2021年5月22日青海玛多MS7.4 地震的发震构造和地表破裂初步调查

李智敏 李文巧 李 涛 徐岳仁 苏 鹏 郭 鹏 孙浩越 哈广浩 陈桂华 袁兆德 李忠武 李 鑫 杨理臣 马 震 姚生海 熊仁伟 张彦博 盖海龙 殷 翔 徐玮阳 董金元

1)青海省地震局，西宁 810001 2)中国地震局地震预测研究所，地震预测重点实验室，北京 100036 3)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029 4)中国地震局地质研究所，西藏拉萨地球物理国家野外科学观测研究站，拉萨 850004

0 引言

图1 青海玛多MS7.4地震的构造背景图Fig. 1 Seismogenic tectonic background map of the Maduo MS7.4 earthquake in Qinghai Province.红色五角星表示玛多MS7.4地震震中，灰黑色圆圈表示青藏高原周缘1900AD以来发生的5级以上地震。图a据王未来等(2021)改编，白线为活动块体边界。Ⅰ 塔里木-华北克拉通； Ⅱ 柴达木地块； Ⅲ 巴颜喀拉地块； Ⅳ 羌塘地块； Ⅴ 拉萨地块； Ⅵ 喜马拉雅地块。F1西昆仑-祁连山加里东期缝合带； F2昆仑山华力西期缝合带； F3金沙江印支期缝合带； F4班公湖-怒江燕山期缝合带； F5雅鲁藏布江喜马拉雅期缝合带。图b中红色线条为全新世活动断层，绿色线条为晚更新世活动断层，断层数据综合了邓起东等(2007)和徐锡伟等(2016)的研究成果。EKLF 东昆仑断裂； KLSK-JCF 昆仑山口-江错断裂； TDG-CMHF 西藏大沟-昌马河断裂； MD-GDF 玛多-甘德断裂； GDSMF 甘德南缘断裂； DRF 达日断裂； BYKLMPF 巴颜喀拉山主峰断裂； WDL-CSGMF 五道梁-长沙贡玛断裂； WDL-QMLF 五道梁-曲麻莱断裂； ZTF 中铁断裂； KZF 昆中断裂； ELSF 鄂拉山断裂

北京时间2021年5月22日02时04分，青海省果洛藏族自治州玛多县发生强烈地震(图1)，造成数人受伤，大量房屋倒塌、部分道路、桥梁等基础设施被破坏或受损。中国地震台网(CENC)测定该地震的震级为MS7.4，震中位于(34.59°N，98.34°E)，震源深度为 17km[注]https: ∥news.ceic.ac.cn/CC20210522020411.html。。美国地质调查局(USGS)给出的地震初始破裂点位于(34.613°N，98.246°E)，地震矩M0=1.306×1020N·m，震级为MW7.3，震源深度为(10±1.7)km； 震源机制解的走向为92°、倾角为67°、滑动角为-40°，是一次具有显著拉张分量的左旋走滑错动事件[注]https: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000e 54r/executive。。GCMT给出的震中位于(34.65°N，98.46°E)，震级为MW7.4，震源深度为12km； 震源机制解的走向为282°、倾向为83°、滑动角为-9°[注]https: ∥www.globalcmt.org/ CMTsearch.html。，是一次近纯走滑的地震错动事件，与美国地质调查局的结果存在较大差异。对欧洲航空局哨兵卫星的震前、震后SAR数据进行对比，华俊等(2021)限定此次地震以左旋走滑运动为主，断层走向NWW，断层面近直立； 主体破裂深度在15km以浅并到达地表，形成长度>160km的地表破裂带，最大滑动量约6m，震级为MW7.45。该结果与GCMT给出的震源参数结果更为相符。2021年玛多MS7.4地震发生在青藏高原中北部的巴颜喀拉次级地块内部(图1)、东昆仑断裂带和巴颜喀拉-松潘弧形构造带的交会部位，是继2008年汶川MS8.0地震之后在中国境内发生的震级最高、地表破裂最长的地震事件。

通过野外地震考察确定发震断层、地表破裂组合特征和运动学性质、同震位移及分布规律等，不仅有助于限定玛多MS7.4地震的发生机制、破裂过程，同时对于深刻理解巴颜喀拉地块及整个青藏高原现今的构造变形状态、运动演化过程等也具有重要的科学意义。地震发生后，中国地震局随即组织中国地震局地震预测研究所、青海省地震局和中国地震局地质研究所等单位于2021年5月22日—6月15日对震中区开展了地震地质应急科学考察。本文将就该次科考的相关情况作简要报道。

1 区域地质背景

新生代以来，印度板块与欧亚大陆的持续碰撞使青藏高原不断向周边扩展和增生(Molnaretal.，2009)。2021年玛多MS7.4地震所在的巴颜喀拉地块被东昆仑(北边界)、甘孜-玉树-鲜水河(南边界)、龙门山(东边界)3条大型断裂带所围限(图1a)，是青藏高原的次一级构造单元，也是中国现今地震活动最为强烈的地区之一(Tapponnieretal.，1982； 张培震等，2003； 张希等，2004； Xuetal.，2016； 闻学泽，2018)。

巴颜喀拉地块北边界——东昆仑断裂带总体走向NWW(图1)，绵延近2i000km，为一条巨型左旋走滑断裂带。断裂西段的走滑速率约为10mm/a，在玛沁段为12.5mm/a，向E至玛曲段减小至约5mm/a，至塔藏段迅速衰减至3mm/a以下(van der Woerdetal.，2002； Kirbyetal.，2007； Lietal.，2011； Renetal.，2013)。根据现有记录，东昆仑断裂带中西段曾发生过5次M7.0～7.9地震和1次MS8.1地震(国家地震局震害防御司，1995； 青海省地震局等，1999； 邓起东等，2002，2003； 徐锡伟等，2002)。其中，2001年昆仑山口西MS8.1地震形成了长约426km的地表破裂带，是目前为止记录到的发生在该断裂上的震级最大的一次地震(陈杰等，2003； Xuetal.，2006)。

巴颜喀拉地块的南边界——甘孜-玉树-鲜水河断裂带整体呈NW走向(图1)，包括西部的甘孜-玉树断裂带和东部的鲜水河断裂带，二者呈左阶斜列展布，均为左旋走滑运动性质。针对甘孜-玉树断裂带滑动速率的研究主要集中在其中—南段，滑动速率一般为5～8mm/a(Chevalieretal.，2017)，也有学者报道的水平速率相对较高，达8～14mm/a(闻学泽等，2003； 石峰等，2013)。鲜水河断裂带的滑动速率为10～13mm/a(Zhang，2013； Chenetal.，2016)。在甘孜-玉树-鲜水河断裂带上曾发生20余次7级以上地震，其中1997年玛尼MS7.9和2010年玉树MS7.1地震为最近的2次地震事件。

巴颜喀拉地块的东边界——龙门山断裂带整体呈NE走向(图1)，运动性质为逆冲兼右旋走滑，是巴颜喀拉块体与四川盆地的边界断层。断裂带由茂县-汶川断裂、映秀-北川断裂、江油-灌县断裂、岷江断裂、虎牙断裂等多条近平行的高角度断层组合而成，整体吸收的GPS缩短速率≤2.0mm/a(张培震，2008)。龙门山断裂带在过去10a内地震活动强烈，2008年汶川MS8.0地震、2013年芦山MS7.0地震和2017年九寨沟MS7.0地震均发生在该断裂带内。

除上述边界断裂外，巴颜喀拉地块内部还发育了一系列大型活动断层(图1)，包括NW走向的西藏大沟-昌马河断裂、玛多-甘德断裂、昆仑山口-江错断裂、甘德南缘断裂、达日断裂、五道梁-长沙贡玛断裂和五道梁-曲麻莱断裂等。这些断裂带晚第四纪以来活动特征显著，但滑动速率明显低于北边界的东昆仑断裂带和南边界的甘孜-玉树-鲜水河断裂带(徐锡伟等，2008； 熊仁伟等，2010； Renetal.，2013； 梁明剑等，2014，2020； 李陈侠等，2016； 刘雷等，2021)。其中，达日断裂在1947年曾发生达日M7地震[注]青海省地震局，1984，青海省达日1947年7级地震考察报告。，并形成长约70km的地表破裂带(梁明剑等，2020)。

2 地震序列及InSAR反演结果

2021年玛多地震的主震发生于北京时间2021年5月22日02时04分、国际时间2021年5月21日18时04分(UTC)。不同研究机构和学者给出的震中位置、震级大小、震源参数等存在一定差别(表1，图2b)，但均显示此次地震震中位于黄河乡附近，矩震级介于7.2～7.4之间，震源深度为8～17km，是由走向NW、倾角较陡、以左旋走滑运动为主的断裂活动所引发的地震事件。

表1 2021年玛多MS7.4地震的震源参数Table1 Source parameters of the 2021 Maduo MS7.4 earthquake

主震发生后，又发生了多次强余震(图2b)： 截至2021年5月30日07时30分，共记录到M>3.0余震60次，其中5.0～5.9级地震1次，4.0～4.9级地震13次，3.0～3.9级地震56次； 最大余震为5月22日10时29分发生的5.2级余震。王未来等(2021)采用双差定位法对震后8d的1i200余次余震事件进行了重新定位(图2b)，结果显示余震条带西起鄂陵湖南(34.8°N，97.5°E)，向E止于昌麻河乡附近(34.4°N，99.3°E)，总长170km，宽5～10km，整体走向NW； 主震位于余震条带的中部，主震东、西两侧的破裂长度各约85km，呈双侧破裂特征。在深部，余震序列集中在5～17km深度范围内，近垂直。另外，在余震条带两端均出现了余震分布分叉的现象，可能与此次地震触发的分支断裂活动有关。

除地震学参数外，InSAR观测也对发震断层和同震变形提供了独立约束。华俊等(2021)通过对欧洲航空局哨兵卫星SAR数据的分析(图2a)获得了此次地震产生的地表形变条带： 其西起鄂陵湖南(34.8°N，97.6°E)，向E经野马滩大桥、黄河河谷，终止于昌麻河乡以东，整体走向NW，与余震条带的空间展布吻合。通过进一步反演，确定发震断层的运动近纯左旋走滑，断层面近直立； 地震产生的同震位移集中在15km以浅并达到地表，形成长度>160km的地表破裂带； 最大滑动量约为6m。

综上，震源参数、余震分布和InSAR反演结果均显示2021年玛多MS7.4地震的发震断层为一条西起鄂陵湖南、东至昌麻河乡以东的NW走向的左旋走滑断层。

图2 a 2021年玛多MS7.4地震的InSAR同震形变场(升轨，据华俊等，2021)、野外调查点和同震地表破裂带； b 2021年玛多地震序列的精定位结果(据王未来等，2021)、野外照片位置和同震地表破裂带Fig. 2 InSAR observations(after HUA Jun et al.，2021 for the ascending orbit data)，field survey points，and coseismic surface rupture zone of the 2021 Maduo MS7.4 earthquake(a). Relocated aftershocks(after WANG Wei-lai et al.， 2021)，photo locations，and coseismic surface rupture zone of the 2021 Maduo earthquake(b).

3 地震地表破裂特征

为了更准确地限定发震断层的位置、地表破裂特征和地表同震位移，我们在对震源参数(表1)、余震精定位数据(王未来等，2021)和InSAR反演结果(华俊等，2021)综合分析的基础上，对震前、震后的高分辨率卫星影像进行了解译，并进行了详细的野外踏勘、追踪和测量，由此确定玛多地震的地表破裂带西起鄂陵湖南(97.60°E)，向E经野马滩大桥(98.05°E)、黄河乡(98.26°E)、黄河河谷(98.33°E)及冬草阿龙湖(98.76°E)，终止于昌麻河乡以东(99.28°E)。破裂带总长约160km，整体走向NW(图2)。

图3 鄂陵湖南段的地表破裂带变形特征，位置见图2bFig. 3 Coseismic surface rupture along the Elinghu south segment，see Fig. 2b for the location.a 靠近破裂带西端的张裂隙，走向40°； b 不对称帐篷型挤压鼓包和近平行的张剪裂隙； c 斜列张裂隙和挤压鼓包； d 断续分布的张裂隙； e 小路左旋位错，位错量为1.4～1.7m； f 湖岸草皮上不对称帐篷型挤压鼓包，高度>1m； g 宽达3m、深度>5m 的地震陷坑； h 右阶斜列和不连续张裂缝，整体走向65°

玛多地震地表破裂的几何结构非常复杂(图3—7)，主要由不连续或斜列的剪裂隙、张剪裂隙、张裂隙，以及不连续阶区内斜列的挤压鼓包、地震陷坑或凹槽等多种构造类型组合而成，整体构成一个宽数m至数百m不等的左旋剪切变形带。地表破裂带具有明显的分段特征，根据走向的变化及其空间延续性，自西向东可分为4段，依次为鄂陵湖南段、黄河乡段、冬草阿龙湖段和昌麻河乡段。各破裂段由若干更次一级的破裂按一定方式组合而成。

3.1 鄂陵湖南段

该段主破裂带沿鄂陵湖南侧展布，整体呈近EW走向，全长约27km(图2)。本段破裂主要由斜列的张裂隙、张剪裂隙、挤压鼓包和地震陷坑多种构造类型组合而成(图3)，可见道路、小冲沟、车辙印等被左旋断错，连续性较好。大致位于该段中部的位置(图3c—g)，破裂带规模宏大，可见高度>1m的不对称帐篷型挤压鼓包(图3f)和宽达3m、深度>5m的地震陷坑(图3g)，是鄂陵湖南段乃至整个地震地表破裂带变形最显著的地区。在观察点3e处(34.741°N，97.746°E)可见一小路沿地表破裂带发生了左旋位错，位错量为1.4～1.7m。在图4 所示的观察点位置(34.739°N，97.757°E)，破裂带宽约10m，由一系列剪切裂隙和挤压鼓包组合而成(图4a)。清晰可见车辙印迹被左旋断错(图4b，c)，现场通过皮尺测量获得车辙印迹被左旋断错1.4m(图4d)，在该点向E 810m处同样可见车辙印迹被左旋断错1.4m(图4e)。向东、西两侧延伸，破裂带规模均呈逐渐减小的趋势(图3a，h)。在西端，破裂带表现为一系列不连续的张裂缝； 在东端，鄂陵湖南段以一宽度>1km的离散变形带与黄河乡段相接。发震断层的地貌迹线在震前的卫星影像上不清晰，表明该段断层较为年轻或活动性较弱。

3.2 黄河乡段

自鄂陵湖南段向E经野马滩大桥、黄河乡北、黄河河谷，全长60km，整体走向近NW(图2)。在野马滩大桥以西，地表破裂带明显且连续，主要以线性剪裂隙、斜列的张裂隙和小型挤压鼓包为主(图5b，c)，局部可见高达2m的逆冲型挤压鼓包(图5a)，其形成可能与地震引起的重力滑坡作用有关(后缘拉张，前缘挤压)。在观察点5c处(34.693°N，98.018°E)可见小冲沟左旋位错，局部断层走向85°，位错量为0.7～0.9m。野马滩大桥—黄河乡，破裂带主要沿黄河支流(黑河)的河谷展布，主要表现为斜列或不连续的张裂隙、张剪裂隙，并可见大量串珠状喷砂冒水孔和砂土液化现象(图5d—f)。在黄河河谷附近(图5g)破裂带经过的位置可见大量因边坡失稳形成的与河道平行的张裂缝，张裂缝内喷砂冒水孔发育。在黄河河谷以东，破裂带断续分布，以张裂隙为主(图5h)。黄河乡段破裂带整体沿山脉与山前冲洪积台地的地貌陡变带展布，沿线可见SN向山脊、沟谷的左旋累积位错(数十m至数百m不等)，表明在玛多地震之前断层已经历了多次地震活动。

图4 鄂陵湖南段车辙印左旋位错，位置见图2bFig. 4 Left-lateral displacement of a track at Elinghu south segment，see Fig. 2b for the location.a 无人机影像显示破裂带由一系列斜列展布的张裂隙和挤压鼓包组合而成； b、c 穿过地表主破裂带的车辙印位错，白色箭头指示主破裂带的方向与性质，红色箭头指示剪切裂缝的方向与性质，白色椭圆形虚线圈处车辙印未发生 明显断错； d、e 野外实测车辙印左旋位错，错距均为1.4m

图5 黄河乡段地表破裂带的变形特征，位置见图2bFig. 5 Coseismic surface rupture along the Huanghexiang segment，see Fig. 2b for the location.a 沿地表破裂带形成的逆断层陡坎(最高处可达2m)，顶部发育斜列张裂隙，陡坎的形成可能与地震引起的重力滑坡作用有关(后缘拉张，前缘挤压)； b 平缓的挤压鼓包及其上发育的右阶斜列张裂隙； c 冲沟左旋位错，断层走向85°，位错量为0.7～0.9m； d 黑河北岸的张裂隙，走向近EW，张裂缝内发育喷砂冒水孔； e 黑河北岸的张裂隙(最宽处>20cm)，走向90°，伴有砂土液化； f 张剪裂隙，走向60°，局部形成高22cm的断层陡坎； g 黄河东岸边坡失稳形成的张裂隙，走向35°，裂隙内 可见大量串珠状喷砂冒水孔； h 张裂隙，最宽处为90cm，走向135°

3.3 冬草阿龙湖段

冬草阿龙湖段以一宽约3km的左阶阶区与黄河乡段相隔，二者之间为一小型拉分盆地(图2)。破裂带由斜列张裂隙和张剪裂隙、线性剪裂隙、挤压鼓包组合而成，总长>43km，整体走向SE，呈断续分布。在平面上，破裂带表现为舒缓的 “S”形弯曲，中部发育一左阶拉张弯曲，弯曲走向与断层整体的走向约呈25°夹角。破裂带在拉张弯曲附近规模较大，表现为斜列的张裂隙和最高>1m的挤压鼓包(图6b—f)，可在约5km的范围内连续追踪。在观察点6e(34.558°N，98.670°E)，根据左阶拉张阶区形成的张裂缝宽度可得左旋位移量为1.0～1.5m。在拉张弯曲以西，破裂带规模显著减小，以右阶斜列的张裂隙为主(图6a)； 在拉张弯曲以东，破裂带不连续，仅可见断续分布的张裂缝或张剪裂缝(图6g，h)。冬草阿龙湖段断层地貌迹线较为清晰，可见先存断层活动形成的山脊、水系位错和线性槽谷。

图6 冬草阿龙湖段地表破裂带的变形特征，位置见图2bFig. 6 Coseismic surface rupture along the Dongcaoarlong segment，see Fig. 2b for the location.a 右阶斜列张裂隙，最宽处达30cm，深度>1.8m； b 局部逆断层陡坎，高60cm，走向约110°； c 切过山坡、湖面冰层、走向NEE的地表破裂带，由一系列挤压鼓包和张剪裂隙组合而成； d 对称帐篷型挤压鼓包，高1.4m； e 左阶拉张阶区形成的张裂隙，据裂缝宽度可得左旋位移量为1.0～1.5m； f 河流冰面上形成的挤压脊，走向115°； g 多条近平行的张裂隙，沿河谷边缘呈NNW向展布，可能与重力作用有关； h 黄河北岸形成的走向110°的张剪裂隙，最大宽度为60cm， 最大垂直落差为30cm，最大深度可达1.4m

图7 昌麻河乡段地表破裂带的变形特征，位置见图2bFig. 7 Coseismic surface rupture along the Changmahexiang segment，see Fig. 2b for the location.a 山脊处的张裂隙，形成高40cm的落差，走向80°； b 河岸草皮上发育的挤压鼓包及其上的张裂隙，可能与重力滑脱作用有关； c 河岸草皮上的不对称帐篷型挤压鼓包，可能与重力滑脱作用有关； d 挤压鼓包和右阶斜列张裂隙； e 剪裂隙和挤压鼓包，整体走向105°； f 昌麻河乡西由剪裂隙和挤压鼓包组成的地表破裂带，整体走向100°； g 河岸左旋位错，位错量为1.1m； h 昌麻河乡附近走向110°的张裂隙，最宽处可达80cm； i 靠近地表破裂带东端的右阶雁列张裂隙，宽1～5cm不等，走向90°

3.4 昌麻河乡段

昌麻河乡段以一左阶拉张阶区与黄河乡段相隔(图2)，整体走向变为近EW向，呈向S突出的舒缓的弧形(图2)。破裂带由一系列线性剪裂隙、斜列挤压鼓包和张裂隙组合而成，总长26km，延续性较好(图7)。局部可见规模较大的挤压鼓包(图7b，c)和正断层陡坎(图7a)，可能与重力滑坡或垮塌作用有关。在观察点7g(34.488°N，99.179°E)可见横跨破裂带的河岸发生了左旋位错，位错量为1.1m。在昌麻河乡以东9km，仅可见规模较小(宽1～5km不等)的右阶张裂隙(图7i)，大致代表了整个地表破裂带东端的破裂特征。与鄂陵湖南段类似，昌麻河乡段断层的地貌迹线不清晰，可能表明该段断层较为年轻或活动性较弱。

4 初步认识

综合震源参数、余震分布、InSAR反演结果和地表调查结果，获得了关于2021年玛多MS7.4地震的发震断层、地表破裂特征的一些初步认识，主要包括：

(1)发震断层。2021年玛多地震使一条西起鄂陵湖南、东至昌麻河乡，总长约160km，走向NW的左旋走滑断层发生了破裂(图2)。综合中国活动构造图(邓起东等，2007)和中国及邻近地区地震构造图(徐锡伟等，2016)的断层数据，确定本次地震的发震断裂与昆仑山口-江错断裂的位置吻合： 该断裂向W与东昆仑断裂相接，向E延伸至甘德附近，长度>500km，本次玛多地震使该断层的东段——江错段发生了破裂。综上，我们认为玛多地震的发震断层为昆仑山口-江错断裂，破裂段为江错段。整个破裂段中鄂陵湖南段和昌麻河乡段的地貌迹线不清晰，说明这2个段落的滑动速率较低或较为年轻，正处于形成和贯通过程中。

(2)地震地表破裂特征。玛多地震地表破裂的几何结构复杂，主要由线性剪裂隙、斜列张裂隙和张剪裂隙、挤压鼓包、地震陷坑等多种构造类型组合而成，在河谷地区伴有大量喷砂冒水和砂土液化现象。地表破裂带由西向东可依次划分为鄂陵湖南段、黄河乡段、冬草阿龙湖段和昌麻河段； 不同段之间或走向差别较大，或以大的拉张阶区分隔。其中鄂陵湖南段、黄河乡段的西段、冬草阿龙湖段的中段和昌麻河乡段的地震地表破裂带明显且可连续追踪，尤以鄂陵湖南段地表破裂规模最大； 其他段的地表破裂断续分布。根据冲沟、道路和拉张阶区裂隙宽度可确定地表同震位移量为1～2m，明显小于由InSAR反演的断层深部的同震滑动量6m。一种可能的解释是同震变形弥散在很宽的范围内，野外调查只获得了断层近场的同震位移值。另一种可能的解释是地表同震位移量小于断层深部同震位移； 地表同震位移亏损可能通过震间蠕滑或震后余滑的方式补偿。

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