側(cè)向侵蝕相關(guān)的走滑斷裂滑動(dòng)速率計(jì)算新方法

任治坤 張竹琪 陳 濤 王偉濤

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)中國(guó)地震局地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心，北京 100036

0 引言

活動(dòng)構(gòu)造研究中最主要的內(nèi)容之一就是斷層滑動(dòng)速率的確定，滑動(dòng)速率是量化斷層活動(dòng)性的重要參數(shù)，可以為地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、震災(zāi)防御和建筑物設(shè)防級(jí)別等提供參考。斷層滑動(dòng)速率還是研究地殼變形的重要參數(shù)之一，比如對(duì)青藏高原的研究，研究者根據(jù)各自得到的不同的斷層滑動(dòng)速率，提出了不同的變形模式:在主要邊界斷層上獲得低滑動(dòng)速率的研究者大多支持連續(xù)變形模式(Molnar et al.，1975;England et al.，1988;Zhang et al.，2004);而在主要邊界斷層上獲得較高滑動(dòng)速率的研究者大多支持剛性塊體變形模式(Peltzer et al.，1988;Tapponnier et al.，2001a)。早期研究顯示，青藏高原地區(qū)主要活動(dòng)斷裂上的滑動(dòng)速率達(dá)到20～30 mm/a(Peltzer et al.，1989;van der Woerd et al.，2002;Mériaux et al.，2004，2005)，從而認(rèn)為青藏高原應(yīng)以剛性塊體變形模式為主，應(yīng)變主要被塊體邊界斷裂所吸收。近期基于階地演化與斷裂位錯(cuò)分析，對(duì)前人的研究結(jié)果進(jìn)行了重新分析表明，青藏高原主要大型活動(dòng)斷裂的滑動(dòng)速率一般不超過(guò)10mm/a(Cowgill，2007;Zhang et al.，2007;張培震等，2008;Gold et al.，2009)，從而支持青藏高原應(yīng)以連續(xù)變形模式為主，邊界斷裂只吸收了部分應(yīng)變。由此可見，斷層滑動(dòng)速率對(duì)于區(qū)域構(gòu)造格局的認(rèn)識(shí)有本質(zhì)影響。

近年來(lái)，隨著各種測(cè)年技術(shù)的發(fā)展，例如:常規(guī)14C測(cè)年、加速質(zhì)譜儀14C測(cè)年(AMS)、熱釋光、光釋光以及宇宙成因核素等，測(cè)年精度有了極大提高，測(cè)年最小年限可以達(dá)到千年甚至百年。由于全新世地質(zhì)體經(jīng)歷時(shí)間較短，保存較為完好，為野外測(cè)量與識(shí)別提供了方便，從而使得在活斷層調(diào)查中利用全新世地質(zhì)體獲取滑動(dòng)速率的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。全新世地質(zhì)體所經(jīng)歷時(shí)間較短，累積位錯(cuò)量與其對(duì)應(yīng)年代的準(zhǔn)確度會(huì)對(duì)滑動(dòng)速率的計(jì)算有明顯影響，較小的年齡誤差就會(huì)造成較大的滑動(dòng)速率偏差。走滑斷裂滑動(dòng)速率受側(cè)向位移影響很大，在滑動(dòng)速率計(jì)算中更應(yīng)謹(jǐn)慎處理。在走滑斷裂滑動(dòng)速率的計(jì)算中，地質(zhì)體實(shí)測(cè)年齡與實(shí)際累積位錯(cuò)時(shí)間不匹配會(huì)使速率計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生不確定性，其來(lái)源主要有2個(gè):1)累積位移時(shí)間是否與所測(cè)地質(zhì)體年代相符合;2)地質(zhì)體位移形成過(guò)程中所受到的侵蝕。本文從全新世年輕地質(zhì)體(1ka甚至0.1ka)的角度出發(fā)，針對(duì)利用全新世地質(zhì)體測(cè)定斷層滑動(dòng)速率的方法中的不確定性進(jìn)行探討，并對(duì)側(cè)向位移的影響進(jìn)行量化分析。

1 斷層滑動(dòng)速率獲取的手段

斷層滑動(dòng)速率指的是斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)在某一時(shí)間段內(nèi)的平均速度(丁國(guó)瑜，1982，1993;Wallace，1987;鄧起東等，2002;張培震等，2008)，是斷裂帶上應(yīng)變累積速率的表現(xiàn)之一，經(jīng)常被作為斷裂地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的重要參考(Molnar，1979;聞學(xué)澤，1991，1993;Field，2007)。目前斷層滑動(dòng)速率主要是利用主要地貌面的總位移量與累積時(shí)間的比值來(lái)獲得，地貌面的位移量一般由階地位錯(cuò)量或者代表階地位錯(cuò)的沖溝、階地陡坎的位錯(cuò)來(lái)獲得(隨著野外測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志物距離的測(cè)量誤差可以忽略，主要問(wèn)題來(lái)源在于不同人對(duì)位錯(cuò)標(biāo)志物的認(rèn)定存在較大差異，由位錯(cuò)量測(cè)量誤差以及標(biāo)志物認(rèn)定差異而導(dǎo)致的滑動(dòng)速率偏差不在本文討論范圍之內(nèi));位錯(cuò)累積時(shí)間一般由地質(zhì)體實(shí)測(cè)年齡獲得。階地演化分析表明，利用對(duì)應(yīng)階地的位錯(cuò)及其上下限年代即可獲得對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)速率(Cowgill，2007;Zhang et al.，2007;張培震等，2008;Gold et al.，2009)。上述方法需要確定斷層位錯(cuò)的起始時(shí)間，在接近萬(wàn)年甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度上所得結(jié)果會(huì)較為準(zhǔn)確，但是對(duì)千年甚至百年尺度的地質(zhì)體來(lái)說(shuō)，隨著時(shí)間尺度的減小，所獲取的滑動(dòng)速率受側(cè)向位移的影響會(huì)逐漸增大。因此，利用全新世地質(zhì)體獲取斷層滑動(dòng)速率的方法需要仔細(xì)分析側(cè)向位移所帶來(lái)的不確定性。

假設(shè)斷裂真實(shí)滑動(dòng)速率不變，那么可以根據(jù)以下公式計(jì)算滑動(dòng)速率:

式(1)中:Rc為斷層滑動(dòng)速率，D為位錯(cuò)量，T為地質(zhì)體發(fā)生位錯(cuò)的年齡。從式(1)可見，所計(jì)算的滑動(dòng)速率與樣品采集時(shí)地質(zhì)體的年齡相關(guān)，如果地質(zhì)體年齡與位錯(cuò)量不匹配，則會(huì)造成滑動(dòng)速率偏離實(shí)際情況。通常情況下，地質(zhì)體的年齡與其位錯(cuò)間的匹配性并沒有得到應(yīng)有的重視。

2 斷層滑動(dòng)速率不確定性分析

利用河流階地位錯(cuò)來(lái)獲得滑動(dòng)速率是活動(dòng)構(gòu)造研究中非常普遍的情況，對(duì)于走滑型斷裂來(lái)說(shuō)尤其重要。如圖1所示，T0/T1階地陡坎在持續(xù)接受河流侵蝕、沖刷，因此，其位錯(cuò)較難保存。但是，當(dāng)最后一次地震事件距今很近的情況下，河流還未將T0/T1階地陡坎侵蝕掉，或者強(qiáng)震復(fù)發(fā)周期很短，每次地震事件以后，河流均難以將同震位錯(cuò)量完全侵蝕掉，從而在T0/T1階地陡坎上保留下位錯(cuò)證據(jù)(Cowgill，2007)。如果野外考察不仔細(xì)進(jìn)行分析，那么，利用這一最新階地陡坎位錯(cuò)與年齡來(lái)計(jì)算滑動(dòng)速率，將會(huì)得到錯(cuò)誤結(jié)果。因此，只有盡量選取階地陡坎位錯(cuò)形成后未遭受河流侵蝕作用的累積位錯(cuò)量及其對(duì)應(yīng)年齡，才能獲得較為準(zhǔn)確的滑動(dòng)速率結(jié)果。

圖1 走滑斷裂帶河流階地與位錯(cuò)演化示意圖Fig.1 Block diagrams showing plausible sequence of terrace offsets by strike-slip faulting.

在階地發(fā)育較好的地點(diǎn)，由于老階地陡坎均在其Ⅰ級(jí)階地(T1')時(shí)期接受河流沖刷，實(shí)際累積位錯(cuò)量會(huì)被侵蝕、沖刷掉一部分，但是在階地成為Ⅱ級(jí)(T2')及其以上的高級(jí)階地以后，由于其與河床之間分布了Ⅰ級(jí)階地，高階地陡坎不再接受到河流侵蝕沖刷，保存的位錯(cuò)量更能代表強(qiáng)震累積位錯(cuò)量(圖1)。因此利用高級(jí)階地面自從Ⅱ級(jí)階地形成(比其年輕的Ⅰ級(jí)階地已經(jīng)離水)以后再累積的位錯(cuò)量與對(duì)應(yīng)時(shí)間計(jì)算可得實(shí)際滑動(dòng)速率值，即利用高－低階地累積位錯(cuò)量之差與其對(duì)應(yīng)階地年齡差(差值法)來(lái)計(jì)算滑動(dòng)速率，在每級(jí)階地拔河高度近似呈等差分布，且側(cè)向位移較恒定的理想狀況下，可以從一定程度上減少上述2種因素對(duì)滑動(dòng)速率的影響。在各級(jí)階地拔河高度不呈等差分布情況下，可以利用各級(jí)階地年齡及其相應(yīng)拔河高度對(duì)T2以后位移累積時(shí)間進(jìn)行推算，本文對(duì)此情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論分析。根據(jù)階地演化模式分析可知，側(cè)向侵蝕主要發(fā)生在T1階地時(shí)期，在T2階地形成后，即不再接受側(cè)向侵蝕，則可以根據(jù)T1和T2階地拔河高度、年齡推算T2階地不接受側(cè)向侵蝕的年齡。

假設(shè)滑動(dòng)速率為R，側(cè)向侵蝕速率為E，T1階地年齡為TT1，拔河高度為HT1(圖2)，野外測(cè)量累積位移量為DT1，實(shí)際累積位移量為DT1c;T2階地年齡為TT2，拔河高度為HT2，野外測(cè)量累積位移量為DT2，實(shí)際累積位移量為DT2c;以此類推，Tn階地年齡為TTn，拔河高度為HTn，野外測(cè)量累積位移量為DTn，實(shí)際累積位移量為DTnc;則Tn階地上接收側(cè)向侵蝕年齡為

實(shí)際累積位移量為

滑動(dòng)速率計(jì)算公式即為

在式(4)中，要解2個(gè)未知數(shù)E與R，需要已知3組階地位錯(cuò)量、年齡和拔河高度等數(shù)據(jù)。如果所計(jì)算的側(cè)向侵蝕速率E大于平均滑動(dòng)速率R，則說(shuō)明在T1階地上較難累積位錯(cuò);如果野外實(shí)際測(cè)量T1階地上保留了部分位錯(cuò)，則說(shuō)明為最近地震事件同震位錯(cuò)，或者實(shí)際情況與本文介紹的階地形成模式不符，不能利用式(2)～(4)計(jì)算滑動(dòng)速率及側(cè)向侵蝕速率。如阿爾金斷裂阿克塞野外點(diǎn)，其T1階地拔河高度為3m，階地年齡為2.2ka，T2階地拔河高度為5m，階地年齡為6.5ka，而T2'階地拔河高度為8m，階地年齡為9ka，但是階地陡坎T2/T1位錯(cuò)量達(dá)145m，階地陡坎T2'/T2位錯(cuò)量為 165m(圖 2)(Mériaux et al.，2005)。由此可見，其階地年齡、拔河高度及位錯(cuò)量數(shù)據(jù)之間不匹配，此類位錯(cuò)點(diǎn)不適用上述計(jì)算方法。此時(shí)可通過(guò)差值法，即高級(jí)階地與低級(jí)階地對(duì)應(yīng)位錯(cuò)與年齡差值相除，即用式(5)來(lái)計(jì)算滑動(dòng)速率(Ren et al.，2013):

圖2 阿克塞老城以東多級(jí)河流階地被阿爾金斷裂斷錯(cuò)圖Fig.2 Terrace levels displaced by the Altyn Tagh Fault，east to the old Aksay city.

Cowgill(2007)提出，計(jì)算走滑斷層滑動(dòng)速率應(yīng)該利用高低階地位錯(cuò)差值與高Ⅰ級(jí)階地的廢棄年齡來(lái)計(jì)算。沿阿爾金斷裂車臣河，他利用此方法計(jì)算得到的滑動(dòng)速率為 (9.4±2.3)mm/a。這一方法大大改進(jìn)了前人利用對(duì)應(yīng)階地年齡與位錯(cuò)所得到的超大滑動(dòng)速率值(Mériaux et al.，2004，2005)。但是，往往階地位錯(cuò)累積時(shí)間并不一定對(duì)應(yīng)其廢棄年齡，而可能代表自T1'以來(lái)的年齡，因此其中T1'所經(jīng)歷時(shí)間也被錯(cuò)誤地包含在滑動(dòng)速率計(jì)算中。累積位錯(cuò)的側(cè)向侵蝕以及單次地震事件的影響均未剔除。為了剔除這些因素的影響，這里介紹了一種差值法。這一計(jì)算方法中，側(cè)向侵蝕的影響能夠被全部或者部分剔除，從而降低這些因素對(duì)滑動(dòng)速率的影響(表1)(Ren et al.，2013)。但是，由于一些地點(diǎn)拔河高度和T1階地年代等信息未知，因此，僅僅在昆侖斷裂帶上，利用式(2)～(4)進(jìn)行了滑動(dòng)速率計(jì)算，其他點(diǎn)則采取了最簡(jiǎn)單的高低階地年齡與位錯(cuò)差值法計(jì)算滑動(dòng)速率。

表1 差值法計(jì)算所得滑動(dòng)速率與傳統(tǒng)方法所得最大和最小滑動(dòng)速率Table 1 Comparison of maximum and minimum fault slip rate calculated by differential method with that from other methods

在阿克塞舊城區(qū)以東發(fā)育多級(jí)階地(圖2)，Mériaux等(2005)曾經(jīng)在此處開展工作，對(duì)多級(jí)階地位錯(cuò)與年代進(jìn)行測(cè)量，最終利用多級(jí)階地位錯(cuò)計(jì)算了滑動(dòng)速率，結(jié)果為18.3～22.3mm/a(表1)。但是野外實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，該處階地只在沖溝一側(cè)保存，在另外一側(cè)并未保存，即所得階地位錯(cuò)量并非真實(shí)階地位錯(cuò)量，而是階地陡坎后緣與現(xiàn)今沖溝壁之間的相對(duì)距離。并且從Ⅰ級(jí)階地T1所在位置分析可知，該階地可能并非形成階地后被斷錯(cuò)，而很可能是沖溝斷錯(cuò)之后形成。因此，利用Ⅰ級(jí)階地年齡與沖溝位錯(cuò)來(lái)計(jì)算滑動(dòng)速率所得結(jié)果會(huì)偏大。利用本文提出的差值法重新計(jì)算得到，阿爾金斷裂在阿克塞舊城區(qū)滑動(dòng)速率為8.0 mm/a(表1)，其他點(diǎn)速率為4.7～5.1mm/a，低于Mériaux等(2005)的計(jì)算結(jié)果。而本文計(jì)算結(jié)果與前人獲得的低地質(zhì)滑動(dòng)速率相一致(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，1992)，也為前人通過(guò)現(xiàn)今GPS觀測(cè)提出的低縮短速率和滑動(dòng)速率(Bendick et al.，2000;Shen et al.，2001;Wallace et al.，2004;Zhang et al.，2004)提供了長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期上的低滑動(dòng)速率證據(jù);這一速率也與古地震研究得到的1ka復(fù)發(fā)周期結(jié)果相一致(Washburn et al.，2001，2003)。沿昆侖斷裂，重新計(jì)算得到的滑動(dòng)速率為7.99～8.77mm/a，也與前人的結(jié)果一致(Table 1)(Zhang et al.，2004;Shen et al.，2005;Lin et al.，2008)。昆侖斷裂上古地震研究得到的復(fù)發(fā)周期為1ka左右(Guo et al.，2006，2007;Kirby et al.，2007;Lin et al.，2008)，與本文新計(jì)算結(jié)果一致。

3 結(jié)論

利用年輕地質(zhì)體獲取斷層活動(dòng)速率是全新世活動(dòng)斷裂研究的重要手段。但是，由于測(cè)年結(jié)果表現(xiàn)的是到現(xiàn)在為止地質(zhì)體所經(jīng)歷的時(shí)間，而地質(zhì)體實(shí)測(cè)年齡又包含了地質(zhì)體接受側(cè)向侵蝕的時(shí)間，所以并不能準(zhǔn)確代表位錯(cuò)累積時(shí)間。利用地質(zhì)體實(shí)測(cè)年齡計(jì)算滑動(dòng)速率值獲得的是長(zhǎng)期平均值，地質(zhì)體累積位錯(cuò)所經(jīng)歷時(shí)間的準(zhǔn)確與否是滑動(dòng)速率準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。

走滑斷裂上河流階地演化與斷層位錯(cuò)分析表明，在考慮側(cè)向侵蝕的情況下，利用本文提出的算法可以通過(guò)多級(jí)階地的位錯(cuò)量、年齡及拔河高度等數(shù)據(jù)同時(shí)計(jì)算斷層滑動(dòng)速率與側(cè)向侵蝕速率，這可以在一定程度上減少側(cè)向侵蝕因素對(duì)走滑斷裂滑動(dòng)速率的影響，提高所獲滑動(dòng)速率的可靠程度。在所計(jì)算的側(cè)向侵蝕速率遠(yuǎn)大于滑動(dòng)速率的情況下，在Ⅰ級(jí)階地上不累積位錯(cuò)。如果野外實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)在Ⅰ級(jí)階地上保留了位錯(cuò)，則說(shuō)明該處實(shí)際位錯(cuò)累積模式與本文提出的模式不符，不適合式(2)～(4)中的算法。這時(shí)可以利用高－低階地累積位錯(cuò)量之差與對(duì)應(yīng)階地年齡差(差值法)來(lái)來(lái)計(jì)算斷層滑動(dòng)速率，也可以在一定程度上提高所計(jì)算滑動(dòng)速率的準(zhǔn)確度。