地震是最具毁灭性的自然灾害之一,了解震源过程对于地震预测及防震减灾具有重要的意义。目前,人们对震源过程已经取得了较为全面的认识,揭示了地震是破裂在断层面上开始、传播和终止的过程。然而,关于震源过程的一些细节和机理仍然存在争议。为了厘清控制震源过程的物理机制,对震源过程获得更加深入的认识,我们基于实验室地震研究方法探究震源过程的一般规律及其机理。本文基于PMMA材料开展实验室地震研究,采用双轴加载方式,在不同构造应力条件下对具有不同粗糙度的平直断层开展实验。结合超高速摄像技术、数字图像相关技术和多通道应变观测技术,发展了具有全场、高精度及高空间分辨率特点的同震光电联合观测新方法,实现了同震阶段全场位移和多点剪应变的同步观测。基于该方法,我们清楚地刻画了实验室地震从成核到动态破裂传播的震源过程。在此基础上,我们探讨了几个与震源过程密切相关的,但又悬而未决的科学问题。这些问题包括:自发式地震成核和失稳的关系,稳定sub-Eshelby超剪切破裂和稳定sub-Rayleigh破裂的形成机制,临界滑移距离Dc尺度依赖性的来源,以及地震近场动态触发的延迟机制。本文取得的主要研究成果如下:（1）自发式地震的成核及失稳特征:断层面粗糙度和应力水平的提高对于成核的发展具有抑制作用。随着粗糙度和侧向应力的提高,临界成核区的长度降低。此外,粗糙度和侧向应力的增大还会加剧成核的复杂性,导致成核过程中出现多个预滑区。断层面摩擦参数dc的随机分布可能导致震前出现多处预滑。此外,断层面粗糙度和应力水平也控制着断层的宏观失稳特征。随着断层面粗糙度和正应力的提高,失稳导致的应力降更大,失稳更加剧烈。总体来看,对于失稳程度更加剧烈的事件,其先兆性的预滑现象反而越不明显。（2）地震破裂传播速度的控制因素及稳定性:断层面的粗糙度以及侧向荷载的提高有利于超剪切破裂产生。破裂在经历成核阶段之后,就立即达到稳定的破裂速度。自发式超剪切破裂是通过直接转换形成的,并不遵循经典的Burridge-Andrews机制。自发式地震的破裂传播过程与自相似破裂模型相容。破裂传播速度与动态应力降呈正相关。对II型自相似破裂的稳定性分析表明,破裂既能以sub-Eshelby超剪切速度稳定地传播,也能以sub-Rayleigh速度稳定地传播。因此,自相似破裂模型能够完备地解释目前记录到的天然地震破裂速度。该破裂模型弥补了一些经典模型（如稳态模型）的不足,进一步完善了地震破裂动力学理论。（3）同震摩擦演化关系以及Dc的尺度依赖性:断层的同震摩擦演化关系依赖于断层的粗糙度以及应力状况。整体上,在同震滑动弱化过程中,粗糙断层具有较高的Dc。粗糙的断层是产生重复性破裂的必要条件。在同震阶段,由于重复性破裂的产生,断层的滑动弱化过程呈现出非线性的特征,其整体的弱化过程实际上是由若干强化-弱化子过程组成。而当粗糙的断层未发生重复性破裂时,其Dc值和光滑断层相差不多。粗糙断层上发生的重复性破裂对Dc值具有明显的放大效应。因此,断层的滑动弱化历史对于Dc也具有不可忽视的影响作用。该项研究从一个新的角度解释了Dc的尺度依赖性。（4）地震近场动态触发的破裂模型及延迟机制:本研究基于地震近场动态触发实验直接观测到了地震动态触发的延迟现象,并建立了地震动态触发的破裂模型描述地震动态触发全过程。被动态触发的事件具有其特有的成核过程,且该成核过程与断层的应力状态有关。如果断层越趋近于失稳,则被触发事件的成核持续时间越短。成核所持续的时间导致正是动态触发延迟的来源。此外,被触发事件的破裂传播过程也受断层的应力状态控制。如果断层越趋近于失稳,则被触发事件的破裂速度越高,甚至能发生超剪切破裂。分析表明,动态扰动在触发局部滑移的同时,还改变了断层面的接触状态。本研究为地震动态触发的延迟机制提供了可能的解释,同时对理解远场地震动态触发的延迟机制也具有一定的启示意义。本文的研究有助于加深对震源过程的理解,深化对天然地震的成核及破裂传播过程的认识,为地震灾害评估乃至地震预测研究提供科学的依据。