盧海龍,胡小猛,吳潔利,吳 冰
(上海師范大學(xué)旅游學(xué)院地理系,上海 200234)
活動(dòng)斷層是指距今10萬(wàn)年以來(lái)活動(dòng)過(guò),現(xiàn)今正在活動(dòng),并在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)仍有可能活動(dòng)的斷層[1]。活斷層研究對(duì)大型工程建設(shè)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、認(rèn)識(shí)地震規(guī)律、防治地質(zhì)災(zāi)害等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有重大意義。由于科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,對(duì)活斷層活動(dòng)規(guī)律的研究一直為研究者所關(guān)注[2-6]。活斷層研究中重點(diǎn)要搞清楚活斷層的分布、活動(dòng)方式、活動(dòng)幅度和活動(dòng)周期等。對(duì)于活斷層的運(yùn)動(dòng)特征和規(guī)律,目前學(xué)術(shù)界從不同的側(cè)面對(duì)其展開(kāi)了研究,所采用的研究方法有:歷史文獻(xiàn)法、野外實(shí)測(cè)法、遙感地質(zhì)法、年代學(xué)法、探槽方法、古地磁法、考古學(xué)法、地球物理法、地貌沉積學(xué)法等[7-8],其中地貌沉積學(xué)方法的應(yīng)用效果非常顯著[9]。
活斷層的運(yùn)動(dòng)有垂直方向的運(yùn)動(dòng)、水平方向的運(yùn)動(dòng)和垂直-水平向的組合性運(yùn)動(dòng),它們?cè)诘孛渤练e上所留下的遺跡各不相同。本文在查閱分析大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)地貌沉積學(xué)方法在活斷層研究中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,以期為未來(lái)的研究工作提供一個(gè)研究思路的啟發(fā)。
斷層崖的地貌法研究是活斷層研究的有效方法之一。20世紀(jì)60年代初Culling提出了侵蝕作用的解析模式[10]。70年代末 Wallace將坡面演化理論與模型引入到斷層崖的研究中來(lái),并指出斷層崖的年齡與坡面形態(tài)有關(guān),可用斷層崖坡面的變化來(lái)確定其相對(duì)年齡[11]。Bucknam提出了斷層崖坡角與年齡的公式:θ=-8.51gT 十52.5(θ為斷層崖坡角,T為斷層崖年齡)[12]。后來(lái)Nash用擴(kuò)散方程法得到了斷層崖的絕對(duì)年齡[13]。

圖1 斷層崖剖面演化示意圖Fig.1 Schematic evolution of fault scarp profile.
根據(jù)斷層崖的形態(tài)演化我們可以推斷斷層活動(dòng)形成斷層崖的年代。圖1(a)顯示,斷層垂直活動(dòng)形成斷層崖,產(chǎn)生崖面S1及斜坡轉(zhuǎn)折點(diǎn)C1,其中崖面傾角為斷層面傾角θ;之后由于風(fēng)化及水流片狀侵蝕,崖面和轉(zhuǎn)折點(diǎn)后退,崖面傾角變小為θ1,同時(shí)在坡腳處可能堆積一期松散碎屑物。如斷層再次發(fā)生活動(dòng)就又會(huì)產(chǎn)生新的斷層崖S2及斜坡轉(zhuǎn)折點(diǎn)C2(圖1(b))。在風(fēng)化及片狀水流不斷作用下新斷層崖S2及斜坡轉(zhuǎn)折點(diǎn)C2也會(huì)后退,坡角逐漸降低變成θ2(圖1(c)),并可能在坡腳處堆積一期新的碎屑層。與此同時(shí)坡面S1及轉(zhuǎn)折點(diǎn)C1仍在后退,坡角θ1仍在變緩(圖1(c))。這時(shí)在斜坡上就可出現(xiàn)兩段傾角不同的坡段和兩個(gè)坡角轉(zhuǎn)折點(diǎn),其中θ1<θ2<θ。如果斷層再發(fā)生第三次活動(dòng),新產(chǎn)生的斷層崖S3及斜坡轉(zhuǎn)折點(diǎn)C3也將按上述規(guī)律發(fā)生變化。根據(jù)斷層上升盤(pán)上的斷層崖坡度的分段變化,我們可以確定該斷層的活動(dòng)次數(shù)。如果能確定斷層崖的暴露時(shí)間或坡腳處的松散碎屑層的堆積年代,我們便可推斷該斷層的每次錯(cuò)動(dòng)事件的年齡或重復(fù)間隔[14]。
斷層崖地貌法在實(shí)踐中有過(guò)很多非常成功的應(yīng)用案例。在祁連山北部昌馬-西水峽盆地南緣的昌馬斷裂帶活動(dòng)規(guī)律研究中,康來(lái)迅根據(jù)紅溝西斷層崖面上的坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)把崖面分為三個(gè)部分,反映該斷裂多期活動(dòng)的特征[15]。在昌馬—祁連斷裂帶中的大野馬溝及長(zhǎng)干峽等地的研究中,郭敬信根據(jù)該區(qū)斷層崖坡角的平均值為19°~24°,結(jié)合Bucknam的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出其相應(yīng)的發(fā)育年代為4437a[16]。在華山北麓斷裂研究中,程謙恭依據(jù)斷層崖的坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)、沖溝裂點(diǎn)、階地及斷層崖上的殘留碎屑,確定了該斷層活動(dòng)的重復(fù)周期,該結(jié)果與渭河盆地歷史記錄強(qiáng)震周期非常吻合[17]。
如一斷層橫穿一沖溝,由于斷層的垂直錯(cuò)動(dòng),在沖溝的溝床縱剖面上會(huì)出現(xiàn)一坡折,此稱(chēng)為裂點(diǎn)。沖溝的溯源侵蝕會(huì)使得裂點(diǎn)不斷向上游后退,并在斷層線至裂點(diǎn)段形成一級(jí)階地。通過(guò)分析沖溝中的裂點(diǎn)及階地資料,我們可以推斷出該斷層的活動(dòng)特征。
圖2(a)顯示,斷層F發(fā)生錯(cuò)動(dòng)后,產(chǎn)生一裂點(diǎn)P1。由于溝谷的下切及溯源侵蝕,裂點(diǎn)P1會(huì)不斷向上游后退。圖2(b)顯示由于溝谷下切、溝床高度降低、裂點(diǎn)P1后退,在斷層線與P1裂點(diǎn)間形成一級(jí)階地。如果斷層再次發(fā)生錯(cuò)動(dòng),就又會(huì)形成新的裂點(diǎn)P2。圖3(c)顯示隨著P2的不斷溯源后退,在P2與斷層線之間又會(huì)形成一級(jí)新的階地,這樣在該段上就產(chǎn)生了兩級(jí)因斷層錯(cuò)動(dòng)而形成的階地。與P2后退的同時(shí),裂點(diǎn)P1也在繼續(xù)后退,在裂點(diǎn)P1與P2間仍發(fā)育著一級(jí)階地。根據(jù)T1、T2間高差可求該斷層活動(dòng)的幅度;根據(jù)P1、P2之間的距離和裂點(diǎn)溯源侵蝕平均速度,可求出斷層活動(dòng)的周期。

圖2 斷層活動(dòng)與沖溝裂點(diǎn)和階地發(fā)育圖Fig.2 Development of gully crack point and tectonic terraces with the fault activity.
在實(shí)踐中利用沖溝裂點(diǎn)與階地的特征來(lái)開(kāi)展活斷層活動(dòng)規(guī)律的研究非常有效。如:楊景春曾根據(jù)穿過(guò)斷層的45條沖溝裂點(diǎn)和階地測(cè)量資料,結(jié)合沖溝裂點(diǎn)間距離和裂點(diǎn)溯源侵蝕平均速度探討了賀蘭山山前斷層的活動(dòng)方式、次數(shù)、活動(dòng)年代、活動(dòng)周期等[18];胡連英結(jié)合地形圖和航片判讀,運(yùn)用沖溝測(cè)量和沖溝比降指標(biāo)計(jì)算,獲取了茅山東斷裂帶現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)學(xué)和斷裂構(gòu)造地貌分段特征[19];李有利結(jié)合甘肅張掖黑河口黑河階地變形分析,根據(jù)黑河階地的測(cè)年數(shù)據(jù)和垂直斷距推斷出黑河口斷層的活動(dòng)速率和復(fù)發(fā)周期[20]。
崩積楔最早由Schwartz將其定義為與斷層崖演化相關(guān)的堆積體[21]。研究發(fā)現(xiàn)正斷層斷層崖與逆推斷層崖情況下,崩積楔的形成模式截然不同[22]。圖3(a)~(c)表示正斷層崩積楔形成模式;圖3(d)~(f)表示逆斷層崩積楔形成模式。
斷層崩積楔是斷層活動(dòng)的直接產(chǎn)物,是古地震事件的重要證據(jù)[23]。一次正斷層活動(dòng)后在斷層崖的坡腳處會(huì)形成一期崩塌堆積物。若斷層再次活動(dòng),在坡腳處將會(huì)形成一期新的堆積物,且新的堆積物覆蓋在老的堆積物之上。每一期堆積物代表一次斷層活動(dòng)(圖3(a)、(b)、(c))。根據(jù)崩積楔的個(gè)數(shù)可以確定斷層活動(dòng)事件的次數(shù);根據(jù)崩積楔的年齡可估算斷層斷錯(cuò)的年代,并進(jìn)一步推斷出其活動(dòng)速率和周期。逆斷層的活動(dòng)使斷層上盤(pán)上升呈懸空狀態(tài),上盤(pán)碎屑物質(zhì)會(huì)脫落堆積在斷層崖下形成一期崩塌堆積物;斷層崖坡向與斷層傾向相反(圖3(d)、(e)、(f))。如斷層再次發(fā)生活動(dòng),則后期崩塌堆積物會(huì)覆蓋在早期堆積物之上。

圖3 正、逆斷層崩積楔演化模式(據(jù)鄧起東,1984;2000)Fig.3 Positive and reverse fault colluvial wedge formation mode(According to Deng Qi-dong,1984;2000).
趙俊香通過(guò)對(duì)山西忻定盆地五臺(tái)山北麓斷裂南峪口探槽中崩積楔的研究,揭示出該斷層活動(dòng)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)古地震事件時(shí)間在42.77士2.46~61.72士2.82ka和32.80士2.87~47.92士0.94 ka[24]。鄧起東依據(jù)天山山前活動(dòng)逆斷裂-背斜帶的崩積楔個(gè)數(shù),得出該斷裂自15ka以來(lái)曾發(fā)生過(guò)4次7級(jí)以上的地震[25]。
洪積扇是山區(qū)溝谷水流搬運(yùn)大量礫石、泥沙在山口附近堆積所形成的扇形地貌體。如果山前發(fā)育有一正斷層,且在山口附近的平原區(qū)分布有老洪積扇,由于斷層的活動(dòng)使平原區(qū)相對(duì)下降,出山的溝谷比降加大,溝谷水流的搬運(yùn)能力更強(qiáng),所形成的新洪積扇超覆在老洪積扇之上;再次發(fā)生斷層活動(dòng)后新洪積扇超覆前期洪積扇并在水平向上繼續(xù)向山前低處遷移。根據(jù)山前洪積扇的疊覆現(xiàn)象和分布范圍的擴(kuò)張現(xiàn)象,可以反推山前斷層的活動(dòng)歷史。
侯建軍根據(jù)被斷層切割的洪積扇體結(jié)構(gòu)和堆積體產(chǎn)狀特征,研究得出秦嶺北麓斷裂為一鏟形斷裂[26]。邊慶凱在對(duì)榆木山北緣斷裂的活動(dòng)的特征研究中發(fā)現(xiàn):洪積扇縱軸坡度與山前斷層的活動(dòng)有明顯的相關(guān)性,斷層活動(dòng)強(qiáng)縱軸坡度大,斷層活動(dòng)弱縱軸坡度小[27]。
斷層的垂直活動(dòng)會(huì)錯(cuò)斷沉積物,利用沉積物被錯(cuò)斷這一現(xiàn)象來(lái)研究斷層的活動(dòng)規(guī)律也是野外常用方法之一。如果新的上覆沉積層被不斷活動(dòng)的斷層所切穿,就會(huì)在不同地層中形成不同的斷距,只要測(cè)出每一地層的年代,地層間的斷距,便可推斷出該斷層歷史時(shí)期的活動(dòng)次數(shù)、每次的幅度、活動(dòng)平均速率及活動(dòng)周期。
利用該方法原理,楊景春研究得出臨汾盆地大陽(yáng)斷層在晚更新世以來(lái)至少有過(guò)3次活動(dòng)[28]。申屠炳明通過(guò)對(duì)韓城斷裂兩側(cè)多種層狀地貌被錯(cuò)斷現(xiàn)象的研究,推斷韓城斷裂自晚更新世末期以來(lái)至少發(fā)生過(guò)一次6~7級(jí)以上的破壞性地震[29]。
自從Wallace研究圣安德烈斯斷層斷錯(cuò)水系以來(lái),根據(jù)斷錯(cuò)地貌現(xiàn)象研究斷裂的地震活動(dòng)性開(kāi)始被人們關(guān)注起來(lái)[30-31]。圖4(a)示意一左旋斷層活動(dòng)錯(cuò)斷了系列溝谷的情景。溝谷被錯(cuò)斷后,其上下游段之間的水平距離代表著斷層水平錯(cuò)動(dòng)幅度。溝谷年代越久,其經(jīng)歷斷錯(cuò)事件的次數(shù)就越多,累計(jì)水平錯(cuò)距會(huì)越大。根據(jù)多組不同年代溝谷的水平錯(cuò)動(dòng)距離,我們可以分析推斷該斷層自某個(gè)時(shí)間以來(lái)的水平活動(dòng)次數(shù)、每次的幅度及錯(cuò)動(dòng)發(fā)生的年代和周期等。

圖4 溝谷、階地、沉積物水平錯(cuò)動(dòng)示意Fig.4 Sketch for horizontal offsets of valleys,terraces and fans caused by fault movements.
山西臨汾盆地東北緣霍山斷層是一個(gè)走滑斷層,斷層的水平運(yùn)動(dòng)錯(cuò)斷了很多穿過(guò)斷層的溝谷。徐錫偉根據(jù)不同年代溝谷的不同錯(cuò)斷幅度,揭示了霍山山前斷裂帶晚更新世晚期以來(lái)的平均滑動(dòng)速率在6.4士0.22mm/a~7.5士0.3mm/a之間[32]。
當(dāng)斷層橫穿一河谷時(shí),斷層的水平活動(dòng)會(huì)錯(cuò)斷該河谷的階地。圖4(b)示意一左旋斷層錯(cuò)動(dòng)一河谷系列階地的情景:年齡最老的階地(T3)被斷層錯(cuò)斷后的上下游錯(cuò)距最大,最年輕的階地(T1)被錯(cuò)斷的距離最小。如果有數(shù)級(jí)不同年代的階地被錯(cuò)斷,每級(jí)階地被錯(cuò)斷的幅度又不一樣,據(jù)此,我們可以分析出該斷層的一些活動(dòng)規(guī)律。
阿爾金斷裂帶阿克塞段的活動(dòng)以水平分量為主,王峰利用衛(wèi)星資料對(duì)穿過(guò)該斷層的眾多河流進(jìn)行了階地錯(cuò)斷研究,發(fā)現(xiàn)規(guī)模相近的河流在斷層線附近具有相近似的水平錯(cuò)位[33]。在東昆侖活動(dòng)斷裂帶的東大灘段,斷層左旋活動(dòng)切割了多級(jí)溝谷階地,年齡越老的階地左旋位移值越大[34]。黑溝大斷裂穿過(guò)漢江支流——老灌河河流,斷層的傾斜走滑活動(dòng)使得階地既發(fā)生了垂直錯(cuò)斷,也發(fā)生了水平錯(cuò)斷。根據(jù)階地的水平錯(cuò)斷情況,周厚云的研究揭示了該斷層自晚更新世中期以來(lái)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為水平方向上的走滑活動(dòng)[35]。
斷層的水平錯(cuò)動(dòng)會(huì)使得原先連續(xù)分布的沉積物分為兩段并發(fā)生一定的相對(duì)位移。根據(jù)某些具有標(biāo)志性特征的沉積物在斷層兩盤(pán)上的錯(cuò)斷距離,我們可以量算出斷層的錯(cuò)動(dòng)幅度;根據(jù)標(biāo)志性沉積層的形成年代,我們可以推斷出斷層的活動(dòng)周期和速率。圖4(c)示意在山前斷層水平運(yùn)動(dòng)情況下的山麓洪積扇錯(cuò)位。早期洪積扇P1經(jīng)歷的錯(cuò)斷次數(shù)多,扇體與溝口間的錯(cuò)距大,中期洪積扇P2的錯(cuò)距稍小;晚期洪積扇P3最小。根據(jù)P1、P2、P3之間的距離并結(jié)合各洪積扇沉積物的堆積年代,就可以算出該斷層過(guò)去曾活動(dòng)的次數(shù)、幅度及速率。野外考察中能作為標(biāo)志地層追蹤的可以是分選磨圓很好的河流沖積層、含有特殊巖性的洪積物或歷史時(shí)期的人工堆積物等。胡小猛等利用山西霍山山前洪積扇堆積物作為標(biāo)志層,確定了霍山斷層自上新世以來(lái)的累積右旋錯(cuò)動(dòng)幅度達(dá)12.5km[36]。
自然界中的斷層的活動(dòng)既具有水平運(yùn)動(dòng)分量又具有垂直運(yùn)動(dòng)分量,呈傾滑狀態(tài)。楊景春認(rèn)為,一組“X形”斷層發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)時(shí),斷塊運(yùn)動(dòng)的前方常受擠壓而隆起,形成丘陵或臺(tái)地;斷塊運(yùn)動(dòng)后方會(huì)受拉張而沉陷,形成洼地或平原,產(chǎn)生“雙隆起-雙凹陷”地貌現(xiàn)象[9]。圖5(a)示意一組“X形”斷裂水平運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的派生垂直運(yùn)動(dòng)和雙隆起-凹陷地貌特征:斷層F1、F2為左旋錯(cuò)動(dòng),F(xiàn)3為右旋錯(cuò)動(dòng);A、A'分別為擠壓作用下形成的隆起,B、B'分別為拉張作用下形成的凹陷。B、A'之間的正斷層傾向向左,A、B'之間的正斷層傾向向右,使得F3斷層成為一樞紐斷層。北京南口—孫河斷層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就是依據(jù)“雙隆起-雙凹陷”模型得以揭示的[9]。

圖5 活斷層水平加垂直組合性運(yùn)動(dòng)圖示Fig.5 The vertical-h(huán)orizontal combination movement of active fault.
在構(gòu)造擠壓作用下,地殼會(huì)發(fā)生隆起褶皺并往往伴有逆斷層的產(chǎn)生,由此地表的河流階地也會(huì)隨之發(fā)生拱曲變形。如果區(qū)域地殼曾間隙性地多次發(fā)生擠壓隆起,區(qū)域地表也發(fā)育了多級(jí)不同年代的河流階地,則越老的階地經(jīng)歷的隆起拱曲次數(shù)越多,變形越強(qiáng)烈;越年輕的階地經(jīng)歷的隆起拱曲次數(shù)越少,變形越緩和[9]。圖5(b)顯示在間歇性地持續(xù)隆起背景下不同年齡的階地的變形情況。階地T3拱曲變形幅度大于T2,T2變形幅度大于T1。根據(jù)不同年代階地拱曲變形的程度和幅度也可以來(lái)分析區(qū)域地殼的隆升或逆斷層的活動(dòng)次數(shù)、幅度及周期等。在山西臨汾盆地的柴莊隆起段,汾河的不同時(shí)代階地就表現(xiàn)出上述這種變形特征。
(1)斷層崖出露時(shí)間的確定
斷層崖形成年齡的界定,目前主要采用斷層崖演化模型經(jīng)驗(yàn)公式法、14C法和宇宙成因核素法。一次斷層活動(dòng)后產(chǎn)生斷層崖,在崖的下方往往會(huì)形成倒石堆。如果在倒石堆堆積過(guò)程中有有機(jī)質(zhì)被埋藏而沒(méi)有被分解掉,則可以用14C法對(duì)該有機(jī)質(zhì)進(jìn)行測(cè)年,以框定斷層這次活動(dòng)的年代。斷層崖形成后,崖面出露在大氣下;受宇宙射線的作用,在崖面上會(huì)積累一定的宇宙核素。崖面上宇宙核素的濃度是與崖面暴露在大氣下的時(shí)間長(zhǎng)短具有線性相關(guān)性。據(jù)此,通過(guò)測(cè)定崖面上某些核素的積累量以及該核素的年生成速率,就可以得到該斷層崖的形成年齡[37-39]。宇宙成因核素年代方法可測(cè)定的地貌崖面年代范圍在103a~106a。未來(lái)在活斷層的年代研究中,宇宙成因核素法具有極大的潛力。
(2)裂點(diǎn)形成年代的測(cè)定
運(yùn)用沖溝裂點(diǎn)來(lái)分析活斷層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律首先要解決裂點(diǎn)的形成年代問(wèn)題。可以參考所在地區(qū)的歷史地震研究成果,野外確定與其對(duì)應(yīng)的溝谷裂點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量該裂點(diǎn)已溯源后退的距離,計(jì)算裂點(diǎn)的后退速度,建立該溝谷裂點(diǎn)溯源遷移模型。精確測(cè)量溝谷中其它裂點(diǎn)已發(fā)生的后退距離,利用該遷移模型估算出它們的形成年代,進(jìn)而推斷導(dǎo)致各裂點(diǎn)形成的斷層活動(dòng)時(shí)間。在更大區(qū)域范圍內(nèi)利用該法進(jìn)行裂點(diǎn)后退年代分析時(shí),一定要注意裂點(diǎn)所在溝谷的規(guī)模、溝床的物質(zhì)組成以及降水量等要與建立遷移模型的溝谷近似,否則就需要調(diào)整模型。該法在半干旱區(qū)的測(cè)年范圍以104a以內(nèi)為宜[40]。
(3)水平斷錯(cuò)洪積扇、階地和溝谷的時(shí)代問(wèn)題
首先,要直接對(duì)斷錯(cuò)的洪積扇、階地和溝谷沉積物進(jìn)行測(cè)年。測(cè)年方法可用14C,樣品主要是木炭、泥炭、貝殼、淤泥、骨骼等,測(cè)定范圍一般小于5萬(wàn)年;釋光法(熱釋光或光釋光),樣品一般為土狀沉積物,粘土和砂礫石層不適合此方法,樣品采集要避光處理。古地磁法主要用于河流、湖泊、海洋沉積物、黃土等。其次,再根據(jù)不同時(shí)代地貌體或沉積物的錯(cuò)斷幅度來(lái)推斷斷層每次活動(dòng)發(fā)生的時(shí)間范圍。
目前遙感衛(wèi)片的空間分辨率、光譜分辨率越來(lái)越高,斷層的影像信息也越來(lái)越清晰,利用遙感手段分析活斷層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一個(gè)高效便捷的方法。應(yīng)用的第一步是要在解譯遙感衛(wèi)片的基礎(chǔ)上,探尋活動(dòng)斷裂遙感影像標(biāo)志;第二步借助高分辨的DEM數(shù)據(jù)建立區(qū)域坡度分布圖;第三步根據(jù)前面兩個(gè)步驟所提取的一些研究信息,有針對(duì)性地在實(shí)地進(jìn)行調(diào)查測(cè)量。今后,活斷層運(yùn)動(dòng)研究中的遙感技術(shù)應(yīng)用需進(jìn)一步加強(qiáng)。
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