2022年青海門源MS6.9地震地表破裂帶寬度調查與啟示

牛鵬飛,韓竹軍,郭鵬,李科長,呂麗星

中國地震局地質研究所,北京 100029

0 引言

大量震例表明,M≥6.5地震就有可能沿發震斷層形成數千米至數百千米長的地表破裂帶(Wells and Coppersmith,1994),地震災害具有沿破裂帶呈帶狀加重分布的特征(中國地震局赴土耳其地震現場考察專家組,2000;徐錫偉等,2002).例如,1999年臺灣MS7.6集集地震的地表破裂帶及兩側十幾米范圍內建筑物被夷為平地,而十幾米之外建筑物基本完好(Chen et al.,2001);2008年四川MS8.0汶川地震地表破裂帶所過之處房屋盡毀,山脊水系被錯斷(Xu et al.,2009; 陳桂華等,2008);坐落在2016年新西蘭MW7.4凱庫拉地震地表破裂帶上的房屋出現歪斜(Lo et al.,2018; 韓竹軍等,2018);2021年青海MS7.4瑪多地震地表破裂帶沿線的房屋、道路、橋梁等基礎設施被破壞(潘家偉等,2021; Wang et al.,2022).避開活動斷層和選取合理的避讓距離可以有效減輕同震破裂對建筑物的直接破壞,降低地震災害的損失.

在中國這樣一個土地資源緊張、經濟布局密集的國家,如何在重大工程和生命線工程選址過程中避開活動斷層同震錯動的破壞以及選取最小安全避讓距離,是目前地震地質研究中熱點問題(韓竹軍等,2002;徐錫偉等,2016).尤其2008年汶川地震后,對災區的震后重建涉及到活斷層避讓工作,眾多學者對該問題進行了研究.周慶等(2008)在汶川地震應急科考后,提出震后重建時發震斷層兩側的避讓寬度為25 m.張永雙等(2010)對汶川地震的調查結果顯示地表破裂帶寬度集中在16～60 m.郭婷婷等(2013)通過汶川地震后的大量實例,結合古浪地震、昌馬地震和集集地震破裂帶寬度資料,計算得到逆沖型活斷層避讓帶的寬度為30 m.徐錫偉等(2016)基于汶川地震破裂帶寬度和其他歷史地震數據,采用數理統計分析方法,確定了活斷層“避讓帶”寬度為30 m.近年來,隨著測量手段的發展和震例的豐富,越來越多的地震現場科考和地表破裂帶調查研究表明,破裂帶比我們先前認識的更為復雜,寬度更大,如袁兆德等(2021)對2014年新疆MS7.3于田地震的破裂帶進行了精細填圖,發現基巖區平直段的走滑型破裂帶最大寬度為130 m.2010年厄爾梅爾—庫卡帕地震的地表破裂帶在沖洪積扇發育段落最大寬度為430 m(Teran et al.,2015).2016年凱庫拉地震的科考結果表明地表破裂帶寬度達110～140 m(韓竹軍等,2017).2021年瑪多MS7.4地震破裂帶寬度分布在幾米到100 m的范圍內(潘家偉等,2021).

上述認識上的分歧很可能與測量手段有關.在前期工作中,破裂帶寬度主要是在地面上通過激光測距儀甚至是皮尺進行測量的,有限的離散地形測量點很難全面地刻畫地表破裂帶的分布特征,從而有可能存在較大的不確定性.近幾年來,無人機航空攝影測量技術被廣泛地應用于地震地表破裂帶調查,使得我們可以在一個更寬廣的視野、更高的精度來識別地震地表破裂帶.即便如此,目前有關地表破裂帶寬度的研究工作只是局限在個別地點的討論,還缺少對一條破裂帶較為系統的研究.2022年1月8日在青海省門源縣發生了MS6.9地震(圖1),沿冷龍嶺斷裂西段和托萊山斷裂東段分別形成了2條主要的走滑型地震地表破裂帶(李智敏等,2022;潘家偉等,2022;韓帥等,2022;梁寬等,2022;袁道陽等,2023),我們的調查顯示這兩條破裂帶的長度分別為22.8 km和3.9 km(圖1c;Niu et al.,2023).地震地表破裂帶主要分布在無人長期定居、樹木稀少的高山草場,為通過無人機移動攝影測量方法精細研究地表破裂帶分布特征及其寬度提供了較為理想的條件.為此,本文采用無人機移動攝影測量方法獲取了門源地震地表破裂帶的高精度正射數字影像12408 張,生成了長約44 km、寬為0.2～1.8 km范圍的航空攝影測量條帶(圖1c).在對兩條主要的地表破裂帶R1和R2進行精細解譯的基礎上(Niu et al.,2023),沿破裂帶采用固定間隔100 m的方法進行寬度測量,共獲得251個寬度數據,分析破裂帶寬度的空間分布特征及其控制性因素;基于統計分析方法,給出了走滑型活動斷層“避讓帶”距離.本文的研究結果對于活動斷層沿線重大工程避讓距離的確定具有重要的參考價值.

圖1 門源MS6.9地震區域地震構造背景和地表破裂帶分布圖

1 數據與方法

1.1 地表破裂帶圖像數據的采集、處理與解譯

在2022年門源MS6.9地震現場,通過沿著可能穿越地震地表破裂帶的沖溝(河道)進行路線觀察,在發現地震地表破裂帶的地段,使用無人機平臺沿破裂帶走向進行航拍.使用的無人機平臺(無人機型號:大疆 Phantom 4)配備了有效像素1240萬影像傳感器和差分GPS.無人機以70%的航向重疊和70%的側向重疊覆蓋率收集照片,確保相鄰照片中的共同特征,飛行高度100～150 m,采集條帶寬度為0.2～1.8 km,共獲取正射攝影測量照片12408張,覆蓋的總面積為～29.36 km2,長度為～43.37 km(圖1c).

在室內基于三維運動重建技術(Structure from Motion,SfM)對無人機航測數據進行處理,使用Agisoft PhotoScan Professional軟件構建具有地理信息的正射影像和三維地形模型(Bi et al.,2017).主要包括以下5個步驟:(1) 剔除模糊、顏色異常、嚴重變形的照片,然后導入軟件中;(2) 在不同的照片間進行同名特征匹配和跟蹤,生成稀疏的點云數據;(3) 基于多視角立體密度匹配算法,構建該場景的三維景觀,生成高密度點云數據;(4) 建立紋理和網格數據;(5) 生成正射影像和數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),導出為tif格式文件.為保證數據的完整性和可利用性,在野外調查期間利用DELL Precision 5560移動圖像處理工作站對采集的無人機照片數據進行處理,若獲得的正射影像數據有間隙問題或存在地表破裂帶未完全覆蓋的區域,再對該區域進行補充航拍.最終獲得2.13 cm分辨率的正射影像和4.26 cm分辨率的DEM,并基于ESRI ArcGIS和Global Mapper軟件平臺對DEM進行處理獲得了山體陰影圖和等高線圖等.

雖然此次地震地表破裂帶一般分布在海拔3500～3600 m的高山地帶,但地勢總體上比較平坦,屬于當地牧民的夏季牧場,大部分區段也沒有樹木的遮擋,在無人機航拍的高分辨率正射影像上,地表破裂一般均表現清晰(圖2).在ArcGIS支持下,通過對地表破裂的識別和解譯,揭示了2022年1月8月的門源MS6.9地震地表破裂帶的基本特征主要表現為2條走滑型破裂帶,即沿著冷龍嶺斷裂和托萊山斷裂分布的R1和R2(圖1c;Niu et al.,2023),主要由一系列不連續的剪切裂隙、擠壓鼓包、張裂隙和張剪裂隙等走滑型地震常見的破裂構造組成.其中,R1破裂帶沿冷龍嶺斷裂西段展布,西起于道溝西側基巖區(37.815°N,101.186°E),向東經過道溝、2次切過硫磺溝,終止于硫磺溝右岸基巖區(37.733°N,101.419°E),全長約22.8 km,整體呈微凸向北東的弧形,走向約112°.R2破裂帶沿托萊山斷裂東段展布,西起于大西溝山前階地(37.795°N,101.117°E),沿大西溝左岸的山前洪積扇和階地分布,終止于羊腸溝河床(37.794°N,101.162°E),全長約3.9 km,走向約95°.

圖2 破裂帶寬度測量方法

1.2 地表破裂帶寬度的測量

地表破裂帶的寬度指的是垂直斷層走向有明顯構造破裂分布的地面寬度,其界限標志通常為斷層兩側最外邊的一條破裂與沒有變形的原始地面之間的邊界(Zhou et al.,2010; 張永雙等,2010).野外調查觀察到的R1和R2破裂帶通常水平切穿沿線的沖溝、河床、階地、洪積扇、山脊和公路等地貌和地物,主要表現為一系列不連續的剪切裂隙、雁列式分布的張裂隙、張剪裂隙以及破裂之間的擠壓鼓包等走滑型地震的破裂組合,因此將斷層兩側最外邊的破裂之間的寬度作為地表破裂帶的寬度.

Rockwell和Klinger(2013)通過分析1940年帝國谷M7.1地震后約15 km的高分辨率航拍影像,通過測量了一系列斷錯標志物(如作物和樹木等),共獲得了648個位移值.經過比較分析,確定的測量點間距為100 m,超出該長度范圍位移量值一般會出現變化.在2010年墨西哥EI Mayor地震、2010年新西蘭Darfieled地震和2011年日本Fukushima-Hamadoori地震中(Mizoguchi et al.,2012),位移分布也表現出類似的變化特征(Gold et al.,2013;Elliott et al.,2012).因此,本文以100 m作為破裂帶寬度測量單元的長度.基于無人機衍生的高分辨率正射影像對地表破裂帶進行詳細解譯,識別出本次地震產生的所有構造破裂(圖2a).測量時每間隔100 m作為一個測量單元,分別測量寬度的最大值和最小值,以平均值代表該區段破裂帶的寬度.

寬度最大值是通過兩次測量后確定的.第一次測量是首先在北側勾畫一條直線,包絡所有破裂最外側邊界,然后在南側平行地勾畫另一條同等長度的包絡線,包絡南側破裂最外側邊界(圖2b中黑色線條).兩條平行線端點的連續盡可能地垂直破裂帶的走向.第二次測量則是以首先在南側勾畫一條直線,包絡所有破裂最外側邊界,采用同樣的方法在北側勾畫另一條包絡線(圖2b淺藍色線條).2組平行包絡線中垂直距離較大值作為此測量單元的寬度最大值.在測量單元內,所有破裂均位于4條包絡線交接組成的不規則六邊形內(圖2c),六邊形的外側兩條邊較小值為此單元的寬度最小值(圖2d).六邊形的外側兩條邊中間點連線的中間點作為測量單元中心點,地理坐標表示該測量單元的空間位置(圖2中藍色實心球).

2 典型地段地表破裂分布特征與寬度測量

按照上述方法,通過對2022年門源MS6.9地震地表破裂帶東支(R1)和西支(R2)寬度的精細測量,共獲得251個寬度值,其中沿著R1獲得213個量值,沿著R2獲得38個量值(附表1).以地震破裂帶總體走向(104.5°)作為橫軸、破裂帶寬度作為縱軸以及以西支R2最西端作為原點,2022年門源MS6.9地震地表破裂帶寬度沿走向的分布如圖3所示.可以看出:沿著R1和R2,破裂帶寬度的分布都是不均勻的,從幾m到百余m、甚至2百余m不等,R1破裂帶的最大寬度為209.78 m,R2破裂帶的最大寬度為115.31 m.下面以5個地段為例,詳細解析此次地震破裂寬度的測量過程、變化特征及其產生這種變化的可能機制.其中,地段1、2和3位于R1破裂帶上(位置參見圖3中的標注圖4、圖5和圖6的小圖框);地段4和5位于R2破裂帶上(位置參見圖3中的標注圖7和圖8的小圖框).

圖3 門源MS6.9門源地震地表破裂帶寬度分布圖

圖4 道溝段地表破裂帶分布特征與寬度測量

圖5 硫磺溝左岸段地表破裂帶分布特征與寬度測量

圖6 蘭新高鐵東段地表破裂帶分布特征與寬度測量

圖7 大西溝段地表破裂帶變形特征

圖8 羊腸溝段地表破裂帶分布特征與寬度測量

2.1 地段1:道溝

在R1破裂帶西段,有多條沖溝與之呈大角度交切,其中道溝規模較大,沿著該溝谷有土公路直達破裂帶發育地段.在正射影像上(圖4a),地表破裂帶表現清楚,主要由右階雁列狀剪切破裂組成,在兩條剪切破裂的階區常見高1～2 m的擠壓鼓包.破裂帶總體走向約100°,兩側未見明顯的垂直位錯,力學性質表現為一條典型走滑型地震地表破裂帶.破裂沿線可見土公路、河岸被水平左旋斷錯,位錯量一般為1～2 m.

道溝區段破裂帶長約600 m,可分為6個長100 m的破裂帶寬度測量單元,由西向東的序號分別為66至71.其中,69號測量單元位于道溝河谷,地貌單元為道溝T1階地;其他測量單元位于道溝兩側的基巖區.依據地表破裂帶寬度測量方法,共獲得6組破裂帶寬度,由西向東寬度依次為29.49±8.98 m(66號)、31.74±5.91 m(67號)、32.01±10.61 m(68號)、62.31±23.24 m(69號)、27.65±19.46 m(70號)和28.42±2.82 m(71號)(圖4).測量單元66、67和68位于道溝西側基巖山區,破裂帶寬度變化較小,大約在30 m左右;當破裂帶穿過道溝的漫灘和階地時,寬度由基巖區的約30 m增大到約62 m(測量單元69),即增加了2倍;向東再進入基巖區時,寬度又變小(測量單元70和71)(圖4d).通常,基巖區應力比較集中,斷層破裂向地表傳播時,常表現為一條走向比較固定、寬度范圍較小的破裂帶;而切穿河流階地和漫灘時,礫石、砂土等組成的第四系松散堆積物物會造成應力分散,破裂易于擴展、放大,從而表現出較為寬泛的破裂帶.因此,地震斷層錯斷到地表時,由于地層巖性與力學屬性的不同,相隔幾百米的距離內表現出差異明顯的破裂帶寬度.

2.2 地段2:硫磺溝左岸

R1地表破裂帶在首次切過硫磺溝后(37.799°N,101.260°E),沿著硫磺溝左岸基巖山坡展布,并切過一系列近南北向沖溝(圖3a).沿斷層距離約13～21 km的區段,破裂帶由基巖區穿過沖溝時,寬度表現出突然增加的趨勢,局部區域出現峰值(圖3b),以硫磺溝左岸典型的一個地段為例(圖5),分析這種破裂寬度的變化特征.

硫磺溝左岸區段地表破裂清晰可見,主要由右階雁列剪切破裂和擠壓鼓包組成,形成一個小型階區,整體總體走向約95°,表現為走滑型破裂帶.該區段破裂帶長度約600 m,分為6個100 m的寬度測量單元,由西向東依次為41.58 m(117號)、33.17±4.21 m(118號)、178.83±7.3 m(119號)、138.04±12.97 m(120號)、73.76±13.33 m(121號)和67.18 m(122號).測量單元117、118、121和122分別位于沖溝兩側基巖區,破裂寬度范圍為30～70 m,而當破裂帶穿過沖溝時,也就是通過階區時,測量單元119和120位于沖溝溝床和沖積扇,破裂寬度比較大,約為基巖區的2～6倍(圖5).這種現象一方面是由于硫磺溝左岸冬季覆蓋冰雪、凍土,夏季融化為冰水混合物不斷侵蝕沖溝兩側,侵蝕與沉積作用交替進行,使得沖溝兩側及溝床內堆積了沖積物、冰磧物和坡積物等第四系松散物質(圖5b),這些地層在淺地表放大了地震破裂;另一方面是由于位于階區位置,形成了寬度比較大的地表破裂帶.然而沖溝兩側的基巖區應力較為集中,破裂擴展到地表時,形成寬度較小的地表破裂帶.這種現象也揭示了位于第四系松散層和階區位置時破裂寬度遠大于基巖區和平直段.

2.3 地段3:蘭新高鐵東

R1破裂帶在穿過蘭新高鐵隧道后依然沿著硫磺溝左岸基巖山坡展布,距離高鐵東側約4.7 km處,破裂帶分布在山前沖積扇,可以分為新老2期扇體(圖3、圖6a).該區段破裂帶長約500 m,分為5個破裂帶寬度測量單元,由西向東依次為188至192.其中,190號測量單元寬度為209.78±14.00 m,為本次門源地震最大寬度數據,而兩側寬度測量單元僅為10余m到40余m,呈現局部峰值的現象(圖6).雖然該區段破裂帶分布在高程差(約50 m)較大的礫石、冰磧物等組成沖積扇上,但該段未受到崩塌、滑坡等影響,未見崩塌和滑坡等次生地質災害,擠壓鼓包和張裂隙等構造破裂清晰可見,表現為一條典型地表破裂帶(圖6d、e),解譯的均為同震產生的構造破裂.該區段產生較大的地表破裂寬度值,是由于190號測量單元位于破裂帶的階區位置,利于破裂在地表的擴展,但可以確定為此次地震產生的地表破裂.

2.4 地段4:大西溝

R2破裂帶主要沿著大西溝左岸階地展布,主要由剪切破裂、張裂隙和擠壓鼓包組成.破裂帶寬度在中西段呈現局部最大值后再變小的現象,而這些寬度較大區段均出現在大西溝左岸眾多近南北向沖溝溝床和兩側階地內(圖3),圖7為大西溝其中一個較為典型的點,整體走向約90°.該區段破裂帶長度約600 m,依據地表破裂帶寬度測量方法,由西向東6組破裂單元序號為20—25,寬度分別為12.65±4.71 m(20號)、13.17±9.91 m(21號)、29.65±8.07 m(22號)、37.23±17.02 m(23號)、32.57±21.53 m(24號)和16.28±2.41 m(25號)(圖7).測量單元20、21和22位于西側階地,當破裂帶穿過沖溝溝床時,寬度增加到37.23±17.02 m(23號)和32.57±21.53 m(24號),向東再次進入階地時,寬度減小(25號) (圖7).通常,沖溝受到流水的沖刷侵蝕,經過沉積作用,溝床內堆積從上游山體搬運的由砂礫石等組成的碎屑物質,相比于沖溝兩側階地,物質更為松散,易于破裂的擴展,呈現破裂帶在切過沖溝時破裂帶寬度增大的現象,由于R2破裂帶整體規模較小,這種現象導致的寬度并沒有增加數倍的關系.

2.5 地段5:羊腸溝

野外調查追蹤并結合高分辨率正射影像解譯,R2破裂帶東端終止于羊腸溝河床(圖1c).該區段地表破裂帶由一系列的NE向的裂隙右階組成,單條破裂的寬度僅幾厘米,但整體破裂帶寬度較大.破裂沿線可見墻體、公路等被水平位錯,位錯量僅為幾厘米(圖8).

羊腸溝區段破裂帶長度約500 m,發育在大西溝和羊腸溝的階地和河床上,由西向東可分為5個長100 m的破裂帶寬度測量單元,序號為34至38(圖8),由西向東依次為70.22±27.25 m(34號)、115.31±15.72 m(35號)、103.66±3.64 m(36號)、39.19±11.58 m(37號)和42.05±3.33 m(38號),區段內破裂帶寬度整體上大于R2破裂帶中間地段(圖3b).該地區位于羊腸溝和大西溝交匯點,侵蝕作用強烈,溝口兩側發育3級河流階地,為礫石、砂石和凍土等組成的第四系松散物.該區段形成100余m的地表破裂帶寬度,主要受到地表破裂的尾端效應,破裂的擴展分散成多條分支破裂.

同時,測量單元34處矗立的1處獨立的混凝土墻體,破裂穿過墻體呈現破裂規模很小,墻體未倒塌(圖9a);測量單元36處公路出現小的左旋位錯,但不影響正常交通運行;測量單元38由僅幾厘米的張裂隙組成,破裂規模很小,向東逐漸尖滅(圖9b).這些現象均表明雖然該區段雖然破裂帶寬度很大,但實際單條破裂較小,對周圍建(構)筑物破壞較小.

圖9 R2破裂帶東端野外照片

3 地表破裂帶寬度差異性分析

基于高分辨率正射影像的地表破裂帶精細解譯,采用固定間隔100 m的方法進行寬度測量,沿門源地震R1破裂帶獲得213個數據,最大寬度為209.78±14 m,平均寬度為42 m;沿R2獲得38個寬度數據,最大寬度為115.31±15.72 m,平均寬度為26.14 m.由地表破裂帶寬度沿走向的分布圖可以看出(圖3),除了R2破裂帶東端,R1破裂帶寬度整體上大于R2.在地表破裂帶長度與同震位移量上,野外調查與測量得到R1破裂帶長約22.8 km,水平位移為0.6～3.5 m,而R2長約3.9 km,水平位移僅為4～15 cm(Niu al.,2023).由此可見,R1與R2破裂帶寬度之間的差異性與其破裂帶長度、同震位移量之間的差異性具有對應關系.這與前人認為地震破裂帶寬度與位移具有線性正相關性,即破裂帶寬度隨位移的增大而增大的觀點是一致的(李紅等,2019;張永雙等,2010).

有震例研究表明,地表破裂帶寬度與破裂幾何結構密切相關(Choi et al.,2018).2022年門源地震破裂帶寬度也表現出與幾何結構的相關性,在破裂帶的階區或端部,寬度會出現明顯加寬現象.如R1破裂帶在硫磺溝左岸段、蘭新高鐵東段等部位,階區的破裂帶寬度達百余m,明顯高于兩側單一的平直段(圖3).同樣的,在2014年于田地震和2016年凱庫拉地震中也表現出破裂帶彎曲部位寬度大于平直段(Langridge et al.,2018; 袁兆德等,2021).R2破裂帶東端受尾端效應的影響,分散成多條分支破裂,破裂帶呈現出較大的寬度.因此,破裂帶復雜的幾何結構對寬度變化有明顯的影響.

地震地表破裂在基巖區展布時,常表現為一條走向比較固定、寬度范圍較小的破裂帶,而穿越第四系松散層時,即便厚度只有3～5 m,也可呈現比較寬泛的破裂帶,如R1道溝段、R2大西溝段等.2022年門源地震R1破裂帶分布在基巖區時,寬度約為15～150 m,而在松散層寬度范圍為60～210 m,約為基巖區的2～14倍(附表1).Lin和Nishikawa (2011)對2001年MW7.8昆侖地震破裂帶寬度的統計表明,沖洪積層覆蓋較厚的區域是基巖區的3～10倍,與門源地震統計到的2～14倍基本相符.袁兆德等(2021)在對2014年于田地震破裂帶精細解譯時也發現破裂穿越不同地層單元時,破裂帶寬度往往也會出現差異.這種普遍現象可以解釋為,破裂帶發育的基巖區應力比較集中,破裂傳播到地表時,呈現出走向穩定、寬度范圍較小的地表破裂帶;當穿越河床、漫灘和階地時,礫石、砂土等組成的第四系松散層會造成應力分散,破裂易于擴展.

在構造樣式上,花狀構造是走滑斷層中特征性構造,為一種常見的構造樣式.門源地震中在切割較深的河谷、如硫磺溝和道溝的岸璧上可以觀察到R1破裂帶為向下快速匯聚到一條斷層錯動面上的現象(圖10),即近地表表現出與走滑斷層密切相關的花狀構造.河流階地上即使只發育3～5 m厚的第四紀河流相松散沉積層,在地表也可形成較為寬泛得破裂帶(圖10).

圖10 R1地表破裂帶野外照片

綜上所述,同震變形強度、破裂帶幾何結構和破裂帶穿越的地層巖性對門源地震破裂帶寬度的差異性有明顯的控制作用.

4 討論與小結

4.1 討論

(1)走滑型地震“避讓帶”寬度

目前,用于活斷層“避讓帶”寬度計算的方法主要有同震地表破裂帶寬度統計法、跨斷層地質探槽剖面法、位移與破裂寬度擬合關系式法等(徐錫偉等,2002;張永雙等,2010;徐錫偉等,2016).本次研究主要依據同震地表破裂帶寬度統計法,原理是依據特定類型斷層地表破裂寬度實測數據,去除數據中存在的離散值,對獲取的統計數據進行高斯擬合得到均值(μ)和方差(σ),并以1或2倍均方差之和作為“避讓帶”的寬度.

本文沿門源地震2條走滑型地表破裂帶獲得了251個破裂帶寬度數據,并對這些寬度數據進行統計分析.首先,采用四分位數方法處理門源地震251個破裂帶寬度的實測數據,得到>100 m的數據量(6個)極少不具有統計意義(圖11).然后,在去除離散數據后,利用剩余的245個破裂帶寬度的實測數據進行高斯擬合,獲得均值(μ)為28.0±1.4 m,方差(σ)為18.1±1.6 m(圖12).如果將μ+σ作為地表破裂帶寬度的平均值(46.1±3.0) m,表示在68.2%置信區間的地表破裂寬度小于50 m,由此將50 m作為破裂帶的有效寬度.在工程抗震設防時,如果走滑型活斷層評估的最大潛在震級與門源地震震級相近(～M7.0),建議確定“避讓帶”寬度時參考50 m的有效寬度,即活斷層兩側避讓寬度各25 m.若將μ+2σ作為地表破裂帶寬度的平均值(64.2±4.6) m,即在95.4%置信區間的地表破裂寬度小于70 m,則建議確定“避讓帶”寬度時參考70 m的有效寬度,走滑型活斷層兩側避讓寬度各35 m.

圖11 門源地震破裂帶寬度數據四分位數方法處理結果

圖12 地表破裂帶寬度-頻數分布圖(圖中黑色方框標示不參與統計的實測數據)

基于門源地震全區段覆蓋的高精度無人機正射影像,本文沿走向間隔100 m測量了2條地表破裂帶的寬度,獲得了251個寬度數據;采用四分位數等統計方法給出了1或2倍方差的破裂帶有效寬度,并建議作為“避讓帶”寬度.本文不論在獲得的地形數據上比前人更為精細,在實測的寬度數據和數據量上也比前人更為可靠、豐富.本文獲得的“避讓帶”建議寬度比前人獲得的結果(30 m)要大(徐錫偉等,2002;周慶等,2008;張永雙等,2010;徐錫偉等,2016),主要表現為2個方面:(1)前人統計的為汶川、昌馬地震等其他歷史地震實例,地表破裂帶寬度多數是在有位移的位置使用激光測距儀或皮尺完成的測量,在點單位上通過測量地形剖面獲得的破裂帶寬度,有限的離散地形測量點很難全面地刻畫地表破裂帶寬度的分布特征,從而低估了破裂帶寬度;(2)前人在擬合過程中剔除了寬度≥80 m的離散數據,而本文通過四分位數方法處理表明門源地震破裂帶寬度數據中80～100 m(16個)不屬于離散數據,“避讓帶”的建議寬度計算時不應舍棄此數據.

《建筑抗震設計規范(GB50011-2010)》中規定(中華人民共和國住房和城鄉建設部和中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,2010),不同建(構)筑物選址時,往往對活斷層“避讓帶”距離也是不同.對于地震發生時,使用功能不能中斷或需盡快恢復的建(構)筑物,如應急指揮、生命線工程樞紐或重大工程等,在確定“避讓帶”寬度時建議參考本文獲得的70 m破裂帶有效寬度;而對于當地居民生活相關的公共設施,如學校、醫院和警察局等,建議參考50 m作為“避讓帶”寬度.

在考慮使用本文獲得的走滑型活斷層“避讓帶”建議寬度時,對于單一走滑型錯動面發育地段,按建(構)筑物類別向兩側各擴展35或25 m即可,避讓寬度合計70或50 m.對于活斷層斜列階區、平行斷層圍限區、走向彎曲區、雙陡傾角錯動面發育地段,除了這些區域寬度外,需要向兩側各擴展35或25 m.

(2)減災對策

在切割較深的河谷,地表破裂帶常常向下快速匯聚到一條斷層錯動面上的現象,即近地表表現出與走滑斷層密切相關的花狀構造.同時,河谷內第四系松散層也會在地表放大地震破裂,表現出局部大于河谷兩側基巖或階地的破裂帶寬度.在此構造區進行建(構)筑物選址時,若能夠減低松散沉積物厚度至基巖區,地震破裂到地表的寬度也會減低,“避讓帶”寬度也可以相應減小.

4.2 小結

本文基于獲取的無人機高分辨率正射影像,對2022年門源MS6.9地震主要的2條走滑型地表破裂帶精細解譯的基礎上,采用固定間隔100 m測量了破裂帶寬度,獲得251個寬度數據,通過分析得出以下幾點認識:

(1)R1破裂帶獲得213個寬度數據,最大寬度為209.78±14 m,平均寬度為42 m;R2破裂帶獲得38個數據,最大寬度為115.31±15.72 m,平均寬度為26.14 m;野外調查與測量得到R1破裂帶長約22.8 km,水平位移為0.6～3.5 m,而R2長約3.9 km,水平位移僅為4～15 cm,寬度與破裂帶長度、同震位移量之間表現出正相關性.破裂帶階區及端部效應也會增大破裂帶寬度.即便只有3～5 m的第四系松散層厚度,也會明顯加大地表破裂帶寬度2～14倍,構造樣式表現為花狀構造.這也為如何降低地表破裂帶影響寬度提供了一種思路.

(2)通過對去除離散值后的245個破裂帶寬度數據進行高斯擬合,得到均值和方差為28.0±1.4 m和18.1±1.6 m,分別給出了以1或2倍均方差得到50或70 m的有效寬度.在工程抗震設防中,如果走滑型活斷層評估的最大潛在震級與門源地震相近(～M7.0),建議參考50或70 m作為不同建(構)筑物類別的活斷層“避讓帶”寬度.對于單一走滑型錯動面發育地段,按建(構)筑物類別向兩側各擴展35或25 m即可;而對于活斷層斜列階區、平行斷層圍限區、走向彎曲區、雙陡傾角錯動面發育地段,在這些復雜幾何結構分布范圍的基礎上需要各向兩側擴展35或25 m.

致謝兩位審稿專家和編輯為本文提供了寶貴的修改意見,中國地震局地質研究所羅佳宏博士在文章數理統計方面給予了很多有益的討論和幫助,周朝博士對英文摘要進行了精細潤色,特此一并致謝!

附表1 沿門源地震R1和R2測量的破裂帶寬度