2021年青海玛多M 7.4地震发震断裂的典型同震地表变形与晚第四纪断错累积及其区域构造意义

陈桂华， 李忠武， 徐锡伟， 孙浩越， 哈广浩，郭鹏， 苏鹏， 袁兆德， 李涛

1 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 2 应急管理部国家自然灾害防治研究院， 北京 100085 3 中国地震局地质研究所地震与火山灾害重点实验室， 北京 100029

0 引言

发震断裂的晚第四纪变形被认为是断裂长期交替发生地表破裂型地震的同震变形和间震期蠕滑或闭锁的累积变形结果(Zielke et al., 2010; Klinger et al., 2011)，单次地震同震变形与发震断裂长期变形及多个地震周期变形累积的关系是古地震和强震复发规律研究的关注焦点，也是判断发震断裂新生性、区域构造应力场变化、区域构造格局变化的关键地质证据.由于基于地质记录的古地震研究受到数据时空分辨率的限制，目前对倒数第二次及更老的地表破裂型地震变形的时空分布只能进行低空间分辨率的分段性研究等(冉勇康和邓起东，1999；刘静等，2007；冉勇康等，2018).而近年发展的基于高分辨率地形的断错地貌统计分析古地震事件与位错累积方法，虽然可以获得多次古地震的位移空间累积分布，但是对级联破裂和单次事件的区分仍然存在困难(Zielke et al., 2010; Klinger et al., 2011; Kang et al., 2020)，并且受到地貌改造的极大影响(Lin et al., 2020).高空间分辨率的最新一次地震同震变形是约束发震断裂同震变形行为的理想数据(Xu et al., 2006; 徐锡伟等，2010).

据中国地震台网中心测定，2021年5月22日2时4分，在青海玛多发生M7.4大地震，仪器震中位置(34.59°N，98.34°E)，震源深度17 km(图1).震源机制研究显示，该地震发震断层对应的节面为走向281°，倾角88°，滑动角1°，近乎左旋走滑破裂(张喆和许力生，2021).Insar观测和野外初步调查显示，地震发生于昆仑山口—江错断裂的鄂陵湖—江错—昌麻河段(江错断裂)，产生约160 km长的同震地表破裂(Chen et al., 2021；He et al., 2022；Jin and Fialko, 2021；Ren et al., 2021；Wang S et al., 2022; 李智敏等，2021；潘家伟等，2021). 整个地震地表破裂带具有显著的分段性，初步野外调查研究中根据破裂的几何结构学者将其分成四个大的段落(李智敏等，2021；潘家伟等，2021).深入探讨各个破裂段的同震地表破裂行为和特征及其在晚第四纪的断错累积行为，有助于认识该发震断层的地表破裂型地震的复发特征，对深刻理解江错断裂演化历史和巴颜喀拉块体区域构造空间演化与动力学具有重要意义.结合2001年昆仑山口西地震以来巴颜喀拉块体及其周边的地震活动，研究玛多地震发震断裂的演化历史及其与巴颜喀拉块体区域构造和动力学的关系对评估区域地震危险性也具有一定的意义(邓起东等，2010, 2014；徐锡伟等，2014, 2017; 詹艳等，2021).

在初步调查的基础上，本文对发震断裂破裂段的典型地点进行高空间分辨率、高精度的无人机航空摄影测量和野外调查，详细定量解析典型破裂特征，通过地貌填图和变形地貌测量分析晚第四纪以来断错地貌记录的断错位移累积特征，进而对比不同断裂段同震破裂特征和断错累积的特征和差异，分析作为玛多M7.4地震发震断裂的江错断裂的空间演化特征.

1 玛多M 7.4地震地表破裂概况及其地质地貌背景

从2001年昆仑山口西M8.1地震以来，在巴颜喀拉块体的周缘边界断裂带发生了一系列7级以上的地表破裂型地震(图1a).研究者已经关注到巴颜喀拉块体的整体活动性，并提示出块体边界断裂的强震危险性(邓起东等，2010, 2014；徐锡伟等，2014, 2017).巴颜喀拉块体北边界为左旋走滑性质的东昆仑断裂带， 2001年昆仑山口西M8.1地震沿东昆仑断裂大洪沟以西段破裂(Xu et al., 2006)， 1937年花石峡M7.5地震和1963年阿拉克湖M7.0地震则分别破裂了阿拉克湖—托索湖段、下大武段和秀沟—阿拉克湖段(青海省地震局和中国地震局地壳应力研究所，1999).西大滩—东大滩段和玛沁—玛曲段被认为是具有高强震危险性的两个地震空段.东昆仑断裂在阿尼玛卿山挤压弯曲以西保持稳定的11 mm·a-1走滑速率，然而向东逐渐减小并延伸直到塔藏断裂(Van der Woerd et al., 2002; Kirby et al., 2007; 李陈侠等，2011).巴颜喀拉块体的南西边界断裂带同样是一条规模巨大的左旋走滑断裂带，由乌兰乌拉湖—玉树断裂、发生2010年玉树M7.1地震的甘孜—玉树断裂和鲜水河断裂组成(邓起东等, 2007，徐锡伟等，2014，2016).最大滑动速率超过10 mm·a-1(Wen et al., 2003; Chen et al., 2016；Bai et al., 2018)，巴颜喀拉块体的南东边界是包括龙日坝断裂带、龙门山断裂带和岷江断裂带在内的一个大的变形带，2008年汶川M8.0地震发生在龙门山逆冲断裂带(Xu et al., 2009；闻学泽等，2011).

图1 (a) 巴颜喀拉块体位置; (b) 西部地区活动断裂(据邓起东等(2007)和徐锡伟等(2016)修改); (c) 2021年玛多M 7.4地震地表破裂与地质地貌展布黑箭头指示破裂分段边界; 白圈为1997年以来M 7以上地震时间和震级; DRF：达日断裂; ELSF：鄂拉山断裂; GDNF：甘德南断裂; KF：东昆仑断裂; KJF：昆仑山口—江错断裂; MDF：玛多断裂; TTHF：通天河断裂; WQF：五道梁—曲麻莱断裂; WYF：乌兰乌拉湖—玉树断裂; XCF：西藏大沟—昌麻河断裂.Fig.1 (a) Location of the Bayan Har block; (b) Active faults in the wester Bayan Har block (after Deng et al., 2007; Xu et al., 2016); (c) The surface rupture and its geological and geomorphological settingBlack arrow denotes the section boundary; white circle for historical earthquake since 1997; DRF：Dari fault; ELSF：Elashan fault; GDNF：Gandenan fault; KF：Kunlun fault; KJF：Kunlun Pass-Jiangcuo fault; MDF：Madoi fault; TTHF：Tongtianhe fault; WQF：Wudaoliang-Qumalai fault; WYF：Wulanwulahu-Yushu fault; XCF：Xizangdagou-Changmahe fault.

2021年玛多M7.4地震并没有发生在人们更加关注的巴颜喀拉块体边界断裂带上，昆仑山口—江错断裂作为该地震的发震断裂，是巴颜喀拉块体西部地区一系列近平行活动断裂中的一条.这些近平行的活动断裂包括西藏大沟—昌麻河断裂、玛多断裂、昆仑山口—江错断裂、甘德南断裂、达日断裂、五道梁—曲麻莱断裂(图1b，张裕明等，1996；邓起东等，2007；熊仁伟等，2010；徐锡伟等，2016；梁明剑等，2020).其中达日断裂在1947年地震中产生70 km长的地表破裂(梁明剑等，2020)，甘德南疑似存在约50 km的地震地表破裂带(熊仁伟等，2010)，而昆仑山口—江错断裂最西段在2001年昆仑山口西M8.1地震中产生112 km长的地表破裂(Xu et al., 2006).

玛多地震地表破裂区及巴颜喀拉块体西部地区在地貌上属于昆仑山和巴颜喀拉山之间黄河源区的低起伏高原，山地起伏不大，山间被冰水堆积、湖泊堆积、冲洪积等充填，发育湖泊和沼泽，甚至沙漠(图1b,1c)，被认为在晚更新世黄河切穿多石峡前是一个大湖盆(程捷等，2005；朱大岗等，2009；韩建恩等，2020)，其后湖泊退缩及发育河流阶地(韩建恩等，2013；赵卿宇等，2019).湖相地层堆积研究显示，黄河源区在6.2～6.6 ka和2.1～2.3 ka存在显著的温度和湿度等气候变化(Herzschuh et al., 2009；王庆锋等，2017；Zhao et al., 2021)，可能与最新的两级冲洪积阶地的形成对应.以此对比强烈的是，阿尼玛卿山—甘德近南北向一带发育的是高起伏的山地，再往东的巴颜喀拉块体东部地区又是地形起伏很低的若尔盖盆地，这种地貌格局是区域构造-气候相互作用的结果(Stroeven et al., 2009；Nicoll et al.，2013)，为地震地表破裂等构造变形提供了记录载体.

2021年玛多地震震中位于黄河乡附近，向两侧破裂，西至鄂陵湖南侧，东达昌麻河乡东侧河谷.野外调查显示，地震沿江错断裂鄂陵湖—江错—昌麻河段形成四个相对连续的地表破裂段(图1c)，地表破裂带由一系列剪切裂缝、张裂缝、挤压鼓包等破裂单元组成，同震位移在相对连续的破裂段内又呈现空间上多个位移量的峰谷分布.四个破裂段之间存在比较大的空段，地表表现为比较宽的重力裂缝带、砂土液化带等.虽然野外调查显示地表破裂具有明显的分段性、同震位移空间变化显著，但是卫星形变测量和余震分布显示玛多地震的地表变形比较连续地集中在较窄的变形带内(Chen et al., 2021; He et al., 2022；王未来等，2021；徐志国等，2021).

根据地震地表破裂几何结构、地质地貌特征，2021年玛多地震地表破裂可以以震中附近黄河乡与格波隆格恰阶区分为两个大的段落(图1c).该阶区左行左阶斜列，是一个阶距约3 km的拉张阶区，形成以沼泽为特征的山间盆地，发育大量的砂土液化裂缝带.黄河乡以西地表破裂带(图1c中W段)展布于三叠系基岩山与第四系堆积盆地边界，而格波隆格恰以东地表破裂带(图1c中E段)切割三叠系基岩山和山间谷地.地表破裂最西段(朗玛加合日段，图1c中W1段)以近东西走向在鄂陵湖南沿断层谷地南侧分布，西端到达(97.62°E, 34.75°N)，长约25 km.进入野马滩盆地后，野马滩段(图1c中W2段)沿盆地北部边界几乎连续展布到江错附近，长约20 km，在江错到黄河乡一段则没有观测到有明显断错位移的地表破裂.格波隆格恰以东，在拉木草至东湖段(图1c中E1段)可以看到连续的断裂同震变形形成的地表破裂切过山坡和沟谷，长约23 km，东部延伸到沙漠中.朗玛哦尔—昌麻河段(图1c中E2段)同样切割基岩山地、山间盆地和昌麻河谷，最东到达(99.25°E，34.50°N)，长约25 km，在其南侧还有一个分支，破裂特征与此破裂带类似，但变形更小.

2 研究方法与数据

在野外地震地表破裂区域调查结果的基础上，我们选取典型破裂段进行重点观测分析，分别为朗玛加合日破裂段(W1)朗玛加合日观测点、野马滩破裂段(W2)野马滩西观测点和江错西观测点、朗玛哦尔—昌麻河破裂段(E2)朗玛哦尔观测点和昌麻河观测点(观测点位置见图1c)，拉木草—东湖段(E1)与朗玛哦尔—昌麻河段(E2)朗玛哦尔观测点地貌、破裂及断层发育特征类似.在观测点开展无人机航空摄影测量获取地形数据用于同震变形和累积断错测量，在野外确认地表破裂特征和地貌特征.

我们采用大疆M300RTK无人机进行破裂带及断错地貌航空摄影，搭载具有45百万像素的禅思P1相机，配置35 mm镜头.航飞摄影过程中采用大疆D-RTK2移动站进行实时差分定位(RTK)，标称照片定位精度为水平1 cm+1 ppm(百万分之一)和垂直1.5 cm+1 ppm.航空摄影的航向重叠率72%，旁向重叠率55%.其中，朗玛加合日和野马滩北观测点采用智能摆动模式五角度倾斜摄影，其他三个观测点采用常规垂直下视摄影.室内用Agisoft Metashape进行三维建模获取正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)和点云.各观测点无人机航空摄影航高、地面分辨率、范围大小和建模误差见表1.

表1 五个观测点的无人机航空摄影参数与建模误差Table 1 Parameters of UAV photogrammetry and model errors for the five sites

在无人机航空摄影测量获得的DOM和DEM基础上，我们对同震变形形成的裂缝、鼓包等地表破裂地貌以及电线杆、围栏桩等特征地物进行识别，对晚第四纪地貌进行综合解译.我们提取电线杆、围栏桩、断错地貌界线等特征地物坐标，进行同震水平位移和地貌累积水平断错测量.利用DEM数据，在不同级别地貌面上选取剖面位置生成地形剖面，测量同震垂直位移和地貌面累积垂直断错.

2021年玛多M7.4地震以左旋走滑同震变形为主，局部存在垂直位移，地表破裂带宽可达20 m.横跨破裂带的线性地物是测量同震水平走滑位移的常用标识，如冲沟、车辙等，但并不能完全确定震前这些标识在宽达十余米范围内保持直线状，而往往存在弯曲，给变形测量带来不同程度的不确定度.水泥道路等作为水平走滑断错标识在地震过程中极易受震动与底层脱离，以此为标识测量的变形难以代表真正的同震变形.通讯线路电线杆和牧场围栏在建设过程中往往保持比较严密的直线分布.我们在野马滩北观测点、江错北观测点和朗玛哦尔观测点都发现有横跨地震地表破裂带的直线型分布的通讯线路或牧场围栏.在无人机航空摄影测量的正射影像中识别电线杆和围栏桩位置，对破裂带两侧电线杆和围栏桩线性拟合.拟合误差可以判别其直线性.在破裂带两侧紧邻的电线杆或围栏桩测量其到对侧拟合线的垂直距离，进而根据线路和破裂带走向的夹角关系，换算得到沿破裂带走向的两个同震水平走滑位移量.以两个测量值的平均值作为跨过通讯线路和围栏的水平位移，两个测量值与平均值的标准差作为水平位移的误差.对于地貌界线记录的累积走滑位移，我们直接从提取的线性地貌边界中沿断裂走向进行量取，如阶地坎位移等.

对于垂直位移，我们利用无人机航空摄影测量获得的DEM，跨地表破裂带和断裂生成地形剖面，分别在断坎上下两侧对地表地形线进行直线拟合，在断坎变形带上下分别测量两条拟合线的垂直距离，以其平均值作为垂直位移量，两个观测值与平均值的标准差作为垂直位移的误差值.

3 观测结果

3.1 朗玛加合日

朗玛加合日段(W1)同震地表破裂展布于近东西向谷地的南侧(图1c、图2a)，江错断裂同震左旋水平运动为主，兼具少量倾滑，可见低角度侧伏的擦痕(图2b)，破裂单元包括挤压鼓包(图2c)和拉张裂缝(图2d).

图2 朗玛加合日观测点典型破裂(a) 地貌与地表破裂斜视照片(镜像南西西); (b) 剪切裂缝及近水平擦痕，镜向南； (c) 挤压鼓包，镜向南西; (d) 拉张裂缝, 镜向东.Fig.2 Typical surface ruptures at the site Langmajiaheri(a) Oblique view of the landforms and surface ruptures at (view to SWW); (b) Shear cracks with sub-horizontal slickensides, view to S; (c) Mole track, view to SW; (d)Tensional cracks, view to E.

无人机航空摄影测量获得的正射影像(DOM，图3a)和数字高程模型(DEM，图3b)显示，由一系列鼓包和裂缝组成的同震破裂带宽数米(图3a、3b、3c、3e)，在小的阶区可以宽达30～50 m(图3a、3b、3d).在一条跨破裂带的地形剖面LJ1上(图3c)可见，坡度为0.84°的平缓堆积上存在一个陡坎，同震鼓包隆起叠加在震前已经存在的断层陡坎上，陡坎累积的垂直位移量为1.32±0.06 m，在本次同震形成鼓包前，还存在一个被侵蚀削缓的陡坎(坡度1.44°)，但是陡坎范围达到60 m.在一条跨阶区的地形剖面LJ2上(图3d)，同样可以看到坡折和陡坎，陡坎上侧地形坡度1.09°，陡坎下侧地形坡度0.79°，陡坎坡度4.15°，宽约50 m.本次地震产生的一系列裂缝主要发育在陡坎下部，震前存在一个更老的断层陡坎，断坎累积的垂直位移达到2.58±0.15 m.而另一条地形剖面LJ3上(图3e)，陡坎较窄，宽度只有约15 m，坎上地形坡度1.21°，坎下坡度1.76°，陡坎坡度2.28°.断层陡坎记录了0.52±0.02 m的垂直位移，2021年玛多地震产生的裂缝同时有约0.26 m的同震垂直位移.切割三个不同破裂组合单元的地形剖面显示，在此观测点，断裂变形包括本次玛多地震和更早一次古地震事件，推测单次地震倾滑垂直位移在上述三个剖面分别为0.61 m、1.29 m和0.26 m.考虑到LJ2剖面跨过小的拉分区，我们认为该观测点典型的同震倾滑量为0.61±0.03 m.根据黄河源区晚第四纪地貌发育特征(Stroeven et al., 2009；Nicoll et al., 2013)，朗玛加合日段(W1)所在的断层谷地在晚更新世以来处于加积充填的状态，冲洪积可能是全新世最新一次湖退废弃的湖岸地貌面，对应时代2.1 ka的气候向干冷变化(王庆锋等，2017)，该地貌面记录的比玛多地震更早一次的地震事件年代应该超过2.1 ka.

图3 朗玛加合日观测点无人机航空摄影测量(a) DOM； (b) DEM、等高线与地表破裂分布; (c—e) 三条剖面反映的地表破裂和断层陡坎(位置见图b). 红线为同震地表裂缝与断坎.Fig.3 UAV photogrammetry and measurement at the site Langmajiaheri(a) Digital Orthophoto Map (DOM); (b) Digital Elevation Model (DEM), contour and surface rupture; (c—e) Three profiles denoting the surface rupture and fault scarp (see location in Fig.b). Red lines denote cracks and scarps along the rupture zone.

3.2 野马滩西

野马滩段(W2)同震地表破裂以北西西走向展布于晚第四纪堆积盆地的北侧边界，偶尔切入三叠系基岩边缘形成眉脊.在野马滩西观测点，江错断裂及本次地震地表破裂切割近南北向的沟谷出口，河沟及阶地坎左旋位移(图4a)，断裂北盘略有抬升，在阶地上形成北高南低的断层陡坎和挤压鼓包(图4).

图4 野马滩西观测点地表破裂(a) 冲沟左旋走滑位移及一级阶地上的裂缝与断坎，镜向北； (b) 漫滩上的挤压鼓包，镜向北.Fig.4 Surface rupture at the site west of Yematan(a) Left-lateral offset of channel, cracks and scarps on the lowest terrace, view to N; (b) Pressure ridge on the floodplain, view to N.

图5 野马滩西观测点无人机航空摄影测量(a) DOM; (b) DEM及等高线; (c) 断错地貌与累积走滑断错. Q：现代漫滩堆积；Q：一级阶地，全新世晚期冲洪积；Q：二级冲洪积台地，全新世早期冲洪积；Q：三级冲洪积台地，晚更新世末期冲洪积；Qdl：第四纪坡积；十字丝代表电线杆位置; 红线为同震地表裂缝与断坎.Fig.5 UAV photogrammetry and measurement at the site west of Yematan(a) Digital Orthophoto Map (DOM); (b) Digital Elevation Model (DEM) and contour; (c) Geomorphological map. T3 terrace, Late Pleistocene alluvium; Qdl: Quaternary deluvium; Black cross for poles of cable line; Red lines denote cracks and scarps along the rupture zone.

无人机航空摄影测量DEM剖面显示，在二级冲洪积台地上的跨断层地形剖面YM1上(图6a)，坡度约1.18°的二级冲洪积台地上发育一个宽约15 m的断层陡坎，断层垂直位移1.56±0.11 m.在一级阶地上的跨断层地形剖面YM2上(图6b)，坡度约2.15°的一级阶地上震后存在一个宽约10 m的断坎，断层陡坎垂直位移0.82±0.05 m.有一条通讯线路跨过走向NW299°的破裂带(部分电杆位置见图5a,5c)，通过无人机航空摄影测量获得通信电杆位置进行线性拟合显示，线路具有很好的直线性，在断裂两侧走向分别为347.5°和347.6°，进而以此通信线路为线性标识，测量得到同震左旋水平位移2.83±0.13 m(图6c).

图6 野马滩西观测点在二级阶地(a)和一级阶地(b)上的跨断裂带剖面显示的断坎与垂直断错量以及跨破裂带通讯线路同震左旋走滑位移量(c)红线为同震地表裂缝或断层.Fig.6 Profiles showing the fault scarps and cracks at the site west of Yematan along the terraces (b); (c) Co-seismic left-lateral offset of the cable line Red line denotes the cracksor fault.

一级阶地和二级阶地之间的阶地坎位移9 m，与该处本次地震同震左旋位移2.83 m比较，可以推断该阶地坎形成以来经历了包括2021年地震在内的3次相近震级的地震事件，6.2～6.6 ka介于2个地震复发周期和3个地震复发周期之间，获得地震复发周期2100～3100年.二级阶地和三级阶地之间的阶地坎位移14 m，与该处本次地震同震左旋位移2.83 m比较，可以推断该阶地坎形成以来经历了包括2021年地震在内的5次相近震级的地震事件，10 ka介于4个地震复发周期和5个地震复发周期之间，获得地震复发周期2000～2500年.综合野马滩西观测点的两个阶地坎地震事件累积，江错断裂与2021年地震震级类似的地表破裂型地震的复发间隔约2100～2500年.根据同震左旋位移量2.83 m和地震复发间隔2100～2500年，获得江错断裂全新世以来的左旋走滑速率1.1～1.3 mm·a-1，这一估值与现今GPS观测资料估计的滑动速率相当(Zhu et al.，2021).从上述地形剖面上累积的垂直位移和对应的累积事件次数分析，单次地震事件产生的逆倾滑量可达0.31±0.04 m.

3.3 江错西

在野马滩大桥以东，地震同震破裂带斜切到山坡，在江错西的断裂槽谷、坡积和冲洪积(图7a)可以看到本次地震产生的斜列裂缝组成的破裂带(图7b).

图7 江错西观测点断裂槽谷与断错山脊斜视照片(a，镜向南东)、同震地表破裂带的斜列裂缝(b，镜向东)Fig.7 (a) Oblique view of the fault trough and the displaced ridges (view to SE), and (b) En echelon cracks along the co-seismic surface rupture zone (view to E) at the site west of Jiangcuo

无人机航空摄影测量获得的DOM(图8a)、DEM(图8b)和地貌显示，江错断裂切过山脊和沟谷，在两个沟谷的西侧分别形成断塞现象，以基岩残积与坡洪积地貌边界为参考标识，断层左旋水平位移量分别为64 m和30 m(图8c).由于残坡积地貌属于持续改造性地貌面，无法对其进行有效的年代约束，只能根据区域地貌演化历史定性确定其形成于晚更新世泛湖期之后(程捷等，2005；韩建恩等，2020).有一条通讯线路跨过走向NWW275°的破裂带(电杆位置见图8a,8c)，无人机航空摄影测量获得通信电杆位置进行线性拟合显示，线路具有很好的直线性，破裂带两侧线路走向分别为293.5°和293.8°，以此通信线路为线性标识，测量得到同震左旋水平位移1.97±0.08 m(图9).

图9 江错西观测点通讯线路同震左旋位移十字丝代表电线杆位置; 红线示意断层.Fig.9 Co-seismic left-lateral offset of the cable line at the site west of JiangcuoBlack cross for poles of cable line; Red line denotes the rupture zone.

3.4 朗玛哦尔

江错断裂在朗玛哦尔一带从山间小盆地切过向东进入山区(图10a)，玛多地震同震破裂带朗玛哦尔—昌麻河段(E2)在山坡上形成连续的剪切破裂，左旋断错冲沟(图10b)，在盆地边缘形成较宽的裂缝带(图10c)，在盆地内则形成具有挤压性质的剪切裂缝(图10d).

图10 朗玛哦尔观测点典型破裂(a) 地貌与地表破裂斜视照片(镜像南东东); (b) 冲沟同震左旋断错(镜向南)； (c) 宽十余米的同震主破裂带(镜向北西西)； (d) 剪切为主兼具挤压性质的地表破裂(镜向东).Fig.10 Typical surface ruptures at the site Langma′oer(a) Oblique view of the landforms and the surface ruptures (view to SE); (b) Left-laterally offset channel, view to S; (c) Co-seismic rupture with a width of tens of meters, view to NWW; (d) Compressional shear cracks, view to E.

无人机航空摄影测量获得的DOM(图11a)和DEM(图11b)显示，同震地表破裂在山坡上宽数米，在全新世冲洪积盆地边缘分为两支，分别宽约20 m和15 m，总跨度约60 m.地貌(图11c)显示，盆地东缘边界没有明显的左旋走滑断错.一个冲沟沟口堆积了冲洪积扇，现今冲沟从洪积扇东侧缘下切约4.5 m深，推测该洪积扇形成于全新世早期.洪积扇侧缘与现今仍在活动的冲沟重叠，没有可靠的水平断错记录.洪积扇上跨断层的地形剖面LO(图12a)显示，破裂带南北两侧洪积扇面坡度分别为9.59°和8.77°，破裂带附近坡度变缓.倾向南西的洪积扇面上没有观测到倾向南的断坎，可能说明该洪积扇形成以来直到本次玛多地震发生，并没有累积左旋水平断错.而跨过走向NWW272°的同震地表破裂带有一条牧场围栏(围栏桩位置见图11a,11c)，无人机航空摄影测量获得围栏桩位置进行线性拟合显示，围栏在破裂带两侧具有很好的直线性，走向分别为293.8°和293.5°，以此围栏为线性标识，测量得到同震左旋水平位移3.55±0.24 m(图12b).综合以上观察，尽管朗玛哦尔观测点一带的同震地表破裂是朗玛哦尔—昌麻河段最典型、变形量最大的区段，但是江错断裂在全新世早期以来并没有累积本次玛多地震之前的地表变形.

图11 朗玛哦尔观测点无人机航空摄影测量(a) DOM; (b) DEM及等高线; (c) 断错地貌与累积走滑断错. Qhapl：全新世冲洪积; Q：二级冲洪积台地，全新世早期冲洪积; Qdl：第四纪坡积; T：三叠系砂岩; 十字丝代表牧场围栏桩位置; 红线为同震断裂变形产生的地表裂缝与断坎; 紫线为滑塌裂缝.Fig.1 1UAV photogrammetry and measurement(a) Digital Orthophoto Map (DOM); (b) Digital Elevation Model (DEM) and contour; (c) geomorphological map. Qhapl: Holocene alluvium; Q: T2 terrace, Early Holocene alluvium; Qdl: Quaternary deluvium; T: Triassic sandstone; Black cross for poles of cable line; Red lines denote cracks and scarps along the rupture zone; Purple lines for the gravitated fissures.

图12 朗玛哦尔观测点跨破裂带的冲洪积台地地形剖面(a)和牧场围栏左旋同震位移(b)十字丝代表电线杆位置; 红线示意同震地表裂缝和破裂带.Fig.12 (a) Profile along the alluvial terraces Q showing the fault scarps and cracks; (b) Co-seismic left-lateral offset of the ranch fence at the site Langma′oerBlack cross for poles of the fence; Red line denotes the cracks or rupture zone.

3.5 昌麻河

在昌麻河乡附近，同震地表破裂带走向约NE73°，切过河床及两侧多级阶地，整体上由斜列的裂缝带组成(图13a).在不同地段又表现各异，在高台地上由斜列张性裂缝带组成(图13b)，在低台地上为长达数十米的剪切裂缝(图13c)，在河床上左旋切过漫滩侧缘(图13d)，左旋位移数十厘米至1.2 m(李智敏等，2021).

图13 昌麻河观测点典型破裂(a) 地貌与地表破裂斜视照片，镜像东; (b) 斜列裂缝带，镜向东； (c) 剪切裂缝，镜向西； (d) 河沟侧缘左旋断错，镜向东.Fig.13 Typical surface ruptures at the site Changmahe(a) Oblique view of the landforms and surface ruptures, view to E; (b) En echelon cracks, view to E; (c) Shear cracks, view to W; (d) Offset riverbed, view to E).

无人机航空摄影测量获得的DOM(图14a)和DEM(图14b)显示，同震地表破裂在张裂缝带宽达30 m，也可表现为不足1 m宽的剪切裂缝.破裂带切过河床漫滩、拔河高度约1 m的一级阶地、拔河高度约8 m的二级阶地、拔河高度达25 m的三级阶地，一级阶地与二级阶地间的阶地坎和二级阶地与三级阶地间的阶地坎都没有记录到显著的断裂左旋水平位错(图14c).在一级阶地和二级阶地上跨破裂带的地形剖面上，可以看到二级阶地上没有显著的垂直位移，而一级阶地上存在约0.30 m的南盘抬升(图14d).与朗玛哦尔观测点相似，尽管该观测点具有显著的同震断裂变形，但是江错断裂三级阶地形成以来(晚更新世)并没有累积本次玛多地震之前的地表变形.

图14 昌麻河观测点无人机航空摄影测量(a) DOM; (b) DEM及等高线; (c) 断错地貌与累积走滑断错; (d) 跨破裂带阶地面地形剖面. Q：现代河床堆积；Q：一级阶地，全新世晚期冲积；Q：二级阶地，全新世早期冲积；Q：三级阶地，晚更新世末期冲积; 红线为同震断裂变形产生的地表裂缝与断坎; 紫线为滑塌裂缝.Fig.14 UAV photogrammetry and measurement at the site Changmahe(a) Digital Orthophoto Map (DOM); (b) Digital Elevation Model (DEM) and contour; (c) Geomorphological map; (d) Profiles along the terraces T3 terrace, Late Pleistocene alluvium; Black cross for poles of cable line; Red lines denote cracks or scarps.

4 讨论

4.1 2021年玛多地震的级联破裂特征

综合已经发表的野外调查成果(李智敏等，2021；潘家伟等，2021)和我们上述发震断裂同震破裂分布和变形特征的野外调查，2021年玛多地震地表破裂具有鲜明的分段特征.最西段朗玛加合日段(W1)以左旋走滑变形为主，具有正断倾滑，发震断层可能高角度地向北倾，深部与位于北侧的主断裂组成花状构造.主断裂从野马滩段向西延伸到鄂陵湖，但在本次地震中未破裂，有余震分布(王未来等，2021).野马滩段(W2)则表现为左旋走滑为主兼具逆冲性质，发震断层可能是高角度北倾，在江错至黄河乡只观测到与重力和砂土液化相关的裂缝，没有显著的断裂变形.拉木草—东湖段(E1)东西两段都存在较长的地表破裂空区(图1c)，在可观测到的地表破裂段，从中部东哦附近的大位移张剪性裂缝与挤压鼓包组合变为东湖附近的稀疏张裂缝组合.而最东段(E2)从沙漠分为两支，切过两个山间盆地，北支一直向东切过昌麻河谷，破裂变形以剪切裂缝和斜列的张性裂缝为主.

上述典型观测点获得的发震断裂同震地表变形量(表2)表明，玛多地震在朗玛加合日段(W1)除了报道的1.4～2.9 m左旋位移，还存在0.61±0.03 m正断倾滑，并叠加在原有的断层陡坎上.而在野马滩段(W2)位移典型的观测点，存在0.31±0.04 m的逆倾滑，左旋走滑量可以达到2.83±0.13 m，大于先前已发表的基于河沟边界测量的位移(潘家伟等，2021；李智敏等，2021).该段到江错观测点仍然有1.97±0.08 m的左旋水平位移，但是再向东没有观察到显著的断裂变形，而是沿山前发育一系列砂土液化和重力裂缝.拉木草—东湖段(E1)已报道的地表位移量不超过1.5 m(潘家伟等，2021；李智敏等，2021)，和卫星大地测量反演结果(Chen et al., 2021；He et al，2022； Jin and Fialko, 2021; Wang S et al., 2022)有一定差异，但是变形量从中间部位向两侧衰减的趋势还是明显的.朗玛哦尔—昌麻河段(E2)获得的最大地表变形位于朗玛哦尔附近，左旋水平位移达到3.55±0.24 m，超过先前报道的以冲沟为标识获得的1.8 m的数据(潘家伟等，2021)，与震源破裂过程反演的最大位移区域相一致(Wang W M et al., 2022).该段从在昌麻河河谷和阶地上仍然存在0.5～1.2 m的左旋位移，向东逐渐减小至消失.

从上述破裂特征变化和变形量变化表明，2021年玛多地震的整个同震地表破裂带是由四个不同破裂组合特征的段落组成，在每个段落出现一个变形量的波峰并向两侧减小，各段之间地表变形出现大小不一的破裂间断，与卫星大地测量观测和震源破裂过程反演得到的主要破裂区块具有很好的对应性(Chen et al., 2021；He et al，2022；Jin and Fialko, 2021；Wang S et al., 2022)，同震地表破裂的分段性与深部断面上的地震滑移的分块性相对应.玛多地震破裂时空过程，本次玛多地震由多个子事件级联破裂形成，可以分为四个子事件，分别对应于深部的一个地震滑动区块和地表的一个断裂段落.

4.2 鄂陵湖—江错—昌麻河断裂的扩展演化

从江错断裂西段朗玛加合日观测点观察到江错断裂在全新世湖岸阶地已经累积了上一次地震事件垂直变形(表2).在野马滩西观测点和江错观测点等则观察到江错断裂在晚更新世或全新世以来已经在地表累积了左旋变形(表2).除了与累积变形相对应的断错微地貌，断裂的长期活动也体现在更大尺度的地貌上.朗玛加合日段(W1)发育于断裂槽谷地貌的南侧，野马滩段(W2)则发育于野马滩北侧的盆山边界，江错断裂控制了十到百公里尺度的地貌发育.

表2 五个观测点的同震位移和累积位移Table 2 Co-seismic and accumulated displacements for the five sites

在黄河乡与格波隆格恰之间的阶区以东，朗玛哦尔观测点的全新世冲洪积扇和昌麻河观测点的晚更新世以来三级河流阶地都只记录了本次玛多地震地表破裂变形，而没有本次地震之前的晚更新世累积变形，显示江错断裂在此前可能并没有扩展到格波隆格恰以东.而从更大尺度的地貌特征看，江错断裂切过基岩山地和山间盆地，主要表现为线性特征，沟谷水系系统性偏移并不典型(Ha et al., 2021).江错断裂在朗玛加合日至黄河乡段全新世以来长期活动的基础上，2021年玛多地震同震破裂变形可能产生了一次向东的最新扩展，从波隆格恰扩展到昌麻河以东.这种断裂新扩展段与已有断裂在临震形变场演化和地震前兆信号上也许存在一定的差异，值得进一步开展相关研究(Zhang et al., 2020a; Zhang et al., 2020b).

4.3 巴颜喀拉块体西部地区活动构造格局

基于GPS等观测的现今地壳形变资料反演的应变场显示，从东昆仑断裂的阿尼玛卿挤压阶区到玉树—甘孜—鲜水河断裂的甘孜拉分阶区存在一个北北西走向的剪切应变率和旋转应变率变化带(Gan et al., 2007； Li et al., 2018；Wang and Shen, 2020)，而且主应变轴具有显著差异：在其西侧(即巴颜喀拉块体西部地区)水平缩短主应变轴走向北东，水平拉伸主应变轴走向南东；在其东侧(即巴颜喀拉块体东部地区)水平缩短主应变轴走向东西，水平拉伸主应变轴走向南北(图15，Gan et al., 2007；Wang and Shen, 2020).而活动断裂研究表明，东昆仑断裂带在阿尼玛卿挤压阶区以西的托索湖段比其东侧的玛沁段的左旋滑动速率大2 mm·a-1(Li et al., 2011)，玉树—甘孜—鲜水河断裂带在甘孜拉分阶区以东段的鲜水河断裂比其西侧的甘孜玉树断裂的左旋滑动速率至少大2 mm·a-1(Wen et al., 2003; Chen et al., 2016；Bai et al., 2018).巴颜喀拉块体西部地区和东部地区的南北边界及内部的构造动力学条件存在显著的差异.

图15 巴颜喀拉块体及周边区域构造数据资料参考：Wen et al., 2003, 2008；Gan et al., 2007；闻学泽等，2011；徐锡伟等，2014；Chen et al., 2016；Bai et al., 2018；Wang and Shen, 2020. ARB: 阿尼玛卿挤压阶区；GPA: 甘孜拉分阶区；BHBE: 巴颜喀拉东部次级块体；BHBW: 巴颜喀拉西部次级块体；CDB: 川滇块体；OB: 鄂尔多斯块体；QDB: 柴达木盆地；QTB: 羌塘块体；SCB: 四川盆地. Fig.15 Regional tectonics around the Bayan Har blockData from Wen et al., 2003, 2008; Gan et al., 2007; Wen et al, 2011; Xu et al., 2014; Chen et al., 2016; Bai et al., 2018; Wang and Shen, 2020. ARB: Anymaqin restraining bend; GPA: Garze Pull-apart；BHBE: Eastern sub-block of the Bayab Har block；BHBW: Western sub-block of the Bayan Har block; CDB: Sichuan-Yunnan block; OB: Odors block; QDB: Qaidam basin; QTB: Qiangtang block; SCB: Sichuan basin.

2001年昆仑山口西地震之后在跨风火山至昆仑山一线的GPS等震后形变观测显示，巴颜喀拉块体西部的下地壳粘滞系数比其北侧柴达木盆地要低四倍，表现出单侧不对称的震后弛豫变形(Liu et al., 2019).经查穷玛—玛多—花石峡—温泉一线跨巴颜喀拉块体和东昆仑断裂带的大地电磁剖面显示，巴颜喀拉块体西部地壳深度15～30 km存在连续的高导层，被认为存在强烈的变形(詹艳等，2021).经囊谦—玉树—玛多—温泉一线跨巴颜喀拉块体及其南北两侧构造带的宽角反射/折射探测剖面显示，巴颜喀拉块体西部上地壳下部由多个“碎片化”的高速体组成，而在中地壳存在负速度梯度层和近水平拆离层(Vergne et al., 2002；Wang et al., 2011；张建狮等，2014).对巴颜喀拉块体玉树—玛多深地震测线和若尔盖测线对比研究显示巴颜喀拉块体下地壳从西往东有差异性的改造(嘉世旭等，2017).深部结构的层析成像研究显示，巴颜喀拉块体西部地区27～45 km存在与羌塘块体连续的剪切波异常体、莫霍面深度70～80 km，而东部地区莫霍面深度60～70 km(范文渊等，2015).这些地壳深部结构资料可能指示巴颜喀拉块体西部地区深部已经不再是一个完整的块体，并且与东部具有差异性.

2021年玛多地震地表破裂显示，昆仑山口—江错断裂已经延伸到昌麻河，切割了前人所标识的玛多—甘德断裂或玛多断裂.前人报道的资料显示，玛多—甘德断裂在索合乐以东是全新世活动的(张裕明等，1996；熊仁伟等，2010)，而玛多—甘德断裂优云以西段晚更新世以来目前还缺乏活动证据的报道.但是，玛多断裂在玛多至阿映村东形成谷地，可能与玛多断裂活动有关(图1c).因此，玛多—甘德断裂可能并不是从玛多以北西西走向在昌麻河转为北西走向地延伸到甘德，江错断裂以北的玛多—甘德断裂北西段可能是独立的断裂，可以单独命名为玛多断裂.而江错断裂以南的玛多—甘德断裂南东段可能在优云以南向北西延伸，与前人命名的甘德南断裂相连.西藏大沟—昌麻河断裂、玛多断裂、江错断裂、甘德南断裂、达日断裂等组成了巴颜喀拉块体西部地区近平行的一系列以左旋走滑为主的断裂，几乎将巴颜喀拉块体西部地区均匀切割(图1b).已有报道显示，发生1947年达日地震并产生地表破裂的达日断裂中段和疑似地表破裂的甘德南断裂索合洛—索合勤段走向上与其东西两侧段落明显存在弯折，由北西西走向变为北西走向，活动性比两侧段落更强(熊仁伟等；2010；梁明剑等，2020).甘德南断裂和达日断裂的弯折与东昆仑断裂带的阿尼玛卿弯折具有同步性.

综合上述地表断裂组合、深部结构特征、构造动力学条件，我们认为以阿尼玛卿挤压阶区到甘孜拉分阶区一线为界的巴颜喀拉块体西部和东部地区存在显著的差异，可以分别划分为两个次级的块体(图15).从甘孜拉张阶区到阿尼玛卿挤压阶区再往北延伸是具有右旋走滑性质的鄂拉山断裂带(袁道阳等，2004)，在阿尼玛卿挤压阶区北侧的鄂拉山断裂和甘孜拉分阶区南侧不存在量级达到2 mm·a-1的拉张构造带.因此，跨阶区两侧的左旋走滑速率差指示巴颜喀拉块体西部地区相对东部地区存在2 mm·a-1的挤压变形，这一变形速率已经比我们获得的江错断裂的1.1～1.3 mm·a-1滑动速率还要大，也有可能超过目前还没有滑动速率报道的达日断裂和甘德南断裂.东昆仑断裂阿尼玛卿弯折段、北西走向的达日断裂中段和甘德南断裂中段可能是这个变形带上的一组右阶斜列的构造，并驱动了鄂拉山断裂的右旋走滑.整个巴颜喀拉块体岀露的沉积建造仍然保持完整和连续(潘桂棠等，2007)，次级块体边界带目前还没有发育连续贯通的地表断裂等构造，也没有完全切割限制已有北西走向构造的延伸，我们认为这一次级构造边界可能仍然处于巴颜喀拉块体改造的早期阶段，还没有达到块体完全破坏的成熟阶段.虽然处于块体破坏的早期阶段，但巴颜喀拉块体东西分异和破坏的动力学和深部构造可能对理解青藏高原隆升和扩展机制具有重要意义(徐锡伟等，2014)，仍有待更多的深部地球物理方面的研究探讨.

虽然我们从巴颜喀拉块体东西次级块体划分可以推测，北西西走向的断裂向东的延伸和活动性可能被限制在阿尼玛卿挤压阶区到甘孜拉分阶区一线构成的两个次级块体边界带的西侧或者在边界带两侧发生比较大的变化，但是巴颜喀拉块体西部次级块体内发育的一系列平行断裂(西藏大沟—昌麻河断裂、玛多断裂、江错断裂、甘德南断裂、达日断裂等)仍然有待于进一步的定量化运动学和古地震学研究.昆仑山口—江错断裂在2001年地震和2021年地震之间属于未破裂段还是具有未知的破裂，是评价该区强震危险性值得进一步注意的.

5 结论

2021年玛多M7.4地震发震断裂江错断裂同震变形产生的地表破裂带以黄河乡至格波隆格恰的阶区分为东西两个大段落.根据破裂组合特征、同震变形量变化和几何结构，东西两个大的破裂段又可以分别分为两个次级破裂段，即朗玛加合日段、野马滩段、拉木草—东湖段和朗玛哦尔—昌麻河段.整个地震事件是一次跨越四个断裂段的级联破裂过程.通过野外典型观测点的无人机航空摄影测量，朗玛加合日段以左旋走滑变形位移为主兼具正断倾滑，倾滑量可达0.61±0.03 m.野马滩段以左旋走滑变形为主兼具逆断倾滑，在野马滩西观测点倾滑量可达0.31±0.04 m，左旋走滑量可以达到2.83±0.13 m，即使到该段可见地表破裂的东部，江错西观测点仍然有1.97±0.08 m的左旋水平位移.朗玛哦尔—昌麻河段在朗玛哦尔附近左旋水平位移达到3.55±0.24 m，而在昌麻河河谷和阶地上仍然存在0.5～1.2 m的左旋位移.

在本次地震地表破裂西段，朗玛加合日观测点、野马滩西观测点和江错西观测点等三个观测点都观察到江错断裂晚更新世或全新世以来的累积变形，并且可能控制了晚更新世地貌发育.根据野马滩西观测点的累积位移和地貌年代估计，地震复发周期2100～2500年，左旋走滑速率1.1～1.3 mm·a-1.在黄河乡与格波隆格恰阶区以东，本次同震位移显著的朗玛哦尔观测点和昌麻河观测点只记录了本次玛多地震地表破裂变形，而没有本次地震之前的晚更新世累积变形.江错断裂在朗玛加合日至黄河乡段全新世以来长期活动的基础上，2021年玛多地震同震破裂变形可能产生了一次向东的最新扩展，从波隆格恰扩展到昌麻河以东.

综合地表断裂组合、深部结构特征、构造动力学条件，我们认为以东昆仑断裂带阿尼玛卿挤压阶区到玉树—甘孜—鲜水河断裂带甘孜拉分阶区一线为界可以将巴颜喀拉块体划分为两个次级的块体.两个次级块体的边界带可能存在2 mm·a-1的挤压变形，但可能仍然处于块体改造破坏的早期阶段，其动力学机制和深部构造值得进一步探讨.这一次级块体边界变形带内的甘德南断裂中段和达日中段的活动性比其东西两侧更强.2021年玛多地震地表破裂显示，昆仑山口—江错断裂向东已经切割了前人所标识的玛多—甘德断裂，巴颜喀拉块体西部次级块体内发育近平行的西藏大沟—昌麻河断裂、玛多断裂、甘德南断裂、达日断裂以及昆仑山口—江错断裂，这些断裂仍然需要进一步的定量化运动学和古地震学研究来评估地震危险性.

致谢2021年5月22日玛多地震之后，中国地震局立即成立了由中国地震局地震预测所、中国地震局地质研究所和青海省地震局等单位组成的地震科学考察队赴震区工作，本文是地震科考部分成果.特别感谢地质所为科考提供指导、支持、关心和帮助的单新建所长、孙晓竟书记、万景林副所长、何宏林副所长、李传友主任、蒋汉朝处长、史翔副处长等领导，也感谢预测所领导的协调指挥和青海省地震局现场指挥部的关照.感谢现场科考的预测所徐岳仁、李文巧等、青海省地震局李智敏等、应急管理部国家自然灾害防治研究院任俊杰等、中国地质科学院地质研究所潘家伟等同志的相互支持与帮助.感谢两位匿名审稿专家和编委老师提出的讨论意见和建议，感谢编辑老师的支持与帮助.感谢袁仁茂研究员对英文摘要提出修改建议.