大地震会直接导致地表剧烈变形破裂，造成大量人员伤亡和财产损失。地表脆性变形如何响应地震事件发生，其破裂过程和变形特征是怎么样的，他们在震区断层系统之间如何传递？前人针对这些科学问题开展过大量研究，但受限于震后灾区的复杂情况，很少完整记录震后地表变形的初始特征。
2023年2月6日的土耳其东部大地震，是该区本世纪以来破坏性最大的地震事件，共造成59,259人死亡，1,488亿美元损失（土耳其GDP的9%）。中国地质大学地球科学学院、地质过程与矿产资源国家重点实验室和湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站Timothy Kusky教授研究团队在国家自然科学基金委“特提斯地球动力系统”重大研究计划重点项目“大陆碰撞侧向逃逸和初始板块边界的形成”支持下，自2017年开始在土耳其开展新构造和大地构造演化研究。该研究计划也是中国国家自然科学基金委第一个系统性鼓励中国科学家走出国门、在境外开展研究，彰显中国研究实力和国际视野的重大研究计划项目。
Kusky教授在2008年汶川地震后曾作为做最早期抵达的国外学者与国内合作者共同在汶川开展震后野外调查，获取震后断层泥擦痕等信息并合作发表文章，后来再次前往震区后发现这些最初始的信息很容易被后期降雨或余震等破坏掉，因此深知震后最及时的野外调查对深入理解震后地表破裂和地震性质的重要性。
2023年2月16日，土耳其首震发生后第十天，Kusky研究团队将项目组成员博士生孟建南派达震区，与项目组海外合作者成员土耳其中东技术大学地质工程学院院长、中国地质大学（武汉）客座教授Erdin Bozkurt教授共同开展震后地质调查。项目组在地表破裂痕迹被降雨、洪水、灾后重建以及其他震后变形作用破坏之前，对与该次地震事件造成死海断层、东安纳托利亚断层的地表位移进行系统实地测量，并选取代表性区域，对地震导致的地表破裂进行厘米级无人机填图，并以数字地图的形式永久保存。这是人类历史上震后罕见和及时的地表破裂变形原始记录，为大型走滑型地震事件导致的地表变形、破裂在复杂断层系统之间的传播机制提供了重要参考。文章成果于2024年1月19日发表在《Science》期刊，并作为Research Highlight推荐。第一作者为中国地质大学（武汉）地球科学学院2018级博士生孟建南和Timothy Kusky教授，共同通讯作者为Timothy Kusky教授和美国地质调查局Walter Mooney教授，共同作者还包括土耳其中东技术大学地质工程学院Erdin Bozkurt教授，土耳其哈卡里（Hakkari）大学工程学院Mehmet Nuri Bodur教授和地质过程与矿产资源国家重点实验室王璐教授。
图1 地震震区构造及余震分布图
此前，研究团队对2020年10月发生在土耳其安纳托利亚板块西部罕见的Mw 7.0伸展型地震也开展了相关研究，通过野外工作获得重要新构造活动断层的运动学数据，结合地球物理研究提出，Mw 7.0地震事件是在大洋向大陆板块俯冲汇聚板块边界，俯冲的板块发生回撤背景下造成的上盘伸展型地震，整个区域地表构造以南北向伸展为特征（Meng et al., 2021）。而本次发生在安纳托利亚板块东部地震事件，处于大陆向大陆碰撞的汇聚板块边界，是挤压和走滑共同作用的背景下发生的地震。是在北向运动的阿拉伯板块与欧亚板块碰撞、安纳托利亚板块侧向挤出这一构造背景下，死海断层带（DSF）和东安纳托利亚断层带（EAF）两条重要的转换型板块边界及其分支在板块构造运动的背景下共同活动导致的（图1）。本研究开展的实地勘察结果、美国地质调查局的地震数据和卫星图像数据共同揭示，M7.8级地震震中位于死海断层北部尽头的Narlı段，震后地表形成2-2.5m的位移。震后24秒钟，破裂向北部传播到应力积聚已达上百年的东安纳托利亚断层，激活了整条东安纳托利亚断层带，导致地表产生长达350km的破裂带，并引发大量余震。值得注意的是，两条断层的交汇处测得的地表位移为6.7m，是整个地震区域实测地表位移的最大值。随后，破裂自交汇处向东安纳托利亚断层两侧不断传播，位移错动值也向两侧逐渐递减（图2），约9小时后，一个位于东安纳托利亚断层带与Çardak-Sürgü （Ç-SF）断层带交汇处的余震事件，诱发了第二次Mw7.5地震事件，同时激活了整条Çardak-Sürgü fault断层带，形成了约110km的地表破裂，并在该断层带上再次诱发大量余震。
图 2 A和B分别为Mw7.8和Mw7.5地震能量释放谱图；C. 纵轴为NarLı段地表位移值，横轴为数据点到震中的距离；D. 纵轴为NarLı段和EAF地表位移值，横轴为数据点到震中的距离；E. 纵轴为EAF地表位移值，横轴为数据点到震中的距离；F. 纵轴为EAF地表位移值，横轴为为破裂长度, 该数据集来源于已发表的卫星遥感数据。蓝色数据点为野外实测值，黄色数据点为已发表数据，蓝色条带指示地表最大位移的位置，折线展示地表最大位移值的变化趋势。
图 3 A. Çardak-Sürgü断层带中切过山脊的同震新生断裂; B. 死海断层NarLı段形成于盆地中央的同震新生断裂
图4 无人机地表变形记录，自上而下从Narlı段到EAF，地表变形程度由弱到强
本研究提出以下新的认识：（1）强调地表最大位移并不一定出现在地震的震中。换句话说，地震震中并不一定是地表破坏程度最大的位置，本次地震事件清晰地展示出，地表破坏最大的位置距离震中47.5km，而地震震中位置未见显著的地表破裂，与此前普遍认为的“震中为地表破坏最大位置”的观点不同，地震活动与地表破坏程度关系的复杂性，并非简单的距离关系。（2）传统观点认为，断层的交汇通常会限制破裂地传递，但是本次地震事件中，地表最大位移却恰好位于死海断层的Narlı段与东安纳托利亚断层交汇的位置，破裂通过交汇处沿东安纳托利亚断层继续传播，诱发新的大规模地震活动。（3）本研究记录的地表破裂和变形准确位置显示，地震形成的新生破裂和断层不仅会激活一部分先存的薄弱面（先存断层面或岩体接触面等），同时还会直接切过盆地中央和山脊形成全新的断层（图3）。此外，本研究将本次地震松散地表的破裂特征与前人以不同岩石介质的破裂研究相对比，发现破裂形态和特征极为相似，推测对于未固结沉积物及土壤，其破裂过程中应力状态的影响可能大于地震传播的介质类型（图4）。
本研究及时记录了震后地表的破裂特征，清晰展示其在不同断裂系统中的传播规律，揭示多个转换型板块边界对板块运移的响应和形成灾难型地震事件的具体过程，为进一步研究地震事件对人类社会的直接影响提供了重要参考资料。
论文引用信息：
1) Jiannan Meng, Timothy Kusky*, Walter D. Mooney*, Erdin Bozkurt, Mehmet Nuri Bodur, Lu Wang. Surface Deformations of the February 6, 2023 Earthquake Sequence, eastern Türkiye, Science 383, 298-305 (2024). DOI: https://doi.org/10.1126/science.adj3770
2) Jiannan Meng, Ozan Sinoplu, Zhipeng Zhou, Bulent Tokay, Timothy Kusky, Erdin Bozkurt, Lu Wang. Greece and Turkey Shaken by African tectonic retreat. Sci Rep 11, 6486 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-86063-y
注：本研究在国家自然科学基金委特提斯重大研究计划、国家自然科学基金基础科学中心项目和地质过程与矿产资源国家重点实验室自主课题等项目支持下开展。
