2020年1月19日新疆伽師MW6.0地震震中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特點

姚 遠 李 濤 劉 奇 邸 寧

1)新疆帕米爾陸內(nèi)俯沖國家野外科學觀測研究站，北京 100029 2)中國地震局烏魯木齊中亞研究所，烏魯木齊 830000 3)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

0 引言

同震地質(zhì)災(zāi)害主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、砂土液化和海嘯等形式，是地震災(zāi)害最直接的表現(xiàn)，通常也是造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的最主要因素。1964年新滹MW7.5地震(Iwasaki，1986)、1964年美國阿拉斯加M9.2地震(Seed，1968)、1999年MW7.5集集地震(Linetal.，1999；Wangetal.，2003)、2008年汶川MS8.0地震(殷躍平，2008；許沖等，2009，2010；袁曉銘等，2009)、2010年青海玉樹MS7.1地震(殷躍平等，2010)和2016年阿克陶MW6.6地震(姚遠等，2018；Yaoetal.，2019)等均在極震區(qū)造成了大面積地震地質(zhì)災(zāi)害，形成了大量潛在的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)。值得一提的是，地震烈度越大，則地震地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的范圍越廣、程度越強。因此，震后開展地震地質(zhì)災(zāi)害分布情況的調(diào)查和確定潛在災(zāi)害風險區(qū)域是目前地震現(xiàn)場評估的一項重要工作。

2020年1月19日，在中國西北部新疆維吾爾自治區(qū)的伽師縣西克爾庫勒鎮(zhèn)發(fā)生了MW6.0地震(1)https: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us60007 anp/executive。(美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS))(圖1)，本地和全球的地震臺站都記錄到了這次地震，震中位于(39.83°N，77.21°E)(2)http: ∥news.ceic.ac.cn/CC20200119212755.html。(中國地震臺網(wǎng)中心(CENC))(圖1)。距離震中最近的西克爾強震臺(震中以東約13.7km)記錄到了最大的峰值加速度，為633.3gal(垂直向)，這也是新疆強震臺網(wǎng)建立以來記錄到的最大峰值加速度值(李文倩等，2020)。USGS和CENC給出的震源機制解都反映出本次地震是一次由逆沖斷層活動引起的地震。1997—1998年伽師縣的東北側(cè)發(fā)生了伽師強震群，該強震群包括MS≥6.0地震9次、MS≥5.0地震若干次(高國英等，1997；賴院根等，2002；趙翠萍，2006)；2003年在伽師縣東北部又發(fā)生了一次MW6.3地震(圖1)。2020年發(fā)生的伽師地震是繼巴楚-伽師地震后的又一次強震。幸運的是，震中距離人口密集地區(qū)較遠，加之多年以來富民安居工程的推廣，并未造成大范圍的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

伽師地震發(fā)生后，中國地震局和新疆地震局立即啟動了Ⅱ級響應(yīng)，組織并調(diào)動專業(yè)技術(shù)人員趕赴災(zāi)區(qū)，進行地震烈度評定、災(zāi)害損失評估和地震地質(zhì)科學考察工作。作者作為烈度評定和科考小組主要成員參與了本次地震的現(xiàn)場科學考察工作，本文即總結(jié)了該次現(xiàn)場工作和科學考察的主要成果。

圖1 南天山柯坪塔格前陸沖斷帶的DEM影像、主要構(gòu)造及地震Fig.1 Digital elevation model(DEM，30m)，structures and historical earthquakes in the Kepingtage fold-and-thrust belt.地震目錄和震源機制解來自于中國地震臺網(wǎng)中心1990—2020年的地震目錄。KPT 柯坪逆斷裂；AZT 奧茲格爾塔烏逆斷裂；TAT 塔塔埃爾塔格逆斷裂；KFT 科克布克山前斷裂；YMT 衣木干他烏逆斷裂；AYT 奧衣布拉克逆斷裂；PFT 皮羌山前斷裂； PQF 皮羌斷裂；KKTM A 科克塔烏背斜；MTL A 木圖勒背斜；ATS A 阿圖什背斜

1 構(gòu)造背景

遠離板塊邊界(距離為1i000～2i000km)的天山是世界上最年輕的陸內(nèi)造山帶之一，也是中亞地震活動最為頻繁而強烈的地區(qū)。橫跨天山西段的最新GPS測量結(jié)果表明，其現(xiàn)今地殼縮短速率為19～20mm/a(Abdrakhmatovetal.，1996；Wangetal.，2000)，幾乎是印度板塊現(xiàn)今向N推擠速率的一半。不少學者認為天山的內(nèi)陸變形是印度板塊與歐亞板塊碰撞的遠程效應(yīng)所致(Avouacetal.，1993；Hendfixetal.，1994；張培震等，1996；Burchfieletal.，1999；陳杰等，2000；鄧起東等，2000)。地質(zhì)學和地震學的研究表明，晚新生代以來天山主要以擠壓構(gòu)造變形為主，變形主要被南北天山山前EW走向的逆斷裂-褶皺帶吸收。柯坪塔格推覆構(gòu)造就是南天山新構(gòu)造運動與變形最強烈的地區(qū)之一，該區(qū)域的GPS測量速率約為20mm/a(李杰，2012)，且強震頻發(fā)，1997—1998年發(fā)生了伽師強震群(9次MS≥6.0地震和若干次MS≥5.0地震)，2003年發(fā)生了巴楚-伽師MW6.3地震。這種在同一地區(qū)短時間連續(xù)發(fā)生強震的震群活動是大陸地區(qū)未曾有過的，也是20世紀罕見的板內(nèi)地震現(xiàn)象。

圖2 a 柯坪逆斷裂的地質(zhì)構(gòu)造圖；b 地質(zhì)剖面Fig.2 Geological structure map of the KPT and AZT(a)，and the cross-section showing the Kalpin thrust system and stratigraphy(b).

1.1 2020年伽師地震的發(fā)震構(gòu)造

伽師地震的震源機制解、余震精定位分布以及InSAR同震形變場顯示，地震引起的同震形變分布在柯坪塔格FTB的南緣，主要集中在KPT和AZT之間的褶皺帶內(nèi)(圖2a)，運動性質(zhì)主要為垂直壓縮變形，同震變形滑動主要集中在4～6km深度內(nèi)，這與USGS給出的震源深度(5.6±3)km近似。USGS給出的震源機制解的斷層傾角為9°，地震反射剖面解譯得到的KPT的傾角為15°。綜合分析以上數(shù)據(jù)可知，由震源機制解獲得的發(fā)震深度、斷層傾角和InSAR反演以及地震反射剖面解譯的結(jié)果高度一致，故認為伽師地震的發(fā)震構(gòu)造是位于柯坪塔格FTB最前緣(南端)的KPT，即低角度的逆沖斷層(圖2b)(Yaoetal.，2020)。

前人結(jié)合地震剖面和地表地質(zhì)研究(Yinetal.，1998；Allenetal.，1999；鄧起東等，2000；劉啟元等，2000；張先康等，2002)表明，柯坪塔格FTB內(nèi)的斷裂均為近EW—NEE走向的向S或SSE逆沖的上陡下緩的 “鏟式”逆斷裂，向深部歸并于6～10km深處的寒武系含泥質(zhì)巖和碳酸鹽巖(石膏層)基底滑脫面(Allenetal.，1999)。

1.2 1997—1998年伽師強震群和2003年巴楚-伽師地震的發(fā)震構(gòu)造

本次地震震中附近歷史上曾發(fā)生過數(shù)次中強地震，如1902年阿圖什8.2級地震、1997年1月21日—1998年8月發(fā)生的9次MS6以上強震和2003年巴楚-伽師邊界的MW6.3地震(圖1)，其中1997—1998年伽師強震群和2003年巴楚-伽師地震最為強烈、造成的損失最為嚴重。周仕勇等(2001)通過對強震群的精定位推斷1997—1998年伽師強震群的震源可能為NNW向的發(fā)震構(gòu)造。結(jié)合基于聯(lián)合反演技術(shù)得到的地震震源位置和地震區(qū)三維地殼速度結(jié)構(gòu)分析認為，強震區(qū)存在2個深斷裂帶，其走向分別為NNE和NNW，這2條斷裂帶是這次強震群的發(fā)震斷裂(李松林等，2002)。根據(jù)流動臺陣記錄得到小地震精定位結(jié)果顯示，余震沿NEE向展布，發(fā)震斷裂可能是一條NEE走向的斷裂(郭飆等，2002)。綜合以上研究成果可知，1997—1998年伽師強震群的發(fā)震構(gòu)造呈NW和NE走向，震源深度集中在20～30km(潘素珍等，2004)。

2003年巴楚-伽師MW6.3地震的震中位于伽師強震群的東部(圖1)，沈軍等(2006)通過衛(wèi)星影像、地形資料結(jié)合震區(qū)附近的石油物探深度剖面，對該區(qū)的深部構(gòu)造特征進行了分析，認為巴楚-伽師地震的發(fā)震構(gòu)造是一條隱伏斷裂帶，其為NWW走向的N傾盲逆斷層，地震破裂由NW向SE、由深部向淺部擴展至近地表；利用雙差定位方法對主震和余震進行重新定位，分析認為該地震及其余震的震源深度主要分布于15～25km的脆性中地殼層。

前人的研究成果顯示，上述2次強震(群)均發(fā)生在柯坪塔格FTB南部的塔里木盆地內(nèi)，在該區(qū)的地表未發(fā)現(xiàn)任何斷層活動的遺跡，斷層屬于隱伏狀態(tài)。

2 地震地質(zhì)災(zāi)害

根據(jù)地震精定位結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，發(fā)現(xiàn)本次地震造成的地質(zhì)災(zāi)害都集中在極震區(qū)(Ⅷ度區(qū))，主要包括地裂縫、砂土液化和崩塌。為了更好地體現(xiàn)出地質(zhì)災(zāi)害的特征，我們設(shè)置了4個野外觀察點，以便更加清楚地表述地震地質(zhì)災(zāi)害的分布特征和破壞模式。

2.1 觀察點1

該觀察點位于極震區(qū)內(nèi)喀麥高速上的西克爾互通立交附近(圖2a，3a)，位于震中東部約25km，其北部為KPT，南部為塔里木盆地，處于山盆交界的沖、洪積扇上。在該觀察點內(nèi)，地震地質(zhì)災(zāi)害主要為地震時產(chǎn)生的地裂縫，這些地裂縫斷錯了高速公路的硬化路面(圖3c，d)，具有清晰的水平和擠壓特征，且在原始的洪積扇面上也分布了大量細小的地裂縫(圖3e，f)。

為了清楚地調(diào)查這些地裂縫的分布特征，我們使用無人機對觀察點1進行了航拍(圖3a)?；跓o人機高分辨率的影像，在原始地面上發(fā)現(xiàn)大量雜亂無章、無法辨識主次的地裂縫，裂縫寬度(1～2cm)相近，但延伸距離較長(50～100m)。由于硬化路面屬于剛性結(jié)構(gòu)，因此發(fā)育在其上的地裂縫的運動學特征尤其明顯(圖3c，d)。對這部分地裂縫進行了詳細的測量、統(tǒng)計和描述，按照運動學性質(zhì)將其分為走滑和擠壓2種，按照運動方向可分為EW向和SN向。觀察點1內(nèi)地裂縫的主要走向為23°(圖3b)，即NEE向，這也與KPT的走向相近。SN向地裂縫的運動性質(zhì)主要為走滑，兼具一定的擠壓分量，最大右旋走滑量為0.1m(圖3c，利用路面上的白色標線作為標志物)；EW向地裂縫的運動性質(zhì)主要為SN向擠壓，最大抬升量為0.15～0.20m(圖3d)。

圖3 觀察點1的地裂縫特征及統(tǒng)計Fig.3 The characteristics and statistical analysis of ground fissures in observation point 1.a 觀察點1的無人機影像及地裂縫解譯圖；b 地裂縫優(yōu)勢走向的玫瑰花圖；c 公路路面被擠壓和水平位錯破壞；d 高速公路路面被SN向擠壓隆升；e 原始地貌面上的細小地裂縫；f 洪積扇上呈拉張性質(zhì)的地裂縫

2.2 觀察點2

該觀察點位于西克爾庫勒鎮(zhèn)和西克爾水庫區(qū)域內(nèi)，該區(qū)的地震地質(zhì)災(zāi)害類型主要為砂土液化和地裂縫(圖4a)。根據(jù)地裂縫的分布位置可將其分為西克爾大壩地裂縫和國道上發(fā)育的地裂縫。

圖4 觀察點2的地裂縫和砂土液化特征Fig.4 The characteristics of ground fissures and sand liquefaction in the observation point 2.a 觀察點2的地裂縫和砂土液化分布特征；b 在西克爾大壩壩頂G5地裂縫開挖探槽所揭露的最大深度為4m；c 大壩壩頂G5地裂縫的延伸特征；d L4砂土液化噴砂口呈串珠狀分布；e 最大的L3砂土液化噴砂錐，直徑約為3m；f 西克爾庫勒鎮(zhèn)西側(cè) 國道上的地裂縫特征；h 西克爾庫勒鎮(zhèn)EW向擠壓的地裂縫特征

2.2.1 地裂縫

地震發(fā)生后，我們對西克爾大壩進行了詳細的野外調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)了10段不連續(xù)的縱向(SN向)裂縫(圖4a，b，c，表1)： G4位于壩前坡，G6、G7位于壩后坡，其余均位于壩頂中部，裂縫的最大寬度為5cm。開挖探槽對G5進行詳細調(diào)查，為準確查明裂縫的深度，在開挖探槽前，將石灰液體倒入地裂縫內(nèi)；開挖后，發(fā)現(xiàn)石灰的最大深度為4.0m(圖4b)，據(jù)此判定G5地裂縫的最大深度為4m。該地裂縫兩側(cè)呈鋸齒狀(圖4c)，未見水平錯動，屬拉張性質(zhì)裂縫。

G6和G7位于壩后新鋪設(shè)的蓋重處，寬12～15m，高 1.0～1.5m，邊坡坡比為 1︰1.5～1︰1.75，主要由含礫粉土組成，蓋重碾壓不密實，且在蓋重坡腳處連續(xù)分布低洼坑，坑深0.5～0.8m，其內(nèi)多有積水。震后蓋重邊坡發(fā)生了滑動，使得2～5m的范圍內(nèi)產(chǎn)生了多條平行分布的縱向裂縫，裂縫寬0.3～1cm。各縱向裂縫的分布位置、長度及特征見表1。

表 1 西克爾大壩的地裂縫分布特征Table 1 Characteristics of ground fissures distributed on the Xikeer reservoir dam

國道上發(fā)育的地裂縫以擠壓性質(zhì)為主，裂縫的總體走向為SN向(圖4f，h)，主要發(fā)育在硬化路面上，而國道兩側(cè)路基及原始地面上的裂縫痕跡則很少，這是由于剛性的硬化路面不能很好地吸收擠壓變形量，導致路面被擠壓破裂。

2.2.2 砂土液化

主要對壩后約300m范圍內(nèi)的區(qū)域進行了詳細調(diào)查。壩后分布較多低洼積水坑，分布范圍較大，植被茂密。僅在壩后5～700m的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了4處中—小型砂土液化現(xiàn)象(圖4a)。

L1： 在壩后蓋重中部距離壩體約10m處發(fā)現(xiàn)1處砂土液化現(xiàn)象，噴砂錐直徑約為0.4m，涉及面積約為10m2。噴出物質(zhì)以灰褐色、黃褐色粉砂、粉土為主。

L2： 位于壩后10m處，屬于小型砂土液化現(xiàn)象，以震后孔隙水溢出形式為主，噴出物質(zhì)為黃褐色粉砂、粉土為主，無細砂物質(zhì)。

L3： 位于主壩壩后700m處的低洼區(qū)域，地表有強烈的鹽堿化特征，在這里發(fā)現(xiàn)了大面積砂土液化現(xiàn)象。共有9處大小不一的噴砂錐，其中7處噴砂錐的直徑<0.3m，2個直徑>1.0m，最大的噴砂錐直徑約為3m(圖4e)，最小的約為0.1m，總體涉及面積約為500m2。噴出物質(zhì)以灰褐色、灰色粉砂為主。

L4： 該液化點位于壩后約5m處，為串珠狀分布的小型砂土液化現(xiàn)象(圖4d)，震后以孔隙水溢出形式為主，持續(xù)時間較長，噴出物質(zhì)以灰褐色粉砂為主(圖4d)。在震后1d(2020年1月20日)的現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該液化點局部還有微量涌水現(xiàn)象。

2.3 觀察點3

該觀察點位于西克爾庫勒鎮(zhèn)西約3km處，距離震中約10km，是距離震中最近的觀察點。該區(qū)域的地震地質(zhì)災(zāi)害也較為嚴重，同時也發(fā)育與前文所述其他2個觀察點類型不同的地震地質(zhì)災(zāi)害(圖5a)。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)沿314國道發(fā)育了大面積地裂縫，裂縫與國道呈平行展布，以S向拉張性質(zhì)為主，未發(fā)現(xiàn)明顯的水平位錯痕跡(圖5b)。裂縫寬約3cm(圖5c)，深約33cm(圖5d)，延伸長度多數(shù)為100～200m，其中最大為500m。國道南側(cè)為克孜勒河濕地，在該段還具有較高的路基填筑土，這可能是導致道路出現(xiàn)大面積地裂縫的原因之一。

圖5 觀察點3的地裂縫與砂土液化的分布與形成特征Fig.5 The characteristics of ground fissures and sand liquefaction in the observation point 3.a 觀察點3的地形地貌和地質(zhì)災(zāi)害分布；b 沿公路平行分布的地裂縫，總體走向近EW；c 圖b中的地裂縫，寬約3cm；d 圖b中的地裂縫，最大深度約為33cm；e、f 沿路面地裂縫涌出的液化砂土，涌出物質(zhì)為灰褐色泥質(zhì)粉砂

在該觀察點還存在另一種形式的地震地質(zhì)災(zāi)害，即液化砂土沿地裂縫涌出(圖5e，f)，在2016年的阿克陶地震后也發(fā)現(xiàn)過這種類型的地質(zhì)災(zāi)害(姚遠等，2018；Yaoetal.，2019)。震后第2d(2020年1月20日)調(diào)查該區(qū)域時，發(fā)現(xiàn)路面上的地裂縫有灰褐色泥質(zhì)粉砂涌出，部分已經(jīng)干涸(圖5e)，但多數(shù)仍濕潤，說明在震后較長時間內(nèi)仍有物質(zhì)沿裂縫涌出。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)圖5f 中的地裂縫仍在緩慢地向外涌出灰褐色泥質(zhì)粉砂。

2.4 觀察點4

該觀察點呈線狀分布。調(diào)查組由柯坪塔格FTB南翼的大山口進入(圖2a)，沿山口溝向E開展野外調(diào)查工作，地震發(fā)生時為冬季，無法進入該區(qū)域，本文所述工作于2020年10月進行。該觀察點位于柯坪塔格FTB內(nèi)、KPT的北翼，在山口溝及兩側(cè)的支溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量新鮮的大型、巨型基巖崩塌(圖6a)，屬于巖崩。結(jié)合地質(zhì)圖和現(xiàn)場調(diào)查分析認為這些基巖崩塌主要為古新世和中新世的磚紅色、蒼棕色砂巖、粉砂巖和泥巖(圖2a)。

圖6 觀察點4地震崩塌的分布點和調(diào)查路線Fig.6 The distribution of earthquake caused collapse sites and survey lines in observation point 4.a 觀察點4崩塌的分布位置和調(diào)查線路；b 順地層產(chǎn)狀的中型巖石崩塌，最大崩塌物約為20m3；c 切地層發(fā)育的巖石崩塌，地層為紅褐色粉砂質(zhì)泥巖；d 切層產(chǎn)狀的巨型巖石崩塌，崩塌物約為50m3；e 切層產(chǎn)狀的巨型巖石崩塌，可見到較新鮮的 崩塌面，最大崩塌物約為100m3

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)崩塌包括順層發(fā)育(圖6b)和切層發(fā)育(圖6c—e)2種類型，本次野外調(diào)查僅在大山口附近發(fā)現(xiàn)了少量順層崩塌(圖6b)，根據(jù)崩塌面的新鮮程度和崩塌物被水流的侵蝕程度判斷，該崩塌形成于震時或震后，最大的崩塌物體積約為20m3，崩塌倒石堆占地面積約為100m2。圖6c—e為切層崩塌，部分巨型崩塌將沖溝堵塞(圖6d，e)，從沖溝的形態(tài)和溝底沉積物特征判斷該沖溝為季節(jié)性流水，而在崩塌物的表面未發(fā)現(xiàn)明顯的侵蝕、沖刷痕跡，故認為該崩塌發(fā)育在震時或震后，這些巨型崩塌物單體體積為50～100m3，崩塌倒石堆的體積為200～300m2。

必須要說明的是，雖然目前能夠判斷山口溝內(nèi)一線的崩塌是2020年最新塌落的，但無法確認這些崩塌是在伽師地震發(fā)生時同步塌落的，還是地震振動導致其臨近塌落狀態(tài)，在春夏季節(jié)的降雨、融雪等因素的作用下后期發(fā)生塌落。不過，在無振動作用下發(fā)育如此大面積的巨型巖石崩塌是不曾有過的，因此無論是同震塌落還是地震振動導致其達到崩塌的臨界值，2020年伽師地震都是導致這一系列巖石發(fā)生崩塌的主要因素。

3 初步認識與討論

3.1 地震地質(zhì)災(zāi)害的分布特征

伽師地震是一次發(fā)生在柯坪塔格褶皺沖斷帶(FTB)前緣的地震事件，地震的發(fā)震構(gòu)造為柯坪塔格FTB最前緣(南端)的柯坪逆斷裂，該斷裂是一條低角度的逆沖斷裂，傾角為20°～40°。以InSAR反演的同震形變場、地震反射剖面解譯和余震精定位為約束(溫少妍等，2020；Yaoetal.，2020)，發(fā)現(xiàn)本次地震未破裂至地表，但強烈的主震和余震同樣在地表造成了一系列地震地質(zhì)災(zāi)害。

本次地震在高烈度區(qū)(Ⅷ度)造成了砂土液化、地裂縫和崩塌等地震地質(zhì)災(zāi)害。本文的3個地質(zhì)災(zāi)害觀察點(觀察點1、2、3)位于Ⅷ度區(qū)內(nèi)，觀察點4沿線的一系列大型、巨型崩塌也標志著其烈度達到了Ⅷ度，但由于地震時未能進入山口溝開展調(diào)查工作，地震烈度的評定主要以山前一線房屋的破壞特征和地震地質(zhì)災(zāi)害為依據(jù)，這也導致目前的烈度圈(Ⅷ度)北側(cè)的范圍被低估。觀察點1、2、3的地質(zhì)災(zāi)害較為類似，均是在地震的作用下生命線工程(公路、水庫等)出現(xiàn)了不同程度的破壞。觀察點1內(nèi)分布了大量由地震形成的地裂縫，根據(jù)地裂縫的走向可分為EW向和SN向，優(yōu)勢方向為N23°E。其中，EW向地裂縫主要以擠壓為主，而SN向地裂縫以擠壓兼具少量的右旋走滑為主。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)給出的震源機制解分析出現(xiàn)該特征的原因： 震源機制解顯示，本次地震的活動特征為以逆沖為主，兼具少量右旋走滑分量，這與觀察點1地裂縫的活動特征高度吻合。觀察點2的地震地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在西克爾大壩上，以砂土液化和大壩裂縫為主，使得西克爾大壩出現(xiàn)了較為嚴重的損壞。觀察點1、2、3均位于山前洪積扇地帶，屬于KPT的下盤，根據(jù)逆斷裂發(fā)震的上盤效應(yīng)(彭磊，2011；何仲太等，2012)可知，其上盤造成的災(zāi)害應(yīng)遠大于下盤，由于本次地震的上盤均位于柯坪塔格FTB內(nèi)，無建、構(gòu)筑物等相關(guān)設(shè)施，因此很難評價其烈度。但依據(jù)在山體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的一系列新鮮的大型、巨型崩塌估計，該區(qū)域在地震時受到的振動遠大于下盤(西克爾庫勒鎮(zhèn))，也直接反映出KPT上盤的地震地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模明顯強于下盤。值得一提的是，這些崩塌均位于震中的正北側(cè)(圖2a)，沿調(diào)查點4線路繼續(xù)向E調(diào)查未發(fā)現(xiàn)任何崩塌(圖6a)，其分布特征與InSAR反演的地震同震形變場和余震序列的特征完全一致(李成龍等；2020；溫少妍等，2020；Yaoetal.，2020)。

3.2 西克爾大壩的破壞機理

大壩上發(fā)育的地裂縫是壩體最常見的地震破壞現(xiàn)象(Krinitzskyetal.，2002；Raghvendraetal.，2005)，幾乎在所有存在潰壩風險或受損的高風險大壩上都觀察到了這種地裂縫。我們在西克爾大壩壩頂也發(fā)現(xiàn)了一系列縱向地裂縫，其中大部分位于壩頂中段(圖4a—c)。壩頂?shù)亓芽p長10～900m，寬0.3～3m，最大深度為4m(表1)。此外，壩后坡的縱向裂縫也多發(fā)育在壩頂附近，但裂縫的寬度較小，裂縫面交錯分布，無明顯的水平運動痕跡，屬于拉張性地裂縫。

震后在大壩上開展了相關(guān)勘察工作，發(fā)現(xiàn)15m以上的飽和粉土質(zhì)砂和粉細砂均存在地震液化的可能，具有中—強透水性(圖7a)。從壩基地層結(jié)構(gòu)來看，壩基8～10m以低液限的黏土和粉土組成，具有較好的連續(xù)性，屬于弱透水層。埋深在10m以下的粉細砂雖然有液化的可能，但因上部的黏土阻隔無法溢出，初步判定壩基下部的液化地層為8m以上的飽水粉細砂層。地震時，這套地層受地震影響，砂土結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有效應(yīng)力減小，孔隙水壓力增大，而壩體屬于弱透水性，壩前坡較緩且?guī)焖惠^高，導致孔隙水壓力無法及時釋放，而壩后地勢低洼，當孔隙水壓力大于上覆土壓力時局部薄弱地段的地下水溢出，形成砂土液化現(xiàn)象，這也就造成壩基土體的孔隙比減小，使得壩后坡出現(xiàn)輕微沉降。而壩前由于有庫水的壓重作用，較難發(fā)生沉降，因此壩前的水平運動量遠小于壩后，這也導致部分壩體向下游方向旋轉(zhuǎn)，并在壩頂出現(xiàn)一系列縱向拉張裂縫，裂縫貫穿了整個壩體直至壩基(圖7b，c)。

圖7 西克爾大壩橫斷面圖及大壩裂縫的破壞機理Fig.7 Cross-section diagram of Xikeer dam and failure mechanism of dam ground fissures.a 西克爾大壩的實際橫斷面及鉆孔。深藍線為伽師地震后1d(2020年1月20日)的水位，淺藍色的間斷線為2020年4月11日的水位；b 大壩在地震后的狀況，包括大壩裂縫和砂土液化的位置；c 大壩地震后的平面圖，顯示出大壩 裂縫和砂土液化的平面位置

為了更有效、定量地分析壩體縱向裂縫的成因機制，我們對大壩進行了動力學數(shù)值模擬(圖8a)。動力學模擬結(jié)果表明，震后壩后坡的最大水平位移(向E)為29.8cm，而壩前坡的最大水平位移(向E)為22.35cm(圖8b)。壩前坡和壩后坡的不均勻水平位移量導致壩體拉張開裂，在壩頂形成了大面積縱向裂縫，這也再一次印證了壩后的砂土液化導致壩后坡產(chǎn)生了更大的水平位移，導致大壩開裂。

圖8 a 西克爾大壩的網(wǎng)格劃分圖；b 大壩的水平變形矢量圖Fig.8 Grid division map of the Xikeer dam，horizontal deformation vector diagram of the dam(b).a 模型中總節(jié)點數(shù)為1i069，單元總數(shù)為1i003；b 變形矢量放大了10倍

3.3 歷史地震的疊加效應(yīng)初探

西克爾水庫始建于1958年，1959年投入使用，近60a來大量強震侵襲大壩，并造成了多處破壞(表2)。頻繁的地震將對大壩造成明顯的破壞(如裂縫和砂土液化等)或無法察覺的損壞。對于單次地震而言，這些無法察覺的損壞可能不會對大壩造成較大的影響。但是，正是這種無表象的損壞，使得我們在震后疏于對大壩開展精細的調(diào)查。此外，頻繁的地震作用將累積無法察覺的損壞，最終在某次地震或其他災(zāi)害(如洪水、超量降雨或鼠災(zāi)等)發(fā)生時造成大面積的破壞，甚至導致潰壩(Chenetal.，2014)。

我們匯總了1997—2011年以來發(fā)生在伽師震區(qū)的所有MW>5.0地震的地震烈度圖，并對其進行了疊加處理(圖9)。從圖中能夠看出，1997—1998年的伽師強震群和2003年的巴楚-伽師地震(圖9 中1～9號地震)對西克爾大壩的影響均為Ⅵ度，這很好地解釋了為何伽師強震群和巴楚-伽師地震震后在西克爾大壩上沒有發(fā)現(xiàn)震害，而2011年的MW5.6地震卻對西克爾大壩造成了較嚴重的破壞，導致大壩的部分段落出現(xiàn)了縱向裂縫，裂縫的最大深度可達2m(表2)。這對于建設(shè)在強震頻發(fā)、抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度的大壩而言顯然是不應(yīng)該出現(xiàn)的現(xiàn)象。除場地條件不利的因素外，最主要的原因是1997—1998年和2003年頻繁的中—強(MW5～6)地震的疊加作用導致大壩出現(xiàn)了一些無法察覺的損壞。2011年MW5.6地震震中距離大壩較近，壩體位置的地震烈度為Ⅶ度，這也成為使得之前無法察覺的損壞發(fā)生級聯(lián)破壞的 “導火索”，最終對大壩造成了較為嚴重的破壞。

表 2 歷史地震對大壩造成的破壞Table 2 Damages to the dam from historical earthquakes

圖9 1997—1998年伽師強震群、2003年巴楚-伽師地震及2020年伽師的地震烈度疊加分析Fig.9 Superposition analysis of the intensity of the 1997—1998 Jiashi strong earthquake swarm，the 2003 Bachu-Jiashi earthquake，and the 2020 Jiashi earthquake.不同顏色的線條代表不同地震的烈度，玫紅色底色為歷次強震的烈度范圍，由宏觀震中向外逐漸變淡發(fā)散， 以凸顯歷次強震的影響范圍集中于西克爾大壩及南部區(qū)域

伽師地震的主震和余震的疊加作用，造成了西克爾水庫的大面積縱向裂縫和砂土液化現(xiàn)象。值得一提的是，砂土液化和大部分的裂縫都是由主震造成的，大量中型余震(MS>4.0)會使這些損壞更加嚴重。但對于本次地震而言，由于開展現(xiàn)場調(diào)查時主震和多數(shù)的余震均已發(fā)生，故無法判斷哪些破壞是由主震造成的，哪些是由余震加大的。在今后的地震現(xiàn)場調(diào)查、評估中，該方面的工作應(yīng)該給予更多的關(guān)注和考慮。