韓龍飛 劉 靜 姚文倩 王文鑫 劉小利 高云鵬 邵延秀 李金陽

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)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029

3)中國地震局地震研究所，武漢 430071

0 引言

對同震地表破裂的分布形態(tài)和幾何結(jié)構(gòu)的深入了解，可為地震斷裂的力學(xué)機理、動態(tài)破裂過程和未來大地震發(fā)生的可能性與破裂終點等方面的研究提供重要信息(Wesnousky，2006，2008； Elliottetal.，2009； Oskinetal.，2012； Rockwelletal.，2013)。走滑活動斷裂帶沿線往往會發(fā)育一系列的幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)，如階區(qū)、彎折與斷裂分支等，這些幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)將對同震地表破裂的形態(tài)產(chǎn)生一定影響(Schwartzetal.，1984； Wesnousky，1988，1994，2006； Zhangetal.，1999； Elliottetal.，2015； Hamlingetal.，2017)。以往震例的地表破裂觀測研究表明，在這些幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)位置往往會形成分布式破裂、破裂空區(qū)等特殊的破裂形態(tài)(Spotilaetal.，1995； Zachariasenetal.，1995； Eberhart-Phillipsetal.，2003)。Klinger等(2018)對2016年新西蘭MW7.8 Kaikōura地震破裂三聯(lián)點周邊斷層的動態(tài)數(shù)值模擬研究也表明，在這些幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)處會形成分布式破裂與損傷。另外，大地震發(fā)生的初始階段，在走滑斷裂帶上也會形成不同于主要破裂段的破裂形態(tài)。例如，2001年在以左旋走滑特征為主、幾何形態(tài)較為單一的東昆侖斷裂上發(fā)生的MS8.1 大地震震中附近呈正斷層形態(tài)，而后才沿主斷裂形成長約426km的左旋走滑地震斷裂帶(Xuetal.，2002)； 2002年在美國阿拉斯加州發(fā)生的Denali地震破裂在其初始階段長40km的段落上展示為逆沖斷層的形態(tài)，而后在主破裂上呈約300km長的以右旋走滑為主的地震破裂特征(Eberhart-Phillipsetal.，2003)。

為深入理解震中區(qū)階區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)和震中附近破裂特征對地表破裂形態(tài)的影響，我們對震中區(qū)段落開展了精細(xì)的地表破裂填圖、分類、幾何結(jié)構(gòu)與走向分析等工作。在以往對青藏高原內(nèi)部及周邊大地震的震后地表破裂調(diào)查中，研究人員通常通過野外實地考察的方式(Dengetal.，1986； 國家地震局地質(zhì)研究所等，1990； Xuetal.，2002； Liu-Zengetal.，2009； Lietal.，2016)或衛(wèi)星光學(xué)影像對地表破裂的特征進行描述與記錄(Klingeretal.，2005； Renetal.，2019)，然而通過這些方式獲取的數(shù)據(jù)在精度和準(zhǔn)確度上仍然不足。

基于高分辨率地形數(shù)據(jù)開展震后地震地表破裂考察的方法主要包括機載激光雷達技術(shù)(LiDAR)、高分辨率衛(wèi)星光學(xué)影像和航空攝影測量技術(shù)等。LiDAR技術(shù)可去除地表植被獲取“裸地”地形，在植被茂密區(qū)域的斷裂帶調(diào)查中具有開創(chuàng)性的意義(Frankeletal.，2007； Zielkeetal.，2010，2012； 劉靜等，2013； Manighettietal.，2015； Renetal.，2016； Hudnutetal.，2020)。對于高分辨率光學(xué)影像，我們既可以直接在影像上進行地表破裂解譯，也可以使用衛(wèi)星影像立體相對技術(shù)提取其中所包含的高程信息(Klingeretal.，2005，2011； Bietal.，2018； Choietal.，2018)。近年來，隨著無人機航空攝影測量技術(shù)越來越多地應(yīng)用于地球科學(xué)領(lǐng)域，一種新型的低成本、高精度的三維地形數(shù)據(jù)獲取技術(shù)——結(jié)構(gòu)運動重建技術(shù)(Structure from Motion，SfM)廣受歡迎。該方法可利用高效的特征匹配算法(feature matching algorithms)從多視角照片中提取重疊區(qū)域的三維地形信息(Brownetal.，2005； Turneretal.，2014； 魏占玉等，2015； Ajayietal.，2017； Pierceetal.，2020)。在瑪多地震的震后調(diào)查中，我們于2021年5月24日—6月15日利用無人機航空攝影測量技術(shù)獲取了地震破裂帶的高分辨率航空影像數(shù)據(jù)，并利用PhotoScan軟件基于SfM算法處理獲得了高分辨率的數(shù)字正射影像(Digital Orthograph Model，DOM)和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。本研究基于高分辨率的地形數(shù)據(jù)和影像并結(jié)合野外實地調(diào)查資料，完成了對瑪多地震震中區(qū)長約30km段落的地震地表破裂解譯與分類，進一步分析了地震破裂的幾何結(jié)構(gòu)與走向特點。

1 構(gòu)造和地質(zhì)背景

印度板塊與歐亞板塊碰撞并持續(xù)會聚，形成了一系列規(guī)模巨大的活動斷裂，如阿爾金斷裂、海原斷裂、昆侖斷裂、喀喇昆侖斷裂和鮮水河-小江斷裂等，這些大型活動斷裂帶及其伴生的次級構(gòu)造等共同吸收了印度-歐亞板塊會聚產(chǎn)生的大量應(yīng)變(圖 1)(Molnaretal.，1975； Tapponnieretal.，2001； 鄧起東等，2002)。同時，這些大型走滑活動斷裂往往是中國陸內(nèi)的大地震多發(fā)區(qū)，具備發(fā)生8級左右破壞性強震的能力，如1920年海原MW7.9 大地震、2001年昆侖山MS8.1 大地震等(國家地震局地質(zhì)研究所等，1990； Xuetal.，2002)。

圖 1 青藏高原及周邊主要的活動斷裂和歷史地震分布圖(2)http： ∥www.cenc.ac.cn/。Fig. 1 Map of major active faults and historical earthquakes in the Tibet Plateau and its surrounding areas.淺紅色實心圓表示1970年后青藏高原及周邊地震的震中，其中紫色實心圓指示MS>6.9的地震，紅色五星指示2021年5月22日 MW7.4 瑪多地震

在構(gòu)成青藏高原的主要地塊中，巴顏喀拉地塊周緣邊界斷裂帶的構(gòu)造變形不僅控制了地塊的整體向E運動，而且還控制了大地震的頻繁發(fā)生(Dengetal.，1996； Xuetal.，2002)。近20余年來，圍繞著巴顏喀拉塊體發(fā)生了多次大地震，包括2014年于田MS7.3 地震、2008年于田MS7.3 地震、1997年瑪尼MS7.5 地震、2017年玉樹MS7.0 地震、2013年蘆山MS7.0 地震、2008年汶川MS8.0 地震、2017年九寨溝MS7.0 地震和2001年昆侖MS8.1 地震等(圖 1)。位于塊體北邊界的東昆侖斷裂帶是一條巨型左旋走滑斷裂帶，總體走向近EW，長約1900km(圖 1)。該斷裂帶自西向東可分為8段，分別為鯨魚湖段、庫賽湖段、東西大灘段、阿拉克湖段、托索湖段、瑪沁段、瑪曲段和塔藏段(青海省地震局等，1999； van der Woerdetal.，2002)。沿東昆侖斷裂帶的左旋走滑速率由西向東從約11mm/a(van der Woerdetal.，2002)減小至5.5mm/a和3mm/a以下(李春峰等，2004； Kirbyetal.，2007； 李陳俠等，2011； Renetal.，2013)，尤其在經(jīng)過擠壓彎曲部位處滑移速率快速減小。

除在巴顏喀拉塊體邊界主干斷裂上頻繁發(fā)生地震外，在塊體內(nèi)部區(qū)域也廣泛發(fā)育了一系列NW-SE向的活動斷裂。例如，此次瑪多地震就發(fā)生于東昆侖斷裂帶南側(cè)巴顏喀拉塊體內(nèi)部的一條次級左旋走滑斷裂——昆侖山口-江錯斷裂上(蓋海龍等，2021； 潘家偉等，2021)。張裕明等(1996)的調(diào)查研究認(rèn)為，該斷裂帶位于瑪多-甘德斷裂與達日斷裂之間(圖 2)，總體走向NWW，斷錯了晚第四紀(jì)地貌面，并存在全新世活動。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 高精度地形數(shù)據(jù)的獲取與處理

瑪多地震發(fā)生后，我們即刻前往瑪多震區(qū)開展無人機航空攝影測量作業(yè)。2021年5月24日—6月15日，沿瑪多地震破裂帶共獲取長約160km、寬約1km的航空攝影測量數(shù)據(jù)廊帶。經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲取了一系列3～6cm分辨率的數(shù)字正射影像(Digital Orthograph Model，DOM)、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)及相關(guān)衍生圖(如坡度圖、山影圖等)。

圖 2 2021年5月22日瑪多 MW7.4 地震破裂及主要區(qū)域活動斷裂圖Fig. 2 Map of the May 22，2021 MW7.4 Madoi earthquake ruptures and major active faults of the region.紅色和紫色實心圓指示瑪多地震的震中(3)http： ∥www.cenc.ac.cn/。(4)https： ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/。，淺紅色實心圓指示地震序列重定位分布圖(王未來等，2021)，紅色跡線為InSAR同震形變場的形變跡線，也是本次航拍作業(yè)的中心線

以研究人員在推特(Twitter)分享的基于哨兵一號衛(wèi)星獲取的InSAR同震形變場的形變跡線(Sentinel-1 Range offset map，2021-05-20—2021-05-26)作為航拍作業(yè)的中心線，設(shè)置分別覆蓋中心線兩側(cè)各500m范圍的航拍區(qū)域，并在部分段落適當(dāng)加寬了航拍范圍的寬度(圖 2)。將kmz文件分段導(dǎo)入CWCommder飛控平臺設(shè)置航拍區(qū)域并自動生成無人機航空測線，其中航空照片的航向重疊率與旁向重疊率分別為80%與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)，無人機飛控系統(tǒng)會根據(jù)所設(shè)置的地面比例尺自動設(shè)定所需的飛行高度。為提高航拍照片絕對位置的準(zhǔn)確度，通過架設(shè)RTK地面基站并采集Cors站數(shù)據(jù)的方式對無人機的Pos姿態(tài)數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)。本次航拍作業(yè)所使用的飛行平臺為成都縱橫大鵬無人機科技有限公司自主研發(fā)的CW-15型無人機，搭載4200萬像素單反相機、攜帶GPS模塊(通過與單反相機的相對位置可準(zhǔn)確得到航拍照片的GPS信息)。每獲取一個架次的航空攝影測量數(shù)據(jù)，即使用PPS位置解算軟件通過對無人機姿態(tài)數(shù)據(jù)(Pos)、RTK基站位置數(shù)據(jù)和Cors站數(shù)據(jù)解算獲取每張航空照片的位置信息，其中包括經(jīng)緯度、高程、無人機的航向、滾轉(zhuǎn)與俯仰等數(shù)據(jù)。

在室內(nèi)使用商業(yè)軟件Agisoft PhotoScanTM軟件基于SfM(Structure from Motion)方法構(gòu)建具有地理坐標(biāo)的三維地形數(shù)據(jù)。這種新型數(shù)字?jǐn)z影測量技術(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)。PhotoScan軟件利用數(shù)字照片集構(gòu)建三維地形數(shù)據(jù)的步驟包括： 1)將照片和相應(yīng)的位置信息導(dǎo)入PhotoScan軟件； 2)在照片之間進行特征匹配和跟蹤，重構(gòu)三維景觀，獲取稀疏的真彩色點云數(shù)據(jù)； 3)獲取高密度點云數(shù)據(jù)； 4)構(gòu)建紋理、網(wǎng)格數(shù)據(jù)； 5)創(chuàng)建數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像并導(dǎo)出為tif文件。其中，在獲取高密度點云數(shù)據(jù)后可直接通過其他優(yōu)化DEM生成的專業(yè)軟件(如QTModeler)制作DEM數(shù)據(jù)(Westobyetal.，2012； Angsteretal.，2016)。

圖 3 瑪多 MW7.4 地震震中附近的階區(qū)及其周邊地表裂縫分布圖Fig. 3 Surface rupture distribution of the step-overs and their surrounding areas near the epicenter of the MW7.4 Madoi earthquake.依據(jù)裂縫的形態(tài)特征可分為S1(階區(qū)南支斷層主破裂段)、S2(階區(qū)南支斷層次級破裂段)、S3(黃河漫灘破裂段)、S4(黃河漫灘東岸破裂段)、S5(階區(qū)東南側(cè)散亂破裂段)和S6(階區(qū)北支斷層主破裂段)6段。紅色指示主破裂，藍(lán)色指示次級破裂，綠色指示崩塌裂縫，紫色指示地表裂縫，黃色指示前人基于野外調(diào)查的填圖破裂(潘家偉等，2021)，白色指示InSAR同震 形變場的形變跡線，黑色線框指示DOM的數(shù)據(jù)區(qū)域，橘紅色虛線條指示階區(qū)兩側(cè)斷層的延長線與階區(qū)的范圍

2.2 同震地表破裂的精細(xì)填圖

獲取高分辨率(3cm)的地形數(shù)據(jù)后，本研究對瑪多地震震中區(qū)長約30km的地表破裂進行了精細(xì)的解譯與分析，并通過野外調(diào)查的方式對地表破裂進行了測量與核對。震中區(qū)段落的數(shù)字正射影像(DOM)與數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)的寬度至少為1.3km(S1—S2段)，最寬可達3.1km(S3—S6段)，為較全面地揭示地表破裂信息提供了數(shù)據(jù)支持(圖 3)。在地表破裂解譯過程中，為避免遺漏填圖，將DOM分割成一個個小塊，在ArcGIS軟件中進行數(shù)字化的斷裂填圖。對具有一定寬度的裂縫描繪其兩側(cè)的邊界，而對于比較窄的裂縫則僅描繪其中心線。間隔一段時間后，反復(fù)檢查地表破裂填圖的結(jié)果，或增加、或刪減，并對地表破裂進行類別劃分(主破裂、次級破裂、地表裂縫、崩塌裂縫等)，最后分段繪制地表破裂走向的玫瑰花圖。在獲得精細(xì)的地表破裂填圖結(jié)果后，于2021年9—10月開展野外實地調(diào)查，對所解譯的地表破裂進行實地測量與核對。

3 瑪多地震震中區(qū)段落的地表破裂特征

獲取精細(xì)的地表破裂填圖結(jié)果并進行野外實地調(diào)查后，最終確定了震中區(qū)段落地表破裂的幾何形態(tài)特征。

3.1 震中區(qū)段落破裂的整體特點

依據(jù)地表破裂的形態(tài)特征，將震中區(qū)研究段落的破裂劃分為6段，分別為： S1(階區(qū)南支斷層主破裂段)、S2(階區(qū)南支斷層次級破裂段)、S3(黃河漫灘破裂段)、S4(黃河漫灘東岸破裂段)、S5(階區(qū)東南側(cè)散亂破裂段)和S6(階區(qū)北支斷層主破裂段)。由階區(qū)南、北2支斷層分別向階區(qū)位置延伸，可知階區(qū)的長和寬分別約為9km和3km(圖 3)?？傮w上，南、北2支斷層(S1、S6)所揭示的地表破裂相對比較集中，而階區(qū)位置(S3、S4、S5)的破裂較為分散，S2段的次級破裂也比較分散(缺失地震主破裂)(圖 3)。為更清楚地揭示地表破裂的分布特征，將地表破裂的類別劃分為主破裂、次級破裂、地表裂縫與崩塌裂縫等，其中地表裂縫是成因尚不確定的裂縫(圖 3)。

將研究人員獲取的震后數(shù)天InSAR同震形變場的形變跡線(社交軟件共享)和潘家偉等(2021)通過野外實地調(diào)查得到的地震破裂跡線與本研究的精細(xì)地表破裂填圖進行對比可知： InSAR同震形變場的形變跡線所揭示的階區(qū)形狀較為規(guī)則，且在S6段與本研究填圖所揭示的主破裂位置較為一致，然而在S1段與本研究填圖所揭示的主破裂中心線整體上存在約400m的偏差，在S3—S5段由于地表破裂散亂而沒有顯示出一致性(圖 3)。潘家偉等(2021)在S1段和S5段的野外地震破裂填圖與本研究的地震地表破裂填圖的位置較為一致，然而卻未能揭示出S6段的主破裂。潘家偉等(2021)也未能揭示出S3、S4段階區(qū)內(nèi)復(fù)雜且豐富的地表破裂形態(tài)，而是揭示了階區(qū)以南存在與主斷層走向一致的地表破裂(已在本次無人機航拍攝影測量的范圍之外)(圖 3)。

圖 4 各段地表破裂走向的玫瑰花圖Fig. 4 Rose chart of each segment of surface ruptures.藍(lán)色線指示主斷層的走向

對各段地表破裂的走向進行統(tǒng)計繪制的走向玫瑰花圖顯示： 階區(qū)兩側(cè)S1、S6段主斷層上的地表破裂走向范圍較為集中，其中S1段地表破裂的走向與主斷層的走向較一致，而S6段的地表破裂與主斷層的走向呈大角度斜交。除S2段外，在平面圖上未顯示出明顯主破裂形態(tài)的S3、S4和S5段破裂的走向也具有較顯著的優(yōu)勢破裂方向(圖 4)。

3.2 震中區(qū)階區(qū)兩側(cè)斷層的地表破裂形態(tài)

階區(qū)南支斷層主破裂段(S1段)發(fā)育較多典型的拉張裂縫并伴隨左旋分量，各裂縫走向與主斷層走向基本一致或呈小角度相交，主破裂寬度最大約達50m(圖5a)。根據(jù)地裂縫兩側(cè)邊界的形狀或其他斷錯標(biāo)志的對照，可以獲得單支裂縫的拉張量與左旋位錯量。例如，根據(jù)一根橫跨裂縫的水泥柱現(xiàn)在的位置與其原來位置印記的對照，在野外測得其水平位錯量為23cm、拉張量為40cm，該位錯值即可作為這支裂縫的位錯量。在S1段，單支裂縫最寬約達90cm，總拉張量最大約達280cm。根據(jù)多支裂縫的左旋位錯量與拉張量，可以得到主破裂上總的左旋位錯量與拉張量(圖5a)。本文不對主破裂帶的左旋位錯量和拉張量展開論述，僅通過該野外照片展示階區(qū)南支斷層的典型的左旋拉張型破裂的特點。階區(qū)南支斷層次級破裂段(S2段)所揭示的地表破裂走向與主破裂的走向完全不同，且都是沿著河岸發(fā)育，疑似為沿河岸的崩塌裂縫(圖5b)。在S2段，整體上不存在與主破裂走向一致的地表破裂，并且缺失主破裂跡線(圖 3)。

圖 5 S1段典型的拉張型地震破裂和S2段的次級破裂Fig. 5 Typical tensile earthquake rupture of segment S1 and secondary rupture of segment S2.

圖 6 S6段的線性構(gòu)造地形、累積斷錯沖溝與地表破裂分布圖Fig. 6 Linear structural topography，cumulative displaced gullies and surface rupture of segment S6.

階區(qū)北支斷層主破裂段(S6段)的主破裂沿先存構(gòu)造地形發(fā)育(圖6a)，并揭示了可達數(shù)十米量級的左旋位錯沖溝(圖6b)。地表裂縫呈雁列式分布，皆與主斷層走向呈大角度相交(圖6c)。然而這些地震破裂并不完全沿著先存斷裂展布，而是在部分段落存在一定的偏離(圖6b)。階區(qū)東南側(cè)散亂破裂段(S5段)的地表破裂在平面圖上顯示較散亂的分布特點，但是具有NNW的優(yōu)勢破裂方向。在野外調(diào)查中可確定S5段的地表破裂是由地震造成的地震地表破裂，而不是崩塌裂縫，且S5段的地表破裂兩側(cè)伴隨有砂土液化發(fā)育(圖 3)。

3.3 震中區(qū)階區(qū)內(nèi)的地表裂縫形態(tài)

黃河漫灘上及兩岸的地表裂縫形態(tài)多樣，難以對其類別進行準(zhǔn)確劃分，故僅將沿累積構(gòu)造地形發(fā)育的典型地震破裂標(biāo)記為主破裂(紅色)，將與主破裂位置不一致的其他典型地震破裂標(biāo)記為次級破裂(藍(lán)色)，將沿河岸邊或湖岸邊分布的崩塌裂縫標(biāo)注為崩塌(綠色)，將成因尚不明確的地表裂縫標(biāo)記為地表裂縫(紫色)(圖 7)。黃河漫灘東岸破裂段(S4段)的次級破裂和地表裂縫在平面圖上顯示為較寬范圍內(nèi)的分布式破裂(圖 3)，雖然在局部看起來比較分散(圖 7)，但該段地表裂縫的整體走向與主斷層的走向一致(NWW向)(圖4d)。另外，在S4段存在一系列與主斷層走向一致的累積線性地形，在其上發(fā)育走向一致的地表破裂，且存在一定的垂向位錯量(圖8a)。

在野外實地調(diào)查中，可確定S4段的次級破裂為地震成因的破裂，其中包括與主斷裂走向一致的沿先存地形發(fā)育的具有垂向分量的地表破裂(圖8a)、雁列式的地表破裂(圖8b)，也包括與主斷裂走向不同的次級破裂(圖8c)等。在黃河漫灘發(fā)現(xiàn)了一些網(wǎng)格狀、裂縫深度較淺的地表裂縫，且沒有固定的走向(圖8d)。

圖 7 階區(qū)內(nèi)各類地震破裂與地裂縫分布圖Fig. 7 Map of earthquake surface rupture and surface fissures in the step-over.

圖 8 野外實地拍攝的地表破裂、地表裂縫照片F(xiàn)ig. 8 Photos of surface rupture or surface fissures in the field.a 具有垂向分量的地表破裂； b 沿湖邊發(fā)育的典型雁列式的地震地表破裂； c 黃河岸邊的地表破裂； d 黃河漫灘上的地表裂縫。各照片拍攝于圖7所指示的位置

圖 9 沿河岸、湖岸發(fā)育的典型崩塌裂縫Fig. 9 Typical collapse fissures along riverbank or lakeshore.a 紅色箭頭指示崩塌地塊的相對運動方向，紫色箭頭指示崩塌地塊的相對拉伸方向； b—e 典型的崩塌裂縫展布與河岸、湖岸線較為一致

在黃河漫灘和黃河?xùn)|岸上發(fā)育了一些比較典型的崩塌裂縫，其整體的分布位置與黃河岸邊和湖岸邊形態(tài)較一致(圖9b—e)。另外經(jīng)力學(xué)分析，一些初期被認(rèn)為是地震地表破裂的裂縫也確定是因為崩塌形成，其中紅色箭頭指示小地塊的相對運動方向，紫色箭頭指示裂縫的相對拉張方向(圖9a)。

階區(qū)位置黃河漫灘破裂段(S3)的地表裂縫在平面圖上展示為比較散亂的分布形態(tài)，但從地表裂縫走向的玫瑰花圖上看，黃河漫灘上的地表裂縫存在NE向的優(yōu)勢走向(圖4c)。黃河漫灘上發(fā)育有典型的網(wǎng)格狀(圖10b，d)、“爆炸式”(圖10c)和拉張型裂縫(圖10e)等，且較多裂縫伴隨有砂土液化現(xiàn)象(圖10a，f)。砂土液化的形狀既有串珠狀的形態(tài)，也有單獨的形態(tài)，且大多數(shù)都沿著地表裂縫分布(圖 10)。

圖 10 黃河漫灘上的裂縫Fig. 10 Surface fissures on the Yellow River floodplain.a 沿河岸的地表裂縫； b、d 網(wǎng)格狀地表裂縫； c 爆炸式地表裂縫； e、f 伴隨砂土液化的裂縫

4 對瑪多地震震中區(qū)破裂研究的一些認(rèn)識

野外地質(zhì)調(diào)查與無人機航空攝影測量技術(shù)結(jié)合可更詳細(xì)、準(zhǔn)確地揭示地震地表破裂的形態(tài)特點。野外踏勘是開展震后地震破裂調(diào)查的重要手段和方法，在該過程中不僅可直觀地觀測到地表破裂的形態(tài)，并且能夠?qū)Φ乇砥屏堰M行分類與驗證，尤其是對走滑斷裂帶地表裂縫的垂向位錯具有較高的識別度。然而，對于造成上百千米尺度地震地表破裂的大地震而言，震后的野外實地調(diào)查是勞動密集型的，且容易遺漏部分破裂的位置。相比之下，通過無人機航空攝影測量技術(shù)與室內(nèi)破裂解譯可快速獲取地表破裂的基本形態(tài)，且憑借其高分辨率的優(yōu)勢可進一步分析地表破裂的精細(xì)幾何特征。潘家偉等(2021)在瑪多地震后積極開展了地震地表破裂調(diào)查，出動人數(shù)較多、持續(xù)時間較長，是最早詳細(xì)報道瑪多地震地表破裂形態(tài)特征的工作之一。潘家偉等(2021)對多處地震破裂進行了調(diào)查，認(rèn)為此次地震的同震地表破裂長度約為151km。但由于野外工作時間較短，往往不足以覆蓋破裂所有區(qū)段，也容易造成遺漏，例如位于破裂端部、不易識別的同震地表破裂證據(jù)等。在高精度影像的輔助下，經(jīng)過野外復(fù)核，姚文倩等(2022)重新厘定的地表破裂長度為158km。在S1段和S5段，地表破裂沿道路兩側(cè)分布且地勢平坦，在野外踏勘中可以比較容易地開展詳細(xì)調(diào)查。而S6段山路崎嶇，不易抵達，且地表裂縫較窄，這可能是導(dǎo)致潘家偉等(2021)未能揭示出這支重要的階區(qū)北支斷層地表破裂的原因。同時，S3和S4段的地表破裂零散分布，且多處在黃河岸與湖岸附近，水路不通，難以開展詳細(xì)的野外實地調(diào)查。另外，潘家偉等(2021)所揭示的階區(qū)南側(cè)的地表破裂超出了本次航空攝影測量的范圍?；谝陨戏治觯瑢τ诖蟮卣鸬恼鸷蟮乇砥屏颜{(diào)查，建議通過無人機航空攝影測量技術(shù)快速獲取地表破裂帶兩側(cè)的高分辨率影像數(shù)據(jù)(可適當(dāng)加大寬度)并進行地表破裂的初步解譯，隨后有目的地進行野外踏勘，對典型或特殊的地表破裂特征進行實地調(diào)查與測量，同步分組進行無人機航空攝影測量與野外踏勘可提高工作效率。

此外，根據(jù)階區(qū)兩側(cè)斷層所處的地形和發(fā)育的破裂形態(tài)可確定階區(qū)的位置和大小。階區(qū)北支斷層主破裂段(S6段)的地震地表破裂沿先存的構(gòu)造地形發(fā)育，兩者在位置上具有高度的一致性。在S6段，形成了數(shù)千米長的裂谷，且沿線發(fā)育典型的數(shù)十米長的斷錯沖溝，說明該段的地震破裂經(jīng)常沿此斷層展布，具有較高的成熟度。而階區(qū)南支斷層主破裂段(S1段)的地表破裂兩側(cè)地勢平坦，未見顯著的走滑型累積斷錯地貌，但其主破裂展布較為集中。本文中分別沿S6段先存的地形跡線和S1段主破裂的中心跡線往階區(qū)位置延伸，最終確定了階區(qū)的位置與大小。

對主破裂、次級破裂以及地震波振動效應(yīng)所造成的破裂進行識別、分類，對于正確理解地震破裂的形態(tài)特征及其機理具有重要意義。主破裂是指與構(gòu)造破裂相關(guān)的斷裂，其主斷層面與地表相交。次級破裂的類型多樣，主要指與主斷層面無關(guān)的淺表斷層上發(fā)育的裂縫。另外，地震動效應(yīng)也可造成坡岸崩塌、局部滑坡等，從而形成零散的裂縫。其中，主破裂形態(tài)可直接反映地震的破裂長度、震級大小及其他可提供同震破裂機理性研究的信息； 次級破裂可能反映了分布式破裂的形態(tài)特征。S1段發(fā)育與主斷層走向一致的多支拉張型斷裂形態(tài)，S6段發(fā)育與主斷層走向呈大角度相交的雁列式斷裂形態(tài)，兩者的地震斷裂分布都較為集中，展示了不同形式的主破裂特征，同時也反映了較穩(wěn)定的主斷層位置。S2段沿河岸發(fā)育的地表裂縫被劃分為次級破裂，顯示震中附近段落存在著主破裂的空缺，可能反映了地震破裂在初始階段的特殊形態(tài)。雖然階區(qū)內(nèi)S3—S5段的地表裂縫在平面圖上顯示為較散亂的形態(tài)，難以準(zhǔn)確區(qū)分是否為主破裂或次級破裂，但玫瑰花圖所反映的走向顯示其具有一定的優(yōu)勢破裂方向。具有許多“爆炸式”、網(wǎng)格狀破裂的黃河漫灘上的地表破裂沿各個方向分布，但存在NE向的優(yōu)勢破裂走向，一方面可能反映了伸展階區(qū)內(nèi)的地表破裂與主斷層方向呈斜交分布的特點，另一方面可能存在較多沿河岸分布的地表破裂(階區(qū)內(nèi)黃河河道的走向大致為NE向)。具有分布式破裂特點的S4段，同震地表破裂的優(yōu)勢走向和先存累積構(gòu)造地形的走向都與主斷層的走向一致，可能反映了歷史上地震破裂經(jīng)過該階區(qū)時具有相似的地震破裂特點，并形成了較穩(wěn)定的地震斷層。S5段的地震破裂走向既不同于主斷層也不具有跨越階區(qū)的趨勢，可能與其向S延伸的未產(chǎn)生同震破裂的斷層有關(guān)。對震中區(qū)各段落不同類別的地表破裂進行劃分，可以更正確地反映斷裂幾何結(jié)構(gòu)和動態(tài)破裂過程的內(nèi)在機理。

5 瑪多地震震中區(qū)分布式破裂的形態(tài)特征討論

瑪多地震的崩塌裂縫分布廣泛，容易對地震斷裂的幾何分布特征產(chǎn)生混淆，因此進行地表裂縫的分類非常重要。一般情況下，崩塌裂縫是由重力垮塌造成的，通常沿黃河岸邊或湖岸邊分布。這種崩塌現(xiàn)象普遍存在于地震斷裂經(jīng)過的水域岸邊，尤其在瑪多地震震中區(qū)較為普遍。在震中區(qū)，除了這種形式簡單的重力垮塌之外，黃河漫灘上也發(fā)育了一系列網(wǎng)格狀、“爆炸式”裂縫和沿河岸分布的“撕裂型”裂縫，并伴隨砂土液化現(xiàn)象。這些特殊的裂縫既不同于簡單形式的崩塌裂縫，也不同于地震主斷裂的形態(tài)。一方面，可能是震中區(qū)較強的地震晃動效應(yīng)所造成的； 另一方面，地震斷裂在初始階段尚未形成優(yōu)勢的破裂方向，而是三維的破裂形態(tài)。這也意味著，這些特殊裂縫的成因是不能夠完全用崩塌或地震晃動效應(yīng)所解釋的，也可能有與地震斷裂相關(guān)的構(gòu)造成因的分布式地表破裂。另外，黃河漫灘上的地表裂縫看似凌亂，且沿各個方向分布，但從走向的玫瑰花圖上看(圖4c)，這些裂縫存在NNE的優(yōu)勢破裂方向，而該方向趨向于跨越階區(qū)的方向。

以往的震例表明，在斷裂帶的階區(qū)、彎折、分叉等幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)部位的地震破裂通常比較零散，除了與主斷裂方向一致的地震破裂外，還會發(fā)育多種呈不同方向展布的地表破裂，甚至存在一些近似“爆炸型”的裂縫。例如，由5條斷裂組成的1992年MW7.3 Landers地震破裂跨越了3個主要的伸展階區(qū)。其中，Homestead Valley斷裂與Emerson斷裂在走向上具有5km的重疊段，在兩者之間形成了15km2的階區(qū)。Zachariasen等(1995)對此階區(qū)的地震破裂開展了詳細(xì)的調(diào)查，其研究表明，在階區(qū)內(nèi)具有5條與主斷裂斜交的次級交叉斷裂，這些不同成熟度的次級交叉斷裂與主斷裂共同構(gòu)成了走滑復(fù)式構(gòu)造，能夠有效地將地震滑動從Homestead Valley斷層轉(zhuǎn)移到Emerson斷層之上。這些階區(qū)內(nèi)的次級交叉斷裂可能體現(xiàn)了斷層深部三維的網(wǎng)狀斷裂體系，也可能是相鄰的先存斷裂的薄弱帶受觸發(fā)而形成的裂縫(圖11a)。另外，在1992年MW7.3 Landers地震破裂中，Johnson Valley斷層與Homestead Valley斷層組成的階區(qū)北端，存在一個長3km、斷裂不是很清晰連續(xù)的段落。Spotila等(1995)開展了詳細(xì)的地震破裂調(diào)查，認(rèn)為該段落普遍缺乏右旋走滑量，并將其稱為Homestead Valley斷層的位移空區(qū)，地球物理模擬也揭示該段在深部斷面上的右旋位移量很小甚至缺失(Campilloetal.，1993； Siehetal.，1993)。Spotila等(1995)的調(diào)查研究表明，該位移空區(qū)是一個缺乏右旋滑動量、呈NW走向、SW傾向的逆沖斷裂，它是階區(qū)北端淺層地殼和右旋剪切形成的次級破裂。另外，沿位移空區(qū)存在雁列式的伸展斷裂帶是分布式右旋剪切斷裂的次級結(jié)果。

圖 11 瑪多地震與歷史地震復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)位置的地表破裂圖Fig. 11 Map of surface ruptures on the complex geometry of Madoi earthquake and historical earthquake.a 1992年Landers地震Emerson斷層與Homestead Valley斷層構(gòu)成的階區(qū)； b Homestead Valley斷層與Johnson Valley斷層構(gòu)成的階區(qū)內(nèi)的分布式地表破裂； c 2016年Kaikōura地震Jordan-Kekerengu-Papatea三聯(lián)點位置數(shù)值模擬的分布式破裂與損傷(Spotila et al.，1995； Zachariasen et al.，1995； Klinger et al.，2018)； d 瑪多地震震中區(qū)的地震破裂簡圖

2016年新西蘭MW7.8 Kaikōura地震造成了至少15條地殼尺度的斷層破裂，是有歷史記錄以來發(fā)生的最復(fù)雜的地震之一。其中，在Jordan-Kekerengu-Papatea 3支斷層交會處的三聯(lián)點位置展示了顯著的分布式破裂和損傷?；谡鹎?、震后衛(wèi)星影像匹配獲得的同震位移場顯示，沿Jordan斷層和Kekerengu斷層的形變僅分布在斷層兩側(cè)幾十米的局部范圍內(nèi)，并且沿Kekerengu斷層上測量到的最大值為11m的右旋走滑量與野外實地觀測結(jié)果也十分吻合(Kearseetal.，2018)。然而，在Papatea斷層上普遍存在顯著的分布式變形，該斷層南側(cè)部分存在的約6m的同震位移變形分布在寬2km的范圍內(nèi)，與野外調(diào)查和基于LiDAR填圖的變形結(jié)果較為一致。在接近三聯(lián)點的位置，地震破裂的分布式變形再次變寬，廣泛分布于Kekerengu斷層、Papatea斷層和Waiautoa斷層組成的三角形區(qū)域內(nèi)。Klinger等(2018)通過二位連續(xù)-非連續(xù)模型分別對2種破裂情景進行模擬，認(rèn)為Papatea斷層首先發(fā)生破裂，地震破裂從南向北傳播，當(dāng)?shù)卣鹌屏训诌_到三聯(lián)點時，在Jordan-Kekerengu斷層系統(tǒng)上觸發(fā)了新的破裂，之后分別向兩側(cè)傳播。當(dāng)?shù)卣鹌屏蜒豍apatea斷層傳播時，在斷層西側(cè)的主要扭結(jié)處形成了明顯的損傷區(qū)(圖11c)，在Kekerengu-Papatea-Waiautoa斷層之間的三角形區(qū)也發(fā)育了一個主要的損傷區(qū)，而沿Jordan斷層沒有發(fā)生明顯的損傷，這與基于震前、震后衛(wèi)星影像匹配獲得的同震位移場的結(jié)果較為一致。然而，在Jordan斷層首先產(chǎn)生破裂的情景既不符合觀測到的同震位移場，也不符合觀測到的地表破裂形態(tài)。相關(guān)的次級破裂和同震分布式破裂損傷模式，很大程度上是由牽引狀態(tài)、斷層幾何形狀、破裂的方向性(Kameetal.，2003； Flissetal.，2005； Vallageetal.，2016)和一些地質(zhì)構(gòu)造繼承性(Choietal.，2018)所決定的。在地面上，這種非斷層損傷區(qū)可達數(shù)百米寬(Mitchelletal.，2009； Vallageetal.，2015)，而它在深度上將變得更窄(Di Toroetal.，2005)。

瑪多地震震中區(qū)的階區(qū)與以往震例相比，不僅包含構(gòu)造成因的地震主破裂、次級破裂和較為確定的崩塌裂縫，也包含成因尚不明確的地表裂縫。這些地表裂縫可能承載著構(gòu)造變形的因素，也可能受到震動效應(yīng)的影響，但如果簡單地將這些地表裂縫全歸功于強震動作用，可能會錯過這些裂縫帶給我們的關(guān)于地震破裂過程中構(gòu)造相互作用的信息，它們是構(gòu)成階區(qū)內(nèi)分布式形變的重要組成部分(圖11d)。

大地震在破裂初始階段的動態(tài)過程和強烈地震動會對地震破裂的形態(tài)產(chǎn)生很大的影響與控制作用。震中區(qū)階區(qū)南、北2支斷層的主破裂形態(tài)穩(wěn)定，累積斷層構(gòu)造地形清晰，說明在主破裂位置已經(jīng)確定了穩(wěn)定的破裂形式。階區(qū)位置的破裂散亂分布，除一方面受到階區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)的影響外，另一方面可能與在地震破裂初始階段尚未確定穩(wěn)定的優(yōu)勢破裂方向有關(guān)，其呈現(xiàn)的是三維的破裂形態(tài)，從而在地表展現(xiàn)為一系列分布式的地震地表破裂形態(tài)。地震源和爆炸源都可以通過非線性特質(zhì)或初始條件產(chǎn)生復(fù)雜的波長和斷裂模式。此外，如預(yù)應(yīng)力狀態(tài)、材料強度、摩擦過程、各向異性、地形和其他非均質(zhì)性等距離地震源和爆炸源較近的特質(zhì)，會以非線性和非直觀的方式增加斷裂的復(fù)雜性。這些特性可影響事件期間的非線性變形，并對所產(chǎn)生的地面運動、塑性變形、裂縫分布、剝落以及非線性體積之外的地震波的生成造成影響。

6 結(jié)論

本研究基于高分辨的影像數(shù)據(jù)和野外實地調(diào)查獲得了震中區(qū)段落復(fù)雜的分布式地震破裂與地表裂縫形態(tài)，得出以下結(jié)論和認(rèn)識：

(1)通過無人機航空攝影測量技術(shù)，在震后迅速獲取大范圍、高精度的正射影像與數(shù)字高程模型，為精細(xì)刻畫地震破裂、地表裂縫形態(tài)提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時也為震后開展野外調(diào)查提供了重要依據(jù)。

(2)除了沿河岸或湖岸簡單形式的崩塌裂縫，黃河漫灘上的網(wǎng)格狀、“爆炸式”的地表裂縫可能與震中附近強烈的地震動有關(guān)，同時還可能是地震斷裂在初始階段的三維破裂在地表的表現(xiàn)形態(tài)。

(3)與歷史上其他震例類似，在斷裂帶階區(qū)等幾何不連續(xù)結(jié)構(gòu)部位的地震破裂通常比較零散，除了與主斷裂方向一致的地震破裂外，還發(fā)育了多種不同方向展布的分布式地表破裂。對瑪多地震震中區(qū)精細(xì)的分布式地表破裂形態(tài)的研究，為深入理解復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)位置和震中區(qū)地震破裂機制與動態(tài)過程提供了重要參考。

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！