祁連山北緣佛洞廟-紅崖子斷裂古地震特征初步研究1

劉興旺袁道陽何文貴

1）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

2）中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，蘭州 730000

3）蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

祁連山北緣佛洞廟-紅崖子斷裂古地震特征初步研究1

劉興旺1,2,3)袁道陽1)何文貴1,2)

1）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

2）中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，蘭州 730000

3）蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

佛洞廟-紅崖子斷裂位于祁連山北緣斷裂帶中部，是祁連山與河西走廊之間的一條重要邊界斷裂，斷裂全長約110km，總體走向北西西，該斷裂為一條全新世活動的逆-左旋走滑斷裂，斷裂活動形成了一系列陡坎、斷層崖以及沖溝和階地左旋等斷錯地貌。本文通過3個探槽剖面對發(fā)生在該斷裂上的古地震事件進(jìn)行了分析，可確定地震事件2次，事件I為歷史地震，發(fā)生在距今400年前，為1609年紅崖堡7?級地震；事件II的年代為距今（6.3±0.6）ka B.P.和（7.4±0.4）ka B.P.之間。同時(shí)結(jié)合前人的一些研究資料，對古地震的復(fù)發(fā)模式和間隔進(jìn)行了初步討論。

佛洞廟-紅崖子斷裂 古地震 地震復(fù)發(fā)間隔

引言

河西走廊地區(qū)位于青藏高原北部，是青藏高原構(gòu)造變形和向北推擠的最前緣，也是青藏高原最年輕的部分（Tapponnier等，2001），由于其特殊的地理位置和構(gòu)造背景，一直以來是中外學(xué)者研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一（Tapponnier等，1990；Gaudemer等，1995；Zhang等，2004；方小敏等，2004；Zheng等，2013）。佛洞廟-紅崖子斷裂位于河西走廊盆地南緣中段，是北祁連山前活動斷裂系的重要組成部分，也是青藏活動塊體北部的重要邊界，斷裂的中西段曾于1609年發(fā)生過紅崖堡7?級地震（劉興旺等，2011）。研究該斷裂的歷史地震及古地震活動特征，對認(rèn)識斷裂分段、分級破裂、評價(jià)未來的地震危險(xiǎn)性都具有重要的意義。

前人對佛洞廟-紅崖子斷裂曾開展過一些研究（國家地震局地質(zhì)所等，1993；陳文彬，2003；鄭文俊，2009）。國家地震局地質(zhì)所等（1993）認(rèn)為，佛洞廟-紅崖子斷裂為逆左旋斷裂，以榆林壩、紅崖子為界可分為三段，斷裂中段的榆林壩-紅崖子段為全新世斷裂，在斷裂東西段，斷裂活動結(jié)束于中更新世末期。鄭文?。?009）認(rèn)為，該斷裂全段都為全新世活動斷裂。對于該斷裂的古地震特征，目前還沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。

筆者在2009年對佛洞廟-紅崖子斷裂進(jìn)行了詳細(xì)的野外考察，取得了該斷裂新活動的諸多證據(jù)。本文根據(jù)野外考察結(jié)果，選取了洪水坎河地、馬營河階地和小泉村附近開挖了3個古地震探槽，對佛洞廟-紅崖子斷裂古地震特征進(jìn)行了分析和討論

1 佛洞廟-紅崖子斷裂的基本活動特征

佛洞廟-紅崖子斷裂沿祁連山北緣分布，是分割祁連山與河西走廊的邊界性斷裂，該斷裂西起酒泉以南的佛洞廟，向東經(jīng)瓷窯口、祁連鄉(xiāng)、榆林壩、黃草壩、紅崖子，至西岔溝附近逐漸消失，斷裂穿過洪水壩河、豐樂河、馬營河等河流，總體走向北西西向，長約110km（圖1）。根據(jù)佛洞廟-紅崖子斷裂的活動特點(diǎn)和幾何分布特征，大致以榆林壩和紅崖子為界，可分為西、中、東三段（國家地震局地質(zhì)所等，1993；鄭文俊，2009）：

圖1 佛洞廟-紅崖子斷裂地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig. 1 Simplified structural geology map along Fodongmiao-hongyazi fault

（1）西段（F2-1）：西起洪水壩河，東至榆林壩，斷裂走向?yàn)楸?0°西，傾向南，傾角20°—40°，長約60km。斷層陡坎多在山前分布，斷裂南側(cè)抬升，北側(cè)下降，形成正向陡坎，洪水壩河T5階地之上保存有高約14m的陡坎，在此陡坎前緣有高約0.5—1m的小陡坎，為斷裂新活動的結(jié)果，筆者在此小陡坎上開挖了探槽TC-1（圖2a）。在其東側(cè)的石羊圈溝一帶，野外發(fā)現(xiàn)1609年紅崖堡地震破裂帶仍有保存，表現(xiàn)為陡坎上仍保存著較為新鮮的自由面（圖2b），并有多條紋溝出現(xiàn)同步左旋，位移量一般在2m左右。該段斷裂明顯的特征就是斷錯新地貌的現(xiàn)象多保留在沖溝溝口洪積扇上，如洪山口、觀山河口、豐樂河口等，遠(yuǎn)離溝口后均為基巖陡坎或是基巖斷層直接出露。

（2）中段（F2-2）：此段西起榆林壩西，東至紅崖子，斷裂走向北50°—60°西，傾向南西，傾角50°—55°，長約35km。此段山前沖洪積扇特別發(fā)育，由于祁連山劇烈上升、剝蝕，在山前形成了巨大的洪積扇。斷裂在黃草壩東分為兩支，一支沿基巖山向南東方向延伸；另一支發(fā)育于洪積扇中部，近東西向延伸。穿過馬營河時(shí)，在其保存完整的T5、T6階地上留下了連續(xù)的斷層陡坎，其中T5陡坎高約2.5m（圖2c），T6陡坎高約5m，在本次研究中在T5階地上開挖了一個探槽。斷裂延伸到落藏寺一帶后，沿高洪積扇邊緣向南東方向轉(zhuǎn)彎，小泉一帶斷層陡坎連續(xù)，前人認(rèn)為該陡坎為1609年紅崖堡地震破裂帶（國家地震局地質(zhì)所等，1993）。小泉村西山坡上出現(xiàn)了多條沖溝的同步左旋，位移量從8m到19m不等。

（3）東段（F2-3）：西起紅崖子以南，東至西岔溝附近，斷裂走向?yàn)楸?5°—55°西，傾向南西，傾角65°，長約15km，為整個斷裂向南南東及轉(zhuǎn)向南北方向延伸的一個次斷層段，在衛(wèi)星影像上斷錯地貌線性特征明顯，表現(xiàn)為斷層崖及斷層三角面。實(shí)地考察在西岔北高洪積臺面上發(fā)現(xiàn)連續(xù)延伸約1km的斷層陡坎，坎高約2—3m，基本上保持了一條直線。在最東端的西岔溝內(nèi)，天然斷層剖面顯示志留紀(jì)砂巖礫巖逆沖于第三紀(jì)紅色砂巖、礫巖及第四紀(jì)沖洪積礫石層之上，斷層傾角75°左右，傾向南西，同時(shí)兩級河流階地發(fā)生了明顯的左旋位錯，T1階地位移量為10m，T2位移量為14m（圖2d）。

綜上所述，佛洞廟-紅崖子斷裂為一條全新世活動的逆左旋斷裂，斷裂沿線新活動特征明顯。其中，斷裂中西段可見1609年紅崖堡7?級地震的破裂帶，破裂帶主要有小陡坎和紋溝左旋組成，陡坎保存新鮮的自由面。斷裂東段也為全新世活動段，但沒有發(fā)現(xiàn)與1609年地震有關(guān)的活動證據(jù)，地貌上多表現(xiàn)為斷層崖及斷層三角面，僅在最西段發(fā)現(xiàn)斷錯I級階地。

圖2 佛洞廟-紅崖子斷裂斷錯地貌Fig. 2 Fault landforms of Fodongmiao-hongyazi fault

2 古地震探槽剖面分析

斷層帶上的位移一般是多次斷層活動事件及斷層帶上長期的滑動位移的累積（Cartwright等，1995；Dawers等，1995；Schlische等，1996；Burbank等，2001），斷層形成和發(fā)展過程中不斷地朝著特定的方向發(fā)展和演化，同時(shí)伴隨著多次地震事件的發(fā)生，斷層帶上的累積位移可能也包含了一些地震事件方面的信息。近年來，國內(nèi)外在古地震研究方面取得了突破性進(jìn)展，通過大型探槽、三維探槽、組合探槽等的形式，來確定斷層的古地震事件（冉勇康等，1997；李傳友，2005；Liu等，2007），同時(shí)對古地震事件的確定也有了思路和原則，如：古地震事件的逐次限定法（毛鳳英等，1995）。

通過航衛(wèi)片解譯和詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)斷裂的中西段新活動特征明顯，其運(yùn)動學(xué)特征主要表現(xiàn)為逆沖兼具左旋走滑。為了研究斷裂的古地震特征，筆者選擇了幾條河流的階地上的斷層陡坎進(jìn)行了探槽開挖，位置如圖1所示。探槽剖面揭示了斷裂新活動特征明顯，斷錯了全新世地層，并有斷裂直通地表，存在多期古地震事件。以下是對這些探槽剖面的分析討論。

2.1 洪水壩河探槽（TC-1）

洪水壩河兩岸發(fā)育有連續(xù)的河流階地，階地上保留著斷層活動形成的斷層陡坎，位于洪水壩河T5階地老陡坎前緣，斷層的最新活動形成了0.5—1m的小陡坎（圖2a），為1609年紅崖堡7?級地震破裂帶，探槽開挖處坎高約0.5m，探槽剖面（圖3）揭露的地層特征描述如下：

圖3 洪水壩河探槽Fig. 3 Trench of Hongshuibahe

該探槽只揭露了1條斷層，為傾向南的逆斷層，斷層產(chǎn)狀285°/S30°∠。探槽中沒有與最新地震破裂相關(guān)的證據(jù)，而探槽中地層有近1m的斷距，與地表的0.5m的陡坎也不是很匹配。分析其原因可能與局部的保存條件有關(guān)。由圖2a中可以看到，較大的陡坎位于最新陡坎后面，探槽開挖處位于高陡坎上一沖溝一側(cè)，可能水流對地層的保存有所影響。探槽中可揭露2次古地震事件，斷層第1次活動后形成崩積屑②，遺憾的是該崩積屑的年齡測試沒有得出合理的結(jié)果。第2次斷層活動錯斷了層⑦及以下的所有地層，但沒有斷穿層⑦，后覆蓋層⑧，因此層⑦的年代或?qū)英嗟撞康哪甏砹舜舜问录l(fā)生的上下限，層⑦頂部的年代為（8.2±1.3）ka B.P.，上斷點(diǎn)附近層⑦光釋光測年為（9.2±1.0）ka B.P.，據(jù)此推斷此次古地震事件發(fā)生在（8.2±1.3）ka B.P.之后。

2.2 馬營河階地探槽（TC-2）

在馬營河兩岸，河流下切形成了不少于7級階地，其中T6保存完整，T5階地僅在斷層帶兩側(cè)保存，而其它低階地同樣只保留了局部一部分。斷裂在橫穿馬營河階地時(shí)，形成了高度不等的斷層陡坎，T6陡坎高約5m，T5陡坎高約2.5m，但陡坎高度分布并不均勻，探槽開挖處坎高約1m，探槽長約8m，深2—2.5m，寬2.5m，探槽剖面（圖4）揭露的地層特征描述如下：

①灰黃色粗礫石層，礫石磨圓好，分選差，有較大礫石居多，不成層。

②灰色砂礫石層，水平層理，很少夾雜較大粒徑礫石。

③淺黃色中粗礫石層，礫石磨圓較好，分選差，大小礫石混雜堆積，不成層。

④灰色中細(xì)砂礫石層，礫石分選差，但磨圓較好，中細(xì)粒。中間夾有少量粉土。在F1頂部采集的樣品的光釋光年齡是（8.9±0.9）ka B.P.。

⑤淺灰色中礫石層，水平層理，夾雜較大粒徑礫石。

⑥灰黃色次生黃土，斷層F2上斷點(diǎn)附近光釋光樣品測試年齡為（7.4±0.4）ka B.P.。

⑦灰黑色夾砂礫石層，中細(xì)粒，多為棱角狀或次棱角狀。

⑧土灰色次生黃土，含植物根系，厚約20—50cm，底部光釋光樣品測試年齡結(jié)果為（6.3± 0.6）ka B.P.。

圖4 馬營河T5探槽東壁剖面Fig. 4 Trench of Mayinghe T5

剖面上可見2條斷層，皆為向南傾斜、傾角較緩的逆斷層。F1產(chǎn)狀為270°/S∠25°，F(xiàn)2產(chǎn)狀為270°/S∠22°。該探槽揭示了1次古地震事件，斷層F1和F2同時(shí)活動，并在斷層端點(diǎn)附近使得地層④和⑤發(fā)生褶皺變形，形成的斷距約1m，層④的年齡為（8.9±0.9）ka B.P.，說明該事件發(fā)生在這個年代之后。F2錯斷層⑥，但未斷穿，因此此次事件發(fā)生在其上覆地層⑧的沉積之前，即（6.3±0.6）ka B.P.，斷層斷點(diǎn)附近的年齡為（7.4±0.4）ka B.P.，此次事件發(fā)生在（6.3±0.6）ka B.P.和（7.4±0.4）ka B.P.之間。

2.3 小泉村剖面（TC-3）

在小泉村西南山坡沖溝中，發(fā)現(xiàn)一天然探槽，后經(jīng)人工清理，進(jìn)行了1m×1m網(wǎng)格描繪和數(shù)碼照相，剖面（圖5）揭露的地層特征如下：

①青灰色中礫石層，礫石分選差，磨圓較好，含大量較多粒徑的礫石。斷層左側(cè)具水平層理，斷層右側(cè)順坡成層。

②灰黃色次生黃土，夾細(xì)砂礫石層，14C的樣品測年為（12.2±0.4）ka B.P.。

③灰色粗礫石層，混雜堆積，不成層，含較大粒徑礫石，礫石磨圓較好、分選差。

④土黃色黃土，含較大礫石，14C的樣品測年為（9.6±0.1）ka B.P.。

⑤青灰色中砂礫石層，混雜堆積，礫石磨圓較好，分選差。

⑥灰黃色次生黃土，厚約20—30cm，14C的樣品測年為（7.7±0.1）ka B.P.。⑦表土層，夾雜小礫石，厚約10cm，后期山坡受雨水侵蝕順坡而成。

圖5 小泉村斷層剖面Fig. 5 Fault profile of Xiaoquan

該剖面揭露3條斷層，剖面至少揭露2次地震事件。事件I是斷層F1和F3的活動，錯動層⑥以下地層，其上沉積層⑥、層④只在斷層下盤沉積，斷層上盤未見該層。根據(jù)層④和層⑥的測年結(jié)果，該事件應(yīng)發(fā)生在（7.7±0.1）ka B.P.和（9.6±0.1）ka B.P.之間，考慮到樣品測年誤差，該事件很可能與前兩個探槽揭露的事件為同一次事件。事件II是斷層F2的活動，斷至地表，其上覆蓋很薄的層⑦，其位置與前人研究的1609年紅崖堡7?級地震破裂帶位置也一致，據(jù)此推斷斷裂的該次活動為1609年紅崖堡地震。根據(jù)剖面層③，其形態(tài)很像一個崩積楔，所含礫石的粒徑明顯大于其它層，大小混雜。根據(jù)層②和層④的測年結(jié)果，此次事件可能發(fā)生于（9.6±0.1）ka B.P.和（12.2±0.4）ka B.P.之間，但此次事件其它探槽并沒得到印證，確定性不是很大。

3 結(jié)論與討論

通過上述3個古地震探槽剖面的分析結(jié)果，可得出1次歷史地震事件和1次古地震事件，利用毛鳳英等（1995）提出古地震事件的逐次限定法，可以確定出古地震的更加精確的時(shí)間。事件I為1次歷史地震事件，為1609年紅崖堡7?級地震，對該次地震前人有較多的研究（國家地震局地質(zhì)研究所等，1993；國家地震局蘭州地震研究所，1985；國家地震局災(zāi)害防御司，1995）。事件II發(fā)生在（6.3±0.6）ka B.P.和（7.4±0.4）ka B.P.之間，在三個探槽剖面上均有所反映。根據(jù)前人的研究（國家地震局地質(zhì)研究所等，1993），佛洞廟-紅崖子斷裂在（4.3±0.3）ka B.P.和（2.1±0.1）ka B.P.各有1次古地震事件，綜合所有結(jié)果，佛洞廟-紅崖子斷裂古地震可能具有準(zhǔn)周期復(fù)發(fā)的特征，復(fù)發(fā)間隔為1600—2500年左右。由于最新的地震離逝時(shí)間為400年，因此該斷裂近期發(fā)生中強(qiáng)地震的可能性不大。

由于自然條件的制約，古地震的保存具有很大的局限性，并不是斷裂帶上每一點(diǎn)都能很好地記錄下過去發(fā)生的全部地震（閔偉等，2001），在探槽不夠多、年代測試不夠精確的條件下往往只能得到古地震研究的粗略結(jié)果。在本次的研究中，以下因素會影響到最終結(jié)果的精確性：①佛洞廟-紅崖子斷裂地處干旱-半干旱地區(qū)，植被稀少，有機(jī)碳沉積物較少，大多為沖洪積沉積物，很難采集到14C樣品，本文部分年齡結(jié)果是光釋光樣品年齡值，測年的誤差可能較大，使得古地震事件的年代存在一定的不確定性。②探槽少且分布不均勻。在本次的研究中，由于祁連山前發(fā)育的洪積扇上多以巨大的巖石和粗粒的沉積物為主，很少能找到合適的細(xì)粒沉積的地方開挖探槽，只能在為數(shù)不多的河流階地上才能開展古地震探槽的研究，因此客觀上也影響了古地震研究的完整性，希望能在以后的工作中得到改善。

致謝：本研究中的光釋光樣品由中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測定，14C樣品由蘭州大學(xué)地理系14C實(shí)驗(yàn)室測定，特此致謝。

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Preliminary Study of Palaeo-earthquakes on the Fodongmiaohongyazi Fault in the North Margin of Qilian Mountain

Liu Xingwang1,2,3)，Yuan Daoyang1)and He Wengui1,2)

1) Lanzhou Institute of Seismology，CEA，Lanzhou 730000，China
2) Lanzhou Base of Institute of Earthquake Science，CEA，Lanzhou 730000，China
3) Key Laboratory of Western China’s Environmental System with the Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou, 73000, China

Fodongmiao-hongyazi fault lies in the middle part of the north fault zone of Qilian mountain. It is an important boundary fault between Qilian mountain and Hexi-corridor. The main trending of the fault is NWW with length of 110 km. The fault is active in Holocene period with left-lateral reverse strike-slip movement. The activity of the fault formed a series of geomorphology like fault scarp, terrace and gully left-lateral. In this paper, we report two earthquake events that were identified from three trenching survey along the fault. Event I is a historic earthquake occurred in four hundred years ago, namely Hongyapu M 7? in 1609. Event II occurred between（6.3±0.6）ka B.P. and（7.4±0.4）ka B.P.. Combined with the previous studies, we discussed the recurrence model and interval of the palaeo-earthquakes along the fault.

Fodongmiao-hongyazi fault；Palaeo-earthquake；Earthquake recurrence interval

劉興旺，袁道陽，何文貴，2014．祁連山北緣佛洞廟-紅崖子斷裂古地震特征初步研究．震災(zāi)防御技術(shù)，9（3）：411—419．

10.11899/zzfy20140307

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（2009A20）資助

2013-11-22

劉興旺，男，生于1980年。助理研究員。主要研究方向：活動構(gòu)造。E-mail：lxw_27@163.com