引言

2010年青海玉树MS7.1级地震造成2200余人遇难和巨大的经济损失(陈立春等,2010;孙鑫喆等,2012),该地震与1997年玛尼M7.5级地震、2001年昆仑山口M8.1级地震和2008年汶川M8.0级地震均发生在巴颜喀拉块体的边界带上。近年来,“破裂空段”已成为大地震中长期预测的重要依据(闻学泽等,2008;Lorito等,2011),“大地震频发的巴颜喀拉块体边界断裂带上的破裂空段”也随即成为关注的焦点。

作为巴颜喀拉块体南边界断裂的一部分,甘孜-玉树断裂存在明显的破裂分段,自北向南可划分为5个段落(图1):当江段、玉树段、邓柯段、马尼干戈段和甘孜段(周荣军等,1997)。除了发生在玉树段的2010年地震外,已有资料显示历史上沿该断裂带的不同段落还发生了多次大地震,其中1896年地震、1866年地震和1854年地震分别发生于邓柯段、甘孜段和马尼干戈段,另有学者经考证认为1320年沿马尼干戈段可能还发生过一次大地震(图1b)(周荣军等,1997;闻学泽等,2003;李安等,2013)。而关于1738年玉树西北地震,地震目录中将其震中定在玉树附近(或玉树西北),震级定为61/2级(顾功叙,1983;国家地震局兰州地震研究所,1985;国家地震局地球物理研究所等,1990;国家地震局震害防御司,1995);周荣军等(1997)通过野外调查推测该次地震发生在当江段,震中在当江附近,并建议震级修订为71/2级。Lin等(2011)通过探槽开挖认为玉树段上一次地表破裂型事件可能与1738年地震有关,且其震级可能为与2010年地震相当的MS7.1级。袁道阳等(2012)认为,当江段和玉树段在该次地震中同时破裂,同震破裂带长度超过130km,建议震级为71/2级。鉴于该次地震的确切信息是根据“破裂空段”理论判定甘孜-玉树断裂乃至巴颜喀拉坝体周缘未来地震危险性的重要依据,因此需开展进一步研究。本文在针对沿当江段分布的地震地表破裂遗迹进行翔实调查和探槽开挖的基础上,讨论了其与1738年地震的关系、该次地震的同震地表破裂参数及其可能的震级。

1 甘孜-玉树断裂晚第四纪活动特征

甘孜-玉树断裂为青藏高原内部一条北西—北西西走向的大型左旋走滑断裂,北西起自青海治多以西,向南东经玉树延伸至四川甘孜,长约500km,与鲜水河断裂在甘孜附近呈左阶斜列展布,一起构成巴颜喀拉块体与羌塘块体和川滇块体的边界构造带(图1a)。甘孜-玉树断裂晚第四纪以来活动强烈,如引言所述,该断裂带具有明显的破裂分段活动特征,自北向南可划分为5个段落。其中,邓柯段-马尼干戈段-甘孜段的平均左旋走滑速率达到12±2mm/a(闻学泽等,2003;徐锡伟等,2003;石峰等,2010;李安等,2013);关于当江段和玉树段的滑动速率报导较少,周荣军等(1997)通过断错地貌和年代学测量得出当江段的走滑速率约为7.3±0.6mm/a;Lin等(2011)结合古地震复发间隔估算玉树段的走滑速率为2—5mm/a。


(a)青藏高原及邻区活动地块分布图。粗灰色点划线为一级地块边界,细灰色点划线为次级地块边界,
灰色细线条为断裂,红色圆点表示巴颜喀拉地块周缘1900年以来M≥7.0历史地震,箭头指示地块运动方向。
(b)甘孜-玉树断裂分布图。黑色线条为甘孜-玉树断裂,红色线条指示历史地震地表破裂,
灰色线条为区域内其他断裂。活动地块及活动断裂数据源自邓起东等(2007
图 1 甘孜-玉树断裂区域构造环境 Fig. 1Regional tectonic setting of the Garzê-Yushu fault
2 当江段地表破裂遗迹

通过高分辨率卫星影像(GoogleEarth影像融合SRTM数据)判读,发现沿甘孜-玉树断裂的当江段存在一条非常明显的线性迹象,总体上呈北西西向展布(图2a)。解译显示该线性迹象东端过立新乡向东,在哲达村一带不再明显。该区为当江段与玉树段呈右阶展布的挤压隆起阶区,彭华等(2007)认为在该阶区内部还发育一条次级断层,并命名为哈秀段(图2a),哈秀段与当江段之间的阶区宽度最小约为6km。从影像上看,哈秀段并未见与当江段类似的线性迹象;西端在当江荣以东仍非常明显,当江荣村以西的聂恰曲河及一些冲沟呈明显的同步左旋拐弯,但并未见明显的线性迹象,且该同步左旋拐弯与当江荣村以东段落呈左阶错列展布,阶区宽度约为2.5km。


(a)当江段地表破裂遗迹分布图。红线示意地表破裂带迹线,虚线表示推测;黑色线条表示活动断层。
破裂带位置基于影像(ETM、GoogleEarth影像融合SRTM数据)解译和野外调查绘制,
黑色箭头及标注表示同震位错实测点及测量结果(单位:m),黄色小矩形指示探槽开挖点。
(b)、(c)地表破裂遗迹影像(GoogleEarth)解译实例。红色箭头指示线性遗迹位置
图 2 当江段地表破裂遗迹分布图 Fig. 2Distribution of surface ruptures along the Dangjiang segment

综合以上判断沿当江段分布的线性迹象东起哲达村一带,与哈秀段呈右阶错列;西端止于当江荣以东,与当江荣以西断层段落呈左阶错列;两端邻近断层段落上未见类似的线性迹象。经过量算该线性迹象总长度约为75km(图2a)。如图2b、图2c所示,该线性迹象非常明显,反向陡坎、冲沟位错等现象保存完好,由此判断其形成时代较新,可能与历史地震地表破裂有关。

在影像解译基础上开展的野外调查沿前述线性迹象发现了大量线性展布的地震凹槽(图3a、3b)、断层槽谷(图3c)、局部小地堑(图3d)、地震鼓包(图3e、3f)、阶地位错(图4)及冲沟位错(图5b—5h)等断层位错地貌。诸如现代小冲沟、高漫滩、石垄等年轻地貌均发生左旋断错,显示其形成年代较新,很可能为历史地震的地表破裂带。这些年轻地貌的位错量即代表了该地震的同震水平位错量,8个典型地点(位置见图2)的实测数据显示同震左旋水平位错量在1.3—2.1m之间(图5、表1)。


(a)、(b)为地震凹槽,表现出负地形现象;(c)为线性断层槽谷;
(d)为局部小地堑;(e)、(f)为地震鼓包
图 3 当江段地表破裂主要断错地貌类型 Fig. 3Local offset landforms of the earthquake surface ruptures along the Dangjiang segment

红色线条指示断层位置,黄色箭头指示阶地边缘
图 4 当江段立新乡西T2阶地(a、b)和T3阶地(c、d)左旋位错实测及照片 Fig. 4Sinistral offset of the terrace T2 (a and b) and T3 (c and d) along the Dangjiang segment

(a)石垄被左旋位错~1.7m;(b)大冲沟西侧低漫滩边界左旋位错~1.3m;(c)高漫滩被左旋位错~1.7m;
(d)现代小水沟被左旋位错~1.7m;(e)现代小水沟被左旋位错~1.4m;(f)年轻冲沟被左旋位错~1.7m;
(g)年轻冲沟被左旋位错~2.0m;(h)年轻冲沟被左旋位错~2.1m(可能为该次破裂事件的最大同震水平位移)
图 5 当江段地表破裂遗迹实测同震位移 Fig. 5Measured co-seismic horizontal displacements of the surface ruptures along the Dangjiang segment
表1 当江段地表破裂带实测同震水平位错量列表 Table 1 List of measured co-seismic horizontal displacements of the surface ruptures along the Dangjiang segment

在立新乡西(33.606°N,96.017°E)跨断层开挖了2个探槽(具体位置见图2a),其中西侧探槽(LX1,图6b)贯穿整个地表形变带,东侧探槽(LX2,图6c)位于其最新破裂带部位。两个探槽揭示了类似的断层断错(或变形)及构造楔发育现象,据此识别出4次古地震事件。事件E1:单元U3被断错,之后楔状地层单元U4形成,并被U5所覆盖;事件E2:单元U5发生变形(局部见较小位错),且其变形程度明显大于其上覆地层,事件发生后楔状地层单元U6形成;事件E3:U6被断错或发生变形,形成小地堑,之后U7堆积于该小地堑内;事件E4:地表草皮层U8被断错。


(a)探槽开挖点照片。红色箭头指示地表形变带位置。(b)探槽LX1西壁。(c)探槽LX2西壁。红色线条指示断层(虚线为推测),黑色线条指示地层单元界线,U代表地层单元编号,紫色小矩形及标注表示年代样品位置及测试结果,由中国地震局地质研究所测定。U1:砂砾石层,砾径多在5–15cm,砾石多呈扁平、次棱角状;U2:含少量砾石粘土层,砾石磨圆较差;U3:浅黄绿色砂质粘土,偶见砾石;U4:黄褐色含砾砂质粘土,砾石含量较多,砾径略大,砾石排列层理明显,总体呈楔状;U5:土黄色粘土质砂层,含少量小砾石;U6:黑色泥炭层,具有明显的变形迹象;U7:灰褐色含粘土砂层;U8:灰黑色草皮层
图 6 立新乡探槽剖面照片拼接及解译 Fig. 6Stiching and interpretting of trenches at the site of Lixin town

于西侧探槽西壁U5中采集到泥炭样品,年龄测试结果为2210±65a B.P.。该单元沉积以来可能发生了3次地震事件,最新一次事件E4断错地表草皮层,局部自由面仍保留完好,说明事件E4发生的年代较新,可能与历史地震破裂有关。

3 讨论
3.1 1738年地震发震构造

历史记录显示1738年地震的影响范围较大,震中(33.3°N,96.6°E)烈度为Ⅶ度,造成安图司、固察司、隆布司、扎武三司、玉树司(一、二、三、四司)、尼牙木错司、典巴司、称多司十一族共105户有人员受伤,全伤亡无存者44户,尚可成户者49户,拉尔吉司、列玉司、叶尔吉司亦遭破坏。根据史料绘制的该次地震的Ⅵ度等震线长轴方向呈北西向(国家地震局地球物理研究所等,1990;袁道阳等,2012)。与2010年玉树MS7.1级地震相比,1738年地震影响范围整体偏向西北方向(图7)。


1:1738年地震VI度等震线(据国家地震局地球物理研究所等(1990)和袁道阳等(2012);2:2010年玉树MS7.1级地震VI度等震线;3:甘孜-玉树-鲜水河断裂;4:其它断裂;5:当江段地表破裂带;6:1973年炉霍M7.6级地震地表破裂带(蜀水,1974;唐荣昌等,1976;Deng等,1986;李天袑等,1989;Xu等,1996);7:2010年玉树MS7.1级地震地表破裂带(陈立春等,2010;孙鑫喆等,2012)。带下划线文字为历史地名
图 7 几个历史地震地表破裂带分布图 Fig. 7Distribution of surface ruptures of 1738 AD, 1973 AD and 2010 AD earthquakes

当江段地表破裂遗迹至今保存非常完整连续,局部陡坎自由面、地震鼓包等仍保留完好,多处发现现代小水沟发生左旋位错。跨该地表破裂的立新乡探槽揭示古地震期次虽然存在一定不确定性,但至少可以确定较新的三次古地震事件发生在2210±65 a B.P.以来,且最新事件断错了地表草皮层。这些均说明该地表破裂遗迹应与发生时代较新的历史地震破裂有关。经与中国地震局玉树地震科学考察队玉树段考察小组成员内部交流,沿玉树段的古地震分析结果显示,2010年玉树地震之前一次事件的年代与公元1738年相差较大。而且,比起玉树段,1738年地震Ⅵ度等震线的空间位置与当江段地表破裂遗迹对应更好(图7)。

综合以上讨论,结合前文对当江段地表破裂遗迹的调查,认为1738年地震的发震构造应为甘孜-玉树断裂的当江段,同震地表破裂长度约为75km,最大同震左旋水平位移约2.1m。

3.2 1738年地震震级

从同震位移来看,2010年玉树MS7.1级地震最大同震水平位移约为1.8m(陈立春等,2010)或2.4m(孙鑫喆等,2012),其邻区的同样为典型走滑活动性质的鲜水河断裂带上的1973年炉霍M7.6级地震的最大同震水平位移为约3.6m(蜀水,1974;唐荣昌等,1976;Deng等,1986;李天袑等,1989;Xu等,1996),而当江段地表破裂遗迹最大同震位移约2.1m(图5h);从同震地表破裂长度来看,2010年玉树地震同震地表破裂带由分别长约31km和15km的两段次级破裂带组成(图7)(孙鑫喆等,2012;陈立春等,2010),1973年炉霍地震地表破裂带长度约90km(图7)(蜀水,1974;唐荣昌等,1976;Deng等,1986;李天袑等,1989;Xu等,1996),1738年地震的地表破裂长度(约75km)介于二者之间;从地震影响范围看,1738年地震VI度等震线范围明显大于2010年玉树地震(图7)。综上所述,1738年玉树西北地震的震级可能略大于2010年玉树地震,而略小于1973年炉霍地震,即在7.1—7.6级之间。

前人通过统计建立了一系列走滑断裂地震地表破裂参数与震级强度之间的经验关系公式(King等,1968;冉勇康等,1990;邓起东等,1992;Wells等,1994),刘静等(1996)通过分析发现同时使用破裂长度(L)和最大同震位移(D)的经验公式对震级(M)进行统计,其系数更收敛、稳定。因此这里选择同时使用破裂长度和最大同震位移建立的几个经验公式(见表2),利用本次调查结果(L=75km,D=2.1m),估算了1738年地震的震级(表2),6个估算结果比较接近,震级在7.2—7.5之间,且与震例类比结果一致。

如引言所述,周荣军等(1997)和袁道阳等(2012)建议将1738年地震的震级修订为71/2,考虑震级估算方法的误差,本文结果与该建议较为吻合,故本文亦支持将该次地震的震级修订为71/2级。

表2 根据地表破裂参数估算走滑断层型地震震级经验公式及1738年地震震级估算结果 Table 2 Empirical formulas for estimating the magnitude of strike-slip earthquakes based on the parameters of surface ruptures and estimate result of 1738 AD earthquake
3.3 甘孜-玉树断裂破裂空段

前人研究显示,甘孜-玉树断裂各个段落的大地震复发间隔最小不足300年(270—680年之间)(闻学泽等,2003;陈立春等,2010;Lin等,2011)。而从历史文字记载的甘孜-玉树断裂上发生的破坏性地震的破裂分布显示(图1b),玉树段隆宝镇以西长近50km的段落在近300年来没有破裂事件发生,按照震例统计经验(King等,1968;冉勇康等,1990;邓起东等,1992;Wells等,1994;刘静等,1996),该空段有足够能力孕育7级左右破坏性强震,从破裂空段和地震周期复发角度分析该段未来存在大震危险。另外,根据本次当江段地表破裂带的调查,最大同震位移为约2.1m,结合前人关于该段滑动速率的估计(7.3±0.6mm/a)(周荣军等,1997),估算其地震复发间隔为290±24a,即使该段在1738年发生破裂事件,其离逝时间(277年)也已经接近其复发间隔,未来大震危险性仍较高。

4 结论

影像解译和野外地质调查显示,甘孜-玉树断裂当江段至今保留完好的地表破裂遗迹以左旋走滑断错为主,从该破裂带局部仍保留自由面、断错地表草皮层、探槽古地震及测年等证据揭示该地表破裂遗迹时代较新,同时与根据史料勾绘的1738年玉树西北地震的等震线图范围较为吻合,即该地表破裂带在空间和时间上均与历史记录的公元1738年地震对应较好,应为该次地震的同震地表破裂,调查显示其长度约75km,最大水平位移约2.1m。结合震例对比和经验公式计算得到1738年事件的震级约在7.1—7.6之间,支持将其震级修订为71/2的建议。沿甘孜-玉树断裂的历史地震破裂分布显示,玉树段在隆宝镇以西存在长近50km的破裂空段,未来存在发生7级左右破坏性地震的危险;当江段距上次地震(1738年地震)的时间可能已经接近其大地震复发周期,未来也存在大震危险。

致谢:感谢徐锡伟研究员在野外关于地表破裂遗迹的判定及对探槽古地震事件的分析提出的宝贵意见。

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