2023年甘肃积石山Ms 6.2级地震震害异常的启示

王运生,赵 波,吉 锋,李为乐

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 610299)

北京时间2023年12月18日23时59分,在甘肃省临夏回族自治州积石山县(35.7°N,102.79°E)发生6.2级地震,震源深度10 km(中国地震台网中心,2023)。此次地震造成大量的房屋倒塌,截至2023年12月22日8时,积石山6.2级地震已造成148人遇难,979人受伤,3人失联(新京报,2023)。尽管震级不大,但此次地震产生的人员伤亡明显比2017年的九寨沟Ms 7.0地震(19人死亡,525人受伤,6人失联)和2022年泸定Ms 6.9级地震(93人死亡,25人失联)都要严重(四川省人民政府,2023a;四川省人民政府,2023b)。

此外,该地震产生的地质灾害也存在异常。通常情况下,一次地震事件会在稳定性相对差的山区产生大量的滑坡、崩塌等地质灾害,如2008年汶川地震在龙门山区触发了数万处滑坡、2017年九寨沟Ms 7.0级地震在九寨沟景区触发了4 000余处地质灾害、2022年泸定Ms 6.9级地震在大渡河深切峡谷区触发了超过5 000处滑坡,2013年,距此次地震震中185 km的岷县Ms 6.6级地震也触发了超过3 000处滑坡(Ling et al.,2021;Xu et al.,2014;Zhao et al.,2022;Zhao et al.,2023)。而根据已收集的高精度遥感影像显示,此次地震离发震断裂最近的积石山区极少有滑坡、崩塌等地质灾害发生,同时,在非常平缓的黄土区层发生一个较大规模的地震液化滑坡泥流及数百处小型黄土滑坡,该泥流运动数千米,沿途掩埋多栋房屋。这些不同以往的震害现象,让我们认识到本次地震的异常性。

为了解释这些异常的震害现象,本文从区域发震背景、地震特征、区域地震动力响应和区域水文特征等方面对积石山Ms 6.2级地震震害异常性展开讨论分析,对灾后重建提供部分参考。

1 发震背景

2023年积石山6.2级地震的震中位于拉脊山北缘断裂上,属于拉脊山构造混杂岩带的北东部边界断裂,该断裂是一个逆冲型断裂(图1)。拉脊山北缘断裂形成于加里东期,华力西期—印支期活动不明显,燕山期—喜山期强烈复活,控制北东侧西宁—民和盆地,中新世末拉脊山逆冲于红色盆地之上。拉脊山断裂形态成铲形,具有明显的线性构造特征,断裂带全长230 km,由数段弧状不连续的断裂带组成,其走向自西向东由N60°W转变为近EW、NNW向,断面总体倾向SW,倾角45°～55°,红崖子剖面处产状300°∠66°(杨中轩,1993;李智敏等,2009)。断裂两盘地貌主要由断裂西侧的积石山和断裂东侧的低缓丘陵内嵌盆地如临夏断陷盆地组成。积石山的海拔在2 200～3 500 m,丘陵地区的海拔在1 800～2 200 m之间。发震断裂的下盘地质建造包括新近系他拉组和毛沟组的砂泥红色岩系、上更新统风成马兰黄土等,断裂上盘主要以侵入岩为主,包括中粗石英闪长岩、细粒花岗闪长岩等。附近的水系都是黄河支流,来源主要包括降雨和冰雪融水等。自1949年以来,震中周边200 km范围内发生6.0～6.9级地震2次,5.0 ～ 5.9级地震14次,最大为2013年7月22日甘肃省定西市岷县、漳县交界6.6级地震,距本次震中的距离约185 km(中国地震局,2023)。该区域分布有大量的历史滑坡,如孟达天池滑坡等(胡亚东,2004)。

2023年积石山6.2级地震的总体构造背景以挤压变形为主,然而震中附近处于拉张状态(中国地震局地震预测研究所,2023b)。此次地震震源机制解为逆冲为主兼左旋走滑(图1),破裂面呈现北北西—南南东走向,破裂持续时间约为10 s(中国地震局地震预测研究所,2023a)。破裂由震中主要向北西方向延伸,由深部向浅部扩展(中国地震局地震预测研究所,2023b)。最大破裂点位于震中北西方向7 km附近,最大滑动量约0.66m(中国地震局地震预测研究所,2023a)。

图1 2023积石山地震发震背景Fig.1 Seismogenic setting of the 2023 Jishishan seismic event(图中断层来自1：25万地质图,震源机制解修改自中国地震局地震预测研究所,2023a)

截至2023年12月20日12时,中国地震台网共记录到5级以上余震0次,4～4.9级余震2次,最大余震震级为4.1级(中国地震局地震预测研究所,2023c)。余震序列整体呈北西向展布,展布长度约15 km,深度主要集中在5～15 km,略向北东方向倾斜(图2)。

中国地震局工程力学研究所对震中100 km范围内强震记录仪分析得到：GS.N0028台烈度最大,其震中距为13.6 km,东西、南北、垂直向加速度峰值分别为905.8 cm/s2、778.5 cm/s2、-702.4 cm/s2,东西、南北、垂直向速度峰值分别为57.3 cm/s、-52.1 cm/s、-16.3 cm/s,计算仪器地震烈度9.5度(图3);GS.N0027台震中距最小,其震中距为5.8 km,东西、南北、垂直向加速度峰值分别为823.9 cm/s2、-533.3 cm/s2、692.7 cm/s2,东西、南北、垂直向速度峰值分别为-39.8 cm/s、-28.9 cm/s、-11.3 cm/s(图3)(中国地震局工程力学研究所,2023)。从图3震区地面峰值加速度分布不难看出,由于震源浅,这次地震极震区的地面震动响应明显高于同级别的地震。

2 房屋震害特点

此次房屋受损严重,有近15 000间房屋倒塌,主要在甘肃省积石山县大河家镇、刘集乡、石塬镇、柳沟乡,青海省的生官亭镇、甘沟乡、中川乡、杏儿藏族乡等(新华社,2023)。

图2 积石山地震主震(黄色五角星)及余震(圆圈)分布特征Fig.2 Spatial distribution of aftershocks(图件修改自中国地震局地震预测研究所,2023c)

图3 积石山地震极震区附近监测到的峰值加速度(PGA,单位：cm/s2)和峰值速度(PGV,单位：cm/s)分布图Fig.3 Spatial distribution of peak ground acceleration(PGA;units：cm/s2) and peak ground velocity (PGV;units：cm/s)in the meizoseismal area(地震监测数据来自中国地震局,中国地震局工程力学研究所,2023)

此次房屋损毁严重的有以下4个特点：

(1)损毁房屋大多位于发震断裂下盘。已有地震震害统计显示,山区逆冲型地震房屋损坏程度上盘大于下盘,这次地震出现反常情况,位于下盘房屋损毁严重,初步分析认为中国西部强震震源深度大多大于10 km,而这次地震震源深度近10 km,导致地表的峰值加速度异常;下盘峰值加速度背景值大(图3)。

(2)下盘房屋地基主要位于深厚覆盖层上。下盘以居民聚集区、城镇为主,多位于地势平缓的深厚覆盖层上。由汶川地震及九寨沟地震土层实测PGA可知,大于5 m后的深厚覆盖层放大倍数1.2～3倍(Wang et al.,2012;Wang et al.,2015;Zhao et al.,2018),这会造成地基震时加速度放大背景下大面积倒塌。

(3)地震中以土木结构房屋损毁最为严重,其次是砖木结构,框架结构影响相对较轻。体波经深厚覆盖层放大后的特征周期通常大于1 s,而土坯房的自震周期一般在0.7 ～1.5 s,产生共振的概率大。砖木结构的自震周期次于土坯房,破坏程度仅次于土坯房,地震中大河家陈家村砖木房屋毁坏占比最大。框架结构房屋自震周期短,整体性好,抗震性好,损坏程度相对较弱。

(4)房屋破坏方式以倒塌、局部开裂或泥流掩埋为主。此次地震破坏方式除抗震性能较差外,一个显著的异常是中川乡地震液化滑坡泥流顺坡而下冲击或掩埋房屋,泥流高度达3 m,致20人失联(光明网,2023)。

3 地震地质灾害异常特点

根据现场调查和已有的卫星影像,在发震断裂上盘积石山区内多为小规模土质滑坡、崩塌及土坡震裂等地质灾害(图4),与2008年汶川Ms 8.0级地震、2013年芦山Ms7.0级地震、2017年九寨沟Ms 7.0级地震和2022年泸定Ms 6.9级地震所产生的地质灾害形成鲜明对比。因为后者地震所产生的地质灾害都在陡峻的山区(Zhao et al.,2023),而前者地震断裂上盘积石山区深切峡谷不发育,谷坡坡度小于50°,由侵入岩组成,完整性较好,仅见零星崩落。而发震断裂下盘的官亭盆地出现了地震液化滑坡(图5、图6)。

青海省官亭盆地官亭镇及中川乡位于黄河左岸,盆地内密集分有众多冲沟,著名的喇家遗址便位于此处。根据喇家遗址的剖面揭示,中川乡盆地自上而下为：洪积物→马兰黄土(32.00～11.50 ka BP)→河漫滩堆积→砾石层→第三系红层(古近系他拉组砂泥质岩建造)(图5)(王海燕,2021)。现场调查和遥感解译揭示此次地震产生的滑坡主要为马兰黄土液化滑坡。

普通的滑坡主要分布于陡峭的冲沟内。根据成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的应急解译发现,中川乡的冲沟两侧沟壁至少发育有700余处滑坡、崩塌,刘集乡有100余处土质滑坡、崩塌,这些滑坡主要为浅层的小型地质灾害(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,2023)。

此次地震在黄河左岸的官厅盆地中川乡金田村(距离震中约15 km)一带,引发1处自北向南沿着坡面震动液化滑坡向下流动的泥流次生灾害,泥流物源区(面积约11.4×104m2)内的高压电塔损毁(图6),流通堆积区(面积约30×104m2)大量房屋被掩埋。该液化泥流表现出极强的流动性：在仅有约70 m的地形高差条件下(物源区至金田村),该泥流运移了约3.1 km,机动性H/L=0.023。

图4 2023年积石山地震造成斜坡灾害Fig.4 Landslides triggered by the 2023 Jishishan earthquake

图5 官厅盆地特征及金田村液化泥流位置Fig.5 Characteristics of Guanting Basin and the seismic liquefied earthflow in Jintian village

图6 地震前后中川乡金田村液化泥流特征及成因模式图Fig.6 Characteristics of the seismic liquefied earthflow in Jintian village before and after the earthquake

造成此次泥流次生灾害的可能原因包括：(1)地形为多级黄土小“台塬”构成的斜坡,成分以粉细砂为主(表层有洪积黏土),土壤胶结疏松、孔隙度大、水敏性强,遇水易崩解(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,2023)。(2)后山支沟发育,汇水条件好(图5),滑坡泥流物源区后有2～3 m的陡坡,陡坡下为大的排洪沟;滑源区内地形微波状起伏,且黄河灌渠由西向东穿过(震后被毁),位于物源区东侧的支沟被修整为梯田,常年的小流域上游汇水、日常降雨入渗和冬灌灌区渗漏导致物源区近地表的物质处于高含水状态。(3)该区域处于极震区,地震动背景值最大已接近0.5 g(图3),在覆盖层放大效应(放大1.5～3倍,Zhao et al.,2018)叠加条件下,松散河流漫滩相砂层及黄土会产生强烈的地震动,这使得黄土快速液化呈流塑状。(4)在重力作用下处于流塑状的砂泥混合流体沿着既有沟道向下游运动,随着沟道河谷的深浅而在不同部位发生堆积,造成此次淤埋地震地质灾害。

甘肃积石山大河家镇陈家村位置上与青海官亭镇隔河相望,覆盖层同样深厚,在地震中房屋损毁严重,人员伤亡大;同时有切坡边坡滑坡、崩塌现象。

4 讨论与结论

2023年12月18日,甘肃省临夏回族自治州积石山县发生Ms 6.2(Mw 5.9)级地震,震源深度10 km。基于已有文献资料、高精度遥感数据和野外调查数据,本文尝试对该次地震的灾害特征展开分析。此次的震害异常体现为震级较低的地震,出现大面积房屋破坏,造成了148人死亡,山区地震崩滑发育程度差,而下盘丘陵及盆地区地质灾害反而发育等等。上述异常有几点启示：(1)场地条件决定了地震动响应,黄土分布区,地震波有放大效应,地震加速度成倍增加,相比而言主动盘(上盘)侵入岩分布区地形放大效应不太明显;(2)黄土区土坯房及砖木结构房屋除抗震性能较差外,地震中因叠加覆盖层放大效应及共振效应,房屋损毁严重;(3)含水率高的黄土斜坡地震液化会造成灾难性震动液化泥流滑坡。

此次地震烈度图显示逆冲型地震震害上盘较轻,下盘较重,这与西部大多数强震震害形成鲜明对比。有必要对这一异常及发震构造特点进行更深入研究。离震中十余千米长的青海省官亭盆地成了重灾区,中川乡地震液化滑坡泥流滑源区含水率局部异常成因目前并不清楚,历史上距草滩村上游5 km的喇家出现过类似灾难;同样是官亭盆地南部的大河家镇此次地震震害也异常严重,因此,官亭盆地中川乡等类似结构斜坡未来强震是否稳定需进一步深入研究。此次地震对基础设施的深远影响值得关注。建议深厚覆盖上新建房屋选择自震周期短整体性好的框架结构,与官亭镇及中川镇具有类似黄土结构及汇水条件的斜坡设立地下水长观孔,以便评估震时液化风险,加强震区发震构造的精确定位。

致谢：

成文过程中得到成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室许强教授团队大力支持,中国地质调查局成都地质调查中心铁永波研究员、白永健正高级工程师、中国科学院成都山地灾害与环境研究所胡凯衡研究员等给予了帮助,在此深表感谢!