姚 遠(yuǎn) 李 濤 劉 奇 邸 寧

1)新疆帕米爾陸內(nèi)俯沖國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100029 2)中國地震局烏魯木齊中亞研究所，烏魯木齊 830000 3)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029

0 引言

同震地質(zhì)災(zāi)害主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、砂土液化和海嘯等形式，是地震災(zāi)害最直接的表現(xiàn)，通常也是造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的最主要因素。1964年新滹MW7.5地震(Iwasaki，1986)、1964年美國阿拉斯加M9.2地震(Seed，1968)、1999年MW7.5集集地震(Linetal.，1999；Wangetal.，2003)、2008年汶川MS8.0地震(殷躍平，2008；許沖等，2009，2010；袁曉銘等，2009)、2010年青海玉樹MS7.1地震(殷躍平等，2010)和2016年阿克陶MW6.6地震(姚遠(yuǎn)等，2018；Yaoetal.，2019)等均在極震區(qū)造成了大面積地震地質(zhì)災(zāi)害，形成了大量潛在的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)。值得一提的是，地震烈度越大，則地震地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的范圍越廣、程度越強(qiáng)。因此，震后開展地震地質(zhì)災(zāi)害分布情況的調(diào)查和確定潛在災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域是目前地震現(xiàn)場評估的一項重要工作。

2020年1月19日，在中國西北部新疆維吾爾自治區(qū)的伽師縣西克爾庫勒鎮(zhèn)發(fā)生了MW6.0地震(1)https: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us60007 anp/executive。(美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS))(圖1)，本地和全球的地震臺站都記錄到了這次地震，震中位于(39.83°N，77.21°E)(2)http: ∥news.ceic.ac.cn/CC20200119212755.html。(中國地震臺網(wǎng)中心(CENC))(圖1)。距離震中最近的西克爾強(qiáng)震臺(震中以東約13.7km)記錄到了最大的峰值加速度，為633.3gal(垂直向)，這也是新疆強(qiáng)震臺網(wǎng)建立以來記錄到的最大峰值加速度值(李文倩等，2020)。USGS和CENC給出的震源機(jī)制解都反映出本次地震是一次由逆沖斷層活動引起的地震。1997—1998年伽師縣的東北側(cè)發(fā)生了伽師強(qiáng)震群，該強(qiáng)震群包括MS≥6.0地震9次、MS≥5.0地震若干次(高國英等，1997；賴院根等，2002；趙翠萍，2006)；2003年在伽師縣東北部又發(fā)生了一次MW6.3地震(圖1)。2020年發(fā)生的伽師地震是繼巴楚-伽師地震后的又一次強(qiáng)震。幸運的是，震中距離人口密集地區(qū)較遠(yuǎn)，加之多年以來富民安居工程的推廣，并未造成大范圍的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

伽師地震發(fā)生后，中國地震局和新疆地震局立即啟動了Ⅱ級響應(yīng)，組織并調(diào)動專業(yè)技術(shù)人員趕赴災(zāi)區(qū)，進(jìn)行地震烈度評定、災(zāi)害損失評估和地震地質(zhì)科學(xué)考察工作。作者作為烈度評定和科考小組主要成員參與了本次地震的現(xiàn)場科學(xué)考察工作，本文即總結(jié)了該次現(xiàn)場工作和科學(xué)考察的主要成果。

圖1 南天山柯坪塔格前陸沖斷帶的DEM影像、主要構(gòu)造及地震Fig.1 Digital elevation model(DEM，30m)，structures and historical earthquakes in the Kepingtage fold-and-thrust belt.地震目錄和震源機(jī)制解來自于中國地震臺網(wǎng)中心1990—2020年的地震目錄。KPT 柯坪逆斷裂；AZT 奧茲格爾塔烏逆斷裂；TAT 塔塔埃爾塔格逆斷裂；KFT 科克布克山前斷裂；YMT 衣木干他烏逆斷裂；AYT 奧衣布拉克逆斷裂；PFT 皮羌山前斷裂； PQF 皮羌斷裂；KKTM A 科克塔烏背斜；MTL A 木圖勒背斜；ATS A 阿圖什背斜

1 構(gòu)造背景

遠(yuǎn)離板塊邊界(距離為1i000～2i000km)的天山是世界上最年輕的陸內(nèi)造山帶之一，也是中亞地震活動最為頻繁而強(qiáng)烈的地區(qū)。橫跨天山西段的最新GPS測量結(jié)果表明，其現(xiàn)今地殼縮短速率為19～20mm/a(Abdrakhmatovetal.，1996；Wangetal.，2000)，幾乎是印度板塊現(xiàn)今向N推擠速率的一半。不少學(xué)者認(rèn)為天山的內(nèi)陸變形是印度板塊與歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)所致(Avouacetal.，1993；Hendfixetal.，1994；張培震等，1996；Burchfieletal.，1999；陳杰等，2000；鄧起東等，2000)。地質(zhì)學(xué)和地震學(xué)的研究表明，晚新生代以來天山主要以擠壓構(gòu)造變形為主，變形主要被南北天山山前EW走向的逆斷裂-褶皺帶吸收。柯坪塔格推覆構(gòu)造就是南天山新構(gòu)造運動與變形最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，該區(qū)域的GPS測量速率約為20mm/a(李杰，2012)，且強(qiáng)震頻發(fā)，1997—1998年發(fā)生了伽師強(qiáng)震群(9次MS≥6.0地震和若干次MS≥5.0地震)，2003年發(fā)生了巴楚-伽師MW6.3地震。這種在同一地區(qū)短時間連續(xù)發(fā)生強(qiáng)震的震群活動是大陸地區(qū)未曾有過的，也是20世紀(jì)罕見的板內(nèi)地震現(xiàn)象。

圖2 a 柯坪逆斷裂的地質(zhì)構(gòu)造圖；b 地質(zhì)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).

1.1 2020年伽師地震的發(fā)震構(gòu)造

伽師地震的震源機(jī)制解、余震精定位分布以及InSAR同震形變場顯示，地震引起的同震形變分布在柯坪塔格FTB的南緣，主要集中在KPT和AZT之間的褶皺帶內(nèi)(圖2a)，運動性質(zhì)主要為垂直壓縮變形，同震變形滑動主要集中在4～6km深度內(nèi)，這與USGS給出的震源深度(5.6±3)km近似。USGS給出的震源機(jī)制解的斷層傾角為9°，地震反射剖面解譯得到的KPT的傾角為15°。綜合分析以上數(shù)據(jù)可知，由震源機(jī)制解獲得的發(fā)震深度、斷層傾角和InSAR反演以及地震反射剖面解譯的結(jié)果高度一致，故認(rèn)為伽師地震的發(fā)震構(gòu)造是位于柯坪塔格FTB最前緣(南端)的KPT，即低角度的逆沖斷層(圖2b)(Yaoetal.，2020)。

前人結(jié)合地震剖面和地表地質(zhì)研究(Yinetal.，1998；Allenetal.，1999；鄧起東等，2000；劉啟元等，2000；張先康等，2002)表明，柯坪塔格FTB內(nèi)的斷裂均為近EW—NEE走向的向S或SSE逆沖的上陡下緩的 “鏟式”逆斷裂，向深部歸并于6～10km深處的寒武系含泥質(zhì)巖和碳酸鹽巖(石膏層)基底滑脫面(Allenetal.，1999)。

1.2 1997—1998年伽師強(qiáng)震群和2003年巴楚-伽師地震的發(fā)震構(gòu)造

本次地震震中附近歷史上曾發(fā)生過數(shù)次中強(qiáng)地震，如1902年阿圖什8.2級地震、1997年1月21日—1998年8月發(fā)生的9次MS6以上強(qiáng)震和2003年巴楚-伽師邊界的MW6.3地震(圖1)，其中1997—1998年伽師強(qiáng)震群和2003年巴楚-伽師地震最為強(qiáng)烈、造成的損失最為嚴(yán)重。周仕勇等(2001)通過對強(qiáng)震群的精定位推斷1997—1998年伽師強(qiáng)震群的震源可能為NNW向的發(fā)震構(gòu)造。結(jié)合基于聯(lián)合反演技術(shù)得到的地震震源位置和地震區(qū)三維地殼速度結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，強(qiáng)震區(qū)存在2個深斷裂帶，其走向分別為NNE和NNW，這2條斷裂帶是這次強(qiáng)震群的發(fā)震斷裂(李松林等，2002)。根據(jù)流動臺陣記錄得到小地震精定位結(jié)果顯示，余震沿NEE向展布，發(fā)震斷裂可能是一條NEE走向的斷裂(郭飆等，2002)。綜合以上研究成果可知，1997—1998年伽師強(qiáng)震群的發(fā)震構(gòu)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-伽師MW6.3地震的震中位于伽師強(qiáng)震群的東部(圖1)，沈軍等(2006)通過衛(wèi)星影像、地形資料結(jié)合震區(qū)附近的石油物探深度剖面，對該區(qū)的深部構(gòu)造特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為巴楚-伽師地震的發(fā)震構(gòu)造是一條隱伏斷裂帶，其為NWW走向的N傾盲逆斷層，地震破裂由NW向SE、由深部向淺部擴(kuò)展至近地表；利用雙差定位方法對主震和余震進(jìn)行重新定位，分析認(rèn)為該地震及其余震的震源深度主要分布于15～25km的脆性中地殼層。

前人的研究成果顯示，上述2次強(qiáng)震(群)均發(fā)生在柯坪塔格FTB南部的塔里木盆地內(nèi)，在該區(qū)的地表未發(fā)現(xiàn)任何斷層活動的遺跡，斷層屬于隱伏狀態(tài)。

2 地震地質(zhì)災(zāi)害

根據(jù)地震精定位結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，發(fā)現(xiàn)本次地震造成的地質(zhì)災(zāi)害都集中在極震區(qū)(Ⅷ度區(qū))，主要包括地裂縫、砂土液化和崩塌。為了更好地體現(xiàn)出地質(zhì)災(zāi)害的特征，我們設(shè)置了4個野外觀察點，以便更加清楚地表述地震地質(zhì)災(zāi)害的分布特征和破壞模式。

2.1 觀察點1

該觀察點位于極震區(qū)內(nèi)喀麥高速上的西克爾互通立交附近(圖2a，3a)，位于震中東部約25km，其北部為KPT，南部為塔里木盆地，處于山盆交界的沖、洪積扇上。在該觀察點內(nèi)，地震地質(zhì)災(zāi)害主要為地震時產(chǎn)生的地裂縫，這些地裂縫斷錯了高速公路的硬化路面(圖3c，d)，具有清晰的水平和擠壓特征，且在原始的洪積扇面上也分布了大量細(xì)小的地裂縫(圖3e，f)。

為了清楚地調(diào)查這些地裂縫的分布特征，我們使用無人機(jī)對觀察點1進(jìn)行了航拍(圖3a)?；跓o人機(jī)高分辨率的影像，在原始地面上發(fā)現(xiàn)大量雜亂無章、無法辨識主次的地裂縫，裂縫寬度(1～2cm)相近，但延伸距離較長(50～100m)。由于硬化路面屬于剛性結(jié)構(gòu)，因此發(fā)育在其上的地裂縫的運動學(xué)特征尤其明顯(圖3c，d)。對這部分地裂縫進(jìn)行了詳細(xì)的測量、統(tǒng)計和描述，按照運動學(xué)性質(zhì)將其分為走滑和擠壓2種，按照運動方向可分為EW向和SN向。觀察點1內(nèi)地裂縫的主要走向為23°(圖3b)，即NEE向，這也與KPT的走向相近。SN向地裂縫的運動性質(zhì)主要為走滑，兼具一定的擠壓分量，最大右旋走滑量為0.1m(圖3c，利用路面上的白色標(biāo)線作為標(biāo)志物)；EW向地裂縫的運動性質(zhì)主要為SN向擠壓，最大抬升量為0.15～0.20m(圖3d)。

圖3 觀察點1的地裂縫特征及統(tǒng)計Fig.3 The characteristics and statistical analysis of ground fissures in observation point 1.a 觀察點1的無人機(jī)影像及地裂縫解譯圖；b 地裂縫優(yōu)勢走向的玫瑰花圖；c 公路路面被擠壓和水平位錯破壞；d 高速公路路面被SN向擠壓隆升；e 原始地貌面上的細(xì)小地裂縫；f 洪積扇上呈拉張性質(zhì)的地裂縫

2.2 觀察點2

該觀察點位于西克爾庫勒鎮(zhèn)和西克爾水庫區(qū)域內(nèi)，該區(qū)的地震地質(zhì)災(zāi)害類型主要為砂土液化和地裂縫(圖4a)。根據(jù)地裂縫的分布位置可將其分為西克爾大壩地裂縫和國道上發(fā)育的地裂縫。

圖4 觀察點2的地裂縫和砂土液化特征Fig.4 The characteristics of ground fissures and sand liquefaction in the observation point 2.a 觀察點2的地裂縫和砂土液化分布特征；b 在西克爾大壩壩頂G5地裂縫開挖探槽所揭露的最大深度為4m；c 大壩壩頂G5地裂縫的延伸特征；d L4砂土液化噴砂口呈串珠狀分布；e 最大的L3砂土液化噴砂錐，直徑約為3m；f 西克爾庫勒鎮(zhèn)西側(cè) 國道上的地裂縫特征；h 西克爾庫勒鎮(zhèn)EW向擠壓的地裂縫特征

2.2.1 地裂縫

地震發(fā)生后，我們對西克爾大壩進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)了10段不連續(xù)的縱向(SN向)裂縫(圖4a，b，c，表1)： G4位于壩前坡，G6、G7位于壩后坡，其余均位于壩頂中部，裂縫的最大寬度為5cm。開挖探槽對G5進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，為準(zhǔn)確查明裂縫的深度，在開挖探槽前，將石灰液體倒入地裂縫內(nèi)；開挖后，發(fā)現(xiàn)石灰的最大深度為4.0m(圖4b)，據(jù)此判定G5地裂縫的最大深度為4m。該地裂縫兩側(cè)呈鋸齒狀(圖4c)，未見水平錯動，屬拉張性質(zhì)裂縫。

G6和G7位于壩后新鋪設(shè)的蓋重處，寬12～15m，高 1.0～1.5m，邊坡坡比為 1︰1.5～1︰1.75，主要由含礫粉土組成，蓋重碾壓不密實，且在蓋重坡腳處連續(xù)分布低洼坑，坑深0.5～0.8m，其內(nèi)多有積水。震后蓋重邊坡發(fā)生了滑動，使得2～5m的范圍內(nèi)產(chǎn)生了多條平行分布的縱向裂縫，裂縫寬0.3～1cm。各縱向裂縫的分布位置、長度及特征見表1。

表 1 西克爾大壩的地裂縫分布特征Table 1 Characteristics of ground fissures distributed on the Xikeer reservoir dam

國道上發(fā)育的地裂縫以擠壓性質(zhì)為主，裂縫的總體走向為SN向(圖4f，h)，主要發(fā)育在硬化路面上，而國道兩側(cè)路基及原始地面上的裂縫痕跡則很少，這是由于剛性的硬化路面不能很好地吸收擠壓變形量，導(dǎo)致路面被擠壓破裂。

2.2.2 砂土液化

主要對壩后約300m范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。壩后分布較多低洼積水坑，分布范圍較大，植被茂密。僅在壩后5～700m的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了4處中—小型砂土液化現(xiàn)象(圖4a)。

L1： 在壩后蓋重中部距離壩體約10m處發(fā)現(xiàn)1處砂土液化現(xiàn)象，噴砂錐直徑約為0.4m，涉及面積約為10m2。噴出物質(zhì)以灰褐色、黃褐色粉砂、粉土為主。

L2： 位于壩后10m處，屬于小型砂土液化現(xiàn)象，以震后孔隙水溢出形式為主，噴出物質(zhì)為黃褐色粉砂、粉土為主，無細(xì)砂物質(zhì)。

L3： 位于主壩壩后700m處的低洼區(qū)域，地表有強(qiáng)烈的鹽堿化特征，在這里發(fā)現(xiàn)了大面積砂土液化現(xiàn)象。共有9處大小不一的噴砂錐，其中7處噴砂錐的直徑<0.3m，2個直徑>1.0m，最大的噴砂錐直徑約為3m(圖4e)，最小的約為0.1m，總體涉及面積約為500m2。噴出物質(zhì)以灰褐色、灰色粉砂為主。

L4： 該液化點位于壩后約5m處，為串珠狀分布的小型砂土液化現(xiàn)象(圖4d)，震后以孔隙水溢出形式為主，持續(xù)時間較長，噴出物質(zhì)以灰褐色粉砂為主(圖4d)。在震后1d(2020年1月20日)的現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該液化點局部還有微量涌水現(xiàn)象。

2.3 觀察點3

該觀察點位于西克爾庫勒鎮(zhèn)西約3km處，距離震中約10km，是距離震中最近的觀察點。該區(qū)域的地震地質(zhì)災(zāi)害也較為嚴(yán)重，同時也發(fā)育與前文所述其他2個觀察點類型不同的地震地質(zhì)災(zāi)害(圖5a)。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)沿314國道發(fā)育了大面積地裂縫，裂縫與國道呈平行展布，以S向拉張性質(zhì)為主，未發(fā)現(xiàn)明顯的水平位錯痕跡(圖5b)。裂縫寬約3cm(圖5c)，深約33cm(圖5d)，延伸長度多數(shù)為100～200m，其中最大為500m。國道南側(cè)為克孜勒河濕地，在該段還具有較高的路基填筑土，這可能是導(dǎo)致道路出現(xiàn)大面積地裂縫的原因之一。

圖5 觀察點3的地裂縫與砂土液化的分布與形成特征Fig.5 The characteristics of ground fissures and sand liquefaction in the observation point 3.a 觀察點3的地形地貌和地質(zhì)災(zāi)害分布；b 沿公路平行分布的地裂縫，總體走向近EW；c 圖b中的地裂縫，寬約3cm；d 圖b中的地裂縫，最大深度約為33cm；e、f 沿路面地裂縫涌出的液化砂土，涌出物質(zhì)為灰褐色泥質(zhì)粉砂

在該觀察點還存在另一種形式的地震地質(zhì)災(zāi)害，即液化砂土沿地裂縫涌出(圖5e，f)，在2016年的阿克陶地震后也發(fā)現(xiàn)過這種類型的地質(zhì)災(zāi)害(姚遠(yuǎn)等，2018；Yaoetal.，2019)。震后第2d(2020年1月20日)調(diào)查該區(qū)域時，發(fā)現(xiàn)路面上的地裂縫有灰褐色泥質(zhì)粉砂涌出，部分已經(jīng)干涸(圖5e)，但多數(shù)仍濕潤，說明在震后較長時間內(nèi)仍有物質(zhì)沿裂縫涌出?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)圖5f 中的地裂縫仍在緩慢地向外涌出灰褐色泥質(zhì)粉砂。

2.4 觀察點4

該觀察點呈線狀分布。調(diào)查組由柯坪塔格FTB南翼的大山口進(jìn)入(圖2a)，沿山口溝向E開展野外調(diào)查工作，地震發(fā)生時為冬季，無法進(jìn)入該區(qū)域，本文所述工作于2020年10月進(jìn)行。該觀察點位于柯坪塔格FTB內(nèi)、KPT的北翼，在山口溝及兩側(cè)的支溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量新鮮的大型、巨型基巖崩塌(圖6a)，屬于巖崩。結(jié)合地質(zhì)圖和現(xiàn)場調(diào)查分析認(rèn)為這些基巖崩塌主要為古新世和中新世的磚紅色、蒼棕色砂巖、粉砂巖和泥巖(圖2a)。

圖6 觀察點4地震崩塌的分布點和調(diào)查路線Fig.6 The distribution of earthquake caused collapse sites and survey lines in observation point 4.a 觀察點4崩塌的分布位置和調(diào)查線路；b 順地層產(chǎn)狀的中型巖石崩塌，最大崩塌物約為20m3；c 切地層發(fā)育的巖石崩塌，地層為紅褐色粉砂質(zhì)泥巖；d 切層產(chǎn)狀的巨型巖石崩塌，崩塌物約為50m3；e 切層產(chǎn)狀的巨型巖石崩塌，可見到較新鮮的 崩塌面，最大崩塌物約為100m3

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)崩塌包括順層發(fā)育(圖6b)和切層發(fā)育(圖6c—e)2種類型，本次野外調(diào)查僅在大山口附近發(fā)現(xiàn)了少量順層崩塌(圖6b)，根據(jù)崩塌面的新鮮程度和崩塌物被水流的侵蝕程度判斷，該崩塌形成于震時或震后，最大的崩塌物體積約為20m3，崩塌倒石堆占地面積約為100m2。圖6c—e為切層崩塌，部分巨型崩塌將沖溝堵塞(圖6d，e)，從沖溝的形態(tài)和溝底沉積物特征判斷該沖溝為季節(jié)性流水，而在崩塌物的表面未發(fā)現(xiàn)明顯的侵蝕、沖刷痕跡，故認(rèn)為該崩塌發(fā)育在震時或震后，這些巨型崩塌物單體體積為50～100m3，崩塌倒石堆的體積為200～300m2。

必須要說明的是，雖然目前能夠判斷山口溝內(nèi)一線的崩塌是2020年最新塌落的，但無法確認(rèn)這些崩塌是在伽師地震發(fā)生時同步塌落的，還是地震振動導(dǎo)致其臨近塌落狀態(tài)，在春夏季節(jié)的降雨、融雪等因素的作用下后期發(fā)生塌落。不過，在無振動作用下發(fā)育如此大面積的巨型巖石崩塌是不曾有過的，因此無論是同震塌落還是地震振動導(dǎo)致其達(dá)到崩塌的臨界值，2020年伽師地震都是導(dǎo)致這一系列巖石發(fā)生崩塌的主要因素。

3 初步認(rèn)識與討論

3.1 地震地質(zhì)災(zāi)害的分布特征

伽師地震是一次發(fā)生在柯坪塔格褶皺沖斷帶(FTB)前緣的地震事件，地震的發(fā)震構(gòu)造為柯坪塔格FTB最前緣(南端)的柯坪逆斷裂，該斷裂是一條低角度的逆沖斷裂，傾角為20°～40°。以InSAR反演的同震形變場、地震反射剖面解譯和余震精定位為約束(溫少妍等，2020；Yaoetal.，2020)，發(fā)現(xiàn)本次地震未破裂至地表，但強(qiáng)烈的主震和余震同樣在地表造成了一系列地震地質(zhì)災(zāi)害。

本次地震在高烈度區(qū)(Ⅷ度)造成了砂土液化、地裂縫和崩塌等地震地質(zhì)災(zāi)害。本文的3個地質(zhì)災(zāi)害觀察點(觀察點1、2、3)位于Ⅷ度區(qū)內(nèi)，觀察點4沿線的一系列大型、巨型崩塌也標(biāo)志著其烈度達(dá)到了Ⅷ度，但由于地震時未能進(jìn)入山口溝開展調(diào)查工作，地震烈度的評定主要以山前一線房屋的破壞特征和地震地質(zhì)災(zāi)害為依據(jù)，這也導(dǎo)致目前的烈度圈(Ⅷ度)北側(cè)的范圍被低估。觀察點1、2、3的地質(zhì)災(zāi)害較為類似，均是在地震的作用下生命線工程(公路、水庫等)出現(xiàn)了不同程度的破壞。觀察點1內(nèi)分布了大量由地震形成的地裂縫，根據(jù)地裂縫的走向可分為EW向和SN向，優(yōu)勢方向為N23°E。其中，EW向地裂縫主要以擠壓為主，而SN向地裂縫以擠壓兼具少量的右旋走滑為主。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)給出的震源機(jī)制解分析出現(xiàn)該特征的原因： 震源機(jī)制解顯示，本次地震的活動特征為以逆沖為主，兼具少量右旋走滑分量，這與觀察點1地裂縫的活動特征高度吻合。觀察點2的地震地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在西克爾大壩上，以砂土液化和大壩裂縫為主，使得西克爾大壩出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的損壞。觀察點1、2、3均位于山前洪積扇地帶，屬于KPT的下盤，根據(jù)逆斷裂發(fā)震的上盤效應(yīng)(彭磊，2011；何仲太等，2012)可知，其上盤造成的災(zāi)害應(yīng)遠(yuǎn)大于下盤，由于本次地震的上盤均位于柯坪塔格FTB內(nèi)，無建、構(gòu)筑物等相關(guān)設(shè)施，因此很難評價其烈度。但依據(jù)在山體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的一系列新鮮的大型、巨型崩塌估計，該區(qū)域在地震時受到的振動遠(yuǎn)大于下盤(西克爾庫勒鎮(zhèn))，也直接反映出KPT上盤的地震地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模明顯強(qiáng)于下盤。值得一提的是，這些崩塌均位于震中的正北側(cè)(圖2a)，沿調(diào)查點4線路繼續(xù)向E調(diào)查未發(fā)現(xiàn)任何崩塌(圖6a)，其分布特征與InSAR反演的地震同震形變場和余震序列的特征完全一致(李成龍等；2020；溫少妍等，2020；Yaoetal.，2020)。

3.2 西克爾大壩的破壞機(jī)理

大壩上發(fā)育的地裂縫是壩體最常見的地震破壞現(xiàn)象(Krinitzskyetal.，2002；Raghvendraetal.，2005)，幾乎在所有存在潰壩風(fēng)險或受損的高風(fēng)險大壩上都觀察到了這種地裂縫。我們在西克爾大壩壩頂也發(fā)現(xiàn)了一系列縱向地裂縫，其中大部分位于壩頂中段(圖4a—c)。壩頂?shù)亓芽p長10～900m，寬0.3～3m，最大深度為4m(表1)。此外，壩后坡的縱向裂縫也多發(fā)育在壩頂附近，但裂縫的寬度較小，裂縫面交錯分布，無明顯的水平運動痕跡，屬于拉張性地裂縫。

震后在大壩上開展了相關(guān)勘察工作，發(fā)現(xiàn)15m以上的飽和粉土質(zhì)砂和粉細(xì)砂均存在地震液化的可能，具有中—強(qiáng)透水性(圖7a)。從壩基地層結(jié)構(gòu)來看，壩基8～10m以低液限的黏土和粉土組成，具有較好的連續(xù)性，屬于弱透水層。埋深在10m以下的粉細(xì)砂雖然有液化的可能，但因上部的黏土阻隔無法溢出，初步判定壩基下部的液化地層為8m以上的飽水粉細(xì)砂層。地震時，這套地層受地震影響，砂土結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有效應(yīng)力減小，孔隙水壓力增大，而壩體屬于弱透水性，壩前坡較緩且?guī)焖惠^高，導(dǎo)致孔隙水壓力無法及時釋放，而壩后地勢低洼，當(dāng)孔隙水壓力大于上覆土壓力時局部薄弱地段的地下水溢出，形成砂土液化現(xiàn)象，這也就造成壩基土體的孔隙比減小，使得壩后坡出現(xiàn)輕微沉降。而壩前由于有庫水的壓重作用，較難發(fā)生沉降，因此壩前的水平運動量遠(yuǎn)小于壩后，這也導(dǎo)致部分壩體向下游方向旋轉(zhuǎn)，并在壩頂出現(xiàn)一系列縱向拉張裂縫，裂縫貫穿了整個壩體直至壩基(圖7b，c)。

圖7 西克爾大壩橫斷面圖及大壩裂縫的破壞機(jī)理Fig.7 Cross-section diagram of Xikeer dam and failure mechanism of dam ground fissures.a 西克爾大壩的實際橫斷面及鉆孔。深藍(lán)線為伽師地震后1d(2020年1月20日)的水位，淺藍(lán)色的間斷線為2020年4月11日的水位；b 大壩在地震后的狀況，包括大壩裂縫和砂土液化的位置；c 大壩地震后的平面圖，顯示出大壩 裂縫和砂土液化的平面位置

為了更有效、定量地分析壩體縱向裂縫的成因機(jī)制，我們對大壩進(jìn)行了動力學(xué)數(shù)值模擬(圖8a)。動力學(xué)模擬結(jié)果表明，震后壩后坡的最大水平位移(向E)為29.8cm，而壩前坡的最大水平位移(向E)為22.35cm(圖8b)。壩前坡和壩后坡的不均勻水平位移量導(dǎo)致壩體拉張開裂，在壩頂形成了大面積縱向裂縫，這也再一次印證了壩后的砂土液化導(dǎo)致壩后坡產(chǎn)生了更大的水平位移，導(dǎo)致大壩開裂。

圖8 a 西克爾大壩的網(wǎng)格劃分圖；b 大壩的水平變形矢量圖Fig.8 Grid division map of the Xikeer dam，horizontal deformation vector diagram of the dam(b).a 模型中總節(jié)點數(shù)為1i069，單元總數(shù)為1i003；b 變形矢量放大了10倍

3.3 歷史地震的疊加效應(yīng)初探

西克爾水庫始建于1958年，1959年投入使用，近60a來大量強(qiáng)震侵襲大壩，并造成了多處破壞(表2)。頻繁的地震將對大壩造成明顯的破壞(如裂縫和砂土液化等)或無法察覺的損壞。對于單次地震而言，這些無法察覺的損壞可能不會對大壩造成較大的影響。但是，正是這種無表象的損壞，使得我們在震后疏于對大壩開展精細(xì)的調(diào)查。此外，頻繁的地震作用將累積無法察覺的損壞，最終在某次地震或其他災(zāi)害(如洪水、超量降雨或鼠災(zāi)等)發(fā)生時造成大面積的破壞，甚至導(dǎo)致潰壩(Chenetal.，2014)。

我們匯總了1997—2011年以來發(fā)生在伽師震區(qū)的所有MW>5.0地震的地震烈度圖，并對其進(jìn)行了疊加處理(圖9)。從圖中能夠看出，1997—1998年的伽師強(qiáng)震群和2003年的巴楚-伽師地震(圖9 中1～9號地震)對西克爾大壩的影響均為Ⅵ度，這很好地解釋了為何伽師強(qiáng)震群和巴楚-伽師地震震后在西克爾大壩上沒有發(fā)現(xiàn)震害，而2011年的MW5.6地震卻對西克爾大壩造成了較嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致大壩的部分段落出現(xiàn)了縱向裂縫，裂縫的最大深度可達(dá)2m(表2)。這對于建設(shè)在強(qiáng)震頻發(fā)、抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度的大壩而言顯然是不應(yīng)該出現(xiàn)的現(xiàn)象。除場地條件不利的因素外，最主要的原因是1997—1998年和2003年頻繁的中—強(qiáng)(MW5～6)地震的疊加作用導(dǎo)致大壩出現(xiàn)了一些無法察覺的損壞。2011年MW5.6地震震中距離大壩較近，壩體位置的地震烈度為Ⅶ度，這也成為使得之前無法察覺的損壞發(fā)生級聯(lián)破壞的 “導(dǎo)火索”，最終對大壩造成了較為嚴(yán)重的破壞。

表 2 歷史地震對大壩造成的破壞Table 2 Damages to the dam from historical earthquakes

圖9 1997—1998年伽師強(qiáng)震群、2003年巴楚-伽師地震及2020年伽師的地震烈度疊加分析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.不同顏色的線條代表不同地震的烈度，玫紅色底色為歷次強(qiáng)震的烈度范圍，由宏觀震中向外逐漸變淡發(fā)散， 以凸顯歷次強(qiáng)震的影響范圍集中于西克爾大壩及南部區(qū)域

伽師地震的主震和余震的疊加作用，造成了西克爾水庫的大面積縱向裂縫和砂土液化現(xiàn)象。值得一提的是，砂土液化和大部分的裂縫都是由主震造成的，大量中型余震(MS>4.0)會使這些損壞更加嚴(yán)重。但對于本次地震而言，由于開展現(xiàn)場調(diào)查時主震和多數(shù)的余震均已發(fā)生，故無法判斷哪些破壞是由主震造成的，哪些是由余震加大的。在今后的地震現(xiàn)場調(diào)查、評估中，該方面的工作應(yīng)該給予更多的關(guān)注和考慮。