2022年青海門源6.9級地震引起的地表同震位移場研究

周卓群,夏 晨,2,3,李 震,戚承志,2,3

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,北京 100044;2.北京建筑大學(xué) 北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心,北京 100044;3.北京建筑大學(xué) 城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)北京國際科技合作基地,北京100044)

0 引言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)發(fā)布,北京時間2022年1月8日01時45分27秒,在青海省海北州門源縣發(fā)生6.9級地震。本次地震震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km。地震發(fā)生后,中國地震局進(jìn)行了震害調(diào)查、流動觀測等工作,發(fā)布了《青海門源6.9級地震烈度圖》(https://www.cea.gov.cn/),分析得出此次地震造成地表破裂約22 km,最高烈度為Ⅸ度(9度),Ⅵ度(6度)區(qū)及以上面積約23 417 km2。

中國地震局地質(zhì)研究所開展了現(xiàn)場科學(xué)考察工作,在區(qū)域構(gòu)造位置上,推測此次門源地震發(fā)生在青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂、托萊山斷裂和肅南—祁連斷裂的階區(qū)部位,構(gòu)造較為復(fù)雜[1-5],主要以左旋走滑為主,初步判斷破裂帶兩側(cè)地表沿SE—NW方向運動。通過現(xiàn)場觀測得出本次地震在地表產(chǎn)生了4條破裂帶,其中北支和南支地表破裂帶規(guī)模較大,長度分別約為21.5 km和3.8 km,加上2條規(guī)模較小的地表破裂帶,合計長度約25 km。此次地震震中位置人口密度較低,然而極震區(qū)部分鐵路、公路受破壞嚴(yán)重,由于地震地表破裂帶的影響,蘭新高鐵硫磺溝大橋及隧道被完全破壞。

此次地震災(zāi)害的諸多調(diào)查結(jié)果顯示出破裂帶對建筑設(shè)施的影響,也凸顯出活動斷裂附近的重大工程采取避讓或抗震措施的重要性[6-8]。地震過后,對破裂帶周邊地區(qū)地表位移場進(jìn)行快速觀測與計算,對震害地區(qū)恢復(fù)工作以及后續(xù)周邊工程抗震設(shè)防具有重要參考意義。

本文首先在總結(jié)2022年門源6.9級地震相關(guān)資料基礎(chǔ)上,設(shè)置發(fā)震斷層面4種不同位錯分布模式。然后基于Okada提出的地表位移解析解,計算不同斷層位錯分布模式下6.9級門源地震引起的地表位移場。最后結(jié)合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù),討論此次地震發(fā)震斷層引起的地表位移場及其影響范圍,為此次地震的震后恢復(fù)工作及后續(xù)的震害研究提供參考。

1 震源斷層位錯分布模式設(shè)置

1.1 斷層參數(shù)

計算斷層引起的地表位移場需要確定斷層面尺寸以及斷層滑動量。美國地質(zhì)勘探局(USGS)給出的此次地震震源發(fā)震斷層分布以及斷層面上的位錯分布反演如圖1～2所示(圖中星型標(biāo)記為USGS給出的震源位置:37.802°N 101.245°E,震源深度13 km)。

圖1 2022門源6.9級地震發(fā)震斷層分布(https://earthquake.usgs.gov/)Fig.1 Distribution of the seismogenic fault of 2022 Menyuan MS6.9 earthquake (https://earthquake.usgs.gov/)

由圖2可知,發(fā)震斷層為左旋走滑斷層,斷層面上最大位錯量達(dá)到4 m左右,滑動量沿斷層走向由震中位置向兩側(cè)逐漸減小。

圖2 2022門源6.9級地震發(fā)震斷層面滑動分布(https://earthquake.usgs.gov/)Fig.2 Fault-slip distribution of 2022 Menyuan MS6.9 earthquake (https://earthquake.usgs.gov/)

(1)

式中:μ為剪切模量;A為斷層的破裂面積。

Kanamri[10]提出的地震矩M0與矩震級MW之間的關(guān)系式為:

(2)

根據(jù)式(1)和(2),當(dāng)?shù)卣鹁卣鸺壓蛿鄬蛹羟心Ａ看_定,斷層面的平均滑動量只與斷層破裂面積有關(guān)。此處式(2)中的MW取USGS給出的本次地震的矩震級為MW6.6。

根據(jù)已有震源斷層信息并結(jié)合式(1)和(2),震源發(fā)震斷層長度確定為25 km,寬度10 km,斷層平均滑動量設(shè)置為1.7 m,斷層其他參數(shù)如表1所列。

表1 門源6.9級地震震源參數(shù)Table 1 Source parameters of Menyuan MS6.9 earthquake

1.2 斷層面位錯分布

運用Okada[11-12]提出的解析解計算地表同震位移場,首先要考慮斷層面位錯分布。為了更準(zhǔn)確地得到地表同震位移場,設(shè)置不同位錯分布模式,并將計算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比分析。4種不同的斷層面位錯分布模式分別設(shè)置如下:

(1) 將震源斷層劃分為250個1 km×1 km的子斷層,基于USGS反演的斷層面位錯分布,設(shè)置位錯量均勻變化的位錯分布模式a。

(3)

(4)

(5)

(6)

即:

(7)

(8)

(9)

(10)

(5) 設(shè)置整個斷層面位錯量均勻分布的位錯分布模式d,結(jié)合USGS給出的斷層面位錯分布與Aki和Richards[9]提出的關(guān)系式,取平均位錯量為1.7 m。

上述a、b、c三種非均勻位錯模式下的位錯分布如圖3所示,其中(b)、(c)圖中斷層范圍內(nèi)實線包圍區(qū)域為凹凸體,(c)圖中虛線與實線之間的區(qū)域為凹凸體內(nèi)的過渡區(qū),點劃線與實線之間的區(qū)域為背景區(qū)內(nèi)的過渡區(qū)。

圖3 三種不同模式下門源6.9級地震斷層位錯分布(單位:cm)Fig.3 Fault dislocation distribution of Menyuan MS6.9 earthquake under three different modes (Unit:m)

2 門源6.9級地震地表位移場分析

2.1 Okada彈性半空間位錯理論

Okada提出了點源及有限矩形面源的位錯通用解析解[10],能夠計算斷層走滑、傾滑以及張拉作用下引起的地表位移,因此可以將任意的斷層位錯分解為走向、傾向以及張拉三個方向進(jìn)行計算后疊加獲得斷層引起的地表位移。

Okada彈性半空間位錯理論采用笛卡爾坐標(biāo)系,以下盤斷層面左下角點在地表的投影為坐標(biāo)原點,平行斷層走向方向為x軸,如圖4所示。圖中,δ為斷層傾角,W為斷層面寬度,L為斷層面長度,U1、U2、U3分別為走向、傾向以及張拉方向的平均位錯分量。由于此次門源地震滑動形式以左旋走滑為主,計算時只考慮U2作用下產(chǎn)生的地表位移場。

圖4 Okada位錯模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the Okada dislocation model

子斷層的平均位錯量取值由圖3給出,通過單獨計算每個子斷層引起的地表位移,進(jìn)行疊加即可得到整個斷層面引起的地表位移。

在地表沿x、y軸方向(坐標(biāo)定義參照2.2節(jié)中的說明)每隔0.5 km取一個計算點,依照此方法計算每個點的位移即可得到由斷層面引起的地表位移場。

2.2 基于Okada理論的地表位移場計算結(jié)果

本節(jié)基于Okada[10-11]提出的解析解,分別計算4種不同斷層位錯模式下的地表位移場。圖5～圖8為地表位移云圖,圖中灰色粗實線為斷層地表破裂線,圖中星型標(biāo)記為USGS給出的震源位置(37.802°N,101.245°E),斷層為左旋走滑斷層,斷層下盤位于破裂面以北,斷層上盤位于破裂面以南。設(shè)地表平行斷層走向方向為x向,垂直斷層走向為y向,a、b、c、d四種位錯模式下沿地表x向位移分別為ux1、ux2、ux3、ux4,方向以圖中x正向為正;沿地表y向位移分別為uy1、uy2、uy3、uy4,方向以圖中y軸正向為正;豎向地表位移分別為uz1、uz2、uz3、uz4,方向以豎直向上為正。圖中位移的正負(fù)值代表地表位移方向,正值表示地表位移向正向移動,負(fù)值則為相反方向。

圖5為位錯模式a引起的地表位移等值線圖。其中斷層北側(cè)ux1為負(fù)值,最大值達(dá)到1.85 m出現(xiàn)在震源位置附近臨近斷層處;斷層南側(cè)ux1為正值,最大值為1.07 m。計算結(jié)果表明地表x向位移整體以斷層為軸呈對稱分布,在y向上與斷層相距約18 km處仍有0.1 m左右的位移,斷層以北臨近斷層處局部區(qū)域位移大于1.5 m。

圖5 位錯模式a引起的地表位移云圖(灰色粗實線為斷層所在位置,單位:m)Fig.5 Cloud map of surface displacement induced by dislocation mode a (The gray thick solid lines show the fault location,unit:m)

以過震源位置,且垂直于斷層走向的直線為軸,uy1呈東西方向?qū)ΨQ分布,軸線東側(cè)區(qū)域uy1以負(fù)向為主,最大0.386 m,出現(xiàn)在沿y向與斷層相距1.5 km左右處;西側(cè)區(qū)域uy1以正向為主,最大值0.31 m,出現(xiàn)在沿y向與斷層相距3 km左右處。y方向平均位移小于x方向,符合該斷層的滑動特點。uy1的影響范圍也小于ux1,在臨近震源位置的斷層兩側(cè)uy1接近于0。

uz1影響范圍小于ux1和uy1,臨近斷層區(qū)域出現(xiàn)最大0.85 m的局部隆起與0.205 m的局部沉降。斷層北側(cè),地表沿斷層走向由西向東先隆起后沉降;斷層南側(cè)則相反,臨近斷層西部沉降,東部隆起。

圖6為位錯模式b引起的地表位移等值線圖,該種模式下地表位移分布形式與a模式下基本相同,但最大地表位移有較大差別。ux2正向最大值為0.75 m,負(fù)向最大值為1.11 m;uy2正向最大值0.242 m,負(fù)向最大0.302 m;uz2正向最大值0.486 m,負(fù)向最大值0.166 m。三個方向的位移分量均小于a模式,地表位移分布較a模式更均勻,最大位移區(qū)域仍出現(xiàn)在臨近斷層處。

圖6 位錯模式b引起的地表位移云圖(灰色粗實線為斷層所在位置,單位:m)Fig.6 Cloud map of surface displacement induced by dislocation mode b (The gray thick solid lines showthe fault location ,unit:m)

圖7為位錯模式c引起的地表位移等值線圖,該模式下的地表位移分布形式與a模式相近,最大地表位移較小,三個方向地表位移最大值分別為ux3正向最大值0.8 m,負(fù)向最大值1.34 m;uy3正向最大值0.242 m,負(fù)向最大0.328 m;uz3正向最大值0.584 m,負(fù)向最大值0.199 m。

圖7 位錯模式c引起的地表位移云圖(灰色粗實線為斷層所在位置,單位:m)Fig.7 Cloud map of surface displacement induced by dislocation mode c (The gray thick solid lines show the fault location,unit:m)

圖8為位錯模式d引起的地表位移等值線圖。與位錯模式a作用下的位移分布形式相似,斷層北側(cè)ux4為負(fù)值,但最大值僅有0.82 m,相較a模式下的1.07 m減小了0.25 m;斷層南側(cè)ux4為正值,最大值為1.57 m。雖然分布形式與a模式相近,但最大位移量減小,且位移分布更加均勻,在震源位置附近未出現(xiàn)位移較大的集中區(qū)域,x向位移沿著地表破裂面均勻分布。x向位移影響范圍與a模式下相近。

圖8 位錯模式d引起的地表位移云圖(灰色粗實線為斷層所在位置,單位:m)Fig.8 Cloud map of surface displacement induced by dislocation mode d (The gray thick solid lines show the fault location,unit:m)

uy4與uy1分布形式有所差別,uy4主要集中在斷層端點附近,其影響范圍相較uy1明顯減小且位移集中區(qū)域沿斷層走向由中部向兩側(cè)移動,其位移分布相較于uy1對稱性更強。uy4正向最大值0.324 m出現(xiàn)在破裂帶西端附近,負(fù)向最大值同為0.324 m出現(xiàn)在破裂帶東端附近。

uz4以斷層中點為對稱中心呈現(xiàn)出中心對稱的分布特點,臨近斷層位置,存在最大0.685 m的局部隆起與0.225 m的局部沉降。該模式下豎向地表位移分布集中在斷層線兩端。與a模式相比,d模式下計算得到的地表位移場分布均勻,難以體現(xiàn)出破裂面滑動的非均勻性,但能夠得到大致的位移影響范圍,計算較為簡便,在缺乏現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的情況下可以作為粗略預(yù)估地震產(chǎn)生地表位移場的參考依據(jù)。

計算結(jié)果表明,利用Okada解析解計算地表同震位移場時,斷層面位錯分布模式對結(jié)果有著不可忽視的影響。這種影響主要體現(xiàn)在最大地表位移與地表位移分布形式上,而對地表位移的影響范圍以及地表平均位移影響較小。

對比4種位錯模式下計算的地表位移場,分析可得震中西南側(cè)向NE方向運動,東南側(cè)向SE方向運動,西北側(cè)和東北側(cè)分別向NW以及SW方向運動;地表水平位移最大值超過1.5 m,出現(xiàn)在震中附近,最大豎向地表位移超過0.5 m出現(xiàn)在震中附近的地表破裂面處;斷層走向方向上,由斷層兩端向外延伸約5 km處仍存在0.1 m以上的地表水平位移,沿垂直斷層走向方向距斷層15 km處仍存在大于0.1 m的地表水平位移,而豎向地表位移超過0.1 m的范圍僅集中在地表破裂帶附近。

計算結(jié)果能夠為地表位移影響范圍提供參考,而在研究臨近斷層區(qū)域的地表位移時,還需要現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)等與理論計算結(jié)果相結(jié)合以便得到更為準(zhǔn)確地地震災(zāi)害信息。

2.3 現(xiàn)場測量所得部分地表變形數(shù)據(jù)

根據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所(https://www.eq-igl.ac.cn/)的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,沿著北支地表破裂帶,以小型沖溝、道路和河岸為標(biāo)志,量測到了0.79 m、1.05 m、1.8 m以及2.8 m不等的地表位錯,一些區(qū)段可觀察到約0.7 m的垂直位錯量,最大垂直位錯量與計算結(jié)果相近,最接近d位錯模式下算得的0.685 m豎向地表位移?，F(xiàn)場觀測顯示,此次地震震中西南側(cè)向NE運動,而東南和西北側(cè)分別向SE和NW運動,這也與計算得到的地表運動規(guī)律相符。

蘭州大學(xué)組織的現(xiàn)場考察中發(fā)現(xiàn)(https://news.lzu.edu.cn/),本次地震中主破裂帶沿冷龍嶺斷裂西段分布,主要以左旋走滑為主,其最大水平位錯約2.1～2.3 m,且向兩端逐漸衰減,這與a位錯模式下計算得到的地表x向最大水平位移1.85 m接近,但仍大于四種模式下算得的地表最大水平位移。

根據(jù)計算結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果的對比得出,計算得到的最大位移均小于現(xiàn)場觀測結(jié)果,a模式下的最大地表位移計算結(jié)果與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)最接近,說明a模式計算精度較高。而對比4種模式得到的計算值,c模式下算得的地表位移場整體分布形式最接近a模式,在缺少精確的斷層面滑移量反演數(shù)據(jù)時,利用此種設(shè)置方法也可以得到較好的計算結(jié)果。

復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境使得地表破裂帶表現(xiàn)出復(fù)雜的組合特征[15-17],不同區(qū)段的地表破裂帶寬度變化很大,在理論計算中未能考慮到部分?jǐn)鄬訁^(qū)域的張拉與擠壓作用也導(dǎo)致了計算結(jié)果的誤差。此外,本文采用的Okada解析解是基于均勻的彈性介質(zhì),未考慮地表土層的影響,這也是引起計算的最大地表變形與觀測結(jié)果有出入的原因之一。

3 結(jié)論

通過對現(xiàn)有2022年青海門源6.9級地震震害資料的研究分析,設(shè)置了4種不同的斷層面位錯分布模式,利用Okada提出的地表位移解析解計算了4種不同位錯分布模式下地表同震位移場。通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果與計算得到的地表位移場進(jìn)行對比分析,探討理論計算結(jié)果的可靠性以及誤差產(chǎn)生的原因,并分析了斷層引起的地表活動方向、影響范圍以及最大位移。

根據(jù)計算得的地表位移場,結(jié)合現(xiàn)場觀測結(jié)果,得出以下結(jié)論:

(1) 初步判斷2022年青海門源6.9級地震發(fā)震斷裂主要為冷龍嶺斷裂延伸至托萊山斷裂,主要以左旋走滑斷層為主;震中西南側(cè)向NE方向運動,東南側(cè)向SE方向運動,西北側(cè)和東北側(cè)分別向NW以及SW方向運動。

(2) 計算得到的最大地表水平位移超過1.5 m,出現(xiàn)在震中附近位置;最大地表豎向位移超過0.5 m,出現(xiàn)在臨近斷層的局部區(qū)域?，F(xiàn)場監(jiān)測到的最大地表水平位移約2.1～2.3 m,一些區(qū)段最大垂直位錯量達(dá)到0.7 m。

(3) 4種不同位錯分布模式下的地表位移場影響范圍相近,以震中為中心,地表位移場影響范圍約30 km×36 km,此區(qū)域內(nèi)地表位移大于0.1 m。

(4) 4種不同位錯分布模式下的最大地表位移量與位移分布形式有所差別。與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)a位錯模式精度較高,以其作為參照對比4種模式下算得的地表位移場可得:最大地表位移方面,a模式與b模式下算得的最大地表x向位移差值達(dá)到0.74 m,最大地表豎向位移差值達(dá)到0.319 m;a模式與c模式下的最大地表水平位移差值較大,達(dá)到0.51 m,最大地表豎向位移差0.27 m;a模式與c模式下最大地表豎向位移差0.2 m。地表位移分布形式方面,位錯模式a與c的計算結(jié)果最為接近,地表位移較大的區(qū)域均出現(xiàn)在震中附近;與a模式相比,b模式下的臨近斷層區(qū)域地表位移場分布相較a模式更加均勻,這是由于位錯模式b中斷層面由均勻滑動的3部分組成,在臨近斷層處的地表位移變化難以體現(xiàn);相較于模式a ,d模式下的地表位移分布更為對稱,位移集中區(qū)域沿斷層走向擴展至斷層兩端,其中y向地表位移場差別最為明顯,產(chǎn)生這種情況的主要原因為斷層面整體均勻滑動的位錯設(shè)置方法,未能考慮斷層面位錯非均勻性,這種均勻分布模式可以在缺少位錯反演資料時用作位移場影響范圍的確定,對于局部區(qū)域位移場分布形式的計算精度較差。