2022门源MS6.9地震地表破裂带震害特征调查

2022-04-02薛善余袁道阳李智敏苏瑞欢文亚猛

地震工程学报 2022年2期

薛善余, 谢虹, 袁道阳, 李智敏, 苏瑞欢,文亚猛

(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃兰州 730000; 2.兰州大学地质科学与矿产资源学院, 甘肃兰州730000;3. 青海省地震局, 青海西宁 810001)

0 引言

北京时间2022年1月8日1时45分,在青海省海北藏族自治州门源回族自治县发生MS6.9地震。据中国地震台网中心测定,此次MS6.9地震震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km。地震发生在青藏高原东北缘祁连—海原断裂中西段的冷龙岭断裂和托莱山断裂的构造转换区,该区构造活动复杂,地震频发。据历史资料记载,本次门源地震周边地区(37°～38.2°N,100.5°～105°E)近一百年以来共发生M≥4地震50次,其中震级最大的是1927年5月23日发生的古浪8级地震,距离本次地震约137 km。研究区内共发生过6次M≥6的地震,其中2016年1月21发生的门源M6.4地震是时间上间隔最近的一次6级以上地震,距离本次地震仅33 km。历史地震分布如图1所示。

F1: 冷龙岭断裂; F2: 托勒山断裂; F3: 托勒山北缘断裂; F4: 肃南—祁连断裂; F5: 民乐—大马营断裂;>F6: 皇城—双塔断裂; F7: 康宁桥断裂; F8: 达坂山断裂; F9: 日月山断裂图1 区域地貌及活动断裂分布图Fig.1 Regional landform and distribution of active faults

门源MS6.9地震发生后,国内外不同机构及学者反演了其震源机制(表1)。根据美国地质调查局(USGS)给出的震源机制解数据,本次地震的震源深度13 km,震级为MW6.6,可能的发震断层面参数为走向104°、倾角88°、滑动角15°。中国地震台网中心(CENC)计算的震源机制解节面Ⅰ参数为走向102°、倾角69°、滑动角-2°。全球矩张量目录(GCMT)提供的震源机制解的参数为:节面Ⅰ走向104°、倾角82°、滑动角1°,震级为MW6.7,震源深度14.8 km。不同研究机构的结果相差不大,均显示本次地震性质为左旋走滑型地震。

表1 门源M6.9地震震源机制解

自2022年1月8日门源MS6.9主震发生后,又陆续发生了多次强余震,其中1月12日发生的5.2级地震为此次地震的最大余震。截至2022年1月15日,已发生余震500多次,其中M3.0以上余震20次,3.0～3.9级地震13次,4.0～4.9级地震5次,5.0～5.9级地震2次。本次地震序列在空间上的分布呈NWW向,震源深度范围在7～12 km。范莉苹等[1]对本次地震的余震事件进行了精定位,结果显示余震主要沿主震东西两侧分布,余震条带长约33 km;在主震震中以西,余震条带呈近EW向,与拖勒山断裂走向一致;在主震震中以东,余震条带呈NW向,沿冷龙岭断裂分布。

地震发生后,笔者所在的课题组迅速对地震造成的地表破裂进行了野外地震应急科学考察,通过详细调查和现场破裂带位错测量,确定了本次地震同震地表破裂带的分布及破裂构造特征。本文主要介绍地表破裂造成的典型震害及特点,以期为确定区域宏观震中提供重要依据。

1 构造地质背景

青藏高原东北缘是受印度板块与欧亚板块持续碰撞挤压而向大陆内部延伸的前缘部位,也是新生代以来构造地貌形成和演化的重要区域[2-4]。青藏高原东北缘地区是由NEE向的阿尔金断裂带、NWW向的祁连—海原断裂带和近EW向的东昆仑断裂带所围限的一个相对独立的活动地块,称为柴达木—祁连山活动地块[3]。该区受到地壳缩短和左旋剪切的强烈作用,逆冲断裂、走滑断裂和活动褶皱遍布整个区域,地震活动频繁,是我国主要震区之一[2,5-7]。广义海原断裂地处青藏高原隆起区的东北缘,属于北祁连山活动块体重要边界断裂。该断裂在大地构造上位于北祁连褶皱带内,北侧为走廊过渡带,南侧为中祁连隆起带,沿NWW向延伸1 000多千米,自西向东依次为托勒山断裂、冷龙岭断裂、金强河断裂、毛毛山断裂、古浪断裂、海原断裂等[8-10]。该断裂为一条全新世活动的左旋走滑断裂,断裂滑动速率在4～6 mm/a[11]。在该断裂上曾发生过多次近现代地震,如1540年7级地震、1986年8月26日门源6.4级地震、2016年1月21日门源6.4级地震。此次门源MS6.9地震发生在冷龙岭断裂西段。

此次MS6.9地震震中及周缘地区主要活动断裂有冷龙岭断裂(F1)、托勒山断裂(F2)、托勒山北缘断裂(F3)、肃南—祁连断裂(F4)、民乐—大马营断裂(F5)等[12-14]。其中冷龙岭断裂是距离发震位置最近的一条全新世活动断裂,其总体走向N60°E,倾向NE,倾角50°～60°。沿冷龙岭断裂分布着一系列具有左旋位错特征的断错地貌,如山脊、冲沟、冲积扇、阶地、冰碛物等,在深部构造中该断裂以低角度滑脱层与祁连山北缘逆冲断裂相连[8,12,14]。关于其活动性,作为广义海原断裂带的重要组成部分,冷龙岭断裂以左旋走滑性质为主,具有少量逆冲分量。全新世以来活动强烈,其平均水平及垂直滑动速率分别为3.35～4.62 mm/a和0.38 mm/a,是广义海原断裂带中走滑速率最高的一段[9,15-16]。

2 同震地表破裂带及地震地质灾害分布特征

此次门源MS6.9地震发生后,中国资源卫星应用中心第一时间对震区高分卫星检测数据进行了共享。我们在对震前及震后高分影像解译的基础上,又进行了详细的野外地质调查,对地震地表破裂带进行了考察、追踪和位移测量,确定此次MS6.9地震在地表形成了南、北两条破裂带(图2)。其中,北支为主破裂带,规模较大,沿冷龙岭断裂西段分布,东起敖包沟附近(101.39°E,37.75°N),西至下大圈沟附近(101.18°E,37.87°N),长度约为22 km;南支为次级破裂带,是地震向西破裂的端部效应,规模较小,分布在托勒山断裂东段,东起二道沟附近(101.16°E,37.79°N),向西延伸约3～4 km。两条破裂带总长度约26 km,整体走向为NWW向。本次地震同震地表破裂性质以左旋走滑为主,形成的地表破裂带具有复杂的几何结构,主要由剪切裂隙、雁列式的张裂隙、张剪裂隙、不连续阶区内的地震鼓包、挤压脊、逆断层陡坎等组成,形式丰富且典型。破裂带宽度从几米至几十米、一百米不等。本次地震还造成了多种地震地质灾害,如冻土开裂、冰面破裂变形以及边坡崩塌滚石等,同时导致生命线工程——兰新高铁大梁隧道段受损停运,以及部分道路发生开裂错断等。

图2 2022门源MS6.9地震同震地表破裂带分布Fig.2 Distribution of coseismic surface rupture zone of the 2022 Menyuan MS6.9 earthquake

在主破裂带西端的下大圈沟段,地表破裂带的连续性已经不明显,具有分叉、尖灭等特征,由多条发育程度较小的张裂隙组成[图3(a)]。在距离主破裂带约1 km处穿过下大圈沟的河流冰面上形成了挤压脊[图3(b)]、地震鼓包[图3(c)]等。此处距微观震中7.7 km(表2),冰面上的挤压脊现象已经不明显,地震鼓包的规模也较小,高度仅20 cm左右。在河流东侧河岸可见小规模的边坡崩塌、滚石等地质灾害现象[图3(d)],这是由于此处河谷由基岩构成,且坡度较陡,突然发生的地震引起的震动极易造成崩塌和滚石堆积。在距离微观震中位置11 km的羊肠子沟处,正在建设的桥梁桥墩发生开裂破坏[图3(e)],在桥梁地基处附近有此次地震形成的地裂缝[图3(f)]。在南支次级破裂带,地表破裂的表现形式以剪切破裂、挤压鼓包、逆断层陡坎为主,在二道沟处可见其形成的地震陡坎,高度约20～30 cm[图3(g)],规模远小于主破裂带。

图3 下大圈沟段地表破裂带及典型震害特征Fig.3 Seismic surface rupture and typical earthquake damage characteristics in the Xiadaquangou segment

自上大圈沟向东至道河段,地表破裂带规模较大,并呈现出自西向东逐渐变强的趋势。破裂带线性明显且连续,主要表现形式以雁列式组合的挤压鼓包、张裂隙和逆断层陡坎为主[图4(a)]。在上大圈沟处,破裂带穿过河流冰面形成挤压脊[图4(b)],此处距主震位置8 km,冰面破裂的规模较下大圈沟处[图3(b)]明显增大。在距微观震中5.8 km处的道河西山坡上可见高度达0.8～1 m、宽度达3 m左右的挤压鼓包[图4(c)],其形成于断层左旋走滑右阶挤压区域,长轴方向为NWW向,与破裂带的走向基本一致。在道河西侧的山坡,破裂带经过的位置可见雁列式组合的逆断层陡坎与张裂隙,陡坎高度约0.4～0.7 m[图4(d)]。由于此处破裂程度较大,并叠加了重力作用,逆断层陡坎发生明显的垮塌[图4(d)、(e)]。在距微观震中位置5.5 km处的道河河流冰面上形成的冰面破裂更加明显[图4(f)],其西侧河岸上发生挤压变形[图4(g)]。

图4 道河段地表破裂带及典型震害特征Fig.4 Seismic surface rupture and typical earthquake damage characteristics in the Daohe segment

在道河西0.6 km处的支流河道中可见破裂程度较大的冰鼓包,高度达0.6～0.8 m,并具有明显的左旋位错,破裂带穿过该处河岸发生垮塌[图5(a)]。在距离主破裂带南1 km处的道河冰面形成地震鼓包[图5(b)],高度达0.8 m,其规模是整条破裂带形成的冰面地震鼓包中最大的一处,此处距微观震中位置4.7 km。由于道河西侧河岸边坡较陡,接近垂直,在该位置形成了显著的边坡崩塌和滚石堆积[图5(c)]。在距离主破裂带南3.5 km处的道河冰面上也发现了本次地震形成的地震鼓包[图5(d)],虽然距微观震中位置距离仅3.2 km(表2),其地震鼓包的规模却明显变小,推测此处是由南支次级破裂造成的。

图5 道河段地震地质灾害特征Fig.5 Seismic geological damage characteristics in the Daohe segment

表2 调查点距微观震中的距离

自道河向东至硫磺沟段,地表破裂带的规模无明显变化,为整条破裂带破裂程度最大的一段,主要由雁列式的张裂隙、挤压脊、挤压鼓包等组合而成,连续性好[图6(a)]。在距微观震中位置4 km的地表破裂带上可见规模巨大的雁列式组合的张裂隙和挤压隆起,张裂隙最宽处可达1 m,深度可达15 m,挤压隆起的高度可达30～70 cm[图6(b)]。该段破裂带形成的地震鼓包在整条破裂带中规模最大,局部可见高1～1.5 m、宽3.5～4 m的挤压鼓包[图6(c)]。距微观震中位置3.2 km处,地表破裂带经过硫磺沟处的道路,形成10～20 cm的裂缝[图6(d)],断层的左旋运动使道路发生左旋位错[图6(e)],其位错量可达1.1 m左右。地表破裂带穿硫磺沟而过,使硫磺沟河流冰面及河漫滩发生逆冲性质的破裂,形成的陡坎最高处高度可达0.6 m左右[图6(f)],并伴有明显的左旋位错,位错量为1.4 m左右。

图6 硫磺沟段地表破裂带及典型震害特征Fig.6 Seismic surface rupture and typical earthquake damage characteristics in the Liuhuanggou segment

自硫磺沟向东至永安河段,破裂带的规模开始逐渐减小,自西向东呈逐渐变弱的趋势,其线性依然清晰[图7(a)]。在距微观震中位置4.8 km处的兰新高铁大梁隧道,地表破裂造成跨硫磺沟大桥桥梁发生破环变形、部分桥墩受损、桥墩地基开裂[图7(b)、(c)、(d)]。根据现场的考察发现,跨硫磺沟的高铁铁轨发生右旋位错变形,实际上这是一种假象。这是由于该部分轨道位于地震地表破裂带的同一盘(北盘),北盘相对向右运动,轨道不同段与破裂带的距离不同导致向右运动的幅度存在差异,从而使轨道变形程度不同。距离较近的轨道产生向右的位移大,距离较远的轨道产生向右的位移小,从而造成了右旋位错的假象。地震地表破裂带向东延伸,沿冷龙岭山前线性展布[图7(e)],仍具有一定的连续性。在距微观震中位置7.5 km处,破裂带穿过永安河,造成河流冰面发生破裂,形成长度约100 m的挤压脊,局部高度可达0.3～0.4 m左右[图7(f)]。破裂带向东延伸5 km至敖包沟附近,破裂的程度逐渐变小,发散为几条规模较小的张裂隙,形成破裂带的端部构造。

图7 永安河段地表破裂带及典型震害特征Fig.7 The seismic surface rupture and typical earthquake damage characteristics in the Yongan river segment

3 讨论

此次门源6.9级地震形成长约26 km的地表破裂带,断裂错动造成的破坏主要为地裂缝、地震鼓包、断层陡坎等,呈左旋左阶拉张和左旋右阶挤压的雁列式组合。地表破裂带多发育在高原山区冻土层,冻土层厚度大、埋藏浅,具有刚性特征,能对地震造成的地表破裂做出较好的响应。在左旋左阶拉张区域,冻土层迅速拉张形成平直的张裂隙[图4(d)、图6(b)],裂隙深处可见地下水结冰形成的冰冻层。在左旋右阶挤压区域,冻土层受挤压作用发生刚性破坏,形成地震鼓包。河流冰面也可以对地表破裂程度有很好的响应,此次地震形成的同震地表破裂带穿过区域内多条河流,如硫磺沟、道河、上大圈沟、下大圈沟等,在河流冰面上产生的破裂主要以挤压脊、挤压鼓包为主。在北支主破裂带西端下大圈沟段上形成的冰面挤压脊的破裂程度以及地震鼓包的规模均较小[图3(b)、(c)],在道河至硫磺沟段形成的冰面破裂及地震鼓包的规模最大[图4(f),图5(a)、(b)],上大圈沟处及永安河段次之[图4(b)、图6(f)、图7(f)]。由此可确定本次地震形成的地表破裂震害在道河至硫磺沟段的规模最大,向东西两侧延伸破裂带及震害的规模呈逐渐减弱的趋势。根据地表破裂展布、震害规模等野外调查和综合分析,可初步确定本次地震的宏观震中位于道河至硫磺沟区域。

强震在形成复杂多样的同震地表破裂的同时,也会造成一系列地震地质灾害。2021年5月22日玛多MS7.4地震同样为左旋走滑型强震,形成总长约160 km的同震地表破裂带,其地表破裂形式也以地裂缝、地震鼓包、断层陡坎为主,地震沿破裂带还造成了大量砂土液化、喷砂冒水、软土震陷等地质灾害[17-18]。与玛多7.4级地震不同,此次门源地震主要造成冻土开裂、冰面扭曲变形以及边坡崩塌、滚石等,未见砂土液化、喷砂冒水等现象。这是由于二者的地貌及场地特征不同,其中玛多7.4级地震震中区域湖泊众多,且地下水较浅,地层也以粉砂、粉土为主,有利于地震引发喷砂冒水及塌陷;而此次门源地震的震中位于青藏高原东北缘祁连山东段,该区以高原山地为主,地表覆盖冻土层,山区地形对地震造成的边坡崩塌、滚石等地震灾害具有放大效应。在野外实地考察中发现,门源地震造成的边坡崩塌、滚石发生在坡度较陡的河道两侧[图3(d)、图5(c)],其发育程度与破裂带的规模相一致,其中道河处的规模相对较大[图5(c)],下大圈沟处的规模较小[图3(d)]。