2022年青海门源MS6.9地震地表破裂带宽度调查与启示

牛鹏飞,韩竹军,郭鹏,李科长,吕丽星

中国地震局地质研究所,北京 100029

0 引言

大量震例表明,M≥6.5地震就有可能沿发震断层形成数千米至数百千米长的地表破裂带(Wells and Coppersmith,1994),地震灾害具有沿破裂带呈带状加重分布的特征(中国地震局赴土耳其地震现场考察专家组,2000;徐锡伟等,2002).例如,1999年台湾MS7.6集集地震的地表破裂带及两侧十几米范围内建筑物被夷为平地,而十几米之外建筑物基本完好(Chen et al.,2001);2008年四川MS8.0汶川地震地表破裂带所过之处房屋尽毁,山脊水系被错断(Xu et al.,2009; 陈桂华等,2008);坐落在2016年新西兰MW7.4凯库拉地震地表破裂带上的房屋出现歪斜(Lo et al.,2018; 韩竹军等,2018);2021年青海MS7.4玛多地震地表破裂带沿线的房屋、道路、桥梁等基础设施被破坏(潘家伟等,2021; Wang et al.,2022).避开活动断层和选取合理的避让距离可以有效减轻同震破裂对建筑物的直接破坏,降低地震灾害的损失.

在中国这样一个土地资源紧张、经济布局密集的国家,如何在重大工程和生命线工程选址过程中避开活动断层同震错动的破坏以及选取最小安全避让距离,是目前地震地质研究中热点问题(韩竹军等,2002;徐锡伟等,2016).尤其2008年汶川地震后,对灾区的震后重建涉及到活断层避让工作,众多学者对该问题进行了研究.周庆等(2008)在汶川地震应急科考后,提出震后重建时发震断层两侧的避让宽度为25 m.张永双等(2010)对汶川地震的调查结果显示地表破裂带宽度集中在16～60 m.郭婷婷等(2013)通过汶川地震后的大量实例,结合古浪地震、昌马地震和集集地震破裂带宽度资料,计算得到逆冲型活断层避让带的宽度为30 m.徐锡伟等(2016)基于汶川地震破裂带宽度和其他历史地震数据,采用数理统计分析方法,确定了活断层“避让带”宽度为30 m.近年来,随着测量手段的发展和震例的丰富,越来越多的地震现场科考和地表破裂带调查研究表明,破裂带比我们先前认识的更为复杂,宽度更大,如袁兆德等(2021)对2014年新疆MS7.3于田地震的破裂带进行了精细填图,发现基岩区平直段的走滑型破裂带最大宽度为130 m.2010年厄尔梅尔—库卡帕地震的地表破裂带在冲洪积扇发育段落最大宽度为430 m(Teran et al.,2015).2016年凯库拉地震的科考结果表明地表破裂带宽度达110～140 m(韩竹军等,2017).2021年玛多MS7.4地震破裂带宽度分布在几米到100 m的范围内(潘家伟等,2021).

上述认识上的分歧很可能与测量手段有关.在前期工作中,破裂带宽度主要是在地面上通过激光测距仪甚至是皮尺进行测量的,有限的离散地形测量点很难全面地刻画地表破裂带的分布特征,从而有可能存在较大的不确定性.近几年来,无人机航空摄影测量技术被广泛地应用于地震地表破裂带调查,使得我们可以在一个更宽广的视野、更高的精度来识别地震地表破裂带.即便如此,目前有关地表破裂带宽度的研究工作只是局限在个别地点的讨论,还缺少对一条破裂带较为系统的研究.2022年1月8日在青海省门源县发生了MS6.9地震(图1),沿冷龙岭断裂西段和托莱山断裂东段分别形成了2条主要的走滑型地震地表破裂带(李智敏等,2022;潘家伟等,2022;韩帅等,2022;梁宽等,2022;袁道阳等,2023),我们的调查显示这两条破裂带的长度分别为22.8 km和3.9 km(图1c;Niu et al.,2023).地震地表破裂带主要分布在无人长期定居、树木稀少的高山草场,为通过无人机移动摄影测量方法精细研究地表破裂带分布特征及其宽度提供了较为理想的条件.为此,本文采用无人机移动摄影测量方法获取了门源地震地表破裂带的高精度正射数字影像12408 张,生成了长约44 km、宽为0.2～1.8 km范围的航空摄影测量条带(图1c).在对两条主要的地表破裂带R1和R2进行精细解译的基础上(Niu et al.,2023),沿破裂带采用固定间隔100 m的方法进行宽度测量,共获得251个宽度数据,分析破裂带宽度的空间分布特征及其控制性因素;基于统计分析方法,给出了走滑型活动断层“避让带”距离.本文的研究结果对于活动断层沿线重大工程避让距离的确定具有重要的参考价值.

图1 门源MS6.9地震区域地震构造背景和地表破裂带分布图

1 数据与方法

1.1 地表破裂带图像数据的采集、处理与解译

在2022年门源MS6.9地震现场,通过沿着可能穿越地震地表破裂带的冲沟(河道)进行路线观察,在发现地震地表破裂带的地段,使用无人机平台沿破裂带走向进行航拍.使用的无人机平台(无人机型号:大疆 Phantom 4)配备了有效像素1240万影像传感器和差分GPS.无人机以70%的航向重叠和70%的侧向重叠覆盖率收集照片,确保相邻照片中的共同特征,飞行高度100～150 m,采集条带宽度为0.2～1.8 km,共获取正射摄影测量照片12408张,覆盖的总面积为～29.36 km2,长度为～43.37 km(图1c).

在室内基于三维运动重建技术(Structure from Motion,SfM)对无人机航测数据进行处理,使用Agisoft PhotoScan Professional软件构建具有地理信息的正射影像和三维地形模型(Bi et al.,2017).主要包括以下5个步骤:(1) 剔除模糊、颜色异常、严重变形的照片,然后导入软件中;(2) 在不同的照片间进行同名特征匹配和跟踪,生成稀疏的点云数据;(3) 基于多视角立体密度匹配算法,构建该场景的三维景观,生成高密度点云数据;(4) 建立纹理和网格数据;(5) 生成正射影像和数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),导出为tif格式文件.为保证数据的完整性和可利用性,在野外调查期间利用DELL Precision 5560移动图像处理工作站对采集的无人机照片数据进行处理,若获得的正射影像数据有间隙问题或存在地表破裂带未完全覆盖的区域,再对该区域进行补充航拍.最终获得2.13 cm分辨率的正射影像和4.26 cm分辨率的DEM,并基于ESRI ArcGIS和Global Mapper软件平台对DEM进行处理获得了山体阴影图和等高线图等.

虽然此次地震地表破裂带一般分布在海拔3500～3600 m的高山地带,但地势总体上比较平坦,属于当地牧民的夏季牧场,大部分区段也没有树木的遮挡,在无人机航拍的高分辨率正射影像上,地表破裂一般均表现清晰(图2).在ArcGIS支持下,通过对地表破裂的识别和解译,揭示了2022年1月8月的门源MS6.9地震地表破裂带的基本特征主要表现为2条走滑型破裂带,即沿着冷龙岭断裂和托莱山断裂分布的R1和R2(图1c;Niu et al.,2023),主要由一系列不连续的剪切裂隙、挤压鼓包、张裂隙和张剪裂隙等走滑型地震常见的破裂构造组成.其中,R1破裂带沿冷龙岭断裂西段展布,西起于道沟西侧基岩区(37.815°N,101.186°E),向东经过道沟、2次切过硫磺沟,终止于硫磺沟右岸基岩区(37.733°N,101.419°E),全长约22.8 km,整体呈微凸向北东的弧形,走向约112°.R2破裂带沿托莱山断裂东段展布,西起于大西沟山前阶地(37.795°N,101.117°E),沿大西沟左岸的山前洪积扇和阶地分布,终止于羊肠沟河床(37.794°N,101.162°E),全长约3.9 km,走向约95°.

图2 破裂带宽度测量方法

1.2 地表破裂带宽度的测量

地表破裂带的宽度指的是垂直断层走向有明显构造破裂分布的地面宽度,其界限标志通常为断层两侧最外边的一条破裂与没有变形的原始地面之间的边界(Zhou et al.,2010; 张永双等,2010).野外调查观察到的R1和R2破裂带通常水平切穿沿线的冲沟、河床、阶地、洪积扇、山脊和公路等地貌和地物,主要表现为一系列不连续的剪切裂隙、雁列式分布的张裂隙、张剪裂隙以及破裂之间的挤压鼓包等走滑型地震的破裂组合,因此将断层两侧最外边的破裂之间的宽度作为地表破裂带的宽度.

Rockwell和Klinger(2013)通过分析1940年帝国谷M7.1地震后约15 km的高分辨率航拍影像,通过测量了一系列断错标志物(如作物和树木等),共获得了648个位移值.经过比较分析,确定的测量点间距为100 m,超出该长度范围位移量值一般会出现变化.在2010年墨西哥EI Mayor地震、2010年新西兰Darfieled地震和2011年日本Fukushima-Hamadoori地震中(Mizoguchi et al.,2012),位移分布也表现出类似的变化特征(Gold et al.,2013;Elliott et al.,2012).因此,本文以100 m作为破裂带宽度测量单元的长度.基于无人机衍生的高分辨率正射影像对地表破裂带进行详细解译,识别出本次地震产生的所有构造破裂(图2a).测量时每间隔100 m作为一个测量单元,分别测量宽度的最大值和最小值,以平均值代表该区段破裂带的宽度.

宽度最大值是通过两次测量后确定的.第一次测量是首先在北侧勾画一条直线,包络所有破裂最外侧边界,然后在南侧平行地勾画另一条同等长度的包络线,包络南侧破裂最外侧边界(图2b中黑色线条).两条平行线端点的连续尽可能地垂直破裂带的走向.第二次测量则是以首先在南侧勾画一条直线,包络所有破裂最外侧边界,采用同样的方法在北侧勾画另一条包络线(图2b浅蓝色线条).2组平行包络线中垂直距离较大值作为此测量单元的宽度最大值.在测量单元内,所有破裂均位于4条包络线交接组成的不规则六边形内(图2c),六边形的外侧两条边较小值为此单元的宽度最小值(图2d).六边形的外侧两条边中间点连线的中间点作为测量单元中心点,地理坐标表示该测量单元的空间位置(图2中蓝色实心球).

2 典型地段地表破裂分布特征与宽度测量

按照上述方法,通过对2022年门源MS6.9地震地表破裂带东支(R1)和西支(R2)宽度的精细测量,共获得251个宽度值,其中沿着R1获得213个量值,沿着R2获得38个量值(附表1).以地震破裂带总体走向(104.5°)作为横轴、破裂带宽度作为纵轴以及以西支R2最西端作为原点,2022年门源MS6.9地震地表破裂带宽度沿走向的分布如图3所示.可以看出:沿着R1和R2,破裂带宽度的分布都是不均匀的,从几m到百余m、甚至2百余m不等,R1破裂带的最大宽度为209.78 m,R2破裂带的最大宽度为115.31 m.下面以5个地段为例,详细解析此次地震破裂宽度的测量过程、变化特征及其产生这种变化的可能机制.其中,地段1、2和3位于R1破裂带上(位置参见图3中的标注图4、图5和图6的小图框);地段4和5位于R2破裂带上(位置参见图3中的标注图7和图8的小图框).

图3 门源MS6.9门源地震地表破裂带宽度分布图

图4 道沟段地表破裂带分布特征与宽度测量

图5 硫磺沟左岸段地表破裂带分布特征与宽度测量

图6 兰新高铁东段地表破裂带分布特征与宽度测量

图7 大西沟段地表破裂带变形特征

图8 羊肠沟段地表破裂带分布特征与宽度测量

2.1 地段1:道沟

在R1破裂带西段,有多条冲沟与之呈大角度交切,其中道沟规模较大,沿着该沟谷有土公路直达破裂带发育地段.在正射影像上(图4a),地表破裂带表现清楚,主要由右阶雁列状剪切破裂组成,在两条剪切破裂的阶区常见高1～2 m的挤压鼓包.破裂带总体走向约100°,两侧未见明显的垂直位错,力学性质表现为一条典型走滑型地震地表破裂带.破裂沿线可见土公路、河岸被水平左旋断错,位错量一般为1～2 m.

道沟区段破裂带长约600 m,可分为6个长100 m的破裂带宽度测量单元,由西向东的序号分别为66至71.其中,69号测量单元位于道沟河谷,地貌单元为道沟T1阶地;其他测量单元位于道沟两侧的基岩区.依据地表破裂带宽度测量方法,共获得6组破裂带宽度,由西向东宽度依次为29.49±8.98 m(66号)、31.74±5.91 m(67号)、32.01±10.61 m(68号)、62.31±23.24 m(69号)、27.65±19.46 m(70号)和28.42±2.82 m(71号)(图4).测量单元66、67和68位于道沟西侧基岩山区,破裂带宽度变化较小,大约在30 m左右;当破裂带穿过道沟的漫滩和阶地时,宽度由基岩区的约30 m增大到约62 m(测量单元69),即增加了2倍;向东再进入基岩区时,宽度又变小(测量单元70和71)(图4d).通常,基岩区应力比较集中,断层破裂向地表传播时,常表现为一条走向比较固定、宽度范围较小的破裂带;而切穿河流阶地和漫滩时,砾石、砂土等组成的第四系松散堆积物物会造成应力分散,破裂易于扩展、放大,从而表现出较为宽泛的破裂带.因此,地震断层错断到地表时,由于地层岩性与力学属性的不同,相隔几百米的距离内表现出差异明显的破裂带宽度.

2.2 地段2:硫磺沟左岸

R1地表破裂带在首次切过硫磺沟后(37.799°N,101.260°E),沿着硫磺沟左岸基岩山坡展布,并切过一系列近南北向冲沟(图3a).沿断层距离约13～21 km的区段,破裂带由基岩区穿过冲沟时,宽度表现出突然增加的趋势,局部区域出现峰值(图3b),以硫磺沟左岸典型的一个地段为例(图5),分析这种破裂宽度的变化特征.

硫磺沟左岸区段地表破裂清晰可见,主要由右阶雁列剪切破裂和挤压鼓包组成,形成一个小型阶区,整体总体走向约95°,表现为走滑型破裂带.该区段破裂带长度约600 m,分为6个100 m的宽度测量单元,由西向东依次为41.58 m(117号)、33.17±4.21 m(118号)、178.83±7.3 m(119号)、138.04±12.97 m(120号)、73.76±13.33 m(121号)和67.18 m(122号).测量单元117、118、121和122分别位于冲沟两侧基岩区,破裂宽度范围为30～70 m,而当破裂带穿过冲沟时,也就是通过阶区时,测量单元119和120位于冲沟沟床和冲积扇,破裂宽度比较大,约为基岩区的2～6倍(图5).这种现象一方面是由于硫磺沟左岸冬季覆盖冰雪、冻土,夏季融化为冰水混合物不断侵蚀冲沟两侧,侵蚀与沉积作用交替进行,使得冲沟两侧及沟床内堆积了冲积物、冰碛物和坡积物等第四系松散物质(图5b),这些地层在浅地表放大了地震破裂;另一方面是由于位于阶区位置,形成了宽度比较大的地表破裂带.然而冲沟两侧的基岩区应力较为集中,破裂扩展到地表时,形成宽度较小的地表破裂带.这种现象也揭示了位于第四系松散层和阶区位置时破裂宽度远大于基岩区和平直段.

2.3 地段3:兰新高铁东

R1破裂带在穿过兰新高铁隧道后依然沿着硫磺沟左岸基岩山坡展布,距离高铁东侧约4.7 km处,破裂带分布在山前冲积扇,可以分为新老2期扇体(图3、图6a).该区段破裂带长约500 m,分为5个破裂带宽度测量单元,由西向东依次为188至192.其中,190号测量单元宽度为209.78±14.00 m,为本次门源地震最大宽度数据,而两侧宽度测量单元仅为10余m到40余m,呈现局部峰值的现象(图6).虽然该区段破裂带分布在高程差(约50 m)较大的砾石、冰碛物等组成冲积扇上,但该段未受到崩塌、滑坡等影响,未见崩塌和滑坡等次生地质灾害,挤压鼓包和张裂隙等构造破裂清晰可见,表现为一条典型地表破裂带(图6d、e),解译的均为同震产生的构造破裂.该区段产生较大的地表破裂宽度值,是由于190号测量单元位于破裂带的阶区位置,利于破裂在地表的扩展,但可以确定为此次地震产生的地表破裂.

2.4 地段4:大西沟

R2破裂带主要沿着大西沟左岸阶地展布,主要由剪切破裂、张裂隙和挤压鼓包组成.破裂带宽度在中西段呈现局部最大值后再变小的现象,而这些宽度较大区段均出现在大西沟左岸众多近南北向冲沟沟床和两侧阶地内(图3),图7为大西沟其中一个较为典型的点,整体走向约90°.该区段破裂带长度约600 m,依据地表破裂带宽度测量方法,由西向东6组破裂单元序号为20—25,宽度分别为12.65±4.71 m(20号)、13.17±9.91 m(21号)、29.65±8.07 m(22号)、37.23±17.02 m(23号)、32.57±21.53 m(24号)和16.28±2.41 m(25号)(图7).测量单元20、21和22位于西侧阶地,当破裂带穿过冲沟沟床时,宽度增加到37.23±17.02 m(23号)和32.57±21.53 m(24号),向东再次进入阶地时,宽度减小(25号) (图7).通常,冲沟受到流水的冲刷侵蚀,经过沉积作用,沟床内堆积从上游山体搬运的由砂砾石等组成的碎屑物质,相比于冲沟两侧阶地,物质更为松散,易于破裂的扩展,呈现破裂带在切过冲沟时破裂带宽度增大的现象,由于R2破裂带整体规模较小,这种现象导致的宽度并没有增加数倍的关系.

2.5 地段5:羊肠沟

野外调查追踪并结合高分辨率正射影像解译,R2破裂带东端终止于羊肠沟河床(图1c).该区段地表破裂带由一系列的NE向的裂隙右阶组成,单条破裂的宽度仅几厘米,但整体破裂带宽度较大.破裂沿线可见墙体、公路等被水平位错,位错量仅为几厘米(图8).

羊肠沟区段破裂带长度约500 m,发育在大西沟和羊肠沟的阶地和河床上,由西向东可分为5个长100 m的破裂带宽度测量单元,序号为34至38(图8),由西向东依次为70.22±27.25 m(34号)、115.31±15.72 m(35号)、103.66±3.64 m(36号)、39.19±11.58 m(37号)和42.05±3.33 m(38号),区段内破裂带宽度整体上大于R2破裂带中间地段(图3b).该地区位于羊肠沟和大西沟交汇点,侵蚀作用强烈,沟口两侧发育3级河流阶地,为砾石、砂石和冻土等组成的第四系松散物.该区段形成100余m的地表破裂带宽度,主要受到地表破裂的尾端效应,破裂的扩展分散成多条分支破裂.

同时,测量单元34处矗立的1处独立的混凝土墙体,破裂穿过墙体呈现破裂规模很小,墙体未倒塌(图9a);测量单元36处公路出现小的左旋位错,但不影响正常交通运行;测量单元38由仅几厘米的张裂隙组成,破裂规模很小,向东逐渐尖灭(图9b).这些现象均表明虽然该区段虽然破裂带宽度很大,但实际单条破裂较小,对周围建(构)筑物破坏较小.

图9 R2破裂带东端野外照片

3 地表破裂带宽度差异性分析

基于高分辨率正射影像的地表破裂带精细解译,采用固定间隔100 m的方法进行宽度测量,沿门源地震R1破裂带获得213个数据,最大宽度为209.78±14 m,平均宽度为42 m;沿R2获得38个宽度数据,最大宽度为115.31±15.72 m,平均宽度为26.14 m.由地表破裂带宽度沿走向的分布图可以看出(图3),除了R2破裂带东端,R1破裂带宽度整体上大于R2.在地表破裂带长度与同震位移量上,野外调查与测量得到R1破裂带长约22.8 km,水平位移为0.6～3.5 m,而R2长约3.9 km,水平位移仅为4～15 cm(Niu al.,2023).由此可见,R1与R2破裂带宽度之间的差异性与其破裂带长度、同震位移量之间的差异性具有对应关系.这与前人认为地震破裂带宽度与位移具有线性正相关性,即破裂带宽度随位移的增大而增大的观点是一致的(李红等,2019;张永双等,2010).

有震例研究表明,地表破裂带宽度与破裂几何结构密切相关(Choi et al.,2018).2022年门源地震破裂带宽度也表现出与几何结构的相关性,在破裂带的阶区或端部,宽度会出现明显加宽现象.如R1破裂带在硫磺沟左岸段、兰新高铁东段等部位,阶区的破裂带宽度达百余m,明显高于两侧单一的平直段(图3).同样的,在2014年于田地震和2016年凯库拉地震中也表现出破裂带弯曲部位宽度大于平直段(Langridge et al.,2018; 袁兆德等,2021).R2破裂带东端受尾端效应的影响,分散成多条分支破裂,破裂带呈现出较大的宽度.因此,破裂带复杂的几何结构对宽度变化有明显的影响.

地震地表破裂在基岩区展布时,常表现为一条走向比较固定、宽度范围较小的破裂带,而穿越第四系松散层时,即便厚度只有3～5 m,也可呈现比较宽泛的破裂带,如R1道沟段、R2大西沟段等.2022年门源地震R1破裂带分布在基岩区时,宽度约为15～150 m,而在松散层宽度范围为60～210 m,约为基岩区的2～14倍(附表1).Lin和Nishikawa (2011)对2001年MW7.8昆仑地震破裂带宽度的统计表明,冲洪积层覆盖较厚的区域是基岩区的3～10倍,与门源地震统计到的2～14倍基本相符.袁兆德等(2021)在对2014年于田地震破裂带精细解译时也发现破裂穿越不同地层单元时,破裂带宽度往往也会出现差异.这种普遍现象可以解释为,破裂带发育的基岩区应力比较集中,破裂传播到地表时,呈现出走向稳定、宽度范围较小的地表破裂带;当穿越河床、漫滩和阶地时,砾石、砂土等组成的第四系松散层会造成应力分散,破裂易于扩展.

在构造样式上,花状构造是走滑断层中特征性构造,为一种常见的构造样式.门源地震中在切割较深的河谷、如硫磺沟和道沟的岸璧上可以观察到R1破裂带为向下快速汇聚到一条断层错动面上的现象(图10),即近地表表现出与走滑断层密切相关的花状构造.河流阶地上即使只发育3～5 m厚的第四纪河流相松散沉积层,在地表也可形成较为宽泛得破裂带(图10).

图10 R1地表破裂带野外照片

综上所述,同震变形强度、破裂带几何结构和破裂带穿越的地层岩性对门源地震破裂带宽度的差异性有明显的控制作用.

4 讨论与小结

4.1 讨论

(1)走滑型地震“避让带”宽度

目前,用于活断层“避让带”宽度计算的方法主要有同震地表破裂带宽度统计法、跨断层地质探槽剖面法、位移与破裂宽度拟合关系式法等(徐锡伟等,2002;张永双等,2010;徐锡伟等,2016).本次研究主要依据同震地表破裂带宽度统计法,原理是依据特定类型断层地表破裂宽度实测数据,去除数据中存在的离散值,对获取的统计数据进行高斯拟合得到均值(μ)和方差(σ),并以1或2倍均方差之和作为“避让带”的宽度.

本文沿门源地震2条走滑型地表破裂带获得了251个破裂带宽度数据,并对这些宽度数据进行统计分析.首先,采用四分位数方法处理门源地震251个破裂带宽度的实测数据,得到>100 m的数据量(6个)极少不具有统计意义(图11).然后,在去除离散数据后,利用剩余的245个破裂带宽度的实测数据进行高斯拟合,获得均值(μ)为28.0±1.4 m,方差(σ)为18.1±1.6 m(图12).如果将μ+σ作为地表破裂带宽度的平均值(46.1±3.0) m,表示在68.2%置信区间的地表破裂宽度小于50 m,由此将50 m作为破裂带的有效宽度.在工程抗震设防时,如果走滑型活断层评估的最大潜在震级与门源地震震级相近(～M7.0),建议确定“避让带”宽度时参考50 m的有效宽度,即活断层两侧避让宽度各25 m.若将μ+2σ作为地表破裂带宽度的平均值(64.2±4.6) m,即在95.4%置信区间的地表破裂宽度小于70 m,则建议确定“避让带”宽度时参考70 m的有效宽度,走滑型活断层两侧避让宽度各35 m.

图11 门源地震破裂带宽度数据四分位数方法处理结果

图12 地表破裂带宽度-频数分布图(图中黑色方框标示不参与统计的实测数据)

基于门源地震全区段覆盖的高精度无人机正射影像,本文沿走向间隔100 m测量了2条地表破裂带的宽度,获得了251个宽度数据;采用四分位数等统计方法给出了1或2倍方差的破裂带有效宽度,并建议作为“避让带”宽度.本文不论在获得的地形数据上比前人更为精细,在实测的宽度数据和数据量上也比前人更为可靠、丰富.本文获得的“避让带”建议宽度比前人获得的结果(30 m)要大(徐锡伟等,2002;周庆等,2008;张永双等,2010;徐锡伟等,2016),主要表现为2个方面:(1)前人统计的为汶川、昌马地震等其他历史地震实例,地表破裂带宽度多数是在有位移的位置使用激光测距仪或皮尺完成的测量,在点单位上通过测量地形剖面获得的破裂带宽度,有限的离散地形测量点很难全面地刻画地表破裂带宽度的分布特征,从而低估了破裂带宽度;(2)前人在拟合过程中剔除了宽度≥80 m的离散数据,而本文通过四分位数方法处理表明门源地震破裂带宽度数据中80～100 m(16个)不属于离散数据,“避让带”的建议宽度计算时不应舍弃此数据.

《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》中规定(中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2010),不同建(构)筑物选址时,往往对活断层“避让带”距离也是不同.对于地震发生时,使用功能不能中断或需尽快恢复的建(构)筑物,如应急指挥、生命线工程枢纽或重大工程等,在确定“避让带”宽度时建议参考本文获得的70 m破裂带有效宽度;而对于当地居民生活相关的公共设施,如学校、医院和警察局等,建议参考50 m作为“避让带”宽度.

在考虑使用本文获得的走滑型活断层“避让带”建议宽度时,对于单一走滑型错动面发育地段,按建(构)筑物类别向两侧各扩展35或25 m即可,避让宽度合计70或50 m.对于活断层斜列阶区、平行断层围限区、走向弯曲区、双陡倾角错动面发育地段,除了这些区域宽度外,需要向两侧各扩展35或25 m.

(2)减灾对策

在切割较深的河谷,地表破裂带常常向下快速汇聚到一条断层错动面上的现象,即近地表表现出与走滑断层密切相关的花状构造.同时,河谷内第四系松散层也会在地表放大地震破裂,表现出局部大于河谷两侧基岩或阶地的破裂带宽度.在此构造区进行建(构)筑物选址时,若能够减低松散沉积物厚度至基岩区,地震破裂到地表的宽度也会减低,“避让带”宽度也可以相应减小.

4.2 小结

本文基于获取的无人机高分辨率正射影像,对2022年门源MS6.9地震主要的2条走滑型地表破裂带精细解译的基础上,采用固定间隔100 m测量了破裂带宽度,获得251个宽度数据,通过分析得出以下几点认识:

(1)R1破裂带获得213个宽度数据,最大宽度为209.78±14 m,平均宽度为42 m;R2破裂带获得38个数据,最大宽度为115.31±15.72 m,平均宽度为26.14 m;野外调查与测量得到R1破裂带长约22.8 km,水平位移为0.6～3.5 m,而R2长约3.9 km,水平位移仅为4～15 cm,宽度与破裂带长度、同震位移量之间表现出正相关性.破裂带阶区及端部效应也会增大破裂带宽度.即便只有3～5 m的第四系松散层厚度,也会明显加大地表破裂带宽度2～14倍,构造样式表现为花状构造.这也为如何降低地表破裂带影响宽度提供了一种思路.

(2)通过对去除离散值后的245个破裂带宽度数据进行高斯拟合,得到均值和方差为28.0±1.4 m和18.1±1.6 m,分别给出了以1或2倍均方差得到50或70 m的有效宽度.在工程抗震设防中,如果走滑型活断层评估的最大潜在震级与门源地震相近(～M7.0),建议参考50或70 m作为不同建(构)筑物类别的活断层“避让带”宽度.对于单一走滑型错动面发育地段,按建(构)筑物类别向两侧各扩展35或25 m即可;而对于活断层斜列阶区、平行断层围限区、走向弯曲区、双陡倾角错动面发育地段,在这些复杂几何结构分布范围的基础上需要各向两侧扩展35或25 m.

致谢两位审稿专家和编辑为本文提供了宝贵的修改意见,中国地震局地质研究所罗佳宏博士在文章数理统计方面给予了很多有益的讨论和帮助,周朝博士对英文摘要进行了精细润色,特此一并致谢!

附表1 沿门源地震R1和R2测量的破裂带宽度