基巖斷層面古地震研究的主要方法與選點(diǎn)原則＊

鄒俊杰 周永勝何宏林※ 耿 爽趙家豪

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)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083

引言

地震是一種突發(fā)的、劇烈的地殼運(yùn)動(dòng)形式，是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，應(yīng)變?cè)诨顒?dòng)斷層上逐漸累積達(dá)到極限狀態(tài)后失穩(wěn)、破裂、滑動(dòng)的結(jié)果。隨著人類社會(huì)城鎮(zhèn)化越來(lái)越高，強(qiáng)震所帶來(lái)的自然災(zāi)害對(duì)人類生活的威脅、給社會(huì)造成的損失越來(lái)越大[1]。古地震學(xué)研究的目的就是通過(guò)研究在現(xiàn)代儀器和歷史記錄之前保存在地質(zhì)現(xiàn)象中的地震事件，使我們能夠在更長(zhǎng)時(shí)間尺度、多個(gè)地震輪回的時(shí)段上研究大地震歷史，認(rèn)識(shí)活動(dòng)斷裂的長(zhǎng)期地震行為，并合理評(píng)估未來(lái)地震的危險(xiǎn)性，減少地震災(zāi)害損失[2]。當(dāng)前，探槽技術(shù)在活動(dòng)構(gòu)造中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了一系列豐碩的成果，成為古地震研究的主要手段[3]。但是，古地震探槽技術(shù)無(wú)法在基巖區(qū)開(kāi)展研究工作，這一定程度上限制了古地震研究的時(shí)間和空間范圍[4]。

基巖斷層面是斷層在長(zhǎng)期活動(dòng)中位錯(cuò)累積的產(chǎn)物[5]，其具有抗侵蝕能力強(qiáng)、不存在沉積序列缺失的優(yōu)勢(shì)。因此，它可以更大程度地記錄到斷層面上所經(jīng)歷的古地震事件，成為基巖區(qū)提取古地震信息的良好對(duì)象。當(dāng)斷層的滑動(dòng)速率小于下盤(pán)的侵蝕速率和上盤(pán)的沉積速率時(shí)，基巖斷層坎會(huì)被破壞、埋藏，難以出露；當(dāng)斷層的滑動(dòng)速率大于下盤(pán)的侵蝕速率和上盤(pán)的沉積速率時(shí)，基巖斷層坎會(huì)出露、并得以保存古地震信息（圖1）。國(guó)內(nèi)外已有大量的研究，報(bào)道了從基巖斷層面上提取古地震信息（地震期次、同震位移量和地震年代）、恢復(fù)斷裂古地震歷史的成功案例，如：Zreda和Noll[6]對(duì)美國(guó)盆嶺省的研究、Mitchell等[7]對(duì)以色列正斷層坎的研究、Benedetti等[8]對(duì)希臘裂谷系的研究、Giaccio等[9]對(duì)意大利正斷層系的研究以及鄒俊杰等[10-11]對(duì)中國(guó)山西地塹系的研究。

圖1 基巖斷層面出露的條件（改自Reicherter等[12]）Fig.1 Conditionsfor exposureof bedrock fault surfaces （Modified from Reicherter et al.[12]）

值此基巖斷層面古地震研究蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻，本文總結(jié)歸納了幾種當(dāng)前從基巖斷層面上恢復(fù)古地震歷史的主要方法，指出了現(xiàn)階段基巖斷層面古地震研究在選點(diǎn)上應(yīng)注意的問(wèn)題，提出了今后宜重點(diǎn)加強(qiáng)工作的若干建議，以期能對(duì)今后基巖斷層面的古地震研究工作起到積極的推動(dòng)作用。

1 基本原理與影響因素

基巖斷層面，在周期性的地震事件的作用下會(huì)分段地暴露于地表面，從而在基巖斷層的下盤(pán)表面，形成在物理化學(xué)性質(zhì)上具有差異性的分段。沿?cái)鄬用娓叨确较蛏希缺┞兜臄鄬用娣侄挝挥跀鄬用娴纳喜?，后暴露的斷層面分段位于斷層面的下部。兩個(gè)相鄰的分段中，先期暴露于地表的斷層面分段會(huì)比后期抬出地表的斷層面分段多經(jīng)歷一個(gè)地震周期的侵蝕風(fēng)化時(shí)間，通常在數(shù)百年至上千年，因此，兩個(gè)分段在暴露時(shí)間、形貌特征、硬度指標(biāo)、核素濃度等一系列物理和化學(xué)指標(biāo)上均會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異[6-9]。選擇合適的方法，將這些分段差異特征加以識(shí)別和量化，可以有效地恢復(fù)基巖斷層面的地震活動(dòng)歷史。通過(guò)識(shí)別斷層面某一物理化學(xué)特征的分段數(shù)量、分段高度和暴露時(shí)間，可以識(shí)別斷層表面經(jīng)歷的地震事件的期次、同震位移量和地震發(fā)生時(shí)間，從而恢復(fù)基巖斷層的地震活動(dòng)歷史，這就是以基巖斷層面為研究對(duì)象提取基巖區(qū)古地震信息的基本原理[10-11]。

能否從基巖斷層面上成功提取古地震信息，主要受控于兩大方面的影響因素：①作為古地震信息承載體的基巖斷層面，保存是否自然完整。由于基巖斷層坎出露地表后，會(huì)受到一系列地表過(guò)程和人為因素的改造和影響，這些非構(gòu)造因素會(huì)使得斷層面遭到破壞，難以承載古地震信息，從而無(wú)法開(kāi)展古地地震研究工作。因此，選擇一個(gè)合適的基巖斷層面為研究對(duì)象，對(duì)于開(kāi)展古地震研究工作十分必要。②所選用的古地震研究方法本身的適用情形和限制條件。任何一種研究方法都有其適用條件和影響因素，基巖斷層面古地震研究的每一種方法都有其優(yōu)勢(shì)、不確定性和適用條件。

2 主要研究方法

當(dāng)前，從基巖斷層面上提取古地震信息，主要依據(jù)斷層在地震事件作用下分段出露的特征，通過(guò)識(shí)別斷層面某一特征指標(biāo)的分段數(shù)量、分段高度和暴露時(shí)間，恢復(fù)基巖斷層的活動(dòng)歷史（圖2a）。目前廣泛運(yùn)用的研究方法主要有5種：

（1）基于陸基LiDAR掃描獲取斷層面高精度數(shù)據(jù)，通過(guò)形貌參數(shù)分析獲取古地震事件期次和同震位移量的形貌測(cè)量分析法（圖2b）。該方法使用陸基LiDAR掃描獲取高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)剔除噪點(diǎn)、置平數(shù)據(jù)和生成規(guī)則的高精度DEM后，采用形貌參數(shù)對(duì)斷層表面形貌特征進(jìn)行量化，識(shí)別出斷層表面不同期次的風(fēng)化條帶和古地震事件。這種方法主要適用于斷層表面保存較好、沿高度方向上具有差異侵蝕風(fēng)化特征的斷層面，其優(yōu)勢(shì)在于是非接觸式無(wú)損測(cè)量、快捷方便省時(shí)省力，但是也存在測(cè)量?jī)x器昂貴、掃描過(guò)程易受外界干擾、掃描范圍存在盲區(qū)和無(wú)法獲得古地震年代的問(wèn)題[11]。

（2）通過(guò)采集基巖斷層面上的巖石樣品，測(cè)定斷層面在地震事件作用下的分段暴露期次、位移量和時(shí)間的宇宙成因核素測(cè)年法（圖2c）。該方法在基巖斷層面上，從底到頂連續(xù)地采集巖石樣品，通過(guò)測(cè)定不同高度上巖石樣品的核素濃度，結(jié)合采樣點(diǎn)的核素產(chǎn)率，獲得斷層表面核素濃度的分段特征、分段高度和分段暴露年齡。這種方法需要考慮基巖斷層面的巖性，不同巖性的基巖斷層面需要采用不同核素進(jìn)行暴露定年，目前使用最多的是針對(duì)碳酸巖斷層面的36Cl暴露測(cè)年，也有針對(duì)含石英礦物的斷層面的10Be暴露測(cè)年[8]。其優(yōu)勢(shì)在于不僅能夠獲得古地震事件的期次和同震位移量，還可以測(cè)定地震事件的年代，但是需要采集大量巖石樣品測(cè)試、模擬算法復(fù)雜、耗時(shí)耗力。

（3）根據(jù)光釋光衰退深度差異曲線，進(jìn)行斷層面古地震事件和同震位移量恢復(fù)的光釋光衰退深度判別法（圖2d）。該方法在基巖斷層面上連續(xù)切割塊狀巖石樣品，測(cè)定不同高度處巖石樣品的光釋光衰退深度差異，通過(guò)構(gòu)建光釋光信號(hào)衰退深度與斷層高度曲線對(duì)斷層表面進(jìn)行分段，從而識(shí)別古地震事件和同震位移量。該方法目前只在含有石英礦物的花崗巖中開(kāi)展過(guò)研究，是光釋光技術(shù)在基巖斷層面上提取古地震信息的新嘗試，但是需要投入大量的人力物力，識(shí)別的同震位移量的精度同時(shí)受制于表面和深度樣品分辨率，無(wú)法獲得地震事件的年代。

（4）通過(guò)施密特錘在基巖斷層面上采集系列回彈值，根據(jù)回彈值的大小和離散程度反映的風(fēng)化層的厚度，進(jìn)行古地震歷史恢復(fù)的施密特錘回彈值測(cè)量法（圖2e）。該方法需要從基巖斷層面的底部到頂部，使用施密特回彈儀進(jìn)行單點(diǎn)的連續(xù)敲擊并記錄回彈的數(shù)值，由于斷層面上先期暴露的部分受侵蝕風(fēng)化的影響大、回彈值小而分散，后期暴露的部分受侵蝕風(fēng)化的影響小、回彈值大而集中，因此，可以用于斷層表面的分段和地震事件的識(shí)別。該方法在理論上可以適用于具有表面風(fēng)化厚度差異的斷層面，并且已經(jīng)成功運(yùn)用于碳酸巖斷層面。這種方法反映了斷層表面受暴露時(shí)間的不同而形成的巖石強(qiáng)度的差異，雖然是一種接觸式的一維測(cè)量方法，但是工具輕巧便攜、處理流程簡(jiǎn)單成熟，同樣存在無(wú)法獲得地震事件年代的問(wèn)題。

（5）通過(guò)分析基巖斷層面上地球化學(xué)元素，特別是稀土元素和釔元素序列，識(shí)別古地震事件期次和同震位移量的地球化學(xué)元素峰值識(shí)別法（圖2f）。該方法需要從基巖斷層面上采集序列巖石樣品，測(cè)定稀土元素和釔元素的濃度，通過(guò)識(shí)別稀土元素和釔元素異常高的分值條帶，確定下盤(pán)的基巖斷層面和上盤(pán)的松散沉積物的接觸界線，從而劃分?jǐn)鄬颖砻娴姆侄芜吔?，恢?fù)基巖斷層面古地震活動(dòng)歷史。該方法在理論上可以適用于地震周期長(zhǎng)、同震位移量大的斷層面，目前已經(jīng)在碳酸巖斷層上取得了良好的成果。但這種方法需要采集大量巖石樣品進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，卻無(wú)法獲得斷層面的暴露年齡，不適用于具有地震叢集特征的基巖斷層面，可以作為一種斷層面古地震識(shí)別的輔助判別方法。此外，通過(guò)野外目視解譯基巖斷層面的風(fēng)化條帶[13]，測(cè)量斷層面上侵蝕坑的深度[5]，照片融合拼貼分析[9]以及地衣生長(zhǎng)大小的量化分析[14]，也可以識(shí)別出基巖斷層面在高度上的條帶狀差異，恢復(fù)基巖斷層面的出露歷史，提取基巖斷層面的古地震信息。

圖2 基巖斷層面古地震研究方法的模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of study methods about paleo-earthquake identification on bedrock fault scarp

3 適合開(kāi)展古地震研究的基巖斷層面的特征

基于上述介紹的形貌學(xué)、年代學(xué)和其他物理化學(xué)指標(biāo)重建基巖區(qū)斷層的古地震歷史的時(shí)間、震級(jí)和強(qiáng)度是完全可能的，但需要選擇合適的研究地點(diǎn)。由于基巖斷層坎出露地表后，會(huì)受到一系列地表過(guò)程和人為因素的改造，這些非構(gòu)造因素的作用使得斷層坎被埋藏或者破壞（圖3）。因此，只有選擇出保存完好且具有構(gòu)造（地震活動(dòng)）指示意義的基巖斷層面，才有可能成功地從基巖斷層面上提取古地震信息[19]。

圖3 基巖斷層坎的3種出露和保存情況Fig.3 Three typesof exhumation and preservation of bedrock fault surfaces

本文總結(jié)了前人在美國(guó)東部Hebgen湖的基巖正斷層面[6]、以色列的Nehaf基巖正斷層坎[7]、希臘[8]和意大利[9]裂谷系的基巖斷層面的研究，結(jié)合本人在山西地塹系的羅云山山前斷裂[10]和交城斷裂[11]開(kāi)展的工作，并根據(jù)古地震學(xué)先驅(qū)McCalplin[3]提出的開(kāi)展古地震研究的目的和野外選點(diǎn)注意事項(xiàng)，總結(jié)歸納出適合提取古地震信息的基巖斷層面的6個(gè)特征。一般來(lái)說(shuō)，理想的基巖斷層面應(yīng)具有以下6個(gè)特征（圖4）：

圖4 適合開(kāi)展古地震研究的基巖斷層面的特征（改自Bubeck等[19]）Fig.4 Characteristicsof bedrock fault surfacessuitablefor paleo-earthquake study （Modified from Bubeck et al.[19]）

（1）自然性。自然性是指基巖斷層表面應(yīng)該是自然的，并且排除了在選定的研究地點(diǎn)存在人工挖掘斷層表面的可能性[3]。為此，選擇的基巖露頭最好遠(yuǎn)離農(nóng)田、大壩等人為建筑，盡可能排除人類活動(dòng)的干擾。

（2）可見(jiàn)性?？梢?jiàn)性是指斷層露頭沒(méi)有被崩積物和沖積物掩埋、充分暴露，能夠?yàn)楣诺卣饘W(xué)家發(fā)現(xiàn)識(shí)別，成為古地震研究的良好對(duì)象。為此，研究地點(diǎn)通常應(yīng)選擇遠(yuǎn)離上盤(pán)沖積扇和下盤(pán)崩塌區(qū)等地方，以防止基巖斷層面被全部或部分掩埋[19]。

（3）構(gòu)造性。構(gòu)造性意味著選定的基巖斷層表面必須被斷層活動(dòng)挖出，并盡量減少地貌過(guò)程的影響。為此，選址應(yīng)遠(yuǎn)離受侵蝕過(guò)程影響的區(qū)域，以確保上盤(pán)坡度的穩(wěn)定，排除斷層面由于溝谷侵蝕剝露的可能性[19]。

（4）完好性。完好性是指斷層崖通常會(huì)因巖崩和凍融作用而被侵蝕、后退甚至破壞，因此，只有保存完好的部分才能作為古地震學(xué)研究的良好指標(biāo)。實(shí)踐中，通常選擇基巖斷層下部完整的部分進(jìn)行研究，避開(kāi)斷層陡坡頂部的破碎帶和剝蝕坡[10-11]。

（5）獲得性。在某些情況下，雖然斷層陡崖保存完好，但由于地質(zhì)環(huán)境惡劣或受國(guó)家政策保護(hù)，接觸式的測(cè)量方法（如，宇宙成因核素測(cè)年）難以開(kāi)展。為此，在研究正式實(shí)施前，需要考察當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件并了解相關(guān)政策[3]。

（6）代表性。代表性是指獲得的古地震歷史盡可能完整，斷層的滑動(dòng)速率盡可能準(zhǔn)確，這就要求地表的斷層變形集中在所研究的基巖斷層面露頭上。為此，研究點(diǎn)選擇應(yīng)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換斜坡和分支斷層[6-9]。

上述6個(gè)基巖斷層面的典型特征，可以作為在基巖區(qū)選擇合適的古地震研究點(diǎn)的原則。

4 建議與展望

近幾十年來(lái)，在基巖斷層面的古地震研究中，雖然不斷有新方法的出現(xiàn)、新指標(biāo)的產(chǎn)生和新技術(shù)的引入，對(duì)于已有模型也在不斷完善，但是依然存在一些問(wèn)題和不足有待解決和改進(jìn)：

（1）斷裂系的整體性和系統(tǒng)性關(guān)注不足。從全球范圍的研究成果看，目前的研究主要集中在美國(guó)的盆嶺省、意大利的阿卑斯山脈、以色列和希臘的地塹系中的某一條斷層[6-9]。這是因?yàn)檫^(guò)去一段時(shí)期內(nèi)，基巖區(qū)古地震研究尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要專注于基巖斷層面古地震研究的技術(shù)方法的開(kāi)創(chuàng)與發(fā)展，大量的研究工作都聚焦在以某一基巖斷層露頭為試驗(yàn)點(diǎn)，探索古地震識(shí)別方法和鑒定技術(shù)的適用性和可行性上。在目前階段，這些研究方法已經(jīng)通過(guò)大量的實(shí)例研究，證實(shí)了其可行性和適用性[10-11]。因此，在今后的研究中，需要更加重視這些方法的綜合運(yùn)用，揚(yáng)長(zhǎng)避短，更加注重?cái)嗔严档恼w性和系統(tǒng)性的研究，適時(shí)地將研究目標(biāo)由單條斷裂的實(shí)驗(yàn)性探索轉(zhuǎn)向整個(gè)斷裂系的系統(tǒng)性研究。為此，有必要選擇一個(gè)歷史地震資料豐富、基巖斷層面廣泛出露的活動(dòng)斷裂系（如，中國(guó)的山西地塹系）開(kāi)展研究，給出斷裂系內(nèi)主要基巖斷裂帶的古地震活動(dòng)時(shí)空分布，使得基巖斷層面古地震的研究工作更具整體性，動(dòng)力機(jī)制的解釋更具合理性，推動(dòng)基巖斷層面古地震研究向更大的時(shí)空尺度邁進(jìn)。

（2）目標(biāo)斷層局限于斷陷盆地帶內(nèi)的基巖正斷層，對(duì)其他構(gòu)造背景下的基巖正斷層面鮮有關(guān)注?？v觀國(guó)內(nèi)外研究成果，目前研究區(qū)域內(nèi)大的構(gòu)造背景仍以斷陷盆地為主，而事實(shí)上正斷層的產(chǎn)生背景并不局限于此。在拉張型區(qū)域應(yīng)力條件下，如走滑斷層的尾端和轉(zhuǎn)折處以及逆斷層褶皺軸部地帶都會(huì)形成一系列正斷層，其中有些就發(fā)育在基巖區(qū)。這些構(gòu)造區(qū)的基巖正斷層活動(dòng)歷史和特征與地塹系內(nèi)的正斷層是否存在差異，在對(duì)這些區(qū)域構(gòu)造背景不同的基巖正斷層的研究中，又會(huì)對(duì)現(xiàn)有的研究方法產(chǎn)生哪些積極的反饋，是今后研究中一個(gè)值得思考的方向。

（3）一方面，雖然當(dāng)前已有許多研究方法用于基巖斷層面的古地震研究，但是這些方法本身仍然需要不斷的優(yōu)化和改進(jìn)。以宇宙成因核素測(cè)年方法為例，當(dāng)前的測(cè)試方法主要是針對(duì)碳酸巖和含石英礦物的基巖斷層面[6,8]，尚無(wú)對(duì)于其他巖性的基巖斷層面開(kāi)展定年工作報(bào)道，這一定程度上限制了可用于開(kāi)展古地震年代測(cè)定的對(duì)象和范圍。因此，需要針對(duì)斷層面的不同巖性，發(fā)展出相應(yīng)的測(cè)年方法，給予地震事件的年代學(xué)框架。另一方面，需要積極引入新的古地震識(shí)別方法到基巖斷層面研究領(lǐng)域中，以豐富和完善基巖區(qū)古地震研究體系。當(dāng)前，快速發(fā)展的高光譜技術(shù)和基于Structure from Motion（Sf M）技術(shù)的三維圖像處理技術(shù)[11-12]，可能為從基巖斷層面上快速獲取元素分布特征和精細(xì)形貌結(jié)果提供新途徑。

（4）斷層表面的剝蝕作用和出露后所經(jīng)歷的地表過(guò)程，極有可能“抹殺”斷層面上記錄的地震信息，這對(duì)任何一種基巖斷層面古地震的識(shí)別手段都會(huì)造成不利影響。在一些地表過(guò)程活躍區(qū)，地表過(guò)程會(huì)嚴(yán)重干擾斷層面的出露與保存。因此，在開(kāi)展基巖斷層面古地震研究之前，建議采用本文總結(jié)的良好的基巖斷層面研究點(diǎn)具有的6個(gè)特征對(duì)研究點(diǎn)進(jìn)行甄選，從而快速準(zhǔn)確地從研究區(qū)選擇出適合開(kāi)展古地震研究的基巖斷層面工作點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，基巖區(qū)斷層的古地震研究，拓寬了古地震研究的空間范圍和時(shí)間尺度，與松散沉積物區(qū)的探槽技術(shù)結(jié)合，有利于給出斷裂更加完整的古地震序列和活動(dòng)歷史，從而對(duì)區(qū)域地震危險(xiǎn)性給出更為合理的評(píng)價(jià)。在具體的工作中，需要多方法相結(jié)合、多源數(shù)據(jù)相融合，及時(shí)地優(yōu)化已有方法、適時(shí)地引入新技術(shù)，特別要重視對(duì)研究點(diǎn)的甄選，注重?cái)嗔严档恼w性和系統(tǒng)性，推動(dòng)基巖斷層面古地震研究向更大的時(shí)空尺度邁進(jìn)。