青海瑪多MS7.4地震地表破裂帶的基本特征和典型現象

姚生海 蓋海龍* 殷 翔 李 鑫

1)青海省地震局， 西寧 810001 2)青海格爾木青藏高原內部地球動力學野外科學觀測研究站， 格爾木 816000

0 引言

據中國地震臺網正式測定， 北京時間2021年5月22日2時4分在青海果洛藏族自治州瑪多縣(34.59°N， 98.34°E)發生7.4級地震， 震源深度17km。此次地震的震中距瑪多縣黃河鄉駐地7km、 距瑪多縣城38km、 距果洛藏族自治州政府駐地175km、 距西寧市385km。此次地震是自2008年汶川地震以來中國大陸發生的最強地震。截至2021年6月12日7時0分， 共記錄到M>3.0余震58次， 其中7.0～7.9級地震0次， 6.0～6.9級地震0次， 5.0～5.9級地震1次， 4.0～4.9級地震17次， 3.0～3.9級地震40次， 最大余震為5月22日10時29分發生的5.1級地震。

地震發生后， 青海省地震局快速組織了現場工作隊奔赴瑪多災區， 筆者作為應急人員， 第一時間到達瑪多縣開展了相關調查工作。地震災害調查工作按照國家標準的要求進行， 并取得了豐富的資料和成果， 獲取了眾多地震破裂、 宏觀震中等最新認識。本文將介紹此次野外考察獲得的地震地表破裂帶的基本特征及典型現象， 并對存在的疑問進行分析和探討。

1 區域地震構造環境

瑪多縣位于巴顏喀拉塊體中部(圖 1)， 北部為昆侖山山脈， 南部為巴顏喀拉山山脈。巴顏喀拉塊體東部位于中國南北地震帶的中部， 由于受到強烈的現今地殼變形的影響， 該區形成了一系列大型活動斷裂帶， 塊體內的主要斷裂帶包括北邊界東昆侖斷裂、 南邊界甘孜-玉樹斷裂、 鮮水河-小江斷裂及東邊界龍門山斷裂等(張培震等， 2003； 鄧起東等， 2010)。巴顏喀拉塊體是現今地質構造最活躍的地區之一(Tapponnieretal.， 1982； 張培震等， 2003； 聞學澤， 2018)， 也是地震多發區， 其內地震不僅包括主干斷裂上發生的2001年昆侖山口西8.1級地震、 2008年汶川8.0級地震及南邊界的2010年玉樹7.1級地震等， 還包括發生在巴顏喀拉東北角擠壓與走滑變形帶上的2017年九寨溝7.0級地震。 研究認為東昆侖斷裂帶最近10ka以來曾發生超過50次的古地震事件， 此次瑪多7.4級地震的發生表明目前巴顏喀拉塊體仍然是中國大陸強震的主體活動地區。

圖 1 研究區活動構造簡圖Fig. 1 Sketch map of active structure in the study area.a 青藏高原東北緣在青藏高原的位置； b 本次研究區的范圍

瑪多縣周邊發育多條區域性斷裂， 主要包括北部的昆中斷裂帶、 東昆侖斷裂帶， 中部的西藏大溝-昌馬河斷裂帶、 瑪多-甘德斷裂帶、 江錯斷裂， 南部的巴顏喀拉主峰斷裂帶等(鄧起東等， 2007)， 這些斷裂的研究程度不一。張裕明等(1996)首次研究了江錯斷裂晚第四紀的活動性， 認為該斷裂全長約370km， 總體走向NWW， 向W可與昆侖山口斷裂相接， 航片、 衛片顯示該斷裂在空間分布上呈雁列狀排列， 沿斷裂的晚第四紀微地貌左旋位錯現象清楚， 并在全新世期間存在活動。東昆侖斷裂帶中西段曾發生過5次M7.0～7.9地震和1次MS8.1地震(國家地震局震害防御司， 1995； 青海省地震局等， 1999； 鄧起東等， 2002； 徐錫偉等， 2002)。其中， 2001年昆侖山口西MS8.1地震形成了長約426km的地表破裂帶， 最大左旋位移達6.4m， 是目前記錄到的發生在該斷裂上的震級最大的地震(陳杰等， 2003)。瑪多-甘德斷裂(甘德段)所受關注較多， 在瑪多-甘德斷裂的甘德段發現了一條較好的地震地表破裂帶， 破裂帶整體走向NW， 長約為50km， 最大左旋水平位移為7.6m， 最大垂直位移為4m(熊仁偉等， 2010)； 梁明劍等(2014， 2020)通過野外詳細調查及影像解譯， 對達日斷裂帶上的1947年地震的地表破裂帶進行了研究， 發現其全長約70km， 同震位錯為2～4m。總體而言， 該地區活動斷裂眾多， 甚至還有未能了解到的活動斷裂， 總體研究程度不高， 存在較多研究空區。

2 地表破裂特征

野外調查發現， 此次地震造成的地表破裂具有明顯的分段性， 經初步分析， 大體可分為3、 4段， 每段之間呈左階型分布。 自東向西， 破裂帶逐漸向野馬灘盆地內靠攏， 最后全部出露于盆地中央(圖 2)。

圖 2 瑪多地震地表破裂的展布圖Fig. 2 Distribution map of the surface rupture of the Maduo earthquake.紅點為微觀震中位置。震源機制解引自USGS(紅白色)和中國地震局地球物理研究所CEA(黑白色)

在214國道西側的江寧—野馬灘上頭—狼瑪加合日—勒那河納一帶， 于地表形成了連續性較好、 規模較大的地震地表破裂， 尤其是在野馬灘上頭—狼瑪加合日一帶地表破裂尤其明顯， 長約45km， 整體走向 N95°～105°E， 地表破裂主要由規模較大的地表裂縫、 地震鼓包(鼓梁)、 斷層陡坎、 左旋走滑等組成。在214國道以東—血洛東塘貢一帶， 地表破裂的走向約為 N105°E， 主要以張裂縫為主， 未發現規模較大的鼓包(梁)及斷層陡坎。而在東段血麻村兩側又發育了規模較大的地表裂縫、 鼓包(梁)及左旋位移， 其走向轉為 N75°E 左右， 長約10km。

2.1 地表裂縫

此次地震造成的破裂形式， 最顯著的特點是發育大量地震地表裂縫， 既有地震主破裂形成的拉張裂縫(圖3a)， 也有左旋走滑形成的羽列剪裂縫(圖3c， d)。主破裂形成的地表破裂的走向為 N95°～105°E， 通常由平行的右階雁列裂縫組成， 其裂縫寬度較大， 最寬處可約達2m， 深度近10m(圖3b)。由于該地區凍土厚度大、 埋深淺， 地層呈剛性， 突然發生的地震使得凍土迅速拉張， 形成如刀切般平直的張裂縫(圖3e)， 甚至出現直角張裂縫(圖3f)， 其長度最長可達十余m， 寬約30cm， 在裂縫中可見凍冰層。而走滑形成的羽列張剪裂縫的走向約為 N60°E， 與主破裂形成30°～40°的夾角， 單條裂縫的最大寬度約為1m， 長度往往在10m之內， 由多條平行的羽列裂縫組成。

圖 3 地震形成的各類裂縫Fig. 3 Various cracks generated by earthquake.

地表裂縫在G214線以西—鄂陵湖南側的規模較大、 連續性好， 總長約45km， 在G214線以東黃河鄉—血洛東一帶也有發育， 但規模較小(圖3g)、 連續性差， 總體長約65km， 而在東段S205線血麻村一帶又有規模較大、 連續性較好的地表裂縫發育。

2.2 地震鼓包(梁)

地震后， 在G214西側沿破裂帶廣泛發育地震鼓包(鼓梁)， 尤其在214國道以西—狼瑪加合日地區， 地震鼓包(鼓梁)尤為發育。地震鼓包的長軸方向與破裂帶的走向基本一致， 為 N95°～105°E， 鼓包最高可達1.4m(圖4a， b)， 最大直徑約為5m， 由斷層走滑擠壓所致， 通常形成于右階雁行狀排列的張性裂縫之間的擠壓區域(圖4c)。地震鼓梁與破裂帶的方向間存在較大夾角， 約為 N20°～30°E， 與主破裂帶走向近垂直， 其最大高度可達1.2m， 最寬近2m， 最長近10m， 通常表現為似山脊的樣式， 分析認為是由斷裂左旋運動導致表面的覆蓋層被推覆擠壓所致(圖4d， e)。

圖 4 地震形成的鼓包、 鼓梁Fig. 4 Bulges and ridges generated by earthquakes.紅色箭頭指示斷裂， 黃色箭頭指示斷裂的運動方向

地震鼓包在G214線—血洛東一帶發育不廣泛， 但在東段昌馬河鄉血麻村東、 西兩側又有出現， 其規模、 長度比G214線以西處小， 走向也有明顯差異， 但與斷裂的走向基本一致。此處發現的地震鼓包(鼓梁)幾乎與斷裂垂直， 且長度較長(圖4f)。

2.3 水平位移

震后及時開展現場調查的主要優勢是可利用被破裂帶錯斷的清晰標志物直接獲得同震水平位移量。由于此次考察及時， 沿此次地震的地表破裂帶可見地震造成不同的地質體、 水系沖溝、 道路等發生左旋位錯。在昌馬河鄉血麻村西側的河道內發現一處左旋位移， 堵塞河道， 形成垂直于水系的壩體， 壩體寬約30cm、 高20cm， 走向與主破裂方向一致， 左行走滑使得河岸的位錯達到1.1m(圖5a)。在昌馬河鄉血麻村附近的省道205線上， 斷層左旋運動使得道路左旋位錯， 其位移量達30cm(圖5b)。在G214線以西的龍拉貢瑪龍洼發現一處水系左旋， 位錯量達1.3m(圖5c)。 在狼瑪加合日地表裂縫兩側的地質體存在明顯的左旋走滑， 走滑量達1.5m(圖5d)， 同時另外一處鄉村土路出現左旋走滑， 位移量達1.2m(圖5e)。

圖 5 不同標志物的左旋位移及地層擦痕Fig. 5 Left-lateral displacement and formation scratch of different markers.

通過觀察斷層主破裂裂縫中的地層， 發現黑色淤泥質土中存在明顯的走滑擦痕， 并存在一定的夾角， 其角度為15°～20°(圖5f， g)， 說明此次破裂以傾走滑為主， 這也是形成大量地震鼓包(梁)的主要因素。

2.4 斷層陡坎

根據美國地質調查局(USGS)及中國地震局地球物理研究所(CEA)給出的此次地震的震源機制解可知， 此次瑪多地震以左旋走滑為主， 兼具正斷性質。通過野外調查發現， 此次地震造成的斷層陡坎總體不發育， 僅在局部地區存在明顯的斷層陡坎。在G214線以西的野馬灘上頭， 地震在山前洪積扇上形成走向 N105°E、 高約1.3m、 長約80m的斷層陡坎(圖6a)。此外， 由于斷層走滑拉張， 沿破裂帶形成了較多陡坎， 這些陡坎的高度較低， 一般≤1.0m(圖6b)， 但長度較長， 連續性較好。

圖 6 局部形成的斷層陡坎Fig. 6 Locally formed fault scarps.

斷層陡坎的形成與該斷裂具有傾走滑特征有關， 北盤地層向NW左行運動時， 由于角度不一致， 在特定部位的北盤和南盤地層間形成高差， 從而出現陡坎地貌。

3 地震地質災害

3.1 噴砂冒水

此次地震的震中位于被稱作千湖之縣的瑪多縣內， 該區黃河鄉野馬灘地區湖泊眾多， 地下水位淺， 地層主要以粉土、 淤泥質土和粉細砂為主， 地震造成的震動極易引發噴砂冒水現象。在野外考察中發現， 此次地震使得該地區發育大量噴砂冒水災害， 尤其在G214兩側的沼澤地， 強烈的地震動使得飽和的粉土、 粉細砂、 淤泥質土從地下沿地表裂縫、 地層孔隙不斷噴涌而出。噴砂冒水有時順地震產生的裂隙發育， 呈線性、 串珠狀分布(圖7a， b)， 最長可達數十m； 有時呈圓形、 橢圓形點狀分布(圖7c， d， f)。噴砂冒水的砂眼最大直徑近2m， 自下而上溢出的土黃色粉土、 粉細砂甚至黑色淤泥質土覆蓋了方圓幾十m2的范圍。

圖 7 廣泛發育的噴砂冒水Fig. 7 Widely developed water and sand gushing.

3.2 軟土震陷

該地區的地層主要以小顆粒粉土、 粉細砂為主， 且地下水較淺， 地震引發的震陷普遍發育。在G214線以西狼瑪加合日地區， 震陷發育更為廣泛且規模相對較大， 往往由多條正斷性質的陡坎組成(圖8a， b)， 呈階梯狀分布， 每級的陡坎高度≤50cm， 最長可達百m， 寬20～30m， 累計下陷可達1～2m。震陷普遍被破裂控制， 由2條平行的斷裂左旋運動形成“拉分盆地”， 其走向與斷裂帶的方向基本一致(圖8c， d)。此外， 在距離破裂帶較遠的湖沼地區也發現了震陷， 這些震陷的形成與該地區的土質有直接關系， 地震只是誘發因素。

圖 8 局部形成的震陷Fig. 8 Locally formed seismic depression.

4 宏觀震中的討論

通過對破裂沿線的調查結果進行對比可發現， 破裂帶在野馬灘以西狼瑪加合日地區規模較大、 連續性較好且廣泛發育噴砂冒水、 軟土震陷等地震地質災害， 雖然在東段血麻村附近也出現較為顯著的地表破裂， 但與西段相比規模小、 長度短。王未來等(2021)采用雙差定位方法對震后1200余次余震事件進行了重新定位(圖 1)， 結果顯示余震條帶西起鄂陵湖南(34.8°N， 97.5°E)， 向E止于昌麻河鄉附近(34.4°N， 99.3°E)， 總長170km， 整體走向NW； 主震位于余震條帶的中部， 主震東、 西兩側的破裂長度各約85km， 結合中國地震局地球物理所初步反演的地震破裂過程結果(1)http: ∥www.cea-igp. ac.cn/cxdt/278269.html。和InSAR處理結果(2)http: ∥www.cea-igp.ac.cn/kydt/278249.html。分析認為， 瑪多地震為雙側破裂， 與地質考察結果相符。

綜合地表破裂規模、 地震地質災害發育程度等認為， 野馬灘以西狼瑪加合日地區為此次地震的宏觀震中， 震中的地理坐標為(34.736°N， 97.794°E)。巴顏喀拉山地區的地震臺站分布較少， 大武臺、 都蘭臺、 和玉樹臺的震中距分別約為180km、 190km和215km， 對該區的地震監測能力偏弱， 微觀震中的定位精度有限， 因此得到的微觀震中與宏觀震中存在一定的差異。

5 初步認識及討論

(1)根據現場調查， 瑪多7.4級地震地表破裂帶整體走向為 N105°E， 在東段昌馬河血麻村附近斷裂走向有所偏轉， 走向為 N75°E。地表破裂主要是由張裂隙、 張剪裂隙、 擠壓鼓包和震陷等多類型破裂雁行狀組合而成的復雜同震地表變形帶， 總體以左行走滑運動性質為主。綜合小地震精定位和前人的研究成果等資料， 確定此次地震的發震構造是江錯斷裂。

(2)考察發現破裂的分段特征顯著， 初步可分為3、 4段， 每段之間形成左行階區。地表破裂在G214線以西規模較大、 連續性好， 走滑位移量較大； 在狼瑪加合日地區， 左旋走滑位移量可達1.5m。G214以東黃河鄉—血洛東地表破裂相對不明顯， 規模小、 連續性差， 呈斷續狀分布。

(3)根據地震地表破裂長度、 規模及建筑物破壞情況等綜合調查認為， 瑪多縣城西南的狼瑪加合日地區地表破裂規模大、 破裂帶連續性較好且發育多類型的地震地表破裂， 可初步將該處定為此次地震的宏觀震中， 地理坐標為(34.736°N， 97.794°E)。

(4)經調查發現， 此次地震破裂雖然規模大， 但未發現單條十幾km、 連續性很好的地表破裂， 破裂的衰減速度較快。該現象是由軟弱地層或凍土引起的還是受破裂分段的影響， 還有待于進一步開展相關研究工作才可給出解答。

致謝審稿專家對本文提出了意見和建議， 在此表示衷心感謝!