2021年青海瑪多M 7.4地震發震斷裂的典型同震地表變形與晚第四紀斷錯累積及其區域構造意義

陳桂華， 李忠武， 徐錫偉， 孫浩越， 哈廣浩，郭鵬， 蘇鵬， 袁兆德， 李濤

1 中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室， 北京 100029 2 應急管理部國家自然災害防治研究院， 北京 100085 3 中國地震局地質研究所地震與火山災害重點實驗室， 北京 100029

0 引言

發震斷裂的晚第四紀變形被認為是斷裂長期交替發生地表破裂型地震的同震變形和間震期蠕滑或閉鎖的累積變形結果(Zielke et al., 2010; Klinger et al., 2011)，單次地震同震變形與發震斷裂長期變形及多個地震周期變形累積的關系是古地震和強震復發規律研究的關注焦點，也是判斷發震斷裂新生性、區域構造應力場變化、區域構造格局變化的關鍵地質證據.由于基于地質記錄的古地震研究受到數據時空分辨率的限制，目前對倒數第二次及更老的地表破裂型地震變形的時空分布只能進行低空間分辨率的分段性研究等(冉勇康和鄧起東，1999；劉靜等，2007；冉勇康等，2018).而近年發展的基于高分辨率地形的斷錯地貌統計分析古地震事件與位錯累積方法，雖然可以獲得多次古地震的位移空間累積分布，但是對級聯破裂和單次事件的區分仍然存在困難(Zielke et al., 2010; Klinger et al., 2011; Kang et al., 2020)，并且受到地貌改造的極大影響(Lin et al., 2020).高空間分辨率的最新一次地震同震變形是約束發震斷裂同震變形行為的理想數據(Xu et al., 2006; 徐錫偉等，2010).

據中國地震臺網中心測定，2021年5月22日2時4分，在青海瑪多發生M7.4大地震，儀器震中位置(34.59°N，98.34°E)，震源深度17 km(圖1).震源機制研究顯示，該地震發震斷層對應的節面為走向281°，傾角88°，滑動角1°，近乎左旋走滑破裂(張喆和許力生，2021).Insar觀測和野外初步調查顯示，地震發生于昆侖山口—江錯斷裂的鄂陵湖—江錯—昌麻河段(江錯斷裂)，產生約160 km長的同震地表破裂(Chen et al., 2021；He et al., 2022；Jin and Fialko, 2021；Ren et al., 2021；Wang S et al., 2022; 李智敏等，2021；潘家偉等，2021). 整個地震地表破裂帶具有顯著的分段性，初步野外調查研究中根據破裂的幾何結構學者將其分成四個大的段落(李智敏等，2021；潘家偉等，2021).深入探討各個破裂段的同震地表破裂行為和特征及其在晚第四紀的斷錯累積行為，有助于認識該發震斷層的地表破裂型地震的復發特征，對深刻理解江錯斷裂演化歷史和巴顏喀拉塊體區域構造空間演化與動力學具有重要意義.結合2001年昆侖山口西地震以來巴顏喀拉塊體及其周邊的地震活動，研究瑪多地震發震斷裂的演化歷史及其與巴顏喀拉塊體區域構造和動力學的關系對評估區域地震危險性也具有一定的意義(鄧起東等，2010, 2014；徐錫偉等，2014, 2017; 詹艷等，2021).

在初步調查的基礎上，本文對發震斷裂破裂段的典型地點進行高空間分辨率、高精度的無人機航空攝影測量和野外調查，詳細定量解析典型破裂特征，通過地貌填圖和變形地貌測量分析晚第四紀以來斷錯地貌記錄的斷錯位移累積特征，進而對比不同斷裂段同震破裂特征和斷錯累積的特征和差異，分析作為瑪多M7.4地震發震斷裂的江錯斷裂的空間演化特征.

1 瑪多M 7.4地震地表破裂概況及其地質地貌背景

從2001年昆侖山口西M8.1地震以來，在巴顏喀拉塊體的周緣邊界斷裂帶發生了一系列7級以上的地表破裂型地震(圖1a).研究者已經關注到巴顏喀拉塊體的整體活動性，并提示出塊體邊界斷裂的強震危險性(鄧起東等，2010, 2014；徐錫偉等，2014, 2017).巴顏喀拉塊體北邊界為左旋走滑性質的東昆侖斷裂帶， 2001年昆侖山口西M8.1地震沿東昆侖斷裂大洪溝以西段破裂(Xu et al., 2006)， 1937年花石峽M7.5地震和1963年阿拉克湖M7.0地震則分別破裂了阿拉克湖—托索湖段、下大武段和秀溝—阿拉克湖段(青海省地震局和中國地震局地殼應力研究所，1999).西大灘—東大灘段和瑪沁—瑪曲段被認為是具有高強震危險性的兩個地震空段.東昆侖斷裂在阿尼瑪卿山擠壓彎曲以西保持穩定的11 mm·a-1走滑速率，然而向東逐漸減小并延伸直到塔藏斷裂(Van der Woerd et al., 2002; Kirby et al., 2007; 李陳俠等，2011).巴顏喀拉塊體的南西邊界斷裂帶同樣是一條規模巨大的左旋走滑斷裂帶，由烏蘭烏拉湖—玉樹斷裂、發生2010年玉樹M7.1地震的甘孜—玉樹斷裂和鮮水河斷裂組成(鄧起東等, 2007，徐錫偉等，2014，2016).最大滑動速率超過10 mm·a-1(Wen et al., 2003; Chen et al., 2016；Bai et al., 2018)，巴顏喀拉塊體的南東邊界是包括龍日壩斷裂帶、龍門山斷裂帶和岷江斷裂帶在內的一個大的變形帶，2008年汶川M8.0地震發生在龍門山逆沖斷裂帶(Xu et al., 2009；聞學澤等，2011).

圖1 (a) 巴顏喀拉塊體位置; (b) 西部地區活動斷裂(據鄧起東等(2007)和徐錫偉等(2016)修改); (c) 2021年瑪多M 7.4地震地表破裂與地質地貌展布黑箭頭指示破裂分段邊界; 白圈為1997年以來M 7以上地震時間和震級; DRF：達日斷裂; ELSF：鄂拉山斷裂; GDNF：甘德南斷裂; KF：東昆侖斷裂; KJF：昆侖山口—江錯斷裂; MDF：瑪多斷裂; TTHF：通天河斷裂; WQF：五道梁—曲麻萊斷裂; WYF：烏蘭烏拉湖—玉樹斷裂; XCF：西藏大溝—昌麻河斷裂.Fig.1 (a) Location of the Bayan Har block; (b) Active faults in the wester Bayan Har block (after Deng et al., 2007; Xu et al., 2016); (c) The surface rupture and its geological and geomorphological settingBlack arrow denotes the section boundary; white circle for historical earthquake since 1997; DRF：Dari fault; ELSF：Elashan fault; GDNF：Gandenan fault; KF：Kunlun fault; KJF：Kunlun Pass-Jiangcuo fault; MDF：Madoi fault; TTHF：Tongtianhe fault; WQF：Wudaoliang-Qumalai fault; WYF：Wulanwulahu-Yushu fault; XCF：Xizangdagou-Changmahe fault.

2021年瑪多M7.4地震并沒有發生在人們更加關注的巴顏喀拉塊體邊界斷裂帶上，昆侖山口—江錯斷裂作為該地震的發震斷裂，是巴顏喀拉塊體西部地區一系列近平行活動斷裂中的一條.這些近平行的活動斷裂包括西藏大溝—昌麻河斷裂、瑪多斷裂、昆侖山口—江錯斷裂、甘德南斷裂、達日斷裂、五道梁—曲麻萊斷裂(圖1b，張裕明等，1996；鄧起東等，2007；熊仁偉等，2010；徐錫偉等，2016；梁明劍等，2020).其中達日斷裂在1947年地震中產生70 km長的地表破裂(梁明劍等，2020)，甘德南疑似存在約50 km的地震地表破裂帶(熊仁偉等，2010)，而昆侖山口—江錯斷裂最西段在2001年昆侖山口西M8.1地震中產生112 km長的地表破裂(Xu et al., 2006).

瑪多地震地表破裂區及巴顏喀拉塊體西部地區在地貌上屬于昆侖山和巴顏喀拉山之間黃河源區的低起伏高原，山地起伏不大，山間被冰水堆積、湖泊堆積、沖洪積等充填，發育湖泊和沼澤，甚至沙漠(圖1b,1c)，被認為在晚更新世黃河切穿多石峽前是一個大湖盆(程捷等，2005；朱大崗等，2009；韓建恩等，2020)，其后湖泊退縮及發育河流階地(韓建恩等，2013；趙卿宇等，2019).湖相地層堆積研究顯示，黃河源區在6.2～6.6 ka和2.1～2.3 ka存在顯著的溫度和濕度等氣候變化(Herzschuh et al., 2009；王慶鋒等，2017；Zhao et al., 2021)，可能與最新的兩級沖洪積階地的形成對應.以此對比強烈的是，阿尼瑪卿山—甘德近南北向一帶發育的是高起伏的山地，再往東的巴顏喀拉塊體東部地區又是地形起伏很低的若爾蓋盆地，這種地貌格局是區域構造-氣候相互作用的結果(Stroeven et al., 2009；Nicoll et al.，2013)，為地震地表破裂等構造變形提供了記錄載體.

2021年瑪多地震震中位于黃河鄉附近，向兩側破裂，西至鄂陵湖南側，東達昌麻河鄉東側河谷.野外調查顯示，地震沿江錯斷裂鄂陵湖—江錯—昌麻河段形成四個相對連續的地表破裂段(圖1c)，地表破裂帶由一系列剪切裂縫、張裂縫、擠壓鼓包等破裂單元組成，同震位移在相對連續的破裂段內又呈現空間上多個位移量的峰谷分布.四個破裂段之間存在比較大的空段，地表表現為比較寬的重力裂縫帶、砂土液化帶等.雖然野外調查顯示地表破裂具有明顯的分段性、同震位移空間變化顯著，但是衛星形變測量和余震分布顯示瑪多地震的地表變形比較連續地集中在較窄的變形帶內(Chen et al., 2021; He et al., 2022；王未來等，2021；徐志國等，2021).

根據地震地表破裂幾何結構、地質地貌特征，2021年瑪多地震地表破裂可以以震中附近黃河鄉與格波隆格恰階區分為兩個大的段落(圖1c).該階區左行左階斜列，是一個階距約3 km的拉張階區，形成以沼澤為特征的山間盆地，發育大量的砂土液化裂縫帶.黃河鄉以西地表破裂帶(圖1c中W段)展布于三疊系基巖山與第四系堆積盆地邊界，而格波隆格恰以東地表破裂帶(圖1c中E段)切割三疊系基巖山和山間谷地.地表破裂最西段(朗瑪加合日段，圖1c中W1段)以近東西走向在鄂陵湖南沿斷層谷地南側分布，西端到達(97.62°E, 34.75°N)，長約25 km.進入野馬灘盆地后，野馬灘段(圖1c中W2段)沿盆地北部邊界幾乎連續展布到江錯附近，長約20 km，在江錯到黃河鄉一段則沒有觀測到有明顯斷錯位移的地表破裂.格波隆格恰以東，在拉木草至東湖段(圖1c中E1段)可以看到連續的斷裂同震變形形成的地表破裂切過山坡和溝谷，長約23 km，東部延伸到沙漠中.朗瑪哦爾—昌麻河段(圖1c中E2段)同樣切割基巖山地、山間盆地和昌麻河谷，最東到達(99.25°E，34.50°N)，長約25 km，在其南側還有一個分支，破裂特征與此破裂帶類似，但變形更小.

2 研究方法與數據

在野外地震地表破裂區域調查結果的基礎上，我們選取典型破裂段進行重點觀測分析，分別為朗瑪加合日破裂段(W1)朗瑪加合日觀測點、野馬灘破裂段(W2)野馬灘西觀測點和江錯西觀測點、朗瑪哦爾—昌麻河破裂段(E2)朗瑪哦爾觀測點和昌麻河觀測點(觀測點位置見圖1c)，拉木草—東湖段(E1)與朗瑪哦爾—昌麻河段(E2)朗瑪哦爾觀測點地貌、破裂及斷層發育特征類似.在觀測點開展無人機航空攝影測量獲取地形數據用于同震變形和累積斷錯測量，在野外確認地表破裂特征和地貌特征.

我們采用大疆M300RTK無人機進行破裂帶及斷錯地貌航空攝影，搭載具有45百萬像素的禪思P1相機，配置35 mm鏡頭.航飛攝影過程中采用大疆D-RTK2移動站進行實時差分定位(RTK)，標稱照片定位精度為水平1 cm+1 ppm(百萬分之一)和垂直1.5 cm+1 ppm.航空攝影的航向重疊率72%，旁向重疊率55%.其中，朗瑪加合日和野馬灘北觀測點采用智能擺動模式五角度傾斜攝影，其他三個觀測點采用常規垂直下視攝影.室內用Agisoft Metashape進行三維建模獲取正射影像(DOM)、數字高程模型(DEM)和點云.各觀測點無人機航空攝影航高、地面分辨率、范圍大小和建模誤差見表1.

表1 五個觀測點的無人機航空攝影參數與建模誤差Table 1 Parameters of UAV photogrammetry and model errors for the five sites

在無人機航空攝影測量獲得的DOM和DEM基礎上，我們對同震變形形成的裂縫、鼓包等地表破裂地貌以及電線桿、圍欄樁等特征地物進行識別，對晚第四紀地貌進行綜合解譯.我們提取電線桿、圍欄樁、斷錯地貌界線等特征地物坐標，進行同震水平位移和地貌累積水平斷錯測量.利用DEM數據，在不同級別地貌面上選取剖面位置生成地形剖面，測量同震垂直位移和地貌面累積垂直斷錯.

2021年瑪多M7.4地震以左旋走滑同震變形為主，局部存在垂直位移，地表破裂帶寬可達20 m.橫跨破裂帶的線性地物是測量同震水平走滑位移的常用標識，如沖溝、車轍等，但并不能完全確定震前這些標識在寬達十余米范圍內保持直線狀，而往往存在彎曲，給變形測量帶來不同程度的不確定度.水泥道路等作為水平走滑斷錯標識在地震過程中極易受震動與底層脫離，以此為標識測量的變形難以代表真正的同震變形.通訊線路電線桿和牧場圍欄在建設過程中往往保持比較嚴密的直線分布.我們在野馬灘北觀測點、江錯北觀測點和朗瑪哦爾觀測點都發現有橫跨地震地表破裂帶的直線型分布的通訊線路或牧場圍欄.在無人機航空攝影測量的正射影像中識別電線桿和圍欄樁位置，對破裂帶兩側電線桿和圍欄樁線性擬合.擬合誤差可以判別其直線性.在破裂帶兩側緊鄰的電線桿或圍欄樁測量其到對側擬合線的垂直距離，進而根據線路和破裂帶走向的夾角關系，換算得到沿破裂帶走向的兩個同震水平走滑位移量.以兩個測量值的平均值作為跨過通訊線路和圍欄的水平位移，兩個測量值與平均值的標準差作為水平位移的誤差.對于地貌界線記錄的累積走滑位移，我們直接從提取的線性地貌邊界中沿斷裂走向進行量取，如階地坎位移等.

對于垂直位移，我們利用無人機航空攝影測量獲得的DEM，跨地表破裂帶和斷裂生成地形剖面，分別在斷坎上下兩側對地表地形線進行直線擬合，在斷坎變形帶上下分別測量兩條擬合線的垂直距離，以其平均值作為垂直位移量，兩個觀測值與平均值的標準差作為垂直位移的誤差值.

3 觀測結果

3.1 朗瑪加合日

朗瑪加合日段(W1)同震地表破裂展布于近東西向谷地的南側(圖1c、圖2a)，江錯斷裂同震左旋水平運動為主，兼具少量傾滑，可見低角度側伏的擦痕(圖2b)，破裂單元包括擠壓鼓包(圖2c)和拉張裂縫(圖2d).

圖2 朗瑪加合日觀測點典型破裂(a) 地貌與地表破裂斜視照片(鏡像南西西); (b) 剪切裂縫及近水平擦痕，鏡向南； (c) 擠壓鼓包，鏡向南西; (d) 拉張裂縫, 鏡向東.Fig.2 Typical surface ruptures at the site Langmajiaheri(a) Oblique view of the landforms and surface ruptures at (view to SWW); (b) Shear cracks with sub-horizontal slickensides, view to S; (c) Mole track, view to SW; (d)Tensional cracks, view to E.

無人機航空攝影測量獲得的正射影像(DOM，圖3a)和數字高程模型(DEM，圖3b)顯示，由一系列鼓包和裂縫組成的同震破裂帶寬數米(圖3a、3b、3c、3e)，在小的階區可以寬達30～50 m(圖3a、3b、3d).在一條跨破裂帶的地形剖面LJ1上(圖3c)可見，坡度為0.84°的平緩堆積上存在一個陡坎，同震鼓包隆起疊加在震前已經存在的斷層陡坎上，陡坎累積的垂直位移量為1.32±0.06 m，在本次同震形成鼓包前，還存在一個被侵蝕削緩的陡坎(坡度1.44°)，但是陡坎范圍達到60 m.在一條跨階區的地形剖面LJ2上(圖3d)，同樣可以看到坡折和陡坎，陡坎上側地形坡度1.09°，陡坎下側地形坡度0.79°，陡坎坡度4.15°，寬約50 m.本次地震產生的一系列裂縫主要發育在陡坎下部，震前存在一個更老的斷層陡坎，斷坎累積的垂直位移達到2.58±0.15 m.而另一條地形剖面LJ3上(圖3e)，陡坎較窄，寬度只有約15 m，坎上地形坡度1.21°，坎下坡度1.76°，陡坎坡度2.28°.斷層陡坎記錄了0.52±0.02 m的垂直位移，2021年瑪多地震產生的裂縫同時有約0.26 m的同震垂直位移.切割三個不同破裂組合單元的地形剖面顯示，在此觀測點，斷裂變形包括本次瑪多地震和更早一次古地震事件，推測單次地震傾滑垂直位移在上述三個剖面分別為0.61 m、1.29 m和0.26 m.考慮到LJ2剖面跨過小的拉分區，我們認為該觀測點典型的同震傾滑量為0.61±0.03 m.根據黃河源區晚第四紀地貌發育特征(Stroeven et al., 2009；Nicoll et al., 2013)，朗瑪加合日段(W1)所在的斷層谷地在晚更新世以來處于加積充填的狀態，沖洪積可能是全新世最新一次湖退廢棄的湖岸地貌面，對應時代2.1 ka的氣候向干冷變化(王慶鋒等，2017)，該地貌面記錄的比瑪多地震更早一次的地震事件年代應該超過2.1 ka.

圖3 朗瑪加合日觀測點無人機航空攝影測量(a) DOM； (b) DEM、等高線與地表破裂分布; (c—e) 三條剖面反映的地表破裂和斷層陡坎(位置見圖b). 紅線為同震地表裂縫與斷坎.Fig.3 UAV photogrammetry and measurement at the site Langmajiaheri(a) Digital Orthophoto Map (DOM); (b) Digital Elevation Model (DEM), contour and surface rupture; (c—e) Three profiles denoting the surface rupture and fault scarp (see location in Fig.b). Red lines denote cracks and scarps along the rupture zone.

3.2 野馬灘西

野馬灘段(W2)同震地表破裂以北西西走向展布于晚第四紀堆積盆地的北側邊界，偶爾切入三疊系基巖邊緣形成眉脊.在野馬灘西觀測點，江錯斷裂及本次地震地表破裂切割近南北向的溝谷出口，河溝及階地坎左旋位移(圖4a)，斷裂北盤略有抬升，在階地上形成北高南低的斷層陡坎和擠壓鼓包(圖4).

圖4 野馬灘西觀測點地表破裂(a) 沖溝左旋走滑位移及一級階地上的裂縫與斷坎，鏡向北； (b) 漫灘上的擠壓鼓包，鏡向北.Fig.4 Surface rupture at the site west of Yematan(a) Left-lateral offset of channel, cracks and scarps on the lowest terrace, view to N; (b) Pressure ridge on the floodplain, view to N.

圖5 野馬灘西觀測點無人機航空攝影測量(a) DOM; (b) DEM及等高線; (c) 斷錯地貌與累積走滑斷錯. Q：現代漫灘堆積；Q：一級階地，全新世晚期沖洪積；Q：二級沖洪積臺地，全新世早期沖洪積；Q：三級沖洪積臺地，晚更新世末期沖洪積；Qdl：第四紀坡積；十字絲代表電線桿位置; 紅線為同震地表裂縫與斷坎.Fig.5 UAV photogrammetry and measurement at the site west of Yematan(a) Digital Orthophoto Map (DOM); (b) Digital Elevation Model (DEM) and contour; (c) Geomorphological map. T3 terrace, Late Pleistocene alluvium; Qdl: Quaternary deluvium; Black cross for poles of cable line; Red lines denote cracks and scarps along the rupture zone.

無人機航空攝影測量DEM剖面顯示，在二級沖洪積臺地上的跨斷層地形剖面YM1上(圖6a)，坡度約1.18°的二級沖洪積臺地上發育一個寬約15 m的斷層陡坎，斷層垂直位移1.56±0.11 m.在一級階地上的跨斷層地形剖面YM2上(圖6b)，坡度約2.15°的一級階地上震后存在一個寬約10 m的斷坎，斷層陡坎垂直位移0.82±0.05 m.有一條通訊線路跨過走向NW299°的破裂帶(部分電桿位置見圖5a,5c)，通過無人機航空攝影測量獲得通信電桿位置進行線性擬合顯示，線路具有很好的直線性，在斷裂兩側走向分別為347.5°和347.6°，進而以此通信線路為線性標識，測量得到同震左旋水平位移2.83±0.13 m(圖6c).

圖6 野馬灘西觀測點在二級階地(a)和一級階地(b)上的跨斷裂帶剖面顯示的斷坎與垂直斷錯量以及跨破裂帶通訊線路同震左旋走滑位移量(c)紅線為同震地表裂縫或斷層.Fig.6 Profiles showing the fault scarps and cracks at the site west of Yematan along the terraces (b); (c) Co-seismic left-lateral offset of the cable line Red line denotes the cracksor fault.

一級階地和二級階地之間的階地坎位移9 m，與該處本次地震同震左旋位移2.83 m比較，可以推斷該階地坎形成以來經歷了包括2021年地震在內的3次相近震級的地震事件，6.2～6.6 ka介于2個地震復發周期和3個地震復發周期之間，獲得地震復發周期2100～3100年.二級階地和三級階地之間的階地坎位移14 m，與該處本次地震同震左旋位移2.83 m比較，可以推斷該階地坎形成以來經歷了包括2021年地震在內的5次相近震級的地震事件，10 ka介于4個地震復發周期和5個地震復發周期之間，獲得地震復發周期2000～2500年.綜合野馬灘西觀測點的兩個階地坎地震事件累積，江錯斷裂與2021年地震震級類似的地表破裂型地震的復發間隔約2100～2500年.根據同震左旋位移量2.83 m和地震復發間隔2100～2500年，獲得江錯斷裂全新世以來的左旋走滑速率1.1～1.3 mm·a-1，這一估值與現今GPS觀測資料估計的滑動速率相當(Zhu et al.，2021).從上述地形剖面上累積的垂直位移和對應的累積事件次數分析，單次地震事件產生的逆傾滑量可達0.31±0.04 m.

3.3 江錯西

在野馬灘大橋以東，地震同震破裂帶斜切到山坡，在江錯西的斷裂槽谷、坡積和沖洪積(圖7a)可以看到本次地震產生的斜列裂縫組成的破裂帶(圖7b).

圖7 江錯西觀測點斷裂槽谷與斷錯山脊斜視照片(a，鏡向南東)、同震地表破裂帶的斜列裂縫(b，鏡向東)Fig.7 (a) Oblique view of the fault trough and the displaced ridges (view to SE), and (b) En echelon cracks along the co-seismic surface rupture zone (view to E) at the site west of Jiangcuo

無人機航空攝影測量獲得的DOM(圖8a)、DEM(圖8b)和地貌顯示，江錯斷裂切過山脊和溝谷，在兩個溝谷的西側分別形成斷塞現象，以基巖殘積與坡洪積地貌邊界為參考標識，斷層左旋水平位移量分別為64 m和30 m(圖8c).由于殘坡積地貌屬于持續改造性地貌面，無法對其進行有效的年代約束，只能根據區域地貌演化歷史定性確定其形成于晚更新世泛湖期之后(程捷等，2005；韓建恩等，2020).有一條通訊線路跨過走向NWW275°的破裂帶(電桿位置見圖8a,8c)，無人機航空攝影測量獲得通信電桿位置進行線性擬合顯示，線路具有很好的直線性，破裂帶兩側線路走向分別為293.5°和293.8°，以此通信線路為線性標識，測量得到同震左旋水平位移1.97±0.08 m(圖9).

圖9 江錯西觀測點通訊線路同震左旋位移十字絲代表電線桿位置; 紅線示意斷層.Fig.9 Co-seismic left-lateral offset of the cable line at the site west of JiangcuoBlack cross for poles of cable line; Red line denotes the rupture zone.

3.4 朗瑪哦爾

江錯斷裂在朗瑪哦爾一帶從山間小盆地切過向東進入山區(圖10a)，瑪多地震同震破裂帶朗瑪哦爾—昌麻河段(E2)在山坡上形成連續的剪切破裂，左旋斷錯沖溝(圖10b)，在盆地邊緣形成較寬的裂縫帶(圖10c)，在盆地內則形成具有擠壓性質的剪切裂縫(圖10d).

圖10 朗瑪哦爾觀測點典型破裂(a) 地貌與地表破裂斜視照片(鏡像南東東); (b) 沖溝同震左旋斷錯(鏡向南)； (c) 寬十余米的同震主破裂帶(鏡向北西西)； (d) 剪切為主兼具擠壓性質的地表破裂(鏡向東).Fig.10 Typical surface ruptures at the site Langma′oer(a) Oblique view of the landforms and the surface ruptures (view to SE); (b) Left-laterally offset channel, view to S; (c) Co-seismic rupture with a width of tens of meters, view to NWW; (d) Compressional shear cracks, view to E.

無人機航空攝影測量獲得的DOM(圖11a)和DEM(圖11b)顯示，同震地表破裂在山坡上寬數米，在全新世沖洪積盆地邊緣分為兩支，分別寬約20 m和15 m，總跨度約60 m.地貌(圖11c)顯示，盆地東緣邊界沒有明顯的左旋走滑斷錯.一個沖溝溝口堆積了沖洪積扇，現今沖溝從洪積扇東側緣下切約4.5 m深，推測該洪積扇形成于全新世早期.洪積扇側緣與現今仍在活動的沖溝重疊，沒有可靠的水平斷錯記錄.洪積扇上跨斷層的地形剖面LO(圖12a)顯示，破裂帶南北兩側洪積扇面坡度分別為9.59°和8.77°，破裂帶附近坡度變緩.傾向南西的洪積扇面上沒有觀測到傾向南的斷坎，可能說明該洪積扇形成以來直到本次瑪多地震發生，并沒有累積左旋水平斷錯.而跨過走向NWW272°的同震地表破裂帶有一條牧場圍欄(圍欄樁位置見圖11a,11c)，無人機航空攝影測量獲得圍欄樁位置進行線性擬合顯示，圍欄在破裂帶兩側具有很好的直線性，走向分別為293.8°和293.5°，以此圍欄為線性標識，測量得到同震左旋水平位移3.55±0.24 m(圖12b).綜合以上觀察，盡管朗瑪哦爾觀測點一帶的同震地表破裂是朗瑪哦爾—昌麻河段最典型、變形量最大的區段，但是江錯斷裂在全新世早期以來并沒有累積本次瑪多地震之前的地表變形.

圖11 朗瑪哦爾觀測點無人機航空攝影測量(a) DOM; (b) DEM及等高線; (c) 斷錯地貌與累積走滑斷錯. Qhapl：全新世沖洪積; Q：二級沖洪積臺地，全新世早期沖洪積; Qdl：第四紀坡積; T：三疊系砂巖; 十字絲代表牧場圍欄樁位置; 紅線為同震斷裂變形產生的地表裂縫與斷坎; 紫線為滑塌裂縫.Fig.1 1UAV photogrammetry and measurement(a) Digital Orthophoto Map (DOM); (b) Digital Elevation Model (DEM) and contour; (c) geomorphological map. Qhapl: Holocene alluvium; Q: T2 terrace, Early Holocene alluvium; Qdl: Quaternary deluvium; T: Triassic sandstone; Black cross for poles of cable line; Red lines denote cracks and scarps along the rupture zone; Purple lines for the gravitated fissures.

圖12 朗瑪哦爾觀測點跨破裂帶的沖洪積臺地地形剖面(a)和牧場圍欄左旋同震位移(b)十字絲代表電線桿位置; 紅線示意同震地表裂縫和破裂帶.Fig.12 (a) Profile along the alluvial terraces Q showing the fault scarps and cracks; (b) Co-seismic left-lateral offset of the ranch fence at the site Langma′oerBlack cross for poles of the fence; Red line denotes the cracks or rupture zone.

3.5 昌麻河

在昌麻河鄉附近，同震地表破裂帶走向約NE73°，切過河床及兩側多級階地，整體上由斜列的裂縫帶組成(圖13a).在不同地段又表現各異，在高臺地上由斜列張性裂縫帶組成(圖13b)，在低臺地上為長達數十米的剪切裂縫(圖13c)，在河床上左旋切過漫灘側緣(圖13d)，左旋位移數十厘米至1.2 m(李智敏等，2021).

圖13 昌麻河觀測點典型破裂(a) 地貌與地表破裂斜視照片，鏡像東; (b) 斜列裂縫帶，鏡向東； (c) 剪切裂縫，鏡向西； (d) 河溝側緣左旋斷錯，鏡向東.Fig.13 Typical surface ruptures at the site Changmahe(a) Oblique view of the landforms and surface ruptures, view to E; (b) En echelon cracks, view to E; (c) Shear cracks, view to W; (d) Offset riverbed, view to E).

無人機航空攝影測量獲得的DOM(圖14a)和DEM(圖14b)顯示，同震地表破裂在張裂縫帶寬達30 m，也可表現為不足1 m寬的剪切裂縫.破裂帶切過河床漫灘、拔河高度約1 m的一級階地、拔河高度約8 m的二級階地、拔河高度達25 m的三級階地，一級階地與二級階地間的階地坎和二級階地與三級階地間的階地坎都沒有記錄到顯著的斷裂左旋水平位錯(圖14c).在一級階地和二級階地上跨破裂帶的地形剖面上，可以看到二級階地上沒有顯著的垂直位移，而一級階地上存在約0.30 m的南盤抬升(圖14d).與朗瑪哦爾觀測點相似，盡管該觀測點具有顯著的同震斷裂變形，但是江錯斷裂三級階地形成以來(晚更新世)并沒有累積本次瑪多地震之前的地表變形.

圖14 昌麻河觀測點無人機航空攝影測量(a) DOM; (b) DEM及等高線; (c) 斷錯地貌與累積走滑斷錯; (d) 跨破裂帶階地面地形剖面. Q：現代河床堆積；Q：一級階地，全新世晚期沖積；Q：二級階地，全新世早期沖積；Q：三級階地，晚更新世末期沖積; 紅線為同震斷裂變形產生的地表裂縫與斷坎; 紫線為滑塌裂縫.Fig.14 UAV photogrammetry and measurement at the site Changmahe(a) Digital Orthophoto Map (DOM); (b) Digital Elevation Model (DEM) and contour; (c) Geomorphological map; (d) Profiles along the terraces T3 terrace, Late Pleistocene alluvium; Black cross for poles of cable line; Red lines denote cracks or scarps.

4 討論

4.1 2021年瑪多地震的級聯破裂特征

綜合已經發表的野外調查成果(李智敏等，2021；潘家偉等，2021)和我們上述發震斷裂同震破裂分布和變形特征的野外調查，2021年瑪多地震地表破裂具有鮮明的分段特征.最西段朗瑪加合日段(W1)以左旋走滑變形為主，具有正斷傾滑，發震斷層可能高角度地向北傾，深部與位于北側的主斷裂組成花狀構造.主斷裂從野馬灘段向西延伸到鄂陵湖，但在本次地震中未破裂，有余震分布(王未來等，2021).野馬灘段(W2)則表現為左旋走滑為主兼具逆沖性質，發震斷層可能是高角度北傾，在江錯至黃河鄉只觀測到與重力和砂土液化相關的裂縫，沒有顯著的斷裂變形.拉木草—東湖段(E1)東西兩段都存在較長的地表破裂空區(圖1c)，在可觀測到的地表破裂段，從中部東哦附近的大位移張剪性裂縫與擠壓鼓包組合變為東湖附近的稀疏張裂縫組合.而最東段(E2)從沙漠分為兩支，切過兩個山間盆地，北支一直向東切過昌麻河谷，破裂變形以剪切裂縫和斜列的張性裂縫為主.

上述典型觀測點獲得的發震斷裂同震地表變形量(表2)表明，瑪多地震在朗瑪加合日段(W1)除了報道的1.4～2.9 m左旋位移，還存在0.61±0.03 m正斷傾滑，并疊加在原有的斷層陡坎上.而在野馬灘段(W2)位移典型的觀測點，存在0.31±0.04 m的逆傾滑，左旋走滑量可以達到2.83±0.13 m，大于先前已發表的基于河溝邊界測量的位移(潘家偉等，2021；李智敏等，2021).該段到江錯觀測點仍然有1.97±0.08 m的左旋水平位移，但是再向東沒有觀察到顯著的斷裂變形，而是沿山前發育一系列砂土液化和重力裂縫.拉木草—東湖段(E1)已報道的地表位移量不超過1.5 m(潘家偉等，2021；李智敏等，2021)，和衛星大地測量反演結果(Chen et al., 2021；He et al，2022； Jin and Fialko, 2021; Wang S et al., 2022)有一定差異，但是變形量從中間部位向兩側衰減的趨勢還是明顯的.朗瑪哦爾—昌麻河段(E2)獲得的最大地表變形位于朗瑪哦爾附近，左旋水平位移達到3.55±0.24 m，超過先前報道的以沖溝為標識獲得的1.8 m的數據(潘家偉等，2021)，與震源破裂過程反演的最大位移區域相一致(Wang W M et al., 2022).該段從在昌麻河河谷和階地上仍然存在0.5～1.2 m的左旋位移，向東逐漸減小至消失.

從上述破裂特征變化和變形量變化表明，2021年瑪多地震的整個同震地表破裂帶是由四個不同破裂組合特征的段落組成，在每個段落出現一個變形量的波峰并向兩側減小，各段之間地表變形出現大小不一的破裂間斷，與衛星大地測量觀測和震源破裂過程反演得到的主要破裂區塊具有很好的對應性(Chen et al., 2021；He et al，2022；Jin and Fialko, 2021；Wang S et al., 2022)，同震地表破裂的分段性與深部斷面上的地震滑移的分塊性相對應.瑪多地震破裂時空過程，本次瑪多地震由多個子事件級聯破裂形成，可以分為四個子事件，分別對應于深部的一個地震滑動區塊和地表的一個斷裂段落.

4.2 鄂陵湖—江錯—昌麻河斷裂的擴展演化

從江錯斷裂西段朗瑪加合日觀測點觀察到江錯斷裂在全新世湖岸階地已經累積了上一次地震事件垂直變形(表2).在野馬灘西觀測點和江錯觀測點等則觀察到江錯斷裂在晚更新世或全新世以來已經在地表累積了左旋變形(表2).除了與累積變形相對應的斷錯微地貌，斷裂的長期活動也體現在更大尺度的地貌上.朗瑪加合日段(W1)發育于斷裂槽谷地貌的南側，野馬灘段(W2)則發育于野馬灘北側的盆山邊界，江錯斷裂控制了十到百公里尺度的地貌發育.

表2 五個觀測點的同震位移和累積位移Table 2 Co-seismic and accumulated displacements for the five sites

在黃河鄉與格波隆格恰之間的階區以東，朗瑪哦爾觀測點的全新世沖洪積扇和昌麻河觀測點的晚更新世以來三級河流階地都只記錄了本次瑪多地震地表破裂變形，而沒有本次地震之前的晚更新世累積變形，顯示江錯斷裂在此前可能并沒有擴展到格波隆格恰以東.而從更大尺度的地貌特征看，江錯斷裂切過基巖山地和山間盆地，主要表現為線性特征，溝谷水系系統性偏移并不典型(Ha et al., 2021).江錯斷裂在朗瑪加合日至黃河鄉段全新世以來長期活動的基礎上，2021年瑪多地震同震破裂變形可能產生了一次向東的最新擴展，從波隆格恰擴展到昌麻河以東.這種斷裂新擴展段與已有斷裂在臨震形變場演化和地震前兆信號上也許存在一定的差異，值得進一步開展相關研究(Zhang et al., 2020a; Zhang et al., 2020b).

4.3 巴顏喀拉塊體西部地區活動構造格局

基于GPS等觀測的現今地殼形變資料反演的應變場顯示，從東昆侖斷裂的阿尼瑪卿擠壓階區到玉樹—甘孜—鮮水河斷裂的甘孜拉分階區存在一個北北西走向的剪切應變率和旋轉應變率變化帶(Gan et al., 2007； Li et al., 2018；Wang and Shen, 2020)，而且主應變軸具有顯著差異：在其西側(即巴顏喀拉塊體西部地區)水平縮短主應變軸走向北東，水平拉伸主應變軸走向南東；在其東側(即巴顏喀拉塊體東部地區)水平縮短主應變軸走向東西，水平拉伸主應變軸走向南北(圖15，Gan et al., 2007；Wang and Shen, 2020).而活動斷裂研究表明，東昆侖斷裂帶在阿尼瑪卿擠壓階區以西的托索湖段比其東側的瑪沁段的左旋滑動速率大2 mm·a-1(Li et al., 2011)，玉樹—甘孜—鮮水河斷裂帶在甘孜拉分階區以東段的鮮水河斷裂比其西側的甘孜玉樹斷裂的左旋滑動速率至少大2 mm·a-1(Wen et al., 2003; Chen et al., 2016；Bai et al., 2018).巴顏喀拉塊體西部地區和東部地區的南北邊界及內部的構造動力學條件存在顯著的差異.

圖15 巴顏喀拉塊體及周邊區域構造數據資料參考：Wen et al., 2003, 2008；Gan et al., 2007；聞學澤等，2011；徐錫偉等，2014；Chen et al., 2016；Bai et al., 2018；Wang and Shen, 2020. ARB: 阿尼瑪卿擠壓階區；GPA: 甘孜拉分階區；BHBE: 巴顏喀拉東部次級塊體；BHBW: 巴顏喀拉西部次級塊體；CDB: 川滇塊體；OB: 鄂爾多斯塊體；QDB: 柴達木盆地；QTB: 羌塘塊體；SCB: 四川盆地. Fig.15 Regional tectonics around the Bayan Har blockData from Wen et al., 2003, 2008; Gan et al., 2007; Wen et al, 2011; Xu et al., 2014; Chen et al., 2016; Bai et al., 2018; Wang and Shen, 2020. ARB: Anymaqin restraining bend; GPA: Garze Pull-apart；BHBE: Eastern sub-block of the Bayab Har block；BHBW: Western sub-block of the Bayan Har block; CDB: Sichuan-Yunnan block; OB: Odors block; QDB: Qaidam basin; QTB: Qiangtang block; SCB: Sichuan basin.

2001年昆侖山口西地震之后在跨風火山至昆侖山一線的GPS等震后形變觀測顯示，巴顏喀拉塊體西部的下地殼粘滯系數比其北側柴達木盆地要低四倍，表現出單側不對稱的震后弛豫變形(Liu et al., 2019).經查窮瑪—瑪多—花石峽—溫泉一線跨巴顏喀拉塊體和東昆侖斷裂帶的大地電磁剖面顯示，巴顏喀拉塊體西部地殼深度15～30 km存在連續的高導層，被認為存在強烈的變形(詹艷等，2021).經囊謙—玉樹—瑪多—溫泉一線跨巴顏喀拉塊體及其南北兩側構造帶的寬角反射/折射探測剖面顯示，巴顏喀拉塊體西部上地殼下部由多個“碎片化”的高速體組成，而在中地殼存在負速度梯度層和近水平拆離層(Vergne et al., 2002；Wang et al., 2011；張建獅等，2014).對巴顏喀拉塊體玉樹—瑪多深地震測線和若爾蓋測線對比研究顯示巴顏喀拉塊體下地殼從西往東有差異性的改造(嘉世旭等，2017).深部結構的層析成像研究顯示，巴顏喀拉塊體西部地區27～45 km存在與羌塘塊體連續的剪切波異常體、莫霍面深度70～80 km，而東部地區莫霍面深度60～70 km(范文淵等，2015).這些地殼深部結構資料可能指示巴顏喀拉塊體西部地區深部已經不再是一個完整的塊體，并且與東部具有差異性.

2021年瑪多地震地表破裂顯示，昆侖山口—江錯斷裂已經延伸到昌麻河，切割了前人所標識的瑪多—甘德斷裂或瑪多斷裂.前人報道的資料顯示，瑪多—甘德斷裂在索合樂以東是全新世活動的(張裕明等，1996；熊仁偉等，2010)，而瑪多—甘德斷裂優云以西段晚更新世以來目前還缺乏活動證據的報道.但是，瑪多斷裂在瑪多至阿映村東形成谷地，可能與瑪多斷裂活動有關(圖1c).因此，瑪多—甘德斷裂可能并不是從瑪多以北西西走向在昌麻河轉為北西走向地延伸到甘德，江錯斷裂以北的瑪多—甘德斷裂北西段可能是獨立的斷裂，可以單獨命名為瑪多斷裂.而江錯斷裂以南的瑪多—甘德斷裂南東段可能在優云以南向北西延伸，與前人命名的甘德南斷裂相連.西藏大溝—昌麻河斷裂、瑪多斷裂、江錯斷裂、甘德南斷裂、達日斷裂等組成了巴顏喀拉塊體西部地區近平行的一系列以左旋走滑為主的斷裂，幾乎將巴顏喀拉塊體西部地區均勻切割(圖1b).已有報道顯示，發生1947年達日地震并產生地表破裂的達日斷裂中段和疑似地表破裂的甘德南斷裂索合洛—索合勤段走向上與其東西兩側段落明顯存在彎折，由北西西走向變為北西走向，活動性比兩側段落更強(熊仁偉等；2010；梁明劍等，2020).甘德南斷裂和達日斷裂的彎折與東昆侖斷裂帶的阿尼瑪卿彎折具有同步性.

綜合上述地表斷裂組合、深部結構特征、構造動力學條件，我們認為以阿尼瑪卿擠壓階區到甘孜拉分階區一線為界的巴顏喀拉塊體西部和東部地區存在顯著的差異，可以分別劃分為兩個次級的塊體(圖15).從甘孜拉張階區到阿尼瑪卿擠壓階區再往北延伸是具有右旋走滑性質的鄂拉山斷裂帶(袁道陽等，2004)，在阿尼瑪卿擠壓階區北側的鄂拉山斷裂和甘孜拉分階區南側不存在量級達到2 mm·a-1的拉張構造帶.因此，跨階區兩側的左旋走滑速率差指示巴顏喀拉塊體西部地區相對東部地區存在2 mm·a-1的擠壓變形，這一變形速率已經比我們獲得的江錯斷裂的1.1～1.3 mm·a-1滑動速率還要大，也有可能超過目前還沒有滑動速率報道的達日斷裂和甘德南斷裂.東昆侖斷裂阿尼瑪卿彎折段、北西走向的達日斷裂中段和甘德南斷裂中段可能是這個變形帶上的一組右階斜列的構造，并驅動了鄂拉山斷裂的右旋走滑.整個巴顏喀拉塊體岀露的沉積建造仍然保持完整和連續(潘桂棠等，2007)，次級塊體邊界帶目前還沒有發育連續貫通的地表斷裂等構造，也沒有完全切割限制已有北西走向構造的延伸，我們認為這一次級構造邊界可能仍然處于巴顏喀拉塊體改造的早期階段，還沒有達到塊體完全破壞的成熟階段.雖然處于塊體破壞的早期階段，但巴顏喀拉塊體東西分異和破壞的動力學和深部構造可能對理解青藏高原隆升和擴展機制具有重要意義(徐錫偉等，2014)，仍有待更多的深部地球物理方面的研究探討.

雖然我們從巴顏喀拉塊體東西次級塊體劃分可以推測，北西西走向的斷裂向東的延伸和活動性可能被限制在阿尼瑪卿擠壓階區到甘孜拉分階區一線構成的兩個次級塊體邊界帶的西側或者在邊界帶兩側發生比較大的變化，但是巴顏喀拉塊體西部次級塊體內發育的一系列平行斷裂(西藏大溝—昌麻河斷裂、瑪多斷裂、江錯斷裂、甘德南斷裂、達日斷裂等)仍然有待于進一步的定量化運動學和古地震學研究.昆侖山口—江錯斷裂在2001年地震和2021年地震之間屬于未破裂段還是具有未知的破裂，是評價該區強震危險性值得進一步注意的.

5 結論

2021年瑪多M7.4地震發震斷裂江錯斷裂同震變形產生的地表破裂帶以黃河鄉至格波隆格恰的階區分為東西兩個大段落.根據破裂組合特征、同震變形量變化和幾何結構，東西兩個大的破裂段又可以分別分為兩個次級破裂段，即朗瑪加合日段、野馬灘段、拉木草—東湖段和朗瑪哦爾—昌麻河段.整個地震事件是一次跨越四個斷裂段的級聯破裂過程.通過野外典型觀測點的無人機航空攝影測量，朗瑪加合日段以左旋走滑變形位移為主兼具正斷傾滑，傾滑量可達0.61±0.03 m.野馬灘段以左旋走滑變形為主兼具逆斷傾滑，在野馬灘西觀測點傾滑量可達0.31±0.04 m，左旋走滑量可以達到2.83±0.13 m，即使到該段可見地表破裂的東部，江錯西觀測點仍然有1.97±0.08 m的左旋水平位移.朗瑪哦爾—昌麻河段在朗瑪哦爾附近左旋水平位移達到3.55±0.24 m，而在昌麻河河谷和階地上仍然存在0.5～1.2 m的左旋位移.

在本次地震地表破裂西段，朗瑪加合日觀測點、野馬灘西觀測點和江錯西觀測點等三個觀測點都觀察到江錯斷裂晚更新世或全新世以來的累積變形，并且可能控制了晚更新世地貌發育.根據野馬灘西觀測點的累積位移和地貌年代估計，地震復發周期2100～2500年，左旋走滑速率1.1～1.3 mm·a-1.在黃河鄉與格波隆格恰階區以東，本次同震位移顯著的朗瑪哦爾觀測點和昌麻河觀測點只記錄了本次瑪多地震地表破裂變形，而沒有本次地震之前的晚更新世累積變形.江錯斷裂在朗瑪加合日至黃河鄉段全新世以來長期活動的基礎上，2021年瑪多地震同震破裂變形可能產生了一次向東的最新擴展，從波隆格恰擴展到昌麻河以東.

綜合地表斷裂組合、深部結構特征、構造動力學條件，我們認為以東昆侖斷裂帶阿尼瑪卿擠壓階區到玉樹—甘孜—鮮水河斷裂帶甘孜拉分階區一線為界可以將巴顏喀拉塊體劃分為兩個次級的塊體.兩個次級塊體的邊界帶可能存在2 mm·a-1的擠壓變形，但可能仍然處于塊體改造破壞的早期階段，其動力學機制和深部構造值得進一步探討.這一次級塊體邊界變形帶內的甘德南斷裂中段和達日中段的活動性比其東西兩側更強.2021年瑪多地震地表破裂顯示，昆侖山口—江錯斷裂向東已經切割了前人所標識的瑪多—甘德斷裂，巴顏喀拉塊體西部次級塊體內發育近平行的西藏大溝—昌麻河斷裂、瑪多斷裂、甘德南斷裂、達日斷裂以及昆侖山口—江錯斷裂，這些斷裂仍然需要進一步的定量化運動學和古地震學研究來評估地震危險性.

致謝2021年5月22日瑪多地震之后，中國地震局立即成立了由中國地震局地震預測所、中國地震局地質研究所和青海省地震局等單位組成的地震科學考察隊赴震區工作，本文是地震科考部分成果.特別感謝地質所為科考提供指導、支持、關心和幫助的單新建所長、孫曉竟書記、萬景林副所長、何宏林副所長、李傳友主任、蔣漢朝處長、史翔副處長等領導，也感謝預測所領導的協調指揮和青海省地震局現場指揮部的關照.感謝現場科考的預測所徐岳仁、李文巧等、青海省地震局李智敏等、應急管理部國家自然災害防治研究院任俊杰等、中國地質科學院地質研究所潘家偉等同志的相互支持與幫助.感謝兩位匿名審稿專家和編委老師提出的討論意見和建議，感謝編輯老師的支持與幫助.感謝袁仁茂研究員對英文摘要提出修改建議.