引用本文
张玲, 杨晓平, 李胜强, 黄伟亮, 杨海波. 秋里塔格褶皱带东段探槽的古地震事件[J]. 地震地质, 2020,42(5): 1039-1057.
ZHANG Ling, YANG Xiao-ping, LI Sheng-qiang, HUANG Wei-liang, YANG Hai-bo. STUDY ON PALEO-SEISMIC EVENTS IN TRENCHES OF THE EASTERN QIULITAGE ANTICLINAL BELT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(5): 1039-1057.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.05.002
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秋里塔格褶皱带东段探槽的古地震事件
张玲1), 杨晓平1),*, 李胜强1,2), 黄伟亮1,3), 杨海波1)
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)河北省地震局, 石家庄 050021
3)长安大学, 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 西安 710064
*通讯作者: 杨晓平, 男, 1962年生, 研究员, 现主要研究方向为活动构造及地震危险性评价, E-mail: yangxiaoping-1@163.com。

〔作者简介〕 张玲, 女, 1986年生, 2016年于中国地震局地质研究所获活动构造专业博士学位, 现为中国地震局地质研究所国家动力学重点实验室博士后, 主要从事活动构造和现今地壳形变研究, 电话: 15117984244, E-mail: zhangling4255@126.com。

收稿日期: 2020-01-06 修回日期: 2020-03-16
基金项目: 全国重点监视防御区活动断层地震危险性评价项目(1521044025)、 区划图预研 “逆冲型构造区潜在震源划分原则与三维模型构建方法”和西北潜在震源调整研究共同资助
摘要

位于天山南麓库车坳陷中的东秋里塔格背斜带是典型的活动逆断裂褶皱带, 1949年的库车 M7$\frac{1}{4}$地震发生在该逆断裂褶皱带上。 目前, 仍然没有发现此次大地震的地表破裂带, 也没有确定其发震断层。 同时, 由于这一地区相关的年代学研究匮乏, 对于这一地区的古地震事件仍然缺乏系统性地认识。 文中基于野外调查获取的地表地质特征和通过石油地震反射剖面解读的深部构造, 定性地分析了研究区内的地表活动断层与深部低倾角滑脱断层、 褶皱变形的关系。 我们聚焦于冲破至地表的活动断层, 选择在库车塔吾背斜北翼和东秋里塔格背斜南翼的突破断层上开挖了5个探槽, 分析了探槽中与古地震事件相关的构造和地层沉积特征。 根据OSL(光释光)和14C测年结果, 利用逐次限定法识别出了6次古地震事件。 在这些古地震事件中, 有的地表破裂同时发生在褶皱带南、 北两翼的突破断层上, 有的仅在褶皱带北翼的突破断层上发生。 总体而言, 这些古地震事件引起的地表破裂具有南天山低角度逆断层古地震破裂变形普遍存在的2种现象, 即单条断层多次破裂和多条断层同时破裂。 已揭示的古地震事件具有一定的丛集性, 在距今7.4ka以来具体表现为: 距今5.7~7.4ka共发生了3次古地震事件, 在距今3.3~4.7ka发生了1次古地震事件, 最新的丛集事件可能以1949年库车 M7$\frac{1}{4}$地震的发生为标志。 研究区地震丛集的发生近似有2.5~4ka的重复周期, 1949年库车 M7$\frac{1}{4}$地震之后是否还会发生强震, 还有待进一步的观察和详细研究。

关键词: 古地震; 秋里塔格背斜带; 逆断裂褶皱带; 库车地震; 天山
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)05-1039-19
STUDY ON PALEO-SEISMIC EVENTS IN TRENCHES OF THE EASTERN QIULITAGE ANTICLINAL BELT
ZHANG Ling1), YANG Xiao-ping1), LI Sheng-qiang1,2), HUANG Wei-liang1,3), YANG Hai-bo1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China
3)Key Laboratory of Western China Mineral Resources and Geological Engineering, College of Engineering and Surveying of Chang'an University, Xi'an 710064, China
Abstract

In response to the ongoing far-field effects of the India-Eurasia collision, the Tianshan Mountains experience rapid NS convergence, and most of the present N-S shortening is absorbed along the southern and northern edges. The resultant frequent large earthquakes have inspired many scientists to explore the neotectonic activity of the Tianshan Mountains. The eastern Qiulitage anticlinal belt located in the Kuqa depression, on the southern piedmont of the Tianshan Mountains, is a typical blind fault-related fold. The Kuqa M7$\frac{1}{4}$ earthquake in 1949 as typical folding earthquake once occurred on the northern limb of the eastern segment of the Qiulitage anticline, and the epicenter was near the Village of Kang which is sparsely populated. This earthquake is a typical folding earthquake whose dominant fault did not thrust onto the earth surface. Although many tectonic-induced scarps and deformed Quaternary strata have been reported, there are still no direct evidences for the surface ruptures and corresponding causative faults of this earthquake at present. And systematic understanding of paleoseismic events in Qiulitage area is also limited by the lack of relevant chronological researches.
We conducted 1︰50 000 scale geological mapping in the Qiulitage anticline area. The local surface geological characteristics are investigated based on interpretation of Google Earth image and confirmation in the field. Together with interpreted subsurface structure by petroleum seismic reflection profiles, the relationship between the active faults thrust on the surface, low-dip-angle decollement faults in deep, and fold deformation are subsequently qualitatively analyzed. In this study, the active faults which have thrust to the surface and generated fault scarps are focused on.
Totally five trenches were chosen and cleared up, two of which are located on the southern limb of the eastern Qiulitage anticline and the others are on its northern limb. And all excavation sites are situated on fresh fault scarps. We carefully interpreted different characteristics of tectonic deformation and sedimentary process which are correlated with paleo-seismic events from trenches. According to the OSL(Optically Stimulated Luminescence)and14C dating results, a reliable chronological framework for the deformed stratigraphic sequences was established. Based on the classic successive limiting method, six paleoseismic events were finally constrained.
Some of these interpreted paleo-seismic events produced surface ruptures on the breakthrough faults simultaneously on the southern and northern limbs of the Qiulitage anticline, and others only caused local surface ruptures on its northern limb. In a broad sense, the surface ruptures caused by these paleoseismic events have similar characteristics to those which are popular among the low-dip-angle thrust faults on the southern piedmont of the Tianshan Mountains. And the two common phenomena are that multiple ruptures may occur a single fault and multiple faults may rupture simultaneously. We speculate that only when the displacement of master faults at depth is big enough, multiple shallow secondary faults can be triggered at the same time. Conversely, only one fault is active at one time. In other words, constrained by the length and displacement of dominant faults, not all paloseismic events can cause surface ruptures on the northern and southern limbs of the Qiulitage anticline at the same time.
The revealed paleoearthquakes may have a clustering feature since ~7.4ka. They behaved as follows: 1)Three events occurred during 5.7~7.4ka. 2)one event occurred during 3.3~4.7ka. 3)the latest cluster of events may be marked by the 1949 MW7$\frac{1}{4}$ Kuqa earthquake. Thus, the earthquake sequences have a recurrence period of about 2.5~4ka.
Significantly, the incompleteness of the paloseismic events recorded in trenches and the quality and intrinsic error of the OSL dating samples can mislead judgments. It is inevitable that the time of paloseismic event cannot be constrained strictly. In our research area, because of the lack of seismic events between event E5 and event E6(7.25~19.1ka), there is a gap in seismic event records for up to~11.85ka. However, our result offers a relatively systemic event sequence to fill the gap in studies on paleoseismicity in this area. Whether there will be a strong shock after the 1949 MW7$\frac{1}{4}$ Kuqa earthquake remains to be further studied in detail.

Keyword: paleo-seismic event; Qiulitage anticline; thrust-fold belt; Kuqa earthquake; Tianshan
0 引言

20世纪90年代以来, 古地震研究有了长足的进展, 研究精度不断提高, 针对性更加明确。 同时, 古地震资料在地震中长期预测和灾害评估中的运用更加广泛(冉勇康等, 1999)。 然而, 目前在某些特殊地质环境下的古地震研究仍然十分薄弱, 活动褶皱区就是其中之一。 褶皱地震发生于年轻的活动褶皱构造之中, 由埋深数km的隐伏断层(盲断层)发生位移而形成, 且往往不在地表形成破裂, 或仅形成断断续续的地表位移(张培震等, 1994)。 这些特征使得识别活动褶皱带中的古地震事件变得十分困难。 同时, 褶皱地震往往发生在多排逆断裂推覆系中, 深部结构的复杂性可能使多条断裂同时发生破裂(李安等, 2011), 也可能造成褶皱区内各个部位的地震破裂样式截然不同(李安等, 2016)。 近年来, 破坏性褶皱地震频发, 如1999年台湾集集MW7.5地震(Chen et al., 2007)、 2008年汶川MW7.9地震(Xu et al., 2009)和2013年MW6.6芦山地震(陈立春等, 2013; 鲁人齐等, 2017)等。 以汶川地震为例, 成都和龙门山地区在该地震发生之前从未有过如此巨大地震的报道, 但它却是中国境内近50a内最大的一次地震, 并且造成了严重的人员伤亡和损失(Ran et al., 2010)。 因此, 虽然逆冲推覆构造区的古地震研究困难重重, 但仍然值得进行深入而系统的工作。

新生代以来, 印度板块与欧亚板块碰撞挤压的远程效应使得天山地区现今的地壳活动十分强烈(邓起东等, 2000)。 有历史记载以来, 天山地区发生了多次8级及以上地震和数十次7.0~7.9级地震(陈祥玉, 1994; 中国地震简目编辑组, 2000; 李安等, 2011)。 位于南天山库车再生前陆逆冲褶皱带中的东秋里塔格褶皱带是典型的活动褶皱带, 控制褶皱带变形的主要断层并没有到达地表, 但构造活动使褶皱带中的晚第四纪地层发生了强烈变形, 在地表留下了大量构造陡坎(吴传勇, 2005; 吴传勇等, 2006; Hubert-Ferrari et al., 2007)。 历史记录表明, 在库车逆断裂褶皱带内共发生过3次6级以上地震, 分别为1893年库车西6$\frac{3}{4}$级地震、 1947年新河6$\frac{1}{4}$级地震和1949年库车7$\frac{1}{4}$级地震(邓起东等, 2000)。 其中, 1949年库车7$\frac{1}{4}$级地震就发生在秋里塔格背斜带的东段, 极震区位于库车东北的康村— 克日希村一带(中国地震局震害防御司, 1999)。 由于库车地震发生在人烟稀少、 村镇寥落的山麓与平原相接的荒漠地区, 目前对该地震的破坏程度和地表同震变形空间展布的认识仍然存在很大的局限性。 本文在东秋里塔格背斜带内活动断层研究(李胜强等, 2016)的基础上, 在活动背斜南北两翼的不同部位开挖了5个探槽, 对探槽剖面中与古地震事件相关的构造和沉积特征进行分析。 由于库车地区晚第四纪沉积为冲洪积相碎屑堆积物, 因此选择光释光和14C测年技术来测定探槽中沉积地层的年龄(冉勇康等, 2014)。 同时, 结合断错地貌特征识别出多次晚更新世以来的古地震事件。 最后, 利用古地震逐次限定法(毛凤英等, 1995)给出东秋里塔格背斜带晚更新世以来较为精确的古地震事件和复发间隔。

1 地质概况

天山山脉与塔里木盆地的交接部位广泛地持续着冲断褶皱作用, 造就了库车再生前陆逆冲褶皱带, 且成为天山南、 北两侧变形最强烈的地区之一(卢华复等, 2002)。 秋里塔格背斜带及其南侧的亚肯背斜带位于逆冲褶皱带的最前缘, 也是变形的最前锋, 具有较强的活动性(杨晓平等, 2001, 2008; 沈军等, 2006; 吴传勇等, 2006; 李胜强, 2015)。 近EW向延伸的秋里塔格断裂带几乎纵贯整个库车逆冲褶皱带, 断层面倾向N, 倾角多为70° ~80° (杨主恩等, 2011)。 该断裂带错断了侏罗纪以来的所有地层, 在库车河以西主要出露在背斜核部的中新统中, 而东部则表现为隐伏断层或仅部分地段出露地表(李胜强, 2015)。

本文中的秋里塔格褶皱带东段指盐水沟以东的秋里塔格背斜带, 由库车塔吾背斜和东秋里塔格背斜组成, 长约90km, 宽8~9km, 总体呈NEE走向, 地貌上显示为高耸的背斜山(图 1), 相对高差> 2 000m。 背斜山地区几乎是无法进入的区域(Hubert-Ferrari et al., 2007), 仅有几条较大的河流横穿了背斜带, 自西向东依次为盐水沟、 库车河、 博斯坦河和克孜勒河等。 该褶皱带主要由中新统、 上新统及下更新统组成, 整体形态呈线性紧闭状, 中段褶皱隆起最高, 向E逐渐倾伏并消失(齐英敏等, 2004)。 在库车河和博斯坦克拉克河剖面上, 背斜南、 北两翼发育生长地层。 生长地层的古地磁测年结果显示, 背斜带变形起始于中新世晚期或上新世早期(Charreau et al., 2006, 2009; Sun et al., 2009; Huang et al., 2010; Zhang et al., 2014)。 秋里塔格褶皱带东段出露4条断层。 其中, 在库车塔吾背斜的核部和北翼各出露1条活动断层, 分别为库车塔吾断层(F1)和库车塔吾背斜北翼断层(F2); 在东秋里塔格背斜南翼出露2条断层, 分别为博斯坦断层(F3)和东秋里塔格背斜南翼断层(F4), 除了博斯坦断层(F3)以外均为活动断层(图 1)(李胜强等, 2016)。 我们在库车塔吾背斜北翼的断层F2上开挖了3个探槽, 在东秋里塔格背斜南翼的断层F4上开挖了2个探槽。

图 1 秋里塔格褶皱带东段(盐水沟以东)的活动断层及探槽分布(据李胜强等, 2016修改)
F1 库车塔吾断层; F2 库车塔吾背斜北翼断层; F3 博斯坦断层; F4 东秋里塔格背斜南翼断层。

Ⅰ 山麓逆断裂褶皱带; Ⅱ 喀桑托开逆断裂褶皱带; Ⅲ 秋里塔格逆断裂褶皱带; Ⅳ 亚肯逆断裂褶皱带Fig. 1 A map showing the distribution of active faults and trenches of the eastern Qiulitage anticline (east of the Yanshui channel)(modified from LI Sheng-qiang et al., 2016).

2 库车塔吾背斜北翼断层揭露的古地震事件
2.1 库让坎附近断错地貌的基本特征

在康村以西5.5km的库让坎附近, 库车塔吾背斜北翼山前洪积扇上保存了断续分布、 长约1.5km、 近EW向展布、 坡向N的断层陡坎。 跨断层陡坎开挖了3个探槽, 分别为KC-1、 KC-2和KC-3, 位置见图1和图 2。

图 2 库车塔吾背斜北翼断层库让坎附近的断层陡坎分布图Fig. 2 A map showing the fault scarps of the northern limb fault of the Kuqa-tawu anticline around the Kurangkan.

库让坎附近发育2期洪积扇, 其中洪积扇1(Fan1)的拔河高度仅1.0~2.0m, 扇面上为全新世的冲洪积砂砾石, 断层陡坎呈断续分布, 坡向N, 长约600m, 高度仅约0.5m(图 2, 3c, 3e)。 洪积扇2(Fan2)扇面上为全新世中晚期砂砾石, 部分地段上叠现代洪积扇, 且现代洪积扇上不发育断层陡坎。 Fan2之上的断层陡坎走向近EW, 坡向N, 长约800m, 高度为0.8~1.2m(图 2, 3a, 3b, 3d)。

2.2 KC-1探槽

探槽位于Fan2上, 长约9m, 深2.5~3.0m, 宽2~2.5m。 探槽开挖处的断层陡坎高约0.8m(图3a, d)。

图 3 康村西库车塔吾背斜北翼的断层陡坎
a、 d KC-1探槽开挖处的陡坎地貌照片及实测陡坎地形剖面; b KC-2探槽开挖处的陡坎地貌照片; c、 e KC-3探槽处的断层陡坎照片及实测陡坎地形剖面, 地形剖面位置见图 2Fig. 3 The northern limb fault of the Kuqa-tawu anticline, southwest of Kang Village.

探槽剖面上的地层可划分为10个地层单元, 共发育4条逆断层、 2个角度不整合面(S1、 S2)和1个崩积楔(W1)(图 4)。 该探槽揭露出3次事件, 其构造表现如下:

事件1: 在f3断层的上盘, U2砂层靠近断层处的倾角为15° , U3a砾石层靠近断层处的倾角为10° , 二者之间为角度不整合接触, 代表1次古地震事件。 U2层的光释光测年结果为距今(19.9± 1.2)ka, U3b层的光释光测年结果为距今(5.9± 0.4)ka。 故事件1发生在距今(19.9± 1.2)~(5.9± 0.4)ka。

事件2: 在f2断层的上盘, U5砾石层的倾角为15° , 其上覆的U10地层的倾角为10° , 二者之间为角度不整合接触; 由于U10地层的光释光测年结果为距今(2.7± 0.3)ka, U3b地层的光释光测年结果为距今(5.9± 0.4)ka, 故事件2发生在距今(5.9± 0.4)~(2.7± 0.3)ka。

事件3: f1断层错断U10砾石层, 形成崩覆楔(坎前堆积楔)W1。 最新一次古地震事件发生的时间晚于距今(2.7± 0.3)ka。

图 4 库车塔吾背斜北翼KC-1探槽东壁的地质剖面
U1 灰褐色粗砂砾石层; U2 灰白色粗砂夹少量砾石, KC1-2样品的光释光测年结果为距今(19.9± 1.2)ka; U3a 灰褐色砾石层, 角度不整合于U2层之上; U3b 灰褐色细砾石层, KC1-12样品光释光测年结果为距今(5.9± 0.4)ka; U4 灰褐色粗砂细砾石, 可能与U3a为同一地层; U5 灰褐色粗砂砾石层, 可能与U3b为同一地层; U6 断层带内的砂砾石, 砾石多定向排列; U7 断层带内的灰褐色砾石层, 揉皱变形, 断层带内夹有褐色砾石; U8 断层带内褐色砾石, 砾石多定向排列; U9 近水平沉积的褐色厚层的粗砂砾石层, 位于断层下盘, 变形较弱, 其下部的KC1-7样品的光释光测年结果为距今(6.1± 0.5)ka, 与U3b中KC1-2样品的光释光测年结果(距今(5.9± 0.4)ka)十分接近; U10 灰褐色粗砂细砾石层, 上部KC1-5样品的光释光测年结果为距今(2.7± 0.3)ka; W1 崩覆楔, 为粉土与砾石的混合堆积Fig. 4 The eastern wall profile of the trench KC-1 on the northern limb of Kuqa-tawu anticline.

2.3 KC-2探槽

KC-2探槽同样开挖于Fan2上, 探槽长约10m, 深2.5~3.2m, 宽2~2.5m。 探槽开挖处的陡坎高度为1.2m(图3b)。

该探槽共揭露出5个地层单元、 1个崩覆楔、 2个疑似断层坎前堆积(U2-1、 U3)和5条断层(图 5)。 该探槽中至少揭露出4次古地震事件, 事件分析如下:

图 5 库车塔吾背斜北翼KC-2探槽西壁的地质剖面
U1 灰褐色粗砂砾石层, 在断层上盘不整合覆盖于U2-1层之上; U2-1 棕色粉质黏土透镜体, 在断层上、 下盘均有分布, KC2-9样品的光释光年龄为距今(6.5± 0.5)ka, KC2-5样品的光释光年龄为距今(5.7± 0.4)ka; U2-2 灰红色粗砂砾石层, 断层上盘厚20~30cm, 断层下盘该层的厚度为80~100cm, 断层下盘U2-2层中的1个含黏土粉砂透镜体样品(KC2-15)的光释光测年结果为距今(6.3± 0.5)ka; U3 灰红色粉质黏土薄层, 在断层的下盘表现为透镜体状, 断层上盘U3层中的KC2-4样品的光释光测年结果为距今 (7.7± 0.6)ka, 断层下盘U3层中的KC2-3样品的光释光测年结果为距今(6.4± 0.5)ka, KC2-8样品的光释光测年结果为距今(7.1± 0.6)ka; U4 灰褐色粗砂细砾石层, 断层上、 下盘中均含有粉土夹砾石透镜体; U5 灰红色粗砂细砾石层, 断层下盘的一个粉土透镜体光释光样品(KC2-1)的测年结果为距今(7.4± 0.6)ka; W1 坎前堆积楔(崩覆楔), 为f1断层错动形成的坎前堆积, 其底部粉土层样品(KC2-11)的光释光年龄为距今(2.7± 0.3)kaFig. 5 The western wall profile of the trench KC-2 on the northern limb of Kuqa-tawu anticline.

事件1: f1断层向N发生错动时很可能同时触发了f2— f5次级断层同时发生错动。 f2和f3断层错断的最新地层为U4, 但向上并没有错断U3粉土透镜体, 说明该次事件中f1、 f2和f3同时错动, 事件1发生在距今(7.4± 0.6)~(7.1± 0.6)ka。

事件2: f1断层向N发生错动时f4和f5地层错断了U3地层, 说明错断事件发生在U3地层沉积之后。 但它们并没有切穿U2-2-1地层, 说明错断事件发生在样品KC2-15所在的砂岩透镜体形成之前。 该次事件还可能使得f1断层下盘的U4地层弯曲, 同时在坎前形成U3'楔形堆积, 该楔形堆积上部粉土层的光释光年龄为距今(6.4± 0.5)ka, 进一步说明该次事件发生在距今(7.1± 0.6)~(6.3± 0.5)ka。

事件3: 断层下盘的U2-2层被不连续的粉土透镜体分割成上(U2-2-2)、 下(U2-2-1) 2部分, 该粉土透镜体样品KC2-15的光释光年龄为距今(6.3± 0.5)ka。 在U2-2-2层的砾石沉积之后, f1断层发生错动, 使得断层上、 下盘的砾石层发生弯曲, 形成断层陡坎。 推测受西北风和局部地形陡坎的影响, 在断层陡坎附近堆积了U2-1粉土层, 堆积年龄为距今(5.7± 0.4)ka, 故该次事件发生的年代应为距今(6.3± 0.5)~(5.7± 0.4)ka。

事件4: U1砂砾石层堆积之后, f1断层再次发生错动, 形成W1坎前堆积。 坎前堆积底部的粉土样品KC2-11的光释光年龄为距今(2.7± 0.3)ka, 故该次事件发生在距今(2.7± 0.3)ka之前、 距今(5.7± 0.4)ka之后, 但更接近距今(2.7± 0.3)ka。

探槽KC-2与探槽KC-1的最新一次活动形成的坎前堆积楔的光释光年龄一致, 说明2个探槽分别揭露的最新一次事件为同一次事件。

2.4 KC-3探槽

在横跨全新世洪积扇Fan1上的断层陡坎开挖一个长约5m、 深2.8m、 宽2~2.5m的探槽, 探槽处的陡坎高0.5m, 坡向N(图3c, e)。 探槽中可划分出9个地层单元、 1个不整合面和1个崩积楔(图 6)。

图 6 康村西KC-3探槽西壁地质剖面(据李胜强等, 2016修改)
U1 灰褐色粗砂砾石夹中细砂透镜体, 靠近顶部的14C样品KC3-14C-1的测年结果为距今(1 590± 30)a, 光释光样品的测年结果为距今(15.5± 0.7)ka; U2 灰红色— 灰棕色粗砂砾石层, 近断层处出现褶皱变形, 上盘厚仅25cm, 下盘厚约55cm; U3 灰褐色粗砂细砾石层, 砾石直径一般为0.5~1.5cm, 大砾石的直径约为10cm; U4 灰红色— 灰棕色粗砂砾石层; U5 灰红色黏土质粉细砂; 光释光样品OSL-14的年龄为(4.7± 0.5)ka; U6 灰红色粗砂细砾石层, 中间的细砂层被局部反向逆冲断层错断; U7 灰红色细砂夹细砾石层; U8 灰褐色粗砂— 砾石层; U9 断层带内定向排列的砾石堆积; W1厚约0.45m的崩积楔, 由粉质黏土夹小砾石组成Fig. 6 The western wall profile of the trench KC-3 west of Kangcun(modified from LI Sheng-qiang et al., 2016).

探槽中揭露出2次古地震事件, 事件1发生在U4地层沉积之后, 断层错动使得U4、 U5地层褶皱弯曲, 之后U3断层不整合覆盖在U4和U5层之上。 由于U5粉土层的光释光年龄为距今(4.7± 0.5)ka, 因此事件1发生在距今(4.7± 0.5)ka之后。

事件2发生在U1层堆积之后, 断层的错动使U1地层在靠近断层处发生弯曲, 且在坎前形成坎前堆积楔W1。 U1地层中的炭屑样品KC3-14C-1的测年结果为距今(1 590± 30)a, 事件2发生在距今(1 590± 30)a之后。

3 东秋里塔格背斜南翼断层揭露的古地震事件
3.1 哥库洛克西断错地貌的特征

F4断层在山前地带断错了中更新世砾石层, 在哥库洛克附近的背斜山前形成断层三角面(图 1, 7a, 7b)。 在断层上盘附近, 中更新世砾石层倾向S, 倾角达45° , 靠近断层的位置砾石层直立甚至倒转。 在残留的冲洪积扇Fan2上, 断层陡坎高约1.5m(图7c, d)。 在现代冲沟内, 最新的冲洪积扇Fan1也被断层错断, 陡坎高0.5~0.6m(图7e, f)。 横跨断层陡坎开挖了2个探槽, 分别为DQ-1(图7c, d)和DQ-2(图7e, f)。 由于DQ-2探槽与李胜强等(2016)研究中的东秋里塔格背斜南翼歌库洛克断层探槽为同一探槽, 并且已对其进行了详细的描述, 故本文将省略这一部分的展示。 但其相关的年龄结果将会加入后文古地震事件的讨论中(图 9)。

图 7 哥库洛克附近的断错地貌
a、 b 哥库洛克附近的遥感影像和地貌解译图; c、 d DQ-1探槽附近的洪积扇实测地形图及探槽开挖处的断层陡坎; e、 f DQ-2探槽附近洪积扇上的断层陡坎照片及断层陡坎的实测地形剖面(李胜强等, 2016)Fig. 7 The geomorphic characteristics around Gekuluoke.

3.2 DQ-1探槽

探槽开挖于残留的洪积扇Fan2上, 长约10m, 深1.2~2.7m, 宽2.5m, 探槽开挖处的陡坎高度约为1.5m(图7c, d)。

探槽揭露出16个地层单元、 5个崩积楔、 6个不整合面、 4条大致平行产出的逆断层, 断层面N倾, 倾角约为20° (图 8)。 在探槽的剖面上发现多个角度不整合面, 可能代表了多次古地震事件。 探槽中的U3— U12层均为灰褐色的粗砂中细砾石层, 与附近出露的中更新世砾石层进行对比发现, 两者的砾石大小、 颜色和充填物特征一致, 故认为U3— U12层为中更新世砾石层, 不整合面S2— S6发育在中更新世砾石层, 不再讨论其形成的具体时间。

图 8 DQ-1探槽剖面
U1 灰褐色粗砂砾石层, 角度不整合于U2层之上, U1层中的细砂样品DQ1-2的光释光测年结果为距今(18.0± 1.0)ka; U2 灰褐色粗砂砾石层, 角度不整合于U3层之上, 底部细砂样品DQ1-4的光释光测年结果为距今(20.2± 1.7)ka; U3 灰褐色— 灰黄色细砾石层, 向S陡倾, 倾角约达65° ; U4 为夹持于f4断层与f5断层之间的粗砂细砾石, 无层理; U5 为夹持于f3和f4断层之间, 为灰褐色细砾石, 无层理; U6 弯曲变形的灰褐色粗砂细砾石层, 不整合于U7层之上; U7 灰褐色— 灰棕色粗砂细砾石层, 倾向S; U8 灰褐色— 灰棕色的粗砂细砾石层, 倾向N, 靠近f2断层处弯曲变形, 不整合于U9层之上; U9 被褶皱弯曲的灰褐色— 灰棕色粗砂细砾石层; U10 灰褐色细砾石层, 呈紧闭褶皱形态; U11 灰褐色粗砂细砾石层, 向N倒转; 不整合于U12层之上; U12 灰褐色— 棕褐色粗砂细砾石层; U13 灰褐色— 灰白色粗砂砾石层, 近水平产出, 其下部中细砂样品DQ1-6的光释光测年结果为距今(15.1± 1.6)ka, 与U1应为同一套地层, 均为现今Fan2最上部的堆积; U14 褐色细砾石层; U15 灰褐色粗砂砾石层; U16 褐色粗砂细砾石层, 近水平产出; W1 为最新一次事件的崩积楔, 为粗砂砾石与粉土的混合堆积, 其中粉土样品DQ1-1的光释光测年结果为距今(7.1± 0.5)ka; W2 灰褐色的粗砂砾石堆积楔, 夹持在f1和f2断层之间, 可能为一个古坎前楔的残留部分; W3 褐色粗砂堆积楔, 位于f4断层的下盘Fig. 8 The profile of the trench DQ-1.

事件1: f3断层活动错断U2地层, 并使U2地层弯曲变形, 之后U1地层不整合堆积于U2层之上。 U1和U2层2套砾石层均向SE倾, 倾角相差7° , U2砾石层在靠近f3断层的位置陡立或倒转。 事件发生的年代为距今(20.2± 1.7)~(18.0± 1.0)ka。

事件2: f1、 f3断层同时错动使得U1砾石层再次褶皱变形, 错断楔体W2和W3, 在断层陡坎的下方形成坎前堆积W4。 在W4底部采集的粉土测年样品(DQ1-1)的光释光测年结果为距今(7.1± 0.5)ka, 故推测此次事件发生在距今(15.1± 1.6)~(7.1± 0.5)ka, 但更接近距今(7.1± 0.5)ka。

4 古地震事件的逐次限定与古地震序列

确定古地震发生的年代是减小古地震研究不确定性的关键之一, 除选择合理的测年方法和应用正确的采样方法外, 在确定事件年代时还需要注意: 1)在快速搬运堆积的情况下, 14C年龄基本可以代表沉积地层的年龄。 但有些样品在沉积之前经历了复杂的搬运过程或者污染, 可能具有远老于堆积地层的年龄; 2)光释光所测的年龄为矿物最近一次曝光年龄, 理论上是沉积物沉积时的绝对年龄。 但如果矿物颗粒晒退程度较低或者基本未晒退, 光释光信号残留值将会极高(Duller, 2008; 杨会丽, 2013), 所获得的年龄结果会过高地估计事件发生的时间。 此外, 少量的现代地震相关沉积物的曝光程度检验说明, 不同粒径的矿物表现出不同的曝光程度。 对于不同沉积类型的样品, 其等效计量值对粒径大小的依赖性也不同(Yang et al., 2012); 3)在确认方法可靠、 样品无污染的情况下, 较年轻的样品年代值最为接近或代表该层位的堆积时间(冉勇康等, 2014)。

根据探槽中沉积地层年龄, 利用古地震逐次限定法(毛凤英等, 1995)或事件窗法(冉勇康等, 2014)确定揭露的系列古地震事件。 这一方法的核心内容是利用同一条活动断裂、 不同段落上的探槽揭露出古地震的下限和上限以及同一个探槽中古地震事件时间区间的排列顺序。 利用上限和下限时间识别同一次古地震事件, 并利用多个上限和下限时间逐渐缩小古地震事件的年代误差。

上文中详细分析了库车塔吾背斜北翼F2断层和东秋里塔格背斜南翼断层F4上的每个探槽揭露的古地震事件以及这些古地震事件年龄的上限、 下限和时间区间。 为了进一步限定古地震事件的相关性和对应的发震断层, 首先将所有探槽中揭示的年龄数据放在统一的时间轴上, 可发现已揭露出距今10ka以来的多次古地震事件, 且可能存在丛集的现象; 而在10~20ka BP之间仅揭露出1次古地震事件, 表明可能存在大量漏记或褶皱相关断层没有断错地表的现象。 下面将详细叙述各个古地震事件被限定的年代(图 9)。

图 9 秋里塔格褶皱带东段的古地震序列Fig. 9 Paleo-seismic events of the eastern Qiulitage anticline constrained by progressive constraining method.

(1)事件E1

即1949年库车 7$\frac{1}{4}$级地震。 KC-1和KC-3探槽中揭露出的最新一次事件分别发生在距今(2.7± 0.3)ka和(1 590± 30)a之后, 而且后者的年龄为14C年龄。 另据地震目录(陈祥玉, 1994; 中国地震局震害防御司, 1999; 中国地震简目编辑组, 2000)可知, 距今1 600a以来库车地区仅发生过1次7级以上地震事件, 即1949年2月24日的库车 7$\frac{1}{4}$级地震, 这次地震的宏观震中就位于库车塔吾背斜南、 北两侧的康村、 克日希一带。 KC-1、 KC-2和KC-3探槽所在的坡向向N的断层陡坎下部均发育有最新的坎前堆积, 它们均位于库车塔吾背斜山前的冲洪积扇面上。 东秋里塔格背斜南翼的DQ-2探槽(李胜强等, 2016)揭露出距今(3.3± 0.2)ka之后发生过1次古地震事件, 冲沟漫滩上0.6m高的断层陡坎前发育坎前堆积。 冲洪积扇Fan1(图 2, 7b, 7f)的拔河高度为0.5~2m, 其上部的断层陡坎高0.5~0.6m(图 3, 7e, 7f)。

以上这些坎前堆积都没有被错断, 同时这些坎前堆积所在的洪积扇面上辫状冲沟十分发育, 季节性的洪水能够直接对断层陡坎进行冲刷和堆积改造。 在断层陡坎的坡面上裸露了较大的卵石, 植被生长也远比非断层陡坎区差, 陡坎坡面的最大坡角为22° (图 3)。 如果这些坎前堆积形成于数百年前, 几次大洪水必然会将其冲刷殆尽, 既然这些没有被其它断层错断的坎前堆积能够依然保存下来, 说明它们并未受到大洪水的冲刷。 近百年的历史记载中除了1949年的库车地震以外, 在秋里塔格背斜东段没有发生过其它大地震, 我们认为该现象最合理的解释是这些最新的断层陡坎就是1949年库车地震的产物。 因此, 推测事件E1为1949年2月24日的库车 7$\frac{1}{4}$级地震。

研究区内所有的探槽都出现了一个非常有意思的现象, 即所有对应的断层陡坎高度值都不大。 KC-1、 KC-2、 KC-3、 DQ-1和DQ-2探槽对应的断层陡坎高度分别为0.8m、 1.2m、 0.5m、 1.5m和0.6m, 而且探槽中揭示出的最新一次崩积楔的形态都十分清晰, 高度约为0.5m, 推测这些陡坎反映的是最新1次或2次事件。 因此, 用这些断层陡坎高度来分析年代更加久远的古地震具有非常大的局限性, 在后续分析中将更多地参考探槽中沉积地层的交切关系和测年结果。

(2)事件E2

背斜北翼山前库让坎附近的KC-1探槽揭露出这次事件发生在距今(2.7± 0.3)~(5.9± 0.4)ka BP, KC-2探槽限定了这次事件发生在距今(2.7± 0.3)~(5.7± 0.4)ka BP, KC-3探槽揭露出这次地震的下限年龄为距今(4.7± 0.5)ka。 背斜南翼的DQ-2探槽揭露出这次事件的上限年龄为距今(3.3± 0.2)ka, 下限年龄为距今(6.0± 0.7)ka。 综合以上时间约束, 我们推测这次事件发生在距今(3.3± 0.2)~(4.7± 0.5)ka, 中值年龄约为距今4ka。

(3)事件E3

这次事件仅出现在背斜北翼山前的KC-2探槽中, 发生在距今(5.7± 0.4)~(6.3± 0.5)ka, 但更接近距今5.7ka。

(4)事件E4

在背斜北翼库让坎附近的KC-2探槽中发现了此事件, 时间限定在距今(6.3± 0.5)~(7.1± 0.6)ka, 中值年龄约为距今6.7ka。

(5)事件E5

探槽KC-2中这次事件的时间被限定在距今(7.1± 0.6)~(7.4± 0.6)ka BP, 在背斜南翼哥库洛克附近的DQ-1探槽中, 这次事件被限定在距今(7.1± 0.5)~(15.1± 1.6)ka, 但更接近距今(7.1± 0.5)ka, 因此推测这次事件发生在距今(7.1± 0.5)~(7.4± 0.6)ka BP, 中值年龄约为距今7.25ka。

(6)事件E6

在背斜北翼的KC-1探槽中, 这次事件的下限年龄被限定为距今(19.9± 1.2)ka; 在背斜南翼的DQ-1探槽中, 这次事件被限定发生在距今(18.0± 1.0)~(20.2± 1.7)ka。 因此推测事件E8发生在距今约19ka。

5 讨论
5.1 发震断裂的认识

随着塔里木盆地周边石油和天然气开采的不断推进, 秋里塔格褶皱带深部隐伏断层的详细信息逐步被揭露。 大量地震反射剖面(图 10)显示褶皱带东段的深部存在2个滑脱面: 1)下滑脱层位于数十m厚的上侏罗纪含煤地层和泥岩地层中; 2)上滑脱层位于古新世— 中新世900~1 000m厚的膏岩层中(Hubert-Ferrari et al., 2007)。 这2个滑脱层通过断坡相连, 形成了深部的断弯褶皱(卢华复等, 2002)。 然而, 控制褶皱形态的深部断层的构造几何样式自西向东却不尽相同, 同时地表活动断层的表现也具有明显的分段性特征。 地震反射剖面(图 10 中的AA'剖面)显示, 库车塔吾背斜深部为一个断层转折褶皱, 并在背斜南翼发生被动顶板反向逆冲断层, 浅部由于前翼的阻抗较强发生滑脱(汪新等, 2002; 李胜强等, 2016)。 贯穿博斯坦克拉克河的地震反射剖面(图 10 中的BB’ 剖面)显示, 下层滑脱面(约5km深)向S延伸并控制亚肯背斜的生长, 而东秋里塔格褶皱带主要由突破至地表的断层F3所控制, 反向逆冲断层F1与F3形成相向对冲。 除了反向逆冲断层F1在库车塔吾背斜核部出露地表以外, 所有其它深部主控断层均未突破至地表。

图 10 秋里塔格褶皱带东段的地震反射剖面(据Wang et al., 2011修改)及地表断层成因模型(李胜强等, 2016)
地震反射剖面位置见图1, 断层编号与图1中的断层编号相对应Fig. 10 Interpretation of seismic profiles across the eastern Qiulitage anticlinal belt (modified from Wang et al., 2011)and models for surface faults(LI Sheng-qiang et al., 2016).

虽然断层F3出露地表, 但未错断晚第四纪堆积物, 说明其并不是一条活动断层(李胜强, 2015)。 秋里塔格褶皱带东段共有3条活动断层— — F1、 F2和F4(图 1, 10), 其中仅有库车塔吾背斜核部断层F1与控制背斜带生长的滑脱断层相连(李胜强等, 2016), 遗憾的是在地表没有找到针对这条断层的合适的探槽开挖地点。 另外2条活动断层(F2、 F4)分别为库车塔吾背斜北翼断层和东秋里塔格南翼断层(图 1, 10), 在这2条断层上开挖的5个探槽揭示出有年代限定的6次古地震事件。 事件E1(1949年库车 7$\frac{1}{4}$级地震)、 事件E2(距今(3.3± 0.2)~(4.7± 0.5)ka BP)、 事件E5(距今(7.1± 0.5)~(7.4± 0.6)ka BP)和事件E6(距今(18.0± 1.0)~(20.2± 1.7)ka BP)在背斜带南、 北两翼同时发现, 事件E3(距今(5.7± 0.4)~(6.3± 0.5)ka BP)和事件E4(距今(6.3± 0.5)~(7.1± 0.6)ka BP)仅在库车塔吾背斜北翼发现。 因此, 秋里塔格褶皱带东段的古地震事件说明库车塔吾背斜和东秋里塔格背斜区的活动断层有时会同时发生破裂, 有时仅在单一的活动背斜上发生破裂。

库车塔吾背斜北翼断层(F2)和东秋里塔格背斜南翼断层(F4)是褶皱调节断层, 即仅为褶皱带活动过程中产生的局部变形, 与控制褶皱生长的深部主控断层仅存在间接的关系(李胜强等, 2016)。 因此, 我们推测当深部主控断层发生大的位错事件时, 可能会诱发秋里塔格背斜东段浅表的多条调节断层同时破裂。 当深部主控断层在单个背斜深部发生较小的位错事件时, 只能诱发1个活动背斜中的调节断层破裂。 换言之, 受到深部主控断裂破裂长度和位移大小的限制, 并非所有的古地震事件都能在背斜南、 北两翼同时发生破裂。 探槽中所记录的古地震事件的不完整性、 光释光测年样品的质量和误差等也可能导致上述认识出现偏差。 不确定性代表了事件发生时间和重复间隔的误差, 而完整性则体现对事件发生期次认识的完整程度(冉勇康等, 1999)。 古地震事件的不确定性和完整性在秋里塔格背斜带东段地区表现十分突出。

秋里塔格褶皱带东段的古地震破裂特征与天山南麓其它地区低角度逆断层古地震破裂变形普遍存在的2种现象相符: 1)单条断层多次破裂, 即断裂以一条清晰的断层面或以2条以上断层面组成的狭窄破裂带出现; 2)多条断层面同时破裂, 即多条断层面相距位置的跨度较大, 从数十cm到数km不等(李安等, 2016)。 前者的证据是单个探槽中揭露出多次古地震事件, 后者的证据是多次古地震事件在背斜南、 北两翼同时发生破裂。

5.2 古地震事件的丛集性

从图 9 中可以看出, 已在秋里塔格褶皱带东段识别出的古地震事件具有一定的丛集性, 在距今7.4ka以来具体表现为: 1)在距今5.7~7.4ka内发生了3次古地震事件, 其中事件E5为全段破裂, 其余2次事件(事件E3、 E4)仅在库车塔吾背斜段发生; 2)在距今3.3~4.7ka内发生了1次古地震事件E2, 该事件使褶皱带南、 北两翼全段破裂; 3)最新的事件为1949年库车 7$\frac{1}{4}$级地震。 这3次地震或地震丛的中值年龄分别约为距今6.55ka、 4ka和0ka, 据此可得出这一地区地表破裂性大地震的发生具有2.5~4ka的准周期特征。 在南天山山前地区属极度干旱的荒漠地区, 其沉积物以砂砾石为主, 可测年样品种类少、 采样难度大, 难免会出现对古地震事件年代约束不严密的现象, 在本文的研究区中表现为探槽缺失事件E5— 事件E6之间(距今7.25~19.1ka BP)的地震事件记录, 即存在时长约11.85ka的地震事件记录空缺。 但本文的工作对于这一地区的地震危险性分析提供了较为系统性的古地震参考, 同时给出了地震(丛)可能具有2.5~4ka复发间隔的松弛的时间约束。 现今该区可能处于一个地震丛集发生的时段内, 1949年库车 7$\frac{1}{4}$级地震之后是否还会发生强震, 还有待进一步的观察和研究。

6 结论

(1)本研究在秋里塔格褶皱带东段的库车塔吾背斜北翼断层上开挖了3个探槽, 东秋里塔格南翼断层上开挖了2个探槽, 根据探槽中出露地层的沉积特征、 层序关系以及断层与地层的交切关系, 共识别出了6次有年代学约束的古地震事件。

(2)这些古地震事件有的在秋里塔格褶皱带东段全段发生破裂, 有的仅在东秋里塔格背斜或库车塔吾背斜引起地表破裂。 同震地表破裂具有单条断层多次破裂和多条断层同时破裂的特点。

(3)距今7.4ka以来的古地震事件具有一定的丛集性, 距今5.7~7.4ka内共发生了3次古地震事件, 距今2.7~4.7ka内发生了1次古地震事件, 最新的丛集事件可能以1949年库车 7$\frac{1}{4}$级地震的发生为标志。 研究区地震丛集的发生具有2.5~4ka的重复周期。 1949年库车 7$\frac{1}{4}$级地震之后是否还会发生强震, 还有待进一步的观察和研究。

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