摘要
2022年1月8日01时45分,青海省海北州门源县发生了Ms 6.9级强烈地震,震中位于青藏高原东北缘海原断裂带中西段的冷龙岭断裂附近。震后的野外现场考察表明,这次地震在海拔3500~4100 m的高原北部祁连山区形成了一系列由张裂隙、张剪裂隙、剪切裂隙、挤压鼓包和裂陷等多类型破裂雁行状组合而成的同震地表变形带,表现为左旋走滑运动性质,总长约27 km。破裂带呈NWW—SEE走向,可分为南北两支,北支沿冷龙岭断裂西段分布,南支沿托莱山断裂东端分布,与北支间隔3 km呈左阶雁行排列。根据破裂带的走向变化和阶区特征,可将破裂带分为三段:西段、中段和东段,与地表同震位移分布特征较为吻合。西段为破裂带的南支,呈N93°E走向,长约4.5 km,最大左行水平位错约85 cm;中段为北支破裂带西侧部分,主要呈N102°E走向,长约7.5 km,最大左行水平位错约3.7 m;东段为北支破裂带东侧部分,走向呈N110~120°E走向,长约15 km,最大左行水平位错约3.0 m。门源地震震级与地表破裂带分布规模和变形强度的对比,表明本次地震的震源深度较浅,可能远小于10 km深。这次门源地震的发震断裂为海原断裂带呈挤压弯曲部分的冷龙岭断裂,具有花状构造特征。由于本次地震余震向SE方向扩展,表明具有应力向东迁移趋势,因此,冷龙岭断裂东侧处在海原断裂带上1920年海原大地震与2022年门源地震之间地震空区的金强河、毛毛山和老虎山断裂未来强震危险性升高,需要重点关注。
Abstract
At 01:45 Am on January 8, 2022, a relatively strong Ms 6.9 earthquake occurred in Menyuan County, Haibei Prefecture, Qinghai Province, China. The epicenter was located near the Lenglongling fault, which is the central western segment of the Haiyuan fault zone, northeastern Qinghai-Tibet Plateau. Field investigation from the day after the earthquake showed that it produced a series of co-seismic surface ruptures in the plateau's mountainous area at an altitude of 3500~4100 m, with tension cracks, tensional-shear cracks, shear cracks, mole tracks and sags. The main rupture strikes NWW—SEE and is characterized by left-lateral strike-slip motion over a total length of ~27 km. The rupture zone is divided into two main branches: the northern and the southern branches. The northern branch follows the Lenglongling fault segment of the central and western Haiyuan fault, while the southern branch is located 3 km southwest of the northern branch's western terminus, following the Tuolaishan fault, thus forming a left-step with the northern branch. Such trending variation and step characteristics suggest that the rupture zone can be divided into three segments: western, central, and eastern segments, consistent with the distribution of surface co-seismic displacements. The N93°E-striking, ~4.5 km-long western segment, i.e., the southern branch of the rupture zone, displays a maximum horizontal offset of ~85±10 cm. The N102°E-striking, ~7.5 km-long central segment, i.e., the western part of the northern branch, has a maximum horizontal offset of 3.7±0.1 m. The N110°~120° E-striking, ~15 km-long, eastern segment, i.e., the eastern part of the northern branch, exhibits a maximum horizontal offset of ~3.0±0.3 m. The fact that such rather small earthquake magnitude produced such long surface rupture and impressive surface deformation implies that the focal depth of 2022 Menyuan earthquake may be much shallower than 10 km. Seismogenic fault of the 2022 seismic event is the Lenglongling fault, forming a compression bend with flower structure along the Haiyuan fault system. The southeastward spreading direction of the aftershocks related to the 2022 Menyuan earthquake suggest an eastward stress migration. Therefore, seismic hazard along the Jinqianghe, Maomaoshan, and Laohushan faults in east of the Lenglongling fault, has dramatically increased because they are lying in the seismic gap between the 1920 Haiyuan earthquake and the 2022 Menyuan earthquake.
关键词
门源Ms6.9地震
；
同震地表破裂
；
左旋走滑
；
海原断裂带
；
冷龙岭断裂
；
发震构造
；
青藏高原东北缘
Keywords
Menyuan Ms 6.9 earthquake
；
coseismic surface rupture
；
left-lateral strike-slip
；
Haiyuan fault zone
；
Lenglongling fault
；
seismogenic structure
；
northeastern margin of Tibetan Plateau
北京时间2022年1月8日凌晨1时45分，在青海省海北州门源县发生强烈地震。据中国地震台网测定，此次地震震级Ms6.9，震中位于37.77°N，101.26°E（图1、2），震源深度10 km（中国地震台网中心，2022❶）。由于震中处于海拔3800~3900 m的人烟稀少地区，未造成大的人员伤亡，但对兰新铁路桥梁和隧道造成严重破坏。地震发生后，国内外不同的机构快速给出了这次门源地震参数（表1），虽略有差异，但总体表现为走滑型地震特征。美国地质调查局（USGS）数据显示这次地震震级Mw6.6，震中位于37.828°N，101.290°E，震源深度13 km，可能的发震断层走向N104°E，倾向S，倾角88°，滑动角15°，显示为一条近直立的左旋走滑断层错动事件（USGS，2022❷; 表1）。中国地震局地球物理研究所提供的震源机制解表明，可能的发震断层节面参数为:走向N284°E，倾向N，倾角82°，滑动角21°，显示为左旋走滑型地震（中国地震局地球物理研究所，2022❸）。从震中位置来看，此次地震发生在青藏高原东北缘海原断裂带中西段冷龙岭断裂区域，是该区域继1986年和2016年两次逆冲型门源Ms 6.4地震（He Xiaohui et al.，2020）之后，发生的震级最大的地震事件，它们之间是否存在内在联系?
地震发生后，地质学家和地震学家第一时间想到的是这次地震对地表造成的变形和破坏程度有多大?是否会产生同震地表破裂带。在青藏高原发生的地震中，通常震级Mw≥7的地震才会形成同震地表破裂，7级以下地震不产生明显的同震地表破裂（顾功叙等，1983），如2013年芦山地震（Ms7.0或Mw6.7）和2017年九寨沟地震（Ms 7.0或Mw 6.5），它们的震级接近Mw7级，但都没有产生同震地表破裂，当然这与震源深度、断裂性质和覆盖层的厚度等因素都存在一定的联系。不同机构和学者根据地震波早期快速反演得到了不同的2022年门源地震破裂过程，有结果认为这次地震可能未产生地表破裂（中国地震局地球物理研究所，2022❸），也有结果认为可能形成了约20 km长的地表破裂带（王卫民等，2022❹）。
通过地震波数据反演获得的地震参数以及破裂过程仍需详细的地震地质调查资料的验证。野外现场考察，能够及时确定这次地震地表破裂带的空间展布、构造组合和位移分布特征，获取其滑移习性等参数，这不仅有助于确定发震断层和地震宏观震中位置，而且对深刻理解地震破裂过程，探讨其发震构造的动力学背景以及未来强震危险性等问题具有重要的科学意义。
表1 不同研究机构给出的2022年门源地震参数
Table1 Parameters of the2022 Menyuan earthquake from different research institutions
注:CENC—中国地震台网中心; USGS—美国地质调查局; GCMT—全球矩心矩张量; GFZ—德国地球科学中心; IPGP—法国巴黎地球物理研究所。
因此，地震发生后，不同的研究机构和团队快速开展了现场应急调察，并很快发现了这次地震的地表破裂带（青海地震局，2022❺; 袁道阳，2022❻; 中国地震局地质研究所，2022❼; 韩竹军等，2022❽; 中国地质科学院地质研究所，2022❾）。中国地质科学院地质研究所自然资源部深地动力学重点实验室于2022年1月9日快速组织了“青海门源地震科学考察队”奔赴地震现场，开展了十多天的野外现场考察。本次现场考察对地震震级与地表破裂带的关系有了新的认识和理解。本文详细介绍了此次野外考察获得的地震地表破裂带样式与展布以及同震位移特征等参数，对发震构造进行了分析和探讨，并进一步论述了发震断裂与海原断裂带的关系，以及孕震构造环境和未来强震活动性等问题。
1 区域活动构造背景
从现今的GPS速度场（图2）来看，青藏高原东北部物质具有向NE方向运移特征。其活动构造主要由NEE向及近EW向大型左行走滑断裂带（阿尔金断裂带、海原断裂带、东昆仑断裂带）、NWW向的逆冲断裂带（祁连山北缘逆冲断裂带、柴北缘逆冲断裂带、祁漫塔格逆冲断裂带等）和NNW向的右行走滑断裂带（鄂拉山断裂、日月山断裂）等三组不同方向以及不同运动学性质的活动断裂组成，它们共同控制着高原北部的现今构造变形（郑文俊等，2016; 徐锡伟等，2017; 李海兵等，2021）。该地区是现今构造变形与强震活动强烈的地区之一，有记载的M 7级以上强震主要发育在祁连山地区:公元180年高台地震（M 7.5）、1609年红崖堡地震（M 7.3）、1920年海原地震（M 8.5）、1927年古浪地震（M 8.0）、1932年昌马地震（M 7.6）、1954年山丹地震（M 7.3）和1954年民勤地震（M 7.0）等（李善邦，1960; 顾功叙，1983）。1920年海原地震（M 8.5）沿海原断裂（左行走滑断裂）发生，虽然沿祁连山北缘逆冲断裂发生的1927年古浪地震震级M 8.0，但根据地表破裂长度和同震位移来估算，其震级小于Mw 8级（Xu Xiwei et al.，2010），也有学者认为1927年古浪地震可能是一次走滑断裂与逆断裂组合破裂的复杂事件，主破裂沿冷龙岭断裂分布（Guo Peng et al.，2019）。
图1 青藏高原主要活动断裂及地震分布
Fig.1 Distribution of major active faults on the Tibetan Plateau and historical earthquakes
底图据Tapponnier et al.（2001）; 地震数据为公元前780年至2022年2月之间的地震; 现代地震据中国地震台网中心; 历史地震据“中国历史强震目录”; 红色五角星为2022年1月8日门源地震震中位置; 黄色五角星为近二十多年来青藏高原Ms≥7级以上强震
Active faults on the Tibetan Plateau based on Tapponnier et al. (2001) ; seismicity data between 780 BC and December 2020; modern seismicity data from China Earthquake Network Center, historical seismicity from catalogue of historical strong earthquakes in China; red star is epicenter of Menyuan earthquake on January 8, 2022 and yellow stars indicate Ms≥7.0 earthquakes in the last 20 years surrounding
图2 青藏高原东北缘主要活动断裂及历史记载/仪器记录强震分布图
Fig.2 Active faults, GPS vectors, and historical /instrumental strong earthquakes around the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau
2022年门源地震震中和震源机制引自USGS（2022）❷和中国地震台网中心（2022）❶; GPS矢量据Wang Min et al.（2020）
The epicenters and focal mechanisms of the2022 Menyuan earthquake are from USGS (2022) , CENC (2022) ❶; GPS vectors are from Wang Min et al. (2020)
海原断裂带是青藏高原东北缘发育在祁连山内部的一条重要的活动断裂，也称为祁连-海原断裂带（Zheng Wenjun et al.，2013），长约1200 km，主要表现为左旋走滑特征。根据其走向变化和阶区特征分为八段断裂（图2）（郑文俊等，2009; Zheng Wenjun et al.，2013），从西向东依次为:哈拉湖断裂（HLHF）、托莱山断裂（TLSF）、冷龙岭断裂（LLLF）、金强河断裂（JQHF）、毛毛山断裂（MMSF）、老虎山断裂（LHSF）、海原断裂（HYF）和六盘山断裂（LPSF）（图2），除六盘山断裂外，各断裂之间连接主要为左阶雁行呈拉张阶区。沿整个断裂带的滑移速率存在中间段高（3~6 mm/a）逐渐向东西两侧变低（1~2 mm/a）的趋势（郑文俊等，2009; 何文贵等，2010; Zheng Wenjun et al.，2013; 郭鹏等，2017b; Wang Min et al.，2020; Liu Jinrui et al.，2022）。有学者认为中西段冷龙岭断裂晚第四纪以来的滑移速率可高达约15~19 mm/a（Gaudemer et al.，1995; Lasserre et al.，2002），毛毛山-老虎山断裂的滑移速率达~12 mm/a（Lasserre et al.，1999），东部海原断裂的滑移速率约为8~10 mm/a（Deng Qidong et al.，1986; Zhang Peizhen et al.，1988; Burchfiel et al.，1991）。总之，海原断裂带的滑移速率还存在一定的分歧，但变化趋势是一致的，其中冷龙岭断裂的滑移速率限定在3~19 mm/a的宽泛的范围内，该断裂东起甘肃天祝双龙煤矿以东，西至门源-祁连公里八道班，全长约 127 km（何文贵等，2010）。
20世纪以来沿着海原断裂带区域曾发生了几次大的地震，包括1920年海原M 8.5级地震、1927年古浪M 8级地震、1986年门源6.4级地震、1990年景泰6.2级地震、2016年门源6.4级地震。其中海原M 8.5级地震在海原断裂带东段产生约230 km长的地表破裂带（邓起东等，1987; 国家地震局地质研究所，1990），古浪M 8级地震在海原断裂带北侧沿皇城-双塔逆冲断裂发生破裂（侯康明，1998; Guo Peng et al.，2019），因此，在2022年门源地震前，海原断裂带中段约260 km长的冷龙岭-金强河-毛毛山-老虎山断裂成为“天祝地震空区”（Gaudemer et al.，1995），被认为是未来发生强震的危险地区。然而，Guo Peng et al.（2019）认为冷龙岭断裂发育~120 km长的新鲜地震地表破裂带，最有可能对应于1927年古浪M 8级地震，因此，认为冷龙岭断裂可能不是天祝地震空区的组成部分。位于冷龙岭断裂北侧~7 km区域，在2022年门源地震震中的SE方向约34 km和37 km处，曾发生1986年和2016年两次逆冲型门源Ms 6.4地震（He Xiaohui et al.，2020），不同的地震机制表明冷龙岭断裂区域具有复杂的断裂结构。
在整个海原断裂带不同段断裂具有不同的强震复发周期。冷龙岭断裂的强震复发周期约为1643±568 a（Guo Peng et al.，2019）、毛毛山—老虎山断裂发生强震的复发间隔在1000 a左右（Liu-Zeng Jing et al.，2007）、海原断裂发生强震的复发间隔在1800 a左右（张培震等，2003），它们都具有千年以上的强震复发特征。
2 门源地震同震地表破裂带及其分段性
考察队在震中地区沿着同震地表破裂带进行追踪和测量，并利用手持GPS连续定点确定了本次门源地震地表破裂带的总体展布特征，同时利用小型无人机沿破裂带进行航拍，处理生成了门源地震地表破裂带厘米级分辨率的正射影像和数字高程模型（DEM），在此基础上对地表破裂进行了详细的解译，获得了门源地震同震地表破裂带的精细几何展布（图3）及构造组合特征（图4、5）。野外考察和航片解译结果表明，2021年青海门源Ms6.9级地震产生了明显的同震地表破裂带，并显示出左旋走滑运动特征（图4、5）。破裂带可分为南北两支，分别沿托莱山断裂东端和冷龙岭断裂西端展布，总体呈NWW—SEE走向（图3），在不同破裂段走向略有变化。门源地震虽然未造成人员伤亡，但在硫磺沟内地表破裂直接切割了兰新高铁大梁隧道，造成隧道严重破坏，同时地震造成跨硫磺沟铁路桥梁受损发生强烈变形（图4e、f），导致铁路长期停运，经济损失巨大。地表破裂带西端终止点位于托莱山断裂东段的大西沟附近（N37.795518°，E101.118403°），东端终止于冷龙岭断裂东部兰新铁路（高铁）东侧约10 km处的冷硫磺沟北侧山沟附近（N 37.734521°，E101.416358°），全长约27 km（图3）。
2.1 地表破裂类型与破裂带宽度
门源地震地表破裂带分布在海拔3500~4200 m的祁连山区，主要由一系列不连续的剪切断层、雁列式的张裂隙、挤压隆起（或鼓包）等走滑型地震常见的破裂构造（Lin Aiming et al.，2002，2011; Fu Bihong et al.，2003，2005; 李海兵等，2004，2015; Li Haibing et al.，2016; 潘家伟等，2021）组合而成（图4、5）。地表张裂隙和剪切裂隙一般呈右阶雁行状排列，两条相邻裂隙间的挤压鼓包和隆起呈左阶斜列，表现出明显的左旋走滑运动性质（图4a~c，图5b、e、f），与地震学的结果一致（USGS，2022❷; 王卫民等，2022❹）。
图3 门源Ms6.9地震同震地表破裂带分布图（a）及地表破裂分段（b）
Fig.3 Precise distribution (a) and segmentation (b) of co-seismic surface ruptures of Menyuan Ms6.9 earthquake
重新定位的余震数据来自Fan Liping et al.（2022）
Relocated aftershocks data are from Fan Liping et al. (2022)
不同位置地表破裂带的宽度从十余米至一百多米不等，并多集中在30~50 m。在南支托莱山破裂带的东端，G227国道以东的河滩内，一系列NE走向的微裂隙右阶斜列，形成一百多米宽的地表破裂带，但该处已位于托莱山破裂的末端，单条裂缝的宽度仅~1 cm至数厘米，且无明显水平位错，应为地表破裂的尾端效应，看似宽度较大，实际规模很小。北支冷龙岭破裂带的东端也存在类似的破裂特征，多条与破裂带总体走向大角度斜交的张裂隙、张剪裂隙近平行展布，形成平面视觉上宽度较大的破裂带，但实际每条裂缝规模很小，并向东逐渐尖灭。位于硫磺沟南北两侧山坡上的破裂带由于山体坡度较大，雁行状裂隙和鼓包组成的同震地表破裂常伴随不同程度和规模的滑坡、垮塌（图4e，图5a）。北支破裂带硫磺沟与道沟之间（图3）是整个门源地震地表破裂带中规模最大、现象最为典型的一段，该段普遍由一系列右阶雁行状排列的张裂隙、张剪裂隙以及与裂隙相间呈左阶雁行展布的挤压鼓包或隆起构成（图4a~c，图5b~e），共同组合成宽约20~60 m的左行剪切破裂带。单条裂缝一般长度十多米至数十米不等，宽度多1 m以内（一般小于0.5 m），最大可达3~4 m（图5e）。沿该段破裂带可见大量冲沟（冰沟）、冻土鼓包、栅栏等被明显左行错断（图6），部分位置断层滑动面上近水平的擦痕也显示出断裂的水平运动特征（图4d）。挤压鼓包主要发育在冲积扇、河流阶地和山坡上的草原上，地表多为砂土、泥炭上覆草皮，其结构通常表现出角脊状特征（图5c、d），这种特征类似于2001年昆仑山口（Lin Aiming et al.，2002; 李海兵等，2004）和2010年玉树地震（Lin Aiming et al.，2011）产生的破裂特征。
2.2 地表破裂带几何结构与分段性
从地表破裂带的分布（图3）来看，其几何结构具有与常见走滑型地震地表破裂带所不同的一些特征，最为突出的是破裂带分为南北两支，两支间隔约3 km呈左阶雁行排列构成拉分阶区，类似于海原断裂带不同断裂之间的拉分阶区关系。
图4 门源Ms6.9地震典型地表破裂构造与变形
Fig.4 Typical co-seismic surface deformations produced by the Ms 6.9 Menyuan earthquake
（a）—从俯视图上看山坡平台中形成了呈直线状破裂带，沿袭早先断裂分布; 破裂带主要由右阶雁列式张剪裂缝与挤压鼓包组成，表明其为左旋走滑运动（无人机照片）;（b）—典型的右阶雁列式张剪裂缝与挤压鼓包，可见破裂带宽度几米至三十多米不等（无人机照片）;（c）—大规模的右阶雁列式张剪裂缝等组成的六十多米宽的地表变形带，公路被多条张剪破裂左旋错断（无人机照片）;（d）—地表破裂出露的断层面上的水平擦痕，表明主要为左旋水平运动;（e）—地表破裂带与兰新高铁，直立红色箭头指示地表破裂带位置;（f）—兰新高铁路桥已遭变形破坏
(a) —Linear surface rupture zones developed on the slope platform from the drone view, following the distribution of earlier faults; The rupture zone is mainly composed of right-stepping en-echelon tensional shear fractures and pressure ridges, indicating that it is sinistral strike-slip movement; (b) —typical right en-echelon tensional shear cracks and pressure ridges can be seen in the width of fracture zones ranging from several meters to more than 30 meters; (c) —large-scale right-stepping en-echelon tension-shear cracks and other components of more than 60 meters wide surface deformation belt, the highway was broken by multiple tension-shear fault left rotation fault; (d) —striations on the fault plane of the surface rupture exposure, indicating a predominantly left-lateral motion; (e) —surface rupture zone and Lanzhou-Xinjiang High-speed Railway, vertical red arrow indicates the location of co-seismic surface rupture zone; (f) —Lanzhou-Xinjiang high-speed railway bridge has been deformed and damaged; See site in Fig.3b
南支破裂带走向近东西（N93°E），主体沿托莱山断裂东段大西沟北侧山坡展布，向东穿过G227国道后逐渐发散并尖灭，长约4.5 km（图3）。北支破裂带沿冷龙岭断裂展布，其西端位于南支破裂东端往北~3 km处的下大圈沟边（E101.179243，N37.816091），向东延伸长度约22.7 km（图3）。北支破裂以硫磺沟河道为界，其两侧走向略有变化，西侧走向N102°E，破裂带自西向东依次穿过上大圈沟、道沟、至硫磺沟，长约7.5 km; 东侧走向N110°~120°E，过硫磺沟河道后首先沿硫磺沟南侧山坡展布，向东穿越兰新高铁线、硫磺沟东段河道至河道北侧山坡继续向东延伸，长度超过15 km（图3）。在分界处的硫磺沟河道低地处破裂带走向约N126°E，向两侧走向逐渐变化过度呈反“S”型弯曲，这种破裂带局部走向变化与地形高低变化的关系指示发震断层具有向南倾斜的特征。
图5 门源地震地表破裂带各段不同类型地表破裂特征
Fig.5 Characteristics of the surface ruptures produced by Menyuan earthquake along different segment of the surface rupture zone
（a）—硫磺沟南侧山坡上沿冷龙岭断裂发育的地表破裂带展布特征;（b）—硫磺沟与道沟之间山坡上右阶雁列展布的张剪破裂和左阶雁列展布的挤压隆起组成的地表破裂带;（c）—道沟东侧地表破裂带高约1.5 m的挤压鼓包;（d）—道沟东侧宽约2 m，高约1 m，延伸长度十余米的挤压脊;（e）—硫磺沟与道沟之间山坡上约3~4 m宽的大型张剪裂隙;（f）—大西沟北侧，由一系列右阶雁行状排列的张剪裂隙及间隔分布的挤压鼓包组合成南支地表破裂带;（g）—北支破裂带东段，硫磺沟北侧山坡上张剪裂隙与挤压鼓包组合成的地表破裂带
(a) —Surface rupture zone developed along Lenglongling fault on the south slope of Liuhuang valley; (b) —surface rupture zone on the hillside between Liuhuang valley and Daogou valley composed of right-stepping en echelon tensional-shear cracksand left-stepping en echelon pressure push-ups; (c) —compressed bulge with a height of~1.5 m along the surface rupture zone on the east side of Daogou valley; (d) —pressure ridge with width of~2 m, height of~1 m and extension length of more than 10 m on the east side of Daogou valley; (e) —large tensional-shear crack about 3~4 m wide on the hillside between Liuhuang valley and Daogou valley; (f) —the south branch surface rupture zone is composed of a series of right-stepping en echelon tensional-shear cracks and mole tracks on the north side of Daxigou valley; (g) —surface ruptures on the northern slope of Liuhuang valley along the eastern segment composed of tensional-shear cracks and mole tracks
根据门源地震破裂带不连续阶区的分布特征、走向变化和破裂规模的变化特征，可将整个地表破裂带分为三段:西段（约4.5 km长）、中段（约7.5 km长）和东段（约15 km长）。其中，南支（托莱山破裂带）为破裂带西段，北支（冷龙岭破裂带）以硫磺沟河道为界分为两段，中段为北支破裂带硫磺沟西侧部分，主要呈N102°E走向，长约7.5 km; 东段为北支破裂带硫磺沟河道东侧部分，走向呈N110°~120°E走向，长约大于15 km，并切穿了兰新铁路线（图4e）。在破裂规模及同震位错分布上，上述三段破裂均表现出中部规模较大，向两侧有所衰减的特征。
3 门源地震同震位移分布
沿此次门源地震地表破裂带，可见早期横跨地表破裂带的草地围栏、车辙印、冲沟、线性展布的冰印、冻土鼓包、雪地上震前动物脚印等不同的标志物被左旋错断（图6），尤其是在中段地表破裂带各类位错标志物分布广泛，十分有利于笔者准确限定本次地震的同震位移量及其分布特征。西段破裂带由于规模较小，可供测量的同震位错标志没有中段丰富，而东段破裂带由于多位于山腰斜坡背阴面，植被和冰雪覆盖较为严重，加上滑坡垮塌影响，可测的特征位错标志也不如中段丰富。在现场，大多数水平位移量是用5 m钢卷尺进行原地测量（图6）。由于地表破裂带宽度往往都是几米至几十米，很难用卷尺准确测量跨过整个破裂带的水平位移量，幸运的是，在破裂带不同段落可以看到很多长几十米至上百米，呈线状排列的草地围栏被左行错断，这对我们准确测量各段落的真实位移提供了有力的保障。笔者利用差分GPS对直线状排列的草地围栏杆进行定点测量（图7、8），同时笔者利用无人机摄影测量所获得的正射影像和DEM数据开展了补充测量（图9）。在本次研究中，笔者共获得了不同破裂段的102个水平位移量数据，其中西段15个，中段65个，东段22个。从位移量数据分布特征（图10）来看，沿整个地表破裂带主要出现三个峰值，这三个位移峰值为0.85±0.1 m（图7）、3.7±0.1 m（图8）和3.0±0.3 m，它们分别对应于破裂带的西段、中段和东段。
综上所述，2022年门源同震形成了约27 km长的破裂带，以左行走滑运动为主（图3），最大走滑位移约为3.7 m，平均为1.0~1.5 m（图10）。笔者测量获得的同震滑动分布表明，门源地震可能经历了一次自震中向两侧传播的双向破裂过程（图3），这与地震学结果一致（王卫民等，2022❹）。此外，同震位移量沿破裂带走向变化并出现主要三个位移量峰值区段。位移峰值区段之间的连接通常是复杂的断裂结构，如不连续面、阶区和弯曲段等，这与野外实际情况相吻合（图10）。
4 讨论
4.1 同震地表破裂参数（长度和位移量）与震级关系
在青藏高原发生的地震中，通常震级Mw≥7的地震才会产生明显的同震地表破裂（顾功叙等，1983），2022年门源Ms 6.9（Mw6.6）地震产生如此大规模和强烈的地表破裂，完全出乎人们意料，为什么会产生?
以往的研究根据历史大地震的数据，建立起了很多不同的同震定量参数（地表破裂长度、同震位移、破裂面积等）与地震震级之间的经验关系（Bonilla et al.，1984; 邓起东等，1992; Thingbaijam et al.，2017; Wells et al.，1994）。值得一提的是，地震震级和地表破裂长度或同震位移之间的对数线性回归显示出良好的相关性，这些关系已被广泛应用于古地震学的震级估计和地震危险性评估中。依据邓起东等（1992）建立的青藏高原走滑型地震破裂长度（L）与震级（Ms）的关系: Ms=5.92+0.88log（L），门源地震地表破裂带全长约27 km，估算震级为7.2，明显大于公布的门源地震6.9级。同样，依据Wells et al.（1994）的破裂长度经验公式:Mw=5.16+1.12log（L），估算震级约为Mw6.8，略高于门源地震的~Mw6.6级。如果利用Wells et al.（1994）的最大位移经验公式:Mw=6.81+0.78log（D max），得到了约Mw7.3级的地震，明显高于门源地震的约Mw6.6级。实际门源地震震级小于根据地表破裂参数估算的震级。为什么门源地震会产生如此长的同震地表破裂?或者说为什么会产生如此大的同震位移?那么，很有可能门源地震震源深度远小于中国地震台网中心（2022）❶报道的10 km，或者说沿断层面的主要破裂中心深度小于10 km。王卫民等（2022）❹利用地震波数据反演计算得出震源深度6 km。通过地震波反演并结合InSAR结果得到的门源地震二维滑动模型显示，门源地震主震矩心深度约4 km（冯万鹏等，2022）。
图6 门源地震地表破裂左行错断典型地貌标志野外照片
Fig.6 Field photos of typical geomorphic markers with left-lateral offset along the surface rupture zone of Menyuan earthquake
（a）—破裂带中段冰雪边缘左行位错56±5 cm;（b）—破裂带中段冻土鼓包左行位错80±5 cm;（c）—破裂带中段冲沟及路边线左行位错100±10 cm;（d）—破裂带中段冻土鼓包及冲沟中冰左行位错130±10 cm;（e）—硫磺沟西侧路边冰印左行位错120±10 cm;（f）—破裂带东段雪地中动物脚印左行位错90±10 cm; 图中红色和黄色三角形指示位错标志点
(a) —56±5 cm left-lateral offset at the edge of ice and snow along the central segment of the surface rupture zone; (b) —80±5 cm left-lateral offset at frozen soil bulge in the middle of rupture zone; (c) —100±10cm left-lateral offset at gully and roadside line along the central segment of the surface rupture zone; (d) —130±10 cm left-lateral offset at frozen soil bulge and ice along the central segment of the surface rupture zone; (e) —120±10 cm left-lateral offset of the ice on the west side of Liuhuang valley; (f) —90±10 cm left-lateral offset of animal footprints in the snow along the eastern segment of the surface rupture zone. Red and yellow triangles in the figures indicate offset markers (a) —56±5 cm left-lateral offset at the edge of ice and snow in the middle of rupture zone; (b) —80±5 cm left-lateral offset at frozen soil bulge in the middle of rupture zone; (c) —100±10 cm left-lateral offset at gully and roadside line in the middle of rupture zone; (d) —130±10 cm left-lateral offset at frozen soil bulge and ice in the middle of rupture zone; (e) —120±10 cm left-lateral offset at the ice mark on the west side of Liuhuang valley; (f) —90±10 cm left-lateral offset at animal footprints in the snow in the eastern part of rupture zone; Red and yellow triangles are offset marker in the figure
事实上，一次大地震的震级与破裂面同震滑动相关的力矩释放有关（Das et al.，2019）。因此，地震震级应主要取决于破裂面积而不是破裂长度，这与破裂面宽度有关。由于地震震源一般是初始破裂，不能代表整个破裂带的分布，所以指出破裂面宽度不是震中深度而是大多数破裂的深度。同样规模的地震，破裂深度越浅，所产生的同震地表破裂越长（Klinger，2010）。这一机制可能解释了一些历史上地表破裂意外特别长的地震，如蒙古1905年M 8 Tsetserlge-Bulnay地震产生了约676 km的地表破裂（Choi et al.，2018）。因此，2022年门源地震的震源深度很浅，或者说其破裂中心深度很浅。
图7 破裂带西段最大水平位移测量结果
Fig.7 Measurement results of maximum horizontal offset along the western segment of the rupture zone
（a）—无人机正射影像及差分GPS测量结果显示3个线性排列的围栏分别被左行错开35±5 cm、85±10 cm、48±5 cm;（b）—西段最大水平错位处围栏左行错开~85 cm野外照片
(a) —UAV orthophoto images and kinematic differential GPS measurement results show that three linear fences are left-lateral displaced by 35 ± 5 cm, 85 ± 10 cm and 48 ± 5 cm, respectively; (b) —field photos showing the fence was sinistrally displaced by 85±10 cm, which is the maximum horizontal offset measured along the western segment of the surface rupture zone
4.2 发震构造
野外地表破裂的运动学性质表明，2022年门源地震是一次以左行走滑运动为主的地震事件，其中约22.7 km长的主要地表破裂带沿冷龙岭断裂西段分布，约4.5 km长的部分破裂跨越到与冷龙岭断裂呈左阶排列的托莱山断裂东段分布，震中位于冷龙岭断裂南侧约3 km处，因此，这次门源地震的发震断裂为冷龙岭断裂。由于冷龙岭断裂与托莱山断裂为左阶雁行排列形成拉分阶区，阶区宽度约3 km，极易应力传递，因此，这次门源地震不仅使冷龙岭断裂西段发生破裂，而且触发了相近的托莱山断裂破裂。
海原断裂带全长~1200 km，由于不同段断裂走向的变化，因此存在两个明显的挤压弯曲带（或挤压阶区）:“海原挤压弯曲带”和“冷龙岭挤压弯曲带”（图11），挤压弯曲带或挤压阶区通常是应力聚集区（Lozos et al.，2011; Nabavi et al.，2018; Wang Hui et al.，2020），是重要的孕震构造，挤压弯曲带规模越大越能聚集能量，如果产生破裂也就会发生相对大的地震。挤压弯曲带往往形成走滑断裂的花状构造，也就是在走滑断裂两侧形成反向的逆冲断裂，有对称和不对称的花状构造。
图8 破裂带中段最大水平位移测量结果
Fig.8 Measurement results of maximum horizontal offset along the central segment of the rupture zone
（a）—无人机正射影像及差分GPS测量结果显示4个线性排列的围栏分别被左行错开~2.35 cm、~2.49 m、~2.52 m和~3.7 m;（b）—中段最大水平错位~3.7处差分GPS测量细节放大图;（c）—围栏左行错开~2.49 m野外照片
(a) —UAV orthophoto images and kinematic differential GPS measurement results show that four linear fences are left-lateral displaced by~2.35 m, ~2.49 m, ~2.52 m and~3.7 m, respectively; (b) —enlarged figure of differential kinematics GPS measurement details at the site where the maximum horizontal left-lateral offset of~3.7 m was measured along the central segment of the surface rupture zone; (c) —field photo showing the fence was sinistrally displaced by~2.49 m
1920年海原M 8.5地震使得“海原挤压弯曲带”走滑断裂整体破裂，从230 km长的地表破裂带分布和宏观震中位置（邓起东等，1987; 国家地震局地质研究所，1990）来看，海原地震破裂过程具有由东向西扩展的特征，表明应力具有向西迁移趋势，由于沿断裂的“挤压弯曲带”是应力的聚集区域，因此，1920年海原地震后，“冷龙岭挤压弯曲带”是整个海原断裂带的主要应力聚集区，这可能是为什么由冷龙岭-金强河-毛毛山-老虎山断裂组成的“天祝地震空区”（Gaudemer et al.，1995）中，2022年门源地震沿冷龙岭断裂先发生破裂的原因。
图9 门源地震前Google Earth卫星影像（a）与地震后无人机航拍影像（b）对比测量显示车印左行位错~2.8 m（c）
Fig.9 Comparison measurement between Google Earth satellite image before Menyuan earthquake (a) and UAV derived orthoimage after the earthquake (b) shows~2.8 m left-lateral displacement of truck trace (c)
（c）中黄色虚线是对应（a）地震前的车辙印线，红色虚线是地震后的车辙印线
The yellow dashed lines in (c) indicate the location of truck trace before the earthquake (from (a) ) , and the red dashed lines indicate the location of truck trace after the earthquake
“冷龙岭挤压弯曲带”由冷龙岭断裂（左行走滑断裂）和两侧反向逆冲断裂组成，北侧发育由S向N逆冲的北冷龙岭断裂、民乐-大马营断裂、皇城-双塔断裂和武威-莲花山北缘断裂等逆冲型断裂，南侧发育由北向南逆冲的门源逆冲断裂，它们构成典型的走滑正花状构造（图11），由于冷龙岭断裂两侧发育的逆冲断层不一致，因此称为非对称花状构造（冯万鹏等，2022）。
由于在2022年门源地震地表破裂带的SE侧，曾发生过1986年和2016年Ms 6.4门源地震（He Xiaohui et al.，2020; 李振洪等，2022），这两次地震都是逆冲型地震，震中分别位于冷龙岭断裂北侧~7 km和~1.4 km处，震源深度~7 km和~9 km，分别对应于民乐-大马营断裂和北冷龙岭断裂（Guo Peng et al.，2017a; He Xiaohui et al.，2020; 李振洪等，2022），因此，1986年和2016年两次逆冲型门源地震，使得冷龙岭断裂应力更加聚集，当积累的应力超过走滑断裂剪切破裂强度时，触发冷龙岭断裂破裂，发生2022年门源地震。这三次地震清晰地揭示了冷龙岭断裂的花状构造孕震模式（冯万鹏等，2022）。
图10 沿2022年门源地震地表破裂带的同震位移分布
Fig.10 Slip distribution of co-seismic displacements measured along the surface rupture of the2022 Menyuan earthquake
上图蓝色垂直线段代表沿破裂带测量的水平位移量，下图红色线段代表门源地震地表破裂带
Each blue line represents a slip amount measured along the co-seismic surface rupture zone in the upper figure. Red line belowindicate co-seismic surface rupture zone of the Menyuan earthquake in the lower figure
4.3 未来强震活动分析
近二十多年来，青藏高原M≥7的强地震主要分布在高原中部巴颜喀拉地块周缘和高原南部喜马拉雅构造带，其中高原中部包括1997年玛尼M 7.5地震、2001年昆仑山口M 8.1地震、2008年于田M 7.3地震、2008年汶川M 8.0地震、2010年玉树M 7.1地震、2013年芦山M 7.0地震、2014年于田M 7.3地震、2017年九寨沟M 7.0地震和2021年玛多M 7.4地震等共9次M≥7的大地震，南部喜马拉雅构造带包括2005年克什米尔M 7.6地震和2015年尼泊尔M 8.1地震。从整个青藏高原强地震分布来看，目前高原北部缺失M≥7的强地震，由于印度板块向北的持续挤压，高原南部和中部强地震的发生会促使高原北部应力聚增，因此，高原北部是未来强震需要关注的区域。
2022年门源M 6.9地震能否代表高原北部强震的开始还需要进一步的研究。这次门源地震的余震分布具有明显向东扩展的特征（Fan Liping et al.，2022），反映了应力具有向东迁移的趋势，结合1920年海原地震破裂主体向西传播所反映出的应力向西迁移的特征，沿海原断裂带处在这两次地震之间的天祝地震空区的东段处在应力加载的环境，因此，金强河-毛毛山-老虎山断裂未来强震危险性升高，应是重点关注区域。
5 结论
通过对2022年门源Ms6.9级地震的野外详细考察和分析，得出如下主要认识:
（1）2022年门源地震同震地表破裂带总体沿着NWW—SEE走向的断裂分布，主要由右阶雁行状排列的剪切破裂与张性裂缝和左阶雁行状挤压隆起等组合构成，显示出典型的左行走滑运动特征。此次地震是一次启动于断裂挤压弯区的双侧破裂的左旋走滑事件。
（2）2022年门源地震产生了约27 km长的同震地表破裂带，分为南北两支，北支长约22.7 km，南支长约4.5 km。最大水平位移~3.7 m，分布在破裂带北支。根据破裂带的走向变化和阶区特征，可将破裂带分为三段:西段、中段和东段，其长度分别为~4.5、~7.5、~15 km，与地表同震位移分布特征分段相吻合。
图11 海原断裂带孕震背景与冷龙岭断裂花状构造
Fig.11 Seismogenic background of Haiyuan fault zone and flower structure of Lenglongling fault
（a）—海原断裂带及邻区活动断裂分布图。红色线条代表1920年海原地震地表破裂带和2022年门源地震地表破裂带，红五星代表2022年门源地震震中，粉红色区域为挤压弯曲带;（b）—横切冷龙岭挤压弯曲带的活动断裂花状构造示意剖面; HLHF—哈拉湖断裂; TLSF—托莱山断裂; LLLF—冷龙岭断裂; JQHF—金强河断裂; MMSF—毛毛山断裂; LHSF—老虎山断裂; HYF—海原断裂; LPSF—六盘山断裂
(a) —Distribution map of active faults in Haiyuan fault zone and adjacent areas; The red line represents the surface rupture zone of the1920 Haiyuan earthquake and the2022 Menyuan earthquake, the red stars represent the epicenter of the2022 Menyuan earthquake, and the pink area is the compression bending zone; (b) —Schematic section of flower structure of active fault crosscutting Lenglongling compression bending zone; HLHF—Hala Lake fault; TLSF—Tolaishan fault, LLLF—Lenglongling fault; JQHF—Jinqianghe fault; MMSF—Maomaoshan fault; LHSF—Laohushan fault; HYF—Haiyuan fault; LPSF—Liupanshan fault
（3）依据野外地表破裂带分布规模和地表变形强度，通过地表破裂参数与震级相关的经验公式所估算该次地震震级高于Ms 6.9，表明2022年门源地震的震源深度较浅，破裂中心深度远小于10 km。
（4）2022年门源地震的发震断裂为海原断裂带中西段冷龙岭断裂，在断裂西段发生主体破裂，并触发西侧托莱山断裂东侧破裂。发震断裂处在冷龙岭挤压弯曲带，冷龙岭断裂与两侧反向逆冲断裂构成走滑断裂正花状构造，成为1986年（Ms 6.4）、1996年（Ms 6.4）和2022年（Ms 6.9）三次门源地震孕震构造。2022年门源地震后，处于本次地震与1920年海原地震之间的地震空区，即金强河-毛毛山-老虎山断裂未来强震发生的危险性增高。
致谢:付碧宏研究员对文稿提出了富有建设性的修改意见和建议，野外调查过程中得到了吴建国和孙志强的大力协助，门源当地政府为调查组提供便利条件，编辑部特邀撰写该文，在此一并表示诚挚的感谢。
注释
❶ 中国地震台网中心.2022. https://news.ceic.ac.cn/CC20220108014528.html.
❷ USGS.2022. https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us7000g9zq/executive
❸ 中国地震局地球物理研究所.2022. https://www.cea-igp.ac.cn/kydt/278812.html.
❹ 王卫民，何建坤，郝金来，姚振兴.2022.2022年1月8日青海门源M 6.9级地震震源破裂过程反演初步结果.学术讨论资料.
❺ 青海地震局.2022. https://www.qhdzj.gov.cn/Item/2/20976.aspx.
❻ 袁道阳.2022. https://news.lzu.edu.cn/c/202201/87019.html
❼ 中国地震局地质研究所.2022. https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36600.html.
❽ 韩竹军，牛鹏飞，李科长，吕丽星.2022. https://www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2022/36632.html.
❾ 中国地质科学院地质研究所.2022. http://www.igeo.cgs.gov.cn/ywjx/kydt/202201/t20220113_689980.html.
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