凹凸体与障碍体均是地震断层面上不均匀体的表现形式，如图 1所示。凹凸体被认为是活动断层上的应力集中区域，也就是应力积累的强闭锁段，并最终以大震的形式释放其前期主要的能量积累^[5，10-11]。在地震发生阶段，部分断层破裂导致局部滑动，但仍存在未滑动或者破裂的区域，该区域被称作障碍体。凹凸体震源模式与障碍体震源模式几乎是同时被提出的。障碍体震源模式是描述地震断层破裂强度不均匀性的理论震源模式^[12]，用以表示地震断层面上破裂强度比周边高、主震发生时不发生滑动、能终止破裂或者破裂会越过它的区域。因此障碍体可以被认为是地震发生后没有滑动的、具有高强度、高应力的区域，该区域通常起到抑制破裂甚至阻止破裂的作用。

图  1  凹凸体和障碍体（改自文献[13]）

Figure 1.  Asperities and Barriers (Modified from Reference[13])

障碍体相对于凹凸体虽然都是指断层破裂面上应力相对集中的区域，但是它们在地震孕育和发生过程中却具有完全不同的作用。凹凸体可以看作震间断层面上存在的高强度的、没有发生破裂的区域，随着断层运动导致的应力增大，该区域可能是未来地震破裂的起始点。以凹凸体模式为主震的破裂方式，在主震前很可能有较多的前震发生。障碍体则主要表现为强度较大，在断层破裂过程中起到限制破裂甚至终止破裂的作用。以障碍体模式为主震的破裂方式很可能没有前震发生，但余震活动频繁，而且很可能发生中强余震^[14]。

针对凹凸体震源模式，活动断层部分或者全部因为凹凸体的存在而出现闭锁时，构造应力更容易不断积累，从而孕育大地震；反之，若活动断层面上不存在凹凸体，其构造应力通常以蠕动变形的方式得以调整和释放，构造应力的积累和大地震的孕育则不容易发生^[15-17]。由于断层上的耦合强度等于断层面上作用应力的真实接触面积和接触面上平均应力的乘积，因此断层上凹凸体相较于周边围岩的耦合强度更大，而断层面上的强耦合可以克服剪切段所产生的作用，从而形成规模较大的地震破裂带，因此大地震的发生一般与凹凸体模式相联系^[18]，也可以说凹凸体最终破坏的过程就是大地震发生的过程，同时也是应力均匀化的过程。

由于大地震的发生一般与凹凸体模式相联系^[18]，因此确定凹凸体的位置、大小、形态等有助于更加深入了解地震的孕震机理及破裂过程，对未来地震危险性分析起着至关重要的作用。不同学科根据不同的识别方法、数据处理体系和判断基准等，确定活动断层上凹凸体的分布及特征^[13，19-21]。本文主要从介质结构分布、地震活动性、断层滑动特性三个方面来探讨凹凸体确定的技术与方法（图 2）。

图  2  凹凸体确定的方法与技术

Figure 2.  Methods and Techniques for Determining Asperities

大地震的发生不仅与活动断层的几何形态、应力积累状态有关，更和周围介质结构有着密切联系，而速度是介质的重要参数之一^[4]。地震层析成像技术借鉴医学领域计算机断层扫描思想，利用地震波在地球内部传播的特性对浅层地壳结构进行研究，为研究地球内部的介质属性和构造特征提供了重要途径^[22-31]。该技术是研究震源区域速度结构的有效方法，可以提供与震源区介质及地震发生位置等相关的重要信息，为了解地震的孕育和发震过程提供重要依据。

近年来，随着大量地震观测台阵的布设及高精度地震到时数据获取技术的发展，国内外地震学家基于大量的大地震震源区精细结构研究，发现大地震的发生与速度异常分布有着密切关系^[32-37]。这些研究表明，低速体区域韧性较强，不容易积累较强的应变能，同样也不容易产生脆性破裂；而高速异常体则通常起到识别沿断裂带凹凸体的作用，表现为脆性特征，强度相对较大，易于积累孕震能量；高、低速体的过渡地带既是应力集中的位置，又是介质相对脆弱、强度偏低的位置，易于发生地震，通常为余震发生的区域。

基于地震层析成像技术获取的汶川地震和芦山地震之间地震空区的精细速度结构，结合余震精确定位数据表明，汶川地震和芦山地震所发生的龙门山断裂两侧具有明显的速度差异，两个地震的西侧均表现为高速异常，即地震的闭锁区（凹凸体），该区域对应着强余震分布区^[38-39]。基于汶川地震的三维体波成像结果发现，汶川地震的震源区位于高速异常区，高速体的深度范围为0~30 km^[40]。同时，该研究发现在震源区西侧下方也存在波速异常结构，推测与青藏高原下地壳塑性流相关的部分熔融流体的侵入有关。

大地电磁探测是以平面电磁波作为场源，通过观测电磁场分量来探测地下不同深度介质的导电结构^[41]。大地电磁探测是研究地球深部电性结构和构造的主要地球物理方法，在研究地震震源区结构特征方面发挥了重要作用。高阻结构通常对应着更低的孔隙度、更强的岩石完整性和更高的力学强度^[42]。文献[43]基于穿过汶川地震发震断层的龙门山断裂带中段和芦山地震所在的龙门山断裂西南段的大地电磁剖面结果，发现汶川地震和芦山地震均处于高阻体内部，表明这些区域存在强度较大、容易积累应力的凹凸体。

除了上述震例，国内外众多大地震震源区均存在高速或高阻的结构异常。1966年美国帕科菲尔德M 6.0地震的三维速度结构显示，地震矩释放区域与高速区存在很好的对应关系^[33]；1978年唐山Ms 7.8地震的震源区附近也存在深度约10 km的高速、低波速比结构体，其下方表现为低速、高波速比异常结构^[44]；2015年尼泊尔Mw 7.8地震发震断层二维Pg波成像研究发现，速度结构与破裂过程和地震波能量辐射存在密切联系，高速异常体对应破裂滑动最大区域，该高速异常体为尼泊尔地震的凹凸体^[36]；2021年云南漾濞Ms 6.4地震的震源区也呈现显著的高速、低波速比^[45]和高阻结构^[46]，该异常结构体被发震断裂切割，且展布深度达15 km。

地震空区是大型活动断裂带上长时间没有发生过大地震的段落，这种段落相对于相邻的、发生大地震不久的段落可以积累更高的应力、应变，因此可能是未来大地震发生的危险段^[47-48]。地震时，地下岩石中的应力经历了缓慢积累-快速释放的过程^[49]，对该过程的认识是地震空区方法的物理基础^[50]。在地震长期预测方面，自从地震空区的概念提出以来，便成为大震预测的常用方法之一。在板缘地震带上，尤其是在环太平洋地震带上，几乎所有的大地震都发生在利用地震空区法预先确定的区域内^[51-53]。后来，该方法逐渐扩展到大陆地区（板内区），在中国板内地震空区的识别也有一些成功的案例^[54-56]。

近年来，地震空区的研究已经与活动构造、历史强震背景和断裂带现今活动性的分析紧密结合，使得地震空区的物理含义及其与潜在大地震危险区（即凹凸体）的关系能够被更好地理解^[57-60]。通过综合分析区域地震活动图像随时间的演变、沿断裂历史强震背景以及精定位的小震时-空分布特征，文献[60]对安宁河断裂上的地震空区进行深入研究，发现该断裂存在两个紧邻的现代小震活动空段和稀疏段，冕宁以北空段和冕宁-西昌空段，长度分别为65 km和75 km，分别指示两个高闭锁的断裂段（凹凸体），最近大震的离逝时间分别是527年和471年。由积累的地震矩估计出这两个断裂段潜在地震的最大震级均为7.4级。

活动断裂带在震间期通常以震级较小（M < 5.5）的背景地震活动为主，使用背景地震活动性来确定包含未来大地震初始破裂点的凹凸体是近年来众多地震学家关注的热点问题^[61]。文献[62-63]在分析历史地震活动性资料时发现，任何地区的地震震级分布满足以下关系：

式中，N表示震级在M以上的地震事件总数；参数a描述了整体的地震数量，取决于研究区域的面积和所选的研究时长；参数b则表征了不同震级地震之间的相对分布情况。这一关系便是统计地震学中著名的古登堡-里克特定律（简称G-R关系），而参数b便是在地震研究中受到广泛关注的b值。影响b值的因素很多，其中地壳中的有效应力是主要因素之一。某一范围内的高b值表明小震活动频繁，而大震相对缺乏，有效应力较小，反之，较低的b值则指示大震的相对分布更多，表明该区域是潜在的孕震区域，有效应力较高。因此可以通过计算活动断裂带上的b值分布，对断裂带的应力状况和地震危险性进行分析，同时利用b值较低的区域圈定潜在的凹凸体位置。

基于b值与应力状态呈反比的关系，国内外学者利用b值进行了活动断裂带凹凸体确定的研究，并取得了很好的效果^{[57，61，64]}。文献[65]基于b值分布讨论了川滇块体东边界断裂带的应力空间分布与强震危险性，并据此圈定了多个凹凸体以及川滇块体东边界未来大震的震源区；文献[66]收集、整理和分析了1970—2008年期间龙门山断裂带上的小震数据，去除了断裂带上丛集数据和余震，获取了龙门山断裂带所在区域的b值分布图，并基于低b值区域识别出了2008年汶川地震之前龙门山断裂带上的凹凸体分布，结果显示凹凸体的位置与汶川地震发生的起始破裂位置和极震区的位置基本保持一致；文献[67]研究表明日本南海海槽的b值与差应力、滑动亏损的反比关系，且东部高滑动亏损的b值低于西部地区，说明东部凹凸体上的差应力高于西部地区，这可以解释日本南海海槽地震记录中东部往往首先破裂的现象。

地震破裂面上的滑动是不均匀的，地震学家通常把活动断层面上应力集中或者滑动量明显高于其他部分的破裂区域称为凹凸体^[6，18]。凹凸体的概念最初是在地震学中为了解释地震波的高频辐射成分提出来的，用来反映断层面上应力明显高于周围的区域，其应力相对集中的性质随着断层几何状态或者接触带不均匀的摩擦强度发生变化。因此，当断层面上的剪应力大于凹凸体的屈服应力时，则发生局部滑动，使应力强度较小的凹凸体发生破坏，从而引起周围其他凹凸体面上的应力增加。在断裂带上发生大地震之后，可以根据强震动记录数据和地震波反演的震源机制及地震矩释放率的变化来识别活动断裂上凹凸体的分布。地震发生过程中，地震矩释放率最大的位置与断层面的最大滑动位置基本吻合，同时这个位置也是地震发生前应力相对周围要高的地方，即断裂带上最大凹凸体存在的位置。关于大震发生后凹凸体的识别，较早的详细研究起源于文献[13]，通过强震动记录对凹凸体进行研究，随后许多学者基于位错理论，通过拟合地震波形资料反演获得有限断层面上的滑动分布^[68-71]，以此来识别活动断裂带上的凹凸体。

空间大地测量技术，如全球导航卫星系统、合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）等，进行同震滑动分布反演的发展相对较晚，但高精度的地壳形变数据提高了人们对地壳运动规律的认识。大地测量观测数据与震源参数机制的研究通常是以位错模型为基础，Okada^[72]通过对均匀弹性半空间矩形位错理论进行研究，给出了由矩形断层位错引起的地表位移、应力及应变公式。该模型已成为近几十年来研究震源机制的主要模型，在基于大地测量数据确定凹凸体的研究中得到了广泛的应用^[73-80]。

许多学者基于大地测量数据对2008年汶川地震进行了深入研究，文献[78-79]研究表明，断层面的几何形态复杂、粗糙度高等因素在凹凸体的产生和破裂过程中起到重要作用；文献[80]基于InSAR和全球定位系统（global positioning system，GPS）数据反演了汶川地震的同震滑动分布，发现破裂过程中存在5个凹凸体，分别位于青川段、北川段、岳家山段、虹口段和汉旺段，除了西南端的虹口段中部外，大部分的滑动都集中在10 km深度以上的区域（图 3）。

图  3  汶川地震的同震滑动分布^[80]

Figure 3.  Coseismic Slip Distribution of the Wenchuan Ms 8.0 Earthquake^[80]

对于一些大地震，重力卫星可以检测到同震过程中质量的迁移^[81-82]。近年来，利用重力场恢复与气候实验卫星重力资料探测大地震的同震重力信号成为当前地学界的一个研究热点。将地震震源近似为点源或均匀滑动的矩形断层，利用重力卫星观测资料确定这些地震事件的震源参数，并基于重力场变化信号可以进一步扩展到有限断层的滑动分布反演^[20，83]，因此基于重力观测的同震滑动分布反演为凹凸体识别提供了新的技术思路。

在地震发生前（震间期），凹凸体通常表现为高应力积累和高度闭锁，因此断裂带上滑动亏损集中/闭锁的区域即为相应的凹凸体。利用大地测量数据反演断层的震间滑动亏损/闭锁主要基于震间位错模型。文献[84]基于形变观测资料建立了走滑断层的一维震间位错模型，即反正切位错模型，该方法简单、实用，至今仍使用广泛。文献[85]则基于Okada的刚性块体负位错模型给出了弹性半空间内的三维震间模型，认为断层两侧的块体不仅有平动，还有旋转运动，并利用矩形位错模型^[72]来计算处于闭锁深度内的断层滑动亏损/闭锁引起的地表位移。随后，多位学者对上述三维模型进行了改进，如引入欧拉矢量来描述断层两侧活动块体的运动^[86]，考虑活动块体内自身的均匀应变^[87]，将三角形位错单元引入模型构建更加精细的断层几何^[88]等，使得三维模型在震间研究中被广泛应用。文献[89]利用3D弹性模型反演得到了海原-六盘山断裂带的闭锁程度与滑动亏损分布，发现金强河断裂、毛毛山断裂和六盘山南段存在明显的滑动亏损区，未来一段时间的地震危险性高于其他断层段；文献[21]在建立3D震间粘弹性形变模型时引入三角形位错元来表征精细断层几何模型，并考虑断层非直立时的倾滑滑动亏损分量，发现鲜水河-安宁河-则木河断裂带在石棉-冕宁段和道孚-康定段存在两个较大的凹凸体。

地壳形变和地下物质迁移是地震过程中最直接的现象，随着大地测量技术的不断发展，尤其是空间大地测量技术的广泛应用，人们可以获取高精度、高质量的地壳形变数据，再加上传统的水准测量、重力数据等，日益丰富的大地测量观测资料使得联合反演断层滑动特性成为确定活动断裂带上凹凸体研究的有力工具。近年来，各种大地测量数据联合反演断层滑动分布取得了一定的成果，但多集中于形变数据的联合反演，如水准、GPS和InSAR数据的联合反演^{[21，74，76-77]}，对重力数据的联合案例则较少^[90]，原因之一可能是目前重力卫星仅能观测到特大地震的重力异常^[83]，对于中强地震不敏感。近年来，随着流动重力观测数据的增多，6级以上中强地震孕育发生过程中的重力异常变化已经可以较好地反映^[91]，且重力场可以观测到地球更深部物质质量的变化，以弥补形变数据在反演中难以约束深部滑动的不足^[92]。多种数据的联合使得反演的非唯一性得到一定约束，可以从多方面描述活动断层的滑动特性，更加合理地确定活动断裂上凹凸体的分布，因此发展大地测量数据联合反演对凹凸体确定研究是很有必要的，尤其是模型、算法及其应用方面是未来关注的重点。

断层面上凹凸体的存在会产生地表位移场、地震波速度、介质电阻率以及断层周围地震活动性等的变化。不同的观测技术由于研究方法、数据处理体系和判断基准等的差别，导致对凹凸体的确定和地震危险性的判定均存在一定的差异。对于地震活动性分析方法，数据的准确性、稳定性是计算结果可靠性的重要前提，仪器记录地震信号的缺失、地震数目不足等原因都可能造成凹凸体结果的不确定性。同样，基于大地测量、地震波反演、大地电磁探测和地震层析成像方法识别凹凸体也受限于测量数据的精度和反演方法的准确性。随着反演方法和物理模型的发展，多源数据的结合为提高凹凸体分布识别的可靠性和分辨率提供了新的技术途径。近年来，多源数据的联合反演在确定凹凸体方面取得了重要进展，在数据的使用上呈现多种模式，包括大地测量数据的联合反演，大地测量数据和地震数据的联合反演，如GPS、InSAR和地震波形的联合反演^[92-93]，以及大地测量数据和地球物理数据的联合反演，如GPS和地应力主方向资料等联合反演^[94]等。除了联合反演方法，多源数据约束下的凹凸体融合也可以充分发挥不同数据源的各自优势，弥补不同方法的监测盲区，提高活动断裂带凹凸体分布确定的可靠性和分辨率。文献[95]结合大地测量反演和b值方法，提出一种双阈值搜索方法来确定凹凸体边界，以大地测量反演模型获取的凹凸体边界和b值获取的凹凸体边界最相符为判断准则，给出凹凸体的最优边界。该方法在空间尺度上融合了大地测量反演和b值法结果，提高了凹凸体确定的准确性。当前基于多源观测约束下的凹凸体融合理论方法仍较为缺乏，因此，发展基于多源观测约束下的活动构造断裂带凹凸体融合理论与方法，对促进凹凸体探测理论和地震危险性评估发展至关重要。

近年来，随着机器学习技术的飞速发展，其在包括地震学在内的固体地球科学中的应用日益广泛。目前机器学习技术已经成功应用在包括地震事件检测、地震信号分类、地震参数估计、信号降噪、地震动态预测、地下层析成像和余震模式识别等诸多方向^[96]，特别是基于深度学习的地震事件检测，由于其问题定义明确且积累了大量人工标注数据，成为其中发展最为迅速的研究领域。随着地震台站的增多，基于深度学习的地震波识别相对于人工判定效率更高，且可检测出大量被人工拾取遗漏的微震事件^[97]，进而可以获取更加完善的地震目录，而这是准确确定凹凸体的重要前提。除了数据层面，机器学习技术也被直接用来识别凹凸体，文献[98]发展了利用机器学习技术以及地震目录（b值和地震发生率）提取的特征向量信息，用来识别活动断层上凹凸体位置。随着机器学习技术的进步、凹凸体理论和模型的完善以及海量历史观测资料的积累，机器学习技术在凹凸体探测和地震危险性评估方面的研究将成为国际地学界的一个热点。