引用本文
雷惊昊, 李有利, 胡秀, 辛伟林, 熊建国, 钟岳志. 东大河阶地陡坎对民乐-大马营断裂垂直滑动速率的指示[J]. 地震地质, 2017,39(6): 1256-1266.
LEI Jing-hao, LI You-li, HU Xiu, XIN Wei-lin, XIONG Jian-guo, ZHONG Yue-zhi. VERTICAL SLIP RATE OF MINLE-DAMAYING FAULT INDICATED BY SCARPS ON TERRACES OF DONGDA RIVER[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(6): 1256-1266.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.06.011
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东大河阶地陡坎对民乐-大马营断裂垂直滑动速率的指示
雷惊昊1, 李有利1,*, 胡秀1, 辛伟林1, 熊建国1,2, 钟岳志1
1 北京大学, 城市与环境学院地表过程重点实验室, 北京 100871
2 中山大学, 地球科学与工程学院, 广州 510275
*通讯作者: 李有利, 男, 教授, E-mail: liyouli@pku.edu. cn。

〔作者简介〕 雷惊昊, 男, 1989年出生, 北京大学自然地理学专业在读博士研究生, 现主要研究方向为构造地貌学, 电话: 15120082019, E-mail: skatetangshan@vip.126.com。

收稿日期: 2017-09-01
基金项目: 中国地震局地震行业科研专项(201408023)与国家自然科学基金(41571001)共同资助
摘要

祁连山北缘冲断带位于祁连山北缘与走廊盆地群的交界处, 其中民乐-大马营断裂位于冲断带的东段民乐盆地和武威盆地之中, 是民乐盆地南缘断裂。东大河由北至南横穿民乐-大马营断裂东段。其上游的支流横穿断层, 其中的斜河发育了形态完整的阶地(T1—T6), 被断层错断并在各级阶地上形成了形迹明显的断层陡坎。各级阶地上的陡坎走向近EW, 并且由老至新高度依次降低, 反映了断层位移量的累积。为了获得陡坎的横剖面, 利用无人机对被错断的阶地实施了0.52km2范围内的扫描, 生成了高精度的数字高程模型(DEM)影像, 并利用它提取了各级阶地的横剖面形态。根据Thompson等(2002)的模式对各级阶地的上、 下盘面分别进行线性拟合, 通过蒙特卡洛模拟得到T6—T3的位错量95%置信区间分别为13.26~15.67m、 9.74~10.13m、 5.86~7.35m和5.03~5.60m。为了得到河流阶地的年代数据, 在各级阶地的河流相砾石层顶部进行14C采样, 此位置的14C年龄代表了阶地离开水面的年龄。获得T6—T2的年龄(Cal BP)分别为 (16 405±210)a、 (11 197±45)a、 (5 697.5±52.5)a、 (4 470.5±54.5)a和 (3 137.5±77.5)a。利用各级阶地上陡坎的位错量和年代数据, 对民乐-大马营断裂的垂直滑动速率线性拟合的结果为(0.91±0.09)mm/a, 是1条全新世活动断裂。为人口稠密的民乐和永昌地区地震危险性分析提供了重要的地震活动性参数。

关键词: 民乐-大马营断裂; 东大河阶地; 断层陡坎; 垂直滑动速率
中图分类号:P546 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)06-1256-11
VERTICAL SLIP RATE OF MINLE-DAMAYING FAULT INDICATED BY SCARPS ON TERRACES OF DONGDA RIVER
LEI Jing-hao1, LI You-li1, HU Xiu1, XIN Wei-lin1, XIONG Jian-guo1,2, ZHONG Yue-zhi1
1)College of Urban and Environmental Science, Peking University, Beijing 100871, China
2)School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China
Abstract

The Qilianshan north-edge thrust(QNT)is located at the boundary between the northern margin of the Qilianshan mountain and Hexi Corridor, with a length over 700km. The Minle-Damaying fault(MDF), trending NWW, is part of the eastern section of the QNT, cutting through the Minle and Wuwei Basins. Hexi Corridor is a region of intense seismic activities, where many large earthquakes have been documented in history, such as the M7.5 Gaotai earthquake in 180, M8.5 Haiyuan earthquake in 1920, M8.0 Gulang earthquake in 1927 and the M7.6 Changma earthquake in 1932. While, there is no seismic record on the MDF. The Dongda River flows across the MDF from south to north. One of the tributary of the Dongda River, Xie River, has very well preserved terraces(T6-T1)which were offset by the MDF. On these terraces, there is clear trace of scarps, of which the height increases from terraces T3 to T6, indicating an accumulation of offset with time. In order to acquire the cross-section of scarps, unmanned aerial vehicle(UAV)scanning was implemented. With a digital camera mounted on, the UAV scanned an area of 0.52km2 and digital elevation model(DEM)was generated with an accuracy of 0.2m vertically. The Thompson's method was utilized to conduct linear regressions on both the hanging wall and foot wall of the fault. The difference between the intercepts of the regression lines with the vertical line going through the intersection of the scarp surface on the fault surface is considered as the vertical offset. Terraces from T6 to T3 are very well preserved where MFD intercepts the Xie river, while T2 and T1 are badly eroded at the same location. Utilizing the cross-sections extracted from high resolution DEM, we estimate that the vertical offsets of T6-T3 are 13.26~15.67m, 9.74~10.13m, 5.86~7.35m and 5.03~5.60m, respectively, with 95%confidence interval. From the offsets of terraces, at least 4 paleo-seismic events are indentified. Terraces were dated by the AMS14C dating, yielding ages(cal BP)of T6-T2 as (16 405±210)a, (111 975±21)a, (5 697.5±210)a, (4 470.5±54.5)a and (3 137.5±77.5)a. Liner regression was performed for the relation between the ages and the offsets of terraces, resulting in the average vertical slip rate of MDF since the formation of T6 as 0.91 average v. As the dip of MDF is about 35°, the shortening rate is estimated to be (1.3±0.13)mm/a. This study provides important parameters for the analysis of seismic activity in heavily populated Minle and Yongchang areas.

Keyword: Minle-Damaying fault; offset terraces of Xie River; fault scarp; vertical slip rate
0 引言

河西走廊位于青藏高原东北缘, 为祁连山与北山之间长约1, 000km、 宽60~70km 的狭长地带(刘峡等, 2003)。在其南北两侧受2条NWW向的深大断裂控制, 内部被1组NNW向的断裂切割, 形成山、 盆相间的地貌景观(蔡厚维, 1987)。位于河西走廊盆地群南缘的祁连山北缘断裂带是中国西北的1条巨型活动构造, 走向NWW。 该冲断带的西端与阿尔金山走滑构造体系相交; 向东穿过肃南、 古浪、 景泰、 海源, 止于六盘山断裂; 全长1, 000余km(业成之, 1990; 杨树锋等, 2007)。民乐-大马营断裂位于祁连山北缘断裂东段, 是民乐盆地南缘断裂。

前人对晚更新世— 全新世以来的祁连山北缘断裂的滑动速率进行了研究, 获得了不同断裂的滑动速率。如旱峡-大黄沟断裂垂直滑动速率约为0.25mm/a(Zheng et al., 2013); 玉门断裂为0.18~0.25mm/a(闵伟等, 2002); 佛洞庙-红崖子断裂的西段和中段约为1.6mm/a和1.3mm/a(杨海波, 2016); 榆木山为0.5~0.8mm/a(Palumbo et al., 2009; 郑文俊, 2009; Seong et al., 2011); 张掖逆断裂垂直滑动速率为0.6~0.9mm/a, 水平缩短速率为0.4~1.1mm/a(Hetzel et al., 2004)。对于民乐-大马营断裂, 前人研究发现有少量陡坎分布于马营河以西的老洪积扇上, 但在全新世洪积扇上未发现陡坎(中国地震局地质研究所, 1993), 因而认为民乐-大马营断裂在晚更新世有活动, 而全新世以来活动并不明显(中国地震局兰州地震研究所, 2000)。

东大河上游斜河穿越断层处各阶地均发育形迹明显的断层陡坎, 本文通过测量不同陡坎的高度并对其进行测年, 研究断层晚更新世以来的垂直滑动速率。本研究对于探索祁连山抬升与向N推挤的速率具有重要的理论意义, 也可为区域地震危险性分析提供依据。

1 区域构造背景

祁连山位于青藏高原东北边缘, 长约850km(贾文雄等, 2008); 北接河西走廊, 南邻柴达木盆地, 西至阿尔金山, 东至六盘山, 海拔4, 000~6, 000m, 很多山峰海拔超过5, 000m, 最高峰为海拔5, 826.8m的团结峰(戚帮申等, 2015)。临近区域由北向南可以划分为阿拉善地块、 北祁连山缝合带、 祁连地块、 柴北缘超压变质带。由于祁连山受到印度板块和欧亚板块强烈碰撞远距离效应的影响, 古造山带重新活动, 造山带向NE方向冲断, 形成祁连山北缘冲断带, 发育了河西走廊盆地群(杨树锋等, 2007)。夹在盆地群与造山带之间的是祁连山北缘冲断带。祁连山北缘断裂带位于祁连山北缘与走廊盆地群的交界处, 构成盆地沉降区和山地隆起区的分界线, 全长> 700km。地表由多条平行走向的逆断层组成, 宽数km, 包括旱峡-大黄沟断裂、 玉门断裂、 佛洞庙-红崖子断裂、 民乐-大马营断裂及冷龙岭断裂等; 大部分地表断层倾向SW, 走向NWW, 形成叠瓦状的断层组(张小军等, 2008)。民乐盆地周围发生过多次强烈地震。据蒋梅等(1997)的研究, 民乐盆地及邻近区域, 公元180— 1911年发生过2次7级以上地震, 即公元180年高台西7$\frac{1}{2}$级地震和公元1609年酒泉东南红崖、 清水堡7$\frac{1}{4}$级地震, 而民乐盆地本身并没有历史强震记录。

本文研究的目标断裂是位于祁连山北缘断裂东段的民乐-大马营断裂(图1)。断裂呈NWW向延伸, 自民乐以南玉带沟, 经扁都口、 南狐拉山东南, 至百花掌, 全长约110km, 以纯逆冲为主。断层在卫星影像上非常清晰, 线性特征非常显著。沿断层有断层陡坎分布, 但是并不连续。在民乐县炒面庄处有陡坎出露并错断冲沟阶地, 陡坎向E延伸形迹逐渐模糊, 至童子坝河附近已无明显形迹。到大马营滩大香沟附近陡坎再次出现, 并且陡坎出现在大香沟的Ⅱ 级阶地面上。断层陡坎断续向E延伸至明泉沟附近有形态保存比较完整的陡坎出露, 并错断冲沟的阶地面, 向E又逐渐消失。至肃南县皇城镇东大河出山口处, 再次有形态完整的断层陡坎出现, 在东大河T3— T6阶地面上表现出不同的陡坎高度, 反映了多次断层活动事件。

图 1 民乐-大马营断裂区域地质构造图
F1民乐-大马营断裂; F2榆木山断裂; F3皇城-双塔断裂; F4冷龙岭断裂; F5合黎山断裂; F6龙首山南缘断裂; F7河西堡-四道山断裂Fig. 1 Regional geological map of the Minle-Damaying fault.

2 研究方法
2.1 断层陡坎的测量

对断层陡坎的测量和定年是研究古地震和断层活动性非常有效的方法。民乐-大马营断裂沿线分布有断裂陡坎, 而且陡坎展布于东大河出山口处的T1— T6级阶地面上。陡坎的形态保存完好, 其高度随陡坎年龄的增加而增加, 反映了断层T6形成以来的多次活动。为了获得陡坎的高差, 也就是断层的垂直位错量, 需要沿与陡坎走向垂直的方向从上盘至下盘布置测线以获得陡坎的横剖面形态。利用陡坎的横剖面获得断层陡坎的各种几何参数用以计算断层的各种活动参数。在东大河阶地陡坎处, 使用无人机对被错断的阶地实施了0.52km2范围内的扫描。利用机载的Canon EOS 5D Mark II 相机拍摄的照片叠加生成立体影像, 再利用立体影像生成水平精度0.5m、 垂直精度0.2m的数字高程模型(DEM), 在室内可以提取陡坎横剖面测线的高程点, 并且具有非常高的精度。

取得断层陡坎的横剖面后, 利用Thompson等(2002)模式(图2)对断层的垂直位错量进行计算, 具体方法如下: 首先假设被断层错断之前, 阶地面是1个有一定坡度的平整面。然后, 把测线上所有的点都投影到与陡坎走向垂直的二维坐标面上。假设断层的上盘面、 下盘面和陡坎面在坐标面上的投影均为直线, 之后分别对三者进行线性回归得到线性公式: 上盘 yh=mhx+bh、下盘 yf=mfx+bf和陡坎面 ys=msx+bs(图2)。对于上盘面与下盘面平行的情况, 断层的垂直位错v即为上、下盘线性公式截距之差:

v=bh-bf1

Thompson et al., 2002).'>图 2 Thompson模式示意图(修改自Thompson et al., 2002)
通过上、 下盘测量点分别拟合直线, 2条直线与通过断层与陡坎面交点垂线的截距之差即为断层的垂直滑动量Fig. 2 Sketch of Thompson's method(adapted from Thompson et al., 2002).

对于上、 下盘面不平行的情况, 垂直位错量v(x)即为x的函数:

v(x)=x(mh-mf)+bh-bf2

式(2)中x的取值为断层面与陡坎面交点P(x, y)的横坐标。

2.2 阶地的定年

为了得到河流阶地的年代数据, 在各级阶地的河流相砾石层顶部进行14C采样, 此位置的14C年龄代表了阶地离开水面的年龄。本研究取得可靠年龄的14C样品共有7个。样品的测试工作由北京大学加速器质谱实验室和美国beta实验室(Beta Analytic Inc.)完成。

2.3 误差计算

本文使用蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟进行误差计算。这种误差计算方法可以同时考虑计算中所有自变量的误差, 每次计算都分别在各自变量中根据其概率分布形式进行抽样, 多次计算得到的各个计算结果构成对因变量的统计样本, 最后利用样本的概率分布得出包括置信区间在内的各统计量。对于呈对称分布的自变量如mh/f、bh/f在对其进行抽样时使用正态分布。如果断层面与陡坎面交点P(x, y)的位置未知, 则采取Thompson等(2002)建议的梯形分布:使P(x, y)在陡坎底的概率为0, 其概率增加至陡坎面$\frac{1}{3}$处最大, 最大值延续到陡坎面$\frac{1}{2}$处开始下降, 至陡坎顶部时概率衰减为0。在对断层的滑动速率进行计算时, 每次模拟抽样计算100, 000次, 取95%置信区间。

3 数据处理及结果
3.1 阶地结构和陡坎

东大河位于民乐-大马营断裂的东段。其上游的支流横穿断层, 其中的斜河发育了形态完整、 连续性较好的T1— T6阶地(图3)。在阶地横穿断层处, 各级阶地上均保存有形迹明显的陡坎。各级阶地上的陡坎走向近EW, 并且由老至新高度依次降低, 反映了断层位移量的累积。利用激光测距仪(精度0.3m)测量阶地的拔河高度并绘制阶地横剖面(图3)。

图 3 民乐-大马营断裂陡坎及斜河阶地
a 断层通过处斜河阶地卫星图; b 斜河阶地解译图及采样位置; c 阶地陡坎高精度DEM 3D图; d 斜河阶地结构图Fig. 3 Scarps of the Minle-Damaying fault and terraces on Xie River.

3.2 阶地定年

为了获取阶地的形成年代, 对各级阶地进行了取样测年(表1)。14C样品的取样位置均位于各级阶地河流相砾石顶部与细粒物质交界的部位, 这一部位的沉积物的形成年代被认为与阶地面离开水面的年代相同并视其为阶地形成的年代: 虽然没有在断层附近T6上获得14C样品, 但是由于该级阶地良好的连续性, 在断层下游6km处得到对应阶地的14C样品(样品号: 60-61-2)(图4), 年龄的95.4%置信区间为Cal BP 16.615~16.195ka。采样位置位于阶地最上层砾石顶处河流相细粒物质中, 14C样品为纤维状炭屑, 与现代植物根系炭化形成的物质明显不同, 能代表T6的形成年代, 而且其年龄所处的正是末次冰期的极盛期(LGM)(Shackleton et al., 1977)结束的时间, 与T6阶地超过20m厚的河流相砾石堆积和其在整个流域内良好的连续性及展布可能存在某种关系; T5年龄通过2个14C样品获取, 其中HC23样品年龄为(10.320± 0.08)ka, 其取样位置在陡坎上游距断层不远处, 但是取样处T5阶地面已经缩小到快要消失, 其形迹已经非常模糊。与T6一样T5在断层下游的连续性和完整性也非常好, 在断层下游15km处(图4)对应阶地砾石顶部风成黄土中取得直径4mm左右的14C样品(样品号: 74-1), 样品呈明显纤维状与现代植物根系炭化产物有明显区别, 年龄95.4%置信区间为cal BP 11.242~11.152ka, 与HC23的年龄基本一致。但是因为断层下游采样点阶地结构更加完整, 因此74-1号样品更能代表T5的年龄; T4的2个14C样品的年龄有很高的一致性, HC29和HC30年龄的置信区间分别为5, 669~5, 910a(95.4%)和5, 845~5, 830a(95%)。HC30的置信区间范围更小, 可以更好地代表T4的年龄; T3处只取得1个14C样品HC24, 其年龄为4, 525~4, 416a(95.4%); T2的阶地面在通过断层处保存情况较差, 尤其是其断层上盘的阶地面被冲沟侵蚀严重, 因此很难得到可靠的垂直位错量数据。代表其阶地年龄的14C样品HC28年龄为 (3.137± 0.077, 5)ka(95%); T1在断层处不连续, 只在断层上盘和下盘分别有出露, 因此也不能得到可靠的垂直位错量。

图 4 14C样品60-61-2及74-1采样位置
2个样品年龄均由北京大学加速器质谱实验室提供Fig. 4 Collection sites of sample 60-61-2 and sample74— 1.

表 1 斜河各级阶地测年结果 Table1 Dating results of terraces on Xie River
3.3 断层垂直位错量及滑动速率

为了获得陡坎的横剖面, 本研究利用无人机对被错断的阶地实施了0.52km2范围内的扫描, 生成了高精度的DEM影像(图3c), 并利用它提取了各级阶地的横剖面形态。根据Thompson等(2002)的模式对各级阶地的上、 下盘面分别进行线性拟合, 得到的结果如图5所示。

图 5 斜河阶地陡坎横剖面
a 阶地陡坎横剖面及位错量; b 阶地陡坎横剖面的测线Fig. 5 Cross-sections of scarps on Xie River terraces.

利用式(2)和各自变量参数的分布形态对各陡坎累积的垂直位错量及误差进行蒙特卡洛模拟计算, 计算结果取95%置信区间。经计算, 得到T6— T3垂直位错量分别为: 13.26~15.67m(95%)、 9.74~10.13m(95%)、 5.86~7.35m(95%)和5.03~5.60m(95%)(图6a)。结果显示其位错量随阶地级数增加有累积, 且大概是2.5m的倍数。

图 6 斜河阶地垂直位错量及断层滑动速率模特卡洛模拟及线性拟合结果
a中各小图中两边短竖线之间的范围为垂直位错量、 垂直滑动速率的95%置信区间, 长竖线表示的是均值; 计算结果显示, 计算结果的分布其中值和均值重合Fig. 6 Monte Carlo simulations of vertical offsets and slip rates of scarps and linear regression result of vertical slip rate.

由于Beta实验室和北京大学加速器质谱实验室没有提供各级阶地14C年龄的具体分布形态, 本研究根据其提供的结果, 把14C年龄假设成正态分布形式。在式(2)的基础上再除以年龄, 对断层的滑动速率进行模拟计算, 得到的结果如图6所示。计算结果分布的中值、 均值重合, 图中长竖线表示的是均值, 而两边短竖线之间的范围为垂直位错量的95%置信区间。计算结果显示T6— T3形成以来断层的平均滑动速率分别是: 0.81~0.96mm/a(95%)、 0.87~0.90mm/a(95%)、 1.00~1.26mm/a(95%)和1.12~1.25mm/a(95%)。

4 结论与讨论

民乐-大马营断裂错断了进入全新世以后形成的阶地(T4— T1), 因此是全新世活动断裂。通过野外测量和对断层地貌的观察, 认为该断裂以逆冲为主, 断层倾角35° , 没有发现存在走滑分量的证据。利用各级阶地上陡坎的位错量和年代数据, 对民乐-大马营断裂晚更新世以来的垂直滑动速率进行线性拟合, 得到断层垂直滑动速率为(0.91± 0.09)mm/a(图6b)。根据断层倾角, 估算其水平缩短量为(1.3± 0.13)mm/a。从计算结果中可以看出, 由T6和T5上陡坎得出的垂直滑动速率比从T4和T3陡坎得到的滑动速率低。造成这种滑动速率差异的原因可能有2个: 1)进入全新世, 民乐-大马营断裂的活动性有增强的趋势; 2)随着侵蚀作用的累加, 陡坎上盘的阶地面接受侵蚀而下盘接受堆积, 从而使上、 下盘的相对高度随时间逐渐降低, 因而较老的阶地面上陡坎的高度并不足以保存断层的实际位错量。也有可能是2种原因共同作用所致。由于断层陡坎处T2和T1的保存情况不是很好, 因此T2形成以来断层的滑动速率仍然有待研究。本研究目前只限于民乐-大马营断裂的东段, 而其西段的活动性或断层的活动性有无分段性还有待进一步的研究。由于断层在全新世仍然活动, 且通过人口稠密地区的民乐和永昌地区, 因此值得重视和进一步研究。

致谢 本研究的14C样品由北京大学加速器质谱实验室和美国beta实验室(Beta Analytic Inc.)测试, 对他们的工作表示由衷的感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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