2021年玛多MW7.4地震震中区地表破裂的精细填图及阶区内的分布式破裂讨论

2022-06-10韩龙飞姚文倩王文鑫刘小利高云鹏邵延秀李金阳

地震地质 2022年2期

关键词：玛多断层分布式

韩龙飞刘静姚文倩王文鑫刘小利高云鹏邵延秀李金阳

1)天津大学，地球系统科学学院，表层地球系统科学研究院，天津 300072

2)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

3)中国地震局地震研究所，武汉 430071

0 引言

对同震地表破裂的分布形态和几何结构的深入了解，可为地震断裂的力学机理、动态破裂过程和未来大地震发生的可能性与破裂终点等方面的研究提供重要信息(Wesnousky，2006，2008； Elliottetal.，2009； Oskinetal.，2012； Rockwelletal.，2013)。走滑活动断裂带沿线往往会发育一系列的几何不连续结构，如阶区、弯折与断裂分支等，这些几何不连续结构将对同震地表破裂的形态产生一定影响(Schwartzetal.，1984； Wesnousky，1988，1994，2006； Zhangetal.，1999； Elliottetal.，2015； Hamlingetal.，2017)。以往震例的地表破裂观测研究表明，在这些几何不连续结构位置往往会形成分布式破裂、破裂空区等特殊的破裂形态(Spotilaetal.，1995； Zachariasenetal.，1995； Eberhart-Phillipsetal.，2003)。Klinger等(2018)对2016年新西兰MW7.8 Kaikōura地震破裂三联点周边断层的动态数值模拟研究也表明，在这些几何不连续结构处会形成分布式破裂与损伤。另外，大地震发生的初始阶段，在走滑断裂带上也会形成不同于主要破裂段的破裂形态。例如，2001年在以左旋走滑特征为主、几何形态较为单一的东昆仑断裂上发生的MS8.1 大地震震中附近呈正断层形态，而后才沿主断裂形成长约426km的左旋走滑地震断裂带(Xuetal.，2002)； 2002年在美国阿拉斯加州发生的Denali地震破裂在其初始阶段长40km的段落上展示为逆冲断层的形态，而后在主破裂上呈约300km长的以右旋走滑为主的地震破裂特征(Eberhart-Phillipsetal.，2003)。

为深入理解震中区阶区的几何结构和震中附近破裂特征对地表破裂形态的影响，我们对震中区段落开展了精细的地表破裂填图、分类、几何结构与走向分析等工作。在以往对青藏高原内部及周边大地震的震后地表破裂调查中，研究人员通常通过野外实地考察的方式(Dengetal.，1986；国家地震局地质研究所等，1990； Xuetal.，2002； Liu-Zengetal.，2009； Lietal.，2016)或卫星光学影像对地表破裂的特征进行描述与记录(Klingeretal.，2005； Renetal.，2019)，然而通过这些方式获取的数据在精度和准确度上仍然不足。

基于高分辨率地形数据开展震后地震地表破裂考察的方法主要包括机载激光雷达技术(LiDAR)、高分辨率卫星光学影像和航空摄影测量技术等。LiDAR技术可去除地表植被获取“裸地”地形，在植被茂密区域的断裂带调查中具有开创性的意义(Frankeletal.，2007； Zielkeetal.，2010，2012；刘静等，2013； Manighettietal.，2015； Renetal.，2016； Hudnutetal.，2020)。对于高分辨率光学影像，我们既可以直接在影像上进行地表破裂解译，也可以使用卫星影像立体相对技术提取其中所包含的高程信息(Klingeretal.，2005，2011； Bietal.，2018； Choietal.，2018)。近年来，随着无人机航空摄影测量技术越来越多地应用于地球科学领域，一种新型的低成本、高精度的三维地形数据获取技术——结构运动重建技术(Structure from Motion，SfM)广受欢迎。该方法可利用高效的特征匹配算法(feature matching algorithms)从多视角照片中提取重叠区域的三维地形信息(Brownetal.，2005； Turneretal.，2014；魏占玉等，2015； Ajayietal.，2017； Pierceetal.，2020)。在玛多地震的震后调查中，我们于2021年5月24日—6月15日利用无人机航空摄影测量技术获取了地震破裂带的高分辨率航空影像数据，并利用PhotoScan软件基于SfM算法处理获得了高分辨率的数字正射影像(Digital Orthograph Model，DOM)和数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。本研究基于高分辨率的地形数据和影像并结合野外实地调查资料，完成了对玛多地震震中区长约30km段落的地震地表破裂解译与分类，进一步分析了地震破裂的几何结构与走向特点。

1 构造和地质背景

印度板块与欧亚板块碰撞并持续会聚，形成了一系列规模巨大的活动断裂，如阿尔金断裂、海原断裂、昆仑断裂、喀喇昆仑断裂和鲜水河-小江断裂等，这些大型活动断裂带及其伴生的次级构造等共同吸收了印度-欧亚板块会聚产生的大量应变(图 1)(Molnaretal.，1975； Tapponnieretal.，2001；邓起东等，2002)。同时，这些大型走滑活动断裂往往是中国陆内的大地震多发区，具备发生8级左右破坏性强震的能力，如1920年海原MW7.9 大地震、2001年昆仑山MS8.1 大地震等(国家地震局地质研究所等，1990； Xuetal.，2002)。

图 1 青藏高原及周边主要的活动断裂和历史地震分布图(2)http： ∥www.cenc.ac.cn/。Fig. 1 Map of major active faults and historical earthquakes in the Tibet Plateau and its surrounding areas.浅红色实心圆表示1970年后青藏高原及周边地震的震中，其中紫色实心圆指示MS>6.9的地震，红色五星指示2021年5月22日 MW7.4 玛多地震

在构成青藏高原的主要地块中，巴颜喀拉地块周缘边界断裂带的构造变形不仅控制了地块的整体向E运动，而且还控制了大地震的频繁发生(Dengetal.，1996； Xuetal.，2002)。近20余年来，围绕着巴颜喀拉块体发生了多次大地震，包括2014年于田MS7.3 地震、2008年于田MS7.3 地震、1997年玛尼MS7.5 地震、2017年玉树MS7.0 地震、2013年芦山MS7.0 地震、2008年汶川MS8.0 地震、2017年九寨沟MS7.0 地震和2001年昆仑MS8.1 地震等(图 1)。位于块体北边界的东昆仑断裂带是一条巨型左旋走滑断裂带，总体走向近EW，长约1900km(图 1)。该断裂带自西向东可分为8段，分别为鲸鱼湖段、库赛湖段、东西大滩段、阿拉克湖段、托索湖段、玛沁段、玛曲段和塔藏段(青海省地震局等，1999； van der Woerdetal.，2002)。沿东昆仑断裂带的左旋走滑速率由西向东从约11mm/a(van der Woerdetal.，2002)减小至5.5mm/a和3mm/a以下(李春峰等，2004； Kirbyetal.，2007；李陈侠等，2011； Renetal.，2013)，尤其在经过挤压弯曲部位处滑移速率快速减小。

除在巴颜喀拉块体边界主干断裂上频繁发生地震外，在块体内部区域也广泛发育了一系列NW-SE向的活动断裂。例如，此次玛多地震就发生于东昆仑断裂带南侧巴颜喀拉块体内部的一条次级左旋走滑断裂——昆仑山口-江错断裂上(盖海龙等，2021；潘家伟等，2021)。张裕明等(1996)的调查研究认为，该断裂带位于玛多-甘德断裂与达日断裂之间(图 2)，总体走向NWW，断错了晚第四纪地貌面，并存在全新世活动。

2 数据和方法

2.1 高精度地形数据的获取与处理

玛多地震发生后，我们即刻前往玛多震区开展无人机航空摄影测量作业。2021年5月24日—6月15日，沿玛多地震破裂带共获取长约160km、宽约1km的航空摄影测量数据廊带。经数据处理获取了一系列3～6cm分辨率的数字正射影像(Digital Orthograph Model，DOM)、数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)及相关衍生图(如坡度图、山影图等)。

图 2 2021年5月22日玛多 MW7.4 地震破裂及主要区域活动断裂图Fig. 2 Map of the May 22，2021 MW7.4 Madoi earthquake ruptures and major active faults of the region.红色和紫色实心圆指示玛多地震的震中(3)http： ∥www.cenc.ac.cn/。(4)https： ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/。，浅红色实心圆指示地震序列重定位分布图(王未来等，2021)，红色迹线为InSAR同震形变场的形变迹线，也是本次航拍作业的中心线

以研究人员在推特(Twitter)分享的基于哨兵一号卫星获取的InSAR同震形变场的形变迹线(Sentinel-1 Range offset map，2021-05-20—2021-05-26)作为航拍作业的中心线，设置分别覆盖中心线两侧各500m范围的航拍区域，并在部分段落适当加宽了航拍范围的宽度(图 2)。将kmz文件分段导入CWCommder飞控平台设置航拍区域并自动生成无人机航空测线，其中航空照片的航向重叠率与旁向重叠率分别为80%与80%，地面比例尺大多设置为1︰300(在地形复杂的破裂东端设置为1︰600)，无人机飞控系统会根据所设置的地面比例尺自动设定所需的飞行高度。为提高航拍照片绝对位置的准确度，通过架设RTK地面基站并采集Cors站数据的方式对无人机的Pos姿态数据进行校准。本次航拍作业所使用的飞行平台为成都纵横大鹏无人机科技有限公司自主研发的CW-15型无人机，搭载4200万像素单反相机、携带GPS模块(通过与单反相机的相对位置可准确得到航拍照片的GPS信息)。每获取一个架次的航空摄影测量数据，即使用PPS位置解算软件通过对无人机姿态数据(Pos)、RTK基站位置数据和Cors站数据解算获取每张航空照片的位置信息，其中包括经纬度、高程、无人机的航向、滚转与俯仰等数据。

在室内使用商业软件Agisoft PhotoScanTM软件基于SfM(Structure from Motion)方法构建具有地理坐标的三维地形数据。这种新型数字摄影测量技术可利用高效的图像特征匹配算法从多视角照片中提取重叠区域的三维地形数据。PhotoScan软件利用数字照片集构建三维地形数据的步骤包括： 1)将照片和相应的位置信息导入PhotoScan软件； 2)在照片之间进行特征匹配和跟踪，重构三维景观，获取稀疏的真彩色点云数据； 3)获取高密度点云数据； 4)构建纹理、网格数据； 5)创建数字高程模型与数字正射影像并导出为tif文件。其中，在获取高密度点云数据后可直接通过其他优化DEM生成的专业软件(如QTModeler)制作DEM数据(Westobyetal.，2012； Angsteretal.，2016)。

图 3 玛多 MW7.4 地震震中附近的阶区及其周边地表裂缝分布图Fig. 3 Surface rupture distribution of the step-overs and their surrounding areas near the epicenter of the MW7.4 Madoi earthquake.依据裂缝的形态特征可分为S1(阶区南支断层主破裂段)、S2(阶区南支断层次级破裂段)、S3(黄河漫滩破裂段)、S4(黄河漫滩东岸破裂段)、S5(阶区东南侧散乱破裂段)和S6(阶区北支断层主破裂段)6段。红色指示主破裂，蓝色指示次级破裂，绿色指示崩塌裂缝，紫色指示地表裂缝，黄色指示前人基于野外调查的填图破裂(潘家伟等，2021)，白色指示InSAR同震形变场的形变迹线，黑色线框指示DOM的数据区域，橘红色虚线条指示阶区两侧断层的延长线与阶区的范围

2.2 同震地表破裂的精细填图

获取高分辨率(3cm)的地形数据后，本研究对玛多地震震中区长约30km的地表破裂进行了精细的解译与分析，并通过野外调查的方式对地表破裂进行了测量与核对。震中区段落的数字正射影像(DOM)与数字高程模型(DEM)数据的宽度至少为1.3km(S1—S2段)，最宽可达3.1km(S3—S6段)，为较全面地揭示地表破裂信息提供了数据支持(图 3)。在地表破裂解译过程中，为避免遗漏填图，将DOM分割成一个个小块，在ArcGIS软件中进行数字化的断裂填图。对具有一定宽度的裂缝描绘其两侧的边界，而对于比较窄的裂缝则仅描绘其中心线。间隔一段时间后，反复检查地表破裂填图的结果，或增加、或删减，并对地表破裂进行类别划分(主破裂、次级破裂、地表裂缝、崩塌裂缝等)，最后分段绘制地表破裂走向的玫瑰花图。在获得精细的地表破裂填图结果后，于2021年9—10月开展野外实地调查，对所解译的地表破裂进行实地测量与核对。

3 玛多地震震中区段落的地表破裂特征

获取精细的地表破裂填图结果并进行野外实地调查后，最终确定了震中区段落地表破裂的几何形态特征。

3.1 震中区段落破裂的整体特点

依据地表破裂的形态特征，将震中区研究段落的破裂划分为6段，分别为： S1(阶区南支断层主破裂段)、S2(阶区南支断层次级破裂段)、S3(黄河漫滩破裂段)、S4(黄河漫滩东岸破裂段)、S5(阶区东南侧散乱破裂段)和S6(阶区北支断层主破裂段)。由阶区南、北2支断层分别向阶区位置延伸，可知阶区的长和宽分别约为9km和3km(图 3)。总体上，南、北2支断层(S1、S6)所揭示的地表破裂相对比较集中，而阶区位置(S3、S4、S5)的破裂较为分散，S2段的次级破裂也比较分散(缺失地震主破裂)(图 3)。为更清楚地揭示地表破裂的分布特征，将地表破裂的类别划分为主破裂、次级破裂、地表裂缝与崩塌裂缝等，其中地表裂缝是成因尚不确定的裂缝(图 3)。

将研究人员获取的震后数天InSAR同震形变场的形变迹线(社交软件共享)和潘家伟等(2021)通过野外实地调查得到的地震破裂迹线与本研究的精细地表破裂填图进行对比可知： InSAR同震形变场的形变迹线所揭示的阶区形状较为规则，且在S6段与本研究填图所揭示的主破裂位置较为一致，然而在S1段与本研究填图所揭示的主破裂中心线整体上存在约400m的偏差，在S3—S5段由于地表破裂散乱而没有显示出一致性(图 3)。潘家伟等(2021)在S1段和S5段的野外地震破裂填图与本研究的地震地表破裂填图的位置较为一致，然而却未能揭示出S6段的主破裂。潘家伟等(2021)也未能揭示出S3、S4段阶区内复杂且丰富的地表破裂形态，而是揭示了阶区以南存在与主断层走向一致的地表破裂(已在本次无人机航拍摄影测量的范围之外)(图 3)。

图 4 各段地表破裂走向的玫瑰花图Fig. 4 Rose chart of each segment of surface ruptures.蓝色线指示主断层的走向

对各段地表破裂的走向进行统计绘制的走向玫瑰花图显示：阶区两侧S1、S6段主断层上的地表破裂走向范围较为集中，其中S1段地表破裂的走向与主断层的走向较一致，而S6段的地表破裂与主断层的走向呈大角度斜交。除S2段外，在平面图上未显示出明显主破裂形态的S3、S4和S5段破裂的走向也具有较显著的优势破裂方向(图 4)。

3.2 震中区阶区两侧断层的地表破裂形态

阶区南支断层主破裂段(S1段)发育较多典型的拉张裂缝并伴随左旋分量，各裂缝走向与主断层走向基本一致或呈小角度相交，主破裂宽度最大约达50m(图5a)。根据地裂缝两侧边界的形状或其他断错标志的对照，可以获得单支裂缝的拉张量与左旋位错量。例如，根据一根横跨裂缝的水泥柱现在的位置与其原来位置印记的对照，在野外测得其水平位错量为23cm、拉张量为40cm，该位错值即可作为这支裂缝的位错量。在S1段，单支裂缝最宽约达90cm，总拉张量最大约达280cm。根据多支裂缝的左旋位错量与拉张量，可以得到主破裂上总的左旋位错量与拉张量(图5a)。本文不对主破裂带的左旋位错量和拉张量展开论述，仅通过该野外照片展示阶区南支断层的典型的左旋拉张型破裂的特点。阶区南支断层次级破裂段(S2段)所揭示的地表破裂走向与主破裂的走向完全不同，且都是沿着河岸发育，疑似为沿河岸的崩塌裂缝(图5b)。在S2段，整体上不存在与主破裂走向一致的地表破裂，并且缺失主破裂迹线(图 3)。

图 5 S1段典型的拉张型地震破裂和S2段的次级破裂Fig. 5 Typical tensile earthquake rupture of segment S1 and secondary rupture of segment S2.

图 6 S6段的线性构造地形、累积断错冲沟与地表破裂分布图Fig. 6 Linear structural topography，cumulative displaced gullies and surface rupture of segment S6.

阶区北支断层主破裂段(S6段)的主破裂沿先存构造地形发育(图6a)，并揭示了可达数十米量级的左旋位错冲沟(图6b)。地表裂缝呈雁列式分布，皆与主断层走向呈大角度相交(图6c)。然而这些地震破裂并不完全沿着先存断裂展布，而是在部分段落存在一定的偏离(图6b)。阶区东南侧散乱破裂段(S5段)的地表破裂在平面图上显示较散乱的分布特点，但是具有NNW的优势破裂方向。在野外调查中可确定S5段的地表破裂是由地震造成的地震地表破裂，而不是崩塌裂缝，且S5段的地表破裂两侧伴随有砂土液化发育(图 3)。

3.3 震中区阶区内的地表裂缝形态

黄河漫滩上及两岸的地表裂缝形态多样，难以对其类别进行准确划分，故仅将沿累积构造地形发育的典型地震破裂标记为主破裂(红色)，将与主破裂位置不一致的其他典型地震破裂标记为次级破裂(蓝色)，将沿河岸边或湖岸边分布的崩塌裂缝标注为崩塌(绿色)，将成因尚不明确的地表裂缝标记为地表裂缝(紫色)(图 7)。黄河漫滩东岸破裂段(S4段)的次级破裂和地表裂缝在平面图上显示为较宽范围内的分布式破裂(图 3)，虽然在局部看起来比较分散(图 7)，但该段地表裂缝的整体走向与主断层的走向一致(NWW向)(图4d)。另外，在S4段存在一系列与主断层走向一致的累积线性地形，在其上发育走向一致的地表破裂，且存在一定的垂向位错量(图8a)。

在野外实地调查中，可确定S4段的次级破裂为地震成因的破裂，其中包括与主断裂走向一致的沿先存地形发育的具有垂向分量的地表破裂(图8a)、雁列式的地表破裂(图8b)，也包括与主断裂走向不同的次级破裂(图8c)等。在黄河漫滩发现了一些网格状、裂缝深度较浅的地表裂缝，且没有固定的走向(图8d)。

图 7 阶区内各类地震破裂与地裂缝分布图Fig. 7 Map of earthquake surface rupture and surface fissures in the step-over.

图 8 野外实地拍摄的地表破裂、地表裂缝照片Fig. 8 Photos of surface rupture or surface fissures in the field.a 具有垂向分量的地表破裂； b 沿湖边发育的典型雁列式的地震地表破裂； c 黄河岸边的地表破裂； d 黄河漫滩上的地表裂缝。各照片拍摄于图7所指示的位置

图 9 沿河岸、湖岸发育的典型崩塌裂缝Fig. 9 Typical collapse fissures along riverbank or lakeshore.a 红色箭头指示崩塌地块的相对运动方向，紫色箭头指示崩塌地块的相对拉伸方向； b—e 典型的崩塌裂缝展布与河岸、湖岸线较为一致

在黄河漫滩和黄河东岸上发育了一些比较典型的崩塌裂缝，其整体的分布位置与黄河岸边和湖岸边形态较一致(图9b—e)。另外经力学分析，一些初期被认为是地震地表破裂的裂缝也确定是因为崩塌形成，其中红色箭头指示小地块的相对运动方向，紫色箭头指示裂缝的相对拉张方向(图9a)。

阶区位置黄河漫滩破裂段(S3)的地表裂缝在平面图上展示为比较散乱的分布形态，但从地表裂缝走向的玫瑰花图上看，黄河漫滩上的地表裂缝存在NE向的优势走向(图4c)。黄河漫滩上发育有典型的网格状(图10b，d)、“爆炸式”(图10c)和拉张型裂缝(图10e)等，且较多裂缝伴随有砂土液化现象(图10a，f)。砂土液化的形状既有串珠状的形态，也有单独的形态，且大多数都沿着地表裂缝分布(图 10)。

图 10 黄河漫滩上的裂缝Fig. 10 Surface fissures on the Yellow River floodplain.a 沿河岸的地表裂缝； b、d 网格状地表裂缝； c 爆炸式地表裂缝； e、f 伴随砂土液化的裂缝

4 对玛多地震震中区破裂研究的一些认识

野外地质调查与无人机航空摄影测量技术结合可更详细、准确地揭示地震地表破裂的形态特点。野外踏勘是开展震后地震破裂调查的重要手段和方法，在该过程中不仅可直观地观测到地表破裂的形态，并且能够对地表破裂进行分类与验证，尤其是对走滑断裂带地表裂缝的垂向位错具有较高的识别度。然而，对于造成上百千米尺度地震地表破裂的大地震而言，震后的野外实地调查是劳动密集型的，且容易遗漏部分破裂的位置。相比之下，通过无人机航空摄影测量技术与室内破裂解译可快速获取地表破裂的基本形态，且凭借其高分辨率的优势可进一步分析地表破裂的精细几何特征。潘家伟等(2021)在玛多地震后积极开展了地震地表破裂调查，出动人数较多、持续时间较长，是最早详细报道玛多地震地表破裂形态特征的工作之一。潘家伟等(2021)对多处地震破裂进行了调查，认为此次地震的同震地表破裂长度约为151km。但由于野外工作时间较短，往往不足以覆盖破裂所有区段，也容易造成遗漏，例如位于破裂端部、不易识别的同震地表破裂证据等。在高精度影像的辅助下，经过野外复核，姚文倩等(2022)重新厘定的地表破裂长度为158km。在S1段和S5段，地表破裂沿道路两侧分布且地势平坦，在野外踏勘中可以比较容易地开展详细调查。而S6段山路崎岖，不易抵达，且地表裂缝较窄，这可能是导致潘家伟等(2021)未能揭示出这支重要的阶区北支断层地表破裂的原因。同时，S3和S4段的地表破裂零散分布，且多处在黄河岸与湖岸附近，水路不通，难以开展详细的野外实地调查。另外，潘家伟等(2021)所揭示的阶区南侧的地表破裂超出了本次航空摄影测量的范围。基于以上分析，对于大地震的震后地表破裂调查，建议通过无人机航空摄影测量技术快速获取地表破裂带两侧的高分辨率影像数据(可适当加大宽度)并进行地表破裂的初步解译，随后有目的地进行野外踏勘，对典型或特殊的地表破裂特征进行实地调查与测量，同步分组进行无人机航空摄影测量与野外踏勘可提高工作效率。

此外，根据阶区两侧断层所处的地形和发育的破裂形态可确定阶区的位置和大小。阶区北支断层主破裂段(S6段)的地震地表破裂沿先存的构造地形发育，两者在位置上具有高度的一致性。在S6段，形成了数千米长的裂谷，且沿线发育典型的数十米长的断错冲沟，说明该段的地震破裂经常沿此断层展布，具有较高的成熟度。而阶区南支断层主破裂段(S1段)的地表破裂两侧地势平坦，未见显著的走滑型累积断错地貌，但其主破裂展布较为集中。本文中分别沿S6段先存的地形迹线和S1段主破裂的中心迹线往阶区位置延伸，最终确定了阶区的位置与大小。

对主破裂、次级破裂以及地震波振动效应所造成的破裂进行识别、分类，对于正确理解地震破裂的形态特征及其机理具有重要意义。主破裂是指与构造破裂相关的断裂，其主断层面与地表相交。次级破裂的类型多样，主要指与主断层面无关的浅表断层上发育的裂缝。另外，地震动效应也可造成坡岸崩塌、局部滑坡等，从而形成零散的裂缝。其中，主破裂形态可直接反映地震的破裂长度、震级大小及其他可提供同震破裂机理性研究的信息；次级破裂可能反映了分布式破裂的形态特征。S1段发育与主断层走向一致的多支拉张型断裂形态，S6段发育与主断层走向呈大角度相交的雁列式断裂形态，两者的地震断裂分布都较为集中，展示了不同形式的主破裂特征，同时也反映了较稳定的主断层位置。S2段沿河岸发育的地表裂缝被划分为次级破裂，显示震中附近段落存在着主破裂的空缺，可能反映了地震破裂在初始阶段的特殊形态。虽然阶区内S3—S5段的地表裂缝在平面图上显示为较散乱的形态，难以准确区分是否为主破裂或次级破裂，但玫瑰花图所反映的走向显示其具有一定的优势破裂方向。具有许多“爆炸式”、网格状破裂的黄河漫滩上的地表破裂沿各个方向分布，但存在NE向的优势破裂走向，一方面可能反映了伸展阶区内的地表破裂与主断层方向呈斜交分布的特点，另一方面可能存在较多沿河岸分布的地表破裂(阶区内黄河河道的走向大致为NE向)。具有分布式破裂特点的S4段，同震地表破裂的优势走向和先存累积构造地形的走向都与主断层的走向一致，可能反映了历史上地震破裂经过该阶区时具有相似的地震破裂特点，并形成了较稳定的地震断层。S5段的地震破裂走向既不同于主断层也不具有跨越阶区的趋势，可能与其向S延伸的未产生同震破裂的断层有关。对震中区各段落不同类别的地表破裂进行划分，可以更正确地反映断裂几何结构和动态破裂过程的内在机理。

5 玛多地震震中区分布式破裂的形态特征讨论

玛多地震的崩塌裂缝分布广泛，容易对地震断裂的几何分布特征产生混淆，因此进行地表裂缝的分类非常重要。一般情况下，崩塌裂缝是由重力垮塌造成的，通常沿黄河岸边或湖岸边分布。这种崩塌现象普遍存在于地震断裂经过的水域岸边，尤其在玛多地震震中区较为普遍。在震中区，除了这种形式简单的重力垮塌之外，黄河漫滩上也发育了一系列网格状、“爆炸式”裂缝和沿河岸分布的“撕裂型”裂缝，并伴随砂土液化现象。这些特殊的裂缝既不同于简单形式的崩塌裂缝，也不同于地震主断裂的形态。一方面，可能是震中区较强的地震晃动效应所造成的；另一方面，地震断裂在初始阶段尚未形成优势的破裂方向，而是三维的破裂形态。这也意味着，这些特殊裂缝的成因是不能够完全用崩塌或地震晃动效应所解释的，也可能有与地震断裂相关的构造成因的分布式地表破裂。另外，黄河漫滩上的地表裂缝看似凌乱，且沿各个方向分布，但从走向的玫瑰花图上看(图4c)，这些裂缝存在NNE的优势破裂方向，而该方向趋向于跨越阶区的方向。

以往的震例表明，在断裂带的阶区、弯折、分叉等几何不连续结构部位的地震破裂通常比较零散，除了与主断裂方向一致的地震破裂外，还会发育多种呈不同方向展布的地表破裂，甚至存在一些近似“爆炸型”的裂缝。例如，由5条断裂组成的1992年MW7.3 Landers地震破裂跨越了3个主要的伸展阶区。其中，Homestead Valley断裂与Emerson断裂在走向上具有5km的重叠段，在两者之间形成了15km2的阶区。Zachariasen等(1995)对此阶区的地震破裂开展了详细的调查，其研究表明，在阶区内具有5条与主断裂斜交的次级交叉断裂，这些不同成熟度的次级交叉断裂与主断裂共同构成了走滑复式构造，能够有效地将地震滑动从Homestead Valley断层转移到Emerson断层之上。这些阶区内的次级交叉断裂可能体现了断层深部三维的网状断裂体系，也可能是相邻的先存断裂的薄弱带受触发而形成的裂缝(图11a)。另外，在1992年MW7.3 Landers地震破裂中，Johnson Valley断层与Homestead Valley断层组成的阶区北端，存在一个长3km、断裂不是很清晰连续的段落。Spotila等(1995)开展了详细的地震破裂调查，认为该段落普遍缺乏右旋走滑量，并将其称为Homestead Valley断层的位移空区，地球物理模拟也揭示该段在深部断面上的右旋位移量很小甚至缺失(Campilloetal.，1993； Siehetal.，1993)。Spotila等(1995)的调查研究表明，该位移空区是一个缺乏右旋滑动量、呈NW走向、SW倾向的逆冲断裂，它是阶区北端浅层地壳和右旋剪切形成的次级破裂。另外，沿位移空区存在雁列式的伸展断裂带是分布式右旋剪切断裂的次级结果。

图 11 玛多地震与历史地震复杂几何结构位置的地表破裂图Fig. 11 Map of surface ruptures on the complex geometry of Madoi earthquake and historical earthquake.a 1992年Landers地震Emerson断层与Homestead Valley断层构成的阶区； b Homestead Valley断层与Johnson Valley断层构成的阶区内的分布式地表破裂； c 2016年Kaikōura地震Jordan-Kekerengu-Papatea三联点位置数值模拟的分布式破裂与损伤(Spotila et al.，1995； Zachariasen et al.，1995； Klinger et al.，2018)； d 玛多地震震中区的地震破裂简图

2016年新西兰MW7.8 Kaikōura地震造成了至少15条地壳尺度的断层破裂，是有历史记录以来发生的最复杂的地震之一。其中，在Jordan-Kekerengu-Papatea 3支断层交会处的三联点位置展示了显著的分布式破裂和损伤。基于震前、震后卫星影像匹配获得的同震位移场显示，沿Jordan断层和Kekerengu断层的形变仅分布在断层两侧几十米的局部范围内，并且沿Kekerengu断层上测量到的最大值为11m的右旋走滑量与野外实地观测结果也十分吻合(Kearseetal.，2018)。然而，在Papatea断层上普遍存在显著的分布式变形，该断层南侧部分存在的约6m的同震位移变形分布在宽2km的范围内，与野外调查和基于LiDAR填图的变形结果较为一致。在接近三联点的位置，地震破裂的分布式变形再次变宽，广泛分布于Kekerengu断层、Papatea断层和Waiautoa断层组成的三角形区域内。Klinger等(2018)通过二位连续-非连续模型分别对2种破裂情景进行模拟，认为Papatea断层首先发生破裂，地震破裂从南向北传播，当地震破裂抵达到三联点时，在Jordan-Kekerengu断层系统上触发了新的破裂，之后分别向两侧传播。当地震破裂沿Papatea断层传播时，在断层西侧的主要扭结处形成了明显的损伤区(图11c)，在Kekerengu-Papatea-Waiautoa断层之间的三角形区也发育了一个主要的损伤区，而沿Jordan断层没有发生明显的损伤，这与基于震前、震后卫星影像匹配获得的同震位移场的结果较为一致。然而，在Jordan断层首先产生破裂的情景既不符合观测到的同震位移场，也不符合观测到的地表破裂形态。相关的次级破裂和同震分布式破裂损伤模式，很大程度上是由牵引状态、断层几何形状、破裂的方向性(Kameetal.，2003； Flissetal.，2005； Vallageetal.，2016)和一些地质构造继承性(Choietal.，2018)所决定的。在地面上，这种非断层损伤区可达数百米宽(Mitchelletal.，2009； Vallageetal.，2015)，而它在深度上将变得更窄(Di Toroetal.，2005)。

玛多地震震中区的阶区与以往震例相比，不仅包含构造成因的地震主破裂、次级破裂和较为确定的崩塌裂缝，也包含成因尚不明确的地表裂缝。这些地表裂缝可能承载着构造变形的因素，也可能受到震动效应的影响，但如果简单地将这些地表裂缝全归功于强震动作用，可能会错过这些裂缝带给我们的关于地震破裂过程中构造相互作用的信息，它们是构成阶区内分布式形变的重要组成部分(图11d)。

大地震在破裂初始阶段的动态过程和强烈地震动会对地震破裂的形态产生很大的影响与控制作用。震中区阶区南、北2支断层的主破裂形态稳定，累积断层构造地形清晰，说明在主破裂位置已经确定了稳定的破裂形式。阶区位置的破裂散乱分布，除一方面受到阶区的几何结构的影响外，另一方面可能与在地震破裂初始阶段尚未确定稳定的优势破裂方向有关，其呈现的是三维的破裂形态，从而在地表展现为一系列分布式的地震地表破裂形态。地震源和爆炸源都可以通过非线性特质或初始条件产生复杂的波长和断裂模式。此外，如预应力状态、材料强度、摩擦过程、各向异性、地形和其他非均质性等距离地震源和爆炸源较近的特质，会以非线性和非直观的方式增加断裂的复杂性。这些特性可影响事件期间的非线性变形，并对所产生的地面运动、塑性变形、裂缝分布、剥落以及非线性体积之外的地震波的生成造成影响。