山西浮山斷裂的晚第四紀活動與位移速率

閆小兵 周永勝 李自紅 扈桂讓 任瑞國 郝雪景

1)山西省地震局， 太原 030002 2)中國地震局地質(zhì)研究所， 地震動力學國家重點實驗室， 北京 100029

0 引言

圖 1 浮山斷裂展布Fig. 1 Distribution of the Fushan Fault.a 鄂爾多斯周緣的斷裂展布， 黑色方框是浮山斷裂的位置； b 浮山斷裂地質(zhì)圖(A點為前交村斷裂的位置； B點為基巖斷層面形貌識別的位置)

目前， 評價浮山斷裂活動性主要依據(jù)該斷裂的地震活動記錄， 而不完整的地震活動記錄(包括歷史記載和現(xiàn)代儀器記錄)將導致對活動斷裂地震危險性的低估(鄧起東等， 2008)。野外調(diào)查顯示， 浮山斷裂既展布于第四系覆蓋的沉積區(qū)， 也同時展布于基巖區(qū)。為客觀評價浮山斷裂地震危險性， 本研究針對浮山斷裂晚第四紀活動和位移滑動速率開展定量研究， 在沉積覆蓋區(qū)(圖 1，A點)開挖第四系斷裂剖面， 通過測年結果分析浮山斷裂的最新活動時代并揭示斷裂晚更新世以來的活動情況和位移速率等參數(shù)?；跀嗔哑拭婀诺卣鹱R別技術能夠準確地獲得斷裂晚第四紀以來的活動期次和運動特征， 該方法已經(jīng)成為沉積區(qū)斷層的運動特征定量研究的主要手段。

為驗證浮山斷裂晚第四紀以來的活動， 在浮山斷裂喬家坡基巖覆蓋區(qū)， 利用t-LiDAR獲取浮山斷裂基巖斷層面的高精度形貌數(shù)據(jù)， 提取其蘊含的地層錯斷信息(圖 1，B點)。斷層崖面記錄了豐富的地層錯斷信息， 其形貌特征與出露時間相關， 出露地表后受風化作用影響會出現(xiàn)形貌差異， 通過識別基巖斷層面的形貌差異條帶可以確定地層錯斷次數(shù)和每次錯斷的抬升量(Stewart， 1996； 何宏林等， 2015)。最后， 根據(jù)浮山斷裂研究成果， 對1209年浮山地震的發(fā)震構造進行探討。

1 前交村斷裂剖面揭示的斷層活動及位移速率

前交村位于浮山縣城東北約2km處， 在該研究點處浮山斷裂從第四系沉積物中通過。本研究采用小型無人機航測技術對該目標區(qū)開展了航拍， 獲取了高精度地形地貌數(shù)據(jù)DEM(圖2a)和高分辨率的正射影像(圖2b)， 經(jīng)室內(nèi)解譯發(fā)現(xiàn)浮山斷裂位置明確、 斷錯地貌清晰、 延續(xù)性好且無分支斷層。

圖 2 前交村一帶的DEM和正射影像及前交村的斷裂位置Fig. 2 DEM and orthophoto and location of the Fushan Fault at Qianjiao village.

1.1 揭示的地層信息

基于DEM數(shù)據(jù)和航測影像分析結合野外地質(zhì)調(diào)查， 選擇圖 2 中探槽處的斷層面進行開挖和清理(圖 3)。依據(jù)斷層剖面揭露的不同標志性地層的位移量差、 崩積楔等正斷層活動的標志， 識別地層的錯斷期次和錯斷位移量， 并在多套標志性地層內(nèi)采集了測年樣品以限定斷層的活動時間。

圖 3 前交村斷裂剖面圖Fig. 3 Fault profile in Qianjiao village.①—⑤為地層單元編號； a、 b為崩積地層單元； 五角星為采集年代樣品的位置， QJC-01、 QJC-02為樣品編號； 雙箭頭黑粗線、 點虛線及旁邊的數(shù)字表示斷層兩側地層單元或地貌面的位錯量

前交村斷裂剖面共出露 5 套地層和1套崩積楔(圖 3)， 由頂至底地層描述如下：

①淺黃色粉土， 為洪坡積相沉積， 土質(zhì)松散， 層理明顯， 局部夾小碎石團塊。

②雜色卵石、 礫石層， 河流相沉積， 分層明顯， 局部為粉細砂， 最大粒徑為22cm。

③黃色粉質(zhì)黏土， 沖洪積相沉積， 局部含粉細砂。

④雜色卵石層， 密實， 含粉質(zhì)黏土， 分層不明顯， 局部夾礫石小團塊。

⑤褐黃色—褐紅色粉土， 密實， 分層不明顯。

崩積層a、 b， 礫石、 粉土混雜堆積， 略有成層性。

1.2 揭示的斷裂活動信息

前交村斷裂剖面共揭示1條主斷層， 斷層錯斷剖面內(nèi)所有地層， 根據(jù)斷層兩側相同層位不同的斷錯量， 分析得到浮山斷裂在前交村斷裂剖面的地層錯斷信息如下：

(1)本剖面揭示出的最老地層為堆積地層⑤； 在地層⑤沉積之后， 接著堆積地層④；

(2)隨后堆積地層③和地層②， 之后發(fā)生1期斷裂活動， 將地層②—⑤錯斷， 堆積崩積層b； 在層b中可識別粗、 細二元結構；

(3)最新堆積地層①覆蓋了上次斷錯的所有地層。在堆積到一定厚度之后， 發(fā)生最新一期地層斷錯事件， 將包括地層①在內(nèi)的所有地層全部錯斷并形成崩積層a。層a因人工和自然改造而局部出露， 不能識別堆積結構和期次。

1.3 錯斷事件及位移速率

前交村斷裂剖面顯示： 浮山斷裂在距今17～7ka期間的平均位移速率為0.2mm/a， 距今7ka以來的平均位移速率為0.56mm/a， 平均位移速率有增大的趨勢。按照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)(中華人民共和國建設部， 2009)第5.8.3條， 浮山斷裂平均活動速率介于1mm/a和0.1mm/a之間， 屬于中等全新世活動斷裂， 未來發(fā)生MS6 ～7地震的概率非常高， 其危險性值得關注。

2 喬家坡基巖斷層面形貌特征揭示的斷裂活動

任何一個出露于地表的斷層面的形貌都是由以斷層活動為代表的內(nèi)營力和以侵蝕風化作用為代表的外營力共同作用的結果(何宏林等， 2015)。構造活動使斷層面的形貌特征在內(nèi)營力的作用下具有明顯的各向異性特征， 平行和垂直滑動方向的斷層面的復雜度和粗糙度存在顯著差異(Sagyetal.， 2007)。風化-侵蝕活動使斷層面的形貌特征趨近于各向同性。一個出露完整的基巖斷裂面是蘊含構造運動信息和風化-侵蝕信息的集合體。

目前研究基巖斷層面形貌特征的方法主要有2大類， 即基于剖面線的一維分析法(Poweretal.， 1988， 1991； Renardetal.， 2006； Candelaetal.， 2009)和基于滑動窗口技術的二維分析法。一維分析法具有明顯的方向性， 與所拉取的剖面線的方向相關， 會隨著剖面線位置的改變而改變， 常用于探索斷層面形貌與破裂過程的相關性(Poweretal.， 1987； Daviesetal.， 1999)。對于出露時間較久、 經(jīng)受侵蝕風化作用較強的斷層面， 若要量化斷層表面的侵蝕風化程度在傾向上的變化， 進而得到斷層面的出露時間、 揭露斷層面的出露方式， 并通過斷層突然錯動形成的非連續(xù)形貌特征識別古地震事件， 則需要采用不依賴于方向性的二維分形分析方法。

2.1 基巖斷層面形貌數(shù)據(jù)采集

在浮山斷裂沿線發(fā)育大小不一、 規(guī)模各異的基巖斷層面。經(jīng)實地調(diào)查確定， 喬家坡村東200m處(圖1b，B點)的三疊系灰?guī)r斷層面出露較好， 規(guī)模最大， 保存相對完整， 且遠離人為活動的痕跡(如水壩和建筑物)和強烈的流水侵蝕作用。本研究以該基巖斷層面為實驗場所， 開展基巖斷層面高精度形貌數(shù)據(jù)的采集和分析工作， 以提取浮山斷裂在基巖區(qū)的晚第四紀活動信息。

本次野外形貌測量使用的儀器為陸基LiDAR(三維激光掃描儀Trimble GX)， 以測站為基點使用Trimble GX進行高精度掃描(圖4a)， 掃描點間距控制在2mm左右， 精度控制在1.5mm左右。在室內(nèi)對采集到的斷層面的點云數(shù)據(jù)進行空間變換、 剔除噪點和柵格化處理， 最終獲得DEM數(shù)據(jù)集， DEM單元格的大小為2mm×2mm。 圖4b 為基巖斷層面形貌的DEM陰影圖和渲染圖。

圖 4 a 浮山斷裂喬家坡基巖斷層面露頭； b 基于三維掃描點云數(shù)據(jù)的斷層面形貌陰影圖和渲染圖Fig. 4 Fault outcrops(a)and their shadow morphology and rendered morphology derived from 3D scanned point clouds(b).a 斷層面位置對應于圖1中的調(diào)查點B； b 斷層面形貌圖分別對應于a中紅框所示的掃描區(qū)域

2.2 基巖斷層面分形參數(shù)計算

本次浮山斷裂基巖斷層面形貌研究和古地震信息提取所用的變差函數(shù)法是實現(xiàn)表面分維值求解最可靠、 最準確的方法(艾南山等， 1993； Klinkenbergetal.， 2010)， 其核心思想是計算起伏DEM高程場Z(x，y)的平均差異(高程差的均方值)隨點對間距的變化(Klinkenberg， 1992； Xuetal.， 1993； Sungetal.， 2004)。本次研究通過“滑動窗口”技術全面反映分形對象表面形態(tài)單元的細節(jié)特征： 選取邊長分別為32、 64、 128個DEM單元格的3種滑動窗口， DEM的單元格邊長為2mm， 故滑動窗口的幾何尺寸分別為64mm×64mm、 128mm×128mm、 256mm×256mm。

依照上述方法計算得到了64mm×64mm、 128mm×128mm、 256mm×256mm 3個窗口尺度的基巖斷層面分維值的平面分布和沿斷層滑動方向上同一水平條帶的正態(tài)擬合均值分布(圖 5)。彩色渲染圖顯示3組分維值的平面分布沒有明顯的分帶性， 而傾向上不同窗口尺寸的正態(tài)擬合均值分布的散點圖均顯示出在滑動方向上具有明顯的階梯式分布特征。以每個分帶的平均分維值作為描述其形貌特征的量化指標， 將其稱之為特征分維值。表1 給出了喬家坡基巖斷層面各風化分帶的高度以及不同窗口尺度下的特征分維值。

圖 5 斷層面形貌的二維分維值Fig. 5 2D fractal dimensions of fault surface morphology.彩色渲染圖(左)為斷層面二維分維值的平面分布， 散點圖(右)表示二維分維值沿斷層面走向上的正態(tài)擬合均值。每個散點表示沿斷層走向的一組分維值的均值， 雙向誤差棒表示估計值的95%置信區(qū)間， 紅色實線表示斷層面1個分帶內(nèi)二維分 維值的最佳正態(tài)擬合值

表 1 浮山斷裂基巖斷層面分帶的特征分維值和分帶高度Table1 Characteristic fractal dimensions and heights of weathered bands on Fushan bedrock fault surface

2.3 基巖斷層面分形結果與解釋

浮山斷裂喬家坡基巖斷層面的分維值由底到頂呈現(xiàn)出階躍式分段特征， 其中256mm×256mm窗口尺度下的分段特征最為明顯， 反映了窗口大小的選擇對于分段特征有明顯的影響。以階躍點(2.6m處)為界可以將斷層面分為上、 下2個水平條帶。下段的分帶高度H下=2.51m， 特征分維值D下=2.4428±0.0363； 上段的分帶高度H上=3.18m， 特征分維值D上=2.3489±0.0481?；鶐r斷層面二維分維值在垂直方向的變化特征顯示出斷層表面具有明顯的條帶性風化特征， 分維值特征所反映出的形貌條帶的數(shù)目揭示了2期地層錯斷事件， 其中最近一期錯斷事件的地層錯斷量為2.51m?？紤]到上段形貌掃描可能存在不完整性， 較早一期錯斷事件的地層錯斷量應不低于3.18m。

3 討論

3.1 基巖斷層面分形法在古地震期次研究中的應用

喬家坡基巖斷層面研究揭示了浮山斷裂晚更新世以來最新的2期地層錯斷事件， 前交村第四系斷裂面研究同樣也揭示了浮山斷裂晚更新世以來最新的2期地層錯斷事件。

喬家坡基巖斷層面揭示的2期地層錯斷事件的地層錯斷量由新到老分別為2.51m和3.18m。前交村第四系斷裂剖面揭示的2期地層錯斷事件的地層錯斷量由新到老分別為3.93m和2.04m。通過2種方法得到的地層錯斷量存在差別， 主要是由于受到地表風化、 剝蝕和人類活動的影響， 另外同一期地震事件在不同研究點處呈現(xiàn)出不同的同震位移量， 符合正斷層沿走向位錯量不同的特征。

3.2 1209年浮山地震與浮山斷裂關系探討

據(jù)史料記載： “衛(wèi)紹王大安元年(公元1209年)， 十一月丙申、 平陽地震、 有聲自西北來、 戊戌夜又震， 自此時復震動。浮山縣尤劇， 城廨民居倒塌者十七八、 死者凡兩三千人。”該記載顯示在該次地震中浮山縣城的破壞是最嚴重的。

此外， 浮山縣城附近能發(fā)生6.5及以上地震的發(fā)震構造主要有霍山山前斷裂、 郭家莊斷裂、 羅云山斷裂和浮山斷裂。如果1209年地震發(fā)震構造為霍山山前斷裂， 則破壞最嚴重的應為臨汾市洪洞縣， 如果該地震的發(fā)震構造為郭家莊斷裂、 羅云山斷裂， 則破壞最重的應為臨汾市堯都區(qū)。綜合分析， 1209年浮山地震的發(fā)震構造為浮山斷裂的可能性最大。但由于缺少年代下限且僅有的上限年代與歷史地震時間相距甚遠， 需要對斷層開展更為詳細的調(diào)查研究， 以確定是否存在年代更新、 震級相當?shù)墓诺卣鹗录?/p>

4 結論

(1)基巖斷層面分形法是地層錯斷期次研究的有效方法， 對于基巖覆蓋區(qū)正斷層的地層錯斷序列尤為適用。

(2)浮山斷裂為全新世活動斷裂， 具備發(fā)生7級地震的能力， 晚更新世(距今17ka)以來的平均位移速率約為0.34mm/a。從老到新， 第1期事件發(fā)生于距今17～7ka， 造成了2.04m的地層錯斷量， 平均位移速率為0.2mm/a； 第2期事件發(fā)生于距今7ka以來， 造成了3.93m的地層錯斷量， 平均位移速率為0.56mm/a， 晚更新世以來位移速率有增大的趨勢， 其未來地震危險性值得關注。

(3)綜合分析1209年浮山地震的發(fā)震構造為浮山斷裂的可能性最大。但由于缺少年代下限且僅有的年代上限與歷史地震時間相距甚遠， 需要對斷層開展更為詳細的調(diào)查研究， 以確定是否存在年代更新、 震級相當?shù)墓诺卣鹗录?/p>

致謝審稿專家在成文過程中提出了寶貴意見； 本研究野外工作中得到了臨汾市地震局工作人員的幫助； 研究工作得到了中國地震局地質(zhì)研究所相關專家的指導。在此一并表示感謝！