2022年1月8日青海門(mén)源MS6.9地震的同震地表破裂特征

梁 寬 何仲太 姜文亮 李永生 劉澤民

1)應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院， 北京 100085 2)防災(zāi)科技學(xué)院， 河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 三河 065201 3)中國(guó)地震局地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100085

0 引言

中國(guó)地震局現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)通過(guò)災(zāi)區(qū)震害調(diào)查， 并綜合應(yīng)用地震構(gòu)造背景、 儀器烈度、 余震分布、 震源機(jī)制、 遙感影像等科技支撐成果， 確定了此次地震的烈度分布， 最高烈度為Ⅸ度， Ⅵ度區(qū)及以上面積約為23417km2， 等震線(xiàn)長(zhǎng)軸呈NWW走向， 長(zhǎng)軸約200km， 短軸約153km(3)https： ∥www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5646200/index.html。。據(jù)新華社報(bào)道， 本次地震共導(dǎo)致青海海北藏族自治州5831人受災(zāi)， 9人受傷， 無(wú)人員死亡； 緊急轉(zhuǎn)移分散安置16戶(hù)65人； 嚴(yán)重?fù)p壞房屋217間， 一般損壞房屋3835間； 畜棚倒塌6座、 一般損壞145座； 供排水管網(wǎng)損壞15km， 供熱管網(wǎng)損壞3.96km， 省道損壞3.3km， 鄉(xiāng)村道路損壞8km， 橋梁損壞3座， 涵洞損壞17處； 地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)成災(zāi)1處， 祁連山國(guó)家公園管護(hù)站均不同程度受損(4)https： ∥m.thepaper.cn/newsDetail＿forward＿16210877。。地震發(fā)生后， 中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案， 封鎖蘭青線(xiàn)、 青藏線(xiàn)海石灣—察汗諾站， 蘭新客專(zhuān)西寧高速場(chǎng)—浩門(mén)站間線(xiàn)路， 并立即扣停封鎖區(qū)間內(nèi)所有在途列車(chē)。地震導(dǎo)致蘭新高鐵浩門(mén)—軍馬場(chǎng)區(qū)間隧道群及線(xiàn)路設(shè)備嚴(yán)重受損， 致使蘭新高鐵中斷運(yùn)行(5)https： ∥mp.weixin.qq.com/s/4feFa4kinGzfwWeBPMtdFg。。

該地震震中東南側(cè)發(fā)生過(guò)2016年1月21日青海門(mén)源MS6.4 地震， 震源機(jī)制為逆沖型， 震中處于冷龍嶺斷裂中部以北(胡朝忠等， 2016； Guoetal.， 2017)。這2個(gè)地震之間的聯(lián)系以及其地震誘發(fā)機(jī)制是什么亟需解答。同時(shí)， 相繼發(fā)生在青藏高原東北緣的2次近距離6級(jí)以上地震也為研究青藏高原東北緣的最新變形和區(qū)域地震危險(xiǎn)性提供了機(jī)會(huì)。想要解決以上問(wèn)題， 首先需要了解此次地震的地震地表破裂特征。為了快速掌握地震瞬間造成的地表破裂特征， 我們利用地震當(dāng)天獲取的國(guó)產(chǎn)高分7號(hào)衛(wèi)星等數(shù)據(jù)， 基于影像特征快速確定了同震地表破裂帶的總體展布特征。在高分7號(hào)遙感解譯結(jié)果的基礎(chǔ)上， 在地震當(dāng)天進(jìn)入震中現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展野外調(diào)查， 并對(duì)典型破裂地點(diǎn)開(kāi)展了詳細(xì)的地面和航空攝影測(cè)量， 基本掌握了地震地表破裂的幾何分布、 破裂長(zhǎng)度和最大同震位錯(cuò)。在此基礎(chǔ)上， 結(jié)合InSAR同震形變場(chǎng)和同震滑動(dòng)分布反演、 震源機(jī)制解和余震精定位分析等結(jié)果， 認(rèn)為此次地震的發(fā)震構(gòu)造為冷龍嶺斷裂西段， 托萊山斷裂同時(shí)參與破裂。

1 地震構(gòu)造背景

印度板塊向歐亞大陸板塊NNE向的持續(xù)推擠導(dǎo)致了青藏高原的快速隆升， 并持續(xù)向大陸內(nèi)部擴(kuò)展(Gaudemeretal.， 1995； Tapponnieretal.， 2001)。青藏高原東北緣是高原向大陸內(nèi)部擴(kuò)展的前緣部位， 在吸收和調(diào)節(jié)印度板塊向歐亞板塊NNE向的擠壓會(huì)聚過(guò)程中發(fā)揮著重要作用(圖1a)(Meyeretal.， 1998； Yuanetal.， 2013)。該地區(qū)構(gòu)造變形與地震活動(dòng)十分強(qiáng)烈， 歷史上曾發(fā)生多次M≥7.0破壞性地震， 造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失(Zhangetal.， 1987； Peltzeretal.， 1988； Liu-Zengetal.， 2007； Xuetal.， 2010； 張維歧等， 2015； Zhengetal.， 2016)。青藏高原東北緣的主要構(gòu)造變形特征， 為由托萊山斷裂、 冷龍嶺斷裂、 古浪斷裂、 金強(qiáng)河斷裂、 毛毛山斷裂、 老虎山斷裂、 海原斷裂等共同組成長(zhǎng)約1000km的祁連-海原斷裂帶的左旋剪切和擠壓增厚(圖1b)(Lasserreetal.， 2002； 袁道陽(yáng)等， 2004； Zhengetal.， 2013； Huetal.， 2015； Allenetal.， 2017； Xiongetal.， 2017)。2022年1月8日門(mén)源MS6.9 地震便發(fā)生在祁連-海原斷裂中西部托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的交會(huì)位置。

圖 1 研究區(qū)活動(dòng)構(gòu)造圖Fig. 1 Sketch map of active structure in the study area.a 研究區(qū)位于青藏高原東北緣的祁連-海原斷裂帶內(nèi)， 歷史地震和斷層數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)(鄧起東等， 2007； 徐錫偉等， 2016)； b2022年1月8日門(mén)源地震的震中位于冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂的交界部位， 最高烈度為Ⅸ度， 余震精定位數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)(Fan et al.， 2022)， 地震烈度圖來(lái)自網(wǎng)頁(yè)(6)https： ∥www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5646200/index.html。； c 該次地震的余震(黃點(diǎn))主要沿冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂分布， 震源機(jī)制解顯示該地震以走滑為主； d 地震形成地表破裂的遙感解譯結(jié)果， 底圖為高分7號(hào)衛(wèi)星震后(2022年1月8日)拍攝的影像， 綠色線(xiàn)為遙感解譯地表破裂跡線(xiàn)， 白色點(diǎn)為野外現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)。地表破裂帶①呈NWW走向， 解譯長(zhǎng)度約為23.3km， 東段(長(zhǎng)約13.3km)沿冷龍嶺斷裂展布， 西段(長(zhǎng)約10km)沿冷龍嶺斷裂往NW向的延長(zhǎng)線(xiàn)展布； 地表破裂帶②近EW走向， 解譯 長(zhǎng)度為2.3km， 沿托萊山斷裂展布

托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂所處的祁連-海原斷裂帶是中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈、 地震活動(dòng)頻度最高、 強(qiáng)度最大的地區(qū)之一， 具有發(fā)生強(qiáng)震的構(gòu)造背景， 如海原斷裂發(fā)生過(guò)1920年MS8.5 大地震、 古浪斷裂發(fā)生過(guò)1927年MS8.0 大地震等， 并且這些斷層的強(qiáng)震復(fù)發(fā)周期較短， 約為1000～2000a(袁道陽(yáng)等， 1998； 鄭文俊等， 2004； Liu-zengetal.， 2007； Guoetal.， 2019)。Gaudemer等(1995)提出冷龍嶺斷裂、 金強(qiáng)河斷裂、 毛毛山斷裂和老虎山斷裂所在區(qū)段是祁連-海原斷裂帶的一個(gè)地震空區(qū)(天祝地震空區(qū))， 該區(qū)的構(gòu)造變形與地震活動(dòng)需給予重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)， 冷龍嶺斷裂也是徐錫偉等(2017)識(shí)別的青藏高原及其鄰近地區(qū)未來(lái)高震級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)——祁連山中段危險(xiǎn)區(qū)的重要潛在發(fā)震斷層。該區(qū)先后發(fā)生1986年MS6.4 地震、 2016年MS6.4 地震和本次MS6.9 地震， 這也使得對(duì)該區(qū)的地震地質(zhì)與地震活動(dòng)性研究更加緊迫。

2 地表破裂特征

為了快速掌握地震造成的地表破裂特征， 我們?cè)诘卣鸢l(fā)生當(dāng)天快速獲取了國(guó)產(chǎn)高分7號(hào)衛(wèi)星等震前、 震后的數(shù)據(jù)， 基于影像特征快速確定了地震地表破裂帶的總體分布特征。通過(guò)遙感影像的解譯發(fā)現(xiàn)， 門(mén)源MS6.9 地震在地表形成了南、 北2條破裂帶(地表破裂帶①和地表破裂帶②)， 其中地表破裂帶①沿冷龍嶺斷裂帶主斷層的西段發(fā)育， 影像中可識(shí)別長(zhǎng)度約為23.3km； 地表破裂帶②沿托萊山斷裂東段分布， 影像中可識(shí)別長(zhǎng)度約為2.3km(圖1d)。在此基礎(chǔ)上， 我們第一時(shí)間進(jìn)入震中現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展野外地表破裂調(diào)查， 相關(guān)工作主要包括地表破裂帶的識(shí)別、 破裂特征調(diào)查、 斷錯(cuò)地貌測(cè)量、 典型破裂點(diǎn)高精度地面和航空攝影測(cè)量、 最大同震位錯(cuò)識(shí)別和測(cè)量以及地震災(zāi)害調(diào)查等。航空攝影測(cè)量中采用大疆“精靈 4RTK”無(wú)人機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)RTK以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)差分， 采用“#”字飛行或五向飛行規(guī)劃航線(xiàn)， 從多角度采集高清照片， 并通過(guò)Pix4D軟件完成解算、 點(diǎn)云加密等， 生成DSM(數(shù)字表面模型)和DOM(正射影像)， 用于地表破裂空間重現(xiàn)和斷錯(cuò)特征測(cè)量分析等。下文將按照自西向東的順序?qū)潺垘X斷裂西段地表破裂(圖1d 中的地表破裂帶①)和托萊山斷裂東端地表破裂(圖1d 中的地表破裂帶②)典型點(diǎn)位的破裂情況進(jìn)行論述， 點(diǎn)位位置見(jiàn)圖1d。

2.1 冷龍嶺斷裂西段的地表破裂

景陽(yáng)嶺觀測(cè)點(diǎn)(37°49′59.117″N， 101°8′0.324″E)位于地表破裂帶①的最西側(cè)(圖1d)， 是本次地震地表破裂可追索的最西端點(diǎn)位。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)該處發(fā)育大量地表裂隙， 主要由NW和NE向2組地表裂隙組成。其中， NW向裂隙連續(xù)且規(guī)模較大， 為主要裂隙； NE向裂隙規(guī)模較小， 為局部裂隙， 是NW向主破裂的伴生裂隙(圖2a)。NW向地表裂隙在國(guó)道G227南側(cè)， 表現(xiàn)為2、 3條間距為3～5m的平行地裂縫， 左旋走滑同震位錯(cuò)為5～10cm(圖2b)， 北東盤(pán)相對(duì)南西盤(pán)上升， 垂直位錯(cuò)約20cm(圖2c)。NE向地表裂隙垂直穿過(guò)國(guó)道G227寧張公路， 破壞路基和路面， 在國(guó)道上行成多條NE向地表陡坎， 陡坎北西高、 南東低， 累計(jì)垂直位移達(dá)20cm或更大， 車(chē)輛通過(guò)時(shí)產(chǎn)生劇烈顛簸， 路面上的地表破裂走向主要集中在13°～42°(圖2a)。路側(cè)交通標(biāo)志線(xiàn)指示右旋走滑， 右旋同震位移量約為6cm(圖2d)。

圖 2 景陽(yáng)嶺的地表破裂特征Fig. 2 Surface rupture of Jingyangling site.a 景陽(yáng)嶺無(wú)人機(jī)航拍的正射影像， 該處發(fā)育NE向和NW向的2組地表裂隙； b、 c NW向地表裂隙規(guī)模較大， 表現(xiàn)出左旋特征， 且北東盤(pán)相對(duì)上升； d NE向地表裂隙錯(cuò)裂了國(guó)道G227寧張公路， 交通標(biāo)志線(xiàn)右旋錯(cuò)斷約6cm

圖 3 道溝觀測(cè)點(diǎn)的錯(cuò)斷地貌Fig. 3 Faulted landform in Daogou site.a 無(wú)人機(jī)航拍的正射影像， 道溝結(jié)冰河床、 河漫灘、 兩側(cè)山體皆被左旋錯(cuò)斷， 地表破裂總體走向?yàn)?80°； b 土路西側(cè)牧場(chǎng)護(hù)欄左旋偏移； c 土路東側(cè)護(hù)欄左旋偏移； d 斷層南盤(pán)的凍土層被推擠到北盤(pán)之上， 局部形成擠壓鼓包； e 沿道溝結(jié)冰河床上 發(fā)育的冰面上形成的鼓包

道溝東觀測(cè)點(diǎn)(101°14′31.037″E， 37°48′20.068″N)位于道溝測(cè)量點(diǎn)與硫磺溝1號(hào)點(diǎn)位之間的山梁上， 與道溝觀測(cè)點(diǎn)的直線(xiàn)距離約為1.6km， 與硫磺溝1號(hào)點(diǎn)位的直線(xiàn)距離約為2.0km(圖1d)。該處地表破裂較平直， 走向約為285°， 變形帶寬度較窄， 集中在5～10m范圍內(nèi)。斷層呈現(xiàn)明顯的左旋走滑特征， 連續(xù)錯(cuò)斷了與斷層近垂直的4條相鄰NNE向的牧場(chǎng)鐵絲網(wǎng)護(hù)欄， 自西向東水平位錯(cuò)分別為2m、 2.1m、 2.1m和2.15m(圖4a， d， e)。該處裂縫發(fā)育的寬度較大， 深度也較深， 在該點(diǎn)附近測(cè)得地裂縫的最大寬度達(dá)1.7m(圖4b)， 可測(cè)得的地裂縫的最大深度約為12m， 仍未見(jiàn)底。在該點(diǎn)往西約300m處發(fā)育大型擠壓鼓包， 鼓包高約1.5m(圖4c)。

圖 4 道溝東的地表破裂Fig. 4 Surface rupture of the east Daogou site.a 無(wú)人機(jī)航拍的正射影像， 4條近平行的牧場(chǎng)護(hù)欄被斷層連續(xù)左旋錯(cuò)斷， 自西向東錯(cuò)距分別為2m、 2.1m、 2.1m和2.15m(紅點(diǎn)為護(hù)欄樁， 白線(xiàn)為其連線(xiàn))； b 地表裂縫的最大寬度達(dá)1.7m； c 該點(diǎn)附近發(fā)育高達(dá)1.5m的擠壓鼓包； d、 e 野外測(cè)量牧場(chǎng)護(hù)欄位錯(cuò)的照片

石峽門(mén)觀測(cè)點(diǎn)(37°48′12.681″N， 101°15′4.987″E)位于道溝與硫磺溝中間的山梁上， 與硫磺溝1號(hào)點(diǎn)的直線(xiàn)距離約為1km， 與道溝觀測(cè)點(diǎn)的直線(xiàn)距離約為2.6km， 在道溝東觀測(cè)點(diǎn)東側(cè)約1km處(圖1d)。該處地表破裂規(guī)模較大且較明顯， 地表破裂較平直。古地震形成的山脊斷錯(cuò)、 斷層槽谷、 反向陡坎被清晰地保留下來(lái)。2條相鄰沖溝被斷層同步錯(cuò)斷約30m， 推斷為斷層多次活動(dòng)的累積位錯(cuò)量， 且上一次地震事件的離逝時(shí)間可能并不久遠(yuǎn)(圖5a， b)。在東側(cè)沖溝中， 斷層活動(dòng)形成的斷層陡坎高約13.5m， 北側(cè)高、 南側(cè)低， 沖溝兩側(cè)山脊明顯被左旋錯(cuò)斷， 斷錯(cuò)地貌保留完整。在該處， 我們觀測(cè)到了本次地震所形成的3個(gè)擦痕剖面， 其中2個(gè)斷層擦痕剖面顯示左旋逆沖， 側(cè)伏角分別為66°和65°。現(xiàn)場(chǎng)觀察認(rèn)為這是由于地震動(dòng)導(dǎo)致地表凍土層向上翹起， 可能是斷層相對(duì)運(yùn)動(dòng)和凍土層被擠壓拋起運(yùn)動(dòng)的疊加(圖5c， e)。中間位置的擦痕剖面表現(xiàn)為左旋走滑， 側(cè)伏角為27°， 凍土層未見(jiàn)翹起現(xiàn)象， 可以代表本次地震中斷層2盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向(圖5d)， 即本次地震在地表以左旋水平走滑為主， 兼有逆沖分量。

圖 5 石峽門(mén)觀測(cè)點(diǎn)的地表破裂和地貌圖Fig. 5 Surface rupture and faulted landform of the Shixiamen site.a 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲得DSM山影圖， 斷層走向約為 N286°W ， 斷裂將2條沖溝同步左旋錯(cuò)斷約30m和31m。b 錯(cuò)斷地貌照片。斷層連續(xù)錯(cuò)斷了山脊、 沖溝等地貌單元， 形成斷層槽谷和反向陡坎等。在沖溝中還行成了垂直高約13.5m的斷層陡坎。 c—e 地表破裂帶中出露的3組擦痕

硫磺溝 1 號(hào)點(diǎn)(37°47′56.929″N， 101°15′37.529″E)是本次地震地表破裂現(xiàn)象較為綜合的典型區(qū)域。地震地表破裂呈NW向(300°)斜穿過(guò)此段， 將近EW向的硫磺溝河床以及兩側(cè)山體錯(cuò)斷， 在山坡上、 河床冰面、 岸邊道路和階地上形成壯觀的地面、 冰面破裂并導(dǎo)致瀝青路面破損(圖6a)。原本完好的瀝青路段被斷錯(cuò)成3段， 從路兩側(cè)瀝青路邊緣測(cè)得斷層的左旋水平位錯(cuò)達(dá)1.8～2m。河床冰面和礫石壟被斷裂錯(cuò)斷， 指示斷裂左旋走滑， 冰面斷錯(cuò)指示水平位移達(dá)1.61m， 礫石壟斷錯(cuò)指示水平位移達(dá)1.5m(圖6d)。河床冰面被斷錯(cuò)， 西南側(cè)抬升約0.95m(圖6e)。

圖 6 硫磺溝1號(hào)點(diǎn)的地表破裂特征Fig. 6 Surface rupture of the Liuhuanggou No.1 site.a 無(wú)人機(jī)近地面的正射影像， 斷層呈 N300°W 穿過(guò)硫磺溝河床， 導(dǎo)致地面、 冰面破裂， 路面破損； b 從NW側(cè)山坡上拍攝的硫磺溝地表破裂照片； c 地面破裂寬達(dá)0.7m； d 河床中冰面和礫石壟被斷層左旋錯(cuò)斷約1.61和1.5m； e 河床中的冰面被錯(cuò)斷， 通過(guò)剖面EE′(位置見(jiàn)圖 6a)測(cè)得垂直錯(cuò)距為0.95m， 西南側(cè)抬升

硫磺溝 2 號(hào)點(diǎn)(101°16′53.018″E； 37°47′31.154″N)位于硫磺溝1號(hào)點(diǎn)東側(cè)1.6km處(圖1d)。地表破裂從硫磺溝南側(cè)山腰上通過(guò)， 多條沖溝表現(xiàn)出明顯的左旋走滑特征(圖 7)。沖溝左旋位移約70m， 可能因斷裂多次破裂而形成。斷裂走向總體為289°， 在中間2條較大的沖溝之間產(chǎn)生局部NE向破裂， 形成似階區(qū)排列。

圖 7 硫磺溝2號(hào)點(diǎn)地表破裂的DOM和DSMFig. 7 DOM and DSM of the surface rupture in the Liuhuanggou No.2 site.

硫磺溝 3 號(hào)點(diǎn)(37°47′24.894″N， 101°17′15.456″E)位于硫磺溝2號(hào)點(diǎn)東側(cè)1km處(圖1d)。地表破裂從硫磺溝南側(cè)山腰上通過(guò)， 總體走向?yàn)?88°(圖8a， b)。NNE向的沖溝被斷裂左旋斷錯(cuò)， 左旋累計(jì)位移約為20m， 可能為斷裂多次破裂形成， 此次地震造成的沖溝兩壁同震左旋位錯(cuò)量為2.3m(圖8d)。

圖 8 硫磺溝3號(hào)點(diǎn)的地表破裂Fig. 8 Surface rupture of the Liuhuanggou No.3 site.a 無(wú)人機(jī)航拍的震后正射影像， 地表破裂從硫磺溝南側(cè)半山坡上通過(guò)， 總體走向?yàn)?88°； b 無(wú)人機(jī)航拍的震后數(shù)字地面模型； c 斷裂在山前近垂直穿過(guò)沖溝； d 正射影像反映沖溝兩壁左旋位錯(cuò)2.3m

硫磺溝4號(hào)點(diǎn)(37°47′12.177″N， 101°18′9.271″E)位于硫磺溝3號(hào)點(diǎn)東側(cè)1.2km處(圖1d)。地表破裂從硫磺溝南側(cè)山腰上通過(guò)， 斷裂走向總體為287°， 2條沖溝表現(xiàn)出明顯的左旋走滑特征(圖9a)。SN向大型沖溝上部西側(cè)的小型沖溝左旋位移約2.53m， 為本次地震的同震位錯(cuò)(圖9b， c)。

圖 9 硫磺溝4號(hào)點(diǎn)的地表破裂Fig. 9 Surface rupture of the Liuhuanggou No.4 site.a 無(wú)人機(jī)航拍的震后DSM， 地表破裂從硫磺溝南側(cè)半山坡上通過(guò)， 錯(cuò)斷了2條沖溝； b、 c 小沖溝兩側(cè)左旋位錯(cuò)2.53m。 其中圖b為DSM， 圖c為正射影像， 位置見(jiàn)圖 9a

國(guó)家重點(diǎn)工程、 蘭新高鐵硫磺溝大橋和大梁隧道(37°47′1.326″N， 101°18′42.328″E)在本次地震中嚴(yán)重受損， 導(dǎo)致線(xiàn)路中斷運(yùn)行， 造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。蘭新高鐵在地表破裂處由硫磺溝橋(走向353°， 長(zhǎng)約260m)和南、 北兩側(cè)的大梁隧道和祁連山隧道組成。斷裂未從橋體下方穿過(guò)， 但在橋體下發(fā)育多條不同走向的地裂縫(走向?yàn)?°、 130°、 148°)。橋墩下部未見(jiàn)明顯破壞， 但橋體與橋墩接觸位置破壞嚴(yán)重， 由于地震時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)和慣性作用， 橋面整體向E掀斜， 橋面鐵路軌道表現(xiàn)為假右旋(圖10b， c)。地表破裂帶從大梁隧道南側(cè)上方的山坡上穿過(guò)， 切穿大梁隧道， 靠近斷裂南側(cè)的大梁隧道和鐵路破壞明顯大于北側(cè)遠(yuǎn)離斷層的祁連山隧道(圖10a)。南側(cè)山坡上的地表破裂距大梁隧道北出口約400m， 但在隧道內(nèi)距離大梁隧道北出口約700m處破壞最為嚴(yán)重， 軌道最大左旋位錯(cuò)為2.7～2.8m， 內(nèi)襯錯(cuò)斷， 鋪底全部翹起。在隧道之上山坡東側(cè)的沖溝中， 車(chē)轍印被斷層左旋錯(cuò)斷了2.77m(圖10d)。在硫磺溝兩岸的階地上， 地震產(chǎn)生了不同走向的地表破裂(走向?yàn)?18°、 290°、 252°、 322°、 300°、 318°、 262°、 295°等)， 階地面拔河23～35m， 規(guī)模較大的破裂表現(xiàn)為NW側(cè)抬升， 垂直高50～100cm， 裂縫寬40～50cm， 左旋走滑位移量為20～40cm(圖10e)， 初步判斷階地面上的裂隙是由于地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)使河床兩側(cè)陡峭階地前緣臨空面產(chǎn)生重力失穩(wěn)所導(dǎo)致， 并非斷裂直接通過(guò)產(chǎn)生的地表破裂。

圖 10 大梁隧道點(diǎn)的錯(cuò)斷地貌Fig. 10 Faulted landform of the Daliang tunnel site.a 無(wú)人機(jī)航拍的震后正射影像， 地表破裂從大梁隧道南側(cè)半山坡上通過(guò)， 錯(cuò)斷了大梁隧道； b 蘭新高鐵硫磺溝橋遭到嚴(yán)重破壞， 橋上軌道出現(xiàn)假右旋現(xiàn)象； c 鐵路橋面向E翻轉(zhuǎn)； d 車(chē)轍印被斷層左旋錯(cuò)斷2.77m； e 階地面上形成的裂縫

圖 11 硫磺溝6號(hào)和7號(hào)點(diǎn)的地表破裂照片F(xiàn)ig. 11 Photos of the surface rupture in the Liuhuanggou No. 6 and 7 sites.a 無(wú)人機(jī)航拍的硫磺溝6號(hào)點(diǎn)震后正射影像； b 硫磺溝6號(hào)點(diǎn)的DEM， 沖溝被左旋位錯(cuò)了約74.7m； c 無(wú)人機(jī)航拍的硫磺溝7號(hào)點(diǎn)震后正射影像； b 硫磺溝7號(hào)點(diǎn)的照片

在硫磺溝 6 號(hào)點(diǎn)(37°46′50.472″N， 101°19′19.445″E)處， 地表破裂從硫磺溝南側(cè)山坡上穿過(guò)， 走向?yàn)?94°， 地表破裂線(xiàn)性跡線(xiàn)明顯， 沖溝的左旋錯(cuò)斷位移約為74.7m， 可能為多次地震事件所致。在硫磺溝7號(hào)點(diǎn)(37°46′20.602″N， 101°20′21.031″E)處， 斷裂從冷龍嶺山前穿過(guò)， 斷錯(cuò)了沖溝和階地， 形成線(xiàn)性陡坎， 斷層總體走向?yàn)?04°。

2.2 托萊山斷裂東端地表破裂

圖 12 羊腸子溝口地表破裂觀測(cè)點(diǎn)Fig. 12 Surface rupture of the Yangchangzigoukou site.a 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲得的DSM山影圖， 主破裂帶近EW走向， 將沖溝左旋錯(cuò)斷了16m， 分支破裂帶主要有NE和NW 2組； b主破裂帶照片； c NW向分支裂縫的照片， 冰體表現(xiàn)出左旋走滑特征； d NE向分支斷裂的照片， 冰體表現(xiàn)出右旋走滑特征， 并形成了菱形的小型拉分地貌； e 羊腸子溝口測(cè)量點(diǎn)往西2.7km處的地表裂縫照片(位置見(jiàn)圖 1d)

3 討論

3.1 地表破裂長(zhǎng)度

基于影像特征快速確定了地震地表破裂帶的分布特征、 構(gòu)造樣式與位錯(cuò)強(qiáng)度等。通過(guò)解譯發(fā)現(xiàn)， 門(mén)源MS6.9 地震在地表形成了南、 北2條破裂帶， 其中北支沿冷龍嶺斷裂帶主斷層的西段發(fā)育， 影像可識(shí)別長(zhǎng)度約為23.3km； 南支沿托萊山斷裂東段分布， 影像可識(shí)別長(zhǎng)度約為2.3km。高分7號(hào)衛(wèi)星提供的是分辨率優(yōu)于0.7m的全色立體像對(duì)及分辨率優(yōu)于3.2m的多光譜影像， 在解譯過(guò)程中發(fā)現(xiàn)小于1個(gè)像素的地表破裂很難從影像中識(shí)別出來(lái)， 因此通過(guò)震后高分7號(hào)衛(wèi)星影像解譯獲得的地表破裂長(zhǎng)度可能小于實(shí)際地表破裂的長(zhǎng)度。

野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)， 地表破裂帶①西側(cè)的景陽(yáng)嶺點(diǎn)發(fā)育了NWW和NE 2組地表裂隙(圖2a)。遙感解譯地表破裂帶①的走向約為NWW(約290°)。地表破裂在高分7號(hào)衛(wèi)星遙感影像上清晰可見(jiàn)， 向W至上大圈溝和下大圈溝附近地表破裂都較為連續(xù)； 在下大圈溝—下店溝一帶， 可解譯的地表破裂呈斷續(xù)狀， 但行跡仍較為清晰； 景陽(yáng)嶺觀測(cè)點(diǎn)位于該條地表破裂帶的延長(zhǎng)線(xiàn)上， 且該處NW向裂縫與地表破裂帶的走向一致。實(shí)地測(cè)量發(fā)現(xiàn)景陽(yáng)嶺點(diǎn)地表裂隙有明顯的同震位移， 同震左旋位錯(cuò)達(dá)5～10cm(圖2b)， 垂直位錯(cuò)約為20cm(圖2c)。從地形上看， 景陽(yáng)嶺裂縫出露位置接近沖溝底部， 為局部較低點(diǎn)， 不存在明顯的臨空面， 不太可能是受地形的影響或者重力失穩(wěn)而產(chǎn)生的裂隙。同時(shí)， 地形上， 景陽(yáng)嶺點(diǎn)發(fā)育沿裂隙方向的小陡坎， 陡坎高0.3～0.5m， 可能為古地震所形成。因此， 我們認(rèn)為景陽(yáng)嶺點(diǎn)的地表裂隙更可能為斷層出露地表所致， 為地表破裂帶①的西側(cè)末端。

通過(guò)野外同震地表破裂調(diào)查與高分7號(hào)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯相互補(bǔ)充， 共同約束本次地震的地表破裂空間分布。獲得的此次地震中冷龍嶺斷裂西段和托萊山斷裂東段的地表破裂長(zhǎng)度分別為26km和3.5km， 這與此次地震烈度分布的極震區(qū)等震線(xiàn)長(zhǎng)軸展布基本一致(圖1b)(7)https： ∥www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5646200/index.html?；赪ells等(1994)給出的經(jīng)驗(yàn)公式M=5.16+1.12lg(L)(其中M為震級(jí)，L為同震地表破裂長(zhǎng)度/km)進(jìn)行計(jì)算， 則可得到本次地震同震地表破裂長(zhǎng)度為35.77km。在解譯的地表破裂最東端以東缺少震后高分7號(hào)衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)， 但經(jīng)野外實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 在硫磺溝7號(hào)點(diǎn)位以東仍然存在較大規(guī)模同震地表破裂， 而由于該區(qū)沒(méi)有可通行道路并受到冰雪覆蓋的影響， 使得野外調(diào)查很難繼續(xù)向E進(jìn)行， 因此地表破裂在解譯破裂最東端以東可能還有一段延伸。我們認(rèn)為本次地震形成的地表破裂長(zhǎng)度可能超過(guò)目前已知的26km， 希望未來(lái)能在天氣條件允許的情況下再次開(kāi)展實(shí)地考察， 確定地表破裂的最東端位置和準(zhǔn)確的地表破裂長(zhǎng)度。

3.2 發(fā)震構(gòu)造

利用InSAR技術(shù)獲得的降軌視線(xiàn)向的同震形變場(chǎng)顯示， 本次地震造成的地表形變范圍達(dá)30km×20km， 形變場(chǎng)中間分割區(qū)大致呈NWW-SEE方向(李振洪等， 2022)?；赟entinel-1 升、 降軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取的門(mén)源地震的同震InSAR形變場(chǎng)作為約束， 我們反演了門(mén)源地震的震源機(jī)制和斷層破裂模型(圖 13)， 結(jié)果顯示本次地震造成了2個(gè)主要的破裂帶， 其中主破裂沿著冷龍嶺斷裂帶， 走向?yàn)?12°， 傾角為88°， 次級(jí)破裂沿著托萊山斷裂， 走向?yàn)?7°， 傾角為82°。這與李振洪等(2022)的反演結(jié)果、 中國(guó)地震局地球物理研究所、 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(8)http： ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us10004fv5#scientific＿moment-tensor。、 全球矩心矩張量項(xiàng)目(GCMT)等機(jī)構(gòu)發(fā)布的震源參數(shù)的走向基本一致(表1)， 且該方向與冷龍嶺斷裂基本平行。斷層滑動(dòng)分布模型揭示本次地震為左旋走滑型地震； 結(jié)合冷龍嶺斷裂的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和幾何特征， 可初步判定發(fā)震斷層主要為冷龍嶺斷裂的西段， 其西側(cè)的托萊山斷裂同時(shí)發(fā)生了破裂。同時(shí)震源機(jī)制解和斷層參數(shù)也顯示2條斷裂均為近直立小角度向S傾的斷裂性質(zhì)。

圖 13 利用InSAR數(shù)據(jù)反演的2020年門(mén)源 MS6.9 地震的斷層破裂模型Fig. 13 InSAR inversion of fault rupture model of Menyuan MS6.9 earthquake in 2020.

截至2022年1月17日6時(shí)1分共記錄到余震584次， 其中6.0～6.9級(jí)地震0次， 5.0～5.9級(jí)地震2次， 4.0～4.9級(jí)地震4次， 3.0～3.9級(jí)地震19次， 3.0級(jí)以下地震559次(9)https： ∥www.qhdzj.gov.cn/。。從主震和余震的平面分布圖來(lái)看， 2022年1月8日MS6.9 主震位于托萊山斷裂的南盤(pán)、 冷龍嶺斷裂的西南盤(pán)， 即2條斷層地表交會(huì)處的南側(cè)。一部分余震沿托萊山斷裂南側(cè)平行于斷裂呈EW向展布， 另一部分沿冷龍嶺斷裂呈NWW向展布(圖14a)。根據(jù)余震數(shù)量和埋深的統(tǒng)計(jì)直方圖可以看出， 余震大多集中在6～12km的深度上(圖14f)。我們分別平行和垂直于2條斷裂做了AA′、BB′、CC′和DD′ 4條剖面。AA′剖面平行于托萊山斷裂， 剖面揭示主震的發(fā)震位置位于托萊山斷裂的東端， 余震在托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂處均較多， 而在二者相交的位置附近余震較少， 這可能與2條地表破裂帶并未在地表連接有關(guān)(圖14b)。垂直于托萊山斷裂的剖面CC′揭示， 主震和余震皆位于S傾的托萊山斷裂的上盤(pán)(圖14c)。平行于冷龍嶺斷裂的剖面BB′和垂直于冷龍嶺斷裂的剖面DD′揭示， 余震沿著近直立的冷龍嶺斷裂展布， 在斷層2盤(pán)余震數(shù)量相當(dāng)(圖14d， e)。從余震的發(fā)震時(shí)間上看， 在主震發(fā)生后， 余震主要集中在托萊山斷裂的南側(cè)和冷龍嶺斷裂的西北端(紅色點(diǎn))， 之后余震沿托萊山斷裂向SE遷移(綠色點(diǎn))， 于2022年1月12日傍晚18：20、 20：16和21：01在破裂的東南側(cè)分布發(fā)生了5.3級(jí)、 4.6級(jí)和4.3級(jí)3次較強(qiáng)的余震活動(dòng)。此后， 余震在托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂各部位分布較均勻(藍(lán)色)。主震和余震序列均在地表破裂帶②南側(cè)或沿地表破裂帶①分布的特點(diǎn)也顯示托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂近直立并略微向S傾的幾何特征。

表 1 震源機(jī)制解和斷層參數(shù)Table1 Focal mechanism solutions and fault parameters

圖 14 余震分布圖Fig. 14 Aftershocks distribution map.a 震后余震主要沿冷龍嶺斷裂西段和托萊山斷裂東端分布； b 平行于托萊山斷裂所做的剖面； c 垂直于托萊山斷裂所做的剖面； d 近平行于冷龍嶺斷裂所做的剖面； e 垂直于冷龍嶺斷裂所做的剖面； f 余震數(shù)量與深度統(tǒng)計(jì)直方圖， 余震精定位數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)(Fan et al.， 2022)

綜合高分 7 號(hào)衛(wèi)星震后高分辨率遙感影像解譯、 野外現(xiàn)場(chǎng)地表破裂調(diào)查、 InSAR反演震源機(jī)制和斷層破裂模型、 小地震精定位結(jié)果分析認(rèn)為， 此次地震的發(fā)震構(gòu)造為NWW向近直立的冷龍嶺斷裂西段， 同時(shí)其西側(cè)近EW向的托萊山斷裂東端參與破裂(圖 15)。地震發(fā)生在托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂于10km深度處的交會(huì)部位。

在五代區(qū)劃圖中， NWW走向的冷龍嶺斷裂的西端終止于硫磺溝1號(hào)點(diǎn)附近， 與近EW走向的托萊山斷裂呈弧形接觸(圖1d 中紅色斷層線(xiàn))。而本次門(mén)源MS6.9 地震地表破裂沿NWW向通過(guò)硫磺溝1號(hào)點(diǎn)后， 繼續(xù)向W延伸約10km， 至景陽(yáng)嶺點(diǎn)附近終止(圖1d 中綠色地表破裂線(xiàn))。同時(shí)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 在硫磺溝1號(hào)點(diǎn)以西， 斷層跡線(xiàn)明顯， 山脊、 沖溝被斷層連續(xù)左旋錯(cuò)斷， 在石峽門(mén)觀測(cè)點(diǎn)相鄰沖溝被同步錯(cuò)斷了約30m， 分析認(rèn)為是斷層多次原地復(fù)發(fā)的累積位錯(cuò)量， 線(xiàn)性的斷層槽谷、 反向陡坎和最新地層中保存的陡坎等地貌的發(fā)育說(shuō)明上次地震事件的離逝時(shí)間可能并不久遠(yuǎn)(圖5a， b)。因此， 我們認(rèn)為冷龍嶺斷裂的西端點(diǎn)比五代區(qū)劃圖上向W延伸更遠(yuǎn)， 且托萊山斷裂與冷龍嶺斷裂交會(huì)部位更可能為“y”字形的接觸關(guān)系(圖 15)。

圖 15 門(mén)源 MS6.9 地震的發(fā)震構(gòu)造Fig. 15 Seismogenic structure map of Menyuan MS6.9 earthquake.冷龍嶺斷裂呈NWW走向， 傾向近直立； 托萊山斷裂走向近EW， 傾向S； 門(mén)源 MS6.9 地震發(fā)生在托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂于10km深度的交會(huì)部位

祁連-海原構(gòu)造帶所處區(qū)域是中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈、 地震活動(dòng)頻度最高、 強(qiáng)度最大的地區(qū)之一， 周?chē)鄺l斷層都具有發(fā)生強(qiáng)震的構(gòu)造背景， 如海原斷裂發(fā)生過(guò)1920年M8.5大地震， 古浪斷裂發(fā)生過(guò)1927年M8.0大地震等(袁道陽(yáng)等， 1998， 鄭文俊等， 2004； Liu-zengetal.， 2007)。冷龍嶺斷裂帶處于祁連-海原構(gòu)造帶的中間區(qū)域， 表現(xiàn)出強(qiáng)烈的左旋走滑作用(Jiangetal.， 2021)。Guo等(2020)的研究結(jié)果表明， 冷龍嶺斷裂在1927年古浪M8.0地震中發(fā)生整體破裂。沿冷龍嶺斷裂形成長(zhǎng)約120km的地表破裂帶， 同震水平偏移量為2.4～7.5m， 地表破裂甚至抵達(dá)本次門(mén)源MS6.9 地震地表破裂的位置。冷龍嶺斷裂上廣泛存在保存較好的地表破裂是否由1927年古浪M8.0地震所致可能還有待于進(jìn)一步研究。但不可否認(rèn)的是， 冷龍嶺斷裂帶在全新世晚期發(fā)生過(guò)多次強(qiáng)震活動(dòng)， 且強(qiáng)震復(fù)發(fā)周期很短。本次2022年門(mén)源MS6.9 地震更接近冷龍嶺斷裂主斷層的西段， 屬于天祝地震空區(qū)(Gaudemeretal.， 1995)， 具有高震級(jí)地震危險(xiǎn)性(徐錫偉等， 2017)。在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)， 在冷龍嶺斷裂西段先后發(fā)生3次6級(jí)以上強(qiáng)震， 說(shuō)明該地區(qū)仍為應(yīng)力和形變積累區(qū)域， 具有發(fā)生特大地震的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此該區(qū)域地震危險(xiǎn)性并不會(huì)因?yàn)殚T(mén)源MS6.9 地震的發(fā)生而降低， 反而應(yīng)該引起更多的關(guān)注與研究。

4 結(jié)論

本文根據(jù)震后高分7號(hào)衛(wèi)星高分辨率遙感影像解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查， 認(rèn)為2022年門(mén)源MS6.9 地震的地表破裂整體分可為NWW向冷龍嶺西段的地表破裂和近EW向托萊山東端的地表破裂。2條地表破裂的走向分別為291°和86.9°， 長(zhǎng)度分別約為26km和3.5km。地表破裂主要由張裂隙、 張剪裂隙、 擠壓鼓包和震陷等多類(lèi)型破裂雁行狀組合而成的復(fù)雜同震地表變形帶， 總體以左行走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)為主， 局部兼有逆沖性質(zhì)， 最大同震左旋位錯(cuò)為2.77m。

綜合高分辨率遙感影像解譯、 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、 InSAR反演的震源機(jī)制和斷層破裂模型、 小地震精定位等結(jié)果， 確定了此次地震的發(fā)震構(gòu)造是冷龍嶺斷裂的西段， 其西側(cè)的托萊山斷裂東端同時(shí)發(fā)生破裂。其中主破裂沿著冷龍嶺斷裂帶， 走向?yàn)?12°， 傾角為88°。

1986年MS6.4 地震、 2016年MS6.4 地震以及2022年MS6.9 地震皆發(fā)生于冷龍嶺斷裂的西段， 短時(shí)間內(nèi)發(fā)生3次6級(jí)以上強(qiáng)震， 說(shuō)明該地區(qū)仍為應(yīng)力和形變積累區(qū)域， 具有發(fā)生特大地震的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

致謝應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院的李康、 康文君、 楊朋濤、 劉冬英和宋鵬等參加了野外調(diào)查工作； 審稿專(zhuān)家對(duì)本文提出了寶貴的修改建議。在此一并表示感謝！