五臺山北麓斷裂繁峙段晚第四紀活動性研究1

趙仕亮 譚錫斌 于貴華 徐錫偉 石 峰 孫鑫喆 高 偉

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五臺山北麓斷裂繁峙段晚第四紀活動性研究1

趙仕亮 譚錫斌 于貴華 徐錫偉 石 峰 孫鑫喆 高 偉

（中國地震局地質研究所，活動構造與火山重點實驗室，北京 100029）

五臺山北麓斷裂位于山西地塹系北部。本文以五臺山北麓斷裂繁峙段的地質地貌為研究對象，分別在繁峙縣的大峪村和崗里村兩地斷裂沿線進行了無人機測量。利用三維結構的運動重建技術（Structure from Motion，SfM）進行影像數(shù)據處理，得到高精度點云數(shù)據，并通過進一步處理獲得了分辨率達0.5m的高清斷錯地貌正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）。通過對典型地區(qū)的詳細野外調查和挖掘探槽等手段對該段晚第四紀的活動性進行研究，發(fā)現(xiàn)斷層晚第四紀以來的活動主要是以正傾滑運動為主。同時在五臺山北麓斷裂沿線的大峪村、崗里村等地進行了斷錯地貌分析和晚第四紀滑動速率計算，得到約20ka以來的斷層垂向滑動速率為0.4—0.6mm/a，近18ka以來該段發(fā)生過至少兩次古地震事件。古地震事件和滑動速率分析表明，五臺山北麓斷裂晚第四紀，尤其是全新世以來活動強烈，且不同段落存在明顯的活動性差異。

山西地塹系 五臺山北麓斷裂 晚第四紀活動性 滑動速率正斷層

引言

五臺山北麓斷裂位于山西地塹系北部，是忻定盆地北部繁代凹陷的南緣斷裂（圖1）。該斷裂西起原平皇家莊，向東延伸經下莊、峨口、南峪口至小柏峪以東，總體走向NE60°左右，全長85km，由許多條長度不等、走向略有差異的次級斷層以斜接、斜交和雁列等方式組合而成，是山西地塹系內一條重要的活動斷裂（劉光勛等，1991）。其活動幅度與斷裂規(guī)模遠遠超過盆地北緣斷裂（恒山南麓斷裂），使得該盆地成為南斷北超的不對稱地塹。有史料記載以來，忻定盆地內曾發(fā)生3次7級以上地震及一系列中強地震，是山西地震帶乃至華北地震區(qū)地震活動最強的區(qū)段之一（武烈，1993）。3次7級以上強震分別是公元512年代縣7?級地震、1038年定襄7?級地震和1683年原平7級地震，并先后發(fā)現(xiàn)定襄地震、代縣地震的地表破裂帶分別沿系舟山北麓斷裂帶和五臺山北麓斷裂帶展布（張世民等，1989；2007；劉光勛等，1991），說明強震活動與盆地邊界斷裂密切相關。

早在20世紀60年代以來，前人就已經開展了對該區(qū)域的研究（鄧起東等，1973；1985；盧演儔等，1985；徐錫偉等，1990；1996；2002；國家地震局《鄂爾多斯周緣斷裂系》課題組，1988）。20世紀90年代，中國地震局在晉北尾端張性區(qū)的忻定盆地以及延慶盆地開展了1/5萬地質填圖及綜合研究（徐錫偉，1990；劉光勛等，1991；方仲景等，1993；竇素芹等，1995）；中日學者聯(lián)合開展了“中日山西六棱山北麓斷裂和日本陸羽斷裂晚第四紀運動學對比研究”（鄧起東等，1994；徐錫偉等，1996）。此外，段瑞濤等（1995）、劉巍等（1995）和Zhang等（1998）也對山西斷陷帶北部構造區(qū)第四紀盆地和主要斷裂帶構造特征、地震活動特點進行了專題研究，積累了大量新資料，提出了新的認識和觀點。于慎鄂（2004）根據構造區(qū)內不同斷塊間構造運動形式及位移量的差異，將山西斷陷帶北部構造區(qū)進一步劃分為西、中、東3個次級斷塊構造區(qū)段，其中五臺山北麓斷裂位于西段。

自公元512年至今，繁代盆地內發(fā)生≥4?級地震共12次，其中公元512年在代縣和繁峙間發(fā)生的7?級地震和1683年原平7級地震等被認為是五臺山北麓斷裂活動的結果（劉光勛等，1991）。本文的研究區(qū)域位于五臺山北麓斷裂的繁峙段（圖1），在遙感解譯的基礎上，通過典型地區(qū)的詳細野外調查和探槽研究，對該斷裂帶的晚第四紀活動性進行了研究，旨在為斷裂帶的整體特征提供基礎資料，并為該斷裂未來的地震危險性預測及評價提供科學依據。

1 區(qū)域構造背景

山西地塹系（也叫“山西斷陷盆地帶”）位于華北準地臺中西部，西為穩(wěn)定的鄂爾多斯塊，東為太行山隆起山地，形成于上新世，是周緣斷陷帶中形成最晚的盆地帶（鄧起東等，1973；國家地震局《鄂爾多斯周緣斷裂系》課題組，1988），由十多個NE、NEE走向的地塹或半地塹盆地作右行斜列組成，總體走向NNE，平面呈“S”型，全長約1200km，寬約20—80km。山西地塹系自北向南6個較大的斷陷盆地分別是（圖1）：延慶-懷來盆地（簡稱“延懷盆地”）、大同-陽高盆地（簡稱“大同盆地”）、忻州-定襄盆地（簡稱“忻定盆地”）、太原盆地（也稱“晉中盆地”）、臨汾-侯馬盆地（簡稱“臨汾盆地”）、運城盆地。此外，在斷陷盆地帶的北部東端還分布有規(guī)模較小的斷陷盆地，如大同盆地以東的蔚縣-廣靈盆地，忻定盆地以東的靈丘盆地等（圖1）。各盆地邊界發(fā)育有一系列與盆地走向相近的正斷層（徐錫偉，1989；王乃樑等，1996；徐岳仁，2012）。

五臺山北麓斷裂位于山西斷陷盆地帶的北部張性區(qū)，即晉北尾端張性區(qū)，其位于山西地塹系的北端東側，為北東東向，是由一系列北東東向張性傾滑斷裂及其控制的半地塹盆地和半地壘山嶺相間的盆地構造組成（徐錫偉，1990）。忻定盆地位于晉北尾端張性區(qū)南端，是一個典型的新生代馬蹄形張性盆地。其北側為恒山隆起區(qū)，南側以石嶺關推擠隆起與太原盆地分隔，東側為最高海拔為3058m的五臺山隆起區(qū)（圖1）。忻定盆地南北長約100km，東西寬約20—30km，其北部為恒山南麓斷裂和五臺山北麓斷裂構成的NE向地塹，向西到云中山山前轉為NNE向；南部是由系舟山北麓斷裂控制的NE向半地塹（圖1）（王乃樑等，1996）。其中五臺山北麓斷裂與系舟山北麓斷裂垂直錯動強度較大，控制了盆地的主體地貌格局。有史料記載以來盆地內共發(fā)生過3次以上強震及一系列中強震，3次強震分別為公元512年的代縣7?級地震、公元1038年的定襄7?級地震和公元1683年的原平7級地震，其中公元512年在代縣和繁峙間發(fā)生的7?級地震和1683年原平7級地震等被認為是五臺山北麓斷裂活動的結果（劉光勛等，1991），說明該斷層在全新世以來活動強烈。

五臺山北麓斷裂是一條第四紀活動斷裂，斷裂帶是由許多條長度不等、走向略有差異的次級斷裂以斜接、斜交和平行等方式共同組合而成。區(qū)內出露巖性以前寒武紀變質巖為主，局部地區(qū)發(fā)育灰?guī)r。主要有混合花崗巖的恒山雜巖，五臺群的長石石英巖、變質花崗巖，古生代的灰?guī)r白云巖以及前新生代各期的花崗巖侵入體（圖2）。組成五臺山北麓斷裂的斷層均為中高角度正斷層，傾向北北西，傾角較大，一般為50°—70°，最大為80°左右。一般單條斷層的剖面形態(tài)主要為上陡下緩的鏟式斷層，剖面形態(tài)分為階梯狀和“Y”字形。斷層以正傾滑運動為主，山區(qū)“唐縣期”夷平面被抬升至2100—2400m高度，結合北側沉積盆地埋深，得到五臺山北麓斷裂自形成以來的最大運動幅度達2500m以上。在遙感影像上，斷裂顯示出清晰的線性特征，并伴有明顯的掀斜抬升。以黑山莊為界，斷裂分為東西兩段，晚更新世晚期以來和全新世中期以來斷裂西段的運動速率分別為1.09mm/a和0.58mm/a；斷裂東段晚更新世以來的平均活動速率變化不大，保持在1.0—1.2mm/a（劉光勛等，1991）。近20ka以來，該斷裂南峪口段的平均滑動速率不小于1.55—2.0mm/a，近6ka以來滑動速率達2.3mm/a（丁銳等，2009）。另外，南峪口段的地震復發(fā)間隔為10—15ka（丁銳等，2009；趙俊香等，2009）。

2 研究方法及結果

2.1 無人機低空攝影測繪

本研究區(qū)域位于山西省北部繁峙縣內，為半干旱地區(qū)，植被稀少，且多為低矮灌木，采用sUAV低空攝影測繪方法獲得的DEM、DOM和3D模型等數(shù)據，可以反映真實的地形地貌特征，對活動斷層的識別及其走向、滑動方向、位錯量等參數(shù)的精確厘定提供了非常可靠的高分辨率地形數(shù)據。

本研究的數(shù)據用蜘蛛雀八旋翼無人機采集，分別對大峪村和崗里村的錯段地貌發(fā)育區(qū)總共約2.6km2面積的目標區(qū)域進行了圖像采集。以天然標志物作為控制點，均勻地分布于目標區(qū)域內，使用RTK差分GPS精確測量每個控制點的坐標。作業(yè)過程中飛行器高度控制在170m左右，相鄰照片的重復率保持在80%左右，整個過程中光照強度比較均勻，沒有明顯的陰影變化。共采集到119張RAW格式圖像。

本次實驗使用配有24GB RAM物理內存的圖形工作站及Photoscan軟件處理數(shù)據。首先對所采集的照片進行拼接、校正，然后輸出tiff圖像數(shù)據，最后添加地面控制點坐標，使之生成比較理想的正射二維圖像和逼真的三維模型（圖3、4），具體方法見參考文獻（何宏林，2011；魏占玉等，2015）。

正斷層往往形成陡直的斷層崖和復合斷層崖，從生成的影像中可以清晰地看到這些地貌現(xiàn)象。但是在研究區(qū)內，由于人工活動影響，斷層陡坎被改造成了多級梯田，這對從影像上提取剖面特征造成了一定的影響。確定斷層垂直滑動速率的兩個必不可少的因素是：斷層的垂直位錯量和對應地層的年齡。因此本文在探槽開挖地區(qū)的附近提取了幾條地形剖面，如圖5和圖6。大峪村測繪區(qū)3個剖面測得的斷層的垂直位錯量分別為13m、15m和7.5m，由此得到斷層的陡坎高度集中在7—13m。在崗里村測繪區(qū)提取了4個地形剖面，測得的斷層的垂直位錯量分別為38m、42.5m、38m和36m，由此得到斷層的陡坎高度集中在36—42.5m。五臺山北麓斷裂由多條長度不等、走向略有差異的次級斷層斜接組合而成（圖2），斷裂帶在大峪村和崗里村兩個段落的走向上有些差異，且斷層崖的高度也有較為明顯的差別，因此造成斷層陡坎的高度在這兩個地方略有差異。

2.2 探槽研究

古地震學研究的優(yōu)勢在于，通過對古地震事件的識別確認，可以恢復和豐富斷裂帶活動歷史，對評估未來地震發(fā)生的危險性具有重要作用（仇士華等，1989；冉勇康等，1999；鄧起東等，1985；楊曉平等，2003；張培震等，2003）。古地震研究可獲得古地震次數(shù)、每次古地震事件的年齡、同震位移量、復發(fā)周期等參數(shù)。探槽開挖技術是揭露古地震事件的主要方法，其基本原則是：最大限度地從地質記錄中揭露和獲取古地震信息，包括多次事件的期次和位移量；采集到盡可能準確的限定古地震發(fā)生時間的測年樣品（鄧起東等，2004）。

光釋光測年和14C測年法是用來限定晚第四紀古地震和斷裂活動發(fā)生時間的常用方法。其中，光釋光測年的對象是石英、長石等礦物，經過近年來的發(fā)展，該技術已在古地震研究中得到廣泛應用（Lu等，2002；Fattahi等，2006；2007；2009；劉進峰等，2010）。本文在大峪村和崗里村（圖2的R1、R2）分別開挖了一個探槽，并通過光釋光測年和14C測年兩種方法對采集的樣品進行了測年。其中光釋光測年在地震動力學國家重點實驗室完成，采用SMAR細顆粒石英OSL測量方法，6個光釋光測年結果見表1；14C測年在Beta實驗室（Beta Analytic Inc.）完成，年齡結果見表2。

表1 光釋光測年結果

表2 碳14測年結果

3 斷裂晚第四紀活動性

3.1 大峪村探槽

斷裂帶從繁峙縣城東南方向約10km處的大峪村穿過，通過Google衛(wèi)星影像可以清楚地看到斷裂帶在大峪村山前有明顯的線性構造（圖7（a））。野外實地考察后，我們在大峪村河道西側開挖了一個探槽（圖2的R1位置），開挖點處厚層礫石層沉積被錯斷，高差約為3m（圖7）。探槽素描見圖8。探槽揭露的斷層面清晰且直達近地表，傾角約70°（圖8）。斷層下盤主要為礫石層沉積，礫石的磨圓、分選較差，靠近斷層處有定向排列的現(xiàn)象。斷層上盤主要為厚層的黃土層和粉砂土層沉積，在斷層面附近夾雜有礫石，并識別出2期崩積楔，根據測年結果，兩期崩積楔的年齡分別為2670±30a BP和15.6—18.4ka BP。探槽底部靠近主斷裂附近發(fā)育有幾條分支斷裂，其中最大的一支與主斷裂平行。

地層從上往下依次為：

層①：黃土，局部受到人為改造，無層理、砂礫，可見厚度約為3m。

層②：粉砂層，靠近斷層處夾雜有少量礫石。

層③：崩積楔，楔形，主要由礫石和粉細砂組成，礫石粒徑在5cm左右，崩積楔最大厚度約1m。

層④：疑似崩積相砂礫層，層厚1m，厚層粉砂層中夾有礫石，礫石磨圓差，粒徑在5—10cm左右。

層⑤：粉砂層，靠近斷層處夾雜有少量礫石。

層⑥：紅色礫石層，該層顏色發(fā)紅，礫石礫徑主要在5cm左右，被多支斷層錯斷。

層⑦：粉砂礫石層，主要由細礫和粉砂組成，膠結較好。

層⑧：黃土，內還有少量礫石。

層⑨：礫石層，磨圓差、分選一般，礫徑為3—10cm，靠近斷層處有定向排列。

層⑩：礫石層，磨圓較好，分選較好，礫徑約5cm。

層?：礫石層，磨圓差，分選差，礫徑為2—15cm，靠近斷層處有定向排列。

探槽高約9m，可以清晰地揭示主斷層及幾條分支斷層的分布，但是由于斷層下盤主要以厚礫石層為主，無法采集光釋光或14C進行測年，并且也無法根據地層的沉積特征判斷與斷層上盤的對應關系，因此給計算斷層的晚第四紀滑動速率造成了一定的困難。我們只能根據地層的年齡以及被錯斷的最小垂直距離獲取一個垂向滑動速率的最低可能值。其中斷層下盤的⑩號地層特征明顯，但是在斷層上盤未見與之相對應的地層，表明探槽揭示出來的最老地層仍然要年輕于斷層下盤的⑩號地層，因此斷層上盤的地層與⑩號地層相對比可以獲得其垂直位錯量的最低值。其中，⑤號地層至少被主斷層面錯斷了約7.5m，而其年齡約19.6 ka，因此可以認為約20ka以來的垂直滑動速率要大于0.37mm/a。通過對比層③和層⑩，認為層③至少被錯斷了約2.1m，因此2.7ka以來的平均垂直滑動速率大于0.81mm/a。③號地層表現(xiàn)為楔形特征，且后期又被錯斷，因此可以認為2.7ka以來至少發(fā)生了兩次地震事件，其中應該包括公元512年代縣7?級地震。

3.2 崗里村石佛寺剖面

崗里村位于大峪村正西約10km處（圖2）。通過遙感解譯和野外實地調查，我們在崗里村石佛寺附近發(fā)現(xiàn)幾處很好的斷層剖面，對其中一處進行了繼續(xù)開挖和清理，探槽的斷錯地貌和素描分別見圖9和圖10。

主要地層從上往下依次為：

層①：黃土層，無層理，無砂、礫，結構均一而硬實。厚約3—4m，最上面覆有薄層耕種土。

層②：厚層粉砂，質純，只在斷層附近分布有礫石。

層③：砂礫層，主要分布在剖面的底部，礫石粒徑在5cm左右。

層④：黑色古土壤層，與下伏地層逐漸過渡，與上覆地層分界明顯。厚約10—15cm，采集了一個光釋光樣品，測年結果為19.7±1.7ka BP。

層⑤：粉砂層，含少量小礫石。

層⑥：礫石層，粒徑大小不一，在5—15cm左右。礫石磨圓差，分選一般，礫石間含砂。

層⑦：厚礫石層，磨圓度高，分選好，礫石粒徑在5cm左右。

層⑧：礫石層，磨圓度高，分選好，礫石粒徑在10cm左右。

層⑨：礫石層，磨圓差、分選一般，礫徑為3—10cm，靠近斷層處有定向排列。

層⑩：粗砂層。

在石佛寺探槽剖面上發(fā)現(xiàn)了多支斷層，其中最南邊的一支為主斷裂。其斷層分布形態(tài)與大峪村探槽所揭示的類似，均表現(xiàn)為主斷裂上盤存在一系列分支斷層。主斷裂切斷了多級地層，破裂直至地表，且主斷裂下盤以礫石層為主，上盤則分布著較厚的砂層和黃土層。通過光釋光測年獲得的5個年齡數(shù)據，顯示出礫石層與砂層的分界年齡大約15—17ka之間，而根據主斷層下盤的2個年齡數(shù)據，其垂向錯距介于5—9m之間。由此推斷，約16ka以來的平均垂向滑動速率介于0.3—0.6mm/a之間。若以19.7±1.7ka的古土壤層作為標志層，其垂向錯距介于8—12m之間，由此獲得的約20ka以來的平均垂向滑動速率介于0.4—0.6mm/a之間。

4 討論與結論

五臺山北麓斷裂帶由許多條長度不等、走向略有差異的次級斷裂以斜接、斜交和平行等方式共同組合而成。不同段落斷錯的地層、地貌特征各異，記錄的地震事件也不一樣，表明斷裂的不同段落具有不同的活動性。同時斷裂滑動速率也是活動構造定量研究的最重要參數(shù)之一，不僅可以直接應用于活動構造的地震危險性預測和工程場地的地震安全性評價，還可為地球動力學研究提供不可缺少的重要信息（張培震等，2008）。前人對五臺山北麓斷裂帶滑動速率的研究結果從0.58—2.3mm/a不等（劉光勛等，1991；丁銳等，2009），相差很大。斷裂帶東段，尤其是南峪口段發(fā)育有多級麓原面和洪積臺地，很符合Hamblin（1976）所描述的斷層崖演化理論，如圖11所示。

根據經典的斷層崖演化理論（Hamblin，1976），首先斷塊隆升形成一級斷層崖（圖11（a））；在斷裂活動的平靜期內，沖溝下切侵蝕斷層崖形成“V”字型峽谷（圖11（b））；如果平靜期足夠長，斷層崖后退形成麓原面P1（圖11（c））；再次進入活躍期后，形成又一級的斷層崖，老一級的斷層崖和麓原面被抬升（圖11（d））；又一次平靜期來臨后，沖溝從斷層崖開始溯源侵蝕形成階地T1（圖11（e））；這樣一來，T1與P1連成一級地貌面，二者在空間上連續(xù)、在高度上可比（圖11（f））。多個構造旋回可以形成一系列由河流階地和麓原面組成的多級聯(lián)合地貌。五臺山北麓斷裂南峪口段發(fā)育有6級聯(lián)合地貌面，對應有6次快速隆升事件，其中最近一期為距今0.02Ma（張世民等，2007），說明晚更新世以來，尤其是全新世以來五臺山北麓斷裂已進入一個新的構造活躍期。前人在南峪口段，通過沖溝階地面采樣和探槽手段，得到該段在近20ka以來的平均滑動速率不低于1.55—2.0mm/a（丁銳等，2009），并且得到了全新世以來的地震復發(fā)間隔約為1400a（丁銳等，2009；趙俊香等，2009）。

五臺山北麓斷裂繁峙段的斷錯地貌特征與南峪口段存在明顯差異，本段未發(fā)育明顯的麓原面和河流階地。我們通過發(fā)掘和研究大峪村探槽，得到近20ka以來該段的滑動速率不低于0.37mm/a；通過石佛寺探槽得到約20ka以來該段斷層的滑動速率介于0.4—0.6mm/a之間。這一數(shù)值明顯低于斷裂帶南峪口段，表明晚第四紀以來斷裂活動性沿斷層走向上存在差異。

致謝：審稿人的修改意見，使得本文得到了很大改善，在此表示感謝。

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Late Quaternary Activity of the Fanshi Segment of the Northern Piedmont Fault of the Wutai Mountain

Zhao Shiliang, Tan Xibin, Yu Guihua, Xu Xiwei, Shi Feng, Sun Xinzhe and Gao Wei

(Institution of Geology, China Earthquake Administration, Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Beijing 100029, China)

The northern piedmont fault of the Wutai mountain is located at the northern part of the Shanxi rift system. A test study was carried out in the Fanshi section of the northern piedmont fault of the Wutai mountain, with a small unmanned aerial vehicle. A group of high accuracy point cloud data was produced through the structure from motion technique, and then the orthographic images, DEM and fine 3-D model of fault landform with the resolution of 0.5m were generated after further processing. We analyze the landscapes and calculate the late Quaternary slip rates along the fault zone at the sites in Dayu village and Gangli village, respectively. The vertical slip rates are 0.4-0.6 mm/a during the last 20 ka, and at least 2 earthquakes occurred since about 18 ka. Associated with the analysis of paleo-earthquake events and slip rate, we found that the northern piedmont fault of the Wutai mountain is subject to intensive activity since late Quaternary, especially since Holocene. There exists obvious difference in faulting activity between different segments.

Shanxi rift system; The northern piedmont fault of the Wutai Mountain; Late quaternary activity; Slip rate; Normal fault

10.11899/zzfy20160403

國家自然科學基金項目（91214201）與中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項項目（IGCEA1416）聯(lián)合資助

2016-04-11

趙仕亮，男，生于1990年。在讀碩士研究生。研究方向為活動構造。E-mail：zhaoshiliang1990@163.com

譚錫斌，男，生于1985年。副研究員。主要從事活動構造及低溫熱年代學研究。E-mail：tanxibin@sina.com