2021年青?，敹郙W7.4地震同震地表破裂長(zhǎng)度的討論

姚文倩 王子君 劉 靜 劉小利 韓龍飛 邵延秀 王文鑫 徐 晶 秦可心 高云鵬 王 焱 李金陽(yáng) 曾憲陽(yáng)

1)天津大學(xué)，地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，表層地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，天津 300072

2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

3)中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430064

4)中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054

0 引言

地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要依賴于地表破裂特征的精細(xì)刻畫、斷裂滑動(dòng)速率、地震復(fù)發(fā)間隔等，其中有關(guān)地表破裂特征的精細(xì)刻畫包括地表破裂的位置、連續(xù)性及長(zhǎng)度等，這些特征參數(shù)的確定對(duì)于震源參數(shù)的獲取以及地震災(zāi)害的評(píng)估有著重要的指示意義(Bonillaetal.，1984； Wellsetal.，1994； Xuetal.，2006)。在評(píng)估區(qū)域未來(lái)地震的發(fā)生潛力時(shí)，斷裂可能發(fā)生的最大地震的震級(jí)是重要的評(píng)估基礎(chǔ)，該值可通過(guò)已發(fā)生特征地震的破裂參數(shù)，如破裂長(zhǎng)度和同震位移進(jìn)行估算。因此，前人基于已有震例建立了震級(jí)與不同的破裂參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，如震級(jí)與地表破裂長(zhǎng)度、震級(jí)與同震位移、破裂長(zhǎng)度與位移等(Bonillaetal.，1984； Wellsetal.，1994； Stirlingetal.，2008)。地表破裂長(zhǎng)度是地震破裂的重要參數(shù)，其值可通過(guò)野外調(diào)查、室內(nèi)影像解譯甚至地球物理學(xué)方法進(jìn)行估計(jì)(Klingeretal.，2005； Xuetal.，2006； Lietal.，2012； Renetal.，2019； 華俊等，2021； 王未來(lái)等，2021)。其中，野外實(shí)地調(diào)查是獲取地表破裂長(zhǎng)度值的最準(zhǔn)確手段。因此，每次大地震發(fā)生后，研究者們通常于第一時(shí)間開展野外調(diào)查，以盡快獲取地表破裂長(zhǎng)度等參數(shù)。

在初步確定某次強(qiáng)震的地表破裂長(zhǎng)度時(shí)，存在多種因素可能導(dǎo)致獲取的長(zhǎng)度值不精確甚至誤差較大，如由于難以到達(dá)偏遠(yuǎn)的震區(qū)位置而未能精確識(shí)別破裂的起始及終點(diǎn)位置，破裂端點(diǎn)在震后遭遇滑坡覆蓋、雨水沖刷或動(dòng)植物破壞等，誤將位移量逐漸消減的位置作為破裂終點(diǎn)，沿?cái)嗔寻l(fā)育的幾何不連續(xù)段落被忽略(如斷裂沿線經(jīng)過(guò)的砂土液化點(diǎn)、沙丘、湖泊等)等，這些因素都應(yīng)當(dāng)在統(tǒng)計(jì)地表破裂長(zhǎng)度時(shí)謹(jǐn)慎規(guī)避。

地表破裂長(zhǎng)度是地震破裂的重要參數(shù)之一，因此有必要基于更詳實(shí)的地震地質(zhì)調(diào)查資料，對(duì)上述有關(guān)瑪多地震的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。此外，準(zhǔn)確限定地震的地表破裂長(zhǎng)度也將有助于評(píng)估江錯(cuò)斷裂的地震危險(xiǎn)性。我們分別于2021年5月和9月前往震區(qū)開展了2次大范圍的野外調(diào)查，并結(jié)合對(duì)無(wú)人機(jī)航拍影像和高精度地形數(shù)據(jù)的精細(xì)解譯，最終明確了瑪多MW7.4 地震地表破裂的展布特征、破裂分段以及破裂長(zhǎng)度等重要參數(shù)，并進(jìn)一步分析了地表破裂長(zhǎng)度誤差產(chǎn)生的原因，同時(shí)探討了地震破裂長(zhǎng)度與地震強(qiáng)度的關(guān)系。

1 區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造背景

新生代以來(lái)，印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)碰撞形成了舉世矚目的青藏高原，并使其不斷向周緣擴(kuò)展及增生(Tapponnieretal.，2001； Molnaretal.，2009)，也塑造了高原強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，其中最顯著的變形特征之一就是分布于高原周緣及內(nèi)部的多條大型走滑活動(dòng)斷裂，如海原斷裂、昆侖斷裂、鮮水河斷裂等，這些典型的活動(dòng)斷裂也是高原強(qiáng)震的發(fā)震構(gòu)造(Tapponnieretal.，2001； 張培震等，2003)。而被東昆侖斷裂帶、龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶和甘孜-玉樹斷裂帶等一系列大型斷裂帶圍限的巴顏喀拉塊體位于青藏高原中北部，是中國(guó)大陸現(xiàn)今地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈的活動(dòng)塊體之一(圖 1)(Tapponnieretal.，1982； Burchfieletal.，1995； 張培震等，2008； 鄧起東等，2010； 聞學(xué)澤，2018)。

圖 1 青藏高原的主要活動(dòng)斷裂及強(qiáng)震分布圖Fig. 1 Distribution of major active faults and earthquakes of the Tibetan plateau.活動(dòng)斷裂修改自Tapponnier等(2001)，五角星指示2021年5月22日瑪多 MW7.4 強(qiáng)震震中

除四大邊界斷裂帶外，巴顏喀拉塊體內(nèi)部以東區(qū)域還廣泛發(fā)育了一系列NW-SE向的活動(dòng)斷裂，如五道梁-長(zhǎng)沙貢瑪斷裂、達(dá)日斷裂、瑪多-甘德斷裂和江錯(cuò)斷裂等，這些斷裂的晚第四紀(jì)活動(dòng)性特征較為明顯(戴華光，1983； 梁明劍等，2014)。其中，達(dá)日斷裂中段曾在1947年3月17日發(fā)生過(guò)M7強(qiáng)震，且震中烈度達(dá)Ⅹ度(戴華光，1983； 中國(guó)地震局震害防御司，1999)。最新研究表明，此次強(qiáng)震產(chǎn)生了長(zhǎng)約70km的顯著地震地表破裂帶(梁明劍等，2020)。總體而言，目前對(duì)于塊體內(nèi)部諸多活動(dòng)斷裂的相關(guān)研究還很匱乏，尤其是此次瑪多地震的發(fā)震斷裂——江錯(cuò)斷裂，在此次地震發(fā)生之前僅在1︰25萬(wàn)地質(zhì)圖上被局部勾勒過(guò)，且標(biāo)注為不連續(xù)的逆沖斷裂，其第四紀(jì)活動(dòng)性未知。

2 方法和數(shù)據(jù)

瑪多MW7.4 地震發(fā)生后，天津大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院立即組織科考隊(duì)前往震區(qū)開展了野外調(diào)研工作，并迅速進(jìn)行了無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量作業(yè)，持續(xù)時(shí)間為2021年5月24日—6月15日，獲得高精度影像40000余張。航拍作業(yè)所使用的飛行平臺(tái)為成都縱橫大鵬無(wú)人機(jī)科技有限公司自主研發(fā)的CW-15型無(wú)人機(jī)，搭載4200萬(wàn)像素的單反相機(jī)、攜帶GPS模塊(通過(guò)與單反相機(jī)的相對(duì)位置可準(zhǔn)確得到航拍照片的GPS信息)。我們基于震后數(shù)天的InSAR range offset推測(cè)的地表破裂位置(社交軟件共享)為航拍作業(yè)的中心線，沿地震地表破裂帶設(shè)計(jì)覆蓋中心線兩側(cè)各500m、長(zhǎng)約180km的航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)廊帶(圖 2)。將kmz文件分段導(dǎo)入CW-Commder飛控平臺(tái)設(shè)置航拍區(qū)域并自動(dòng)生成無(wú)人機(jī)航空測(cè)線，其中航空照片的航向重疊率與旁向重疊率分別為80%和80%，地面比例尺大多設(shè)置為1︰300(在地形復(fù)雜的破裂東端設(shè)置為1︰600)。 為提高航拍照片絕對(duì)位置的準(zhǔn)確度，架設(shè)RTK地面基站并采集CORS站數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。每獲取一個(gè)架次的航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，立即使用PPS位置解算軟件對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)(Pos)、RTK基站位置數(shù)據(jù)和CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，從而獲取每張航空照片的精確位置信息，包括經(jīng)緯度坐標(biāo)、高程、無(wú)人機(jī)的航向、滾轉(zhuǎn)與俯仰等參數(shù)。

圖 2 無(wú)人機(jī)航拍作業(yè)區(qū)域分布圖Fig. 2 Map showing the UAV operation area.

此外，基于前期在室內(nèi)對(duì)高精度Google Earth影像數(shù)據(jù)的初步解譯結(jié)果，我們推測(cè)在優(yōu)云鄉(xiāng)東段的山區(qū)范圍內(nèi)可能發(fā)育地表破裂。因此，還利用大疆精靈Phantom4ProV2.0小型無(wú)人機(jī)對(duì)優(yōu)云鄉(xiāng)段東段的局部區(qū)域進(jìn)行了航空攝影測(cè)量作業(yè)，作業(yè)時(shí)間段為2021年6月29—31日，作業(yè)面積約為54km2(圖 2)。本款小型無(wú)人機(jī)搭載FC6310S型號(hào)相機(jī)，配備1英寸2000萬(wàn)像素的影像傳感器和8.8mm焦距的廣角鏡頭，所得影像數(shù)據(jù)的分辨率高、成像效果好。另外，該無(wú)人機(jī)集成了全球定位系統(tǒng)(GPS)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)衛(wèi)星定位雙模塊，保證了影像定位的準(zhǔn)確度。

室內(nèi)數(shù)據(jù)處理主要基于運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)重建方法(Structure from Motion，SfM)開展，使用商業(yè)軟件Agisoft PhotoScanTM軟件構(gòu)建具有地理坐標(biāo)信息的三維拼接影像及地形數(shù)據(jù)。這種新型數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)可利用高效的圖像特征匹配算法，從多視角照片中提取重疊區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù)(Fisheretal.，2005； Westobyetal.，2012； Fonstadetal.，2013； Johnsonetal.，2014)。通過(guò)Agisoft PhotoScanTM軟件構(gòu)建三維地形數(shù)據(jù)包括以下5個(gè)步驟： 1)將照片和相應(yīng)的位置信息導(dǎo)入軟件，檢查影像質(zhì)量，剔除一些顏色異常、不清晰、嚴(yán)重變形等質(zhì)量較差的圖像； 2)通過(guò)圖像之間的特征匹配和跟蹤以重構(gòu)三維景觀，該步驟結(jié)束后得到稀疏的真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 3)基于稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 4)建立紋理和網(wǎng)格數(shù)據(jù)； 5)構(gòu)建數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)與數(shù)字正射影像(Digital Orthograph Model，DOM)，并導(dǎo)出為tif文件。其中，在獲取高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)后可借助其他優(yōu)化數(shù)字高程模型的專業(yè)軟件(如QT Modelder等)制作DEM數(shù)據(jù)。研究中，在室內(nèi)利用DELL Precision 7820 Tower圖像處理工作站嚴(yán)格按照上述操作流程對(duì)本次航拍采集的大量影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲取分辨率達(dá)3～6cm的數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型，并基于ArcGIS、Global Mapper制圖軟件平臺(tái)對(duì)DEM進(jìn)行處理得到相關(guān)衍生圖(如坡度圖、山影圖、等高線圖等)。

3 瑪多地震地表破裂的幾何結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)2次野外地質(zhì)考察，我們對(duì)瑪多地震地表破裂進(jìn)行了詳細(xì)追蹤和測(cè)量，結(jié)合對(duì)覆蓋破裂全段的高精度拼接影像的精細(xì)解譯，最終確定了瑪多地震地表破裂復(fù)雜的幾何學(xué)形態(tài)展布特征。此次地震的同震地表破裂主要沿江錯(cuò)斷裂發(fā)育，依據(jù)其走向變化自西往東可依次劃分為鄂陵湖南段、野馬灘段、黃河鄉(xiāng)段、優(yōu)云鄉(xiāng)段和江錯(cuò)分支段，全長(zhǎng)約為158km(圖 3)。

圖 3 瑪多 MS7.4 地震的地表破裂分段及區(qū)域活動(dòng)斷裂分布圖Fig. 3 Segmentation of coseismic surface rupture of the Madoi MW7.4 earthquake and distribution of active faults in the study area.地表破裂的加粗位置為地表破裂的分散范圍，BP指示地表破裂出現(xiàn)分支段的起點(diǎn)，1號(hào)和2號(hào)點(diǎn)位分別為已有研究中的破裂東端點(diǎn)(潘家偉等，2021； 李智敏等，2021)

4 瑪多地震地表破裂的長(zhǎng)度

圖 4 江錯(cuò)分支段血麻鄉(xiāng)以東段落的高精度地形數(shù)據(jù)及地表破裂解譯圖Fig. 4 High-resolution DEM and mapping of the surface ruptures along the Jiangcuo section.圖中的1號(hào)和2號(hào)點(diǎn)位標(biāo)注同圖3所示

圖 5 血麻村附近的同震地表破裂展布特征Fig. 5 Characteristics of the coseismic surface ruptures near the Xuema village.a 地表破裂總體的幾何形態(tài)展布特征； b 連續(xù)發(fā)育的張剪切裂縫； c 沿EW向連續(xù)分布的小型擠壓鼓包，至水洼處消失； d 垂直于江錯(cuò)分支段的高程剖面，顯示發(fā)育斷層陡坎

圖 6 血麻村向E地表破裂零星分布的特征Fig. 6 Sparse distribution of the coseismic surface ruptures to the east of the Xuema village produced by Madoi earthquake.a 地表破裂的總體幾何形態(tài)展布特征； b 高精度數(shù)字正攝影像顯示的右行雁列張裂隙分布； c 垂直于江錯(cuò)分支段的高程剖面，顯示斷層陡坎發(fā)育

圖 7 江錯(cuò)分支段東端微弱的地表破裂特征Fig. 7 Characteristics of the subtle coseismic surface ruptures to the eastern end of the Jiangcuo section.

除江錯(cuò)分支段外，瑪多地震地表破裂傳播至冬草阿隆湖東側(cè)沙丘位置處，經(jīng)過(guò)大范圍沙丘覆蓋區(qū)段后，保持主破裂走向沿SE繼續(xù)傳播，即優(yōu)云鄉(xiāng)段。已有的研究認(rèn)為優(yōu)云鄉(xiāng)段與主破裂段之間的沙丘覆蓋段未見地表破裂，并將其定義為“空區(qū)”(潘家偉等，2021)。而本次研究顯示，地表破裂穿過(guò)了該沙丘覆蓋段落并零星出露，且局部較為連續(xù)，野外可見明顯的張裂隙且具有垂向位錯(cuò)(圖 8)，垂向位錯(cuò)量為2～30cm。穿過(guò)沙丘后行至山道附近，優(yōu)云鄉(xiāng)段地表破裂則開始大范圍分布，近EW向連續(xù)延伸(圖 3)。

圖 8 優(yōu)云鄉(xiāng)段沙丘內(nèi)地表破裂的野外照片F(xiàn)ig. 8 Photographs showing coseismic surface ruptures in the dune of the Youyunxiang section.b為a中相機(jī)位置拍攝的局部放大圖，顯示沙丘南側(cè)被垂向抬升約30cm

圖 9 鄂陵湖段的同震地表破裂特征Fig. 9 Characteristics of coseismic surface ruptures of the Eling Lake section.

5 同震地表破裂長(zhǎng)度的探討

5.1 同震地表破裂長(zhǎng)度研究結(jié)果的差異性

通過(guò)震后2次野外地表破裂實(shí)地調(diào)查和測(cè)量，結(jié)合基于高精度數(shù)字正射影像的精細(xì)填圖，確定瑪多MW7.4 地震的同震地表破裂長(zhǎng)158km。本次測(cè)量中： 1)未包含偏離主破裂跡線的次級(jí)破裂長(zhǎng)度，如優(yōu)云鄉(xiāng)段、鄂陵湖段北支等的地表破裂長(zhǎng)度不在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)； 2)未對(duì)跨階區(qū)的重疊段進(jìn)行重復(fù)計(jì)算； 3)針對(duì)大面積沙丘覆蓋區(qū)域解譯出的連續(xù)地表破裂被統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。 以上3點(diǎn)是與已有的研究測(cè)量的差異點(diǎn)。例如，潘家偉等(2021)基于野外調(diào)研認(rèn)為此次地震的同震地表破裂總長(zhǎng)約151km，其中包含約20km長(zhǎng)未識(shí)別出地表破裂的“空區(qū)”段。而李智敏等(2021)向W繼續(xù)考察發(fā)現(xiàn)地表破裂在距離血麻鄉(xiāng)約9km的位置尚且存在規(guī)模較小的右階雁列張裂隙，在該位置以東破裂消失，因此將其定為地表破裂的終點(diǎn)(圖 3 中的2號(hào)點(diǎn))，基于此觀測(cè)認(rèn)為地表破裂的總長(zhǎng)應(yīng)為160km。

5.2 同震地表破裂長(zhǎng)度的討論

表 1 瑪多 MW7.4 地震同震地表破裂的長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Table1 Length of the coseismic surface ruptures of the MW7.4 Madoi earthquake

圖 10 地表破裂長(zhǎng)度及矩震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系圖(修改自Well et al.，1994)Fig. 10 Regressions of moment magnitude versus surface rupture length(modified based on results of Well et al.，1994).圖中實(shí)線和虛線分別指示最佳和置信區(qū)間95%時(shí)地震震級(jí)和破裂長(zhǎng)度的線性關(guān)系

瑪多MW7.4 地震的余震序列表現(xiàn)為明顯的雙側(cè)破裂模式，沿主破裂面向東、西兩側(cè)均出現(xiàn)分支破裂(Heetal.，2021； Jinetal.，2021； 徐志國(guó)等，2021； Zhaoetal.，2021； Chenetal.，2022)，說(shuō)明本次地震觸發(fā)了兩側(cè)分支斷裂的破裂，這與本文的研究結(jié)果一致(圖 3)。本文基于詳細(xì)的野外調(diào)查識(shí)別出江錯(cuò)分支段的東端位于血麻鄉(xiāng)以東約11km的位置，這與之前利用地球物理學(xué)方法給出的東端點(diǎn)位置也基本吻合。雖然該段位于血麻鄉(xiāng)附近連續(xù)地表破裂跡線尾端以外，但其作為構(gòu)造地表破裂的一部分，應(yīng)當(dāng)被包含在地表破裂長(zhǎng)度的計(jì)算范圍之內(nèi)(Wesnousky，2008)。此外，本研究中還結(jié)合了高精度影像數(shù)據(jù)的精細(xì)解譯識(shí)別出優(yōu)云鄉(xiāng)段沙丘內(nèi)的諸多地表破裂跡線(經(jīng)野外檢驗(yàn)核實(shí)確認(rèn))以及人力較難抵達(dá)的F1斷裂上的較為連續(xù)的地表破裂段，這也彰顯了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在活動(dòng)構(gòu)造研究中的重要作用(Klingeretal.，2005； Oskinetal.，2012； Hudnutetal.，2020)。

6 結(jié)論

本研究對(duì)2021年5月22日瑪多MW7.4 地震展開了詳實(shí)細(xì)致的野外調(diào)研，結(jié)合高精度影像數(shù)據(jù)的精細(xì)解譯，得出以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

(1)此次同震地表破裂自西往東沿鄂陵湖南段、野馬灘段、黃河鄉(xiāng)段、江錯(cuò)分支段分布，破裂全長(zhǎng)約158km。冬草阿隆湖以東的沙丘區(qū)域內(nèi)存在半圓弧形的連續(xù)性張剪性地表破裂，而破裂在沿SE向優(yōu)云鄉(xiāng)段的傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)的大面積沙丘覆蓋區(qū)域也存在零星的張剪性地表破裂和斷層陡坎，陡坎的垂向位移可達(dá)30cm。

(2)限定同震地表破裂長(zhǎng)度的測(cè)量誤差重點(diǎn)在于更廣泛詳實(shí)的野外調(diào)查，宜結(jié)合高精度影像的精細(xì)解譯，并避免階區(qū)等段落幾何復(fù)雜區(qū)兩側(cè)疊加段落的重復(fù)計(jì)算。

(3)此次地震的同震地表破裂長(zhǎng)度較經(jīng)驗(yàn)公式估算值偏大的現(xiàn)象廣泛存在于青藏高原的其他大地震中，針對(duì)這一現(xiàn)象有待開展深入的研究工作以揭示其機(jī)理性的指示意義。

致謝審稿專家為本文提出了寶貴意見和建議，在此表示衷心感謝！