引用本文
徐伟, 杨源源, 袁兆德, 刘志成, 高战武. 华山山前断裂断错地貌及晚第四纪活动性[J]. 地震地质, 2017,39(3): 587-604.
XU Wei, YANG Yuan-yuan, YUAN Zhao-de, LIU Zhi-cheng, GAO Zhan-wu. LATE QUATERNARY FAULTED LANDFORMS AND FAULT ACTIVITY OF THE HUASHAN PIEDMONT FAULT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(3): 587-604.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.03.011
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华山山前断裂断错地貌及晚第四纪活动性
徐伟1, 杨源源2, 袁兆德1, 刘志成1, 高战武1,*
1 中国地震灾害防御中心, 北京 100029
2 安徽省地震局, 合肥 230031
*通讯作者: 高战武, 副研究员, E-mail: 515214334@qq.com。

〔作者简介〕 徐伟, 男, 1986年生, 2011年于中国地震局地壳应力研究所获活动构造专业硕士学位,现主要从事地震地质、 活动构造、 第四纪地貌研究, 电话: 13426220213, E-mail: xwazhy@163.com。

收稿日期: 2016-04-27
基金项目: 地震科技星火计划项目(XH15053Y)与中国重点监视防御区活动断层地震危险性评价项目: 华山山前断裂地质填图(14406033402)共同资助
摘要

基于华山山前断裂 1:5万活动断层填图成果, 对断裂沿线地层地貌、 断层三角面、 河流阶地、 陡坎地貌以及典型断错剖面等进行了详细的研究。研究表明: 1)华山山前断裂按几何结构、 断错地貌表现分西段(蓝田—华县段)、 中段(华县—华阴段)及东段(华阴—灵宝段)3段; 2)西段及东段断裂错断了T2阶地及马兰黄土, T1阶地跨断裂连续, 测年结果表明, T2阶地形成于晚更新世中期, T1阶地形成于全新世早期, 由此得出西段及东段断裂在晚更新世有过活动, 全新世以来活动弱或不活动; 3)中段断错地貌显著, 河谷两侧发育Ⅲ级阶地, 跨断裂阶地均被错断, 测年结果表明: T1阶地形成于2~3ka,BP, T2阶地形成于6~7ka,BP, T3阶地形成于60~70ka,BP, 结合阶地陡坎高度, 得出不同时段的平均垂直滑动速率: T3—T2时期0.4mm/a; T2—T1时期1.1mm/a; T1以来1.6mm/a; 4)中段在晚更新世晚期以来发生过多次活动, 在石堤峪、 沟峪等地见漫滩陡坎, 结合文化层及炭样年龄, 可知漫滩形成于距今400~600a, 对比历史地震资料, 漫滩陡坎应为华县1556年地震的遗迹; 5)结合前人研究认为, 公元1556年华县 8$\frac{1}{2}$级地震的发震构造为华山山前断裂及渭南塬前断裂, 其它断裂是否参与有待进一步研究。

关键词: 华山山前断裂; 断错地貌; 晚第四纪; 活动性
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)03-0587-18
LATE QUATERNARY FAULTED LANDFORMS AND FAULT ACTIVITY OF THE HUASHAN PIEDMONT FAULT
XU Wei1, YANG Yuan-yuan2, YUAN Zhao-de1, LIU Zhi-cheng1, GAO Zhan-wu1
1 China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China
2 Anhui Earthquake Administration, Hefei 230031, China
Abstract

Based on the 1:50000 active fault geological mapping, combining with high-precision remote imaging, field geological investigation and dating technique, the paper investigates the stratum, topography and faulted landforms of the Huashan Piedmont Fault. Research shows that the Huashan Piedmont Fault can be divided into Lantian to Huaxian section (the west section), Huaxian to Huayin section (the middle section) and Huayin to Lingbao section (the east section) according to the respective different fault activity.
The fault in Lantian to Huaxian section is mainly contacted by loess and bedrock. Bedrock fault plane has already become unsmooth and mirror surfaces or striations can not be seen due to the erosion of running water and wind. 10~20m high fault scarps can be seen ahead of mountain in the north section near Mayu gully and Qiaoyu gully, and we can see Malan loess faulted profiles in some gully walls. In this section terraces are mainly composed of T1 and T2 which formed in the early stage of Holocene and late Pleistocene respectively. Field investigation shows that T1 is continuous and T2 is dislocated across the fault. These indicate that in this section the fault has been active in the late Pleistocene and its activity becomes weaker or no longer active after that.
In the section between Huaxian and Huayin, neotectonics is very obvious, fault triangular facets are clearly visible and fault scarps are in linear distribution. Terrace T1, T2 and T3 develop well on both sides of most gullies. Dating data shows that T1 forms in 2~3ka,BP, T2 forms in 6~7ka,BP, and T3 forms in 60~70ka,BP. All terraces are faulted in this section, combing with average ages and scarp heights of terraces, we calculate the average vertical slip rates during the period of T3 to T2, T2 to T1 and since the formation of T1, which are 0.4mm/a, 1.1mm/a and 1.6mm/a, and among them, 1.1mm/a can roughly represent as the average vertical slip rate since the middle stage of Holocene. Fault has been active several times since the late period of late Pleistocene according to fault profiles, in addition, Tanyu west trench also reveals the dislocation of the culture layer of(0.31~0.27)a,BP. 1~2m high scarps of floodplains which formed in(400~600)a,BP can be seen at Shidiyu gully and Gouyu gully. In contrast with historical earthquake data, we consider that the faulted culture layer exposed by Tanyu west trench and the scarps of floodplains are the remains of Huanxian MS8$\frac{1}{2}$ earthquake.
The fault in Huayin to Lingbao section is also mainly contacted by loess and mountain bedrock. Malan loess faulted profiles can be seen at many river outlets of mountains. Terrace geomorphic feature is similar with that in the west section, T1 is covered by thin incompact Holocene sand loam, and T2 is covered by Malan loess. OSL dating shows that T2 formed in the early to middle stage of late Pleistocene. Field investigation shows that T1 is continuous and T2 is dislocated across the fault. These also indicate that in this section fault was active in the late Pleistocene and its activity becomes weaker or no longer active since Holocene.
According to this study combined with former researches, we incline to the view that the seismogenic structure of Huanxian MS8$\frac{1}{2}$ earthquake is the Huashan Piedmont Fault and the Northern Margin Fault of Weinan Loess, as for whether there are other faults or not awaits further study.

Keyword: Huashan Piedmont Fault; faulted landform; late Quaternary; fault activity
0 引言

华山山前断裂为渭河盆地东南部1条大型边界断裂(图1), 断裂西起蓝田, 向NE至华县转成近EW向, 经华阴、 潼关止于灵宝, 全长约180km。断裂晚第四纪以来活动显著, 华县至华阴段全新世以来仍持续强烈活动, 该段发生了公元1556年 8$\frac{1}{2}$级地震, 造成了超过83万人的死亡(单修政, 1988; 宋立胜, 1989), 一直以来都是学者们关注的焦点。

图1 渭河盆地及其周缘断裂展布图
F1 华山山前断裂, F2 渭南塬前断裂, F3 骊山山前断裂, F4 秦岭北缘断裂, F5 临潼-长安断裂, F6 渭河断裂, F7 扶风-三原-蒲城断裂, F8 泾阳-渭南断裂, F9 益店-乾县-美原断裂, F10 口镇-关山断裂, F11 中条山北麓断裂, F12 潼关塬西缘断裂, F13 铁炉子断裂, F14 温塘断裂; 1 桥峪南剖面, 2 马峪北剖面, 3 李家坡剖面, 4 潭峪西剖面, 5 上安探槽剖面, 6 马跑泉剖面, 7 宋家埝剖面, 8 文峪剖面Fig. 1 Fault distribution map of Weihe Basin and its surrounding areas.

前人对该断裂开展了诸多的研究, 包括古地震、 断裂活动性、 1556年地震及地震引发的次生灾害等, 取得了大量的研究成果(郭增建, 1957; 李祥根等, 1983; 程谦恭, 1988; 张安良等, 1989; 李永善等, 1992; 周可兴等, 1998; 李昭淑等, 2007; 原廷宏等, 2010)。近年来, 随着高分辨率遥感影像、 大比例尺地貌测量以及测年技术在活动构造中的广泛应用, 学者们对该断裂展开了更为精细的研究, 杨源源等(2012)通过阶地位错测量及年代约束, 得出断裂华县— 华阴段距今6, 000~2, 000a平均滑动速率为1.5mm/a; Rao等(2014)根据晚更新世晚期及全新世阶地的位错值估计的华县— 华阴段滑动速率集中于2~3mm/a; Li等(2015)根据华县李家坡剖面及阶地位错揭露出全新世以来的3次古地震事件, 并得出全新世以来滑动速率为1.6~2.7mm/a; 杜建军等(2013)通过对华县莲花寺古滑坡体上覆的黄土测年得出其至少形成于18.7 万a前。总体而言, 前人研究的重点还仅局限在华县— 华阴段, 未对断裂全段的活动性有系统的认识。本文依托于华山山前断裂 1:5万地质填图成果, 对断裂开展了详细的地质地貌调查, 对典型断错地貌进行了大比例尺测量, 采集了大量的阶地年代样品, 清理了多处地质剖面, 结合前人研究, 对断裂晚第四纪以来的活动特征进行了分析。

1 区域构造背景

渭河盆地作为中国大陆典型的新生代断陷盆地, 处于秦岭造山带及鄂尔多斯块体之间(图1), 现代地壳活动非常强烈, 新生代以来形成了西安、 固市2个第四纪坳陷中心(韩恒悦等, 1987)。

渭河盆地是汾渭地震带的重要组成部分, 盆地内部地震活动性强。该区域是中国地震记载最早最为详细的地区之一, 从公元前1177年岐周地震至今3ka来, 共记载地震243次, 其中5级以上地震26次, 6级以上地震8次, 最大震级地震为公元1556年华县 8 $\frac{1}{2}$级地震(王景明, 1983)。

渭河盆地自始新世开始断陷沉降接受沉积, 秦岭也在50Ma, BP左右快速隆升(Liu et al., 2013), 这与中国东部强烈伸展裂陷、 断陷盆地发育同步(Zhang et al., 2003; 袁宝印等, 2012); 渐新世晚期和中新世早期, 渭河断陷带由断陷沉降转为隆起, 受周缘整体抬升作用影响, 沉积范围逐渐缩小, 这一阶段秦岭发生明显的抬升作用以及强烈的夷平作用, 地形愈加平缓, 高差变小(Zhang et al., 2003; 王斌等, 2013); 晚中新世— 上新世渭河盆地断陷作用明显加强, 盆地的快速沉降和秦岭10Ma, BP左右的快速隆升时间上基本一致, 由于渭河盆地内部断裂开始发生明显的上升和下降运动, 奠定了不对称复式地堑的格局(Wang, 1987; Liu et al., 2013); 第四纪以来, 渭河盆地基本继承了上新世的风格(王斌等, 2013)。

华山山前断裂为渭河盆地东南部1条大型边界断裂, 断裂南侧为强烈上升的华山断块, 主要由前寒武系变质岩及不同时期侵入的花岗岩组成, 华山山体的抬升始于始新世, 快速抬升主要在新生代后期(万景林等, 2000)。裂变径迹测量结果表明, 华山地区从距今68.2Ma以来就开始持续整体抬升, 并呈快慢交替进行, 目前华山地区处于相对快速抬升阶段, 抬升速率约为0.19mm/a(尹功明等, 2001)。断裂北侧为黄土塬、 渭河Ⅰ 、Ⅱ 级阶地及晚更新世以来的冲洪积扇及洪积扇裙。根据地质及钻井资料分析, 华山山前断裂形成于古近纪以前, 始新世以来, 断裂带南侧的华山断块一直在强烈上升, 古近纪、新近纪夷平面抬升到海拔2, 000m以上; 断裂带北侧固市断块一直相对下沉, 始新世以前的夷平面已埋至地面5, 000m以下, 整个断裂带的错距超过8, 000m(李永善等, 1992)。

2 地层地貌特征

华山山前断裂南侧为强烈上升的华山断块, 主要由太古界黑云母斜长片麻岩、 角闪片麻岩夹角闪黑云母片岩及中生代至新生代黑云母花岗岩构成, 海拔高度集中在1, 000~1, 500m, 华山主峰高2, 154m, 断裂以北为黄土塬及冲洪积地貌, 不同部位地形地貌特征各异。

蓝田至华县一带山前主要为黄土塬地貌(图1b)。中部受骊山隆起抬升, 地势相对于南北两侧高数百m, 骊山隆起西高东低, 靠近华山山前断裂一侧黄土堆积较厚, 沟谷底部见基岩及古近系、新近系湖相层和红黏土, 上覆厚层黄土夹条带状古土壤。骊山隆起以北为渭南黄土塬, 顶面地势平坦, 沟谷深切, 局部见下更新统湖相地层, 较大的河流出山后形成宽阔的冲积阶地。骊山隆起以南同为黄土塬, 塬面往盆地方向地势逐渐降低, 灞河上游自道沟峪、 流峪一带出山后下切黄土形成宽阔的冲积阶地。蓝田至华县一带阶地主要表现为T1及T2阶地, 其中T1阶地分布广泛, 在一些大沟沟口两侧及山前均有展布, T2阶地零星分布于基岩区沟谷两侧(图3a, b)。T1阶地拔河3~5m, 砾石有磨圆, 分选一般, 上覆0.5~1m厚的全新世土层, 在灞河上游流峪出山口测得T1阶地年龄为(6.4± 2.9)ka, 雷祥义等(1992)在灞河一带测得T1阶地的年龄为(8.8± 1.2)ka, 表明阶地形成于全新世。T2阶地拔河10~15m, 砾石上覆3~5m厚的马兰黄土, 阶地形成于晚更新世。

华县至华阴一带山前为洪积扇及渭河冲积地貌(图2), 山间沟谷两侧发育多级阶地, 主要表现为T1、 T2及T3阶地。 其中T1阶地大都呈窄条状平行于沟谷分布在两侧, T2及T3阶地在沟口附近展布较宽, 形成洪积阶地, 往上游逐渐尖灭(图3c, d)。T1阶地拔河3~5m, 砾石上覆的松散状土层厚1~2m, 砾石磨圆好, 分选一般; T2阶地分布广泛, 拔河7~10m, 砾石上覆2~3m厚的松散土层, 其间可见砖块、 布纹瓦等文化层; T3阶地拔河30~40m, 砾石磨圆次棱角状至次圆状, 分选一般, 上覆3~5m厚的黄土状亚砂土层(表1)。为获取阶地的年代, 我们在不同部位对阶地进行了采样分析, 测年结果表明: T1阶地集中在2~3ka, BP, 形成于全新世晚期; T2阶地集中在6~7ka, BP, 形成于全新世中期; T3阶地平均年代在60~70ka, BP, 形成于晚更新世早中期。

图2 华县至华阴一带水系及山前洪积扇地貌Fig. 2 Rivers and piedmont pluvial fans in the region between Huaxian and Huayin.

图3 断裂沿线典型部位地层地貌展布图
1 地层符号: Qh3al 上全新统冲积, Qh3pl上全新统洪积, Qh2al中全新统冲积, Qh2pl中全新统洪积, Qh1al下全新统冲积, Qh1—2al中下全新统冲积, Qp3al上更新统冲积, Qp3eol上更新统风积, Qp2—3eol中上更新统风积, N新近系, Ar太古宇; 2 新生代黑云母花岗岩; 3 中生代黑云母花岗岩; 4阶地: T1Ⅰ 级阶地, T2Ⅱ 级阶地, T3Ⅲ 级阶地; 5断裂; 6水系(地层地貌具体位置见图1b)Fig. 3 Typical stratigraphic and geomorphic maps along the fault.

表1 华县至华阴一带典型部位阶地特征及年代 Table1 Characters and ages of typical terraces in the region between Huaxian and Huayin

与阶地对应, 华县至华阴一带山前发育3期洪积扇(图2)。第Ⅰ 期洪积扇分布最为广泛, 其前缘距山前3~4km, 坡度1° ~2° , 扇体部分被后期洪积扇埋藏, 前缘与渭河冲积平原相接, 该期洪积扇上覆5~10m厚的黄土, 方山峪山前该期洪积扇上覆的亚砂土测年结果为(53.9± 2.0)ka, BP, 表明洪积扇形成于晚更新世早中期, 为T3阶地同期形成的洪积扇; 第Ⅱ 期洪积扇叠覆于第I期洪积扇之上, 前缘距山前2~2.5km, 坡度3° ~4° , 该期洪积扇砾石磨圆好, 上覆2~3m厚的灰黑色松散状亚砂土, 砾石层间夹杂10~20cm厚的亚砂土层, 仙峪山前该期洪积扇距地表约6m的砾石层下第1层亚砂土测年结果为(19.82± 2.54)ka, BP, 洪积扇的年代晚于该年代, 对比T2阶地物质组成及年代, 推测该期洪积扇的形成时代与T2阶地同步; 第Ⅲ 期洪积扇分布范围最小, 其前缘距山前0.5~1.5km, 坡度最大, 达5° ~6° , 洪积砾石磨圆次棱角状至次圆状, 分选差, 上覆厚度< 1m的深灰色松散状土层, 杜峪山前该期洪积扇上覆的亚砂土层底部的年代为(2.76± 0.02)ka, BP, 为T1阶地同期形成的洪积扇。

华阴至灵宝一带山前主要为潼关黄土塬地貌(图1b)。黄土塬主体为中更新世至晚更新世黄土, 顶面地势平坦, 往山前逐渐抬升, 山体附近坡度最大。由于黄土松散, 柱状节理发育, 受水系下切及风蚀作用, 多数部位已成沟壑地貌, 在一些大的沟谷两壁, 可见黄土夹层状棕红、 红褐色古土壤层。阶地在该段的地貌表现与蓝田至华县一带类似, 主要表现为T1及T2阶地(图3e, f)。T1阶地在山间展布较窄, 出山后形成宽阔的冲积扇, 以太峪、 大峪、 大湖峪一带较为典型, T1阶地拔河3~5m, 砾石上覆0.5~1m厚的松散状土层; T2阶地零星展布于沟谷两侧, 拔河10~15m, 上覆3~5m厚的马兰黄土, 文峪及大峪一带T2阶地上覆的黄土年龄分别为(52± 1.6)ka, BP及(106.9± 12)ka, BP, 表明阶地形成于晚更新世早中期。

3 断错地貌特征

华山山前断裂全长约180km, 不同部位断错地貌特征各异。蓝田至华县一带, 主要表现为黄土与基岩的断层接触, 在靠近基岩处地貌可见断层错断黄土形成的黄土断层陡坎, 局部地区冲沟壁见黄土断错剖面; 华县至华阴一带, 新构造活动非常明显, 断层三角面显著, 镜面清晰, 擦痕醒目, 断层陡崖线性展布, 断裂沿线冲沟发育, 阶地跨断层均被断错, 出山口可见5~10m高的阶地陡坎; 华阴至灵宝一带断错地貌特征与蓝田至华县一带类似, 主要表现为黄土与基岩的断层接触, 在宋家埝、 文峪、 灵湖峪等多个部位可见断层错断黄土剖面, 在大的冲沟沟口可见断层错断T2阶地形成的阶地陡坎。

3.1 断层三角面

断层活动形成断层崖, 当断层崖受到与之垂直方向水流的侵蚀切割时, 会形成沿断层走向分布的一系列三角形陡崖, 即断层三角面, 它是用来指示断层活动强弱的标志。

断裂沿线断层三角面以华县至华阴一带最为清晰、 显著(图4), 根据遥感影像判读及野外调查, 该段基岩断层三角面地貌可分3— 4期。最新1期在海拔500~700m之间, 地貌上保存着非常完整的N倾50° ~60° 的基岩断层三角面, 镜面清晰, 擦痕醒目, 上覆薄层晚更新世及全新世黄土; 在海拔700~1, 200m之间, 还可发现2— 3期更老、 更大但已遭受剥蚀的断层三角面痕迹, 经长期剥蚀已变成坡度较缓的山坡。

图4 华县至华阴一带山前断层三角面
a 潭峪东; b 莲花寺南Fig. 4 Typical fault triangular facets of Huaxian to Huayin section.

蓝田至华县及华阴至灵宝一带三角面形态仍很清晰, 但很难识别出多期。多数部位黄土塬后缘已经覆盖至基岩断面之上, 由于长期遭受剥蚀基岩断面已变成坡度较缓的山坡, 坡度40° ~50° , 基岩断面表面凹凸不平, 看不出明显的镜面和擦痕。

3.2 黄土陡坎

黄土陡坎在全段断续分布。蓝田至华县及华阴至灵宝一带, 山前主要为黄土塬地貌, 断层活动错断黄土塬后缘, 地貌可见10~20m高的黄土断层陡坎。华县至华阴一带, 黄土零散分布于基岩之上, 断裂沿线远离冲沟部位可见陡立的黄土断层陡崖, 坎高10~15m, 以李家坡及马跑泉一带较为典型。

3.3 阶地陡坎

断裂沿线冲沟发育, 在一些大的沟谷两侧及沟口附近发育多级阶地。阶地发育以华县至华阴一带最为典型; 蓝田至华县及华阴至灵宝一带, 阶地仅在一些大的河谷两侧可见。

华县至华阴一带阶地在出山后均被错断, 地貌上表现为4~10m高的断层陡坎, 为更直观地展示华县至华阴一带沟谷两侧阶地形态及前缘陡坎地貌, 在太平峪、 潭峪、 瓮峪等多个部位进行大比例尺阶地地貌面(图5)及阶地陡坎线(图6)测量, 结果表明: T1、 T2、 T3阶地面距陡坎前缘洪积扇后缘的垂直高度分别为3~5m、 8~10m、 30~40m。

图5 华县至华阴一带典型部位阶地陡坎大比例尺测量(等高距1m)
a 太平峪; b 水峪; c 潭峪; d 杜峪Fig. 5 Typical large scale measurements of terrace scarps in the region between Huaxian and Huayin.

图6 水峪及潭峪西侧阶地陡坎测量Fig. 6 Line measurements across terrace scarps at the west side of Shuiyu gully and Tanyu gully.

蓝田至华县及华阴至灵宝一带T1阶地出山后在山前展布较宽, 跨断裂部位地层连续(图3a, e), T2阶地被错断。大峪及桥峪南一带在出山口T2阶地前缘可见8~10m高的阶地陡坎。

3.4 漫滩陡坎

漫滩为断裂沿线最年轻的一级地貌面, 分布于沟床两侧。砾石磨圆好, 上覆现代土壤层, 厚度普遍不足0.5m。在沟峪、 葱峪、 瓮峪、 杜峪等部位见漫滩砾石层顶部含有宋代瓷片及元代、 明代瓦片和陶片, 表明该级地貌面的形成年代距今400~600a(李永善等, 1992)。

华县至华阴一带, 断层最新活动错断了漫滩, 形成漫滩陡坎, 由于受水流冲蚀与人为改造, 仅在石堤峪、 沟峪及大夫峪等部位见残存的漫滩陡坎, 高度在1~2m。沟峪沟口漫滩陡坎高2m, 陡坎南、 北两侧砾石层顶部的炭样年代分别为0.50~0.31ka, BP及0.54~0.51ka, BP, 表明断裂的最新活动发生在该时期以来。对比历史地震资料可知, 漫滩陡坎只可能是公元1556年华县 8 $\frac{1}{2}$级地震的遗迹。

3.5 典型断错剖面

蓝田至华县一带, 马峪北及桥峪南地貌上表现为10~20m高的地形陡坎, 在冲沟壁可见黄土断错剖面(图7a, b), 断面清晰, 见正倾滑擦痕, 剖面揭示断层错断了离石黄土、 冲洪积砾石层及上覆的马兰黄土, 桥峪南剖面(图7b)上盘上部年代样测年结果为(33.5± 7.2)ka, BP, 表明断裂在晚更新世有过活动。华阴至灵宝一带, 断裂沿线多处见黄土断错剖面, 以宋家埝及文峪剖面较为典型(图7c, d), 断面清晰, 断层错断了马兰黄土, 在宋家埝剖面及文峪剖面上盘上部采集了年代样, 测年结果分别为36.49~35.63ka, BP及(52.1± 1.6)ka, BP, 表明断裂在晚更新世中晚期有过活动。

图7 蓝田— 华县及华阴— 灵宝段典型断层剖面
1 断层, 2 太古界片麻岩, 3 离石黄土, 4 马兰黄土, 5 冲洪积砾石, 6 光释光采样点, 7 炭样采样点; a 马峪北断层剖面, b 桥峪南断层剖面, c 宋家埝断层剖面, d 文峪断层剖面(剖面位置见图1b)Fig. 7 Typical fault profiles of Lantian to Huaxian section and Huayin to Lingbao section.

华县至华阴一带, 断错地貌显著, 主要表现为冲洪积砾石层被错断, 为更好地揭露断错剖面特征, 对李家坡剖面进行了清理, 在上安村南、 潭峪西等部位进行了探槽开挖, 均较好地揭露出了断层。以下对典型剖面进行介绍。

3.5.1 李家坡剖面

李家坡村南, 横跨T2同期洪积阶地陡坎人为挖沙揭露了多处断错剖面, 对其中的一处进行了挂网清绘(图8a)。剖面揭露了多套地层, 具体为: 层(1)砾石层, 分选一般, 有磨圆, 粒径集中在3~5cm; 层(2)亚砂土层, 棕黄色, 质硬, 底部混有少量碎石; 层(3)砾石层, 见水平层理, 粗细相间, 粒径集中在3~5cm, 大者可达15~20cm; 层(4)砾石层, 岩性特征同层(3); 层(5)亚砂土层, 质地疏松, 厚2m; 层(6)亚砂土层, 松散, 富含炭样; 层(7)断层带, 宽20~40cm, 见砾石斜向下定向排列。剖面揭示了2条断层F1、 F2, 断层F1错断了层(1)及层(2), 为上覆的层(3)所覆盖, 根据层(2)顶部的炭样年龄(24.48~24.00ka), 可知断层F1的活动时代在晚更新世晚期以来; 断层F2错断了层(3)、 层(4)及上覆的层(5)、 层(6), 根据层(6)的炭样年龄(6.18~5.99ka), 可知断层F2在全新世中期以来有过活动, 断距达6.3m, 全新世中期以来垂直滑动速率为1mm/a。这么大的断距以及宽20~40cm的断层带表明断层F2在全新世中期以来活动过多次。

图8 华县至华阴一带典型断层剖面
a 李家坡剖面, b 上安探槽剖面, c 潭峪西探槽剖面, d 马跑泉剖面; 1 断层, 2 太古界片麻岩, 3 离石黄土, 4 马兰黄土, 5 砾石层, 6 光释光采样点, 7 炭样采样点(剖面位置见图1b)Fig. 8 Typical fault profiles between Huaxian and Huayin.

3.5.2 上安探槽剖面

上安至方山峪一带, T2同期洪积陡坎线性展布, 坎高7~8m。在上安村南跨陡坎开挖了1个探槽(图8b), 由于开挖位置远离沟口, 剖面揭露的地层以亚砂土为主, 具体地层为: 层(1)亚黏土层, 棕红色, 质硬, 夹少量粒径在5~10cm的钙质结核; 层(2)砾石层, 见水平层理, 砾石有磨圆, 粒径以3~5cm居多, 砾石层间夹杂粗砂; 层(3)亚砂土、 亚黏土层, 棕红色, 质硬; 层(4)砾石、 亚黏土混杂堆积, 砾石磨圆差, 粒径集中在3~5cm; 层(5)亚砂土层, 灰黄色, 质纯, 上部的光释光年代为(24.8± 2.59)ka, BP; 层(6)砾石层, 分选差, 磨圆棱角状至次棱角状, 粒径以1~2cm为主, 岩性为片麻岩夹少量钙结核, 在中部取1个炭样, 测得结果为6.28~6.18ka, BP; 层(7)亚砂土层, 松散, 质纯。剖面揭示了2条断层F1、 F2, 断层F1错断了层(5)及更老的地层, 为层(6)所覆盖, 根据层(5)上部光释光及层(6)中部的炭样年代, 可知断层F1在晚更新世晚期以来有过活动, 其活动时代限定在24.8~6.18ka, BP; 断层F2错断了层(6)及上覆的层(7), 根据层(6)中部的炭样年代, 可知断层F2在全新世中期以来有过活动, 断层错断了T2阶地砾石层, 断距达7.3m, 全新世中期以来垂直滑动速率为1.2mm/a。

3.5.3 潭峪西探槽剖面

水峪至潭峪一带, 阶地陡坎发育, 在潭峪以西约300m处横跨T2阶地陡坎开挖了1个探槽(图8c)。剖面揭露了多套地层, 具体为: 层(1)砾石层, 分选差, 磨圆好, 粒径集中在10~15cm; 层(2)含碎石亚黏土层, 砾石粒径以0.5cm居多; 层(3)砾石层, 杂乱, 棱角状, 粒径0.5~1cm; 层(4)砾石层, 杂乱, 呈楔状, 粒径集中在10~20cm, 往剖面右侧逐渐变小; 层(5)含碎石亚黏土层, 碎石以灰绿色片麻岩为主, 夹杂白色钙质结核, 粒径集中在0.5~1cm; 层(6)亚黏土层, 偶见碎石, 在中部见瓦片、 砖块等文化层, 富含炭粒; 层(7)人工堆积。剖面揭示了2条断层F1、 F2, 断层F1错断了层(1)— (4), 为层(5)所覆盖, 层(4)或为断层F1活动形成的崩积楔, 根据层(4)底部光释光及其上覆的层(5)底部炭样的测试结果, 将断层F1的活动时代限定在11.6~7.55ka, BP; 断层F2错断了层(5)及上覆的层(6), 根据层(6)中部的炭样年代0.31~0.27ka, BP, 推测在该年代之后发生过历史地震, 考虑到测年误差, 对比历史地震资料, 此次事件只可能是公元1556年华县 8 $\frac{1}{2}$级地震。

3.5.4 马跑泉剖面

马跑泉一带, 黄土堆积较厚, 地貌上可见15~20m高的黄土断层陡坎。马跑泉村南, 冲沟沟口靠近基岩处揭露1处断层剖面(图8d), 剖面揭露的地层为: 层(1)花岗片麻岩; 层(2)棕黄色黄土, 质纯, 隐约见条带状棕红色古土壤; 层(3)砾石层, 分选一般, 磨圆次棱角状, 粒径集中在1~3cm; 层(4)棕黄色黄土, 夹杂细砾石, 柱状节理发育。剖面揭露了2条断层F1、 F2, F1为基岩断层, 断面光滑, 见正倾滑擦痕; F2错断了层(3)及上覆的层(4), 根据层(4)底部的炭样年代(14.15~13.94ka, BP), 可知断层F1在晚更新世末期以来有过活动。

4 断裂活动性

按断裂的几何结构、 断错地貌特征将断裂划分为蓝田— 华县段(西段)、 华县— 华阴段(中段)、 华阴— 灵宝段(东段)3段。各段活动性如下:

4.1 蓝田— 华县段

该段全长64km, 总体呈近NE走向, 断面倾向NW。断层迹线清晰, 表现为山前黄土塬、 高阶地冲洪积与基岩山体的断层接触, 基岩断面长期受流水、 风蚀等作用, 表面已凹凸不平, 看不出明显的镜面及擦痕。在该段北部的马峪及桥峪一带, 地表可见10~20m高的断层陡坎, 沟壁见断层错断晚更新世马兰黄土剖面。该段阶地主要表现为T1及T2阶地, 其中T1阶地分布广泛, 在一些大沟沟口两侧及山前均有展布, T2阶地零星分布于基岩区沟谷两侧, T1阶地形成于全新世早期, T2阶地上覆马兰黄土, 形成于晚更新世, 野外调查发现, T1阶地跨断层连续, T2阶地被断错, 坎高8~10m。表明蓝田— 华县段断裂在晚更新世有过活动, 全新世以来活动弱或不活动。

4.2 华县— 华阴段

该段全长40km, 总体呈近EW走向, 断面N倾。沿断裂, 新构造运动特征非常明显, 断层三角面清晰可见, 断层陡崖线性展布。

山间沟谷两侧发育3级阶地T1、 T2、 T3, 山前发育与阶地对应的3期洪积扇。测年数据表明, T1阶地形成于全新世晚期(2~3ka, BP), T2阶地形成于全新世中期(6~7ka, BP), T3阶地形成于晚更新世中期(60~70ka, BP)。断裂沿线, 阶地或洪积阶地均被错断, 可见线性展布的断层陡崖。

剖面揭示该段在晚更新世晚期以来发生过多次活动, 李家坡剖面及上安探槽剖面均揭示了约6ka, BP以来的构造事件, 垂直位错在6~7m, 潭峪西探槽还揭示距今0.31~0.27ka的文化层被错断。在石堤峪、 沟峪、 大夫峪等部位, 见漫滩被错断形成的1~2m高的漫滩陡坎, 漫滩砾石层上部含有宋代至明代的文化层, 表明漫滩形成于距今400~600a(李永善等, 1992), 沟峪漫滩陡坎两侧砾石层顶部炭样年代为0.54~0.31ka, BP, 考虑到测年误差及该区域在距今约500a的时间内仅记载了1次历史地震, 故潭峪西探槽揭露的文化层断错及漫滩陡坎应为公元1556年华县 8 $\frac{1}{2}$级地震的遗迹。

由此, 得出该段断裂晚第四纪以来活动较强, 晚更新世晚期以来发生过多次活动, 最新的活动为公元1556年华县 8 $\frac{1}{2}$级地震。

4.3 华阴— 灵宝段

该段全长74km, 断层总体呈近EW走向, 断面N倾。山前为潼关黄土塬, 断裂主要表现为基岩与黄土的断层接触, 断层三角面清晰。在宋家埝、 文峪、 小湖峪、 灵湖峪等多个部位见断层错断晚更新世马兰黄土剖面。该段阶地地貌特征与蓝田至华县段类似, T1阶地上覆薄层松散状全新统亚砂土, T2阶地上覆马兰黄土, 大峪及文峪一带光释光测年结果表明T2阶地形成于晚更新世早中期。野外调查发现T1阶地跨断层连续, T2阶地被错断, 大峪沟口T2阶地前缘可见10m高的断层陡坎。表明华阴至灵宝段断裂在晚更新世有过活动, 全新世活动弱或不活动。

5 讨论与结论
5.1 公元1556年华县 8 $\frac{1}{2}$级地震的发震构造

关于此次地震的发震构造, 一直都是学者们关注的焦点, 多数学者研究认为是华山山前断裂或华山山前断裂与渭南塬前断裂的共同作用导致了这次地震(郭增建, 1957; 张安良等, 1989; 李永善等, 1992; 原廷宏等, 2010; 杨源源等, 2012; Rao et al., 2014, 2015), 也有学者认为此次地震的发震构造不只是华山山前断裂, 而是大致沿黄河分布的NNE向右旋走滑断裂带及其南北端相反方向的渭河拉分盆地和运城、 临猗一带的张性地堑、 地垒带, 由它们共同组合而成的走滑型发震构造带(环文林等, 2003)。

野外调查发现, 华山山前断裂华县— 华阴段断裂沿线普遍发育4~10m高的阶地陡坎, 在石堤峪、 沟峪等沟口最新的漫滩亦被错断, 文化层及测年数据表明, 该段在距今约500a以来发生过构造事件, 对比历史地震, 此次构造事件只可能是华县1556年 8 $\frac{1}{2}$级地震, 李家坡剖面及上安探槽剖面揭露的砾石层被错断7m, 表明活动过多次, 最新的活动很有可能是华县1556年 8 $\frac{1}{2}$级地震。

但华山山前断裂华县至华阴段全长仅40km, 就1次8级地震的发震规模而言, 40km长的断裂尚不足以形成这么强的地震。渭南塬前断裂长约55km, 在华县石堤峪至马峪一带与华山山前断裂相连, 断裂沿线阶地均被断错, 最新活动错断了漫滩, 在沋河、 赤水河、 金堆峪等部位较为典型。野外考证, 赤水河、 金堆峪等地沟口漫滩砾石层内含有晚唐至元代的瓷片, 表明漫滩的形成晚于元代, 断裂活动错断漫滩, 形成2~3m高的陡坎, 与历史地震资料对比, 也只可能是1556年华县地震的产物(李永善等, 1992)。最近, 在赤水峪西开挖的探槽揭示最新的事件年代在1360— 1388AD, 考虑到测年误差, 应为公元1556年华县地震(Rao et al., 2015)。

综合前人及本次研究, 我们认为公元1556年华县 8 $\frac{1}{2}$级地震为华山山前断裂与渭南塬前断裂共同活动造成, 是否有其他断裂参与, 有待进一步研究。

5.2 华县— 华阴段滑动速率

有关华县— 华阴段断裂的滑动速率, 前人开展过诸多研究。李祥根等(1983)根据华山北坡全新世地层切割及10~20m高的地貌陡坎断差, 认为全新世以来的滑动速率为1~2mm/a; 张安良等(1989)根据T1阶地及T2阶地的位错值结合渭河及其支流阶地的年代, 估算出在距今6, 000a及距今2, 700a以来的滑动速率分别为0.6~2.0mm/a 及0.5~2.3mm/a; 李永善等(1992)通过多组文物样品鉴定及3个14C年龄样测定结合断层陡坎高度得出断裂的平均滑动速率为2.4mm/a; 杨源源等(2012)通过阶地位错测量及年代约束, 计算得出距今6, 000~2, 000a的平均滑动速率为1.5mm/a; Rao等(2014)根据晚更新世晚期及全新世阶地的位错值估计的滑动速率为2.1~5.7mm/a, 集中于2~3mm/a; Li等(2015)根据太平峪及水峪一带的阶地年代及陡坎高度, 计算出全新世以来的滑动速率为1.67~2.71mm/a。

考虑到测年误差, 本次工作对华县— 华阴段各级阶地采集了大量的年代样品, 较好地厘定了阶地的形成时代: T1 2~3ka, BP、 T2 6~7ka, BP、 T3 60~70ka, BP, 对典型部位进行了大比例尺地貌面测量, 得出T1、 T2、 T3阶地面距山前洪积扇后缘的垂直高度分别为: 3~5m、 8~10m、 30~40m(表2)。测年结果表明, 离山体最近的洪积扇与T1阶地同时期形成, 由此结合阶地年代及陡坎高度计算得出T1阶地形成以来的平均垂直滑动速率在1.6mm/a。由于更高的阶地断错以后被后期的洪积物埋藏, 因此, 其阶地面距山前洪积扇后缘的高度尚不能代表其真实的垂直断距。但如果根据相邻级别阶地高差及阶地年代间隔, 则可以求出相邻级别阶地之间的平均垂直滑动速率, 实际计算过程中还要去除阶地砾石上覆的亚砂土层厚度, 由此, 计算得出, T3至T2时期及T2至T1时期平均垂直滑动速率值分别为: 0.4mm/a 及1.1mm/a(表3)。

表2 不同级别阶地的垂直高度及年代 Table2 Vertical heights and ages of different level terraces
表3 不同时段的平均垂直滑动速率 Table3 Average vertical slip rates of different periods

T1以来的滑动速率由于受华县1556年地震同震位移的放大作用, 数值可能偏大, T2— T1时期平均垂直滑动速率值1.1mm/a 大致可以代表华县— 华阴段的全新世中期以来的平均垂直滑动速率, 李家坡剖面及上安探槽剖面亦揭示全新世中期以来断层的垂直滑动速率在1~1.2mm/a。该数值与前人研究相比, 存在一定的差异, 前人的研究主要集中在某一点位或某一地区, 而本次研究计算出来的数值则代表华县— 华阴段的平均值。

5.3 结论

(1)华山山前断裂按几何结构、 断错地貌表现分为蓝田— 华县段(西段)、 华县— 华阴段(中段)及华阴— 灵宝段(东段)3段。

(2)蓝田— 华县段及华阴— 灵宝段断层错断了晚更新世黄土及T2阶地, T1阶地跨断裂连续, 断裂的最新活动发生在晚更新世, 全新世以来活动弱或没有活动。

(3)华县— 华阴段晚更新世以来断层活动显著, 全新世仍强烈活动。根据阶地陡坎及年代得出该段T3— T2时期、 T2— T1时期及T1阶地形成以来的平均垂直滑动速率分别为: 0.4mm/a、 1.1mm/a 及1.6mm/a, 其中1.1mm/a 大致可以代表华县至华阴段全新世中期以来的平均垂直滑动速率。

(4)华县— 华阴段晚更新世晚期以来发生过多次活动, 最新的活动为公元1556年华县 8$\frac{1}{2}$级地震。此次地震为华山山前断裂与渭南塬前断裂共同活动造成, 是否有其他断裂参与有待进一步研究。

致谢 感谢审稿专家对论文提出的宝贵意见; 文中的光释光样年代由中国地震局地质研究所新构造与年代实验室测试完成, 炭样年代由美国Beta年代实验室测试完成: 在此一并表示感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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