山西霍山山前斷裂帶晚第四紀(jì)活動特征研究

徐岳仁

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

（作者電子信箱，徐岳仁：yuefei189＠gmail.com）

霍山山前斷裂帶是山西斷陷盆地帶中部重要的邊界活動斷裂帶之一，是我國依據(jù)歷史文獻(xiàn)記載確定的第一個(gè)8級大地震（1303年洪洞M＝8大地震）的發(fā)震斷層。圍繞該斷裂帶的晚第四紀(jì)活動，包括斷裂帶的幾何展布特征、構(gòu)造地貌、活動方式、古地震等的深入研究，不僅對系統(tǒng)認(rèn)識山西斷陷盆地帶晚第四紀(jì)活動歷史具有重要理論意義，還對山西省的防震減災(zāi)工作具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本論文利用野外地震地質(zhì)調(diào)查、遙感綜合解譯和多探槽古地震分析等研究方法以及AMS14C測年、DGPS測量、GIS的空間分析等技術(shù)手段，對山西霍山山前斷裂帶的晚第四紀(jì)活動特征進(jìn)行研究：①揭示霍山山前斷裂帶作為霍山山脈的主控邊界斷層在新生代以來的強(qiáng)烈活動，其南段（霍州—洪洞一帶）和北段（介休—靈石一帶）在新生代以來具有一致的構(gòu)造活動特征；②5個(gè)探槽的古地震事件分析和35個(gè)AMS14C 年代結(jié)果，確認(rèn)斷裂帶南段在晚更新世晚期以來的4次古地震事件，其中，最新一次事件對應(yīng)1303年洪洞大地震，全新世中晚期以來的3次事件具有約2 000a的復(fù)發(fā)間隔；③沿?cái)嗔褞нB續(xù)展布的不同層次的斷層三角面、跨斷裂帶的河流地貌定量參數(shù)揭示了霍山山前斷裂帶的晚第四紀(jì)以來的強(qiáng)烈傾向活動特征，野外調(diào)查獲取的斷層產(chǎn)狀、斷層面擦痕產(chǎn)狀及構(gòu)造微地貌均顯示該斷裂帶的活動方式以傾向滑動為主；④結(jié)合研究區(qū)所在的黃土高原的區(qū)域氣候環(huán)境特點(diǎn)，分析了跨斷層水系沿?cái)嗔褞Оl(fā)生水平變位的可能成因；⑤初步討論了霍山山前斷裂帶的動力學(xué)模式。本論文主要取得以下4個(gè)方面的研究結(jié)果：

（1）霍山山前斷裂帶的幾何結(jié)構(gòu)特征。

利用高分辨率的IRS－P5和CBERS－02B衛(wèi)星影像和航空照片立體像對數(shù)據(jù)，對霍山山前斷裂帶進(jìn)行了綜合遙感解譯，并開展了詳細(xì)的野外調(diào)查驗(yàn)證。該斷裂帶由南向北自洪洞縣蘇堡鎮(zhèn)開始，經(jīng)廣勝寺、興旺峪、石門峪、柏亭、興唐寺等地，延霍州市的沙窩、觀堆、李曹、三教鄉(xiāng)、梨灣等地的山前通過，穿過仁義河后，沿霍山山脈與靈石凸起之間的斷層槽谷繼續(xù)往北近SN 向延伸，在霍口一帶逐漸轉(zhuǎn)為NE向沿靜升盆地東邊界展布，穿過龍鳳河，消失在介休市的洪山山前黃土臺地一帶，斷裂帶總長度116km，整體走向NE、NNE，傾向NW，局部產(chǎn)狀有變化。

根據(jù)斷裂帶的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將霍山山前斷裂帶劃分為南、北2個(gè)段落，各段內(nèi)又可細(xì)分為3個(gè)次級段落，分別是南段的A 次級段（蘇堡至廣勝寺段）、B 次級段（廣勝寺至觀堆段）、C次級段（觀堆至楊家莊段）和北段的D 次級段（梨灣至南車腰段）、E 次級段（南車腰至霍口段）和F次級段（霍口至龍鳳段），其中B、D、E 次級段斷層走向以NNE 為主，C、F 次級段走向以NE為主，A 次級段受霍山主山脈高度的自北向南迅速降低和洪洞凹陷的深斷陷影響，地表斷層跡線并不清晰，以大量的地震形變遺跡為特征；B 次級段的線性特征最為顯著、也是斷層構(gòu)造地貌現(xiàn)象最為集中的段落，成為本論文探槽開挖的集中段落。

（2）霍山山前斷裂帶的構(gòu)造地貌特征。

①霍山山脈主山脊NNE 向展布，南北兩端分別止于洪洞的蘇堡鎮(zhèn)和介休龍鳳鎮(zhèn)，霍山山前斷裂帶發(fā)育于霍山山脈西麓，是山前松散沉積物與基巖間的分界斷層，地形上該斷裂帶位于山前地形坡度陡變部位。

②霍山山前斷裂帶下盤基巖山體自南向北共識別出17個(gè)一級斷層三角面，和近100個(gè)次級三角面，形成時(shí)代較新的斷層三角面發(fā)育在一級斷層三角面中；形成時(shí)代相近的三角面形態(tài)特征也相似，其頂點(diǎn)高程和底邊高程相近；斷層三角面的形態(tài)特點(diǎn)顯示霍山斷裂帶上新世以來強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升過程；與斷層三角面相對應(yīng)的斷層上盤上，近斷層處分布有以風(fēng)成黃土為主的山前丘陵地貌，地表侵蝕活動受斷層三角面流域規(guī)模限制，其水動力條件較弱，河流發(fā)育規(guī)模較小。多層次斷層三角面的形態(tài)特點(diǎn)反映了霍山山前斷裂帶在新生代以來的強(qiáng)烈傾向活動特點(diǎn)。

③通過跨越斷裂帶400余條不同規(guī)模水系的平面形態(tài)特征分析，發(fā)現(xiàn)南段和北段一樣，在斷層位置，無論是源頭位于霍山主山脊的主河流還是源頭在斷層三角面上的次級河流均未形成系統(tǒng)性的水平偏轉(zhuǎn)，盡管有的河流在斷層破碎帶上發(fā)育橫向槽谷，部分次級河流受水動力條件和山前黃土丘陵沉積的影響，表現(xiàn)出似左旋或似右旋的偏轉(zhuǎn)，但是根據(jù)跨斷層水系的偏轉(zhuǎn)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生右旋或左旋水平偏轉(zhuǎn)的河流數(shù)量總體上不具有統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢，不能將其作為判斷斷裂帶發(fā)生水平走滑運(yùn)動的證據(jù)。

④利用30m 分辨率的ASTER GDEM 數(shù)據(jù)，提取了霍山地區(qū)的48條河流縱剖面，并計(jì)算它們的定量地貌參數(shù)，包括Hack剖面、河長坡降指標(biāo)SL、均一化河長坡降指標(biāo)SL/K 和面積高程積分值HI 及積分曲線。結(jié)果顯示，29條橫跨霍山山前斷裂的河流的縱剖面在斷層兩側(cè)的形態(tài)顯示出明顯的差異，表現(xiàn)出明顯的受斷層活動控制的特征，其他沒有被霍山山前斷裂斷錯(cuò)的河流，除極少部分在上游河段存在局部陡變外，縱剖面形態(tài)表現(xiàn)為近似下凹的指數(shù)曲線形態(tài)，顯示其處于近均衡狀態(tài)；48條河流的HI值及積分曲線顯示了霍山地區(qū)新生代以來處于強(qiáng)抬升弱侵蝕狀態(tài)，即所有河流均處于幼年期或壯年期。

⑤48條河流的Hack剖面呈現(xiàn)一致的上凸形態(tài)，但上凸形態(tài)存在明顯差異：未跨越霍山山前斷裂的河流Hack剖面形態(tài)呈現(xiàn)光滑的近圓弧狀；而跨越霍山山前斷層的大部分河流的Hack剖面表現(xiàn)為一段較平緩下降后的突然陡降。一致的上凸表明了霍山地區(qū)處于構(gòu)造抬升狀態(tài)，且抬升速率較快；而Hack剖面的形態(tài)差異，反映了研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域間構(gòu)造活動的顯著差異，跨斷層河流Hack剖面上出現(xiàn)形態(tài)陡降特征印證了霍山山前活動斷裂帶作為這一區(qū)域的主干斷裂在新生代以來的強(qiáng)烈構(gòu)造活動，圓弧狀的Hack剖面反映其他河流基本沒有受到斷裂活動的干擾。

（3）霍山山前斷裂帶的古地震事件及1303年洪洞地震的地表破裂帶。

霍山斷裂帶南段5個(gè)探槽（Tc01－Tc05）揭露的古地震事件分析表明：

①研究區(qū)的地層以基巖山地和更新世以來的黃土堆積及坡麓堆積為主。區(qū)域地層對比發(fā)現(xiàn)，臨汾盆地與太原盆地的邊緣地帶以黃土堆積及坡麓堆積為主，晚更新世晚期至全新世以來發(fā)育有古土壤層，特別是全新世大暖期的氣候適宜期。古土壤層無論在黃土臺地還是盆地沉積中都存在，具有區(qū)域性沉積特點(diǎn)，全新世古土壤層是探槽揭露地層中的標(biāo)志地層之一。

②晚更新世晚期以來至少發(fā)生4次地震事件，事件以傾向滑動為主。其中晚更新世晚期事件發(fā)生在距今12 520～26 380a 之間，全新世中晚期以來的3 次事件，分別發(fā)生在距今2 650～3 465a、5 370～5 808a和709a（1303年洪洞8級歷史地震）。全新世中晚期以來的3次強(qiáng)震重復(fù)間隔時(shí)間約2 000a。

③根據(jù)構(gòu)造楔規(guī)模和傾向滑動量的對比分析，全新世中晚期以來的3次古地震事件具有相近的破裂強(qiáng)度。

④霍山山前活動斷裂帶以傾向滑動為主，1303年洪洞8級地震的地震形變遺跡集中發(fā)生在斷裂帶的南段，以砂土液化、地震滑坡、崩塌及張裂縫為主，根據(jù)野外確認(rèn)的大量斷層剖面及其活動時(shí)代，估計(jì)歷史地震的地表破裂帶的長度116m，其規(guī)模與根據(jù)歷史文獻(xiàn)得到的等震線的Ⅹ度的長軸接近一致，斷裂帶南段的5個(gè)探槽剖面也都揭示了這次地震。沿?cái)嗔褞Х植嫉牡卣鸲缚彩菙鄬佣啻位顒有纬傻睦鄯e位移量，集中在6～10m，依據(jù)探槽剖面標(biāo)志古土壤層位錯(cuò)量，平均單次事件的垂直位錯(cuò)量為2.0m，1303年洪洞地震的離逝時(shí)間距2012年已709年，形成的地表形變遺跡被人類活動和侵蝕過程破壞殆盡，野外難以與更早之前的古地震事件形成的變形區(qū)分，因此，探槽地震事件分析成為本論文恢復(fù)斷裂帶強(qiáng)震活動歷史的主要手段。

（4）霍山山前斷裂帶的活動方式、滑動速率及動力學(xué)特征。

①霍山山前斷裂帶全新世以來的活動方式以傾滑為主，兼有一定量的水平滑動分量。24組最新斷層擦痕的側(cè)伏角，集中在75°～85°之間，由此計(jì)算出傾滑分量是水平分量的3～10倍，與前人認(rèn)為的以右旋走滑為主的不同，過去的研究是通過分析有限的跨斷層水系（沖溝）的水平右偏轉(zhuǎn)，得出以右旋走滑運(yùn)動為主的認(rèn)識的。實(shí)際上，跨越斷裂帶400余條不同規(guī)模水系的統(tǒng)計(jì)分析顯示，發(fā)生右旋或左旋水平偏轉(zhuǎn)的河流實(shí)際上不具有統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢。

②根據(jù)探槽揭示的標(biāo)志古土壤層的垂直位錯(cuò)量，以及該古土壤層的年代數(shù)據(jù)，計(jì)算斷裂帶南段全新世中晚期的垂直滑動速率為0.76～1.49mm/a。

③霍山山前斷裂帶的活動特征與區(qū)域活動構(gòu)造圖像具有較好的一致性。鄂爾多斯周緣斷裂系的形成和發(fā)展與下地殼以下軟流圈物質(zhì)的上涌關(guān)系密切，軟流圈上涌是各斷陷盆地發(fā)展及邊界斷裂活動的主要動力來源，被多種地球物理資料所證實(shí)。地震學(xué)和地球物理資料也證實(shí)臨汾盆地及周邊確實(shí)存在著上地幔物質(zhì)上涌的現(xiàn)象，是造成霍山山前斷裂帶運(yùn)動發(fā)展的主要動力。