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Journal of Geophysical Research-Solid Earth:基于断错位移累积的贺兰山西麓断裂强震活动特性研究

2020-06-30

随着地震事件的不断发生,断裂沿线被断错地貌体(如被断错的冲沟、河流阶地等)所累积的位移也不断增加,不同的位移累积分别记录了断裂在不同阶段的强震活动历史。因此,通过建立断裂沿线的断错位移分布与累积特征,能够恢复断裂的活动历史,了解断层的活动特性,并重建断裂带上的强震复发规律,对地震预测和减轻地震及地质灾害具有非常重要的意义。近年来,摄影测量方法等现代遥感技术快速发展,为获取断裂区高精度、高分辨率的地形地貌数据提供了可能,也为建立断裂沿线密集可靠的断错位移累积分布特征提供了全新的技术手段。

贺兰山西麓断裂处于青藏高原、阿拉善和鄂尔多斯三大地块的复合交接部位,构造位置非常特殊。前人通过野外实地考察和测量,确定了贺兰山西麓断裂是一条右旋走滑兼逆冲的全新世活动断裂,并通过断裂中段的组合探槽揭示了3次古地震事件。但是,由于探槽开挖位置选择的合理性以及测年精度的限制,导致利用探槽技术揭露的古地震研究结果存在一定的不完整性和不确定性。针对此问题,新构造年代学研究室毕海芸副研究员等利用2018年7月5日编程采集的WorldView-3卫星全色波段0.5 m分辨率的立体像对,基于摄影测量方法获取了贺兰山西麓断裂区2 m分辨率的DEM数据。由于该区域常年有云覆盖,编程采集的影像有两个区域云量覆盖比较严重,后续又利用小型无人机进行了影像数据的补充采集,基于“Structure from Motion”(SfM)方法生成了两个有云覆盖区域0.1 m分辨率的DEM数据。基于高分辨率的地形地貌数据,沿断裂进行了精细的构造地貌解译和密集的断错位移测量,最终沿断裂共获取了180个水平位移的测量值和201个垂直位移的测量值(图1),并对断裂不同段落的位移测量值进行了统计分析(图2和图3),在此基础上对断裂的强震活动历史和活动特性进行了恢复与重建。研究得到了以下认识与结论:

(1) 断裂的水平位移在25 m以内呈现出了6个丛集,这些位移丛集值基本上均为3的倍数,垂直位移在8 m以内同样也呈现出了6个丛集,这些位移丛集值基本上均为1的倍数,表明在该断裂上至少发生过6次强震事件且这些地震事件的复发遵循特征地震模式,水平特征位移约为3 m,垂直特征位移约为1 m。

(2) 通过重建最近几次强震事件的位移分布发现,这些强震事件突破了断裂中段和南段之间的阶区以及段落内部的几何弯曲,同时破裂了断裂的中段和南段,最小的破裂长度约为59 km;由于我们的影像数据只覆盖了断裂的中段和南段,如果考虑为全段破裂,最大破裂长度约为86 km,平均水平同震位移约为3 m,最终估算得到地震的震级约为Mw 7.1~7.5。

(3) 通过重建贺兰山西麓断裂的位移累积分布,我们发现断裂的累积位移呈现出了一个非对称的分布,位移的最大值出现在断裂南段的中央,然后向北逐渐减小,根据前人的研究结论,可以推断贺兰山西麓断裂是从南往北不断侧向生长和发育的,断裂南段的成熟度更高,因此未来该断裂上地震事件的最大同震位移也有可能出现在断裂的南段。

(4) 通过对水平位移和垂直位移分别进行统计分析,发现两者所反映出的断裂的活动特性具有很好的一致性,其中断裂的水平特征位移约为3 m,垂直特征位移约为1 m,水平位移和垂直位移的比例约为3:1,表明断裂的运动方式以水平运动为主,兼有一定的垂直分量。此外,由于不同级别的位移均存在这个现象,表明断裂在一定的时间尺度内始终保持着同样的运动方式,水平位移和垂直位移的比例一直稳定在3:1左右。

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图1 贺兰山西麓断裂的水平位移(a)和垂直位移(b)分布特征

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图2 贺兰山西麓断裂中段的位移分布特征及相应的位移概率密度分布

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图3 贺兰山西麓断裂南段的位移分布特征及相应的位移概率密度分布

以上研究成果发表于国际期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》(Haiyun Bi, Wenjun Zheng, Qiyun Lei, Peizhen Zhang, Jiangyuan Zeng, & Gan Chen (2020). Surface slip distribution along the West Helanshan Fault, Northern China and its implications for fault behavior. doi: 10.1029/2020JB019983.

原文链接: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020JB019983