2022年1月8日青海门源6.9级地震的一些初步认识

韩竹军 牛鹏飞 李科长  吕丽星 

(中国地震局地质研究所)

目录


1 区域地震构造背景

2 地震地表破裂带

3 发震构造

4 地震灾害

5 未来活动趋势研判


2022年1月8日青海门源6.9级地震发生后,中国地震局地质研究所单新建所长、何宏林和万景林副所长等人牵头,立即启动应急工作,组织相关科技人员进行会商。根据青藏高原东北缘近期地震活动趋势研判的初步结果以及对此次地震发生构造背景的分析、尤其是我所在该地区多年来的工作基础,决定派出以韩竹军研究员为队长的中国地震局地质研究所青海门源6.9级地震现场科学考察队(照片1)。成立临时党支部,李煜航副研究员任支部书记。地震现场提供了大量鲜活的第一手资料,是我们与地震对话的一个窗口。通过地震现场科学考察,既是对我们过去认识的检验,又能启迪我们发现新问题,提出新思路,促进地震科学的发展。

照片1 中国地震局地质研究所领导班子、职能部门主管与科考队员合影

中国地震局地质研究所青海门源6.9级地震现场科学考察队分为地质组和GPS组,分别由韩竹军研究员和李煜航副研究员牵头。地质组成员还包括李科长、牛鹏飞两位博士生和吕丽星博士后;郭鹏副研究员在室内提供背景资料方面的帮助。现场工作期间,得到了曾在我所做过访问学者的青海省地震局盖海龙助理研究员大力帮助。经过7天现场调查以及面积达~16平方公里的无人机精细地貌测量、分析,地震地质组获得了如下一些基本认识。

1 区域地震构造背景

202218日青海省海北州门源县发生M6.9级地震(图1.1),这是继1986826日和20161212次门源6.4级地震之后该地区发生的又一强震(Guo et a.., 2017)。根据中国地震台网(https://news.ceic.ac.cn/CC202201080 14528.html),此次地震震源深度10 km,震中位于37.77° N101.26° E。在区域构造位置上,此次门源6.9级地震发生在青藏高原东北缘冷龙岭断裂、托莱山断裂和肃南-祁连断裂的阶区部位,构造较为复杂(图1.1)。青藏高原东北缘历史上发生过多次7级以上的地震,其中1920年以来发生过37.5级以上的大地震,包括1920年海原8.5级地震、1927年古浪8.0级地震和1932年昌马7.6级地震,它们分别沿海原断裂、冷龙岭断裂和昌马断裂产生了显著的地震地表破裂带,并造成了重大人员伤亡(Guo et al., 2019b, 2020; Zhang et al., 1987; 国家地震局地质研究所等, 1990 Xu et al., 2010; 侯康明等, 1998, 1999)。

图1.1 门源6.9级地震区域地震构造图

(a)实线方框为图b范围,黑色箭头指示块体运动方向;(b)断裂位置与性质(据邓起东等, 2007),虚线为古浪地震等震线(据顾功叙, 1983),地震数据来自中国地震信息网,TLSF-托莱山断裂、LLLF-冷龙岭断裂。


2 地震地表破裂带

此次6.9级地震序列在地表产生了4条破裂带,其中北支和南支地表破裂带规模较大,长度分别为~21.5km和~3.8km;加上2条规模较小的地表破裂带,合计长度~25km。在北支地表破裂带上测到的最大位错量为~3.1m;南支最大位错量~0.15m。中间的2条破裂带规模较小,其中1条发育在此次地震仪器震中(37.77° N,101.26° E)附近,长度~0.11km。破裂带总体走向北西西-近东西向。下面以北支为例,介绍此次地震地表破裂带发育特征。

根据走向及其地表破裂带分布的连续性,北支地表破裂带可以分为西、中和东3段,其中东段长~8.5km的地表破裂带可能为2022年1月12日5.2级地震形成的。

总体而言,此次6.9级地震序列形成了颇为壮观的地表破裂带(照片2.1、2.2)。地表破裂带的规模(宽度、长度、位错量等)似乎与主震震级并不相称。

由于地震断层破裂扩展到地表时,随着应力环境的变化、尤其是围压的消失,再加上断裂沿线介质环境的差异性,如河谷中冰层与混着植被的冻土层之间的差异性,使得地表破裂带表现出非常复杂的组合特征。边坡、山脊等地带的地表破裂带一般还叠加有重力作用。不同区段的地表破裂带宽度可以从数m到数十m、甚至百余m不等(照片2.3、2.4)。

沿着北支地表破裂带,以小型冲沟、道路和河岸为标志,量测到了0.79m、1.05m、1.8m以及2.8m不等的位错量(照片2.5、2.6),一些区段可观察到~0.7m的垂直位错量(照片2.7)。最大位错量出现在本区段(照片2.8)。位错量初步量测结果显示,变形强度具有由西向东衰减的特点。

照片2.1  北支西段地表破裂带上挤压鼓包

照片2.2  北支西段地表破裂带上拉张阶区


照片2.3 北支西段冲沟冰面上形成宽~50m地表破裂带

照片2.4 沿山脊、边坡等地段发育的地表破裂带叠加了重力作用


照片2.5 地表破裂带左旋错断围栏~1.8m

照片2.6 小冲沟两侧岸坡与沟床(冰面)同步左旋位错0.79m


照片2.7 硫磺沟河床高~0.7m的地表破裂带陡坎

照片2.8最大位错量~3.1m的量测



3 发震构造

此次地震的发震构造既不是冷龙岭断裂,也不是托莱山断裂,而是发育在它们之间阶区中的道沟断裂。沿着该断裂存在很好的断错地貌现象,虽然过去也关注过该断裂,但只是作为冷龙岭断裂与托莱山断裂之间阶区中复杂断裂系统的一部分,没有开展进一步工作以及相应的命名。在现有公开出版的图件和文献中(邓起东等,2007;徐锡伟等,2016),未见把冷龙岭断裂与此次地震地表破裂带相的情况。一般而言,冷龙岭断裂具有枢纽状走滑断裂的几何学特征,断裂东、西两段均存在明显的地貌反差(图3.1),为一条具有区域性构造控制性作用的大型断裂,沿着该断裂特征性地震的发震能力一般在7.5级以上。


图3.1 冷龙岭断裂与2022年门源6.9级地震地表破裂带北支西段关系图

冷龙岭断裂在2022年门源6.9级地震中也产生了地表破裂带(图3.23.3)。此次地震地表破裂带北支中、东段是与Guo et al.(2019)确定的1927年古浪8级地震地表破裂带重叠的(图3.2)。可以说,此次地震应是发生在1927年古浪8级地震地表破裂带的端部,重叠现象可能为一种应力触发的多洛米效应。

图3.2  2022年门源6.9级地震中与1927年古浪地震地表破裂带重叠关系图


图3.3  冷龙岭断裂平面分布及其与与1927年古浪地震地表破裂带关系图


4 地震灾害

地震灾害从机理可以分为两种类型,一是直接由地震振动引起的构建筑物、生命线工程等破坏;二是与地震地质灾害相关的破坏。地震地质灾害主要包括:地表破裂带、边坡失稳(滑坡、崩塌)、地基失效(如砂土液化、地表塌陷等)。

硫磺沟位于仪器震中与地震地表破裂带之间,为此次地震的极震区。我们对硫磺沟内一些构建筑物进行了现场调查,结果显示地表振动破坏程度很轻。例如,尽管跨硫磺沟公路桥左、右两侧桥墩出现开裂,~1cm左右的错位,但不影响跨硫磺沟各种车辆的通行功能(照片4.1、4.2)。跨硫磺沟的引硫济金枢纽工程基本完好,未见开裂现象,尤其是两座“头重脚轻”的控制室,也是基本完好(照片4.3)。当地牧民修建的夏季土坯房,也只是局部出现了开裂现象,但不影响使用功能(照片4.4)。

与这些建筑物破坏轻微或基本完好的情况形成鲜明对比的,是国家重点工程、兰新高铁硫磺沟大桥及隧道被完全破坏(照片4.5、4.6、4.7和4.8),初步估计经济损失数十亿元。在致灾机理上,现场调查表明:兰新高铁硫磺沟大桥及隧道的完全破坏是地震地表破裂带造成的(照片4.5、4.7、4.8)。沿着地表破裂带常见不同性质的地表位错,形成一条宽达数百m的地表破裂带。正是这种分布广泛、变形明显的地表破裂带,导致了兰新高铁硫磺沟铁路桥及其北侧隧道的完全破坏。

对此次地震灾害的调查结果更加突显了重大工程对活动断裂避让或采取抗震措施的重要性。近十年来,我们对冷龙岭断裂调查过程中,也见证了兰新高铁硫磺沟大桥从规划、施工、运行的全过程。在此次地震中,该项国家重大工程的完全破坏对我们触动很大。


照片4.1 跨硫磺沟公路桥正常发挥通行功能

照片4.2 跨硫磺沟公路桥桥墩与桥体连接处出现开裂


照片4.3跨硫磺沟引硫济金枢纽工程基本完好

照片4.4牧民夏季土坯房基本完好


照片4.5 兰新高铁铁轨被左旋位错~0.6m

照片4.6 整座桥面发生倾斜


照片4.7 兰新高铁隧道被地震断层左旋位错~2.7m,完全毁坏

照片4.8 地震断层造成隧道路基拱曲、隧道壁开裂


与壮观的地表破裂带相比,未见较大规模的地震滑坡、崩塌。只有规模很小的滚石及滚石堆积体(照片4.9、4.10)。


照片4.9 地震滚石在雪地上留下的痕迹


照片4.10 规模很小的地震滚石、碎石堆积体

5 未来活动趋势研判

此次地震地表破裂带在运动学特征存在如下两个不协调:

一是地表破裂与先存活动断裂地貌表现特征的不协调。4条破裂带不同区段均发育先存断裂。即使在位错特征不明显的两条规模较小的破裂带沿线,也可见到较为壮观的断错地貌现象,其中包括T1阶地有明显的变形。这样规模的位错特征显然不只是此次地震地表破裂带所能对应的,很可能意味着该区段、尤其是此次地震地表破裂带中西部区段有着更大的发震能力。

二是沿着走向上位错量的不协调。破裂带东段普遍存在2m以上的位错量,而在沿着托莱山断裂发育的西支地表破裂带最大位错量只有~0.15m,这种差异性说明:此次对托莱山断裂上有着直接的应力加载作。因此,需要关注托莱山断裂的活动性。

我们曾对拖莱山托莱山断裂东端大西沟地区进行过高分辨率遥感影像解译与野外地质地貌调查,结果显示断裂东端发育明显的断错地貌,主要表现线状延伸的断层陡坎、断层凹槽、断塞塘以及冲沟、阶地和山体的左旋位错(图5.1);其中西侧一条冲沟位错较为典型(图5.2),位移量~14 m;跨断裂的剖面和年代学样品年龄显示断裂近千年以来未发生过破裂(图5.3)。


图5.1 托莱山断裂东端大西沟地区断错地貌特征图


图5.2 托莱山断裂东端冲沟位错现象

图5.3 大西沟地区跨断层剖面及解译图