量分析表明，在不同破裂属性中，破裂方向表现出相对较高的重复性，但多个破裂特征同时保持高度一致的情况十分有限，说明重复地震更多表现为部分破裂特征的重复，而非整个破裂过程的完全复制（图1）。

图1 重复地震不同破裂属性的重复程度

为解释这些观测现象，研究团队提出多尺度层级断层斑块模型（图2）。在该框架中，地震首先在小尺度结构上成核，并可进一步向更大尺度结构级联扩展，因此相似的起始破裂可以形成不同规模的地震。研究进一步提出“层级重复地震（hierarchical repeaters）”概念，将具有相似破裂起点的震源重复地震和具有相似最终破裂区域的质心重复地震，统一到同一层级破裂框架中。

图2 层级断层斑块模型及不同类型重复地震形成机制示意图

研究表明，稳定的断层结构能够持续约束地震破裂的起始、传播和终止，但相似的初始破裂并不对应唯一的最终规模。这一结果揭示了地震破裂过程中确定性与复杂性的并存，并提示仅依赖早期破裂信息判断最终震级存在内在局限，对地震早期预警和概率预测具有重要启示。若不同尺度地震具有自相似性，该层级破裂机制还可能为理解巨型俯冲带地震的破裂增长提供新思路。

中国科学院海洋研究所高大维研究员为论文第一作者和通讯作者，日本东京大学Satoshi Ide教授为共同作者。该研究得到国家自然科学基金和中国科学院海洋研究所自主部署项目等支持。

论文信息：

Gao, D.* & Ide, S. (2026). Hierarchical repeating earthquakes with strong downward directivity. Science Advances, 12, eaeb3563. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb3563