新疆巴里坤1842年和1914年2次 M71/2历史地震地表破裂的几何展布及特征
徐良鑫1,2), 冉勇康1),*, 梁明剑3), 吴富峣4), 高帅坡1), 王虎5)
1) 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
2) 陕西省工程地震勘察研究院, 西安 710068
3) 四川省地震局, 成都 610041
4) 湖北省恩施州发展改革研究中心, 恩施 445000
5) 西南交通大学, 成都 611756
*通讯作者: 冉勇康, 研究员, 电话: 010-62009213, E-mail: ykran@263.net

〔作者简介〕 徐良鑫, 男, 1987年生, 2019年于中国地震局地质研究所获构造地质学博士学位, 高级工程师, 主要研究方向为活动构造及相关定年方法, 电话: 029-88465357, E-mail: xlx87@Foxmail.com

摘要

地震地表破裂带是断裂活动最为直观的地貌证据, 其破裂样式、 同震位移量及空间几何展布特征是判定活动断裂分段及长期活动习性的重要依据。 文中在对新疆巴里坤盆地开展活动断裂调查研究的过程中, 综合遥感解译、 野外断裂踏勘、 小型无人机航拍、 地表断错位移分析以及古地震槽探等方法, 根据在巴里坤盆地南缘断裂西段的雄库尔—邵家庄之间和巴里坤盆地中央东部等多处新发现的总体呈EW向展布的最新地表构造形变遗迹, 并对比历史文献记载中这2次地震震害的分布特征, 进一步厘定了巴里坤1842年和1914年2次 M71/2历史地震地表破裂的空间展布及特征。 结果表明, 沿巴里坤盆地南缘断裂西段分布的1842年 M71/2地震地表破裂带的同震运动以左旋走滑为主, 在雄库尔与巴里坤县城之间呈雁列状展布, 且自西向东还具有向巴里坤盆地中央扩展的趋势。 新厘定的地表破裂带长度至少可达65km, 最大水平位错量出现在雄库尔—洛包泉一带, 多个冲沟水系的同震位错平均观测值为(4.1±1.0)m, 并具有约4m的特征位移量, 由此推断1842年 M71/2历史地震的震中位置应在雄库尔—洛包泉一带。 此外, 位于巴里坤盆地中央东部的奎苏镇—伊吾盆地盐池乡附近的褶皱盲断层带应是1914年 M71/2地震的发震构造, 该地震的地表变形带全长约90km, 表现为河漫滩等最新地貌面和冲积砾石层的显著褶皱变形, 并且有多处露头剖面显示与同震褶皱变形伴生的弯矩断层已断错至地表。 因此, 1914年 M71/2地震的震中位置应在地表构造形变最为显著的奎苏镇东附近。 文中取得的研究结果不仅进一步更新和完善了对巴里坤盆地2次历史地震震中位置及发震断裂的认识, 并可为分析区域地震危险性提供重要的参考资料。

关键词: 东天山; 巴里坤; 历史地震; 地表破裂带; 发震构造
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)01-0001-17
GEOMETRIC DISTRIBUTION AND CHARACTERISTICS OF THE SURFACE RUPTURE OF TWO HISTORICAL EARTHQUAKES IN THE BARKOL BASIN, XINJIANG
XU Liang-xin1,2), RAN Yong-kang1), LIANG Ming-jian3), WU Fu-yao4), GAO Shuai-po1), WANG Hu5)
1) Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2) Academy of Seismic Engineering Surveys, Shaanxi Earthquake Agency, Xi'an 710068, China
3) Sichuan Earthquake Agency, Chengdu 610041, China
4) Development and Reform Research Center of Enshi,Hubei Province, Enshi 445000,China
5) Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China
Abstract

Surface rupture zone of historical earthquake is the most intuitive geomorphological response to fault activity. The rupture pattern, coseismic displacement and its geometric spatial distribution are important for determining segmentation and long-term movement behaviors of active fault. In the Barkol Basin of Xinjiang, according to the comprehensive result from remote sensing image interpretation, field surgery, high-resolution small unmanned aerial vehicles photography, terrain deformation measurements and trench excavation on geomorphological points, not only the new surface ruptures of the two M71/2 historical earthquakes in Barkol in 1842 and 1914 were found and defined between Xiongkuer and the southwest of Barkol County in southwestern part of the basin, but also the latest deformation evidence of the EW fold-up faults in the eastern part of the Basin was identified.
Combined with the ancient document analysis of the two historical earthquakes, we finally conclude that the surface rupture zone in the western segment on the southern margin of the Barkol Basin is the seismogenic structure of the M71/2 earthquake in 1842. The surface rupture zone is mainly characterized by left-lateral strike-slip, roughly with en echelon arrangement spreading from Xiongkuer to the south of Barkol County. The length of the surface rupture zone determined by field investigation is at least about 65km, and the maximum horizontal displacement appears around the Xiongkuer Village. At the same time, the surface rupture zone gradually shows more significant thrust extrusion from west to east, and has a tendency of extension towards the central of the Barkol Basin. The average observed displacement of the entire surface rupture obtained by counting the coseismic offsets of multiple faulted gullies is(4.1±1.0)m, with the coseismic characteristic displacement of ~4m. The epicenter position should appear at the place with the largest horizontal dislocation amount near Xiongkuer Village.
In addition, the length of the fold-blind fault zone in the vicinity of the Kuisu Town and the eastward extension to the Yanchi Township of the Yiwu Basin, which was discovered in the center of the Barkol Basin, is about 90km. The folded blind fault causes significant fold deformation in the latest sedimentary strata such as floodplain, and in addition, as shown on many outcrop sections, the bending-moment faults associated with the coseismic fold deformation have ruptured the surface. Therefore, the location of the epicenter should be located at the maximum fold deformation, which is near the Kuisu Town. The new research results not only further improve the understanding of the epicenter location and seismogenic faults of the two historical earthquakes in the Barkol Basin, but also provide an important reference for analyzing regional seismic hazards.

Keyword: eastern Tianshan; Barkol; historical earthquakes; seismogenic fault; co-seismic surface rupture
0 引言

巴里坤是古丝绸之路上的商旅重镇, 历史悠久, 古文化遗址分布密集, 素有“ 古牧国” 之称, 也是新疆历史上的三大商都之一。 但该区也是东天山的历史强震区(Cunningham et al., 1996; Cunningham, 2013; Sun et al., 2018), 在不足百年的时间内先后发生了1842年及1914年2次M71/2地震(顾功叙, 1983; 冯先岳, 1995; Molnar et al., 2000)。 然而, 因当时条件所限, 缺乏及时的震后现场考察, 以致目前对这2次历史地震的发震构造、 地表破裂带位置及其展布等方面的认识一直存在较大分歧(陈祥玉, 1994)。 对于1842年M71/2地震的发震构造, 杨章等(1987)认为是位于巴里坤奎苏镇南— 石人子南东黑沟一段长约23km、 走向NWW的S倾(70° ~80° )逆断裂, 其地表破裂带兼具走滑分量; 冯先岳(1997)综合前人资料和野外考察, 将这次地震的发震构造定位在巴里坤盆地南缘断裂的西段、 具有明显左旋走滑性质的洛包泉— 雄库尔一带; 吴富峣等(2016)通过野外踏勘、 古地震探槽研究和14C测年分析也认为此次地震的发震构造为巴里坤盆地南缘断裂的西段, 同时推测相应的地表破裂可能向E延伸至巴里坤县城南的冲积扇附近, 但未给出详细的空间展布情况及特征(Wu et al., 2017)。 而对于1914年的M71/2历史地震, 前人的研究工作对其宏观震中位置、 发震断裂以及地表破裂带长度等也均有不同认识。 由仪器测定的震中位置位于七角井东盐池附近(43.5° N, 91.5° E)。 杨章等(1987)在巴里坤县城南发现了1个地震形变带, 震中烈度大于Ⅷ 度, 故将震中位置定在巴里坤县城南部的基岩山内(43.3° N, 93.2° E); 但冯先岳(1997)认为巴里坤县城附近并不存在典型的地震形变带, 震中位置应在临近七角井的碱泉子-洛包泉断裂的西段附近, 而地表破裂带位于鄯善县北塔孜布拉克一带; 柏美祥等(1999)通过测量断裂带附近生长的“ 醉汉林” 的年轮轮径及断层面附近的崩塌砾石表面的地衣长度, 分析认为洛包泉— 雄库尔一带长约23km的断裂带可能是1914年M71/2地震形成的地震形变带。 吴富峣等(2016)则依据在全新世冲积扇上发现的高约1.5m、 长约40km的逆断裂陡坎, 认为震中位置应在伊吾盆地东盐池乡南部附近。 由此可见, 巴里坤盆地南缘地区较为恶劣的自然条件使得前人基于有限的调查资料所给出的2次历史地震发震构造的位置与地表破裂带长度等参数的可靠性、 与历史记载的宏观震中和地震震级的匹配度等都需要进一步重新厘定。 另外, 前人的工作中对同震地表破裂的空间展布特征以及发震构造的运动性质等也缺少详细、 深入的研究。

作者基于近期在巴里坤盆地开展的多次调查研究结果, 利用活断层精细填图、 小型无人机航拍、 古地震槽探和年代学测试分析等方法, 获取了新的关于该区2次历史地震破裂的几何展布、 形变位移、 发震时代与宏观震中等数据资料, 进一步厘定了巴里坤盆地2次M71/2历史地震发震构造的几何展布、 活动性分段特征与古地震记录等, 并探讨了这2次历史地震发震断层的运动学特征。 希望这些新的成果资料能为评价东天山地区的地震安全性提供参考, 同时为进一步定量研究东天山地区断裂的活动习性以及构造转换模式提供科学依据。

1 区域构造背景

天山山脉位于欧亚大陆中部, 是新生代以来受欧亚-印度板块持续会聚作用影响而复活隆升的规模宏大的年轻山系(Molnar et al., 1975)。 东天山位于北天山的东段, 主要由博格达山、 巴里坤山和哈尔里克山构成。 因地处阿尔泰构造带及外蒙古戈壁-阿尔泰造山带的构造交会区(Tapponnier et al., 1979)(图 1), 东天山自新生代以来具有陆内转换挤压造山带的构造特征, 除集中于山前的逆断裂发生挤压变形之外, 还在剪切构造边界附近形成了诸如巴里坤盆地和伊吾盆地等山间盆地(Cunningham et al., 2003a; 王国灿等, 2016)。

图 1 巴里坤盆地周缘断裂分布简图
F1巴里坤盆地南缘断裂; F2奎苏-伊吾盆地南缘断裂; F3巴里坤盆地北缘断裂; F4哈密盆地北缘断裂; F5碱泉子-洛包泉断裂; F6哈尔里克山中央断裂; F7下马崖断裂; F8苇子峡断裂; F9戈壁-阿尔泰断裂; F10骆驼圈子断裂; F11纸房山断裂; F12梧桐泉断裂; F13博格德断裂
Fig. 1 Simplified map of the Late Pleistocene active faults around the Barkol Basin.

晚第四纪以来巴里坤盆地的构造演化主要受碱泉子-洛包泉断裂、 巴里坤盆地南、 北缘断裂及伊吾盆地南缘断裂的控制(江娃利, 1993; 荆凤等, 2009)。 其中, 碱泉子-洛包泉断裂位于巴里坤盆地的西部, 断裂活动以左旋走滑为主。 沿断裂发育多个规模不一的小型拉分盆地, 并在山前冲积扇上留下了线性特征明显的断层陡坎和多期冲沟水系同步位错(吴富峣等, 2016)。 该断裂自雄库尔一带向E进入巴里坤盆地, 即为巴里坤盆地南缘断裂, 其活动性质也逐渐由左旋走滑转换为以逆冲为主, 并在山前冲积扇上形成错落出现的断层陡坎和基岩三角面。 巴里坤盆地北缘断裂以逆走滑活动为主, 晚第四纪以来活动性不强, 野外踏勘未见断裂晚更新世以来活动的迹象。 奎苏-伊吾盆地南缘断裂东起自伊吾盆地南缘盐池乡附近, 向W经前山牧场贯通至巴里坤盆地中央的奎苏镇附近, 断裂活动以逆冲为主。 伊吾盆地内沿断裂发育多级高差显著的断层陡坎, 其中伊吾盆地南缘山前全新世冲沟漫滩上的断层陡坎规模最小, 可能由断裂的最新活动形成; 进入巴里坤盆地后断裂的活动性质以盲断层褶皱变形为主, 影像上断裂迹线不连续, 奎苏镇北侧的奎苏台褶皱即为断裂多次活动的产物。

经过多次野外踏勘, 在巴里坤盆地南缘断裂西段和奎苏-伊吾盆地南缘断裂附近均发现了多处断裂陡坎的形迹, 并且这2条断裂展现出明显不同的运动学特征(图 2)。 例如, 在巴里坤盆地南缘发现断裂西段附近多期冲沟水系具有明显的左旋水平位错特征(吴富峣等, 2016), 并发现断裂向E断续延伸至巴里坤县城南的邵家村附近后逐渐尖灭的冲沟水系断错地貌, 断错形变中的垂直位错量逐渐增大。 我们将巴里坤盆地东部发育的中央断裂与伊吾盆地南缘断裂合并称为奎苏-伊吾盆地南缘断裂。 该断裂的最新活动使巴里坤盆地中部奎苏镇附近的河漫滩砂层出现挠曲变形、 奎苏台褶皱顶部地层中弯矩断裂及张裂缝十分发育, 并在盆地东侧前山牧场一带的最新冲积扇上形成规模不一的断层陡坎。

图 2 巴里坤盆地晚更新世以来的活动断裂分布图Fig. 2 Distribution map of Late Pleistocene active faults in the Barkol Basin.

2 巴里坤盆地南缘西段地表破裂带

巴里坤盆地南缘断裂西段留存的地表破裂带西起托莱泉盆地七角井以东, 向E沿着巴里坤山北缘山前分布, 经雄库尔、 二场泉、 吴家庄子和五场沟等地附近的山前冲洪积扇, 直至巴里坤县城西南的邵家庄望海水库附近逐渐尖灭, 全长约65km。

在七角井— 雄库尔一带留存的地表破裂带尤为清晰。 该段断裂在山前冲积扇上形成线性连续的反向陡坎和挤压脊, 部分冲沟水系被挤压脊阻断并形成断层槽谷(吴富峣等, 2016)。 通过野外实地踏勘和无人机移动航拍获取的高精度立体影像, 我们得到了该段断裂附近多个典型地貌点处的水平同震位错。 其中, 雄库尔— 洛包泉附近地表破裂带的水平同震位错量比较接近, 约(4.1± 1.0)m。

在雄库尔— 二场泉一带, 沿反向断层陡坎向E追溯, 偶尔可见最新的地表破裂带发育。 断错地貌主要由一系列具有近似规模的同步水平位错的冲沟、 纹沟以及错落分布的地震挤压鼓包、 地震陷坑组成。 地表破裂带切过山前冲洪积扇, 形成较浅的断层凹槽。 沿破裂带可见呈串珠状分布的泉水渗出点, 出水点附近草甸覆盖明显比周围更茂密(图3a)。 至二场泉南的冲积扇附近, 破裂带切过中更新世冲积台地, 断裂附近仍可见清晰保留的地震裂缝、 地震陷坑和地震鼓包等特征地貌。 虽然地震裂缝与陷坑被后期堆积物充填, 但仍保留着凹凸错落的地形特征(图3b)。

图 3 二场泉一带地表破裂带特征
a 雄库尔— 二场泉地表破裂带; b 二场泉高台地上的地表破裂地貌特征
Fig. 3 Typical landscape of surface rupture zone at Erchangquan.

地表破裂带向E延伸到洛包泉一带, 断层以水平走滑错动为主的同时兼有一定的垂直运动分量。 因此, 断裂的新活动使许多冲沟水系出现同步左旋位错的同时, 也在山前冲积扇面上形成断续展布的逆断层陡坎(吴富峣等, 2016)。 自五场沟向E至吴家庄子南部的冲积扇上, 地表破裂带呈右阶或左阶羽列分布(图 4)。 图4a观察点处, 地表破裂带穿过冲洪积扇, 形成较浅的反向断层槽谷(图4b), 同时导致陡坎附近一系列石块直立起来, 并呈线性分布(图4c); 石块大多处于半掩埋状态, 应该并非人为搬运所致(图4d)。 位于图4c观察点东侧冲积扇上的季节性冲沟水系比较发育, 冲沟规模大小不一, 距离较近的冲沟之间形成向S辐射状的脊梁(图4e)。 地表破裂带切过冲洪积扇, 断错了一系列冲沟水系、 沟壁脊梁等, 形成线性分布的断层槽谷地貌(图4d), 且局部仍保存最新的陡坎, 高20~30cm(图4e)。 图4f中, 虚线框内的高精度地貌图中(图4e)可见因季节性融水冲蚀保留得最高的地貌面T2期冲积扇东缘的砾石垄脊坡脚被断层左旋位错约(7.9± 0.2)m; 高度略低的T1期冲积扇上留存的冲积砾石垄脊则被断裂左旋位错约(3.6± 0.2)~(4.2± 0.2)m。 推测该处T1期冲积扇上约4m的水平位错量是最新一次地震的同震位错量, 而较老的T2期冲积扇上约8m的水平位移量则可能是多次事件的累积位移。

图 4 吴家庄子南一带的地表破裂带展布Fig. 4 Typical landscape and the distribution of coseismic displacement along the surface rupture zone at Wujiazhuangzi.

萨尔乔克南东山前, 断层切过洪积扇, 造成一系列冲沟左旋位错, 地表破裂带沿着断裂形迹发育, 局部表现为纹沟在破裂带附近突然加宽。 在无人机影像(图 5)中, 可识别的左旋位移量分别为(3.2± 0.2)~(6.5± 0.2)m、 (8.9± 0.2)m和(9.4± 0.2)m, 推测约4.3m的左旋位移量可能是最新事件的同震位错, 约9m的左旋位移量为多事件的累积位移量。 地表破裂带自萨尔乔克南开始呈大角度折向NE展布(图 2), 断裂形迹时断时续, 断层陡坎至尖山南段则较为明显, 可见一系列断错微地貌发育, 如断层陡坎、 水系同步位错等特征地貌(图6a)。

图 5 萨尔乔克南东地表破裂带分布Fig. 5 Distribution map of the surface rupture and the coseismic displacement at Saerqiaoke.

图 6 尖山南地表破裂带分布及探槽剖面图Fig. 6 Distribution map of the surface rupture and the trench profile sketch at the south of Jianshan.

该处地表破裂走向近NE, 被断错的T2期冲积扇的东缘被错断了约6.3m, T1期冲积阶地东缘可识别的左旋位移量约3.4m。 跨断层在冲洪积扇上陡坎开挖的探槽剖面揭示出该处断裂以高倾角的逆走滑断裂为主, 多期冲积砾石层发生了不同程度的变形位错, 断裂最新活动已经断错了最新的沉积黄土层U10。 在黄土层U10中的炭屑样品经过14C定年获得的年龄结果为(114.1± 0.4)pMC(图6b), 说明其应为周缘记载的1次破坏性历史地震的发震断裂。

地表破裂带再向E一直延伸至邵家庄西水库南侧附近, 冲洪积扇上发育断续分布的线性陡坎, 陡坎高度一般不到0.2~0.4m(图 7)。 断层附近的冲沟水系迹线多见明显的折弯或者局部加宽, 可识别的水平同震位错为3.7~5.1m, 推测应为最新地表破裂带的遗迹。

图 7 邵家庄西地表破裂带分布Fig. 7 Distribution map of the surface rupture and the coseismic displacement at the west of Shaojiazhuang.

综合上述调查结果, 巴里坤南缘断裂西段最新一次地震的地表破裂带西起托莱泉盆地的七角井, 向E延伸至巴里坤邵家庄附近, 全长约65km。 破裂带错动性质以水平滑动为主, 自洛包泉以东至邵家庄一带逐渐兼有一定的垂直滑动分量。 统计断裂西段地表破裂上所有测量获得的位移量可知其范围为3.4~6.7m。 根据位移量数值分布特征拟合计算得到的同震平均位移量为(4.1± 1.0)m, 且具有约4m的特征位移量。

3 奎苏-伊吾盆地南缘地震地表破裂带

奎苏-伊吾盆地南缘的地震地表破裂带在伊吾盐池一带切过哈尔里克山北侧的山前冲洪积扇, 影像上显示其具有典型的线性迹线(Cunningham et al., 2003b)。 野外考察发现, 被断错的全新世冲积扇上发育的线性断层陡坎高约1.5m。 附近冲沟沟壁上出露的断层剖面显示具有逆冲性质的断层已断错到地表(吴富峣等, 2016)。

当断裂进入乌布拉克一带, 断层的逆冲活动在地表形成了诸如断层陡坎、 活动褶皱等构造地貌(图8a)。 在青疙瘩附近开挖的探槽剖面显示, 断裂活动具有明显的褶皱构造特征(图8b、 c)。 此处逆断裂的最新活动样式以褶皱缩短活动在探槽浅部形成的张性弯矩断错变形为主(图8d), 在探槽剖面底部未发现明显的逆冲断错变形。 在逆断裂褶皱的持续隆起作用下, 部分沉积地层的产状自下而上不断变缓, 并使坎前堆积地层在褶皱北翼明显增厚。 在探槽剖面南部顶部的黄土沉积层U6中发育明显的张裂缝构造沉积和典型的砂土液化现象。 虽然最新黄土沉积层U6中14C样品的测试结果((10 330± 40)Cal a BP)明显偏老, 考虑到褶皱陡坎位于盆地东部的古河道边缘, 炭样明显偏老的年龄结果可能与探槽揭露的黄土沉积中的炭屑样品经历过较长的搬运有关, 并不能完全排除断裂具有新活动的可能性。

图 8 乌布拉克附近青疙瘩处跨断层探槽剖面Fig. 8 Distribution map of the rupture trace and the trench profile sketch at Wubulake.

巴里坤盆地中央断裂最新活动形迹向W延伸到奎苏一带, 该处发育一系列活动褶皱(图9a), 其中奎苏大褶皱的规模最大, 褶皱顶部拔河高度最高约164m。 褶皱剖面可见多条走向垂直于断层枢纽走向的弯矩正断层, 靠近褶皱核部的弯矩断层产状陡, 靠近褶皱边缘部位的产状则较缓。 褶皱南翼剖面出露的地层倾向SW, 倾角为7° ~13° , 部分弯矩断层已断通至地表(图9b)。 在褶皱南翼清理出了1个断层剖面, 其揭露的地层可划分为4层(图9c)。 在浅表砂砾石层U4底部1处疑似人类篝火遗迹中取得了1个炭样KstC50, 经测定其14C年龄为(9 940± 40)Cal a BP, 说明该处的褶皱盲断裂在全新世早期以来有过活动, 使褶皱南翼浅表地层出现明显的扰动特征。

图 9 奎苏台褶皱及剖面素描图Fig. 9 Distribution map and the profile sketch of the Kuisu activity fold.

奎苏大褶皱东侧的河漫滩附近发育有一新生褶皱(图 10), 由褶皱北翼出露的剖面可见大沙河河漫滩上的沉积砂层具有较为明显的倾斜变形, 砂层的产状为5° ∠5° 。 从该砂层中取得的炭屑样品KuiC1的测试结果为(106.6± 0.3)pMC(图 10, P1)。 根据差分GPS测量获得的长约1.3km的地形剖面(图9a)推测褶皱顶面最高被构造抬升约4m(图 10, P2)。 在新生褶皱南翼附近还发现产状为187° ∠3° 的河流相砾石层的褶皱变形(图 10, P3), 说明巴里坤盆地东部主要表现为褶皱变形的地表破裂已经延伸至奎苏镇一带。

图 10 奎苏大沙河T1级阶地褶皱变形地貌差分GPS测量剖面及剖面解译照片Fig. 10 The fold-deformed geomorphology GPS profile and the photo of deformed stratum profile on T1 terrace of Dasha River.

由此可见, 奎苏-伊吾盆地南缘断裂地表破裂带东起伊吾盐池南部, 由伊吾盆地南缘冲积扇顶部向W延伸至前山农场; 断裂进入巴里坤盆地后经乌布拉克, 向W继续延伸至奎苏附近, 全长约90km。 奎苏-伊吾盆地南缘断裂及其最新地表破裂带表现出明显的逆冲运动特征(图 11)。

图 11 巴里坤盆地东侧地表破裂带分布简图Fig. 11 Simplified map of the surface rupture in eastern Barkol Basin.

4 讨论

东天山地区的巴里坤、 哈密、 鄯善、 吐鲁番和七角井等地都是汉代建立至今的古城, 伊吾县城从清代乾隆年间开始也已初具规模, 这些地区关于历史地震的文字记录(顾功叙, 1983)对分析历史大地震与地震地表破裂带的关系具有较高的参考价值。 据以上几个古城镇的史料记载, 巴里坤地区2次历史地震的极震区都被划定在巴里坤县城西侧的海子沿乡— 奎苏镇一带(新疆维吾尔自治区地震局, 1985)。 由此绘制的烈度图中2次地震的等震线的长轴均呈NWW向展布, 与巴里坤山脉的走向基本一致, 说明2次历史地震的发震构造均位于巴里坤盆地的边界附近(图 12)。

图 12 巴里坤地区地震地表破裂带与历史地震等震线(顾功叙, 1983)Fig. 12 Distribution map of the surface rupture with isoseisms maps of two historic earthquakes in Barkol Basin(after GU Gong-xu et al., 1983).

本次调查研究在巴里坤盆地内确定的2条同震地表破裂带沿巴里坤南缘断裂西段和奎苏-伊吾盆地南缘破裂带的展布长度分别为65km与90km, 并均有部分断裂延伸至海子沿乡— 奎苏镇一带的极震区内(图 12)。 考虑到巴里坤地区季节性冰雪融水对山前断错冲积扇具有显著的侵蚀作用, 仅雄库尔和萨尔乔克吴庄子南的冲洪积扇上的同震水平位错被保存得比较完好, 其余区域的同震位错则难以辨识或不确定性较大。 因此, 此次确定的地表破裂带长度应为2次历史地震发震构造长度的最小值, 且符合由统计关系估计的MS7.5和MW7.5地震可能具有的破裂长度(Wells et al., 1994; 冉洪流, 2011), 这进一步表明2条地表破裂带分别与2次历史地震直接相关。

另外, 尽管这2条地表破裂带上布设的古地震探槽均揭示断裂的最新活动已断错至地表, 但未能从测年结果上分辨两者最新一次活动事件发生的先后顺序。 根据史料记载圈定的1842年地震的影响范围呈近EW向延展的狭长条带状分布(吴富峣等, 2016), 其长轴方向与巴里坤南缘西段断裂的走向近一致, 符合由走滑型断裂活动造成的同震破坏沿长轴方向聚集的分布特征(Somerville et al., 1997; 吴中海等, 2014); 历史文献记载显示1914年的地震对巴里坤南部哈密地区的破坏程度要强于1842年的地震, 从图 12 中可以看出, 以S倾的逆冲断裂构成的奎苏— 东盐池地表破裂带恰好具有同震破坏集中于逆冲型断裂上盘的特征(Oglesby et al., 1998; Yu et al., 2001; Lu et al., 2013)。 据此推断, 1842年历史地震的发震构造应为巴里坤南缘断裂西段的地表破裂, 震中位置应在雄库尔— 洛包泉一带; 而奎苏— 东盐池的地表破裂应为1914年历史地震的发震构造, 震中位置应在巴里坤盆地中部的奎苏镇附近。

巴里坤盆地南缘断裂作为控盆的边界断裂, 在1842年发生M71/2地震时, 以左旋走滑活动为主的同震地表破裂不仅具有约4m的特征位移量, 断裂迹线还有着向巴里坤盆地中央扩展的趋势, 同时地表破裂带自西向东还逐渐表现出逆冲挤压的运动特征, 说明受到西伯利亚板块NNE向挤压作用的持续影响, 在与区域挤压应力呈锐角接触的巴里坤盆地南缘断裂以左旋走滑的运动方式不断向巴里坤盆地中东部传递构造应变(沈军等, 2003; 吴富峣等, 2016)。 随后在1914年奎苏-伊吾盆地南缘断裂发生的以逆冲褶皱活动为主的M71/2地震应是对前期累积的构造应变的响应。 巴里坤盆地内2次7级以上强震连续出现的现象也表明, 东天山构造转换区压拗性山间盆地内的中央逆冲断裂和盆地边界的走滑断裂系统具有非常紧密的相互作用, 具有强震频发的典型孕震构造。 目前, 除了发现巴里坤盆地南缘走滑断裂带具有单次事件约4m特征位移这一典型的准周期复发特征外, 位于巴里坤盆地中央的奎苏-伊吾盆地南缘逆冲褶皱断裂带是否也具有典型的准周期复发行为, 并且2条断裂带是否具有在更大震级的地震中产生级联破裂的可能尚需进一步的详细研究予以证实。

5 结论

本研究通过野外调查, 重新厘定了沿巴里坤盆地南缘断裂和沿巴里坤盆地中央断裂展布的2条地震地表破裂带。 其中, 沿巴里坤盆地南缘断裂的1条地表破裂带西起托莱泉盆地七角井以东, 向E延伸至巴里坤邵家庄附近, 全长约65km, 运动性质以左旋走滑为主; 另外, 沿巴里坤盆地中央断裂的1条地表破裂带东起伊吾盐池一带, 向W延伸至巴里坤奎苏镇附近, 全长约90km。 后者在地表以新断层陡坎、 新活动褶皱的形式出现, 导致奎苏镇东侧大沙河河漫滩最新沉积地层发生挠曲变形, 跨断裂开挖的探槽和清理的露头剖面上揭露的断层均为逆冲性质。

其次, 2条地表破裂带分别延伸至巴里坤附近的1842年M71/2和1914年M7 1/2 2次历史大地震的极震区范围内。 结合史料震害记载圈绘的烈度分布可推断: 1842年M71/2地震呈近EW向狭长条带状的烈度分布可能是具有走滑性质的同震破裂造成的结果; 而1914年M71/2地震对巴里坤南部哈密地区的破坏作用更强的特点, 更符合逆冲型发震构造产生的震害在发震断层上盘聚集的特征。

最后, 我们认为1842年地震造成的地表破裂带沿巴里坤南缘断裂的西段展布, 运动性质以左旋走滑为主, 长约65km, 沿破裂带识别出的同震水平位移量平均为(4.1± 1.0)m, 且具有约4m的单次事件特征位移量, 震中应位于出现最大水平位错量的雄库尔附近; 1914年地震造成的地表破裂带的运动性质以逆冲为主, 全长约90km, 沿破裂带可见与逆断裂相关的褶皱发育, 震中应位于褶皱变形最强烈的奎苏台褶皱附近。

致谢 审稿专家对论文提出了宝贵意见; 文中14C年代样品的测试结果由美国Beta年代实验室提供; 本研究的野外工作得到了原巴里坤县地震办杜斌意主任的大力支持; 李安、 李彦宝副研究员和曹筠博士后参与了本文部分工作; 文章撰写过程中得到了陈立春和闻学泽研究员的悉心指导。 在此一并表示感谢!

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