三維激光掃描技術(shù)與斷層面形貌量化分析在基巖區(qū)古地震研究中的應(yīng)用1

鄒俊杰 何宏林 耿 爽 石 峰 周永勝 孫 穩(wěn)

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

2）山西太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 太原0300252

引言

在活動(dòng)斷裂研究中，許多地區(qū)處于基巖區(qū)。目前最常用的探槽技術(shù)難以在基巖區(qū)開展斷層的古地震研究工作（McCalpin，2009）。如何識(shí)別基巖區(qū)古地震事件、獲取同震位移量是當(dāng)前活動(dòng)斷裂研究工作中一項(xiàng)極為重要的問題（Goodall 等，2021）?；鶐r斷層面在一次次地震事件作用下會(huì)分段出露，由于暴露時(shí)間的先后差異，會(huì)在斷層表面形成差異性的形貌風(fēng)化條帶（Giaccio 等，2003）。因此，通過開展高精度基巖斷層面形貌的定量分析，識(shí)別斷層表面的形貌風(fēng)化條帶，是解決這一問題的有效方法（Wiatr 等，2015）。三維激光掃描儀是一種高精度形貌掃描測(cè)量?jī)x器，可以快速獲取基巖斷層表面精細(xì)形貌數(shù)據(jù)（Jones 等，2009）?；诜中卫碚摰淖儾詈瘮?shù)法與滑動(dòng)窗口運(yùn)算結(jié)合，可以有效地量化斷層表面的形貌特征（He 等，2016）。將三維激光掃描技術(shù)與斷層面形貌分析方法結(jié)合，可能成為基巖區(qū)開展古地震研究的有效途徑（Zou 等，2021；Giaccio 等，2003）。

通常，一條斷層在空間上會(huì)交替展布于基巖區(qū)和沉積區(qū)。傳統(tǒng)的古地震研究方法主要是通過探槽技術(shù)分析第四紀(jì)沉積物的斷錯(cuò)特征和年代（Sieh，1978，1984；Young 等，2002；Galli 等，2008；Ran 等，2010；王林等，2017），其研究對(duì)象主要是有第四系覆蓋的沉積區(qū)斷層，重點(diǎn)關(guān)注斷錯(cuò)的第四紀(jì)地層，而對(duì)展布于基巖區(qū)的斷層，僅記錄其空間展布和傾角、傾向等幾何特征，沒有充分揭示其所蘊(yùn)含的地震活動(dòng)信息。這在一定程度上限制了活動(dòng)斷裂的研究對(duì)象和空間尺度，導(dǎo)致難以獲取斷裂完整的地震活動(dòng)歷史（Zreda 和Noll，1998；Palumbo 等，2004）。特別是，基巖斷層面是一種能夠長(zhǎng)期保存的活動(dòng)構(gòu)造地貌，其抗侵蝕能力強(qiáng)且不存在沉積間斷等問題，能夠連續(xù)的記錄古地震事件，借助于斷層面形貌定量分析方法，可以快速地獲得較精準(zhǔn)的同震位移量（Zou 等，2020）。現(xiàn)階段，有必要將基于三維激光掃描技術(shù)的斷層面古地震研究與沉積區(qū)探槽結(jié)果結(jié)合，獲取斷裂更加完整的古地震歷史，更好地評(píng)價(jià)斷裂的活動(dòng)特征。前人在-山西地塹系南部的霍山斷裂和羅云山斷裂上，開展了基巖斷層面形貌分析的試驗(yàn)性工作，獲得了斷層面蘊(yùn)含的古地震信息（He 等，2016；Zou 等，2020）。本文選用美國(guó)Trimble 公司生產(chǎn)的三維激光掃描儀，對(duì)位于山西地塹系交城斷裂北段的2 處基巖斷層面開展形貌掃描與定量分析工作，以識(shí)別古地震事件的期次和同震位移量，探索三維激光掃描技術(shù)與斷層面形貌定量分析方法在基巖區(qū)古地震信息提取中的應(yīng)用，豐富基巖斷層面古地震的研究實(shí)例。

1 斷層面形貌定量分析法

三維激光掃描儀，也稱地面光探測(cè)和測(cè)距儀器（陸基LiDAR），是一種高精度表面形貌測(cè)量?jī)x器，作為一種非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，其已在地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)、同震變形的微地貌測(cè)量和震后建筑物破壞形式調(diào)查等方面取得了廣泛應(yīng)用（李峰等，2008；Jones 等，2009）。該儀器的基本原理是，通過發(fā)射激光束至物體表面并接收其返回信號(hào)，測(cè)量掃描儀器中心與被測(cè)物體之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)物體表面幾何形貌的精細(xì)測(cè)量（Wiatr 等，2015）。

本文基于陸基LiDAR 掃描獲取斷層表面形貌的具體方法如下（圖1）：（1）使用型號(hào)為Trimble GX 3-D的陸基LiDAR 對(duì)斷層表面進(jìn)行激光測(cè)量，獲取斷層表面高精度、高分辨率形貌數(shù)據(jù)。相鄰掃描點(diǎn)之間的距離隨掃描儀與斷層面之間的距離變化，最遠(yuǎn)點(diǎn)距掃描儀中心距離控制在15 m 內(nèi)，以保證獲取的斷層面形貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)分辨率達(dá)2 mm。通過對(duì)保存完好、沒有植被和沉積物覆蓋的斷層表面區(qū)域進(jìn)行掃描，可獲得斷層表面的原始三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（2）在掃描點(diǎn)相對(duì)位置不變的情況下，使用Realworks Survey Advanced 6.1 軟件移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)具有三維空間坐標(biāo)（x，y，z）的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將原來傾斜的斷層面點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體平整，變換后形貌數(shù)據(jù)的x軸為斷層面走向，y軸為斷面傾向，z軸為斷層表面起伏方向；（3）使用Surfer 12 軟件，采用最大自然領(lǐng)域法，將已置平但不規(guī)則的點(diǎn)云數(shù)據(jù)插值為單元格大小為2 mm×2 mm 的DEM 數(shù)據(jù)；（4）利用Global Mapper 17 軟件將斷層表面的DEM 數(shù)據(jù)裁剪成規(guī)則的矩形，以開展斷層面形貌的定量分析工作。數(shù)據(jù)采集的更多細(xì)節(jié)，參見前人在山西霍山和羅云山地區(qū)開展的斷層面形貌分析工作（He 等，2016；Zou 等，2020）。

圖1 基巖斷層面高精度形貌的掃描與處理Fig. 1 Scanning and processing of high-precision morphology of bedrock fault surfaces

自然的斷層表面具有自相似或自相仿的形態(tài)特征，可以采用分形方法研究，并量化表達(dá)為分形維數(shù)D（Power 等，1991；Sagy 等，2009）。本研究通過各向同性變差函數(shù)與滑動(dòng)窗口運(yùn)算相結(jié)合，計(jì)算斷層面的分形維數(shù)值D。變差函數(shù)法是處理DEM 高程場(chǎng)的一種十分有效的方法（Chase，1992；Davies 等，1999），其本質(zhì)是描述高程場(chǎng)的平均差異r(t) 隨點(diǎn)距t的變化關(guān)系：

式中，c為常數(shù)。對(duì)于二維面狀分形體，分形維數(shù)D與分形指數(shù)K具有以下關(guān)系（Bi 等，2012）：

式中，分形維數(shù)D代表自然表面的復(fù)雜度（Klinkenberg，1992；Sung 等，2004），理論值在2～3 之間，是反映表面形貌特征的定量化參數(shù)（Mandelbrot，1967；Elliot，1989）。

根據(jù)Sung 等（1998）提出的準(zhǔn)則，選擇尺寸大小為 66 mm×66 mm、130 mm×130 mm 和 258 mm×258 mm 的滑動(dòng)窗口，采用變差函數(shù)法對(duì)基巖斷層表面的分形維數(shù)值進(jìn)行計(jì)算（圖2）。窗口尺寸為W，沿?cái)鄬颖砻婷看位瑒?dòng)W/2，由左至右、由上至下遍歷整個(gè)DEM 數(shù)據(jù)場(chǎng)，獲得分形維數(shù)值在基巖斷層表面的柵格分布圖。為更好地顯示斷層表面形貌沿高度的變化，以行作為單元計(jì)算同一高度上分形維數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，獲得分形維數(shù)值的散點(diǎn)變化圖。最后，采用Student’s t-test 檢驗(yàn)法，對(duì)沿高度方向上的分形維數(shù)值進(jìn)行檢驗(yàn)分段，劃分形貌條帶（Zou 等，2020）。

圖2 基巖斷層面高精度形貌的量化分析Fig. 2 Quantitative analysis of high-precision morphology of bedrock fault surfaces

埋藏于地下的基巖斷層表面主要受構(gòu)造滑動(dòng)控制，具有初始的形態(tài)（Sagy 等，2007）。一旦斷層面在地震事件作用下出露于地表，風(fēng)化作用則成為影響其表面形貌的主要因素。區(qū)域風(fēng)化速率基本一致的情況下，斷層表面的風(fēng)化形貌特征主要與出露時(shí)間相關(guān)（Wiatr 等，2015）。在一次次地震事件作用下，斷層面會(huì)分段出露，先、后出露的斷層表面因經(jīng)歷不同的暴露時(shí)長(zhǎng)而顯示出不同的形貌風(fēng)化特征，從而沿高度方向上斷層表面形貌呈現(xiàn)分段特征（He 等，2016）。這種形貌特征一旦被定量表達(dá)，則可以用于恢復(fù)基巖斷層面的出露過程，識(shí)別古地震期次和同震位移量（圖3；Zou 等，2020）。

圖3 基巖斷層面的出露過程和相應(yīng)的形貌特征Fig. 3 The exposure process of the bedrock fault surface and the corresponding morphological characteristics

2 研究實(shí)例

山西地塹系中部的交城斷裂，位于呂梁山山前，是太原盆地的活動(dòng)邊界斷裂。斷裂北起泥屯鎮(zhèn)向西南延伸至汾陽市，總長(zhǎng)約125 km，整體走向NE-SW，傾向SE，南北端分別被石嶺關(guān)隆起和靈石隆起截止（謝新生等，2008）。根據(jù)其幾何形狀和活動(dòng)性，斷裂分為北、中、南3 段，南段無全新世活動(dòng)證據(jù)。先前的古地震探槽研究揭示了斷裂北段和中段的3 次全新世古地震事件，2 段在發(fā)震時(shí)間上具有同步性（圖4；謝新生等，2008；郭慧等，2012）。其中，斷裂北段多處出露保存完好的基巖斷層面為開展陸基LiDAR 掃描和斷層面定量形貌分析，提供了良好的研究對(duì)象。本研究選擇位于北段的思西村和上蘭鎮(zhèn)2 處基巖斷層面開展研究，2 個(gè)斷層面相距約22 公里，巖性均為灰?guī)r，研究點(diǎn)附近均沒有分支斷層，保證了記錄的古地震事件的完整性和同震位移量的準(zhǔn)確性。

圖4 目標(biāo)斷裂與研究點(diǎn)的位置和基本信息Fig. 4 Location and basic information of the aimed fault and study points

2.1 交城斷裂—思西村

思西村基巖斷層整體走向NNE-SSW，地表延伸數(shù)百米，斷層面傾向SEE，傾角60°。選擇的斷層面掃描區(qū)域遠(yuǎn)離建筑物等人為活動(dòng)痕跡，并與山麓發(fā)育的小溝壑保持有一定距離（圖5（a））。野外調(diào)查顯示基巖斷層面呈現(xiàn)出3 個(gè)明顯的風(fēng)化條帶：（1）斷層面下部（風(fēng)化條帶3），基巖斷層面相對(duì)完整，表面可觀察到微小裂隙；（2）斷層面中部（風(fēng)化條帶2），基巖斷層面開始呈塊狀，表面伴有侵蝕坑和較大的裂縫；（3）斷層面上部（風(fēng)化條帶1），基巖斷層面被茂密的植被覆蓋，表面嚴(yán)重破碎（圖5（b））。在整個(gè)斷層面上，均可觀察到細(xì)小地衣殘?bào)w的不均勻分布特征，未觀察到碳酸巖層理。使用陸基LiDAR 掃描獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并按前文所述流程處理生成2 mm×2 mm 的DEM 數(shù)據(jù)（圖5（c）），開展進(jìn)一步的量化分析。

圖5 思西村調(diào)查點(diǎn)Fig. 5 Sixi village study site

采用變差函數(shù)法結(jié)合滑動(dòng)窗口操作，對(duì)思西村基巖斷層面的高精度形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化分析。定量化形貌分形結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的3 分段特性，且66 mm×66 mm、130 mm×130 mm 和 258 mm×258 mm 3 個(gè)滑動(dòng)窗口尺寸下的分形結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性。沿著斷層面高度方向上，在2.3～2.8 m 和4.7～5 m 處，斷層面分形維數(shù)存在2 個(gè)緩變區(qū)間，這2 個(gè)緩變區(qū)間將斷層表面形貌分成3 段。段1 位于斷層面上部，分段高度H上= 2.0 m，分形維數(shù)D上=2.321 8±0.048 5（66 mm）、D上=2.297 9±0.045 8（130 mm）、D上=2.284 2±0.033 9（258 mm）。段2 位于斷層面中部，分段高度H中= 1.9 m，分形維數(shù)D中=2.411 8±0.331（66 mm）、D中=2.387 6±0.026 2（130 mm）、D中=2.377 1±0.036 1（258 mm）。段3 位于斷層面下部，分段高度H下= 2.3 m，分形維數(shù)D下=2.430 3±0.050 6（66 mm）、D下=2.410 7±0.050 0（130 mm）、D下=2.388 9±0.044 1（258 mm）（圖6（a）、表1）。

表1 思西村基巖斷層面的分形維數(shù)與分段高度Table 1 Characteristic fractal value （D）and heights of morphological segments on Sixi village bedrock fault surface

圖6 思西村基巖斷層面形貌的定量分析和古地震事件識(shí)別結(jié)果Fig. 6 Quantitative morphology analysis and paleo-earthquake identification results for Sixi village bedrock fault surface

基巖斷層面的分段形貌特征指示了斷層面在周期性地震事件作用下分帶出露的過程。先出露的斷層面和后出露的斷層面，經(jīng)歷不同的風(fēng)化時(shí)間會(huì)形成形貌差異條帶。因此，可以根據(jù)形貌分段的數(shù)量和高度，識(shí)別古地震事件的期次和同震位移量。據(jù)此，思西村基巖斷層面的3 個(gè)形貌分段（H上、H中和H下）可能指示了3次古地震事件（E1、E2 和 E3），同震傾滑位移量分別為 2.0 m、1.9 m 和 2.3 m，根據(jù)實(shí)測(cè)的斷層面傾角60°，垂直同震滑動(dòng)位移量分別為1.74 m、1.65 m 和1.99 m。斷層破裂長(zhǎng)度L和同震位移D0是估計(jì)古地震震級(jí)的常用參數(shù)（McCalpin，2009）。然而，準(zhǔn)確的古地震地表破裂長(zhǎng)度通常不易獲得，同震位移量不僅反映了地震能量的釋放，而且與地震的震級(jí)呈正相關(guān)（Wells 等，1994）。本研究中通過基巖斷層的形貌分析獲得的同震位移量可用于估計(jì)震級(jí)。根據(jù)劉靜等（1996）提出的華北正斷層震級(jí)M和位移D0之間的經(jīng)驗(yàn)公式，估算3 次古地震事件的震級(jí)分別為MS7.5、MS7.5 和MS7.6（圖6（b））。探槽研究工作揭示的斷裂北段和中段（總長(zhǎng)105 km）全新世以來具有同步地震破裂性，使用華北正斷層的震級(jí)M和位移D0、長(zhǎng)度L之間的經(jīng)驗(yàn)公式（劉靜等，1996），估算得3 次古地震事件的震級(jí)分別為MS7.8、MS7.8 和MS7.9。

2.2 交城斷裂—上蘭鎮(zhèn)

上蘭鎮(zhèn)基巖斷層位于交城斷裂北段的中部，斷層坎高約10 m，傾向SE，傾角70°。基巖斷層坎7.5 m 以上部分逐漸后退，7.5 m 以下保存完好且可以進(jìn)行掃描用于古地震事件分析（圖7（a））。上蘭鎮(zhèn)調(diào)查點(diǎn)遠(yuǎn)離河流和洪積扇等地貌，因此斷層坎底部沒有相關(guān)的侵蝕破壞或沉積掩埋，確保了斷層面的完整性。選擇形貌掃描區(qū)域時(shí)，避開受人為活動(dòng)影響（如植被）的基巖斷面，以保證采集的形貌數(shù)據(jù)的可用性。由于風(fēng)化程度和暴露時(shí)間不同的影響，在斷層面不同高度處觀察到3 個(gè)明顯的形貌特征（圖7（b））：（1）斷層面下部（風(fēng)化條帶3）相對(duì)完整，表面可觀察到小的張性裂縫和擦痕；（2）斷層面中部（風(fēng)化條帶2）表面形貌開始變得粗糙，可見凹坑；（3）斷層面上部（風(fēng)化條帶1）呈現(xiàn)出被風(fēng)化碎屑覆蓋的特征。同思西村一樣，使用 陸基LiDAR 掃描保存完好的區(qū)域并獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過插值得到單元大小為2 mm×2 mm 的DEM 數(shù)據(jù)（圖7（c））。值得注意的是，在上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面未發(fā)現(xiàn)地衣殘?bào)w和碳酸巖層理，斷面底部觀測(cè)到擦痕（圖7（d）），擦痕方向近垂直，指示了斷層面受構(gòu)造活動(dòng)出露、具有正斷運(yùn)動(dòng)的特征。在斷層表面觀測(cè)到局部存在張性裂隙，這可能會(huì)對(duì)斷層面形貌的量化分析造成一定影響，但由于是局部現(xiàn)象，可通過對(duì)同一高度方向上分形維數(shù)取擬合均值的方法進(jìn)行消除。

圖7 上蘭鎮(zhèn)調(diào)查點(diǎn)Fig. 7 Shanglanzhen study site

采用變差函數(shù)法結(jié)合滑動(dòng)窗口操作，對(duì)上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面的高精度形貌數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化分析。上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面形貌在3 種滑動(dòng)窗口尺寸下同樣呈現(xiàn)出3 分段特征。沿?cái)鄬用娓叨确较蛏希?～3 m 和5.5～6.1 m處，斷層面分形維數(shù)存在2 兩個(gè)緩變區(qū)間，這2 兩個(gè)緩變區(qū)間將斷層表面形貌分成3 段。段1 位于斷層面上部，分段高度H上= 1.4 m，分形維數(shù)D上=2.236 1±0.041 9（66 mm）、D上=2.212 2±0.045 8（130 mm）、D上=2.168 5±0.017 4（258 mm）。段2 位于斷層面中部，分段高度H中= 2.5m，分形維數(shù)D中=2.533 1±0.815（66 mm）、D中=2.520 4±0.065 3（130 mm）、D中=2.502 5±0.050 2（258 mm）。段3 位于斷層面下部，分段高度H下= 2.0 m，分形維數(shù)D下=2.710 5±0.026 6（66 mm）、D下=2.681 0±0.044 1（130 mm）、D下=2.659 6±0.016 5（258 mm）（圖8（a）、表2）。值得注意的是，在張裂隙發(fā)育的地方，斷層表面的分形維數(shù)值會(huì)呈現(xiàn)出低值情況，造成分形維數(shù)的波動(dòng)，但是這種微小的波動(dòng)不構(gòu)成獨(dú)立的形貌分段，對(duì)形貌分段結(jié)果沒有實(shí)質(zhì)影響，僅反映了斷層面的局部形貌特征。

圖8 上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面形貌定量分析和古地震事件識(shí)別結(jié)果Fig. 8 Quantitative morphology and paleo-earthquake identification results of Shanglanzhen bedrock fault surface

表2 上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面的分形維數(shù)和分段高度Table 2 Characteristic fractal value （D） and heights of morphological segments on Shanglanzhen bedrock fault surface

上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面的分段形貌特征指示了斷層面的分帶出露過程，這種分帶出露過程與周期性的地震事件有關(guān)。因此，可以根據(jù)形貌分段的數(shù)量和高度來識(shí)別古地震事件的期次和同震位移量。據(jù)此，上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面的3 個(gè)形貌分段（H上、H中和H下）可能指示了3 次古地震事件（E1、E2 和 E3），同震傾滑位移量分別為 1.4 m、2.5 m 和 2.0 m，根據(jù)實(shí)測(cè)的斷層面傾角70°，垂直同震滑動(dòng)位移量分別為1.32 m、2.35 m 和1.88 m。根據(jù)華北正斷層的震級(jí)M和同震位移D0之間的經(jīng)驗(yàn)公式（劉靜等，1996），估算3 次古地震事件的震級(jí)分別為MS7.4、MS7.6 和MS7.5。在上蘭鎮(zhèn)基巖斷層剖面中，7.5 m 處存在明顯的坡折，在此高度以上斷層面開始后退，這可能指示了較早的地震事件，但是由于時(shí)間久遠(yuǎn)難以通過形貌學(xué)方法識(shí)別（圖8（b））。根據(jù)本研究獲得的3 次古地震事件的同震位移量D0，結(jié)合交城斷裂北、中段的斷裂長(zhǎng)度，使用華北正斷層的震級(jí)M和位移D0、長(zhǎng)度L之間的經(jīng)驗(yàn)公式（劉靜等，1996），估算得3 次古地震事件的震級(jí)分別在MS7.7、MS7.9 和MS7.8。

上蘭鎮(zhèn)和思西村基巖斷層面的形貌分形結(jié)果在分段性上是一致的，均呈現(xiàn)出3 分段特征，且分段特征均通過了統(tǒng)計(jì)學(xué)方法Student’s t-test 的檢驗(yàn)（圖9）。根據(jù)形貌分段結(jié)果，思西村基巖斷層面形貌特征揭示出由老到新的3 次古地震事件，同震傾滑位移量依次為2.0 m、1.9 m 和2.3 m；上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面揭示出由老到新的3 次古地震事件，同震傾滑位移量依次為1.4 m、2.5 m 和2.0 m。但二者形貌特征在細(xì)節(jié)上存在一定的差異（圖8），主要表現(xiàn)為以下2 點(diǎn)：一是在相鄰2 個(gè)形貌分段的過渡帶寬度上，思西村斷層面過渡帶較窄，而上蘭鎮(zhèn)斷層面過渡帶較寬，這可能指示了相較于思西村斷層面，上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面在間震期受弱水動(dòng)力條件的影響程度更強(qiáng)；二是在分段內(nèi)的分形維數(shù)集中度上，思西村斷層面較上蘭鎮(zhèn)斷層面更加離散，顯示出段內(nèi)形貌的不均一性，這可能與前文所述的思西村斷層面上存在隨機(jī)分布的碳化地衣殘?bào)w有關(guān)。

圖9 思西村和上蘭鎮(zhèn)調(diào)查點(diǎn)的Student’s t-test 分段檢驗(yàn)結(jié)果Fig. 9 Morphology segmentation results of Sixi village and Shanglanzhen survey points based on Student's t-test method

謝新生等（2008）通過對(duì)4 個(gè)探槽的研究確定了交城斷裂北段和中段經(jīng)歷了3 次全新世的古地震事件，相應(yīng)的地震事件年齡為～8.36 ka、5.32～6.1 ka 和3.06～3.53 ka。郭慧等（2012）通過對(duì)3 個(gè)探槽的研究得出了類似結(jié)論，揭示了交城斷裂北段和中段3 次全新世的古地震事件，確定地震事件的年齡分別為8.53～8.56 ka、～5.91 ka、3.06～3.74 ka。因此，交城斷裂北、中段的全新世地震活動(dòng)在期次和年代范圍方面得到了較好確定，根據(jù)毛鳳英等（1995）提出的事件窗口分析法，將3 次古地震事件的年齡分別限定為8.36～8.56 ka、5.32～6.14 ka 和3.06～3.74 ka（圖10）。

圖10 交城斷裂簡(jiǎn)圖與全新世以來古地震信息Fig. 10 Schematic map and paleoearthquake information of the JCF since the Holocene

本研究通過基巖斷層面的定量形貌分析，揭示了3 次古地震事件及對(duì)應(yīng)的同震位移量。從地震事件的數(shù)量（3 次）和地震強(qiáng)度（M＞7.5 的破裂型地震）來看，本研究與已有的探槽古地震研究具有較好的一致性。2 個(gè)基巖斷層露頭附近（2 km 以內(nèi)）都有前人開挖的探槽，且2 個(gè)基巖斷層點(diǎn)與開挖的探槽位于同一斷層段上，附近沒有分支斷層跡象。基于上述分析，本研究揭示的3 次古地震可能指示了全新世的3 次古地震事件，但更為直接的證據(jù)需要通過絕對(duì)定年手段（如宇宙成因核素36Cl 暴露測(cè)年法）予以進(jìn)一步確認(rèn)。

將本研究結(jié)果與已有研究相結(jié)合，可以獲取更為完整的交城斷裂古地震信息，有助于更為合理的區(qū)域地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。考慮到交城斷裂北段和中段，全新世以來發(fā)生了復(fù)發(fā)間隔在～2.6 kyr 的3 次破裂型地震事件，具有超過3 kyr 的離逝時(shí)間，能夠產(chǎn)生＞2 m 的同震位移，具備震級(jí)M＞7.5 的發(fā)震能力，應(yīng)對(duì)交城斷裂的北、中段活動(dòng)性和周邊地區(qū)的地震危險(xiǎn)性予以密切關(guān)注。

3 結(jié)論與討論

陸基LiDAR 掃描與高精度斷層面形貌定量分析方法，為基巖區(qū)開展古地震研究工作提供了新思路。以山西地塹系交城斷裂北段的2 處基巖斷層面為研究實(shí)例，開展了斷層面形貌學(xué)定量分析。結(jié)果表明，2 處基巖斷層面形貌在高度上均具有分段特征，指示了斷層面在地震事件作用下分帶出露的過程。通過識(shí)別斷層表面形貌分段和分段個(gè)數(shù)來確定古地震事件和相應(yīng)的同震位移量，在思西村基巖斷層面識(shí)別出由老到新的3 次古地震事件，同震傾滑位移量依次為2.0 m、1.9 m 和2.3 m，在上蘭鎮(zhèn)基巖斷層面識(shí)別出由老到新的3 次古地震事件，同震傾滑位移量依次為1.4 m、2.5 m 和2.0 m?；鶐r斷層面形貌學(xué)結(jié)果結(jié)合已有探槽研究顯示，交城斷裂北、中段能夠產(chǎn)生同震位移量＞2 m、震級(jí)M＞7.5 的破裂型地震，對(duì)交城斷裂北、中段的地震活動(dòng)性和周邊地區(qū)的地震危險(xiǎn)性應(yīng)當(dāng)予以密切關(guān)注。

研究表明，定量的形貌學(xué)分析方法應(yīng)用于基巖斷層面，可以準(zhǔn)確、高效地識(shí)別古地震事件次數(shù)和同震位移量，擴(kuò)展古地震研究對(duì)象，拓寬古地震研究空間。值得關(guān)注的是，運(yùn)用基巖斷層面形貌學(xué)方法開展基巖區(qū)活動(dòng)斷裂研究，需要完整地獲取斷層表面的精細(xì)形貌特征，因此對(duì)于斷層表面的完整性要求較高。為此，選址時(shí)需要通過野外調(diào)查，保證研究點(diǎn)遠(yuǎn)離溝谷侵蝕域，避開斷層坎頂部的破碎帶和剝蝕坡，選擇基巖斷層下部完整的部分進(jìn)行研究。同時(shí)，需要注意所選斷層面的自然屬性，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)干擾。并不是每個(gè)沿?cái)鄬幼呦虻幕鶐r面露頭點(diǎn)都適合開展斷層面形貌分析工作，因此，本研究方法只能獲得典型點(diǎn)位的同震位移測(cè)量，難以獲取沿?cái)嗔炎呦蛏系幕顒?dòng)性變化信息。

本研究通過斷層擦痕等構(gòu)造形跡觀測(cè)和斷錯(cuò)地貌特征分析，論證了基巖斷層面的構(gòu)造屬性，基于高精度形貌量化分析技術(shù)識(shí)別了斷層面的地震活動(dòng)歷史。需要注意的是，這一研究?jī)H對(duì)斷層表面的形貌特征進(jìn)行了靜態(tài)分段，其研究基礎(chǔ)在于形貌分段之間暴露時(shí)間的差異。氣候變化會(huì)造成基巖斷層表面的風(fēng)化速率改變，進(jìn)而對(duì)斷層表面形貌的變化快慢產(chǎn)生影響。因此，未來的工作中，有必要考慮山西地區(qū)全新世以來的風(fēng)化速率這一變化量，開展斷層面形貌隨暴露時(shí)間和風(fēng)化速率動(dòng)態(tài)演化過程的研究。此外，沒有對(duì)基巖斷層面露頭開展絕對(duì)定年工作，缺乏地震事件的年代框架也是本研究的局限。今后的研究中，應(yīng)適時(shí)地開展36Cl 等宇宙成因核素測(cè)年以獲得絕對(duì)年齡，限定地震事件的發(fā)震年代，以更好地與沉積區(qū)探槽古地震的研究成果綜合對(duì)比。這是將來的研究中需要著力解決的問題，也是我們未來工作的重點(diǎn)。

致謝 感謝審稿專家和期刊編輯的寶貴修改意見！