青海玛多“5·22”M S 7.4级地震的同震地表破裂特征、成因及意义

盖海龙姚生海杨丽萍亢太波殷 翔陈 庭李 鑫

1.青海省地震局,青海 西宁810001;

2.青海格尔木青藏高原内部地球动力学国家野外科学观测研究站,青海 格尔木816000;

3.武汉大学测绘学院,湖北 武汉430070

据中国地震台网测定,2021年5月22日2时4分在青海省果洛藏族州玛多县境内发生MS7.4级地震,震源深度17 km。此次地震微观(仪器)震中位于34.59°N;98.34°E(https: //news.ceic.ac.cn/CC2021052 2020411.html)。震中距黄河乡驻地7 km,距玛多县城38 km,距果洛州政府驻地175 km,距西宁市385 km。地震发生时,玛多县城、花石峡镇、黄河乡震感强烈,青海省会西宁市震感明显,全省范围普遍有震感 (https://www.thepaper.cn/news Detail_forward_12798511)。截至2021年6月18日8时共记录到M3.0级以上余震61次,其中7.0～7.9级地震0次,6.0～6.9级地震0次,5.0～5.9级地震1次,4.0～4.9级地震18次,3.0～3.9级地震42次,最大余震为5月22日10时29分发生在鄂陵湖西岸的5.1级地震。美国地质调查局(USGS)给出的这次MW7.3地震的震中位于中国地震台网微观震中的西侧(34.613°N;98.246°E),震源深度10 km。震源机制和初步的地表调查显示,此次地震的发震断层走向272°,倾向南,倾角67°,滑动角-40°,为一条近东西走向、带有正断分量的左行走滑断层,同时地震形成了一系列由张裂隙、张剪裂隙、剪切裂隙、挤压鼓包和裂陷等多类型破裂雁行状组合而成的复杂同震地表破裂带,破裂带主要沿东昆仑断裂带南部的江错断裂分布,整体呈285°走向,全长约151 km,根据破裂带的走向变化和阶区特征,可将其分为四段:西段、中西段、中东段和东段 (http://www.cea-igp.ac.cnkydt/278249.html;潘家伟等,2021)。此次玛多MS7.4级地震是2008年汶川MS8.0级大地震之后中国震级最大的一次地震,也是青海省境内继1990年共和7.0级地震、2001年昆仑山口西MS8.1级地震和2010年玉树MS7.1级地震后的又一次7.0级以上地震。因此,该地震备受社会关注,及时查明此次地震的同震地表破裂展布及特征,对于正确认识发震构造和区域防震减灾具有重要意义。

1 区域地震地质构造背景

青藏高原中东部的巴颜喀拉块体是新生代以来侧向挤出具代表性的活动块体之一,北边界为北西西向东昆仑断裂带,南边界为北西向玉树-甘孜断裂带,东边界为北东向龙门山断裂带,西边界为北东东向的阿尔金断裂带 (图 1a;Tapponnier,1977;张培震等,2003;Zhang et al.,2004,2007;陈长云等,2013)。1900年以来,在巴颜喀拉块体内及周缘共发生了14次7.0级以上地震(图1a;国家地震局震害防御司,1995;汪素云,1999;Guo et al.,2007;徐锡伟等,2017;闻学泽,2018;袁兆德,2021),包括了发生在东昆仑断裂带库赛湖-昆仑山口段的2001年昆仑山口西MS8.1级地震 (图1a中点3;Fu and Lin,2003;Fu et al.,2005)、龙门山断裂带上的2008年汶川MS8.0级地震(图1a中点9),玉树断裂带上的2010年玉树MS7.1级地震(图1a中点13)和东昆仑断裂带九寨沟段的2017年九寨沟MS7.0级地震 (图1a中点7)等 (Lin et al.,2002,2011;江娃利和谢新生,2006;李海兵等,2008,2015,2021;李建军等,2017)。

此次玛多MS7.4级地震 (仪器震中位于34.59°N;98.34°E)发生在东昆仑断裂带主干阿拉克湖-托索湖段南侧的巴颜喀拉块体内部(图1)。已有资料显示(张裕明等,1996;邓起东,2007),在其地震序列的周边共发育了四条近乎平行的北西西向走滑断裂,从北到南依次是玛多-甘德断裂、江错断裂、甘德南缘断裂和达日断裂(图1b)。其中玛多-甘德断裂在以往研究中被关注最多。熊仁伟等(2010)认为该断裂在玛多以西走向近东西向,进入玛多盆地北缘逐渐转为北西向,经甘德、班玛延出青海省,全长约650 km,为全新世活动断裂。梁明剑等(2020)通过野外详细调查及影像解译,对发生在达日断裂上的1947年7地震的地表破裂带进行了研究,发现其全长约70 km,同震位错为2～4 m。而张裕明等(1996)首次专门研究了江错断裂的晚第四纪活动性,认为该断裂全长约370 km,总体走向北西西,向西可与昆仑山口断裂相接(邓起东,2007),因此也被称为昆仑山口-江错断裂。航片、卫片显示该断裂在空间分布上呈雁列状排列,沿断裂的晚第四纪微地貌左旋位错现象清楚,并在全新世期间存在活动(张裕明等,1996)。根据对此次玛多地震的同震地表破裂展布调查,结合余震分布数据,可知此次地震的地表破裂与余震序列都基本是沿着江错断裂展布的,据此可以断定此次玛多MS7.4级地震的发震断层应为江错断裂,而非玛多-甘德断裂(詹艳等,2021)。

2 同震地表破裂及相关震害特征

地震发生后,笔者随青海省地震局第一时间派出的现场工作队赶赴震区开展烈度调查和现场地震地质考察工作。期间,在地表调查基础上,基于高分辨率卫星遥感图像的解译分析,结合无人机低空摄影测量(大疆精灵PHANTOM 4RTK),沿此次地震产生的地表破裂带,重点获得了6处典型地点的同震破裂资料,并根据所在地点,从西往东依次命名为错尔加拉段、鄂陵湖南段、江错贡麻段、江多村段、黄河乡段和昌马河段(图1b)。经室内利用AgisoftMetashape Professional软件对每个区段航拍的照片进行处理,生成了高分辨率正射影像图(DOM)和数字高程模型(DEM),同时在GeoScene pro软件中基于正射图和数字高程模型对6处典型地震地表破裂段进行了详细解译。文章主要基于这一调查结果,结合已有资料和余震分布特征等,对此次地震的同震地表破裂的发育特征进行分析,以期为及时了解其发震构造和震害特征等提供参考。

2.1 错尔加拉段

错尔加拉段主要沿错尔加拉湖(鄂陵湖南侧的一个小湖)南侧展布,破裂带总体走向 280°,近东西,连续性好,主要由一系列挤压鼓包和张裂缝相间排列构成,宽度集中在15 m。其中张裂缝呈右阶雁列状排列,单个裂缝一般走向 40°～60°,宽度从10 cm到3 m左右不等(图2,图3a、3b);挤压鼓包主要呈左阶斜列分布,单个走向约275°～280°,高0.3 m至1.5 m不等,最高达1.6 m(图3c)。该段张裂缝和鼓包的斜列方式指示破裂带以左旋走滑运动为主,在一处车辙被错段处,实测的左旋走滑位移2.8 m,这与潘家伟等(2021)的结果基本一致,也是迄今地表调查中可见的最大左旋位移量(图3d)。

2.2 鄂陵湖南段

鄂陵湖南段破裂带主要沿着鄂陵湖南侧展布,总体走向260°～275°,连续性好,同样由一系列挤压鼓包和张裂隙相间排列,宽度在20 m至50 m不等,最宽处可达上百米,显示出典型的左旋走滑性质。其中张裂缝多呈走向43°～55°,主要呈右阶雁列状排列,宽度从10 cm到1～1.5 m左右不等,最宽处约1.7 m(图4,图5a、5b)。挤压鼓包呈左阶斜列分布,单个走向约300°,高0.2～1.0 m不等。该段据一处车辙点的左旋位错实测得出的最大走滑位移约1.4 m(图5c、5d),相比错尔加拉段出现了明显减小。另外,从无人机航摄影像可以看到(图4),该段的东南侧还出现了明显的多条走向近东西的弧形张裂缝带,可能与地震引起的地表裂陷作用有关。

a—巴颜喀拉块体历史强震分布图;b—玛多M S 7.4级地震余震分布及典型地表破裂考察点分布图图1 玛多M S7.4级地震区域地震构造图(余震目录来自青海省地震台网)Fig.1 Regional seismic structural map of the Maduo M S7.4 earthquake(a) Distribution map of historical strong earthquakes occurred in the Bayan Har block; (b) Distribution of aftershocks and investigation points of typical surface rupture of the M S7.4 Maduo earthquake The aftershock catalog comes from the Qinghai Seismic Network.

a—指示左旋走滑的地表破裂带;b—北东向的大型张裂缝;c—高约1.6 m的北西向挤压鼓包;d—车辙左旋位错约2.8 m图3 错尔加拉段地表破裂及同步左旋位移特征Fig.3 Photos showing the features of surface rupture and synchronous left-handed displacement of the Cuoerjiala section(a) Surface rupture zone indicating left-handed strike-slip; (b) Large-scale NE-trending crack; (c) A ～1.6 m-high NW-trending squeeze bulge; (d) A ～2.8 m left-handed rut dislocation

a—正射影像图;b—数字高程模型图2 错尔加拉段地表破裂解译图Fig.2 Interpretation of surface rupture of the Cuoerjiala section(a) Orthophoto; (b) Digital elevation model

a—指示近东西向左旋剪切作用的右阶雁行张裂缝;b—宽约1.7m的北东向张裂隙; c—左阶斜列分布的挤压鼓包;d—车辙被左旋位错约1.4 m图5 鄂陵湖南段地表破裂及同步左旋位移特征Fig.5 Photos showing the features of surface rupture and synchronous left-handed displacement in the southern segment of the Elinghu section(a) Right-order en echelon crack indicating left-handed shearing action from near east to west; (b) A ～1.7 m-wide NE-trending tensile fracture; (c) Compressive bulges distributed diagonally in the left order; (d) A rut dislocated by left-handed is about 1.4 m

a—正射影像图;b—数字高程模型图4 鄂陵湖南段地表破裂解译图Fig.4 Interpretation of the surface rupture in the southern segment of the Elinghu section(a) Orthophoto; (b) Digital elevation model

2.3 江错贡麻段

江错贡麻段破裂带主要沿着江错贡麻段北侧展布,总体走向 280°～295°,破裂较连续,包含了许多主要呈右阶雁列状排列张裂隙,单条宽度较错尔加拉段和鄂陵湖南段要小,从1 cm到10 cm左右不等(图6,图7a),但局部出现分散现象,空间展布的宽度很大,尤其是在该段的东部,最宽处包含了几条分支破裂,总的宽度可超过150 m。该段的左旋走滑位移明显,但与鄂陵湖南段相比,进一步减小。在一冲沟处,实测的左旋走滑位移为1.2 m(图7b)。该段出现了较明显的垂直位移,断层陡坎较发育(图7c、7d),实测断坎的最大高度约1.4 m(图7d),这可能对应了震源机制解的正断层成分(潘家伟等,2021)。

a—张裂隙;b—左旋位错冲沟约1.2 m;c—断层陡坎;d—高约1.4 m的断层陡坎图7 江错贡麻段地震地表破裂及同步左旋位移特征Fig.7 Photos showing the features of seismic surface ruptures and synchronous left-handed displacement of the Jiangcuogongma segment(a) Tensile fractures; (b) A ～1.2 m-wide left-handed dislocation gully; (c) Fault ridges; (d) A ～1.4 m-high fault ridge

a—正射影像图;b—数字高程模型图6 江错贡麻段地表破裂解译图Fig.6 Interpretation of the surface rupture in the Jiangcuogongma section(a) Orthophoto; (b) Digital elevation model

2.4 江多村段

a—无人机航摄的正射影像图;b—数字高程模型(指示断层北盘存在相对抬升)图8 江多村段地表破裂解译图Fig.8 Interpretation of the surface ruptures in the Jiangduocun section(a) Orthophoto; (b) Digital elevation model

a—指示左旋走滑的雁列挤压鼓包及张裂缝;b—在破裂右阶斜列部位发育的北西向挤压脊;c—宽约20 m的地表破裂;d—指示断层北侧抬升的约0.8 m高断坎;e—右阶雁列的北东向张裂缝;f—左旋位错冲沟约1.1 m图9 江多村段地震地表破裂及同步左旋位移特征Fig.9 Photos showing the features of seismic surface ruptures and synchronous left-handed displacement of the Jiangduocun section(a) En echelon compressive bulges and tensile fractures indicating left-handed strike-slip; (b) NW-trending compressive ridge developed in the right-order oblique row of the rupture; (c) A ～20 m-wide surface rupture; (d) A ～0.8 m-high fault ridge indicating the uplift in the north side of the fault; (e) Right-order en echelon NE-trending tensile fractures; (f) A ～1.1 m-wide left-handed dislocation gully

江多村段破裂带主要沿着野马滩山前展布,总体走向300°,破裂较连续,同样由一系列挤压鼓包和张裂隙相间排列(图8),而且变形带相对集中,宽度在10～40 m之间,沿线随处常见雁列式张裂隙及挤压鼓包组合(图9a),尤其是挤压鼓包相对明显(图9b、9c),单个走向约300°,垂直高度30 cm至80 cm不等(图9d)。伴随的张裂隙也较明显,通常呈右阶雁列状排列,单条走向约55°～70°,长约5～25 m不等,单个裂隙最宽处可达1.2 m(图9e)。该段破裂的实测同震左旋走滑位移在1.1 m(图9f)。另外,该段也发育有指示断层北盘抬升的断坎,最大高度约0.8 m(图9d)。

2.5 黄河乡段

黄河乡段破裂带主要沿去往黄河乡政府的公路展布,总体走向300°,破裂较连续,宽度集中在30～60 m(图10)。该段的挤压鼓包不太发育,主要表现为一系列呈左阶斜列的北西向P剪切裂缝和右阶雁行排列的近东西向张裂隙(图11a—11c),单个裂隙宽10～80 cm不等。其中的P剪切裂缝走向集中在310°～320°,张裂隙一般走向70°～80°,该段破裂的左旋运动将一水泥杆挪动了20 cm(图11d),同时还表现出了近南北向的水平运动特征,南盘相较于北盘向南水平运动了40 cm(图11d)。

a—正射影像图;b—数字高程模型图10 黄河乡段地表破裂解译图Fig.10 Interpretation of surface ruptures in the Huanghexiang section(a) Orthophoto; (b) Digital elevation model

a—破裂带中呈左阶雁行排列的P剪切裂缝;b—北西向P剪切裂缝与北东向张裂隙的交切现象;c—具左旋走滑性质的北西向P剪切裂缝;d—破裂带中的北西向P剪切裂缝将水泥杆左旋位错约20 cm图11 黄河乡段地震地表破裂及同步左旋位移特征Fig.11 Photos showing the features of surface ruptures and synchronous left-handed displacement of the Huanghexiang section(a) Left-order en echelon P shear fractures in the fracture zone; (b) Intersection between the NW-trending P shear fractures and NEtrending tensile fractures; (c) NW-trending P shear fractures with left-handed strike-slip; (d) NW-trending P shear fractures in the rupture zone left-handed dislocated the cement rod about 20 cm

2.6 昌马河段

昌马河段破裂主要沿着血麻村北侧展布,总体走向 260°(图12),这与西段的走向有所不同。该段破裂较连续,并且变形带相对集中,变形带总宽度约10～40 m不等,多集中在20 m左右(图12)。该段的挤压鼓包规模小,主要是一系列呈右阶雁行排列的北东向张裂隙(图13a、13b),单个裂隙走向约50°～70°,长约2～15 m不等,宽几厘米至三十厘米不等。挤压鼓包一般走向260°,高20 cm左右(图13c)。该段破裂左旋错动优尔曲河床约1.1 m(图13d)。另外,在与破裂带垂直方向上,发现了平行于优尔曲发育的近2 km长的近南北向展布的挤压鼓起带,推测为岸坡滑塌所致。

a—由拉张裂隙和小型鼓包雁列组合而成的地表破裂;b—由雁列鼓包和剪切裂缝组合而成的地表破裂;c—优尔曲东侧谷坡上出现的近南北向挤压鼓起带;d—地表剪切破裂左旋位错河床约1.1 m图13 昌马河段地表破裂及同步左旋位移特征Fig.13 Photos showing the features of surface ruptures and synchronous left-handed displacement in the Changmahe reach(a) The surface ruptures formed by the combination of tensile fratures and small bulging en echelon row; (b) Surface ruptures formed by the combination of en echelon bulges and shear fractures; (c) A nearly NS-trending compressive bulge belt appeared on the valley slope on the east side of the Youerqu slope; (d) A surface shear fracture left-handed dislocated river bed about 1.1 m

a—正射影像图;b—数字高程模型图12 昌马河段地表破裂解译图Fig.12 Interpretation of surface ruptures in the Changmahe section(a) Orthophoto; (b) Digital elevation model

3 讨论

综合同震地表破裂的野外调查结果,结合余震分布和震源机制解等资料(王未来等,2021;http://www.cea-igp.ac.cnkydt/278249.html) 可知,此次玛多地震的同震地表破裂具有典型的左旋走滑运动性质,其和余震分布基本沿着以往提出的昆仑山口-江错断裂的东南段分布(张裕明等,1996;邓起东,2007),两者在空间展布上具有很好的重合度,指示此次玛多MS7.4级地震的发震断层为东昆仑断裂带南侧的分支断裂——江错断裂。考虑到此次地震破裂与2001年昆仑山口西8.1级大地震的地表破裂分属同一条断裂带的不同段落。因此,主要反映了东昆仑断裂带的分段破裂过程。由于从昆仑山口向东,东昆仑断裂带的主干断裂主要由西大滩断裂和玛沁-玛曲断裂构成,而其南侧的江错断裂和阿万仓断裂等的活动性相比主干断裂带明显更弱(张裕明等,1996;徐锡伟等,2002;张国民等,2003),实际上属于从主干断裂深入巴颜喀拉地块内部的次级断裂。

结合以往资料可知(袁道阳等,2004;张培震等,2013;吴中海等,2016;郑文俊等,2016,2019;白永健等,2019;袁兆德等,2021),此次玛多地震与2001年以来发生在巴颜喀拉地块周边的一些大地震事件存在密切的动力学联系。其中在巴颜喀拉块体北边界东昆仑断裂带库塞湖-昆仑山口段的2001年昆仑山口西地震(MS8.1),地震地表破裂带沿270°～290°走向线状展布,全长约350 km,由一系列走向45°～50°拉开状张裂缝、走向60°～75°张剪切裂缝、走向280°剪切裂缝以及隆起鼓包或开裂陷坑等斜列状组合而成,显示出纯剪切走滑的破裂特征,最大左旋水平位移约6 m(Wen et al.,2007;Xu et al.,2002;徐锡伟等,2002)。该地震的走滑破裂与此次玛多地震一起起到了调节巴颜喀拉地块向东挤出运动的作用。而发生在巴颜喀拉块体东边界龙门山断裂带上的2008年汶川地震(MS8.0)使两条北东走向、倾向北西的映秀北川断裂和灌县-安县断裂同时发生地表破裂,并沿映秀北川断裂产生的地表破裂带长度约275 km,以逆冲运动伴随右旋走滑为其破裂特征,最大垂直位移量约11 m,最大右旋走滑位移量至少约12 m,沿灌县-安县断裂产生的地表破裂带长度约80 km,表现为纯逆冲运动的破裂特征,最大垂直位移量约4 m;另外发育一条长约6 km呈北西走向连接于映秀-北川破裂带和汉旺破裂带的小鱼洞破裂带,以左旋走滑兼有逆冲运动为特征 (李海兵等,2008;Zhao et al.,2012),显示出龙门山为强烈的挤压区域,其成因主要是巴颜喀拉地块向东挤出过程中受到四川盆地阻挡。2010年发生在块体南边界的玉树地震(MS7.1)在玉树市结古镇至隆宝镇之间产生了一系列包括剪切破裂、张剪切破裂、压剪切破裂、张性破裂及其鼓包或陷落坑(拉分盆地)、高寒地区特有的冰裂缝等地表破裂单元。地表破裂带整体走向约300°、长约65 km、最大同震左旋位移2.4 m,地表破裂类型、基本组合特征等显示出甘孜-玉树断裂两盘块体的运动方式以纯剪切的左旋走滑为主(孙鑫喆等,2012;周春景等,2014),其成因主要是巴颜喀拉地块向东挤出受到四川盆地阻挡,而其南侧青藏高原东南缘的昌都块体继续向东南挤出与巴颜喀拉地块产生了左旋走滑剪切作用的结果(吴中海等,2014)。巴颜喀拉地块边界带上一系列的大地震行为表明,巴颜喀拉地块的应力-应变具有沿整个块体传递且存在整体向东运动的特征,指示巴颜喀拉地块具有较明显的“刚性块体”性质,而此次玛多地震和1947年的达日7地震都发生在巴颜喀拉块体的内部,并在块体内部产生了显著的同震地表破裂带(戴华光,1983;梁明剑等,2014,2020),显示出块体在整体向东挤出的过程中,其内部也同时存在显著变形。这种现象意味着巴颜喀拉块体实际上属于存在明显块体内部变形的“非典型刚性块体”,这也意味着其运动和变形虽然大部分是被块体的主要边界断裂调节的,但同时有一部分变形是被块体内部的弥散变形吸收和调节的。因此,在青藏高原物质向东挤出过程中,刚性块体挤出和块体弥散变形作用,两种不同的块体变形方式可能同时在起着调节高原物质运动的作用。

4 主要结论

在区域地震构造分析的基础上,通过对6处典型地震地表破裂特征及其成因探讨,可获得以下主要认识:

(1)玛多7.4级地震西段破裂的总体走向275°～300°,主要表现为挤压鼓包和雁列式张裂隙的斜列组合,其中江错贡麻段至江多村段出现了明显的1.4～0.8 m的垂直位移,指示该段可能具有较明显的正断层成分。中部黄河乡段主要由一系列呈左阶斜列的北西向P剪切裂缝和右阶雁行排列的北东向张裂隙构成,走滑位移较小。而东段地表破裂出现了多个分支,其中北支昌马河段主要由一系列雁行排列的张裂隙组成,总体走向为260°,与断裂西段的走向明显不同。玛多地震地表破裂的最大左旋位移出现在最西段的错尔加拉破裂段,约为2.8 m,然后向东至黄河乡到昌马河一带,左旋走滑位移逐渐减小到0.2 m,地表破裂规模也呈逐渐减弱态势,这显示破裂具有从西向东的单侧扩展-衰减特征。

(2)玛多7.4级地震与2001年以来巴颜喀拉地块周边的大地震活动存在密切的动力学成因联系,都起着调节青藏高原物质向东挤出运动的作用,尤其是调节和吸收巴颜喀拉地块的运动与变形过程。巴颜喀拉块体内部的大地震活动意味着巴颜喀拉地块向东挤出运动的一部分变形是被块体内部的弥散变形吸收和调节的,表明刚性块体挤出和块体弥散变形作用两种不同的块体变形方式可能在同时起着调节高原物质向东挤出运动的作用。

(3)考虑到玛多7.4级地震出现在东昆仑主干断裂南侧的巴颜喀拉地块内部,表明该地块内部具有发生7级以上大地震的能力,因此,巴颜喀拉地块内部强震活动的孕震条件和机理应该是未来需要进一步关注的科学问题,同时,巴颜喀拉地块的变形机制、运动模式也将是值得关注的科学问题。

致谢:对吴中海研究员在论文撰写过程中提供的指导,以及审稿专家为提高论文质量提出的中肯意见和建议等表示衷心感谢。