引用本文
韩竹军, Nicola Litchfield, 冉洪流, 袁仁茂, 郭鹏, Robert M Langridge, Russ J Van Dissen. 新西兰2016年凯库拉 MW7.8地震地表破裂带特征初析 [J]. 地震地质, 2017,39(4): 675-688.
HAN Zhu-jun, Nicola Litchfield, RAN Hong-liu, YUAN Ren-mao, GUO Peng, Robert M Langridge, Russ J Van Dissen. PRIMARILY STUDY ON FEATURES OF SURFACE RUPTURES INDUCED BY THE 2016 MW7.8 KARKOURA EARTHQUAKE, NEW ZEALAND [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(4): 675-688.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.04.004
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新西兰2016年凯库拉 MW7.8地震地表破裂带特征初析
韩竹军1, Nicola Litchfield2, 冉洪流1, 袁仁茂1, 郭鹏1, Robert M Langridge2, Russ J Van Dissen2
1 中国地震局地质研究所, 北京 100029
2 Institute of Geological and Nuclear Science, Lower Hutt 5010, New Zealand

〔作者简介〕 韩竹军, 男, 1964年生, 研究员, 长期从事活动构造与地震危险性研究, 电话: 010-62009037。

收稿日期: 2017-04-17
基金项目: 国家自然科学基金(41372219,41172193)资助
摘要

新西兰2016年凯库拉 MW7.8地震地表破裂带分布在1个长约170km、 宽35km的范围内, 总体呈NE-SW走向, 至少有12条断裂产生了m量级的地表位错, 跨过了2个活动方式与活动强度存在明显差异的地震构造区。地震地表断裂大致可分为NE-NEE向和NNW-近SN向2组, NE-NEE向断裂之间的贯通性差, 最大相隔距离为25~30km, 即使首尾相连, 走向上也有约30°的差异, 运动性质以右旋走滑为主, 最大位错量10~12m; NNW-近SN向断裂近于平行分布, 相距可达40~50km, 以逆断裂活动性质为主, 最大垂直位错量5~6m。走滑类地表破裂带的组合特征非常复杂, 主要表现为3种形式: 雁列、 分叉和平行分布。其中, 雁列地表破裂(段)既可以表现为数m至数十m尺度上的张剪性破裂与鼓包、 挤压剪切破裂组合, 也可表现为百余m长的左阶斜列张剪性破裂组合; 地表破裂段之间阶区规模差异明显, 可以是数十m、 数百m到数km不等。平行的地表破裂(段)可以相距数m、 数十m至数km。凯库拉地震地表破裂带对已知活动断裂分布格局的突破也是1种比较显著的特点, 既可以是在原先认为不活动的断裂上或没有活动断裂的位置上产生了地表破裂带, 也可以是在走向或横向上突破了先前认识到的活动断裂分布范围。对凯库拉地震地表破裂带发育特征的初步分析结果, 对于理解地表活动断裂与深部发震构造之间复杂的对应关系, 以及跨活动断裂的抗震设防等问题具有一定的借鉴意义。

关键词: 凯库拉 MW7.8地震; 地表破裂带; 地震构造活动; 断裂避让带
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)04-0675-14
PRIMARILY STUDY ON FEATURES OF SURFACE RUPTURES INDUCED BY THE 2016 MW7.8 KARKOURA EARTHQUAKE, NEW ZEALAND
HAN Zhu-jun1, Nicola Litchfield2, RAN Hong-liu1, YUAN Ren-mao1, GUO Peng1, Robert M Langridge2, Russ J Van Dissen2
1 Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2 Institute of Geological and Nuclear Science, Lower Hutt 5010, New Zealand
Abstract

The surface ruptures produced by the 2016 MW7.8 Karkoura earthquake, New Zealand are distributed in a belt with ~170km long and ~35km wide, trending generally in the NE-SW direction. There are at least 12 faults on which meter-scale displacements are identified and they were formed across two distinct seismotectonic provinces with fundamental different characteristics(Hamling et al., 2017;Litchfield et al., 2017). Although the trending directions of the seismic surface ruptures vary greatly at different locations, the ruptured faults can be generally divided into two groups with the NE to NEE direction and the NNW to N direction, respectively. The faults in the NNW-near NS direction are nearly parallel with 40~50km apart and featured by reverse movement with the maximum displacement of 5~6m. The faults in the NE-NNE direction, with the maximum of 25~30km apart are not continuous and featured by the dextral strike slip with the largest displacement of 10~12m. Even if some faults along the NE-NEE direction are end to end connected, their strikes differ by about 30°. The combination styles of the strike-slip fault surface ruptures along the NE-NEE direction can be merged into 3 categories, including en-echelon, bifurcation and parallel patterns. The scales of the fault surface ruptures with the same structural style could be obviously different in different areas, which results in significant changes in the widths of deformation zone, from tens of meters to hundreds of meters. En-echelon distributed surface rupture(section)can appear as a combination belt of meter-scale to dozens of meter-scale shear fracture with bulge and compressional shear fractures, and also can be characterized by the combination of the left-step en-echelon tensile shear fractures with a length of more than one hundred meters. The step-overs between surface rupture sections are clearly different in sizes, which can be dozens of meters, hundreds of meters to several kilometers. The spacing between parallel surface ruptures can be several meters, dozens of meters to several kilometers. Besides, as one of the prominent characteristics, the seismic surface ruptures caused by the Karkoura earthquake broke through the known distribution pattern of active faults. The surface ruptures can occur either on the previously thought inactive or unmapped faults, or break through the distribution range of previously realized active faults in the striking or lateral direction. The basic features about the distribution and widths of the surface ruptures induced by the 2016 MW7.8 Karkoura earthquake, New Zealand presented in this paper might be helpful for understanding some seismic problems such as complex corresponding relationship between the active faults and the deep seismogenic structure, and the necessary measurements for engineering crossing active faults.

Keyword: the 2016 MW7.8 Karkoura earthquake; fault surface rupture; seismotectonics; safety distance to the active fault
0 引言

据中国地震台网测定, 北京时间2016年11月13日19时2分(当地时间14日0时2分), 在新西兰南岛北部(42.53° S, 173.05° E)发生8.0级地震。美国地质调查所(USGS)初次发布震级为MW7.4, 后修定为MW7.8; 2016年11月16日新西兰地质与核科学研究所(GNS)将震级由MW7.5调整为MW7.8, 并正式命名为凯库拉(Kaikoura)地震, 震中位置为(42.69° S, 173.02° E)(图1), 震源深度15km。1929年有地震仪器监测以来, 此次地震之前在新西兰南岛北部共记录到MW7.0以上地震4次, 最大地震震级为MW7.3, 凯库拉MW7.8地震为该区域监测到的最大地震, 也是新西兰1855年北岛南端怀拉拉帕(Wairarapa)MW8.2地震之后160余年中震级最高的地震之一。

图1 新西兰凯库拉MW7.8地震地表破裂带与主要活动断裂分布图
地震地表破裂带分布特征参考网站http://info.geonet.org.nz/的图片 DOI_10_21420_ G2RC7C_Displacement_28Feb2017.jpg, 根据野外实际调查略有修改; 主震位置据新西兰地质与核科学研究所; 主要余震据美国地质调查所; 活动断裂据Langridge et al., 2016。F1贺姆普斯(The Humps)断裂; F2南里德尔(South Leader)断裂; F3北里德尔(North Leader)断裂; F4珲达里(Hundalee)断裂; F5查威(Charwell)断裂; F6鄱恩特肯(Point Kean)断裂; F7上蔻海(Upper Kowhai)断裂; F8约顿(Jordan)断裂; F9帕帕提(Papatea)断裂; F10菲德葛特(Fidget)断裂; F11科科仁古(Kekerengu)断裂; F12尼德斯(Needles)断裂。图2至图7的位置也表示在该图上Fig. 1 Distribution of the surface ruptures of the Kaikoura MW7.8 earthquake and the major active faults, New Zealand.

图2 科科仁古断裂与1号公路交会处的地震地表破裂发育特征
a 先存(活动)断裂分布图, 据Langridge等(2016), 底图为震前遥感影像, 据Google Earth 2010年5月10日图像; b 震后遥感影像, 据Google Earth 2016年11月21日图像, 地震地表断裂分布特征见右下角内插框图; c, d, e, f现场调查照片, 拍摄地点参见图b, 解释见正文Fig. 2 Distribution of the earthquake surface rupture at the intersection of Kekerengu Fault and Highway 1.

2016年凯库拉MW7.8地震以其复杂的地震地表破裂带而在世界上引起广泛关注(Hamling et al., 2017; Shi et al., 2017)。根据新西兰地质与核科学研究所提供的1︰5万凯库拉MW7.8地震地表破裂带分布图(Litchfield et al., 2017), 我们于2016年3月5-20日重点调查了贺姆普斯断裂(F1)、 南里德尔断裂(F2)、 北里德尔断裂(F3)、 珲达里断裂(F4)、 查威断裂(F5)、 帕帕提断裂(F9)和科科仁古断裂(F11)的地震地表破裂带变形特征、 跨断裂建筑物破坏现象以及地震滑坡等(图1)。

2016年凯库拉地震发生在新西兰人口相对稠密的地区, 广袤的牧场分布在冲积平原、 低山丘陵之间, 平缓起伏的地形和低矮的草场最大程度地呈现了地震地表破裂的真实状态。根据此次现场实际调查材料, 并结合前期同行的工作成果, 本文首先讨论了凯库拉地震地表破裂带的基本特征; 在此基础上, 以NE-NEE向地表走滑断裂为例, 对构造样式和分布宽度进行了初步分析。文中获得的一些初步认识, 对于理解地表活动断裂与发震构造之间复杂的对应关系以及跨活动断裂的抗震设防等问题具有一定的借鉴意义。

1 地震地表破裂带的基本特征

新西兰位于太平洋板块与澳大利亚板块边界带上(图1), 2个板块之间的斜向会聚速率高达40mm/a左右(Beavan et al., 2012)。北岛东侧为俯冲边界, 南岛西侧为阿尔派恩(Alpine)走滑断裂边界, 位于它们之间的新西兰南岛北部发育了1个复杂的板块边界转换系统, 分布着4条主要的NE向断裂(带), 即怀荣(Wairau)断裂、 阿瓦特(Awatere)断裂、 克拉伦斯(Clarence)断裂和霍普(Hope)断裂, 以右旋走滑为主, 统称为马尔堡(Marborough)断裂系。该断裂系调整了2大板块之间75%以上的相对运动(Norris et al., 2001)。最南部的霍普断裂向东北经约顿断裂(F8; 挤压构造)与NE向的科科仁古断裂(F11)相邻, 它们构成了马尔堡断裂系中, 乃至新西兰陆地上活动性最强的断裂带, 全新世(近1万a以来)走滑速率高达23mm/a, 7级以上地震的复发周期为180~310a(Langridge et al., 2003)。在霍普-科科仁古断裂带以南的北坎特伯雷地区, 属于第四纪活动性较弱的地区, 现今活动构造主要表现为一些缓慢变形的断裂与褶皱等, 如贺姆普斯断裂(F1)和珲达里断裂(F4)(Pettinga et al., 2001; 图1)。

地震科学研究的难点之一在于大地震复发周期长, 难以对各种与大震相关的理论模型进行验证。新西兰现今强烈活动的构造环境和频繁发生的大地震提供了难得的天然实验场, 同时也使得新西兰在活动构造调查、 古地震研究和地震危险性分析方面保持着世界前沿的水平(Berryman et al., 2012; Stirling et al., 2012; Langridge et al., 2016)。即便如此, 凯库拉MW7.8地震地表破裂带的分布特征还是突破了先前的一些认识, 例如: 1)此次地震至少产生了12条存在m量级位错的地表断裂(图1; Hamling et al., 2017), 另有3-4条地震地表断裂有待进一步查明(Kaiser et al., 2017), 这些断裂跨过了2个活动方式与活动强度存在显著差异的地震构造区, 总体走向NE, 分布在1个长约170km、 宽35km的范围内; 2)在相对稳定的北坎特伯雷地区形成了一些新生的地震地表断裂(段), 如查威断裂(F5); 而对于其他一些地震地表断裂, 如贺姆普斯断裂(F1)、 南里德尔断裂(F2)、 北里德尔断裂(F3)、 珲达里断裂(F4)、 帕帕提断裂(F9)、 科科仁古断裂(F11)和尼德斯断裂(F12)等, 虽然局部地段沿着先前认识到的活动断裂发育, 但突破了先前的分布范围, 或者在横向上从原先的断裂位置上发生了偏移(图2a, b); 3)地震地表断裂起始或终止地段不存在明显的构造或地貌分段界限区标志。

12条地震地表断裂的走向变化较大, 总体上可分为NE-NEE向和NNW-近SN向2组(图1)。NNW-近SN向断裂近于平行分布, 如查威断裂(F5)与帕帕提断裂(F9)之间的距离可达40~50km。沿着地震地表破裂带, NE-NEE向断裂之间的贯通性差, 最大间隔出现在北里德尔断裂(F3)与上蔻海断裂(F7)之间, 距离在25~30km左右; 即使首尾相连, 走向上也有约30° 的走向差异, 如从上蔻海断裂(F7)、 约顿断裂(F8)、 科科仁古断裂(F11)到尼德斯断裂(F12)走向的变化。

凯库拉地震地表最大水平位错量出现在NE-NEE向的科科仁古断裂(F11)上, 最大右旋位错量可达10~12m, 同时还有1~3m的垂直位错(Hamling et al., 2017; Shi et al., 2017), 力学性质为逆-走滑。凯库拉地震地表断裂带向NE至科科仁古断裂区段时, 构造变形从原先散布在多条地表断裂的状况变为集中在单一断裂上, 即科科仁古断裂, 该断裂上总水平位错量一般> 5m(图2); 而其他NE-NEE向地震地表断裂上, 水平位错量一般< 2m。科科仁古断裂与1号公路交会处地震地表断错现象清楚(图2b, c)。由于该地段位于科科仁古断裂与尼德斯断裂的过渡地带, 走向偏为NEE向。在垂直南岛东海岸铁路线方向上, 实测错开的距离为4.3m(图2d), 考虑到科科仁古断裂与铁路线40° ~45° 的交角, 在断裂走向上的位错量应在5~6m之间, 加上南侧分支断裂的位错量, 总位错量> 7m。 在铁路线与海滨沙滩之间的海岸阶地上(图2e, f), 断裂使海岸阶地发生右旋位错, 实测海岸阶地前缘在断裂两侧相距(13± 1)m, 由于不知道震前海岸阶地前缘的分布状况, 也就难以获得真实的位错量。

最大垂直位错出现在NNW-近SN向的帕帕提断裂(F9)上。在断裂北端附近, 虽然走向从NNW-近SN向偏转为NW向, 但对比Google Earth提供的震前(2016年3月26日)和震后(2016年11月15日)遥感影像(图3a, b), 可以看出地震地表破裂带深刻地改变了地形地貌特征, 使得河流改道, 在原先平坦的草场上形成了1个新的河道, 分流了大部分水量。原先上下游宽度基本相同的河床, 在震后发生显著改变, 位于上升盘的河床宽度只有下降盘的 13~ 15。在野外调查中, 尽管在地震地表破裂带与原先河流交会处修建了1个临时堤坝, 阻止了河流的改道, 但在图3c的左下仍可看出1个下凹的槽谷(牛群吃草处), 分布在地表破裂带陡坎及其邻近地带的树木均发生不同程度的歪斜(醉汉林)(图3c), 此处的陡坎高度4~5m, 以逆断裂性质为主。一系列斜向(走向约290° )张剪性破裂的发育显示了该处的地震地表破裂带也有一定的走滑运动分量。从图3d还可以看出: 地震地表破裂有如1堵突然出现的 “ 墙” , 横亘在平坦的草原之上, 垂直位错量可达5~6m。

图3 帕帕提断裂北段的地震地表破裂发育特征
a 地震地表破裂带分布图, 底图为震前遥感影像, 据Google Earth 2016年3月26日图像; b 震后遥感影像, 据Google Earth 2016年11月15日图像; c, d 现场调查照片, 拍摄地点参见图bFig. 3 The earthquake surface rupture at the north section of the Papatea Fault.

2 地震地表破裂带的构造样式与分布宽度

2016年凯库拉地震地表破裂带在构造力学性质上以走滑断裂为主。下面以此类断裂中的贺姆普斯断裂(F1)和科科仁古断裂(F11)为例, 讨论地震地表破裂带的构造样式与分布宽度。

2.1 贺姆普斯断裂(F1)

此次地震之前, 贺姆普斯断裂是分布在怀奥镇一带的NE-NEE向断裂组, 现今构造变形强度不大(Pettinga et al., 2001; Langridge et al., 2016)。2016年凯库拉地震在怀奥镇北边形成了长约16km的地震地表断裂(图1), 总体上呈近EW-NEE向, 大致以狗溪(Dog Brook)为界(42° 37'39″S, 173° 1'36″E), 可分为东、 西2段。东段发育南北2条分支断裂, 相距1~3km(图1), 走向上以NEE向为主, 沿着或邻近先存的贺姆普斯断裂分布; 西段总体表现为1条新生的地表断裂, 近EW向, 沿着该地震地表断裂段, 先前没有发现活动断裂的存在。为论述方便, 把怀奥镇一带发育的地震地表破裂带统称为贺姆普斯断裂。

贺姆普斯断裂西段发育在地势较为平坦的怀奥河(Waiau River)阶地上, 阶地面已受到后期冲沟的侵蚀破坏。从冲沟沟壁上的阶地剖面初步观察, 阶地面上河流冲积相厚度一般≤ 5m, 在一些地段基岩直接裸露。以该段约2km长的区段(东经172° 56'50″-172° 58'26″)为例(图4a), 可以看出地震地表断裂表现出了较为复杂的构造变形样式。该区段总体上以右旋走滑为主(图4c-1, c-2), 走滑量在0.8~1.0m左右; 区段的中间位置上发育1个宽约300m的右阶斜列拉张阶区, 构造上表现为1条走向NW的正断倾滑型地表破裂。在该区段西侧, 地震地表破裂呈近EW走向, 连续性好, 但有明显的分叉现象(图4b), 具体到单条地表破裂上, 又可见一系列NWW向左阶雁列的小规模张剪性破裂及之间的鼓包等构造变形现象组合(靠近图4b东边框处和图4c-2); 或者相距10~15m、 近于平行的2条破裂(图4c-1), 累计右旋走滑同震位移为1.0~1.2m。拉张阶区东侧, 表现为1组左阶雁列的NWW向张剪性破裂, 单条破裂的长度在150~200m之间(图4d)。图5可以看出, 贺姆普斯断裂西段在长约2km区段里表现出复杂构造变形样式, 该区段构造变形带外包线的宽度约为240m。

图4 贺姆普斯断裂西段的地震地表破裂发育特征
a 地震地表破裂分布图, 底图为震前遥感影像, 据Google Earth 2014年10月21日图像; b, c, d 震后遥感影像, 据Google Earth 2016年11月15日图像; b-1、 c-1和c-2分别为现场调查照片, 拍摄地点参见图b, cFig. 4 The earthquake surface rupture at the west section of the Humps Fault.

图5 贺姆普斯断裂西段地震地表构造变形带的分布特征Fig. 5 The structural deformation belt at the west section of the Humps Fault.

在贺姆普斯断裂东段发育南北相距1~3km的2条分支断裂(图1)。在北支断裂东经173° 5'8″-173° 5'36″之间, 可见地震地表破裂产生了分叉现象(图6a, b), 形成2条地表破裂, 它们之间的最大距离约为115m。从公路边牧场的栅栏错位现象来看, 此处相距约18m的2条地表破裂均表现出明显的右旋位错, 位错量分别约为1.1m和0.5m, 总右旋走滑量约为1.6m(图6c)。其中, 北侧的地表破裂在向W延伸400~500m后, 地表迹象消失; 而南侧的地表破裂则在走向上发生拐折, 走向从约70° 变约为40° , 构成了贺姆普斯断裂东段北支断裂上相距1~2km阶区的一部分(图1)。

图6 贺姆普斯断裂东段北支地震地表破裂的发育特征
a 地震地表破裂带分布图, 底图为震前遥感影像, 据Google Earth 2012年3月14日图像; b 震后遥感影像, 据Google Earth 2016年11月15日图像; c, d 现场调查照片, 拍摄地点参见图bFig. 6 The earthquake surface rupture on the northern branch of the east section of the Humps Fault.

在贺姆普斯断裂东段南支东经 173° 4'22″-173° 4'41″之间约400m范围内(图7a), 地震地表破裂表现出了较为典型的小规模张剪性破裂及之间的鼓包、 挤压剪切破裂等构造变形现象组合(图7b, c), 总体呈近EW走向。 其中, 鼓包或挤压剪切破裂走向NE, 左阶斜列的张剪性破裂走向NWW, 显示了右旋走滑运动性质, 总走滑量在1.0m左右。在图7a的右侧发育3条近于平行的张剪性破裂(图7d), 分布宽度约30m, 受张剪性破裂夹持的地块略显下沉, 构造上属于2条右阶斜列走滑型破裂段之间的1个小型拉分阶区, 并表现出了拉分陷落的变形现象。

图7 贺姆普斯断裂东段南支地震地表破裂的发育特征
a 地震地表破裂带分布图, 底图为震前遥感影像, 据Google Earth 2015年2月7日图像; b, c, d, e 现场调查照片, 拍摄地点参见图aFig. 7 The earthquake surface rupture on the southern branch of the east section of the Humps Fault.

2.2 科科仁古断裂(F11)

如前所述, 凯库拉地震地表破裂带向NE至科科仁古断裂区段时, 随着地震地表构造变形从原先散布在多条地表断裂状况变为集中在单一断裂上(图1), 科科仁古断裂地表右旋位错量一般都> 5m。在科科仁古断裂与1号公路交会处附近, 凯库拉地震之前确定的活动断裂是沿着图2a中F11-1分布的(Langridge et al., 2016)。此次地震中, 虽然沿着先前确定的活动断裂也形成了地表破裂带, 但在F11-1北侧出现的1条地震地表断裂(F11-2)却是先前没有认识到的, 并且表现出更强的活动性(图2b), 对1号公路和南岛东海岸铁路线的位错量是F11-1的5倍左右, 地表断错迹象也更加明显。这2条地震地表断裂构成了1个宽度在90~120m之间的地震地表破裂带。F11-2断裂既可能与先前的工作程度不深入有关, 未能完整地确定此处活动断裂的分布特征; 也可能地震地表破裂带在横向上突破了先存活动断裂的分布范围, 在横向上产生了偏移。

虽然科科仁古断裂发育的地震地表破裂带以走滑运动为主, 但在不同地段也有1~3m的倾滑运动分量, 且倾向变化较大。如在图2中, 大致以海岸阶地前缘为界, F11-2在以西地段表现为北盘下降、 南盘上升, 地表陡坎倾向NNW; 在以东地段, 则是北盘上升、 南盘下降, 如从海岸沙滩上仍残留的地表陡坎, 可以看出陡坎倾向SSE。F11-2向E延伸到海域后, 走向上大致平行海岸线继续向NE方向延伸(图1), 在运动学特征上很可能仍保持着北盘上升、 南盘下降的特点, 并引起沃德一带海岸线2~3m的抬升。在构造样式上, F11-2呈现出枢纽状走滑断裂的特征。

3 讨论与小结
3.1 讨论

3.1.1 地震构造

2016年凯库拉MW7.8地震至少使12条断裂产生了m量级的地表位错(Hamling et al., 2017), 这些地震地表破裂带分布在1个长约170km、 宽35km的范围内, 总体呈NE-SW走向。虽然不同地段地震地表破裂带走向变化较大, 但大致可分为NE-NEE向和NNW-近SN向2组。在运动学特征上, NE-NEE向断裂以右旋走滑为主, 略显逆断性质; NNW-近SN向断裂以逆断裂活动性质为主。Kaiser等(2017)对2, 383次1.6级以上余震重新定位的结果表明: 余震分布在NE-SW方向上, 密集成带; 主震震源机制解以逆断裂性质为主, 4次MW≥ 6.0的余震中有3次以右旋走滑为主, 其他166次4级以上余震的震源机制力学性质也可分为以逆断裂为主和以走滑为主的2类。

特大地震的构造复杂性同样出现在2008年汶川MS8地震地表破裂带的分布特征上(与美国加州大学洛杉矶分校尹安教授的私人讨论)。2008年汶川MS8地震形成了不同方向、 不同性质的地震地表破裂带(徐锡伟等, 2008), 同时产生了新生地震断裂(邓起东, 2008); 地表破裂带还突破了青藏高原东部边界, 扩展到相对稳定的四川盆地内(杨晓平等, 2009)。这些特大地震地表破裂带的复杂性反映了地表活动断裂与深部发震构造之间复杂的对应关系。对于2008年汶川地震, 徐锡伟等(2008)认为地表破裂带与深部逆断层多席体滑动有关, 徐杰等(2010)强调了沿龙门山断裂带新生的地壳深部断裂构成了汶川地震的发震构造。2016年凯库拉地震地表破裂带的复杂性很可能也与其特殊的深部构造有关, 此次地震发生在太平洋板块与澳大利亚板块斜向会聚边界带, 深部构造表现为1个NEE向走滑性质的板块边界转换系统(图8下图)。在该转换系统的持续作用下, 上地壳在与该系统小角度交切的NE-SW方向上产生的脆性破裂应为右旋走滑运动性质, 而在与该系统大角度交切的近SN-NWW向上的脆性破裂应以逆断裂性质为主(图8上图)。伴随着地震破裂过程和传播, 这2组断裂在地表的断续分布与相互交切构成了凯库拉地震地表破裂带复杂图像的基本特征。

图8 新西兰2016年凯库拉MW7.8地震构造模式图Fig. 8 The seismotectonic model of the 2016 MW7.8 Kaikoura earthquake, New Zealand.

Wesnousky(2006)曾认为1个4~5km宽的阶区可以阻止地震破裂的扩展, 可以看作2个独立的发震构造之间的界限区。Stirling等(2002, 2012)在2016年凯库拉地震地表破裂带分布范围内划分了2个活动性质和强度存在显著差异的地震构造区, 确定了不少于5个独立的活动断裂线状潜在震源区。在12条地震地表断裂中, 尤其是在霍普断裂南侧的地震地表断裂, 如贺姆普斯断裂(F1)、 南里德尔断裂(F2)、 北里德尔断裂(F3)、 查威断裂(F5)和帕帕提断裂(F9)等, 在分布位置和断裂走向上都与Stirling等(2002, 2012)确定的线状潜在震源区存在显著差异。 因此, Hamling等(2017)和Kaiser等(2017)认为凯库拉地震地表破裂带在一些地段表现出了明显的新生性, 突破了原先对活动断裂发育特征的认识。2008年汶川地震和2016年凯库拉地震等特大地震构造的复杂性表明: 需要重新考虑在确定性或概率性地震危险性分析中, 基于地表活动断裂进行地震构造模型建立、 潜在震源区划分以及相关的计算分析, 这直接关系到核电厂、 大型水电站等重大工程项目的地震安全性问题。

3.1.2 与活动断裂避让带相关的科学问题

目前, 一般的抗震设计措施还难以有效减轻地震地表断裂对地面建(构)筑物的直接破坏(韩竹军等, 2000; 徐锡伟, 2006)。通过地震活动断裂探测, 在确定其分布位置和运动性质的基础上, 划定地震活动断裂避让带, 一直是国内外地震地质学家服务于社会的重要途径之一(徐锡伟等, 2016)。2016年凯库拉地震地表破裂带基本特征与分布宽度的初步分析表明, 地震活动断裂避让带的划分是一项非常有挑战性的工作, 还存在一些科学问题需要解决。

与地震活动断裂避让带划分相关的科学问题包括: 1)如何确定未来大震地表破裂带的组合特征与变形带宽度?把走滑断裂单侧最小避让距离确定为15m有1个前提条件, 即需要准确厘定地表构造变形带的分布特征(徐锡伟等, 2016)。凯库拉地震走滑类地表断裂的分布特征表明: 满足这样1个前提条件有时是非常困难的。在凯库拉地震中, 走滑类地表破裂带的组合特征非常复杂, 主要表现为3种形式: 雁列、 分叉和平行分布。其中雁列地表破裂(段)既可以表现为数m至数十m尺度上的张剪性破裂与鼓包、 挤压剪切破裂组合, 也可表现为百余m长的左阶斜列张剪性破裂组合; 地表破裂段之间阶区规模差异明显, 可以是数十m、 数百m到数km不等。平行的地表破裂(段)可以相距数m、 数十m至数km。枢纽状走滑断裂导致的断裂倾向变化, 也会影响断裂两侧破坏效应的差异。2)如何合理评估地震地表破裂带对已知活动断裂分布格局的突破?凯库拉地震地表破裂带对已知活动断裂分布格局的突破也是一种比较显著的特点。这种突破既可以是在原先认为不活动的断裂上或没有活动断裂的位置上产生了地表破裂带, 也可以是在走向或横向上突破了先前认识到的活动断裂分布范围。3)如何在地震地表破裂带分布范围内划分活动断裂避让带?在凯库拉地震中, 地震地表破裂带可以分布在宽度达35km的范围内。虽然把地震地表破裂带归并到12条主要断裂上, 但每条断裂又由多条次级断裂构成, 构成了1个非常复杂的地震地表破裂网络图像。大震原地复发的活动习性应该只是针对孕震构造而言的, 在地表可以形成规模类似的地震断裂带, 对于带内的1条具体地表活动断裂而言, 在下一次大震中可以重复发生断裂, 也可能停止活动。在汶川地震中, 如果考虑地震地表破裂带向四川盆地的扩展(杨晓平等, 2009), 地震地表破裂带也分布在宽度达30km左右的范围内。1条具体的地表活动断裂可能只是1次特大地震事件中多条地震地表断裂中的1条, 它可以与其他发现或未发现的活动断裂一起活动, 分布在宽度达30km左右的范围内。特殊建(构)筑物、 重大工程等对于可能发生特大地震活动断裂的避让距离, 需要开展专项研究。

3.2 小结

通过对2016年现场实际调查材料的分析, 并结合前期同行的工作成果, 可以获得如下一些初步认识:

(1)2016年凯库拉MW7.8地震地表破裂带分布在1个长约170km、 宽35km的范围内, 总体呈NE-SW走向, 至少有12条断裂产生了m量级的地表位错, 跨过了2个活动方式与活动强度存在明显差异的地震构造区。地震地表断裂大致可分为NE-NEE向和NNW-近SN向2组, NE-NEE向断裂之间的贯通性差, 最大间隔距离为25~30km, 即使首尾相连, 走向上也有约30° 的差异, 运动性质以右旋走滑为主, 最大位错量10~12m; NNW-近SN向断裂近于平行分布, 相距可达40~50km, 以逆断裂活动性质为主, 最大垂直位错量5~6m。

(2)在凯库拉地震中, 走滑类地表破裂带的组合特征非常复杂, 主要表现为3种形式: 雁列、 分叉和平行分布。其中, 雁列地表破裂(段)既可以表现为数m至数十m尺度上的张剪性破裂与鼓包、 挤压剪切破裂组合, 也可表现为百余m长的左阶斜列张剪性破裂组合; 地表破裂段之间阶区规模差异明显, 可以是数十m、 数百m到数km不等。平行的地表破裂(段)可以相距数m、 数十m至数km。

(3)凯库拉地震地表破裂带对已知活动断裂分布格局的突破也是一种比较显著的特点, 既可以是在原先认为不活动的断裂上或没有活动断裂的位置上产生了地表破裂带, 也可以是在走向或横向上突破了先前认识到的活动断裂分布范围。

2016年凯库拉地震复杂的地表破裂带分布特征, 在如何理解地表活动断裂与深部发震构造之间复杂的对应关系以及跨地震活动断裂的抗震设防等方面都提出了一些新的科学问题。本文的分析研究还是初步的, 但愿能够起到抛砖引玉的作用, 促进对相关问题更深入的讨论和研究。

致谢 在现场调查中, 与新西兰GHD Limited工程地质学家Dick Beetham以及英国University of Sheffield的Eddie Rhodes教授进行了有益的讨论, 特此致谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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