引用本文
姚远, 李涛, 刘奇, 邸宁. 2020年1月19日新疆伽师 MW6.0地震震中区地质灾害特点 [J]. 地震地质, 2021,43(2): 410-429.
YAO Yuan, LI Tao, LIU Qi, DI Ning. CHARACTERISTICS OF GEOLOGICAL HAZARDS IN THE EPICENTER OF THE JIASHI MW6.0 EARTHQUAKE ON JANUARY 19, 2020 [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2021,43(2): 410-429.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2021.02.010
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2020年1月19日新疆伽师 MW6.0地震震中区地质灾害特点
姚远1,2,3), 李涛1,3), 刘奇3), 邸宁3)
1)新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站, 北京 100029
2)中国地震局乌鲁木齐中亚研究所, 乌鲁木齐 830000
3)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

〔作者简介〕 姚远, 男, 1988年生, 2012年于中国地质大学(武汉)获地质工程专业硕士学位, 副研究员, 现主要从事新构造、 活动构造研究, 电话: 0991-3853817, E-mail: yy8096658@126.com。

收稿日期: 2020-09-21 修回日期: 2021-01-04
基金项目: 中国地震局地震科技星火计划项目(XH20067)、 中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA2001)和国家自然科学基金(41874015)共同资助
摘要

2020年1月19日新疆伽师 MW6.0地震发生在南天山柯坪塔格前陆冲断带前缘的柯坪逆断裂(KPT)上, 是该区域自2003年巴楚-伽师 MW6.3地震后发生的最大地震。 震后对震区进行了详细的实地调查、 测量和无人机航拍, 在极震区(Ⅷ度区)内发现了大量地震地质灾害, 主要包括地裂缝、 砂土液化和崩塌等。 文中对震区的4个观察点进行了总结, 并描述了地质灾害的特征: 1)在西克尔互通立交(观察点1)区域内发育了大量纵横交错的地裂缝, 对这部分地裂缝进行统计发现, 其优势走向为NEE, SN向挤压抬升量为0.1~0.15m, 水平位错量为0.05~0.1m; 2)地震对西克尔大坝(观察点2)造成了严重的破坏, 在坝顶形成最大深度为4m、 长约900m的拉张性地裂缝, 坝后也出现一系列砂土液化, 喷砂锥的最大直径达3m; 3)西克尔库勒镇以西(观察点3), 路面上发育了多段与公路平行、 长约500m的地裂缝, 同时沿地裂缝出现大面积砂土液化, 液化物质为灰褐色泥质粉砂; 4)震中北部山口沟(观察点4)沿线发育了一系列大型、 巨型的新鲜岩质崩塌, 最大单体崩塌物的体积为50~100m3, 最大崩塌倒石堆的范围为200~300m2。 综合分析上述资料发现, 由于观察点4位于KPT上盘, 在震后未能及时对该观察点进行调查, 导致2020年1月19日伽师 MW6.0地震北部的烈度影响范围被低估, 尤其是Ⅷ度圈。 结合现场调查和数值模拟分析西克尔大坝的破坏机理, 认为坝后的砂土液化导致坝基出现不均匀沉降, 使得坝前坡和坝后坡出现了不等的水平位移(坝前坡为22.35cm, 坝后坡为29.8cm), 导致大坝向下游方向旋转, 故在坝顶形成了拉张性的贯通地裂缝。

关键词: 2020年伽师地震; 地震地质灾害; 分布特征; 叠加效应
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2021)02-0410-20
CHARACTERISTICS OF GEOLOGICAL HAZARDS IN THE EPICENTER OF THE JIASHI MW6.0 EARTHQUAKE ON JANUARY 19, 2020
YAO Yuan1,2,3), LI Tao1,3), LIU Qi3), DI Ning3)
1)Xinjiang Pamir Intracontinental Subduction National Field Observation and Research Station, Beijing 100029, China
2)Urumqi Institute of Central Asia Earthquake, China Earthquake Administration, Urumqi 830000, China
3)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

On January 19, 2020, an MW6.0 earthquake occurred in Xikeer town, Xinjiang, northwest China. This earthquake was another strong earthquake event that occurred on the Kepingtage fold-and-thrust belt(FTB)after the 2003 Bachu-Jiashi MW6.3 earthquake. The Kepingtage FTB is bounded by the southern Tian Shan area to the north and the Tarim Basin to the south. The Kepingtage FTB is ~300km long from east to west and 60~140km wide from north to south. It is composed of a series of monoclinal or anticlinal mountains(fold-and-thrust)with a near east-west direction and parallel distribution. Combined with the focal mechanism, seismic reflection profiles, and interferometric synthetic aperture radar coseismic deformation, we can reveal the seismogenic structure of this earthquake. The Jiashi event was mainly of a horizontal compression movement; the slip distribution was concentrated at a depth of 4~6km, and the fault-slip angle was~15°. Our results show that the seismogenic structure of the Jiashi event is the Keping thrust fault at the leading edge of the Kepingtage FTB. We carried out detailed field surveys, measurements, and drone aerial photography of the earthquake area after the earthquake. In the magistoseismic area(Ⅷ degrees), a lot of seismic geological disasters were found, including ground fissures, sand liquefaction, and collapse. This paper summarizes and describes the characteristics of geological hazards from four observation points. In observation point 1, a large area of ground fissures were developed in the area of Xikeer overpass. According to the statistics of ground fissures of this area, the dominant direction of the ground fissures is NEE, the south-north extrusion uplift is 0.1~0.15m, and the horizontal displacement is 0.05~0.1m. In observation point 2, the earthquake caused serious damage to the Xikeer dam, creating the tensile fissures at the dam crest, with a maximum depth of 4m and a maximum length of 900m. In observation point 3, a series of ground fissures were observed parallel to the road in the west of Xikeer town, and the length of ground fissures is~500m. A large area of sand liquefaction developed along the ground fissures, and the liquefied material was gray brown argillaceous silty. In observation point 4, a series of large and huge fresh rock collapses developed in the Shankou gully north of the epicenter. The largest single collapse is 50~100m3, and the largest collapse range is about 200~300m2. According to the field investigation and dynamic calculation results, the maximum horizontal deformation is 29.8cm, located downstream of the dam crest. The horizontal deformation upstream of the dam crest is 22.35cm. Because of the sand liquefaction that occurred behind the dam, local settling of the foundation behind the dam also occurred. The horizontal deformation upstream and downstream of the dam crest are inconsistent, which produced the longitudinal fissures on the dam crest. We collected a large amount of strong-motion earthquakes data from the 2020 Jiashi earthquake. By combining the fault strike and upper and lower wall effects, the PGAs of the foreshock, main shock, and aftershocks were fitted, and isoseismal lines were generated. The Xikeer dam is located at the region where the vibration intensity of the Jiashi event was the highest. The effects of the aftershocks were also superimposed mainly in this area. Notably, sand liquefaction and most of the fissures were caused by the main shock, while the aftershocks( MS>4.0)exacerbated this damage. However, in this study, we could only determine the extent of the damage caused by the main shock, because our detailed field investigation and drilling were conducted in April 2020, after the main shock and aftershocks.

Keyword: The 2020 MW6.0 Jiashi earthquake; seismic geological hazard; distribution characteristics; superposition effect
0 引言

同震地质灾害主要包括滑坡、 崩塌、 泥石流、 地裂缝、 砂土液化和海啸等形式, 是地震灾害最直接的表现, 通常也是造成人员伤亡和财产损失的最主要因素。 1964年新滹MW7.5地震(Iwasaki, 1986)、 1964年美国阿拉斯加M9.2地震(Seed, 1968)、 1999年MW7.5集集地震(Lin et al., 1999; Wang et al., 2003)、 2008年汶川MS8.0地震(殷跃平, 2008; 许冲等, 2009, 2010; 袁晓铭等, 2009)、 2010年青海玉树MS7.1地震(殷跃平等, 2010)和2016年阿克陶MW6.6地震(姚远等, 2018; Yao et al., 2019)等均在极震区造成了大面积地震地质灾害, 形成了大量潜在的地质灾害区。 值得一提的是, 地震烈度越大, 则地震地质灾害发生的范围越广、 程度越强。 因此, 震后开展地震地质灾害分布情况的调查和确定潜在灾害风险区域是目前地震现场评估的一项重要工作。

2020年1月19日, 在中国西北部新疆维吾尔自治区的伽师县西克尔库勒镇发生了MW6.0地震①(①https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us60007anp/executive。)(美国地质调查局(USGS))(图 1), 本地和全球的地震台站都记录到了这次地震, 震中位于(39.83° N, 77.21° E) ②(②http://news.ceic.ac.cn/CC20200119212755.html。) (中国地震台网中心(CENC))(图 1)。 距离震中最近的西克尔强震台(震中以东约13.7km)记录到了最大的峰值加速度, 为633.3gal(垂直向), 这也是新疆强震台网建立以来记录到的最大峰值加速度值(李文倩等, 2020)。 USGS和CENC给出的震源机制解都反映出本次地震是一次由逆冲断层活动引起的地震。 1997— 1998年伽师县的东北侧发生了伽师强震群, 该强震群包括MS≥ 6.0地震9次、 MS≥ 5.0地震若干次(高国英等, 1997; 赖院根等, 2002; 赵翠萍, 2006); 2003年在伽师县东北部又发生了一次MW6.3地震(图 1)。 2020年发生的伽师地震是继巴楚-伽师地震后的又一次强震。 幸运的是, 震中距离人口密集地区较远, 加之多年以来富民安居工程的推广, 并未造成大范围的人员伤亡和财产损失。

图 1 南天山柯坪塔格前陆冲断带的DEM影像、 主要构造及地震
地震目录和震源机制解来自于中国地震台网中心1990— 2020年的地震目录。 KPT 柯坪逆断裂; AZT 奥兹格尔塔乌逆断裂; TAT 塔塔埃尔塔格逆断裂; KFT 科克布克山前断裂; YMT 衣木干他乌逆断裂; AYT 奥衣布拉克逆断裂; PFT 皮羌山前断裂; PQF 皮羌断裂; KKTM A 科克塔乌背斜; MTL A 木图勒背斜; ATS A 阿图什背斜Fig. 1 Digital elevation model(DEM, 30m), structures and historical earthquakes in the Kepingtage fold-and-thrust belt.

伽师地震发生后, 中国地震局和新疆地震局立即启动了Ⅱ 级响应, 组织并调动专业技术人员赶赴灾区, 进行地震烈度评定、 灾害损失评估和地震地质科学考察工作。 作者作为烈度评定和科考小组主要成员参与了本次地震的现场科学考察工作, 本文即总结了该次现场工作和科学考察的主要成果。

1 构造背景

远离板块边界(距离为1 000~2 000km)的天山是世界上最年轻的陆内造山带之一, 也是中亚地震活动最为频繁而强烈的地区。 横跨天山西段的最新GPS测量结果表明, 其现今地壳缩短速率为19~20mm/a(Abdrakhmatov et al., 1996; Wang et al., 2000), 几乎是印度板块现今向N推挤速率的一半。 不少学者认为天山的内陆变形是印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应所致(Avouac et al., 1993; Hendfix et al., 1994; 张培震等, 1996; Burchfiel et al., 1999; 陈杰等, 2000; 邓起东等, 2000)。 地质学和地震学的研究表明, 晚新生代以来天山主要以挤压构造变形为主, 变形主要被南北天山山前EW走向的逆断裂-褶皱带吸收。 柯坪塔格推覆构造就是南天山新构造运动与变形最强烈的地区之一, 该区域的GPS测量速率约为20mm/a(李杰, 2012), 且强震频发, 1997— 1998年发生了伽师强震群(9次MS≥ 6.0地震和若干次MS≥ 5.0地震), 2003年发生了巴楚-伽师MW6.3地震。 这种在同一地区短时间连续发生强震的震群活动是大陆地区未曾有过的, 也是20世纪罕见的板内地震现象。

柯坪塔格褶皱逆冲带(fold-and-thrust belt, FTB)位于南天山和塔里木盆地之间, 是两者的分界构造, 其EW长约300km, SN宽60~140km, 由多排近EW走向、 平行展布的由北向南逆冲推覆、 前展式的单斜山或背斜山系(推覆体)构成, 其中皮羌断裂(PQF)将柯坪塔格推覆构造分为东、 西2部分(图 1)。 在纵向上, PQF以西由自北向南逆冲的科克布克山前断裂(KFT)、 奥兹格尔塔乌断裂(AZT)和柯坪断裂(KPT)3排逆冲推覆组成; PQF以东由自北向南逆冲的皮羌山前断裂(PFT)、 阿布拉依布拉克断裂(AYT)、 衣木干他乌断裂(YMT)、 塔塔埃尔塔格断裂(TAT)和柯坪断裂(KPT)5排逆冲推覆组成(杨晓平等, 2006; Li et al., 2020)(图 1)。 柯坪塔格推覆体出露的地层主要为古生界寒武系(∈ )、 奥陶系(O)、 志留系(S)、 泥盆系(D)、 石炭系(C)、 二叠系(P)、 古近系(E)、 新近系(N)和第四系(Q), 其中寒武系、 奥陶系、 志留系、 泥盆系之间为整合或者平行不整合接触, 褶皱发育区域缺失中生代地层, 第四纪下更新统( QP1)西域组砾岩不整合覆盖在下伏地层之上(Yin et al., 1998; Heermance et al., 2008; Thompson et al., 2015, 2018)。

1.1 2020年伽师地震的发震构造

伽师地震的震源机制解、 余震精定位分布以及InSAR同震形变场显示, 地震引起的同震形变分布在柯坪塔格FTB的南缘, 主要集中在KPT和AZT之间的褶皱带内(图 2a), 运动性质主要为垂直压缩变形, 同震变形滑动主要集中在4~6km深度内, 这与USGS给出的震源深度(5.6± 3)km近似。 USGS给出的震源机制解的断层倾角为9° , 地震反射剖面解译得到的KPT的倾角为15° 。 综合分析以上数据可知, 由震源机制解获得的发震深度、 断层倾角和InSAR反演以及地震反射剖面解译的结果高度一致, 故认为伽师地震的发震构造是位于柯坪塔格FTB最前缘(南端)的KPT, 即低角度的逆冲断层(图 2b)(Yao et al., 2020)。

图 2 a 柯坪逆断裂的地质构造图; b 地质剖面Fig. 2 Geological structure map of the KPT and AZT(a), and the cross-section showing the Kalpin thrust system and stratigraphy(b).

前人结合地震剖面和地表地质研究(Yin et al., 1998; Allen et al., 1999; 邓起东等, 2000; 刘启元等, 2000; 张先康等, 2002)表明, 柯坪塔格FTB内的断裂均为近EW— NEE走向的向S或SSE逆冲的上陡下缓的 “ 铲式” 逆断裂, 向深部归并于6~10km深处的寒武系含泥质岩和碳酸盐岩(石膏层)基底滑脱面(Allen et al., 1999)。

1.2 1997— 1998年伽师强震群和2003年巴楚-伽师地震的发震构造

本次地震震中附近历史上曾发生过数次中强地震, 如1902年阿图什8.2级地震、 1997年1月21日— 1998年8月发生的9次MS6以上强震和2003年巴楚-伽师边界的MW6.3地震(图 1), 其中1997— 1998年伽师强震群和2003年巴楚-伽师地震最为强烈、 造成的损失最为严重。 周仕勇等(2001)通过对强震群的精定位推断1997— 1998年伽师强震群的震源可能为NNW向的发震构造。 结合基于联合反演技术得到的地震震源位置和地震区三维地壳速度结构分析认为, 强震区存在2个深断裂带, 其走向分别为NNE和NNW, 这2条断裂带是这次强震群的发震断裂(李松林等, 2002)。 根据流动台阵记录得到小地震精定位结果显示, 余震沿NEE向展布, 发震断裂可能是一条NEE走向的断裂(郭飙等, 2002)。 综合以上研究成果可知, 1997— 1998年伽师强震群的发震构造呈NW和NE走向, 震源深度集中在20~30km(潘素珍等, 2004)。

2003年巴楚-伽师MW6.3地震的震中位于伽师强震群的东部(图 1), 沈军等(2006)通过卫星影像、 地形资料结合震区附近的石油物探深度剖面, 对该区的深部构造特征进行了分析, 认为巴楚-伽师地震的发震构造是一条隐伏断裂带, 其为NWW走向的N倾盲逆断层, 地震破裂由NW向SE、 由深部向浅部扩展至近地表; 利用双差定位方法对主震和余震进行重新定位, 分析认为该地震及其余震的震源深度主要分布于15~25km的脆性中地壳层。

前人的研究成果显示, 上述2次强震(群)均发生在柯坪塔格FTB南部的塔里木盆地内, 在该区的地表未发现任何断层活动的遗迹, 断层属于隐伏状态。

2 地震地质灾害

根据地震精定位结果, 结合现场调查情况, 发现本次地震造成的地质灾害都集中在极震区(Ⅷ 度区), 主要包括地裂缝、 砂土液化和崩塌。 为了更好地体现出地质灾害的特征, 我们设置了4个野外观察点, 以便更加清楚地表述地震地质灾害的分布特征和破坏模式。

2.1 观察点1

该观察点位于极震区内喀麦高速上的西克尔互通立交附近(图 2a, 3a), 位于震中东部约25km, 其北部为KPT, 南部为塔里木盆地, 处于山盆交界的冲、 洪积扇上。 在该观察点内, 地震地质灾害主要为地震时产生的地裂缝, 这些地裂缝断错了高速公路的硬化路面(图 3c, d), 具有清晰的水平和挤压特征, 且在原始的洪积扇面上也分布了大量细小的地裂缝(图 3e, f)。

图 3 观察点1的地裂缝特征及统计
a 观察点1的无人机影像及地裂缝解译图; b 地裂缝优势走向的玫瑰花图; c 公路路面被挤压和水平位错破坏; d 高速公路路面被SN向挤压隆升; e 原始地貌面上的细小地裂缝; f 洪积扇上呈拉张性质的地裂缝Fig. 3 The characteristics and statistical analysis of ground fissures in observation point 1.

为了清楚地调查这些地裂缝的分布特征, 我们使用无人机对观察点1进行了航拍(图 3a)。 基于无人机高分辨率的影像, 在原始地面上发现大量杂乱无章、 无法辨识主次的地裂缝, 裂缝宽度(1~2cm)相近, 但延伸距离较长(50~100m)。 由于硬化路面属于刚性结构, 因此发育在其上的地裂缝的运动学特征尤其明显(图 3c, d)。 对这部分地裂缝进行了详细的测量、 统计和描述, 按照运动学性质将其分为走滑和挤压2种, 按照运动方向可分为EW向和SN向。 观察点1内地裂缝的主要走向为23° (图 3b), 即NEE向, 这也与KPT的走向相近。 SN向地裂缝的运动性质主要为走滑, 兼具一定的挤压分量, 最大右旋走滑量为0.1m(图 3c, 利用路面上的白色标线作为标志物); EW向地裂缝的运动性质主要为SN向挤压, 最大抬升量为0.15~0.20m(图 3d)。

2.2 观察点2

该观察点位于西克尔库勒镇和西克尔水库区域内, 该区的地震地质灾害类型主要为砂土液化和地裂缝(图 4a)。 根据地裂缝的分布位置可将其分为西克尔大坝地裂缝和国道上发育的地裂缝。

2.2.1 地裂缝

地震发生后, 我们对西克尔大坝进行了详细的野外调查, 共发现了10段不连续的纵向(SN向)裂缝(图 4a, b, c, 表1): G4位于坝前坡, G6、 G7位于坝后坡, 其余均位于坝顶中部, 裂缝的最大宽度为5cm。 开挖探槽对G5进行详细调查, 为准确查明裂缝的深度, 在开挖探槽前, 将石灰液体倒入地裂缝内; 开挖后, 发现石灰的最大深度为4.0m(图 4b), 据此判定G5地裂缝的最大深度为4m。 该地裂缝两侧呈锯齿状(图 4c), 未见水平错动, 属拉张性质裂缝。

图 4 观察点2的地裂缝和砂土液化特征
a 观察点2的地裂缝和砂土液化分布特征; b 在西克尔大坝坝顶G5地裂缝开挖探槽所揭露的最大深度为4m; c 大坝坝顶G5地裂缝的延伸特征; d L4砂土液化喷砂口呈串珠状分布; e 最大的L3砂土液化喷砂锥, 直径约为3m; f 西克尔库勒镇西侧国道上的地裂缝特征; h 西克尔库勒镇EW向挤压的地裂缝特征Fig. 4 The characteristics of ground fissures and sand liquefaction in the observation point 2.

G6和G7位于坝后新铺设的盖重处, 宽12~15m, 高1.0~1.5m, 边坡坡比为1︰1.5~1︰1.75, 主要由含砾粉土组成, 盖重碾压不密实, 且在盖重坡脚处连续分布低洼坑, 坑深0.5~0.8m, 其内多有积水。 震后盖重边坡发生了滑动, 使得2~5m的范围内产生了多条平行分布的纵向裂缝, 裂缝宽0.3~1cm。 各纵向裂缝的分布位置、 长度及特征见表1。

表1 西克尔大坝的地裂缝分布特征 Table 1 Characteristics of ground fissures distributed on the Xikeer reservoir dam

国道上发育的地裂缝以挤压性质为主, 裂缝的总体走向为SN向(图 4f, h), 主要发育在硬化路面上, 而国道两侧路基及原始地面上的裂缝痕迹则很少, 这是由于刚性的硬化路面不能很好地吸收挤压变形量, 导致路面被挤压破裂。

2.2.2 砂土液化

主要对坝后约300m范围内的区域进行了详细调查。 坝后分布较多低洼积水坑, 分布范围较大, 植被茂密。 仅在坝后5~700m的范围内发现了4处中— 小型砂土液化现象(图 4a)。

L1: 在坝后盖重中部距离坝体约10m处发现1处砂土液化现象, 喷砂锥直径约为0.4m, 涉及面积约为10m2。 喷出物质以灰褐色、 黄褐色粉砂、 粉土为主。

L2: 位于坝后10m处, 属于小型砂土液化现象, 以震后孔隙水溢出形式为主, 喷出物质为黄褐色粉砂、 粉土为主, 无细砂物质。

L3: 位于主坝坝后700m处的低洼区域, 地表有强烈的盐碱化特征, 在这里发现了大面积砂土液化现象。 共有9处大小不一的喷砂锥, 其中7处喷砂锥的直径< 0.3m, 2个直径> 1.0m, 最大的喷砂锥直径约为3m(图 4e), 最小的约为0.1m, 总体涉及面积约为500m2。 喷出物质以灰褐色、 灰色粉砂为主。

L4: 该液化点位于坝后约5m处, 为串珠状分布的小型砂土液化现象(图 4d), 震后以孔隙水溢出形式为主, 持续时间较长, 喷出物质以灰褐色粉砂为主(图 4d)。 在震后1d(2020年1月20日)的现场调查中发现, 该液化点局部还有微量涌水现象。

2.3 观察点3

该观察点位于西克尔库勒镇西约3km处, 距离震中约10km, 是距离震中最近的观察点。 该区域的地震地质灾害也较为严重, 同时也发育与前文所述其他2个观察点类型不同的地震地质灾害(图 5a)。

图 5 观察点3的地裂缝与砂土液化的分布与形成特征
a 观察点3的地形地貌和地质灾害分布; b 沿公路平行分布的地裂缝, 总体走向近EW; c 图b中的地裂缝, 宽约3cm; d 图b中的地裂缝, 最大深度约为33cm; e、 f 沿路面地裂缝涌出的液化砂土, 涌出物质为灰褐色泥质粉砂Fig. 5 The characteristics of ground fissures and sand liquefaction in the observation point 3.

现场调查发现沿314国道发育了大面积地裂缝, 裂缝与国道呈平行展布, 以S向拉张性质为主, 未发现明显的水平位错痕迹(图 5b)。 裂缝宽约3cm(图 5c), 深约33cm(图 5d), 延伸长度多数为100~200m, 其中最大为500m。 国道南侧为克孜勒河湿地, 在该段还具有较高的路基填筑土, 这可能是导致道路出现大面积地裂缝的原因之一。

在该观察点还存在另一种形式的地震地质灾害, 即液化砂土沿地裂缝涌出(图 5e, f), 在2016年的阿克陶地震后也发现过这种类型的地质灾害(姚远等, 2018; Yao et al., 2019)。 震后第2d(2020年1月20日)调查该区域时, 发现路面上的地裂缝有灰褐色泥质粉砂涌出, 部分已经干涸(图 5e), 但多数仍湿润, 说明在震后较长时间内仍有物质沿裂缝涌出。 现场调查发现图 5f中的地裂缝仍在缓慢地向外涌出灰褐色泥质粉砂。

2.4 观察点4

该观察点呈线状分布。 调查组由柯坪塔格FTB南翼的大山口进入(图 2a), 沿山口沟向E开展野外调查工作, 地震发生时为冬季, 无法进入该区域, 本文所述工作于2020年10月进行。 该观察点位于柯坪塔格FTB内、 KPT的北翼, 在山口沟及两侧的支沟内发现了大量新鲜的大型、 巨型基岩崩塌(图 6a), 属于岩崩。 结合地质图和现场调查分析认为这些基岩崩塌主要为古新世和中新世的砖红色、 苍棕色砂岩、 粉砂岩和泥岩(图 2a)。

图 6 观察点4地震崩塌的分布点和调查路线
a 观察点4崩塌的分布位置和调查线路; b 顺地层产状的中型岩石崩塌, 最大崩塌物约为20m3; c 切地层发育的岩石崩塌, 地层为红褐色粉砂质泥岩; d 切层产状的巨型岩石崩塌, 崩塌物约为50m3; e 切层产状的巨型岩石崩塌, 可见到较新鲜的崩塌面, 最大崩塌物约为100m3Fig. 6 The distribution of earthquake caused collapse sites and survey lines in observation point 4.

在调查中发现崩塌包括顺层发育(图 6b)和切层发育(图 6c— e)2种类型, 本次野外调查仅在大山口附近发现了少量顺层崩塌(图 6b), 根据崩塌面的新鲜程度和崩塌物被水流的侵蚀程度判断, 该崩塌形成于震时或震后, 最大的崩塌物体积约为20m3, 崩塌倒石堆占地面积约为100m2。 图 6c— e为切层崩塌, 部分巨型崩塌将冲沟堵塞(图 6d, e), 从冲沟的形态和沟底沉积物特征判断该冲沟为季节性流水, 而在崩塌物的表面未发现明显的侵蚀、 冲刷痕迹, 故认为该崩塌发育在震时或震后, 这些巨型崩塌物单体体积为50~100m3, 崩塌倒石堆的体积为200~300m2。

必须要说明的是, 虽然目前能够判断山口沟内一线的崩塌是2020年最新塌落的, 但无法确认这些崩塌是在伽师地震发生时同步塌落的, 还是地震振动导致其临近塌落状态, 在春夏季节的降雨、 融雪等因素的作用下后期发生塌落。 不过, 在无振动作用下发育如此大面积的巨型岩石崩塌是不曾有过的, 因此无论是同震塌落还是地震振动导致其达到崩塌的临界值, 2020年伽师地震都是导致这一系列岩石发生崩塌的主要因素。

3 初步认识与讨论
3.1 地震地质灾害的分布特征

伽师地震是一次发生在柯坪塔格褶皱冲断带(FTB)前缘的地震事件, 地震的发震构造为柯坪塔格FTB最前缘(南端)的柯坪逆断裂, 该断裂是一条低角度的逆冲断裂, 倾角为20° ~40° 。 以InSAR反演的同震形变场、 地震反射剖面解译和余震精定位为约束(温少妍等, 2020; Yao et al., 2020), 发现本次地震未破裂至地表, 但强烈的主震和余震同样在地表造成了一系列地震地质灾害。

本次地震在高烈度区(Ⅷ 度)造成了砂土液化、 地裂缝和崩塌等地震地质灾害。 本文的3个地质灾害观察点(观察点1、 2、 3)位于Ⅷ 度区内, 观察点4沿线的一系列大型、 巨型崩塌也标志着其烈度达到了Ⅷ 度, 但由于地震时未能进入山口沟开展调查工作, 地震烈度的评定主要以山前一线房屋的破坏特征和地震地质灾害为依据, 这也导致目前的烈度圈(Ⅷ 度)北侧的范围被低估。 观察点1、 2、 3的地质灾害较为类似, 均是在地震的作用下生命线工程(公路、 水库等)出现了不同程度的破坏。 观察点1内分布了大量由地震形成的地裂缝, 根据地裂缝的走向可分为EW向和SN向, 优势方向为N23° E。 其中, EW向地裂缝主要以挤压为主, 而SN向地裂缝以挤压兼具少量的右旋走滑为主。 根据中国地震台网中心(CENC)给出的震源机制解分析出现该特征的原因: 震源机制解显示, 本次地震的活动特征为以逆冲为主, 兼具少量右旋走滑分量, 这与观察点1地裂缝的活动特征高度吻合。 观察点2的地震地质灾害主要发生在西克尔大坝上, 以砂土液化和大坝裂缝为主, 使得西克尔大坝出现了较为严重的损坏。 观察点1、 2、 3均位于山前洪积扇地带, 属于KPT的下盘, 根据逆断裂发震的上盘效应(彭磊, 2011; 何仲太等, 2012)可知, 其上盘造成的灾害应远大于下盘, 由于本次地震的上盘均位于柯坪塔格FTB内, 无建、 构筑物等相关设施, 因此很难评价其烈度。 但依据在山体内部发现的一系列新鲜的大型、 巨型崩塌估计, 该区域在地震时受到的振动远大于下盘(西克尔库勒镇), 也直接反映出KPT上盘的地震地质灾害规模明显强于下盘。 值得一提的是, 这些崩塌均位于震中的正北侧(图 2a), 沿调查点4线路继续向E调查未发现任何崩塌(图 6a), 其分布特征与InSAR反演的地震同震形变场和余震序列的特征完全一致(李成龙等; 2020; 温少妍等, 2020; Yao et al., 2020)。

3.2 西克尔大坝的破坏机理

大坝上发育的地裂缝是坝体最常见的地震破坏现象(Krinitzsky et al., 2002; Raghvendra et al., 2005), 几乎在所有存在溃坝风险或受损的高风险大坝上都观察到了这种地裂缝。 我们在西克尔大坝坝顶也发现了一系列纵向地裂缝, 其中大部分位于坝顶中段(图 4a— c)。 坝顶地裂缝长10~900m, 宽0.3~3m, 最大深度为4m(表1)。 此外, 坝后坡的纵向裂缝也多发育在坝顶附近, 但裂缝的宽度较小, 裂缝面交错分布, 无明显的水平运动痕迹, 属于拉张性地裂缝。

震后在大坝上开展了相关勘察工作, 发现15m以上的饱和粉土质砂和粉细砂均存在地震液化的可能, 具有中— 强透水性(图 7a)。 从坝基地层结构来看, 坝基8~10m以低液限的黏土和粉土组成, 具有较好的连续性, 属于弱透水层。 埋深在10m以下的粉细砂虽然有液化的可能, 但因上部的黏土阻隔无法溢出, 初步判定坝基下部的液化地层为8m以上的饱水粉细砂层。 地震时, 这套地层受地震影响, 砂土结构发生变化, 有效应力减小, 孔隙水压力增大, 而坝体属于弱透水性, 坝前坡较缓且库水位较高, 导致孔隙水压力无法及时释放, 而坝后地势低洼, 当孔隙水压力大于上覆土压力时局部薄弱地段的地下水溢出, 形成砂土液化现象, 这也就造成坝基土体的孔隙比减小, 使得坝后坡出现轻微沉降。 而坝前由于有库水的压重作用, 较难发生沉降, 因此坝前的水平运动量远小于坝后, 这也导致部分坝体向下游方向旋转, 并在坝顶出现一系列纵向拉张裂缝, 裂缝贯穿了整个坝体直至坝基(图 7b, c)。

图 7 西克尔大坝横断面图及大坝裂缝的破坏机理
a 西克尔大坝的实际横断面及钻孔。 深蓝线为伽师地震后1d(2020年1月20日)的水位, 浅蓝色的间断线为2020年4月11日的水位; b 大坝在地震后的状况, 包括大坝裂缝和砂土液化的位置; c 大坝地震后的平面图, 显示出大坝裂缝和砂土液化的平面位置Fig. 7 Cross-section diagram of Xikeer dam and failure mechanism of dam ground fissures.

为了更有效、 定量地分析坝体纵向裂缝的成因机制, 我们对大坝进行了动力学数值模拟(图 8a)。 动力学模拟结果表明, 震后坝后坡的最大水平位移(向E)为29.8cm, 而坝前坡的最大水平位移(向E)为22.35cm(图 8b)。 坝前坡和坝后坡的不均匀水平位移量导致坝体拉张开裂, 在坝顶形成了大面积纵向裂缝, 这也再一次印证了坝后的砂土液化导致坝后坡产生了更大的水平位移, 导致大坝开裂。

图 8 a 西克尔大坝的网格划分图; b 大坝的水平变形矢量图
a 模型中总节点数为1 069, 单元总数为1 003; b 变形矢量放大了10倍Fig. 8 Grid division map of the Xikeer dam, horizontal deformation vector diagram of the dam(b).

3.3 历史地震的叠加效应初探

西克尔水库始建于1958年, 1959年投入使用, 近60a来大量强震侵袭大坝, 并造成了多处破坏(表2)。 频繁的地震将对大坝造成明显的破坏(如裂缝和砂土液化等)或无法察觉的损坏。 对于单次地震而言, 这些无法察觉的损坏可能不会对大坝造成较大的影响。 但是, 正是这种无表象的损坏, 使得我们在震后疏于对大坝开展精细的调查。 此外, 频繁的地震作用将累积无法察觉的损坏, 最终在某次地震或其他灾害(如洪水、 超量降雨或鼠灾等)发生时造成大面积的破坏, 甚至导致溃坝(Chen et al., 2014)。

表2 历史地震对大坝造成的破坏 Table 2 Damages to the dam from historical earthquakes

我们汇总了1997— 2011年以来发生在伽师震区的所有MW> 5.0地震的地震烈度图, 并对其进行了叠加处理(图 9)。 从图中能够看出, 1997— 1998年的伽师强震群和2003年的巴楚-伽师地震(图 9 中1~9号地震)对西克尔大坝的影响均为Ⅵ 度, 这很好地解释了为何伽师强震群和巴楚-伽师地震震后在西克尔大坝上没有发现震害, 而2011年的MW5.6地震却对西克尔大坝造成了较严重的破坏, 导致大坝的部分段落出现了纵向裂缝, 裂缝的最大深度可达2m(表2)。 这对于建设在强震频发、 抗震设防烈度为Ⅷ 度的大坝而言显然是不应该出现的现象。 除场地条件不利的因素外, 最主要的原因是1997— 1998年和2003年频繁的中— 强(MW5~6)地震的叠加作用导致大坝出现了一些无法察觉的损坏。 2011年MW5.6地震震中距离大坝较近, 坝体位置的地震烈度为Ⅶ 度, 这也成为使得之前无法察觉的损坏发生级联破坏的 “ 导火索” , 最终对大坝造成了较为严重的破坏。

图 9 1997— 1998年伽师强震群、 2003年巴楚-伽师地震及2020年伽师的地震烈度叠加分析
不同颜色的线条代表不同地震的烈度, 玫红色底色为历次强震的烈度范围, 由宏观震中向外逐渐变淡发散, 以凸显历次强震的影响范围集中于西克尔大坝及南部区域Fig. 9 Superposition analysis of the intensity of the 1997— 1998 Jiashi strong earthquake swarm, the 2003 Bachu-Jiashi earthquake, and the 2020 Jiashi earthquake.

伽师地震的主震和余震的叠加作用, 造成了西克尔水库的大面积纵向裂缝和砂土液化现象。 值得一提的是, 砂土液化和大部分的裂缝都是由主震造成的, 大量中型余震(MS> 4.0)会使这些损坏更加严重。 但对于本次地震而言, 由于开展现场调查时主震和多数的余震均已发生, 故无法判断哪些破坏是由主震造成的, 哪些是由余震加大的。 在今后的地震现场调查、 评估中, 该方面的工作应该给予更多的关注和考虑。

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