引用本文
胡宗凯, 杨晓平, 杨海波, 吴国栋, 李军, 周本刚. 北天山博罗可努-阿齐克库都克断裂精河段的古地震事件[J]. 地震地质, 2020,42(4): 773-790.
HU Zong-kai, YANG Xiao-ping, YANG Hai-bo, WU Guo-dong, LI Jun, ZHOU Ben-gang. STUDY ON PALEOEARTHQUAKES ALONG THE JINGHE SECTION OF BOLOKENU-AQIKEKUDUKE FAULT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(4): 773-790.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.04.001
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北天山博罗可努-阿齐克库都克断裂精河段的古地震事件
胡宗凯1), 杨晓平1),*, 杨海波1), 吴国栋2,3), 李军3), 周本刚2)
1)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2)中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
3)新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011
*通讯作者: 杨晓平, 男, 研究员, E-mail: yangxiaoping-1@163.com。

〔作者简介〕 胡宗凯, 男, 1993年生, 2019年于中国地震局地质研究所获构造地质学硕士学位, 现为中国地震局地质研究所构造地质学专业在读博士研究生, 主要从事活动构造与地震地质研究, E-mail: zongkaihu2016@gmail.com。

收稿日期: 2019-08-19
基金项目: 中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1704)资助
摘要

博罗可努-阿齐克库都克断裂(简称博-阿断裂)是天山内部一条长约1 000km的右旋走滑活动断裂, 研究其晚第四纪的活动特征有助于理解大陆内挤压环境下活动走滑断裂在区域构造应变分配和造山过程中的作用并评价其地震危险性。 文中选取博-阿断裂精河段作为研究对象, 利用遥感影像解译、 野外调查、 探槽开挖以及第四纪测年等方法进行了古地震研究。 博-阿断裂精河段断错了多期洪积扇, 在Fan2和Fan3洪积扇上开挖了2个探槽。 通过识别探槽内的地层与断层的切盖关系、 裂缝、 崩积楔等标志, 结合沉积层的光释光定年结果, 共识别出4次古地震事件。 地震的发震时间分别为: E1(19.4±2.5)~(19.0±2.5)ka BP; E2(18.6±1.4)~(17.3±1.4)ka BP; E3(12.2±1.2)~(6.6±0.8)ka BP; E4 6.9~6.2ka BP。 地震的复发间隔分别为(1.2±0.5)ka、 (8.7±3.0)ka和(2.8±3)ka。 探槽内记录的最新一次古地震的离逝时间为6.2~6.9ka, 由断裂上单次事件的位移限定的最新一次地震的震级为 MW7.4。 较长的古地震离逝时间揭示了博-阿断裂精河段可能存在较强的地震风险。

关键词: 走滑断裂; 古地震; 博-阿断裂; 天山山脉
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)04-0773-18
STUDY ON PALEOEARTHQUAKES ALONG THE JINGHE SECTION OF BOLOKENU-AQIKEKUDUKE FAULT
HU Zong-kai1), YANG Xiao-ping1), YANG Hai-bo1), WU Guo-dong2,3), LI Jun3), ZHOU Ben-gang2)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
3)Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
Abstract

The Bolokenu-Aqikekuduk fault zone(B-A Fault)is a 1 000km long right-lateral strike-slip active fault in the Tianshan Mountains. Its late Quaternary activity characteristics are helpful to understand the role of active strike-slip faults in regional compressional strain distribution and orogenic processes in the continental compression environment, as well as seismic hazard assessment. In this paper, research on the paleoearthquakes is carried out by remote sensing image interpretation, field investigation, trench excavation and Quaternary dating in the Jinghe section of B-A Fault. In this paper, two trenches were excavated on in the pluvial fans of Fan2b in the bulge and Fan3a in the fault scarp. The markers such as different strata, cracks and colluvial wedges in the trenches are identified and the age of sedimentation is determined by means of OSL dating for different strata. Four most recent paleoearthquakes on the B-A Fault are revealed in trench TC1 and three most recent paleoearthquakes are revealed in trench TC2. Only the latest event was constrained by the OSL age among the three events revealed in the trench TC2. Therefore, when establishing the recurrence of the paleoearthquakes, we mainly rely on the paleoearthquake events in trench TC1, which are labeled E1-E4 from oldest to youngest, and their dates are constrained to the following time ranges: E1(19.4±2.5)~(19.0±2.5)ka BP, E2(18.6±1.4)~(17.3±1.4)ka BP, E3(12.2±1.2)~(6.6±0.8)ka BP, and E4 6.9~6.2ka BP, respectively. The earthquake recurrence intervals are(1.2±0.5)ka, (8.7±3.0)ka and(2.8±3)ka, respectively. According to the sedimentation rate of the stratum, it can be judged that there is a sedimentary discontinuity between the paleoearthquakes E2 and E3, and the paleoearthquake events between E2 and E3 may not be recorded by the stratum. Ignoring the sedimentary discontinuous strata and the earthquakes occurring during the sedimentary discontinuity, the earthquake recurrence interval of the Jinghe section of B-A Fault is ~1~3ka. This is consistent with the earthquake recurrence interval(~2ka)calculated from the slip rate and the minimum displacement. The elapsed time of the latest paleoearthquake recorded in the trench is ~6.9~6.2ka BP. The magnitude of the latest event defined by the single event displacement on the fault is ~ MW7.4, and a longer earthquake elapsed time indicates the higher seismic risk of the B-A Fault.

Keyword: strike-slip structure; paleoearthquake; B-A Fault; Tian Shan
0 引言

印度-欧亚板块的持续挤压会聚使得古老的天山造山带复活, 形成了强烈的陆内挤压构造体系(Burtman, 1975; Molnar et al., 1975; Windley et al., 1990)。 新生代以来, 天山向南、 北两侧逆冲扩展形成了典型的前陆盆地构造样式(Avouac et al., 1993; 邓起东等, 2000)。 天山地区除发育挤压前陆盆地构造外, 天山山体还被一系列NE和NW向走滑断层及近EW向逆冲断层所切割, 并伴随形成陆内挤压盆地(Tapponnier et al., 1979; Yin, 2010; Huang et al., 2015)。 这些构造共同调节和吸收了塔里木克拉通和准噶尔克拉通之间的会聚变形(Thompson et al., 2002; 杨晓平等, 2008; Yang et al., 2008; Huang et al., 2015)。 此外, 天山地区还是一个内陆强震区, 历史上在天山山前褶皱带和天山内部的断层上发生过多次7级以上强震, 如1889年伊塞克湖附近的契里克(Chilik)MW8.0~8.3地震、 1911年克敏(Kebin)MS8.2地震(Molnar et al., 1984; Abdrakhmatov et al., 2016; Arrowsmith et al., 2016)、 1906年天山北麓的玛纳斯M7.7地震(张培震等, 1994)、 1946年发生在塔拉斯-费尔干纳断裂上的恰特卡尔(Chatkal)M7.6地震(Simpson et al., 1981)和1812年发生在喀什河断裂上的尼勒克M8地震(国家地震局震害防御司, 1995)等。 2010年以来, 在天山活动造山带也记录了多次5级以上地震事件, 如2016年天山北麓呼图壁MS6.2地震(Lu et al., 2018)和2017年精河MS6.6地震①(① http://www.cenc.ac.cncenc_300651/335684/index.html。)等。 因此, 查清天山活动造山带内部及周缘活动断裂的构造活动历史、 地震复发间隔、 地震破裂特征等对理解内陆挤压构造区的构造变形模式具有重要的科学意义, 同时也对天山山脉内部和前陆区城镇的地震灾害评估具有切实的指导意义。

博-阿断裂是一条长约1 000km、 斜切天山山体的NW向右旋走滑活动断裂(杨晓平等, 2000; Shen et al., 2011; Campbell et al., 2013; 胡宗凯等, 2019), 从准噶尔盆地西侧阿拉山口进入中国境内, 向E延伸至精河县城附近, 在精河县城向SE进入天山山体, 且继续向E延伸(杨晓平等, 2000; Shen et al., 2011)。 其中, 博-阿断裂阿拉山口— 精河县东南的精河段在影像上断裂迹线平直, 表现为右旋走滑位错洪积扇、 冲沟, 野外考察揭示断裂错断了晚更新世— 全新世的堆积物(杨晓平等, 2000; Shen et al., 2011; 胡宗凯等, 2019)。 天山地区属干旱— 半干旱气候(Molnar et al., 1994), 故受雨水、 人类活动的改造较小, 地层及地貌现象保存完好。 前人对于博-阿断裂的研究主要集中在断裂运动速率方面(杨晓平等, 2000; Shen et al., 2011; Campbell et al., 2013; 胡宗凯等, 2019)。 博-阿断裂是天山内部一条巨型的活动走滑断裂, 且经过精河县城、 阿拉山口等人员密集区域。 然而, 目前针对该断裂的古地震活动历史、 地震复发间隔等方面仍缺乏研究。 2017年在精河县城南发生了精河MS6.6地震, 虽然该地震对精河县的人员财产等未造成巨大损失, 但博-阿活动断裂对西准噶尔地区形成的潜在强震风险仍不可忽视。 因此, 本研究选择在精河县SE向的2期冲积扇上开挖探槽(图1), 旨在识别精河段晚第四纪古地震事件, 并在此基础上分析博-阿断裂精河段晚第四纪大地震的活动特性及复发特征。

图1 博-阿断裂中西部断层分布和精河段探槽位置分布图
a 博-阿断裂位于天山地区, 图中红色实线为博-阿断裂的迹线; b 博-阿断裂NW段断层迹线分布; c 博-阿断裂精河段的洪积扇分期及探槽位置。 B-AF 博-阿断裂; KSHF喀什河断层。 历史地震参考文献(国家地震局震害防御司, 1995), 震源机制解来源于GCWT①(① https://www.globalcmt.org/。)Fig. 1 Activity faults distribution and trench location along Jinghe section of the B-A Fault.

1 地质背景和研究现状

天山是中亚最高、 最长的造山带, EW长约2 500km, SN宽300~500km, 平均海拔约4 500m, 最高点高达7 435.3m(Avouac et al., 1993; Abdrakhmatov et al., 1996; 邓起东等, 2000)。 天山山脉形成于古生代, 新生代以来受到印度板块俯冲碰撞欧亚板块的影响, 经历了多期次构造抬升和剥露, 成为地球上最年轻的陆内造山带与天然大陆动力学试验场(Avouac et al., 1993; 邓起东等, 2000; Charreau et al., 2017)。 天山山体内部的断层主要以右旋走滑和逆冲断层为主(Tapponnier et al., 1979; Avouac et al., 1993; 邓起东等, 2000; Yin, 2010), 如塔拉斯-费尔干纳断层和焉耆盆地、 巴音布鲁克盆地两侧的逆冲断层(Huang et al., 2015; Charreau et al., 2017)。

博-阿断裂为天山内部一条巨型右旋走滑断层, 全长约1 000km, 是中天山与北天山的分界线, 起始于巴尔喀什湖东缘(78° 43'E, 47° 08'N), 经阿拉湖南缘、 阿拉山口、 艾比湖、 依连哈比尔尕山, 到达吐鲁番盆地以南的东天山内部, 是在古缝合带上发育起来的一条活动断裂带, 走向NW(邓起东等, 2000)。 断层从吐鲁番盆地南缘到依连哈比尔尕山一线的走向为320° , 自精河县东南到阿拉湖段的走向为340° , 走向向N偏转了20° ; 阿拉湖到巴尔喀什湖南缘断层的走向为315° , 又偏转了25° (Campbell et al., 2013)。 前人对博-阿断裂的研究表明, 吐鲁番盆地西段的走滑速率约为1mm/a(Shen et al., 2011), 阿拉山口到依连哈比尔尕山段的走滑速率为2~5mm/a(杨晓平等, 2000; Campbell et al., 2013; 胡宗凯等, 2019), 东段的走滑速率低于西段。

根据历史地震的相关记录, 1944年发生在依连哈比尔尕山山体内的乌苏南 7¼ 级地震、 1932年9月11日和1973年6月发生的6级地震(国家地震局震害防御司, 1995)的发震断裂可能均为博-阿断裂。 关于博-阿断裂古地震事件的研究相对较少, 仅有根据博-阿断裂阿拉山口到依连哈比尔尕山之间的变形带所推测的一些的古地震事件, Campbell等(2013)认为阿拉山口附近曾发生过MW7或MW7.4地震, 沈军等(1998)则认为阿拉山口到精河县最新一次地震的震级为7.5~7.8级。

2 研究方法

博-阿断裂NW向斜切精河东南发育的多期洪积扇, 其断层地貌特征、 滑动速率的初步研究结果详见胡宗凯等(2019)。 基于Google Earth影像、 无人机航拍、 断错地貌及野外实地调查, 可确定博-阿断裂精河段在洪积扇上的断层迹线和几何结构。 博-阿断裂NE盘靠近断裂迹线的位置普遍分布风积黄土, 古地震探槽的开挖应尽量选择断层迹线清楚且有黄土发育的位置。 风积黄土在沉积前曝光充分, 石英的释光信号在沉积埋藏时已被完全晒退(Rhodes, 2011), 其OSL样品测试得到的年龄能代表黄土沉积的年龄, 进而可用来准确地限定古地震的发震时间。 本文在精河县城东南的洪积扇上开挖了2个探槽, 探槽的走向与断层迹线相垂直。 为了清楚地解译探槽内揭露的断层迹线以及古地震事件, 在清理干净、 平整的探槽壁悬挂上1m× 1m的方格网线。 在清理探槽的过程中, 识别地层的特征、 断层与地层的切盖关系, 并详细记录探槽内的现象。 用相机将探槽壁的影像依次拍下, 相邻照片的重叠率≥ 70%。 在Photoscan软件中将探槽照片拼合到一起, 之后将解译的地层、 断层、 崩积楔和坎前堆积等绘制于探槽壁的照片上。

对探槽内地层的识别主要依据地层的颜色、 密度、 结构、 砾石含量等。 本文主要依据地层颜色和地层组成成分发生变化的位置来确定不同地层的界限, 根据地层内的裂隙、 崩积楔、 地层褶皱和砾石层的定向排列等识别古地震事件(Liu-Zeng et al., 2007; Ran et al., 2010; Scharer et al., 2017; Yuan et al., 2018)。 探槽内古地震事件的年代主要依据错断地层的沉积年龄及断层上覆未被错断地层的沉积年龄限定。 在地层中采集OSL测年样品时, 用直径约5cm、 长约15cm的不锈钢管沿水平方向砸入黄土层中, 之后用黑色塑料袋和锡箔纸封住不锈钢管的一侧, 将其从黄土层中拔出后用黑色塑料袋和锡箔纸封住钢管的另一侧, 之后用胶带缠住钢管并对样品进行编号, 以避免样品在运输过程中丢失水分和曝光。 分别在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室和中国地震局地壳动力学重点实验室对所采集的样品进行前处理和测试, 前处理和测试过程详见文献(Thompson et al., 2018), 探槽内的OSL测试数据详见表1。 将得到的不同地层的沉积年龄和识别出的古地震事件进行对比, 通过逐次限定法(毛凤英等, 1995)限定探槽所揭露的每个古地震的发震时间。

表1 博-阿断裂精河段探槽内OSL样品数据 Table 1 Dating results of OSL samples from trenches of Jinghe section of B-A Fault
3 TC1探槽
3.1 TC1探槽附近的构造地貌特征

TC1探槽位于Fan2b的南端(图1, 2a), 此处沿断层发育1个巨型鼓包。 沿NW-SE向使用RTK测量了鼓包的地形线, 得到其高度约为11.5m(图2c)。 在探槽以北约500m的位置, 因地表受水流侵蚀的影响而未见断层陡坎。 探槽TC1长约10m, 深约5m(图3)。

图2 TC1探槽附近的断错地貌和探槽位置
a TC1探槽附近的地形山影图(影像来自无人机航拍), 黑色虚线为图2c所示地形高程剖面的位置, 红色实线指示断层迹线, 红色虚线为推测的断层迹线; b TC1探槽所在鼓包的野外照片, 红色箭头指示断层位置; c TC1探槽所在鼓包的地形剖面图, 其地形剖面距离aa′大于图2a中AA′的距离; d TC1探槽所在的位置, 红色箭头指示断层的位置; e TC1探槽开挖后的照片Fig. 2 Offset landforms near the trench TC1.

图3 TC1南壁的照片和解译图
a TC1探槽南壁照片, 图中TC1-1等为OSL样品编号, 黄色虚线矩形框为图4照片的位置; b TC1探槽南壁的解译图Fig. 3 Photo and interpretation of the south wall of the TC1.

3.2 TC1揭露的地层与古地震事件

在TC1探槽内揭露出不同颜色的黄土层、 黏土层和砾石层, 且黄土堆积中盐碱的含量不同, 十分有利于划分出不同地层并识别断层。 在TC1探槽内共识别出9套地层、 2个崩积楔, 地层的堆积特征见表2。 基于地层变形、 地层不连续、 崩积楔、 坎前堆积和裂缝等特征, 在TC1探槽的南壁识别出5条断层和4次古地震事件(图3), 从老到新将古地震事件命名为E1、 E2、 E3、 E4。

表2 TC1探槽的地层、 构造描述 Table 2 Unit and tectonics description of the south wall of the trench TC1

E1为探槽所揭露出的最老的一次古地震事件。 F3断层错断了U3地层, 未影响U5地层, 可在U3地层中看到清晰的断层面(图4c)。 由于U3地层为均匀的黄土层, 其中未发现F3断层错断地层的位移标志, 但其在U3地层的顶面明显发生了弯曲。 断层在U5沉积之前、 U4沉积之后发生逆冲活动。 U4层中部的光释光样品测试结果为距今(19.4± 2.5)ka, 由此可知E1发生于距今(19.4± 2.5)ka之后。 假设U6— U4间黄土、 细砂的沉积速率恒定, 则可得到沉积速率约为0.23mm/a, U5地层底部的沉积年龄近似为(19.0± 2.5)ka, E1的发震时间为(19.4± 2.5)~(19.0± 2.5)ka BP。

图4 TC1探槽南壁细节图
a F1、 F2断层的细节图, 白色虚线指示地层界线, 红色实线指示断层迹线, 红色虚线指示未在地层中观察到明显的断层迹线; b F2断层的细节图, 红色箭头指示F2断层迹线; c F3断层的迹线图, 红色箭头指示F3断层; d F4、 F5断层的细节图, 红色箭头指示F4、 F5断层, 白色箭头指示断层带内的砂脉, 图d经逆时针旋转90° Fig. 4 Expanded photos of the south wall of TC1.

E2为探槽内揭露的第二次古地震事件。 F1和F2断层逆冲错断了U3和U4, 并使U5发生弯曲变形, U6地层堆积在由U5地层组成的褶皱陡坎坎前, 为生长地层, 代表E2发生在U6堆积之前。 在野外用钢尺测得F1的垂直断距约为15cm, F2垂直断距约为50cm; F1、 F2的倾角均为65° (图4a, b)。 U4地层的OSL测年结果为 (19.4± 2.5)ka BP, U6地层的OSL测年结果为 (17.3± 1.4)ka BP, E2事件发生在U6层沉积之前、 U4层沉积之后, 即E2事件的年龄为(17.3± 1.4)~(19.4± 2.5)ka。 利用蒙特卡洛方法可得出U5地层顶部的沉积年龄为 (18.6± 1.4)ka, 在考虑U5地层沉积年龄的情况下, E2事件的年龄为 (17.3± 1.4)~(18.6± 1.4)ka。

E3为探槽内揭露的第三次古地震事件, F4断层发生走滑正断活动, 在坎前形成崩积楔W1。 E3发生在为U7堆积之后、 U8堆积之前, 即(12.2± 1.2)~(6.6± 0.6)ka BP。 崩积楔W1内的OSL样品测年结果为(19.5± 2.2)ka, 可能是F4断层上盘的沉积物崩积时曝光不充分导致该OSL年龄偏老。

E4为探槽内最新的一次古地震事件, 受F4、 F5断层走滑正断错动的影响, 断层的顶端形成拉张裂状态, 地形上呈现出负地形状态(冉勇康等, 2014)。 U8层和U2层崩落到地形较低的位置, 形成崩积楔W2。 E4事件发生在U8沉积之后、 U9沉积之前。 U8层样品的测年结果为(6.6± 0.6)ka, U9层的测年结果为(6.8± 0.6)ka, U9覆盖在U8之上, 2个地层的测年结果相近, 分析认为E4事件约发生在距今6.7ka。 崩积楔W2顶部堆积物的测年结果为(29.3± 5.6)ka, 显然受到断层下盘地层崩落、 未充分曝光的影响。

3.3 TC1探槽沉积— — 古地震序列识别的可靠性检验

为了检验上述4次古地震事件识别的可靠性, 本研究恢复了TC1探槽中地层沉积— 断层错动— 构造变形的全过程, 分为11个阶段: 1)TC1探槽内最底层黄土层U3、 砂层U4发生沉积, 地层呈近水平状(图5a); 2)发生古地震E1, F3断层走滑逆冲错断U3和U4, 使U4地层在断层下盘靠近断层的部分发生弯曲(图5b); 3)位于断层上盘的U4地层受风力、 坡面流等因素影响被剥蚀, 仅残留断层下盘的U4地层, 下盘的U4地层在靠近断层处被剥蚀夷平, U5地层沉积在U3、 U4之上(图5c); 4)发生古地震E2, F1、 F2出现走滑活动并逆冲错断U3、 U4地层, 同时U5受F1、 F2断层影响发生弯曲变形, 形成褶皱陡坎(图5d); 5)U6地层沉积在褶皱陡坎之上, 形成生长地层, 之后U7沉积在U5、 U6之上(图5e); 6)发生古地震E3, F4断层为走滑正断性质, F4西侧的U3、 U5地层被错离探槽剖面, 同时砾石层U1与上覆黄土层U2被错入探槽剖面(图5f); 7)F4断层下盘的黄土层发生崩塌形成崩积楔W1(图5g); 8)U8地层沉积于U7、 W1、 F4和U2之上(图5h); 9)发生最新一次古地震E4, F4、 F5断层走滑正断错断W1和U8, 断层上盘(U3— U7)相对断层下盘(U1— U2)位置下降, 同时砂脉被灌入F4、 F5形成的断层带中(图4d), 此时断层带FZ的顶部没有被任何材质所充填(图5i); 10)U2、 U8地层发生垮塌, 垮塌的部分灌入断层破碎带FZ中, 形成崩积楔W2(图5j); 11)表层黄土U9沉积, 覆盖于U8、 W2、 U2之上(图5k)。

图5 TC1探槽的古地震历史恢复图Fig. 5 Restoration of the south wall of the trench TC1.

4 TC2探槽
4.1 TC2探槽附近的构造地貌特征

TC2探槽(83° 3'16″E, 44° 28'14″N)位于洪积扇Fan3a上(图1), 从地貌解译可以看到, 冲沟、 阶地发生了多次位错(图6)。 探槽南侧发育复合断层陡坎, 陡坎坡向SW; 探槽北侧除发育坡向为SW的断层陡坎外, 还发育坡向为NE的断层反向陡坎。 TC2探槽位于一条右旋位错冲沟的南侧, 冲沟的位错距离约为6m(图6)。 探槽横跨2个断层陡坎, 坡向为W的断层陡坎高约1m, 坡向为E的反向断层陡坎高约0.3m。 开挖的探槽长约10m, 深约3m(图7)。

图6 TC2探槽附近的断错地貌及探槽位置
a TC2探槽周边断错地貌的山影图(图片由无人机航拍), 白色箭头指示摩托车印, 图中的数字代表冲沟或阶地陡坎的位错值; b TC2探槽所跨过的陡坎地形剖面; c TC2探槽的位置, 橙色箭头指示F1断层的迹线, 红色箭头指示F2断层的迹线, 白色箭头指示摩托车印, 红色方框指示TC2探槽的位置, TC2探槽的北壁位于冲沟内Fig. 6 Landforms feature along the active fault near the trench TC2 and the location of TC2.

图7 TC2南壁的照片和解译图Fig. 7 Photo and interpretation of the south wall of the trench TC2.

4.2 TC2探槽内揭露的地层与古地震事件

探槽南壁和北壁均揭露出7套地层或坎前堆积, 探槽中揭露的地层与地层之间的接触关系见表3。 为便于观察与解译TC2探槽内的地层与古地震事件, 在探槽南、 北两侧分别悬挂了1m× 1m的方格网线。 TC2探槽两壁出露的地层以砾石为主, 仅在2条断层之间的断层凹槽内堆积了少量次生黄土夹砾石(图7, 8)。 依靠砾石的定向排列以及黄土中的变形观察出3次古地震事件, 分别称之为E1、 E2、 E3。

表3 TC2探槽地层、 构造现象描述 Table 3 Unit and tectonics description of the trench TC2

图8 TC2探槽北壁的照片和解译图Fig. 8 Photo and interpretation of the north wall of the trench TC2.

在TC2探槽的南、 北两壁均可识别出E1事件。 TC2探槽南壁上, F1为走滑正断层, 断层带内砾石定向排列, 断层产状为257° ∠57° 。 F1断层错断了砾石层U1-1 和U1-2, 形成坎前堆积W1。 E1事件的发震时间应该与W1的堆积年龄相近, 但在坎前堆积W1内取得的OSL样品信号较弱, 未能获得年龄数据。 TC2探槽北壁上F1断层的表现与南壁相似, 错断砾石层, F1断层带内砾石呈定向排列, 断层倾角约为55° , 上覆的W1为F1断层活动时所形成的崩积楔。

在TC2探槽南、 北两壁均可识别出古地震事件E2。 TC2北壁的F2断层错断砾石层U1-2和U1-3, 沿F2形成NE坡向的断层陡坎, 由于冲沟内的流水作用, 在断层陡坎前堆积了呈水平层理的U2地层, 之后被U3覆盖。 E2发生在U2沉积之前, 但接近U2沉积的年代。 U2层中的OSL样品年龄为(27.6± 3.0)ka, 即F2断层发生错断的时间在(27.6± 3.0)ka BP之前。 在TC2探槽的南壁, U2地层具有水平层理, 可能是由于E2事件发生时沿F2断层发生走滑逆冲形成断层陡坎, 流向SW的水流受断层陡坎堵塞形成断陷塘, 堆积U2地层。

E1和E2事件的先后顺序无法仅依靠在探槽TC2中观察到的现象和地层年代确定, E1事件可能早于E2事件, 也可能晚于E2事件, 甚至可能与E2是同一次事件。

E3事件仅可在TC2探槽的南壁观察到。 该事件错断了砾石层U1-2和U1-3, 使U2和U3地层发生弯曲变形, 在地表形成高约30cm的褶皱陡坎(图6b, 7)。 在TC2探槽的北壁未能识别出E3事件, 这可能是由于TC2北壁最新一次F2断层活动的证据因水流侵蚀冲刷而被掩盖了, 冲沟的流水作用使变形的U2、 U3地层和褶皱陡坎消失。 U3地层的年龄为(6.4± 0.5)~(6.8± 0.8)ka, 故E3应发生在U3地层沉积之后。

5 讨论

在TC1探槽内共识别出4次古地震事件, 在TC2探槽内共识别出3次古地震事件。 其中, TC2探槽内的最新一次古地震事件E3发生的时间晚于(6.4± 0.5)~(6.6± 0.8)ka BP, 与TC1内所记录的最新一次古地震事件的发震时间一致((6.6± 0.6)~(6.8± 0.6)ka BP)。 最新一次古地震事件被TC1探槽与TC2探槽同时记录下来。

由于TC2探槽为古地震年龄, 给出的约束相当少, 因此在建立博-阿断裂古地震序列的过程中主要依靠TC1探槽所提供的4次古地震事件和TC2探槽南、 北壁提供的最新一次古地震事件的年龄。 使用逐次限定法确定的4次古地震的发震时间为: E1(19.4± 2.5)~(19.0± 2.5)ka BP; E2(18.6± 1.4)~(17.3± 1.4)ka BP; E3(12.2± 1.2)~(6.6± 0.8)ka BP。 由于受OSL样品测量误差等因素的影响, E4发生的时间早于TC1中U9的沉积年代((6.8± 0.6)ka BP), 晚于TC1中U8((6.6± 0.6)ka BP)、 TC2南壁U1((6.4± 0.5)ka BP)和TC2北壁U1((6.6± 0.8)ka BP)地层的沉积年代。 限定E4事件发震时间上、 下限的地层有交集, 因此取TC1中U9地层年龄的上限(6.2ka)作为E4年龄的上限, TC2南壁U1地层年龄的下限(6.9ka)作为E4年龄的下限, 故E4的发震时间为6.9~6.2ka BP(图9)。 若选取地层的平均年龄作为地震年龄的上、 下限, 则可确定4次地震的发震时间分别为: E1 19.4~19ka BP; E2 18.6~17.3ka BP; E3 12.2~6.3ka BP; E4 6.9~6.2ka BP。 在TC1探槽内, OSL样品TC1-7和TC1-6之间黄土的沉积速率约为0.5mm/a, OSL样品TC1-1与TC1-4之间黄土的沉积速率约为0.8mm/a, 而OSL样品TC1-6和TC1-4之间黄土的沉积速率约为0.1mm/a。 TC1探槽内不同地层之间的沉积速率差别如此之大, 很有可能是U6— U8地层沉积期间存在沉积间断的情况。 受此影响, 古地震E2与E3之间可能发生过1次或多次的古地震, 而这些古地震事件未被探槽内的地层记录下来。 由于TC1探槽中的U5地层缺少OSL样品, 因此需通过沉积速率方法限定事件E1的上限和事件E2的下限, 但该方法为限定古地震事件的发震年龄带来了不确定性。

图9 博-阿断裂精河段探槽古地震发震序列模型
灰色矩形框为地层的沉积年代, 黑色矩形框图为推测的地层沉积时代, 黄色矩形框为古地震的发震时间Fig. 9 Paleo-earthquake events of the Jinghe section of B-A Fault.

基于逐次限定法计算得到4次地震的发震间隔为(1.2± 0.5)ka、 (8.7± 3.0)ka和(2.8± 3)ka。 根据上文的讨论, E2与E3之间可能存在古地震被漏记的情况, 在仅考虑E4与E3、 E2与E1的情况下, 博-阿断裂精河段的古地震发震周期为1~3ka。 沿博-阿断裂精河段所能观察到的冲沟右旋位错的最小值约为6m(图6a, d)(胡宗凯等, 2019), 结合博-阿断裂的走滑速率约为3mm/a的结果(胡宗凯等, 2019)可推测出博-阿断裂精河段的的发震周期约为2ka, 该数值与本文探槽内所揭露出的古地震事件复发周期(1~3ka)吻合。

Wells等(1994)提出了地震震级MW与断裂位错D之间的关系:

MW=a+blogD(1)

式中, a=6.81, b=0.78。 由式(1)可知, 博-阿断裂精河段距今最新的一次古地震震级为MW7.4, 最新一次古地震事件的离逝时间为6.2~6.9ka, 已超过事件E1与E2、 事件E3与E4之间的古地震复发间隔, 同时考虑博-阿断裂精河段从人口稠密精河县城附近以及县城西北的农场穿过, 因此, 博-阿断裂精河段的地震危险性值得关注。

6 结论

本文在博-阿断裂精河段Fan2b的鼓包南侧与Fan3a上开挖了2个探槽, 通过对探槽内的地层沉积序列和断层等标志进行识别, 结合地层的OSL定年, 共确定出4次古地震事件, 其发震时间分别为: E1(19.4± 2.5)~(19.0± 2.5)ka BP; E2(18.6± 1.4)~(17.3± 1.4)ka BP; E3(12.2± 1.2)~(6.6± 0.8)ka BP; E4 6.9~6.2ka BP。 古地震间隔分别为(1.2± 0.5)ka、 (8.7± 3.0)ka和(2.8± 3)ka。 博-阿断裂精河段2个探槽内记录的最新一次古地震的离逝时间为6.2~6.9ka, 震级为MW7.4。 鉴于该次事件具有较长的离逝时间和较大的震级, 博-阿断裂精河段的地震危险性值得关注。

致谢 审稿专家为本文提出了建设性意见, 在此表示衷心感谢!

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