2022年青海门源6.9级地震引起的地表同震位移场研究

周卓群,夏 晨,2,3,李 震,戚承志,2,3

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院,北京 100044;2.北京建筑大学 北京未来城市设计高精尖创新中心,北京 100044;3.北京建筑大学 城市交通基础设施建设北京国际科技合作基地,北京100044)

0 引言

根据中国地震台网发布,北京时间2022年1月8日01时45分27秒,在青海省海北州门源县发生6.9级地震。本次地震震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km。地震发生后,中国地震局进行了震害调查、流动观测等工作,发布了《青海门源6.9级地震烈度图》(https://www.cea.gov.cn/),分析得出此次地震造成地表破裂约22 km,最高烈度为Ⅸ度(9度),Ⅵ度(6度)区及以上面积约23 417 km2。

中国地震局地质研究所开展了现场科学考察工作,在区域构造位置上,推测此次门源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[1-5],主要以左旋走滑为主,初步判断破裂带两侧地表沿SE—NW方向运动。通过现场观测得出本次地震在地表产生了4条破裂带,其中北支和南支地表破裂带规模较大,长度分别约为21.5 km和3.8 km,加上2条规模较小的地表破裂带,合计长度约25 km。此次地震震中位置人口密度较低,然而极震区部分铁路、公路受破坏严重,由于地震地表破裂带的影响,兰新高铁硫磺沟大桥及隧道被完全破坏。

此次地震灾害的诸多调查结果显示出破裂带对建筑设施的影响,也凸显出活动断裂附近的重大工程采取避让或抗震措施的重要性[6-8]。地震过后,对破裂带周边地区地表位移场进行快速观测与计算,对震害地区恢复工作以及后续周边工程抗震设防具有重要参考意义。

本文首先在总结2022年门源6.9级地震相关资料基础上,设置发震断层面4种不同位错分布模式。然后基于Okada提出的地表位移解析解,计算不同断层位错分布模式下6.9级门源地震引起的地表位移场。最后结合现场观测数据,讨论此次地震发震断层引起的地表位移场及其影响范围,为此次地震的震后恢复工作及后续的震害研究提供参考。

1 震源断层位错分布模式设置

1.1 断层参数

计算断层引起的地表位移场需要确定断层面尺寸以及断层滑动量。美国地质勘探局(USGS)给出的此次地震震源发震断层分布以及断层面上的位错分布反演如图1～2所示(图中星型标记为USGS给出的震源位置:37.802°N 101.245°E,震源深度13 km)。

图1 2022门源6.9级地震发震断层分布(https://earthquake.usgs.gov/)Fig.1 Distribution of the seismogenic fault of 2022 Menyuan MS6.9 earthquake (https://earthquake.usgs.gov/)

由图2可知,发震断层为左旋走滑断层,断层面上最大位错量达到4 m左右,滑动量沿断层走向由震中位置向两侧逐渐减小。

图2 2022门源6.9级地震发震断层面滑动分布(https://earthquake.usgs.gov/)Fig.2 Fault-slip distribution of 2022 Menyuan MS6.9 earthquake (https://earthquake.usgs.gov/)

(1)

式中:μ为剪切模量;A为断层的破裂面积。

Kanamri[10]提出的地震矩M0与矩震级MW之间的关系式为:

(2)

根据式(1)和(2),当地震矩震级和断层剪切模量确定,断层面的平均滑动量只与断层破裂面积有关。此处式(2)中的MW取USGS给出的本次地震的矩震级为MW6.6。

根据已有震源断层信息并结合式(1)和(2),震源发震断层长度确定为25 km,宽度10 km,断层平均滑动量设置为1.7 m,断层其他参数如表1所列。

表1 门源6.9级地震震源参数Table 1 Source parameters of Menyuan MS6.9 earthquake

1.2 断层面位错分布

运用Okada[11-12]提出的解析解计算地表同震位移场,首先要考虑断层面位错分布。为了更准确地得到地表同震位移场,设置不同位错分布模式,并将计算结果与现场调查结果进行对比分析。4种不同的断层面位错分布模式分别设置如下:

(1) 将震源断层划分为250个1 km×1 km的子断层,基于USGS反演的断层面位错分布,设置位错量均匀变化的位错分布模式a。

(3)

(4)

(5)

(6)

即:

(7)

(8)

(9)

(10)

(5) 设置整个断层面位错量均匀分布的位错分布模式d,结合USGS给出的断层面位错分布与Aki和Richards[9]提出的关系式,取平均位错量为1.7 m。

上述a、b、c三种非均匀位错模式下的位错分布如图3所示,其中(b)、(c)图中断层范围内实线包围区域为凹凸体,(c)图中虚线与实线之间的区域为凹凸体内的过渡区,点划线与实线之间的区域为背景区内的过渡区。

图3 三种不同模式下门源6.9级地震断层位错分布(单位:cm)Fig.3 Fault dislocation distribution of Menyuan MS6.9 earthquake under three different modes (Unit:m)

2 门源6.9级地震地表位移场分析

2.1 Okada弹性半空间位错理论

Okada提出了点源及有限矩形面源的位错通用解析解[10],能够计算断层走滑、倾滑以及张拉作用下引起的地表位移,因此可以将任意的断层位错分解为走向、倾向以及张拉三个方向进行计算后叠加获得断层引起的地表位移。

Okada弹性半空间位错理论采用笛卡尔坐标系,以下盘断层面左下角点在地表的投影为坐标原点,平行断层走向方向为x轴,如图4所示。图中,δ为断层倾角,W为断层面宽度,L为断层面长度,U1、U2、U3分别为走向、倾向以及张拉方向的平均位错分量。由于此次门源地震滑动形式以左旋走滑为主,计算时只考虑U2作用下产生的地表位移场。

图4 Okada位错模型示意图Fig.4 Schematic diagram of the Okada dislocation model

子断层的平均位错量取值由图3给出,通过单独计算每个子断层引起的地表位移,进行叠加即可得到整个断层面引起的地表位移。

在地表沿x、y轴方向(坐标定义参照2.2节中的说明)每隔0.5 km取一个计算点,依照此方法计算每个点的位移即可得到由断层面引起的地表位移场。

2.2 基于Okada理论的地表位移场计算结果

本节基于Okada[10-11]提出的解析解,分别计算4种不同断层位错模式下的地表位移场。图5～图8为地表位移云图,图中灰色粗实线为断层地表破裂线,图中星型标记为USGS给出的震源位置(37.802°N,101.245°E),断层为左旋走滑断层,断层下盘位于破裂面以北,断层上盘位于破裂面以南。设地表平行断层走向方向为x向,垂直断层走向为y向,a、b、c、d四种位错模式下沿地表x向位移分别为ux1、ux2、ux3、ux4,方向以图中x正向为正;沿地表y向位移分别为uy1、uy2、uy3、uy4,方向以图中y轴正向为正;竖向地表位移分别为uz1、uz2、uz3、uz4,方向以竖直向上为正。图中位移的正负值代表地表位移方向,正值表示地表位移向正向移动,负值则为相反方向。

图5为位错模式a引起的地表位移等值线图。其中断层北侧ux1为负值,最大值达到1.85 m出现在震源位置附近临近断层处;断层南侧ux1为正值,最大值为1.07 m。计算结果表明地表x向位移整体以断层为轴呈对称分布,在y向上与断层相距约18 km处仍有0.1 m左右的位移,断层以北临近断层处局部区域位移大于1.5 m。

图5 位错模式a引起的地表位移云图(灰色粗实线为断层所在位置,单位:m)Fig.5 Cloud map of surface displacement induced by dislocation mode a (The gray thick solid lines show the fault location,unit:m)

以过震源位置,且垂直于断层走向的直线为轴,uy1呈东西方向对称分布,轴线东侧区域uy1以负向为主,最大0.386 m,出现在沿y向与断层相距1.5 km左右处;西侧区域uy1以正向为主,最大值0.31 m,出现在沿y向与断层相距3 km左右处。y方向平均位移小于x方向,符合该断层的滑动特点。uy1的影响范围也小于ux1,在临近震源位置的断层两侧uy1接近于0。

uz1影响范围小于ux1和uy1,临近断层区域出现最大0.85 m的局部隆起与0.205 m的局部沉降。断层北侧,地表沿断层走向由西向东先隆起后沉降;断层南侧则相反,临近断层西部沉降,东部隆起。

图6为位错模式b引起的地表位移等值线图,该种模式下地表位移分布形式与a模式下基本相同,但最大地表位移有较大差别。ux2正向最大值为0.75 m,负向最大值为1.11 m;uy2正向最大值0.242 m,负向最大0.302 m;uz2正向最大值0.486 m,负向最大值0.166 m。三个方向的位移分量均小于a模式,地表位移分布较a模式更均匀,最大位移区域仍出现在临近断层处。

图6 位错模式b引起的地表位移云图(灰色粗实线为断层所在位置,单位:m)Fig.6 Cloud map of surface displacement induced by dislocation mode b (The gray thick solid lines showthe fault location ,unit:m)

图7为位错模式c引起的地表位移等值线图,该模式下的地表位移分布形式与a模式相近,最大地表位移较小,三个方向地表位移最大值分别为ux3正向最大值0.8 m,负向最大值1.34 m;uy3正向最大值0.242 m,负向最大0.328 m;uz3正向最大值0.584 m,负向最大值0.199 m。

图7 位错模式c引起的地表位移云图(灰色粗实线为断层所在位置,单位:m)Fig.7 Cloud map of surface displacement induced by dislocation mode c (The gray thick solid lines show the fault location,unit:m)

图8为位错模式d引起的地表位移等值线图。与位错模式a作用下的位移分布形式相似,断层北侧ux4为负值,但最大值仅有0.82 m,相较a模式下的1.07 m减小了0.25 m;断层南侧ux4为正值,最大值为1.57 m。虽然分布形式与a模式相近,但最大位移量减小,且位移分布更加均匀,在震源位置附近未出现位移较大的集中区域,x向位移沿着地表破裂面均匀分布。x向位移影响范围与a模式下相近。

图8 位错模式d引起的地表位移云图(灰色粗实线为断层所在位置,单位:m)Fig.8 Cloud map of surface displacement induced by dislocation mode d (The gray thick solid lines show the fault location,unit:m)

uy4与uy1分布形式有所差别,uy4主要集中在断层端点附近,其影响范围相较uy1明显减小且位移集中区域沿断层走向由中部向两侧移动,其位移分布相较于uy1对称性更强。uy4正向最大值0.324 m出现在破裂带西端附近,负向最大值同为0.324 m出现在破裂带东端附近。

uz4以断层中点为对称中心呈现出中心对称的分布特点,临近断层位置,存在最大0.685 m的局部隆起与0.225 m的局部沉降。该模式下竖向地表位移分布集中在断层线两端。与a模式相比,d模式下计算得到的地表位移场分布均匀,难以体现出破裂面滑动的非均匀性,但能够得到大致的位移影响范围,计算较为简便,在缺乏现场观测数据的情况下可以作为粗略预估地震产生地表位移场的参考依据。

计算结果表明,利用Okada解析解计算地表同震位移场时,断层面位错分布模式对结果有着不可忽视的影响。这种影响主要体现在最大地表位移与地表位移分布形式上,而对地表位移的影响范围以及地表平均位移影响较小。

对比4种位错模式下计算的地表位移场,分析可得震中西南侧向NE方向运动,东南侧向SE方向运动,西北侧和东北侧分别向NW以及SW方向运动;地表水平位移最大值超过1.5 m,出现在震中附近,最大竖向地表位移超过0.5 m出现在震中附近的地表破裂面处;断层走向方向上,由断层两端向外延伸约5 km处仍存在0.1 m以上的地表水平位移,沿垂直断层走向方向距断层15 km处仍存在大于0.1 m的地表水平位移,而竖向地表位移超过0.1 m的范围仅集中在地表破裂带附近。

计算结果能够为地表位移影响范围提供参考,而在研究临近断层区域的地表位移时,还需要现场观测数据等与理论计算结果相结合以便得到更为准确地地震灾害信息。

2.3 现场测量所得部分地表变形数据

根据中国地震局地质研究所(https://www.eq-igl.ac.cn/)的现场调查结果,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0.79 m、1.05 m、1.8 m以及2.8 m不等的地表位错,一些区段可观察到约0.7 m的垂直位错量,最大垂直位错量与计算结果相近,最接近d位错模式下算得的0.685 m竖向地表位移。现场观测显示,此次地震震中西南侧向NE运动,而东南和西北侧分别向SE和NW运动,这也与计算得到的地表运动规律相符。

兰州大学组织的现场考察中发现(https://news.lzu.edu.cn/),本次地震中主破裂带沿冷龙岭断裂西段分布,主要以左旋走滑为主,其最大水平位错约2.1～2.3 m,且向两端逐渐衰减,这与a位错模式下计算得到的地表x向最大水平位移1.85 m接近,但仍大于四种模式下算得的地表最大水平位移。

根据计算结果与现场观测结果的对比得出,计算得到的最大位移均小于现场观测结果,a模式下的最大地表位移计算结果与现场观测数据最接近,说明a模式计算精度较高。而对比4种模式得到的计算值,c模式下算得的地表位移场整体分布形式最接近a模式,在缺少精确的断层面滑移量反演数据时,利用此种设置方法也可以得到较好的计算结果。

复杂的地质环境使得地表破裂带表现出复杂的组合特征[15-17],不同区段的地表破裂带宽度变化很大,在理论计算中未能考虑到部分断层区域的张拉与挤压作用也导致了计算结果的误差。此外,本文采用的Okada解析解是基于均匀的弹性介质,未考虑地表土层的影响,这也是引起计算的最大地表变形与观测结果有出入的原因之一。

3 结论

通过对现有2022年青海门源6.9级地震震害资料的研究分析,设置了4种不同的断层面位错分布模式,利用Okada提出的地表位移解析解计算了4种不同位错分布模式下地表同震位移场。通过现场调查结果与计算得到的地表位移场进行对比分析,探讨理论计算结果的可靠性以及误差产生的原因,并分析了断层引起的地表活动方向、影响范围以及最大位移。

根据计算得的地表位移场,结合现场观测结果,得出以下结论:

(1) 初步判断2022年青海门源6.9级地震发震断裂主要为冷龙岭断裂延伸至托莱山断裂,主要以左旋走滑断层为主;震中西南侧向NE方向运动,东南侧向SE方向运动,西北侧和东北侧分别向NW以及SW方向运动。

(2) 计算得到的最大地表水平位移超过1.5 m,出现在震中附近位置;最大地表竖向位移超过0.5 m,出现在临近断层的局部区域。现场监测到的最大地表水平位移约2.1～2.3 m,一些区段最大垂直位错量达到0.7 m。

(3) 4种不同位错分布模式下的地表位移场影响范围相近,以震中为中心,地表位移场影响范围约30 km×36 km,此区域内地表位移大于0.1 m。

(4) 4种不同位错分布模式下的最大地表位移量与位移分布形式有所差别。与现场调查结果对比发现a位错模式精度较高,以其作为参照对比4种模式下算得的地表位移场可得:最大地表位移方面,a模式与b模式下算得的最大地表x向位移差值达到0.74 m,最大地表竖向位移差值达到0.319 m;a模式与c模式下的最大地表水平位移差值较大,达到0.51 m,最大地表竖向位移差0.27 m;a模式与c模式下最大地表竖向位移差0.2 m。地表位移分布形式方面,位错模式a与c的计算结果最为接近,地表位移较大的区域均出现在震中附近;与a模式相比,b模式下的临近断层区域地表位移场分布相较a模式更加均匀,这是由于位错模式b中断层面由均匀滑动的3部分组成,在临近断层处的地表位移变化难以体现;相较于模式a ,d模式下的地表位移分布更为对称,位移集中区域沿断层走向扩展至断层两端,其中y向地表位移场差别最为明显,产生这种情况的主要原因为断层面整体均匀滑动的位错设置方法,未能考虑断层面位错非均匀性,这种均匀分布模式可以在缺少位错反演资料时用作位移场影响范围的确定,对于局部区域位移场分布形式的计算精度较差。