2021年青海玛多MW7.4地震同震地表破裂长度的讨论

姚文倩 王子君 刘 静 刘小利 韩龙飞 邵延秀 王文鑫 徐 晶 秦可心 高云鹏 王 焱 李金阳 曾宪阳

1)天津大学，地球系统科学学院，表层地球系统科学研究院，天津 300072

2)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

3)中国地震局地震研究所，武汉 430064

4)中国地震局第二监测中心，西安 710054

0 引言

地震危险性评价主要依赖于地表破裂特征的精细刻画、断裂滑动速率、地震复发间隔等，其中有关地表破裂特征的精细刻画包括地表破裂的位置、连续性及长度等，这些特征参数的确定对于震源参数的获取以及地震灾害的评估有着重要的指示意义(Bonillaetal.，1984； Wellsetal.，1994； Xuetal.，2006)。在评估区域未来地震的发生潜力时，断裂可能发生的最大地震的震级是重要的评估基础，该值可通过已发生特征地震的破裂参数，如破裂长度和同震位移进行估算。因此，前人基于已有震例建立了震级与不同的破裂参数之间的经验关系式，如震级与地表破裂长度、震级与同震位移、破裂长度与位移等(Bonillaetal.，1984； Wellsetal.，1994； Stirlingetal.，2008)。地表破裂长度是地震破裂的重要参数，其值可通过野外调查、室内影像解译甚至地球物理学方法进行估计(Klingeretal.，2005； Xuetal.，2006； Lietal.，2012； Renetal.，2019； 华俊等，2021； 王未来等，2021)。其中，野外实地调查是获取地表破裂长度值的最准确手段。因此，每次大地震发生后，研究者们通常于第一时间开展野外调查，以尽快获取地表破裂长度等参数。

在初步确定某次强震的地表破裂长度时，存在多种因素可能导致获取的长度值不精确甚至误差较大，如由于难以到达偏远的震区位置而未能精确识别破裂的起始及终点位置，破裂端点在震后遭遇滑坡覆盖、雨水冲刷或动植物破坏等，误将位移量逐渐消减的位置作为破裂终点，沿断裂发育的几何不连续段落被忽略(如断裂沿线经过的砂土液化点、沙丘、湖泊等)等，这些因素都应当在统计地表破裂长度时谨慎规避。

地表破裂长度是地震破裂的重要参数之一，因此有必要基于更详实的地震地质调查资料，对上述有关玛多地震的结果进行评估。此外，准确限定地震的地表破裂长度也将有助于评估江错断裂的地震危险性。我们分别于2021年5月和9月前往震区开展了2次大范围的野外调查，并结合对无人机航拍影像和高精度地形数据的精细解译，最终明确了玛多MW7.4 地震地表破裂的展布特征、破裂分段以及破裂长度等重要参数，并进一步分析了地表破裂长度误差产生的原因，同时探讨了地震破裂长度与地震强度的关系。

1 区域活动构造背景

新生代以来，印度板块与欧亚板块的持续碰撞形成了举世瞩目的青藏高原，并使其不断向周缘扩展及增生(Tapponnieretal.，2001； Molnaretal.，2009)，也塑造了高原强烈的构造变形，其中最显著的变形特征之一就是分布于高原周缘及内部的多条大型走滑活动断裂，如海原断裂、昆仑断裂、鲜水河断裂等，这些典型的活动断裂也是高原强震的发震构造(Tapponnieretal.，2001； 张培震等，2003)。而被东昆仑断裂带、龙门山断裂带、鲜水河断裂带和甘孜-玉树断裂带等一系列大型断裂带围限的巴颜喀拉块体位于青藏高原中北部，是中国大陆现今地震活动较为强烈的活动块体之一(图 1)(Tapponnieretal.，1982； Burchfieletal.，1995； 张培震等，2008； 邓起东等，2010； 闻学泽，2018)。

图 1 青藏高原的主要活动断裂及强震分布图Fig. 1 Distribution of major active faults and earthquakes of the Tibetan plateau.活动断裂修改自Tapponnier等(2001)，五角星指示2021年5月22日玛多 MW7.4 强震震中

除四大边界断裂带外，巴颜喀拉块体内部以东区域还广泛发育了一系列NW-SE向的活动断裂，如五道梁-长沙贡玛断裂、达日断裂、玛多-甘德断裂和江错断裂等，这些断裂的晚第四纪活动性特征较为明显(戴华光，1983； 梁明剑等，2014)。其中，达日断裂中段曾在1947年3月17日发生过M7强震，且震中烈度达Ⅹ度(戴华光，1983； 中国地震局震害防御司，1999)。最新研究表明，此次强震产生了长约70km的显著地震地表破裂带(梁明剑等，2020)。总体而言，目前对于块体内部诸多活动断裂的相关研究还很匮乏，尤其是此次玛多地震的发震断裂——江错断裂，在此次地震发生之前仅在1︰25万地质图上被局部勾勒过，且标注为不连续的逆冲断裂，其第四纪活动性未知。

2 方法和数据

玛多MW7.4 地震发生后，天津大学地球系统科学学院立即组织科考队前往震区开展了野外调研工作，并迅速进行了无人机航空摄影测量作业，持续时间为2021年5月24日—6月15日，获得高精度影像40000余张。航拍作业所使用的飞行平台为成都纵横大鹏无人机科技有限公司自主研发的CW-15型无人机，搭载4200万像素的单反相机、携带GPS模块(通过与单反相机的相对位置可准确得到航拍照片的GPS信息)。我们基于震后数天的InSAR range offset推测的地表破裂位置(社交软件共享)为航拍作业的中心线，沿地震地表破裂带设计覆盖中心线两侧各500m、长约180km的航空摄影测量数据廊带(图 2)。将kmz文件分段导入CW-Commder飞控平台设置航拍区域并自动生成无人机航空测线，其中航空照片的航向重叠率与旁向重叠率分别为80%和80%，地面比例尺大多设置为1︰300(在地形复杂的破裂东端设置为1︰600)。 为提高航拍照片绝对位置的准确度，架设RTK地面基站并采集CORS站数据对无人机姿态数据进行校准。每获取一个架次的航空摄影测量数据，立即使用PPS位置解算软件对无人机姿态数据(Pos)、RTK基站位置数据和CORS站数据进行解算，从而获取每张航空照片的精确位置信息，包括经纬度坐标、高程、无人机的航向、滚转与俯仰等参数。

图 2 无人机航拍作业区域分布图Fig. 2 Map showing the UAV operation area.

此外，基于前期在室内对高精度Google Earth影像数据的初步解译结果，我们推测在优云乡东段的山区范围内可能发育地表破裂。因此，还利用大疆精灵Phantom4ProV2.0小型无人机对优云乡段东段的局部区域进行了航空摄影测量作业，作业时间段为2021年6月29—31日，作业面积约为54km2(图 2)。本款小型无人机搭载FC6310S型号相机，配备1英寸2000万像素的影像传感器和8.8mm焦距的广角镜头，所得影像数据的分辨率高、成像效果好。另外，该无人机集成了全球定位系统(GPS)和全球卫星导航系统(GLONASS)卫星定位双模块，保证了影像定位的准确度。

室内数据处理主要基于运动结构重建方法(Structure from Motion，SfM)开展，使用商业软件Agisoft PhotoScanTM软件构建具有地理坐标信息的三维拼接影像及地形数据。这种新型数字摄影测量技术可利用高效的图像特征匹配算法，从多视角照片中提取重叠区域的三维地形数据(Fisheretal.，2005； Westobyetal.，2012； Fonstadetal.，2013； Johnsonetal.，2014)。通过Agisoft PhotoScanTM软件构建三维地形数据包括以下5个步骤： 1)将照片和相应的位置信息导入软件，检查影像质量，剔除一些颜色异常、不清晰、严重变形等质量较差的图像； 2)通过图像之间的特征匹配和跟踪以重构三维景观，该步骤结束后得到稀疏的真彩色点云数据； 3)基于稀疏点云数据进一步获取高密度的点云数据； 4)建立纹理和网格数据； 5)构建数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)与数字正射影像(Digital Orthograph Model，DOM)，并导出为tif文件。其中，在获取高密度点云数据后可借助其他优化数字高程模型的专业软件(如QT Modelder等)制作DEM数据。研究中，在室内利用DELL Precision 7820 Tower图像处理工作站严格按照上述操作流程对本次航拍采集的大量影像数据进行处理，最终获取分辨率达3～6cm的数字正射影像和数字高程模型，并基于ArcGIS、Global Mapper制图软件平台对DEM进行处理得到相关衍生图(如坡度图、山影图、等高线图等)。

3 玛多地震地表破裂的几何结构特征

通过2次野外地质考察，我们对玛多地震地表破裂进行了详细追踪和测量，结合对覆盖破裂全段的高精度拼接影像的精细解译，最终确定了玛多地震地表破裂复杂的几何学形态展布特征。此次地震的同震地表破裂主要沿江错断裂发育，依据其走向变化自西往东可依次划分为鄂陵湖南段、野马滩段、黄河乡段、优云乡段和江错分支段，全长约为158km(图 3)。

图 3 玛多 MS7.4 地震的地表破裂分段及区域活动断裂分布图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为地表破裂的分散范围，BP指示地表破裂出现分支段的起点，1号和2号点位分别为已有研究中的破裂东端点(潘家伟等，2021； 李智敏等，2021)

4 玛多地震地表破裂的长度

图 4 江错分支段血麻乡以东段落的高精度地形数据及地表破裂解译图Fig. 4 High-resolution DEM and mapping of the surface ruptures along the Jiangcuo section.图中的1号和2号点位标注同图3所示

图 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 地表破裂总体的几何形态展布特征； b 连续发育的张剪切裂缝； c 沿EW向连续分布的小型挤压鼓包，至水洼处消失； d 垂直于江错分支段的高程剖面，显示发育断层陡坎

图 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 地表破裂的总体几何形态展布特征； b 高精度数字正摄影像显示的右行雁列张裂隙分布； c 垂直于江错分支段的高程剖面，显示断层陡坎发育

图 7 江错分支段东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.

除江错分支段外，玛多地震地表破裂传播至冬草阿隆湖东侧沙丘位置处，经过大范围沙丘覆盖区段后，保持主破裂走向沿SE继续传播，即优云乡段。已有的研究认为优云乡段与主破裂段之间的沙丘覆盖段未见地表破裂，并将其定义为“空区”(潘家伟等，2021)。而本次研究显示，地表破裂穿过了该沙丘覆盖段落并零星出露，且局部较为连续，野外可见明显的张裂隙且具有垂向位错(图 8)，垂向位错量为2～30cm。穿过沙丘后行至山道附近，优云乡段地表破裂则开始大范围分布，近EW向连续延伸(图 3)。

图 8 优云乡段沙丘内地表破裂的野外照片Fig. 8 Photographs showing coseismic surface ruptures in the dune of the Youyunxiang section.b为a中相机位置拍摄的局部放大图，显示沙丘南侧被垂向抬升约30cm

图 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 同震地表破裂长度的探讨

5.1 同震地表破裂长度研究结果的差异性

通过震后2次野外地表破裂实地调查和测量，结合基于高精度数字正射影像的精细填图，确定玛多MW7.4 地震的同震地表破裂长158km。本次测量中： 1)未包含偏离主破裂迹线的次级破裂长度，如优云乡段、鄂陵湖段北支等的地表破裂长度不在统计范围内； 2)未对跨阶区的重叠段进行重复计算； 3)针对大面积沙丘覆盖区域解译出的连续地表破裂被统计在内。 以上3点是与已有的研究测量的差异点。例如，潘家伟等(2021)基于野外调研认为此次地震的同震地表破裂总长约151km，其中包含约20km长未识别出地表破裂的“空区”段。而李智敏等(2021)向W继续考察发现地表破裂在距离血麻乡约9km的位置尚且存在规模较小的右阶雁列张裂隙，在该位置以东破裂消失，因此将其定为地表破裂的终点(图 3 中的2号点)，基于此观测认为地表破裂的总长应为160km。

5.2 同震地表破裂长度的讨论

表 1 玛多 MW7.4 地震同震地表破裂的长度统计Table1 Length of the coseismic surface ruptures of the MW7.4 Madoi earthquake

图 10 地表破裂长度及矩震级的经验关系图(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).图中实线和虚线分别指示最佳和置信区间95%时地震震级和破裂长度的线性关系

玛多MW7.4 地震的余震序列表现为明显的双侧破裂模式，沿主破裂面向东、西两侧均出现分支破裂(Heetal.，2021； Jinetal.，2021； 徐志国等，2021； Zhaoetal.，2021； Chenetal.，2022)，说明本次地震触发了两侧分支断裂的破裂，这与本文的研究结果一致(图 3)。本文基于详细的野外调查识别出江错分支段的东端位于血麻乡以东约11km的位置，这与之前利用地球物理学方法给出的东端点位置也基本吻合。虽然该段位于血麻乡附近连续地表破裂迹线尾端以外，但其作为构造地表破裂的一部分，应当被包含在地表破裂长度的计算范围之内(Wesnousky，2008)。此外，本研究中还结合了高精度影像数据的精细解译识别出优云乡段沙丘内的诸多地表破裂迹线(经野外检验核实确认)以及人力较难抵达的F1断裂上的较为连续的地表破裂段，这也彰显了数字摄影测量技术在活动构造研究中的重要作用(Klingeretal.，2005； Oskinetal.，2012； Hudnutetal.，2020)。

6 结论

本研究对2021年5月22日玛多MW7.4 地震展开了详实细致的野外调研，结合高精度影像数据的精细解译，得出以下结论和认识：

(1)此次同震地表破裂自西往东沿鄂陵湖南段、野马滩段、黄河乡段、江错分支段分布，破裂全长约158km。冬草阿隆湖以东的沙丘区域内存在半圆弧形的连续性张剪性地表破裂，而破裂在沿SE向优云乡段的传播过程中经过的大面积沙丘覆盖区域也存在零星的张剪性地表破裂和断层陡坎，陡坎的垂向位移可达30cm。

(2)限定同震地表破裂长度的测量误差重点在于更广泛详实的野外调查，宜结合高精度影像的精细解译，并避免阶区等段落几何复杂区两侧叠加段落的重复计算。

(3)此次地震的同震地表破裂长度较经验公式估算值偏大的现象广泛存在于青藏高原的其他大地震中，针对这一现象有待开展深入的研究工作以揭示其机理性的指示意义。

致谢审稿专家为本文提出了宝贵意见和建议，在此表示衷心感谢！