引用本文
庞炜, 张波, 何文贵, 吴明. 金塔南山断裂中东段古地震特征初步研究[J]. 地震地质, 2018,40(4): 801-817.
PANG Wei, ZHANG Bo, HE Wen-gui, WU Ming. PRELIMINARY STUDY OF PALEOEARTHQUAKES ON THE MIDDLE-EASTERN SEGMENT OF JINTA NANSHAN FAULT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(4): 801-817.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.04.006
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金塔南山断裂中东段古地震特征初步研究
庞炜1, 张波2,*, 何文贵2, 吴明3
1中国地震局第二监测中心, 西安 710054
2中国地震局兰州地震研究所, 兰州 730000
3陕西省地震局, 西安 710068
*通讯作者: 张波, 助理研究员, E-mail: kjwxn999@163.com。

〔作者简介〕 庞炜, 男, 1989年生, 2015年于中国地震局兰州地震研究所获构造地质学专业硕士学位, 助理工程师, 现主要从事地震地质、 工程地震研究, 电话: 18792876179, E-mail: pangwei89@126.com。

收稿日期: 2017-04-11
基金项目: 国家自然科学基金(41602225,41590860)与中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(2013IESLZ07)共同资助
摘要

金塔南山断裂位于河西走廊酒泉盆地北侧, 是青藏块体与阿拉善块体的边界断裂之一。前人仅对该断裂西段开展过古地震研究。文中基于古地震探槽研究和光释光测年等传统地震地质工作方法, 定量研究了金塔南山断裂中东段的古地震特征。通过对断裂进行系统的野外调查, 发现沿断裂沿线地层以早更新世至晚更新世洪积物为主, 全新世洪积物厚度仅几十cm。 选取发育在全新世洪积物相对较厚的洪积扇上的断层陡坎进行工作, 获得了一些初步的认识: 金塔南山断裂中东段晚第四纪以来持续活动特征明显, 全新世洪积扇上发育高0.5~1m的断层陡坎表现出了很新的活动性。多个探槽揭露出晚更新世晚期以来的4次古地震事件, 分别发生在(15.16±1.29)ka之前、 (9.9±0.5)ka之前、 6ka左右、 (3.5±0.4)ka之后。全新世中期以来, 发生过2次事件, 且2次古地震均造成断裂全段破裂。

关键词: 古地震; 金塔南山断裂; 探槽; OSL测年
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)04-0801-17
PRELIMINARY STUDY OF PALEOEARTHQUAKES ON THE MIDDLE-EASTERN SEGMENT OF JINTA NANSHAN FAULT
PANG Wei1, ZHANG Bo2, HE Wen-gui2, WU Ming3
1)The Second Monitoring and Application Center, CEA, Xi’an 710054, China;
2)Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, China
3)Shaanxi Earthquake Administration, Xi’an 710068, China;
Abstract

Hexi Corridor is located at the northeastern margin of the Tibetan plateau. Series of late Quaternary active faults are developed in this area. Numerous strong earthquakes occurred in history and nowadays. Jinta Nanshan fault is one of the boundary faults between the Qinghai-Tibet block and the Alxa block. The fault starts from the northwest of Wutongdun in the west, passes through Changshan, Yuanyangchi reservoir, Dakouzi, and ends in the east of Hongdun.
Because the Jinta Nanshan fault is a new active fault in this region, it is important to ascertain its paleoearthquakes since late Pleistocene for the earthquake risk study. Previous studies were carried out on the western part, such as field geomorphic investigation and trench excavation, which shows strong activity in Holocene on the western segment of Jinta Nanshan fault. On the basis of the above research, in this paper, we carried out satellite image interpretation, detailed investigation of faulted landforms and differential GPS survey for the whole fault. Focusing on the middle-eastern part, we studied paleoearthquakes through trench exploration on the Holocene alluvial fan and optical luminescence dating.
The main results are as follows: Early Pleistocene to late Pleistocene alluvial strata are widely developed along the fault and Holocene sediment is only about tens of centimeters thick. The Jinta Nanshan fault shows long-lasting activity since late Quaternary and reveals tens of centimeters of the lowest scarp which illustrates new strong activity on the middle-east segment of this fault. Since late Pleistocene, 4 paleoearthquakes happened respectively before(15.16±1.29)ka, before(9.9±0.5)ka, about 6ka and after(3.5±0.4)ka, revealed by 4 trenches, of which 2 are laid on relatively thicker Holocene alluvial fan. Two events occurred since middle Holocene, and both ruptured the whole fault.

Keyword: Paleoearthquake; Jinta Nanshan Fault; Trench; OSL dating
0 引言

地处青藏高原东北缘的祁连山— 河西走廊构造带活动构造密集发育、 新活动强烈、 历史地震多发, 是研究青藏高原变形方式和变形机制的天然实验室, 受到人们的广泛关注(Molnar et al., 1975; 国家地震局地质研究所等, 1993; Meyer et al., 1998; Zheng et al., 2013a; 郑文俊等, 2016)。该构造区内发生过的历史地震包括公元180年表氏7½ 级地震、 公元756年张掖-酒泉7级地震、 公元1609年红崖堡7¼ 级地震、 公元1785年惠回堡6¼ 级地震、 公元1954年山丹7¼ 级地震、 公元2002年玉门5.9级地震等(国家地震局兰州地震研究所, 1989; 国家地震局兰州地震研究所等, 1993; 何文贵等, 2004, 2010; 郑文俊, 2009; 雷中生等, 2012; Zheng et al., 2013b)。

位于走廊北缘的金塔南山是通过多期的左行平移-冲断作用把不同时代、 不同性质、 形成于不同构造环境的岩石单元会聚而成的构造堆叠体(王金荣等, 2002)。晚新生代以来, 金塔南山的抬升是金塔南山断裂逆冲活动和褶皱变形的结果(Zheng et al., 2013b; 温振玲等, 2015)。作为祁连山— 河西走廊构造带的重要组成部分, 青藏高原和阿拉善块体的边界断裂之一, 金塔南山断裂西与黑山断裂、 阿尔金断裂相接, 东与慕少梁断裂、 合黎山断裂相接(图1)。断裂西起梧桐墩西北, 向东过长山、 林场、 鸳鸯池水库、 大口子山, 终止于红墩以西, 长约65km, 整体走向近EW(图2)。晚第四纪以来断裂具有明显的逆冲活动(何文贵等, 2012; Zheng et al., 2013a), 一些研究认为其左旋走滑活动也很明显(陈文彬等, 2006; 张波等, 2016)。关于该断裂的滑动速率, 前人得到的结果差异很大, 例如Zheng等(2013a)通过晚更新世洪积扇变形测量和宇宙成因核素测年得到该断裂的垂直滑动速率为(0.11± 0.03)mm/a, 温振玲等(2015)通过中更新世末期的黑河Ⅱ 级阶地褶皱变形分析得到金塔南山断裂的垂直抬升速率为(0.9± 0.1)mm/a, 张波等(2016)通过洪积扇变形分析得到金塔南山左旋走滑速率为(0.19± 0.05)mm/a, 认为这一结果与前人得到的地表抬升速率和倾滑速率大小相当。前人对金塔南山断裂的研究侧重于断层性质、 最新活动特征及断裂滑动速率等方面, 在古地震方面研究基础薄弱(何文贵等, 2012; Zheng et al., 2013b)。本文通过在金塔南山断裂中东段上开挖多个探槽和进行样品测年, 进一步完善了金塔南山断裂带上的古地震事件数据。

图1 河西走廊西段活动断裂展布图Fig. 1 Map showing distribution of active faults in western Hexi Corridor.

图2 金塔南山断裂的几何展布与相关区域的第四纪地层分布(改自张波等, 2016)
a 金塔南山断裂总体展布与第四纪沉积地层分布; b, c 鸳鸯池水库东西两侧金塔南山断裂展布图; Qp1pl, Qp3pl, Qhpl分别代表早更新世、 晚更新世和全新世冲洪积物; Qhdpl 代表全新世残坡积物; Qheol 代表全新世风积物Fig. 2 Geometric distribution of Jinta Nanshan fault and Quaternary stratigraphies around the fault(modified from Zhang Bo, et al., 2016).

由于研究区沉积作用微弱, 前人对金塔南山断裂的古地震研究基础较弱, 仅何文贵等(2012)在该断裂西段得到4次古地震事件, 时间分别为距今 (50.5± 5.1)ka 至(40.42± 3.44)ka、 (37.05± 3.15)ka至(35.78± 3.04)ka、 (8.43± 0.72)ka至(4.51± 3.80)ka和(0.325± 0.026)ka之前。金塔南山断裂中东段尚无古地震的研究。

本文的目标在于通过传统的探槽技术和半干旱地区适用的光释光测年手段, 研究金塔南山断裂中、 东段的古地震特征, 为金塔南山断裂地震危险性评价提供一些基础数据。

1 金塔南山断裂的几何特征与地貌特征

在何文贵等(2012)和张波等(2016)的研究基础上, 通过影像解译、 野外调查, 将金塔南山断裂分为3段(图2): 西段为梧桐墩以西至瓜勾山以东, 断层地貌线性较好; 中段为瓜勾山以东至大口子山一带, 与西段之间形成右阶阶区, 阶距为2~2.5km; 东段为大口子山以东至红墩以西, 与中段之间形成左阶阶区, 阶距约为1.2km。

西段(梧桐墩西— 瓜勾山东): 由2支近平行的陡坎组成, 走向280° , 倾向N或S, 倾角60° ~80° 。北支在地貌上表现为正逆交替的陡坎。梧桐墩以西发育正向陡坎, 长山一带以反向陡坎为主, 涧沟以西正、 反向陡坎交替出现, 林场至瓜勾山以西为反向陡坎, 瓜勾山以东为正向陡坎。南支以反向陡坎为主。涧沟以东正、 反向陡坎交替出现, 殷家截路山以东断层进入基岩侵蚀区, 断层地貌表现不明显。前人研究表明, 该段断裂陡坎高度最小几十cm, 最大> 20m; 纹沟低阶地左旋水平位错最小为1.2m(张波等, 2016)。

中段(瓜勾山东— 大口子山): 地貌上显示为1条连续主陡坎, 局部可见多条短陡坎发育, 与西段之间形成右阶阶区, 总体走向约280° 。该段整体上以正向陡坎为主, 局部发育反向陡坎。最新洪积物上发育的最新陡坎高0.3m左右; 老地貌面上发育的陡坎高度最高> 16m。纹沟低阶地左旋位错最小为1.6m左右, 最大> 20m。

东段(大口子山— 红墩西): 走向近EW向, 倾向S, 倾角50° ~80° , 与中段之间形成左阶阶区, 阶区宽约1.2km。从鸳鸯池水库向东延伸至红墩以西, 地貌上正、 反向陡坎交替出现。金鼎湖西侧发育反向陡坎, 金鼎湖向东至麻黄河一带正、 反向陡坎交替出现, 麻黄河以东以正向陡坎为主。金塔墓园西侧断层为倾向S的逆断层, 金塔陵园东侧为倾向S或N的正断层; 麻黄河一带多为倾向N的正断层; 红墩以西局部发育倾向S或N的逆冲断层。最东端为早更新世砂岩(风化破碎)反向陡坎, 但形态新鲜(张波等, 2016)。最小的陡坎高度为0.5~0.8m, 最高陡坎> 10m。断裂活动的左旋特征也很明显, 且存在多期活动特征。

2 探槽揭露的古地震事件

为了研究断裂的古地震特征, 在引用前人探槽研究结果的基础上, 基于以下几点考虑: 1)前人的研究主要集中在断裂中西段, 不能说明整条断裂的古地震特征, 无法满足对于该区域地震危险性的认识需要; 2)金塔南山山前沉积微弱, 绝大部分洪积扇表面仅发育1层很薄的沉积物, 无法揭露更多的全新世古地震; 3)金塔南山较低, 没有大规模的洪水, 较早的地震遗迹不易侵蚀掉; 4)从剖面中能发现地层整体上层理比较发育, 易于古地震事件的识别, 笔者跨过全新世洪积扇上发育的断层陡坎进行了探槽开挖, 如图2、 图3和图4所示。

图3 探槽开挖点附近断错地貌及沉积地层解译(上图绿色虚线框内指示图4a)
a 探槽开挖点附近断错地貌; b 探槽开挖点附近断错地貌地层解译Fig. 3 Faulted landform and strata interpretation near trench excavation site(Green dashed frame in Fig. 3a indicates Fig. 4a).

图 4 探槽开挖点周围地形大比例尺测量
a 探槽开挖点周围断错地形与探槽布设位置; b 探槽开挖点附近断错地貌; c 探槽点断层陡坎测量Fig. 4 Large scale measurement of topography around trench excavation site.

探槽剖面揭示了断裂新活动特征明显, 断错了全新世地层, 存在多期古地震事件。以下是对这些探槽剖面的分析讨论。

2.1 古地震探槽1(Tc-1)

该探槽开挖在金塔南山断裂鸳鸯池水库以东, 主要为了揭示该断裂中东段的古地震事件。该处发育小的断塞塘, 地层以全新世沉积物为主, 表面覆盖细粒的砂砾。断层陡坎高度在1m以下(图5)。

图5 Tc-1剖面照片拼接及素描图Fig. 5 Photo-mosaic and interpretation of Tc-1.

探槽剖面(图5)中发育7套大地层, 分别为:

U1: 灰黄色或灰色砂质层, 发育一定的斜层理, 有一定固结;

U2: 淡红色泥质层, 质地比较坚硬, 固结一般, 比较破碎; U1与U2可能反映了水动力的变化;

U3: 淡灰绿色和淡黄色相间的断层构造带, 宽度0.5m左右, 质地比较坚硬;

U4-1: 深灰色冲积砂砾石层, 夹中粗砂及少量粉细砂和粉砂质黏土, 具有水平层理;

U4-2: 灰黄色冲积砂层, 夹少量小砾石, 具顺陡坎面的斜层理;

U4-3: 中粗砂层, 具水平层理, 局部发育细粒粉砂, 呈不规则镶嵌状;

U5-1: 快速堆积砾石、 细砂和中粗砂混杂堆积, 淡灰黄色, 楔状, 无明显层理, 分选性差;

U5-2: 灰色粗砂, 分选较好;

U5-3: 灰黄色楔状沉积物, 粗砂和小砾石混杂堆积, 无层理;

U6: 地表砂砾石层含土质细粒砂岩;

U7: 灰色、 淡灰绿色河流相细砂、 粉细砂与淡红色粉砂质黏土互层, 发育交错层理。

该探槽主要揭露了5条(组)断层, 几乎均为倾角比较大的正断层, F1、 F2倾向NW, 其他断层均倾向SE。F1、 F2和F3发育在底部较老的砂层U1和其上部的泥质层U2中, 这2层构成了河流阶地的底座, 后期在其上发育了现在河流阶地的沉积物。断层F4可能早先发育在U2中(此处已经看不到层U1), 后期断错到上覆的层状砂砾层中。断层F5主要发育在砂砾层U4中。可以看出, 在断层F3和F5之间形成了1个较宽的断层破碎带。

从剖面中至少可分析出3次古地震事件: 事件1为断层F1— F3断错U1和U2, 形成1个宽约0.5m的构造带U3, 之后沉积年轻的U4-1将其覆盖, 说明该次事件发生在U2沉积之后, U4-1沉积之前。之后的2次较年轻的事件主要发育在U4-1沉积之后。事件2为断层F5断错U3和U4-1, 在断层F5之上形成崩积楔U5, 该崩积楔主要由下部的粗砂夹大砾石U5-1、 中部的粗砂U5-2和上部的砂砾石U5-3组成, 尤其以U5-1特征明显, 并且向东逐渐尖灭, 呈近似三角状, 而后覆盖U4-2。事件3从剖面上来看, 为断裂F4断错至U4-2, 甚至延伸到U4-3, 但是断错位错量较小, 以至于在上断点附近几乎看不到明显位错; 此次事件可能伴随着F1的活动, 只是没有形成明显的位错。该探槽剖面上可见多条 “ 破裂” 缝, 由于没有形成明显的位错, 将其均看作构造裂缝, 尤其U4-1中的多条裂缝, 可能伴随着事件2或者事件3而形成。

从探槽剖面可以看出, 目前共有4个测年样品可以参考, 但是其中U4-1中的JT-OSL-20与JT-OSL-23发生了明显的颠倒, U4-3中的JT-OSL-21与JT-OSL-22也具有同样的特征(图5, 表1)。由于探槽1和探槽2中都发育灰黄色或灰色砂质层(编号均为U1)和淡红色砂泥质层(编号都为U2), 其上覆盖的深灰色冲积砂砾石层(编号均为U4-1)中的几个样品可以进行对比, 探槽1中JT-OSL-23代表了U4-1层顶部的年龄, JT-OSL-20代表了该层底部的年龄; 探槽2中JT-OSL-13和JT-OSL-14都代表了该探槽中U4-1底部的年龄(图5、 6, 表1)。对这几个年龄综合进行对比, 按照地层层序律原则, 正常沉积环境下, 下部地层年龄要老于上部地层年龄, 因此保留代表U4-1下部年龄的JT-OSL-13和代表上部年龄的JT-OSL-23是比较合理的。对于探槽1中的U4-3, 样品JT-OSL-22采集于U4-3底部, 与U4-1顶部接触, 之间夹层U4-2分布范围很小, 也就是说其沉积时间段很短, 所以U4-1与U4-3时代上比较靠近, 故而舍去JT-OSL-21。

表1 OSL样品测年数据(一) Table1 OSL dating results(1)

综合探槽1与探槽2中的地层年龄, 事件1发生在U4-1之前, 即JT-OSL-23揭示的年龄(5.9± 0.7)ka(图5, 表1)之前, 但是应该更接近探槽2中JT-OSL-13年龄, 也就是(9.9± 0.5)ka(图6, 表1)之前, 从U1与U2固结较好的特点也能看到, 其时代应该不会很新; 事件2发生在U4-1之后、 U4-3之前, 也就是(5.9± 0.7)ka之后、 (5.9± 0.6)ka之前(图5, 表1); 对于事件3, 根据探槽中断裂活动扰动到近地表的特征, 推测此次事件比较新, 但是无法得知其大概的时间。

图6 Tc-2剖面照片拼接及素描图Fig. 6 Photo-mosaic and interpretation of Tc-2.

2.2 古地震探槽2(Tc-2)

该剖面一共有7套地层(图6):

U1: 灰黄色或灰色砂质层, 发育一定的斜层理, 有一定固结;

U2: 淡红色泥质层, 有一定固结, 但未成岩;

U3: 淡灰绿色和淡黄色相间的断层构造带;

U4-1: 主要为砂质层, 夹较多薄层的细砂、 粉细砂和红色粉砂质黏土;

U4-2: 中粗砂层, 具水平层理, 局部发育细粒粉砂, 主要发育在层U4-1内部;

U5: 地表砂砾石层含土质细粒砂岩;

U6: 地表中砂含砾石层, 层理发育;

U7: 灰色、 淡灰绿色河流相细砂、 粉细砂与淡红色粉砂质黏土互层。

该探槽揭露了5条(组)断层, 几乎均为倾角比较大的正断层。除F1和F3倾向SE外, 其余断层均倾向NW。F2— F5发育在底部较老的砂质层U1和泥质层U2中, 可能活动至U2, 除F3外, 其他断层后期没有发现再次活动的迹象, 与探槽1剖面所揭示地层发育情况相似, 其后在之上发育冲洪积物。断层F1与F3早期发育于U1和U2中, 后来继续活动, 断错上覆地层。

探槽内可能揭露出2次古地震事件: 事件1为断层F2— F5断错地层U1和U2, 后被U4-1覆盖, 也就是发生在U4-1沉积之前, 根据对探槽1的具体分析和对比论述, 认为该次古地震事件可能发生在JT-OSL-13所示的距今(9.9± 0.5)ka(图6, 表1)前。事件2主要为断层F1断错至U5, 并形成崩积楔C, 其上局部发育U7, 结合U4-2中的年龄样品JT-OSL-15, 认为此次古地震事件发生在距今(3.5± 0.4)ka之后(图6, 表1), 根据断层的断错位置推断, 该次事件的年龄比样品JT-OSL-15的年龄更年轻; 此次事件中, 断层F3有活动迹象, 同样只在U4-1中形成构造缝, 但是没有形成明显的地层位错, 与探槽1中断层F1对应较好。剖面上发育多条 “ 破裂” 缝, 但是在断层F1上盘, 并没有发现与探槽1中断层F5上盘相对应的 “ 裂缝” 组, 同样说明将其归为构造裂缝是比较合理的。

2.3 古地震探槽3(Tc-3)

该探槽位于金塔南山断裂中段的东端, 开挖在最中间一排断层陡坎上(图2)。探槽长度> 15m, 宽约4m, 深度为1.5~3m(图7), 利用机械开挖。出露地层如下:

图7 探槽3(Tc-3)剖面拼图(a)及其解译图(b)(改自①)
1 冲积砂砾石层; 2 砂泥质与砂砾层; 3 灰色粗细粒砂砾石互层; 4 中粗粒砂砾石与土质层; 5 青灰至淡黄色砂砾石层; 6 红褐色砂质层; 7 灰黄色粉砂质层; 8 正断层; 9 热释光取样点Fig. 7 Photo-mosaic and interpretation of Tc-3(modified from ①).

U1: 土黄色、 青灰色砂与冲积砾石互层, 砾石一般粒径为3~4cm, 次圆状, 未见底;

U2: 青灰色、 黄褐色冲洪积砂泥质、 砂砾石层, 砾石一般粒径为1~2cm, 次棱角状, 具水平层理;

U3: 灰色粗细粒砂砾石互层, 层理发育; 青灰色、 土黄色冲积砾石与砂互层, 夹有粉砂层, 砾石一般粒径为3~4cm;

U4: 下部为中粗粒砂砾石层, 上部发育土质层;

U5: 青灰至淡黄色砂砾石层, 粒度由下向上逐渐变细, 层理发育一般;

U6: 红褐色砂质层, 夹有大砾石, 未见明显层理, 应属洪积成因;

U7: 表层灰黄色粉砂质层。

剖面共出露8条断层, 皆为正断层, 地层表现为由南向北逐级下降。剖面上可能揭示了3次古地震事件: 事件1为断层F1最新断错至U3; 事件2为断层F2最新断错至U5。由于未能获得合适的测年样品, 所以无法知晓事件1和2的具体年龄; 事件3为F3— F8等6条断层断错至U6, 被U7覆盖, 取U7底部TL(热释光)样品测年结果为(15.16± 1.29)ka, 说明此次古地震活动时间应早于该年代。

2.4 古地震探槽4(Tc-4)

该探槽系前人开挖, 位于断裂东段, 麻黄河东大概5km的地方。揭露的断层剖面特征如图8所示。剖面上一共有8套地层: U1: 灰色细砂, 地层产状倾斜; U2: 粉细砂, 致密, 较硬; U3: 红色砂砾石层, 具有一定程度的胶结; U4: 粗砂层; U5: 砂砾石层; U6: 砂砾石层, 具水平层理, 洪积成因; U7: 灰色松散粗砂, 微具水平层理, 似为风成成因; U8: 地表松散砂砾石层。

图8 前人开挖探槽剖面(Tc-4)Fig. 8 Trench profile of predecessor(Tc-4).

该剖面共揭露出2次古地震事件: 事件1为断层F1断错U3和U4, 甚至到U5, 上覆U6, 在U6底部采OSL样品, 结果为(36.8± 2.2)ka(图8, 表2), 显示该次古地震发生在该年龄之前; 事件2为F2断错U1至U6, 上覆地表砂砾石层。事件2形成典型的逆断层崩积楔C, 之后发育U7和U8, 在崩积楔中采的OSL样品结果为(5.2± 0.3)ka(图8, 表2), 显示该次古地震发生在该年龄之后。

表2 OSL样品测年数据(二) Table2 OSL dating results(2)
2.5 古地震序列

根据以上4个探槽所揭示的古地震事件, 结合逐次限定法(毛凤英等, 1995), 对事件年龄进行进一步约束, 降低了古地震期次的不确定性。可以看出, 晚更新世晚期以来, 金塔南山断裂中东段发生过4次古地震事件(图9):

图9 金塔南山断裂中东段古地震序列
1 事件发生时间上限; 2 事件发生时间下限; 3 事件发生时间误差; 4 事件期次限定; 5 事件期次编号Fig. 9 Sequence of paleoearthquakes on middle-eastern section of Jinta Nanshan fault.

事件I: 探槽3揭示的古地震事件, 目前在其他探槽中都没有发现, 综合考虑该事件发生在(15.16± 1.29)ka之前;

事件Ⅱ : 主要由探槽2中事件1进行限定, 也就是发生在(9.9± 0.5)ka之前;

事件Ⅲ : 主要由探槽1中事件2限定, 即(5.9± 0.7)ka之后, (5.9± 0.6)ka之前, 也就是6ka左右。

事件Ⅳ : 主要由探槽2中事件2和探槽4中事件2限定, 即(3.5± 0.4)ka之后。

3 讨论

本文根据以上4个探槽所揭示的古地震事件, 初步研究表明, 晚更新世晚期以来, 金塔南山断裂中东段发生过4次古地震事件。 事件Ⅰ : 发生在(15.16± 1.29)ka之前; 事件Ⅱ : 发生在(9.9± 0.5)ka之前; 事件Ⅲ : 发生在6ka前后; 事件Ⅳ : 发生在(3.5± 0.4)ka之后。可以看出, 4次古地震事件, 4次发生在全新世以来, 而且都发生在6ka左右, 指示了金塔南山断裂全新世以来的活动性较强。

何文贵等(2012)在金塔南山断裂西段开挖过3个探槽, 再结合前人探槽4, 得到金塔南山断裂西段4次古地震事件: 距今(50.5± 5.1)ka 至(40.42± 3.44)ka、 (37.05± 3.15)ka至(35.78± 3.04)ka、 (8.43± 0.72)ka至(4.51± 3.80)ka和(0.325± 0.026)ka之前。探槽均位于以粗粒沉积物为主的地貌面上, 文中提到探槽2和探槽3在地貌面上相当于涧沟河的Ⅱ 级阶地, 阶地沉积物粒度较粗, 且厚度较小, 探槽剖面揭示的地层以洪积物为主。从测年样品的成分来看, 4个探槽中所显示的地层物质成分多以中粗粒砾石为主。文中提到, 探槽剖面揭露了断裂的多期活动特点, 全新世以来发生过2次古地震事件, 分别为距今(8.43± 0.72)ka与(4.51± 3.80)ka之间、 (0.325± 0.026)ka之前。

本文中全新世的2次古地震事件与何文贵等(2012)在该断裂西段研究的结果在时间上比较吻合, 这或许说明全新世以来, 金塔南山断裂的2次活动都破裂了断裂全段。

根据古地震分析, 此次在金塔南山断裂中东段发现4次古地震事件, 可以确定6ka以来, 发生过2次事件。探槽1剖面中U4-1的垂直位错为1.2m左右, 可以是2次古地震事件造成的。根据剖面可知, 崩积楔最厚为0.45m左右, 根据简单的正断模型, 断层陡坎崩积楔的厚度通常被假定等于初始陡坎高度的一半(Hanks et al., 1984; McCalpin, 1996, 2009; 冉勇康等, 2003), 可以认为较早的1次年轻事件造成的垂直位错量为0.9m左右, 最新的1次事件造成的垂直位错为0.3m左右。探槽2剖面上U4-1揭示的断层垂直位错为0.3~0.4m, 由于该层呈现出明显的同生长状态, 目前剖面上只能确认出1次较新的古地震事件, 说明此次事件的垂向位错为0.3~0.4m。在探槽1附近, 测得Qh2以来最小的左旋位错为3.7m, 如果是2次较新的古地震事件形成的, 结合2次事件垂向位错量的分配关系, 推测最新的古地震事件形成的左旋位错为1.3m左右。张波等(2016)调查发现, 断裂西段观察点1(图2)反向陡坎高0.1m左右, 左旋位错3.8m(时代为Qh2); 观察点2(图2)最小的正向陡坎高度为0.3~0.5m; 最小的左旋位错为1.2m。综合推测, 最新一次古地震事件的垂向位错量可能为0.3~0.5m, 左旋位错量为1.2m。利用邓起东等(1992)提出的震级M与地震地表破裂长度L之间的关系M=5.92+0.88lgL进行计算, 可以大概推测古地震事件的震级为7.5级; 利用震级M和地震地表破裂长度D之间的关系M=7.13+0.68lgD进行计算, D取左旋位错最小值1.2m, 可以推测震级大概为7.2级。利用耿冠世等(2015)中国西部地区震源破裂尺度与震级的经验关系lgL=0.635MS-2.808i4进行计算, 可以大概推测古地震事件的震级为7.3级。综合考虑最新1次古地震事件震级7~7.5级, 造成的垂直位错量为0.3~0.5m, 左旋位错量为1.2m, 甚至更大一些。

通过对该断裂的古地震研究, 尤其中东段晚更新世晚期以来, 可以确定4次古地震事件。可以看到, 目前的古地震探槽数量依然偏少, 且空间分布上不均匀, 年龄样品相对比较分散。目前的研究能否记录断裂中东段的古地震序列, 这些古地震事件的大小等问题都有待于进一步深入研究; 此外, 最后1次古地震事件发生在距今(3.5± 0.4)ka之后, 目前没有更多的年龄样品将此次古地震事件的年龄范围限定得更精确。查阅《中国历史强震目录》(公元前23世纪— 公元1911年)及《甘肃省地震资料汇编》等资料, 没有发现相对应的历史地震。存在2种可能: 1)该次事件确实比较靠近距今(3.5± 0.4)ka, 历史地震记录时间跨度有限, 没有记录; 2)野外发现有一段保存较好的疑似破裂带, 推断该次事件应该比较年轻, 可能比(3.5± 0.4)ka年轻很多, 或者此次事件之后还有地震发生, 只是目前的探槽没有揭示出来, 但是由于金塔这一区域在历史上长时间为西域诸国控制, 导致这一区域历史地震的记载不够完善而无法对应, 或许还需要在当地找相关的文献和证据。

结合上述讨论, 推测最新1次古地震事件震级7~7.5级, 造成的垂直位错量为0.3~0.5m, 左旋位错量为1.2m, 甚至更大一些。通过与西段所揭示的古地震事件进行对比, 目前仅仅能确定全新世以来的2次古地震事件破裂断裂全段, 但是在该断裂整个构造演化过程中, 古地震的时空关系在断裂上具有怎样的演化特征, 是否存在更新的构造事件, 是否存在1次或者多次对应的历史事件以及目前哪一段危险性需要格外关注等问题, 都值得深入探讨。

4 结论

文中通过对金塔南山断裂山前冲洪积扇的野外调查, 断层陡坎的测量, 特别选择在该断裂中东段全新世冲洪积扇上低矮陡坎进行探槽开挖工作, 获得了以下认识:

(1)金塔南山断裂中东段晚第四纪以来具有持续的活动性, 全新世洪积扇上发育高0.5~1m的陡坎, 纹沟最小的左旋量为1.2m左右, 表现出了很新的活动性。

(2)金塔南山断裂晚更新世晚期以来共发生4次古地震事件, 分别发生在距今(15.16± 1.29)ka之前、 (9.9± 0.5)ka之前、 6ka左右、 (3.5± 0.4)ka之后。总体上可以看出, 全新世中期以来断裂活动性较强, 2次古地震事件均破裂断裂全段。

致谢 感谢吴赵在野外工作中给予的大力帮助; 感谢审稿专家对本文提出的建设性的宝贵建议和意见!

The authors have declared that no competing interests exist.

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