新疆阜康斷裂帶中段大黃山探槽晚第四紀(jì)沉積物的光釋光測年

戴訓(xùn)也 沈 軍 吳傳勇 楊會麗

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

2)防災(zāi)科技學(xué)院，燕郊 065201

3)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

4)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，北京 100029

0 引言

新疆阜康斷裂帶位于東天山博格達(dá)弧形推覆構(gòu)造區(qū)(圖1)，是典型的弧形逆沖活動斷裂帶。斷裂帶總體呈近EW的向N凸出的弧形，其控制著東天山北緣的第四紀(jì)構(gòu)造演化和地貌發(fā)育，同時(shí)是博格達(dá)山與山前平原區(qū)的分界線。沿?cái)嗔延星宄臄鄬佣缚玻延械慕Y(jié)果表明，晚更新世晚期以來存在多期活動，形成的陡坎高度可達(dá)10m(柏美祥等，1997;汪一鵬等，2000;尤惠川等，2003;吳傳勇等，2005，2013)。

光釋光測年法和14C測年法是用來限定晚第四紀(jì)古地震和斷裂活動發(fā)生時(shí)間常用的方法。在中國西北干旱、半干旱地區(qū)，很難找到合適的14C測年物質(zhì)。光釋光測年對象是石英、長石等常見礦物，而與活動構(gòu)造和古地震相關(guān)的第四紀(jì)沉積物中富含石英、長石等礦物，這使得光釋光測年技術(shù)成為干旱、半干旱地區(qū)活動構(gòu)造研究中重要的測年方法之一。光釋光測年法經(jīng)過近20年的發(fā)展，在幾十年至十萬年的測年范圍內(nèi)已經(jīng)獲得與獨(dú)立年齡一致性很好的結(jié)果(Murray et al.，2002)。有研究者利用該技術(shù)成功地獲得與古地震相關(guān)的年代(Lu et al.，2002;Chen e t al.，2006;Fattahi et al.，2006，2007;Thomas et al.，2007;Rittenour，2008;Fattahi，2009;劉進(jìn)峰等，2010;Liu et al.，2010)。本文將通過對新疆阜康斷裂帶大黃山探槽測年樣品年齡結(jié)果分析，確定阜康斷裂帶中段的滑動速率及最新1次古地震事件發(fā)生的時(shí)代。

圖1 阜康斷裂帶中部大黃山探槽位置分布圖Fig.1 The location of Dahuangshan trench，F(xiàn)ukang Fault.

1 大黃山探槽剖面地層和樣品的采集

大黃山探槽剖面處于東天山博格達(dá)弧形推覆構(gòu)造區(qū)阜康斷裂帶中部(圖1)，探槽跨斷層陡坎，陡坎上下原始面垂直高差約為1.8m(圖2)。探槽剖面出露地層可劃分為15個(gè)地層單元(圖3)，共采集了23個(gè)光釋光樣品來限定古地震事件發(fā)生時(shí)間。

層①:黃色含礫粉土層，坡積和風(fēng)積作用形成，取樣品1個(gè)，編號DHS－TL－01;

層②:黃色粉土層，風(fēng)積和坡積作用形成，上盤少量殘留，取樣品3個(gè)，分別編號DHSTL－02、DHS－TL－03及TL－01;

層③:黃色、淺褐色礫石層，坡積作用形成，礫石磨圓較差，上盤有殘留;

層④:黃色含礫粉土層，坡積和風(fēng)積作用形成，也有水流作用，略帶層理，上盤為薄層透鏡體，取樣品4個(gè)，分別編號DHS－TL－05、DHS－TL－06、DHS－TL－07及TL－02;

層⑤:黃色礫石層，坡積作用形成，粒徑2～5cm，礫石磨圓較差;

層⑥:黃色含礫粉土層，坡積、風(fēng)積及水流作用形成，略帶層理，取樣品4個(gè)，分別編號DHS－TL－4、DHS－TL－08、DHS－TL－09及TL－03;

層⑦:黃褐色礫石層，含粉土，坡積和風(fēng)積作用形成，礫石磨圓較差;

層⑧:黃色粉土層，坡積、風(fēng)積及水流作用形成，略帶層理，取樣品4個(gè)，分別編號DHS－TL－10、DHS－TL－11、DHS－TL－12及TL－04;

圖2 實(shí)測大黃山探槽斷錯(cuò)地貌Fig.2 Measured fault scarps of Dahuangshan trench.

圖3 大黃山探槽西壁剖面圖Fig.3 Schematic drawing of the west wall of Dahuangshan trench.

層⑨:黃褐色礫石層，含粉土;

層⑩:黃色粉土層，風(fēng)積作用形成，略帶層理，取樣品2個(gè)，分別編號DHS－OSL－01與DHS－OSL－03;

層?:黃褐色粉土、礫石互層，互為透鏡體交錯(cuò)，上盤為含粉土礫石層，坡積為主，摻風(fēng)積黃土，以黃褐色與下伏地層區(qū)分，取樣品3個(gè)，分別編號DHS－OSL－02、TL－05及TL－06;

層?:斷層上盤為青灰色礫石層、含礫粉土層，礫石最大直徑50cm，斷層下盤為含礫粉土透鏡體，透鏡體之下為黃色致密粉土層，取樣品1個(gè)，編號TL－07;

層?:黃褐色礫石層，洪積形成，分選差;

層?:黃色含礫粉土層，取樣1樣，編號DHS－TL－13;

層?:灰黃色礫石層，礫石磨圓較好。

2 光釋光測年

所有的實(shí)驗(yàn)工作均在中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室釋光實(shí)驗(yàn)室完成。樣品等效劑量測量是用丹麥Riso TL/OSL－AD－20型釋光測量儀完成的，激發(fā)光源分別為藍(lán)光(波長:(470±20)nm，最大功率:45mW/cm2)和紅外光(波長:(880±40)nm，最大功率:135mW/cm2)，測量時(shí)激發(fā)光強(qiáng)為最大功率的90%，光釋光信號通過EMIQA9235型光電倍增管(PMT)檢測，在激發(fā)光源和PMT之間附加2塊U－340濾光片(厚度分別為2.5mm和4.5mm)。輻照源為Riso TL/OSL－AD－20型自動測量系統(tǒng)機(jī)載β源，源強(qiáng)度為0.105 1Gy/s。

2.1 樣品前處理

前處理在微弱紅光下的暗室內(nèi)完成，所采用的光釋光樣品常規(guī)化學(xué)處理方法如圖4(Aitken，1998;陳杰等，1999;楊會麗等，2011;賴忠平，2013)。

2.2 等效劑量測量

對樣品LED12－297經(jīng)氟硅酸刻蝕后的細(xì)顆粒石英組分采用單片再生法(Murray et al.，2000)進(jìn)行了預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)(圖5)。結(jié)果表明，該樣品的等效劑量值D e在220～260℃溫度區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)一坪區(qū)，相應(yīng)的循環(huán)比率在0.9～1.1，回授信號強(qiáng)度也＜5%。因而測量過程中可采用220～260℃溫度范圍內(nèi)的任意一個(gè)預(yù)熱溫度。該樣品劑量恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖6)顯示，在220～260℃的預(yù)熱區(qū)間內(nèi)，劑量恢復(fù)比率均為0.9～1.1，說明在此預(yù)熱溫度范圍內(nèi)該實(shí)驗(yàn)流程可行，釋光感量校正是有效的。

對經(jīng)氟硅酸刻蝕后的細(xì)顆粒石英組分，采用簡單多片再生法(王旭龍等，2005;Lu et al.，2007)進(jìn)行等效劑量的測試，測量流程見圖7。等效劑量的計(jì)算取釋光信號發(fā)光曲線第1s的OSL信號強(qiáng)度減去最后l0s的平均值。典型樣品光釋光信號衰減曲線和生長曲線見圖8。

2.3 環(huán)境劑量率測定

用美國Daybreak 582型厚源α計(jì)數(shù)儀(Aitiken，1998;王同利等，2005)對樣品的鈾和釷的α計(jì)數(shù)率進(jìn)行了測定;用火焰光度計(jì)測定了鉀含量。在計(jì)算年齡時(shí)，α系數(shù)采用0.045±0.005(Rees-Jones，1995)。根據(jù)Aitken(1998)提出的石英礦物吸收環(huán)境劑量率與環(huán)境中鈾和釷(以α計(jì)數(shù)率表示)、鉀含量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時(shí)考慮了宇宙射線和含水量對劑量率的影響，計(jì)算出各樣品的環(huán)境劑量率。

圖4 細(xì)顆粒石英前處理流程Fig.4 Flow chart of pretreatment to abstract the 4 ～11μm fine-grained quartz.

圖5 樣品LED12－297等效劑量、回授比率、循環(huán)比率與預(yù)熱溫度的關(guān)系Fig.5 Plots of D e，recuperation and recycling ratios as a function of preheat temperature for sample LED12－297.

3 年齡結(jié)果

圖6 樣品LED12－297的劑量恢復(fù)比率與預(yù)熱溫度的關(guān)系Fig.6 Plots of Dose recovery ratio as a function of preheat temperature for sample LED12－297.

圖7 SMAR法測量流程Fig.7 Fine-grained quartz SMAR protocol used in this study.

大黃山探槽光釋光樣品的環(huán)境劑量率、等效劑量相關(guān)數(shù)據(jù)以及年代結(jié)果見表1。樣品年齡表現(xiàn)為上部地層新，下部地層老，與地層的時(shí)序一致性較好。最頂部的層①樣品年齡為1.90ka，層②的樣品年齡為(3.47～4.64)ka，層④的樣品年齡為(5.54～6.24)ka，層⑥年齡為(5.81～8.78)ka，層⑧年齡為(18.88～23.22)ka，層⑩年齡為24.09ka，層?年齡為(28.21～50.48)ka，層?年齡約為54.11ka，層?年齡約為75.59ka。斷層錯(cuò)斷的最新地層為層②，在層②上覆蓋了粉土層①。最頂部的層①樣品年齡為1.90ka，層②的樣品年齡在(3.47～4.64)ka，據(jù)此可以確定斷層的最新1次古地震事件發(fā)生在(1.90±0.14)ka～(3.47±0.17)ka，阜康斷裂帶為全新世活動斷層。

4 滑動速率與最新1次古地震事件的時(shí)代

圖8 樣品LED12－115和LED12－116光釋光信號衰減曲線和生長曲線Fig.8 OSL decay and growth curves for sample LED12 －115 and LED12 －296 using the SMAR protocol.

為了準(zhǔn)確地獲得斷層的垂直滑動速率，選取了斷層上、下兩盤中的對應(yīng)地層的年齡和位移量來計(jì)算。由圖3可見，在斷層上盤地層?的樣品年齡為(25.92±2.25)ka，在斷層下盤地層?頂部的樣品年齡為(28.21±1.71)ka。而地層?總的位移量除了錯(cuò)斷所產(chǎn)生的，還應(yīng)該考慮彎曲褶皺變形的位移。從圖3中可以得到錯(cuò)斷的垂直位移量為(3.2±0.3)m，褶皺變形的位移量為(1.3±0.3)m，因此地層?總的垂直位移量為(4.5±0.3)m。通過計(jì)算可知，晚更新世以來斷層平均垂直滑動速率為0.17mm/a。

本次研究所得的斷層垂直活動速率與前人主要結(jié)果有一定的差異:柏美祥等(1997)認(rèn)為，阜康活斷層的平均垂直活動速率＞0.12mm/a;汪一鵬等(2000)認(rèn)為，博格達(dá)推覆構(gòu)造垂直位移速率為0.7～0.8mm/a;尤惠川等(2003)認(rèn)為，阜康斷裂帶端部全新世平均垂直滑動速率為0.10～0.40mm/a，中部全新世平均垂直滑動速率＞1.00mm/a;吳傳勇等(2013)認(rèn)為，阜康斷裂帶甘河子段晚第四紀(jì)以來的平均垂直滑動速率為0.34～0.43mm/a。出現(xiàn)以上差異的可能原因如下:

(1)博格達(dá)北緣晚第四紀(jì)活動山前斷裂主要有3條，此次探槽所跨斷層只是博格達(dá)山前逆沖變形的一部分，不同部位斷層的活動速率很可能會不同。

(2)逆斷層的垂直變形分為斷錯(cuò)變形和褶皺變形。斷錯(cuò)變形所反映的垂直變形速率也只是整個(gè)逆沖變形的一部分，當(dāng)只考慮其中的一種變形時(shí)，就會出現(xiàn)結(jié)果的偏差。

表1 大黃山探槽樣品測年結(jié)果Table 1 Results of OSL dating for samples from the Dahuangshan trench

(3)阜康斷裂帶長約140km，在不同的位置，斷層的形變有可能不一致，從而導(dǎo)致不同學(xué)者所得的垂直滑動速率有所不同。

在計(jì)算斷層垂直活動速率時(shí)，選取的是斷層上、下盤中能夠完全對應(yīng)的地層，在討論斷錯(cuò)變形的同時(shí)，還考慮了部分彎曲褶皺變形帶來的變形量，所獲結(jié)果是相對準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

通過對阜康斷裂帶中段大黃山探槽剖面開展光釋光年代學(xué)研究，結(jié)合地層錯(cuò)斷情況，得到以下初步認(rèn)識:

(1)根據(jù)斷層探槽剖面錯(cuò)斷的最新地層及其上覆地層的光釋光年齡，可以判斷斷層的最新1次活動事件應(yīng)發(fā)生在距今(1.90±0.14)ka～(3.47±0.17)ka，阜康斷裂帶為全新世活動斷層。

(2)根據(jù)探槽中斷層上、下兩盤中的對應(yīng)地層的位移量和年齡數(shù)據(jù)，得到晚更新世以來阜康斷裂帶中段斷層平均垂直滑動速率為0.17mm/a。