对地震成核过程的理解是实现基于物理原理进行预测的基础，但这一领域仍属世界性难题，以列入2005年Science期刊遴选的科学难题为标志，其中将“是否存在可用于预测的前兆”列入了问题的关键。以往关于成核过程的理论模拟主要关注了最后成核尺度的大小、其在震前是否继续扩大（例如 Dieterich, 1992; Rubin & Ampuero, 2005; Fang et al., 2010）以及应力扰动对扩展核的重要影响（Kaneko & Lapusta, 2008），同时也关注了断层在地震成核过程中的持续加速特性（Dieterich, 1992），但是对成核过程中可用于预测的前兆性特征则未能涉及。近年来由于数个强震的有效观测以及实验室的持续努力，这一领域似乎看到了一些微光，其中值得一提的是马瑾等提出了地震亚失稳阶段的概念（Ma et al., 2012），对成核过程进行了重要的阶段划分。在上述背景下，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室何昌荣研究员会同该实验室张雷副研究员、刘培洵研究员和中科院地质与地球物理研究所陈棋福研究员，近期对成核问题进行了新一轮理论模拟并对数个观测良好的强震进行了理论解释，发表在最新一期JGR-Solid Earth期刊。该研究基于实验室获取的岩石/断层摩擦本构关系，通过2D数值模拟揭示了地震成核过程后期的一些可能对预测有用的力学特征和标志。主要结果是在成核后期发现核心弱化区的形成与发展，具有先扩展后收缩的特征（图1）。核心弱化区的扩展是断层在局部化成核之前需要扩大其核心弱化区的范围，相当于断层活化的整体协调期，而收缩阶段则是错动局部化的过程，是断层最后崩溃的必经之路。核心弱化区是断层上应力持续释放且错动速度远高于周围的部分，可以使其内部的小凹凸体更易产生小的地震破裂，从而在核心弱化区内部有比周围更高的小震发生率，因此其物理意义可以与主震前的微震活动和时空迁移相关联，理论模拟结果与加载速率高的俯冲带大震成核过程中小震的时空迁移相符合，典型震例如2014 Iquique Mw8.1地震（图2）；同时，核心弱化区形成后的断层错动速率也会大大超过长期平均错动速率，通过断层上的重复地震对其进行有效观测也可以探测地震成核的进程，尤其对于震前地震发生率很低的板内地震来说是判断成核过程的有效手段，典型震例如2008年汶川Mw7.9地震前数年的错动速率观测，其量值变化与理论模型相符合（图3）。另外值得一提的是，上述成核过程所表现的核心弱化区先扩展后收缩的特性也在同期的最新实验研究中有所发现，表现为粘滑事件前会形成断层周边围岩中剪应变释放区先持续扩张而后收缩的准静态过程，随后才开始最后加速扩展的现象（图4），其中的准静态过程与数值模拟的扩展-收缩现象相类似。由此可见，实验和理论模拟共同指向核心弱化区形成后先扩展后收缩的准静态过程特征，是控制前兆呈现的基本物理过程。
图1. 地震前成核过程中核心弱化区（黄色部分）的形成与发展，具有先扩展后收缩的特征（纵轴为沿断层走向位置，横轴为震前的时间，0为地震时间）。
图中蓝色箭头为收缩后的最小尺度，即成核尺度。加载速率为83mm/yr, 是俯冲带典型断层驱动速率。蓝色线内的范围为更低驱动速率下（73mm/yr）的核心弱化区。
图2. 由于核心弱化区是快速错动且应力持续下降的区域，其内部小震发生率在理论上远远高于其外部的断层部分。
2014年智利Iquique Mw8.1地震前小震（绿色圆）的时空迁移现象与成核模型中的核心弱化区在时空演化上相符合。地震活动时空图引自Yagi et al. (2014)。
图3. 汶川地震在成核过程中的断层错动速率理论预测（蓝色、红色线）与通过重复地震序列观测（陈棋福&李乐，2018）得到的速率对比。箭头为核心弱化区形成的时间。
蓝色箭头和黑色箭头分别对应断层长度为270km和256km的理论值，对应于蓝色曲线（Dc=20mm）；红色箭头为断层长度256km，Dc=30mm的理论计算，对应于红色虚线。
蓝色点为汶川段重复地震序列对应的断层错动速率，十字符号为北川段两个重复地震序列对应的错动速度值。
图4. 正应力为10MPa条件下669mm长度的实验断层上粘滑事件前沿断层的剪应变释放区演化：
由先扩展后收缩的第一阶段和最后加速扩展的第二阶段组成。
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