地质力学学报  2022, Vol. 28 Issue (2): 155-168
引用本文
韩帅, 吴中海, 高扬, 卢海峰. 2022年1月8日青海门源MS 6.9地震地表破裂考察的初步结果及对冷龙岭断裂活动行为和区域强震危险性的启示[J]. 地质力学学报, 2022, 28(2): 155-168.
HAN Shuai, WU Zhonghai, GAO Yang, LU Haifeng. Surface rupture investigation of the 2022 Menyuan MS 6.9 Earthquake, Qinghai, China: Implications for the fault behavior of the Lenglongling fault and regional intense earthquake risk[J]. Journal of Geomechanics, 2022, 28(2): 155-168.
2022年1月8日青海门源MS 6.9地震地表破裂考察的初步结果及对冷龙岭断裂活动行为和区域强震危险性的启示
韩帅1,2,3, 吴中海1,2,3, 高扬1,2,3,4, 卢海峰1,2,3    
1. 中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;
2. 自然资源部活动构造与地质安全重点实验室,北京 100081;
3. 中国地质调查局新构造与地壳稳定性研究中心,北京 100081;
4. 北京大学地球与空间科学学院,北京 100871
摘要:2022年1月8日青海门源MS 6.9地震发生在青藏高原东北缘的祁连山断块内部,仪器震中位于海原活动断裂系西段的冷龙岭断裂带上,是该断裂系自1920年海原8.5级大地震后再次发生M>6.5的强震。考察结果的初步总结表明,此次门源地震产生了呈左阶斜列分布、总长度近23 km的南北两条破裂,在两者之间存在长约3.2 km、宽近2 km的地表破裂空区。南支破裂(F1)出现在托来山断裂的东段,走向91°,长约2.4 km,以兼具向南逆冲的左旋走滑变形为主,最大走滑位移近0.4 m。北支主破裂(F2)出现在冷龙岭断裂的西段,总长度近20 km,以左旋走滑变形为主,呈整体微凸向北东的弧形展布,包含了走向分别为102°、109°和118°的西、中、东三段,最大走滑位移出现在中段,为3.0±0.2 m。此外,在北支主破裂中—东段的北侧新发现一条累计长度约7.6 km、以右旋正断为主的北支次级破裂(F3),累计最大走滑量约0.8 m,最大正断位移约1.5 m。综合分析认为,整个同震破裂以左旋走滑变形为主,具有双侧破裂特点,宏观震中位于北支主破裂的中段,其地表走滑位移很大可能与震源破裂深度浅有关,其中的右旋正断次级破裂可能是南侧主动盘向东运移过程中拖曳北侧块体发生差异运动所引起的特殊变形现象。印度与欧亚板块近南北向强烈碰撞挤压导致南祁连断块沿海原左旋走滑断裂系向东挤出,从而引发该断裂系中的托来山断裂与冷龙岭断裂同时发生破裂,成为导致此次强震的主要动力机制。在此大陆动力学背景下,以海原左旋走滑断裂系为主边界的祁连山断块及其周边的未来强震危险性需得到进一步重视。
关键词门源MS 6.9地震    冷龙岭断裂    同震地表破裂带    海原左旋走滑断裂系统    祁连山断块    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2022013     文章编号:1006-6616(2022)02-0155-14
Surface rupture investigation of the 2022 Menyuan MS 6.9 Earthquake, Qinghai, China: Implications for the fault behavior of the Lenglongling fault and regional intense earthquake risk
HAN Shuai1,2,3, WU Zhonghai1,2,3, GAO Yang1,2,3,4, LU Haifeng1,2,3    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Active Tectonics and Geological Safety, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China;
3. Research Center of Neotectonism and Crustal Stability, China Geological Survey, Beijing 100081, China;
4. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: The MS 6.9 Menyuan earthquake on January 8, 2022 occurred in the Qilian Mountain fault block in the northeastern margin of the Tibetan Plateau. The instrumental epicenter is located in the Lenglongling fault zone in the west section of the Haiyuan active fault system. It is another strong earthquake with M>6.5 that occurred in the fault system after the Haiyuan M 8.5 earthquake in 1920. The preliminary conclusion of the investigation results shows that the Menyuan earthquake generated two main fracture zones in the south and north separately, which are distributed in left-step oblique arrangement with a total length of nearly 23 km, and there is a surface rupture cavity with a length of about 3.2 km and a width of nearly 2 km between them. The south branch rupture (F1) appears in the east section of the Tuolaishan fault, striking 91°, with a length of about 2.4 km. It is mainly characterized by southward thrust and sinistral strike slip, with a maximum horizontal displacement of nearly 0.4 m. The north branch main rupture (F2) appears in the west section of the Lenglongling fault, with a total length of nearly 20 km. It is mainly sinistral strike-slip deformation, and presents an overall slightly convex arc distribution to the northeast, including the west, middle and east sections of 102°, 109° and 118°, respectively. The maximum strike-slip displacement occurs in the middle section, which is 3.0±0.2 m. In addition, a new north branch secondary fault (F3) with a cumulative length of about 7.6 km, dominated by normal-dextral fault, is discovered on the north side of the middle to east section of the main fault of the north branch, with a cumulative maximum horizontal displacement of about 0.8 m and a maximum normal vertical displacement of about 1.5 m. Comprehensively, the whole coseismic rupture is mainly sinistral strike-slip and has the characteristics of bilateral rupture, whereas the macroscopic epicenter is located in the north branch of midway through the main fracture zone, thus the strike-slip displacement of the surface may be associated with the shallow rupture of the source. The normal-dextral rupture is likely to be caused by the differential movement of the north block dragged by the active south plate. The south Qilian block was extruded eastward along the Haiyuan sinistral strike-slip fault system due to the strong collision and compression between the Indian and Eurasian plates, which led to the simultaneous rupture of the Tuolaishan fault and the Lenglongling fault. This is the main dynamic mechanism leading to the strong earthquake. Under the background of continental dynamics, further attention should be paid to the future strong earthquake risk of the Qilian Mountain fault block and its surrounding area with the Haiyuan sinistral strike-slip fault system as the main boundary.
Key words: Menyuan MS 6.9 earthquake    Lenglongling fault    co-seismic surface rupture    Haiyuan sinistral strike-slip fault system    Qilian fault block    
0 引言

据中国地震台网测定,北京时间2022年1月8日凌晨1时45分在青海省海北州门源县(37.77°N,101.26°E)发生6.9级地震(矩震级MW 6.6,USGS),震源深度10 km。随后,该区又相继发生多次余震,最大余震是发生在1月12日的M 5.2地震。地震造成临近的甘肃省张掖市、武威市、金昌市、兰州市、临夏州等多地震感明显,震中区的最高地震烈度为Ⅸ度(https://baijiahao.baidu.com/s?id=1721370877490558213&wfr=spider&for=pc)。此次地震发生在青藏高原东北缘的祁连山断块内部,仪器震中位于海原活动断裂系西段的冷龙岭断裂带上,是该断裂系自1920年海原8.5级大地震后再次发生M>6.5的强震。由于强震发生在人员稀少的高寒地区,并且处在冻土尚未融化的冬季,因而无严重的人员伤亡,也未出现大规模的同震次生灾害,但从震区穿过的西部交通大动脉——兰新高铁的桥隧因地表破裂造成的严重破坏而停运,引发了社会广泛关注。因此,及时掌握此次地震的同震地表破裂特征,对于深入认识海原活动断裂系中冷龙岭断裂段的最新活动特征与区域未来强震危险性具有重要的科学意义,并为更好地理解活动断裂对工程的影响起到重要借鉴作用。

门源地震发生后,多个相关机构和研究团队及时开展了地震应急分析与考察等工作。青海省地震局首先进行了现场考察并发现此次强震形成了至少约22 km长且以左行走滑为特征的地震地表破裂带(https://baijiahao.baidu.com/s?id=1721449557100610728&wfr=spider&for=pc)。应急管理部国家自然灾害研究院姜文亮等利用国产高分辨影像首先给出了冷龙岭断裂带西段上长度约19 km的同震主破裂带分布(http://www.ninhm.ac.cn/content/details_35_3079.html)。兰州大学袁道阳团队现场考察后进一步认为此次地震的地表破裂带包含了南、北2支破裂带,总长约22 km,北支沿冷龙岭断裂西段分布,最大水平位错约2.1~2.3 m,南支为次级破裂带,分布在托来山断裂东段,最大水平位错约0.5 m。中国地质科学院地质研究所潘家伟等现场考察后认为此次地震地表破裂的总长度至少为20 km,存在多处1 m以上同震地表位错,最大同震位错量达2.9 m,出现在兰新高铁大梁隧道的北端(http://www.igeo.cgs.gov.cn/ywjx/kydt/202201/t20220113_689980.html)。中国地震局地质研究所韩竹君团队的现场考察认为,此次地震在地表产生了4条破裂带,北支和南支主破裂带的长度分别为~21.5 km和~3.8 km,合计长度~25 km,其中北支破裂带上测到的最大位错量为~3.1 m,南支最大位错量~0.15 m(https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html)。综合上述结果可知,受地震区交通条件、不同机构或团队的调查范围、调查时间及精细程度等因素的影响,目前对此次地震所产生的地表破裂带的具体分布范围与长度,尤其是对不同段落上的同震最大地表位移量及其出现位置存在不同认识,仍需进一步的详查来核实。

除了上述调查结果,多个机构和团队还从震源机制解与震源破裂反演、余震分布特点和InSAR观测结果等不同角度对此次强震的破裂特征进行了分析,给出的发震断层参数略有差异(http://www.csi.ac.cn/eportal/ui?pageId=3),但震源机制解均显示此次地震是一次走滑型破裂事件,结合震源破裂反演结果指示,震源断层节面参数是走向105°/倾角87°/滑动角-5°(USG,https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/moment-tensor?source=us&code=us_7000g9zq_mwb)。中国科学院青藏高原研究所基于点源模型的震源机制解反演认为此次地震的矩震级(MW)为6.7级,震源深度约6 km,破裂持续时间约13 s,最大走滑滑动约316 cm,属于高倾角走滑型地震。美国地质调查局震后快速发布的地震破裂过程结果显示,此次地震破裂持续时间约10 s,破裂总长度约30 km,震源区最大走滑位移超过4 m(USGS,https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/finite-fault)。中国地震局地球物理研究所余震重定位结果显示,余震主要呈近东西至南东向的弧形分布,震源深度集中在5~12 km,整个震源破裂尺度约30 km,并认为可能存在双向破裂过程。利用InSAR同震形变场给出的发震断层滑动分布初步结果显示,此次同震破裂的深部最大滑动量约2 m,分布深度为6~8 km,总体深度较浅。上述不同角度的初步研究结果表明,此次地震的主震破裂过程相对复杂,引起了复杂的地表形变,使得各研究团队在震源破裂长度和最大位移量等方面存在不同认识。因此,需要通过对此次强震的同震破裂变形特征、位移量分布和成因等做进一步详查,为更好地约束和认识震源破裂过程、机制以及深浅部的破裂变形关系等提供可靠依据。

为了进一步详细查明此次强震的同震地表破裂带发育特征、同震灾害效应及工程影响等,项目组团队于2022年1月15日抵达门源地震现场,在相关学者和机构的地震应急考察和高分影像解译结果基础上,开展了近两周的详细调查。调查过程中进一步精细厘定了此次同震地表破裂带的空间展布、几何分段性以及运动学特点,观测了沿破裂带上不同段落的变形量,获取了覆盖主要段落的无人机航摄数据,并同时考察了地表破裂对沿线主要工程的破坏现象及特征等。通过对调查结果进行初步总结,对此次强震的同震地表破裂组合、运动学特征、宏观震中和相关的发震断层活动行为等进行了分析,希望研究成果能为更深入的认识此次地震成因和破裂过程、评估区域强震危险性、理解祁连山断块的现今活动状态及其动力学机制等提供约束及借鉴。

1 区域地质概况

此次地震震中发生在祁连山内部冷龙岭北侧,大地构造上位于青藏高原东北缘巨型弧形褶皱带的前缘地带(图 1a),北侧为河西走廊过渡带,南侧为门源断陷盆地和中祁连隆起带,是高原东北缘吸收印度-欧亚板块碰撞和高原向外扩展的重要构造调节转换带(Gaudemer et al., 1995袁道阳等,1998Tapponnier et al., 2001; 嘉世旭和张先康,2008Yuan et al., 2013)。区内发育有托来山断裂、冷龙岭断裂、金强河断裂、古浪断裂、毛毛山断裂、老虎山断裂、海原断裂等一系列不同性质、不同走向的断裂(图 1b),组成了1000 km长的祁连-海原断裂带,共同调节青藏高原东北缘物质的向东运移(Peltzer and Tapponnier, 1988; 袁道阳等,2004郑文俊等,2004高锐等,2011Guo et al., 2019a, 2019b),区内构造变形极为复杂。门源盆地是渐新世中期祁连山开始强烈构造隆升形成的断陷盆地,新生代以来经历了4期以上的构造运动,现今仍在活动(马保起和李德文,2008)。该区域地震历史上强震活跃,1900年以来门源震区100 km范围内曾发生过1920年海原8.5级和1927年古浪8.0级2次8级大震、5次6级以上地震;1980年以来200 km范围内先后发生了1986年门源6.4级、1990年景泰-天祝6.2级、2003年民乐-山丹6.1级等地震(郭安宁等,2016胡朝忠等,2016姜文亮等,2017赵强等,2017图 1b)。

a—青藏高原活动断裂构造纲要图(图中矩形框代表图b位置;据Li et al., 2015修改);b—青藏高原东北缘冷龙岭断裂及邻区区域构造简图(LLLF—冷龙岭断裂;JQHF—金强河断裂;MMSF—毛毛山断裂;LHSF—老虎山断裂;HYF—海源断裂;TLSF—托来山断裂;GLF—古浪断裂;XS-TJSF—香山-天景山断裂;CMF—昌马断裂;HLLF—哈拉湖断裂;MLF—民乐断裂;WWF—武威断裂;RYSF—日月山断裂;ELSF—鄂拉山断裂,ATF—阿尔金断裂;黄色五角星代表此次地震震中,白色虚线代表图c地质剖面位置、红色实线代表此次地震的发震断裂冷龙岭断裂带;据Guo et al., 2019a修改)、c—祁连山块体构造剖面示意图 (a) Schematic tectonic map of the active faults in the Tibetan Plateau (modified after Li et al., 2015). The rectangular box in the figure represents the position of Fig. 1b; (b) Main active tectonics of the Lenglongling fault and adjacent region(modified after Guo et al., 2019a). The yellow star represents the epicenter of this earthquake, the white dotted line represents the position of the geological section in Fig. 1c, and the solid red line represents the seismogenic Lenglongling fault zone of this earthquake; (c) Geological profile of the Qilian Mountains block
LLLF-Lenglongling Fault; JQHF-Jinqianghe Fault; MMSF-Maomaoshan Fault; LHSF-Laohushan Fault; HYF-Haiyuan Fault; TLSF-Tuolaishan Fault; GLF-Gulang Fault; XS-TJSF-Xiangshan-Tianjingshan Fault; CMF-Changma Fault; HLLF-Hala Lake Fault; MLF-Minle Fault; WWF-Wuwei Fault; RYSF-Riyueshan Fault; ELSF-Elashan Fault; ATF-Altyn Tagh Fault
图 1 研究区区域地质图 Fig. 1 Regional geological map of the study area

发震断裂冷龙岭断裂位于门源盆地北部,沿冷龙岭山脊展布。断裂东起甘肃省天祝县双龙煤矿以东,到门源-祁连公路的八道班以西为止,全长127 km,由多条长度不等的断层呈左阶斜列状组合而成,断裂左阶区形成拉分凹陷,总体走向60°~70°,倾向北东,倾角50°~60°,被部分学者认为是该区域活动速率最快的断裂(Lasserre et al., 1999; Guo et al., 2019a, 2019b)。断裂分段性明显,此次地震发生在硫磺沟段。断裂在该段断错晚第四纪冰碛物及现代冰川,以左旋走滑为主,在讨拉柴垅断层反向陡坎明显,断错的地层特征表现出北盘向南盘挤压仰冲性质,表明早期活动以挤压逆冲为主(何文贵等, 2000, 2010)。空间上,由于南祁连(西宁)断块的向东挤出,冷龙岭断裂作为北祁连断块与南祁连断块的分界,与北部的民乐断裂、武威断裂共同组成了祁连山北缘断裂系,剖面上表现为正花状构造,为左旋逆冲构造;门源盆地以南,日月山断裂分割了西宁断块与南祁连断块,形成了右旋走滑断裂,与祁连山北缘断裂系组成共轭走滑体系。冷龙岭断裂自1990年以来先后发生的3次MS6级以上地震,也致使对该区地震地质与地震活动性的研究更加紧迫。

2 同震地表破裂带及其特征 2.1 同震破裂的整体展布特征

震区位于平均海拔>3600 m的高寒区,自然条件极其恶劣,部分地区积雪厚逾30 cm。由于交通不便,该区域活动构造研究程度较低。为了查明该地震的发震构造,在对该区高分辨率卫星影像详细解译的基础上,运用追踪法对破裂带进行野外考察。结果表明,门源地震产生了呈左阶斜列分布、总长度近23 km的南、北2条主破裂带,二者之间存在长约3.2 km、宽近2 km的地表破裂空区(图 2)。北支主破裂(F2)为此次地震的主破裂,位于冷龙岭断裂的西段,总长度近20 km,以左旋走滑变形为主,整体呈微凸向北东的弧形,依据破裂带的走向和连续性可将其分为走向分别为102°、109°和118°的西、中、东3段,每段的几何形态、派生构造和组合形式均有所差异。南支破裂(F1)出现在托来山断裂的东段,走向91°,长约2.4 km,以兼具向南逆冲的左旋走滑性质为主。F2中—东段的北侧发育一条北支次级破裂(F3),以右旋正断为主,长度约7.6 km(图 2)。

3a—7f代表下文图中照片位置;F1—F3分别代表南支破裂、北支主破裂和北支次级破裂 3a-7f represent the locations of the photos in the following figures; F1-F3 represent the south branch rupture, the north branch main rupture and the north branch secondary rupture, respectively (see discription in chap. 2.1) 图 2 2022年1月8日青海门源MS 6.9地震地表破裂分布图 Fig. 2 Surface rupture distribution map of the Menyuan MS 6.9 earthquake in Qinghai province on January 8, 2022
2.2 南支破裂(F1)及其特征

南支破裂(F1)位于北支主破裂(F2)西南约4.6 km。F1西端发育雁行状展布的张裂隙及小裂缝(图 3a),拉张量为厘米级,疑似走滑量忽略不计。向东变为R剪切面上的挤压脊与拉张阶区交替出现,其中最大鼓包高1.3 m,宽2~3 m。左旋错断明确标志物(栅栏、冰面、河床)位移量约0.30~0.34 cm,最大0.38~0.40 m(图 3b3c),较为稳定。破裂最东端与东段地表破裂带未连接,斜列产生拉张阶区,形成十余条拉张-左旋裂缝,单条长约10~30 m(图 3d)。在破裂东端以北,沿线未见地表破裂。

a—南支西侧尾端拉张区的左阶雁列张裂隙带;b—南支栅栏错动;c—南支次级破裂临近东端的左旋错断0.34 m;d—南支次级破裂临近东侧多条发散小裂缝 (a)The left-step en echelon of the tensile fracture zone at the west end of the south branch; (b) The fence dislocated by the south branch; (c) A 0.34 m sinistral displacement near the east end of the south branch; (d) Several small divergent fractures developed near the east side of the south branch 图 3 南支破裂(F1)野外照片(位置见图 2) Fig. 3 Field photos of the south branch rupture (F1) (see location in Fig. 2)
2.3 北支主破裂(F2)及其特征

破裂西端终止于大约,37°48′50.49″N,101°11′38.04″E,由一系列小型拉分、挤压脊、张裂隙、剪切裂隙等雁行状组合而成,表现为显著的左行走滑运动性质(图 4a)。继续往山坡上追踪,破裂呈现零星的几支张裂隙、张剪裂隙发散,每条裂隙宽约1.5~2.5 cm,走向约27°~64°,长度20~40 m不等,并逐渐变窄变细分散消减于灌木丛中(图 4b)。破裂西段向东至硫磺沟(37°48′12.74″N,101°15′15.42″E),该段破裂长约6.3 km,形成较为明显的线性陡坎,平均走向呈102°,破裂规模较大,主要由连续分布的100°~110°走向的裂隙组成(图 4c),走向较为连续,往东略向北呈弧形弯曲。破裂沿公路以东的山坡向前传播,开始出现小规模路面裂缝和边坡失稳垮塌等地质灾害,多见逆冲形成的挤压鼓包(平均长宽高7 m×3 m×0.8 m;图 4a)和与之成大角度相交的张裂隙。雪印、草皮、栅栏等都被左行错断,走滑位错大约在0.8~1.0 m(图 4d),特别在两条R剪切面由阶区多形成挤压脊和4~5条大规模并列展布的追踪张裂隙相间分布(图 4e)。部分地区破裂分为南北两支,行进50 m左后汇合。地震台网测得的宏观震中两侧,地表破裂连续性极好,规模较大,破裂带宽度数米至几十米不等。该部分破裂带错断了栅栏、小冲沟等标志物,测得的左行走滑位错量在1.6~2.8 m之间,普遍在2.0 m以上,宏观震中附近测得的最大左旋位移量为2.55~2.60 m,标志物为栅栏(图 4f)。宏观震中以东,左旋位移量逐渐降低,破裂表现为挤压鼓包,位移量普遍在1.2~1.6 m。在该段东端,破裂形成一长约1 km,宽约300 m,走向95°的右阶区。

a—破裂西段上R剪切破裂右阶部分发育的低角度逆冲断层,缩短量约91 cm;b—破裂西段的尾端呈马尾状撒开走向的张剪裂隙带,单条裂缝拉伸量和左旋走滑量都仅在厘米级;c—破裂西段无人机航拍照片;d—地表草坨左旋位错0.8 m;e—宏观震中附近最大张裂隙;f—宏观震中附近左旋错断栅栏约2.6 m (a)The low-angle thrust fault developed in the right stage of the R shear rupture in the west section of the rupture, with the shortening distance of about 91 cm; (b) A ponytail-shaped spreading tension-shear fracture zone At the tail end of the west section of the rupture, whose tensile amount and left-lateral strike-slip amount of a single crack are only at centimeter level; (c)Aerial photo of UAV in the west section of the rupture; (d)The sinistral dislocation of the grass mound reaches 0.8 m; (e)Maximum tensile fracture near the macroscopic epicenter of seismic network; (f)The 2.6 m sinistral dislocation of the fence near the macroscopic epicenter of the seismic network 图 4 北支主破裂(F2)西段野外照片(位置见图 2) Fig. 4 Field photos of the west section of the north branch main rupture (F2) (see location in Fig. 2)

破裂带中段西起右阶区,东至37°46′11.47″N,101°21′36.99″E,总体走向112°,总长约8.7 km,部分区段破裂走向随局部地形发生变化,在91°~132°之间摆动。破裂在起点河床处走向120°,冰面上南侧抬升0.5~1.0 m,河床东南岸右旋挤压脊走向15°。在宏观震中以东约2.5 km(37°47′57.60″N,101°15′45.40″E)破裂错断河床,测得最大左旋位移量为3.0±0.2 m(图 5a),这也是整条破裂带上发现的最大同震位移。山坡上左阶拉分区发育大量张裂隙,左旋位移量不清晰。在阶区东侧较平坦的冲洪积扇与现代河床及两岸河漫滩上发现了多条规模较小、新生的地震地表破裂和不同性质的地表裂缝带,形变带宽约40 m,长约200 m。地表破裂带总体走向105°~110°,介于75°~135°,右阶斜列的张剪、压扭裂缝与挤压鼓包、张裂缝组合,左旋走滑位移为1.23~1.85 m,较阶区北西侧明显减小。自右阶区东侧约1.3 km开始,破裂分为南北两支,其中南支山前破裂为主破裂带,规模大,连续性好,沿破裂带主要发育中等规模挤压脊和少量张裂隙(图 5b)。在冷龙岭大梁隧道附近,见大量边坡失稳、岩崩、滚石以及裂缝等(图 5c5d),在隧道南侧山坡上见山前破裂和不同大小崩落状态的滚石。南支破裂穿过冷龙岭大梁隧道后规模逐渐变小,走向转为116°,R剪切面方向93°,为左旋逆冲性质(图 5e)。据此在该段测量获得地震破裂的最大左行位错量可达1.8~1.9 m(图 5f)。继续向东,连续性进一步变差,零星可见雁行状展布的裂隙,最东端直至山前破裂入河床处。据此将该山间盆地内破裂尖灭处定为中段地表破裂的东端。

a—沿整条破裂带最大左旋位移量3.0±0.2 m;b—左旋主破裂上张裂隙与挤压鼓包相间排列;c—冷龙岭大梁隧道附近南坡上大型张裂隙;d—冷龙岭大梁隧道附近边坡失稳与岩崩现象;e—左旋主破裂上的R剪切面;f—逆断层错断板岩 (a)The maximum sinistral displacement of 3.0±0.2 m along the whole fracture zone; (b)Tensile cracks and extrusion bulges alternately arranged in the sinistral main rupture; (c)Large tensile cracks on the south slope near the Lenglongling Daliang Tunnel; (d)Slope instability and rock collapse near the Lenglongling Daliang Tunnel; (e)R shear plane on the sinistral main rupture; (f)The slate dislocated by reverse fault 图 5 北支主破裂(F2)中段野外照片(位置见图 2) Fig. 5 Field photos of the middle section of the north branch main rupture (F2) (see location in Fig. 2)

破裂带东段与中段之间存在约900 m未见明显地表破裂的空区,该段西起37°45′53.55″N,101°21′47.13″E,东端至37°44′40.24″N,101°24′2.28″E,总体呈118°走向,长约5 km。空区以东,出现张裂隙(图 6a)和1~2 m高的挤压鼓包,转换的左旋位移量约0.7~1.2 m,最大挤压鼓包对应走滑位移1.41 m(图 6b),挤压鼓包规模向东逐渐减小。破裂向东延伸发育鼹鼠构造(图 6c),继续延伸向东行迹变得简单(图 6d),至37°44′52.98″N,101°23′53.01″E以东的现代冲洪积扇面上,破裂行迹模糊,未见任何地表裂缝。

a—北支东段上左阶拉分区走向96°的张裂隙;b—北支东段挤压鼓包,长宽高为3.8 m×4 m×1.6 m,对应走滑位移1.1~1.4 m;c—左旋剪切地表鼹鼠构造形迹;d—破裂东端的线性地表破裂形态 (a)The extensional fissure striking 96°in the upper left step pull-apart area in the east section of the north branch; (b)The extrusion bulge in the east section of the north branch of 3.8 m in length, 4 m in width and 1.6 m in height, and the corresponding strike-slip displacement of 1.1~1.4 m; (c)Mole structural features in the sinistral shear surface; (d)Linear surface rupture pattern at the east end of the rupture 图 6 北支主破裂(F2)东段野外照片(位置见图 2) Fig. 6 Field photos of the east section of the north branch main rupture (F2) (see location in Fig. 2)
2.4 新发现的右旋正断北支次级破裂(F3)

北支破裂西端空间上呈左阶雁裂展布,左阶挤压右阶拉张,为右旋走滑兼正断,形成小型拉分(图 7a)和雁行状展布的T面、R面(图 7b7c),总长约7.6 km,向东南延伸并入主破裂带中。在硫磺沟隧道桥下与山前之间的简易公路上见多条地表裂缝,断错的标志显示这些裂缝既有左旋性质又有右旋性质,并且错断硫磺沟隧道桥的多个桥位,整个桥体累积位移量为右旋0.8 m(图 7d),表明块体在靠近北侧刚性块体的山前存在弹性回弹效应。北支破裂向东转为发育一条走向125°的正断,沿断层有泉水分布,最大垂直断距>1 m(图 7e),再向东西两侧发散为多条小规模裂缝,并逐渐尖灭消失。右旋破裂与正断之间,零散可见两组成60°~65°共轭夹角旋向相反的剪裂隙,单条裂隙宽约2 cm,长度可达20~60 m,为局部纯剪切的格子状构造(图 7f)。

a—北支次级右旋破裂菱形拉分;b—北支次级右旋破裂R剪切面局部特征;c—北支次级右旋破裂R剪切面整体形态;d—右旋破裂错动铁路桥梁;e—北支右旋正断破裂上垂直断距约1.5 m的正断层崖;f—北支东段北侧右旋剪切破裂中的共轭剪裂隙 (a)Diamond-shaped pull-apart of the north branch secondary dextral rupture; (b)Local features of the R shear plane of the north branch secondary dextral rupture; (c)Integral shape of the R shear plane of the north branch secondary dextral rupture; (d) Railway bridge dislocated by the dextral rupture; (e)The normal fault cliff with a vertical fault distance of about 1.5 m on the north branch normal dextral rupture; (f) Conjugate shear fissures in the dextral shear rupture on the north side of the east section of the north branch, and the pink arrow represents the strain direction 图 7 同震破裂带右旋张剪北支次级破裂(F3)野外照片(位置见图 2) Fig. 7 Field photos of the north branch secondary dextral rupture (F3) in the coseismic rupture zone (see location in Fig. 2)
3 讨论 3.1 同震破裂规模与震级关系

野外地震地质考察表明,最大位移量位于北支破裂的中段,最大左旋位移量约3.2 m,而门源地震产生的同震地表破裂带总长度约为23 km。利用Wells and Coppersmith(1994)震级-最大位移量统计公式:MW=6.81+0.78log(Dmax),计算此次门源地震的矩震级约为7.2级,明显大于由地表破裂带长度计算得到的MW 6.7级。此次地震的最大位移明显大于玛多地震与玉树地震(周春景等,2014盖海龙等,2021潘家伟等,2021),而结合震源破裂的反演结果,很可能与震源深度或震源破裂浅(主要在6~8 km)有关。这可能说明Wells and Coppersmith(1994)的公式需要针对不同地区引入震源深度、岩体力学性质等更多的参变量,才能更精确地反映震级与破裂的关系。在冷龙岭大梁隧道南侧近北西西走向的陡峭山脊上可见多处裂缝、边坡失稳及垮塌等地质现象(图 7c7d),规模大且在考察时仍在活动,至春夏雨水季节易发生滑坡危害(刘铮等,2020)。此处距离中国地震台网测定的震中约2.5 km,说明实际宏观震中与地震台网由波速计算的震中可能存在偏差。

3.2 对冷龙岭断裂的深部构造及高原东北缘现今活动的启示

2022年青海门源MS 6.9地震的独特之处在于,破裂中段自冷龙岭大梁隧道附近起向东约7 km,同时发育南北两支规模相近的破裂F2、F3。发震断层冷龙岭断裂是全新世活动断裂,在该段地震破裂走向105°~118°,南侧主断裂为左旋逆冲,北支断裂为右旋拉张,二者之间存在2~3条左旋拉张的次级断裂,造成南侧断层向北逆冲而北侧断层向南正断,形成了相距近800 m的弥散变形带,在地表产生拉分,控制了山间小型盆地的发育(图 8)。南北两侧左旋和右旋共存的破裂行为,表明冷龙岭断裂在硫磺沟段可能由两支活动断层组成,并向深部汇聚成一条主断裂,形成南侧正花状构造和北侧负花状构造并存的结构特征。

a—错断硫磺沟桥隧的花状构造图(F2-1~F3-6代表次级分支破裂);b—右旋破裂成因模式图(V1V2箭头分别代表主动盘和被动盘运动速度;主动盘(南盘)向东挤出,由于块体内部运动速度差异导致左旋主断层上发育右旋断层,两盘之间为转换变形区;蓝色曲线表示地表标志物拖曳变形) (a)Flower-like structure of the dislocated Liuhuanggou bridge tunnel; F2-1~F3-6 represent the secondary branch of the rupture; (b) Genetic model of the dextral rupture. V1 and V2 represent the velocity of the active fault wall and the passive fault wall, respectively; The active fault wall (south fault wall) is extruded eastward. Due to the velocity difference inside the block, the dextral fault is developed on the sinistral main fault, and there is a transition zone for the deformation between the two fault walls; The blue curve indicates the dragging deformation of the surface marker. 图 8 硫磺沟段破裂深部结构及右旋机理 Fig. 8 Diagrams showing the deep structure and dextral rupture mechanism of the ruptures in the Liuhuanggou section

此次门源地震发震断裂为典型的浅源走滑型地震,且在主破裂带尾端呈现南、北两盘不对称拉张,张裂隙、追踪张裂隙几乎全部出现在南盘,反映了断裂南盘为主动盘并且向东挤出。北祁连内部上地壳现今构造变形仍以近东西向向东挤出为主,块体的挤出由东向西迁移的趋势,多条左旋兼具逆冲性质的活动断裂在其中扮演了重要角色。被其分割的各个小型块体之间相对运动速度存在差异从而产生长期应变,并在累积到一定程度时,发生构造活动调节相应的变形。

3.3 区域未来强震危险性问题

此次发震断层为海原活动断裂系统西段的近东西向至北西西向的托来山断裂和冷龙岭断裂,它们具有以左旋走滑为主且产状近直立的特征(夏阳,2015)。在区域上,该发震断裂带在平面上与南侧以右旋走滑为主的北北西向日月山断裂构成了典型的几何学与运动学共轭关系。而在深部结构上,此次发震的冷龙岭断裂西段恰好是其发生右阶式弯曲的左旋挤压构造部位,其与南侧相距仅5~7 km、向北东倾斜的门源盆地北缘逆冲断裂,以及北侧相距约20 km、向南倾斜的祁连山北缘逆冲断层系中的民乐断裂,三者在深部构成了典型的正花状压扭变形构造系统。历史上的强震案例反映出区域性断块活动、活断层体系、强震丛集发生及空间迁移存在密切关系,如中国大陆内部最近20年的一系列M>6.5强震的主体活动区集中在巴颜喀拉断块及周边(邓起东等,2014),而且区域上的主要强震事件主要沿同一断裂带的不同段落发生(吴中海和赵根模,2013),或在存在几何学与运动学密切关系的同一活断层体系中的不同断裂或构造带间进行迁移(吴中海等, 2014, 2016),如1920年沿海原断裂带发生8.5级大地震后,时隔7年,沿相邻的祁连山山前逆冲断裂带发生了1927年8.0级古浪大地震。

基于此次门源地震的发震断层活动特点,联系其与周边断裂带的几何学与运动学关系可以推断(赵根模等,2020),在印度与欧亚板块间持续的近南北向强烈碰撞挤压背景下,青藏高原东北缘的祁连山断块在不断向北扩展的同时,其中的南祁连断块在沿着海原左旋走滑断裂系向东不断挤出。在此大陆动力学机制下,需要进一步重视3方面的区域强震危险性问题:①从断块活动角度,祁连山断块是否会逐步取代巴颜喀拉断块,成为中国大陆内部未来一段时间的强震主体活动区;②从断裂活动分段性特点的角度,海原断裂系统中的其他地震空区的强震危险性可能进一步增强;③从活动断层体系角度,区域上与此次发震断层存在密切成因联系的日月山断裂、门源盆地北缘断裂和民乐断裂的强震危险性存在增大的可能性。虽然此次门源6.9级地震因发生在人烟稀少区域而并未造成严重的人员伤亡,但周边的日月山断裂、门源盆地北缘断裂和民乐断裂的穿越区,尤其是民乐断裂靠近河西走廊至张掖一带,是人口相对密集区。因此,以海原左旋走滑断裂系为主边界的祁连山断块及其周边区域的未来强震危险性,更值得从活动构造、地震地质和深部地质等多学科角度进行深入研究,从而为区域防震减灾等提供更扎实的科学依据。

4 主要结论

通过对2022年1月8日门源6.9级地震的同震地表破裂带调查结果的初步分析,获得以下主要结论。

(1) 此次地震产生了呈左阶斜列分布、总长度近23 km的南、北两条主破裂带,两者之间存在长约3.2 km、宽近2 km的地表破裂空区。南支(F1)出现在托来山断裂东段,走向N91°E,长约2.4 km,以兼具向南逆冲的左旋走滑性质为主,最大走滑位移近0.4 m。北支(F2)位于冷龙岭断裂西段,总长度近20 km,以左旋走滑变形为主,呈整体微凸向北东的弧形展布,包含了走向分别为102°、109°和118°的西、中、东三段,最大走滑位移出现在中段,为3.0±0.2 m。此外,在北支主破裂中—东段的北侧还发育一条累计长度约7.6 km、以右旋正断为主的次级破裂(F3),累计最大走滑量约0.8 m,最大正断位移约1.5 m。

(2) 门源地震的同震破裂以左旋走滑变形为主,并显示出双侧破裂特点,宏观震中位于北支主破裂带的中段,其地表走滑位移大可能与震源破裂深度浅有关,而北支主破裂北侧出现的右旋正断次级破裂可能是南侧主动盘拖曳北侧块体发生差异运动所引起的特殊变形现象。由于兰新高铁的桥隧恰好被该次级破裂与南侧主破裂同时穿过,因而导致了严重损坏。

(3) 印度与欧亚板块间的近南北向强烈碰撞挤压导致青藏高原东北缘南祁连山断块沿海原左旋走滑断裂系向东挤出,从而引发该断裂系中的托来山断裂与冷龙岭断裂同时发生破裂,是导致此次强震的主要动力机制。在此大陆动力学背景下,是否预示以海原左旋走滑断裂系为主边界的祁连山断块及其周边区域会成为未来中国大陆内部的主要的强震活跃区,值得进一步重视和深入研究。

致谢: 青海省地震局盖海龙工程师和中国地质科学院地质研究所潘家伟副研究员为此次野外考察提供了数据支持和帮助,审稿专家对文稿提出了宝贵的修改意见和建议,在此一并表示衷心感谢。

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