西秦嶺北緣斷裂帶武山
—天水段全新世活動的新證據①

吳　趙, 袁道陽,2, 王愛國,2, 張　波, 邵延秀, 王朋濤

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

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西秦嶺北緣斷裂帶武山
—天水段全新世活動的新證據①

吳趙1, 袁道陽1,2, 王愛國1,2, 張波1, 邵延秀1, 王朋濤1

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

摘要：西秦嶺北緣斷裂帶是青藏高原東緣一條大型左旋走滑活動斷裂帶和歷史強震帶。前人對該斷裂漳縣以西段曾開展過大量研究工作,獲得其最新構造活動的地質地貌證據,而中段(武山—天水段)和東段(天水—寶雞段)最新活動時代一直存在分歧。基于高分辨率衛星影像解譯、地質地貌調查與綜合分析、探槽開挖和14C測年等方法,對西秦嶺北緣斷裂帶武山—天水段進行詳細研究,結果表明:該段斷裂晚第四紀以來活動顯著,地貌上主要表現為斷層埡口、斷層溝槽、山脊與水系及階地同步左旋位錯、斷層陡坎等;多個探槽剖面及測年結果顯示其最新構造活動斷錯了全新世地層,為該段斷裂全新世活動和大震危險性分析提供了新的證據。

關鍵詞：西秦嶺北緣斷裂帶; 全新世; 左旋走滑; 活動斷裂

0引言

圖1　西秦嶺北緣斷裂帶及鄰區主要活動斷裂分布圖Fig.1　Distribution of main active faults along the northern margin fault of the West Qinling and its vicinity

前人對西秦嶺北緣斷裂曾開展過不同程度的研究,其中漳縣以西段(包括漳縣段、黃香溝段和鍋麻灘段)研究較深入,已獲得了斷裂幾何細結構、滑動速率及較完整的古地震年代序列等定量參數[3-4,9,18]。但漳縣以東的武山段、天水段和寶雞段研究程度較差,新活動性認識也不一致,大多認為武山段、天水段全新世以來是活動的,而寶雞段晚更新世活動[5,8,13,19],甚至晚更新世以來并不活動[20]。造成上述認識分歧的主要原因是受地質地貌、黃土覆蓋、滑坡崩塌和人類活動等多因素影響,致使斷錯地貌現象相對較差;前人調查中曾發現的一些地質地貌線索目前大多也難以保存。2008年汶川8.0級地震之后,萬永革等[21]根據汶川地震的震源破裂分布,計算分析了周邊斷層上庫侖破裂應力的變化,認為汶川地震的發生使得西秦嶺北緣斷裂東段的庫侖破裂應力加載效應尤為顯著;邵延秀等[13]和M7專項工作組[22]研究認為該段斷裂全新世活動并處于強震閉鎖階段。2013年岷縣—漳縣6.6級地震[14-17]之后,其最新活動性及未來的大震危險性更備受關注。本文擬通過詳細衛星影像解譯、野外地質地貌調查、探槽/剖面開挖清理,采用14C測年方法限定斷層最新活動時代,為確定西秦嶺北緣斷裂帶武山—天水段的最新活動時代及其大震危險性提供新的證據。

1斷裂新活動的地貌證據

西秦嶺北緣斷裂帶中東段的武山—天水段西起鴛鴦鎮西的茍家山,向東經武山渭河堡、洛門、武家河、白楊樹莊等,在天水市附近斷層向南偏移,經上灣村、毛集村至黃莊附近止。斷層總體走向280°～290°,傾向NE或SW,傾角50°～70°,長約120 km,與天水—寶雞段的鳳凰山左旋左階區斜接(圖1)。通過高分辨衛星影像解譯和野外實地調查,發現該段斷裂線性影像清晰且連續,其最新構造活動造成多處階地或臺地左旋位錯,并在武山以北一帶發現疑似地震地表破裂帶的現象,現簡述如下:

1.1武山縣堡子村階地位錯

堡子村位于武山縣城北西側、渭河北岸T1階地后緣,該處2條小沖溝(堿溝和雅兒溝)從北側的黃土臺地內向南流入渭河谷地(圖2)。西秦嶺北緣斷層從堡子村北側山邊通過,地貌上發育了一系列斷層埡口、斷層溝槽和小的斷層陡坎等,斷層線性特征較清晰,斷錯地貌明顯[圖 2(a)、(b)]。

圖2　武山堡子村階地斷錯地貌Fig.2　Faulted terrace landforms in Buzi village,Wushan county

1.2武山縣徐坪村斷錯地貌

在武山縣城北東、渭河北岸的魯班溝—徐坪村一帶,西秦嶺北緣斷裂的最新構造活動造成此處一系列自北而南流入渭河的沖溝左旋位錯達200～600 m不等,斷裂穿過的黃土梁脊、渭河階地或高臺地等均形成明顯的斷層埡口狀地貌、近東西向溝谷、深切凹槽和斷層陡坎等現象[圖3(b)]。

圖3　徐坪村斷層地貌Fig.3　Faulted landforms in Xuping village

1.3甘谷縣武家河階地斷錯

在洛門鎮南東至甘谷縣西南武家河一帶長約15 km斷層帶上,發育一系列自南向北匯入渭河的支流。受斷層新活動影響,斷層通過處地貌上主要表現為沖溝左旋與山脊位錯,左旋位移量由幾十米至上千米不等。

沿斷層實地追蹤,發現在武家河鄉以西約2 km處斷層橫穿武家河而過,沖溝西側發育連續平坦的四級階地[圖4(a)]:T1階地高出河床約2～3 m,形成于全新世晚期[T1階地礫石層頂面測得14C樣品年齡為(2 460 ±30) a B.P.],T2拔河高度約5～6 m,年代為全新世早期(據騰瑞增等[7]),T3拔河高度約10～12 m,T4約為20 m;而東側[圖4(b)]主要發育兩級階地,其中T2階地面地形起伏較大,與后期修路、耕地等破壞有一定關系。受斷層新活動影響,沖溝兩側T2階地均發生明顯左旋位錯,西側為斷層左旋位錯保護岸,測得位錯約為(24±3) m,代表了T2階地自形成以來的階地位錯量。而東側T2階地為侵蝕岸,受后期流水侵蝕等因素影響較大,左旋位錯量約為(26±3) m。在東側T2階地邊緣因斷層活動造成T2階地礫石層有約1.7 m的厚度差,礫石層斷錯約0.7 m(目前因人為改造影響已經看不清楚了)[7]。

圖4　甘谷縣武家河階地斷錯地貌Fig.4　Faulted terrace landforms in Wujiahe village,Gangu county

沿斷層追索在西側T4臺地上發現一斷層剖面(后述),清理并開挖后發現斷層在全新世中晚期以來有過活動。綜合上述地貌現象,認為該斷裂全新世以來是活動的。

1.4甘谷縣白楊樹莊斷錯地貌

白楊樹莊一帶斷層線性特征比較明顯,跨斷層兩側連續發育幾條近南北向小沖溝,山脊發生同步左旋位錯[圖5(a)],其中沖溝a[圖5(b)]左旋位錯約(9±2) m,沖溝b[圖5(c)]約(10±2) m,沖溝e[圖5(d)]約(9±2) m。上述小沖溝的規模大致相當,形成時代較接近,其位錯值也大體相當。在最東側還發育一斷頭溝d;而順斷層發育連續的反向陡坎,陡坎高度約(2±1) m[圖5(d)]。在溝底發現斷層剖面[圖5(e)],顯示斷層錯動至近地表,其上僅覆蓋一層薄的坡積物,地表形成的反向陡坎控制了坡地地形,形成斷層溝槽,斷層經過處因一連串泉水發育致使地表面比較破碎并伴隨小型滑坡發育。

1.5天水南毛集村斷層地貌

斷層過白楊樹村后,繼續向東過天水關子鎮后走向向南偏移,大致沿秀峰山、太陽山北緣通過,至楊灣里一帶逐漸消失。斷層在地貌上主要表現為沖溝階地左旋和斷層溝槽等。

實地調查發現,在天水市南的毛集村附近斷層橫穿羅家溝,在沖溝東側發育兩級連續平坦的沖洪積階地,殘留的T1階地面高出河床約1 m,T2階地面拔河高度約4～5 m,而沖溝西側由于人為修路等破壞,階地面已不太清晰。在東側T2階地面上發育有比較連續的斷層陡坎,順斷層走向陡坎高度慢慢下降,整體高度約(3±1) m。在T2階地[測得14C樣品年齡為(27 860±170) a B.P.]邊緣發現明顯的左旋位錯[約(10±3) m][圖6(c)]。由于埋設水管線路,河床被開挖,出露明顯的黃綠色基巖破碎帶[圖6(b)]。在殘留的T1階地面上開挖一個探槽[圖6(d)],剖面揭露斷層左側為土黃色黏土層,物質均一;而右側為兩層,下層為黃綠色破碎基巖,上覆砂礫石層,其中礫石分選性差,礫徑分布從30～2 cm,斷層止于約10 cm的表層土之下。在T2階地面上又跨斷層陡坎開挖一個探槽(圖9),清理發現斷層在全新世早期有過活動(后述)。綜合地貌現象,認為斷裂在全新世以來是活動的。

圖5　甘谷縣白楊樹斷錯地貌Fig.5　Faulted landforms in Baiyangshu village,Gangu county

綜合上述地貌上的表現,該段斷裂晚第四紀新活動明顯,全新世活動的地貌依據充分,甚至存在地震地表破裂帶,與該區曾發生過公元前47年隴西地震、143年甘谷西地震及1765年甘谷地震等一系列地震活動相吻合。

2斷裂新活動的地質剖面證據

鑒定斷層最新活動時代等問題最有說服力的應

圖6　天水南毛集村斷錯地貌Fig.6　Faulted landforms in Maoji village,south of Tianshui

該是地質剖面和年代學證據。通過對斷裂帶沿線追蹤調查和探槽開挖,揭示了斷裂新活動的多個地質剖面,現將其典型剖面分析如下。

2.1武山堡子村探槽剖面

①:地表腐植土,富含植物根系,厚約10 cm;

②:黃土狀土,顏色呈土灰色,較松散,層內植物根系比較發育,厚約30 cm;其底部釋光年代為(0.66±0.08) ka B.P.;

③:土黃色黃土,物質成分跟層②大致相同,但質地較硬,層內夾雜少量礫石,礫徑大約20 mm,層厚約30～35 cm;底部釋光年代為(2.95±0.39) ka B.P.;

④:次生黃土,較硬,均一性較好,由于靠近下部階地礫石層,略具近水平層理,厚約80 cm;其底部釋光年代為(7.60±1.17) ka B.P.,頂部為(4.21±0.45) ka B.P.;

⑤:暗紅色黏土層,質地堅硬,均一性好,可能為以前的河流階地面,厚約20 cm;①～⑤層構成T2階地上部細粒堆積;

⑥:T2階地砂礫石層,層內上部礫石分選與磨圓度都比較好,礫徑約30～50 mm,層內下部分選較差,出現膠結狀態,礫石表層有很多黑色物質,且在底層連續;

圖7　堡子村斷層剖面圖Fig.7　Cross section of the fault at Buzi village

⑦:斷層破碎帶,層內物質比較混雜,夾雜礫石、黃綠色黃土,發生明顯擠壓變形,裂隙發育,寬約150 cm;

⑧:灰褐色粉質黏土層,比較松散,層內有少量植物根系;

⑨:土黃色粉質黏土層,比較松散,厚約20 cm;

⑩:黃綠色黃土,質地堅硬,層內上部均一性好,下部少量礫石,磨圓度差。

探槽剖面上發育兩條斷層面,共同組成一條寬斷層帶。斷層F1錯斷下部泥巖、層⑤、層④與層③,推測斷層止于層②底部,在層④底部和頂部、層③底部和層②底部分別測得光釋光樣品年齡為(7.60±1.17) ka B.P.和(4.21±0.45) ka B.P.、(2.95±0.39) ka B.P.及(0.66±0.08) ka B.P.,斷層至少在(4.21±0.45) ka B.P.以來發生過活動;而斷層F2錯動層⑩和層⑨,止于層⑧底部,而在層⑩發育的充填楔中有細的碳顆粒,測得其14C年齡為(4 050±30) a B.P.,應為斷層發生活動、形成張裂縫后上部黃土充填而成,從而證明斷層在全新世中期有過活動。

2.2甘谷縣武家河鄉探槽剖面

該探槽位于武家河西側T4高臺地上,為地表坡積土層,經清理后其斷層剖面特征如下:

圖8　甘谷縣武家河鄉探槽剖面圖Fig.8　Profile of the trench at Wujiahe village,Gangu county

①:灰白色表層土,富含植物根系,厚約10 cm;

②:淡褐色土,富含植物根系,厚約15 cm;

③:松散土黃色土層,層內含大量0.1～1 cm粒徑的硬土顆粒,厚約30 cm;

④:土灰色黃土狀土,層內下部較上部硬度小,厚約30 cm;

⑤:灰白色粉質黃土,層內物質較均一,硬度與層④下部相當,層內發育少量孔洞(老鼠洞);

⑥:淡紅色土層,為下部層⑦風化后的殘坡積物,頂面凹凸不平,厚約15 cm;

⑦:磚紅色泥巖,發生強烈揉皺,劈理發育,其中夾有粒度不等(0.5～20 cm)的灰白色粗砂巖透鏡體,厚約100 cm;

在剖面上斷層錯動了層⑤與層④,并且層③底部有約10 cm的斷層位錯,推測斷層止于層②底部。分別在層⑤頂部、層④底部、頂部及層③底部和層②底部取得14C樣品,測年結果分別為(9 310±40) a B.P.、(4 650±30) a B.P.、(1 220±30) a B.P.和(710±30) a B.P.及(580±30) a B.P.,表明斷層全新世晚期以來有過新的構造活動。

2.3天水南探槽剖面

該探槽位于天水市南面毛集村T2階地上[位置見圖6(a)],探槽中地層特征如下:

①:地表腐植土,富含植物根系,厚約10 cm;

②:土黃色黃土,較松散,富含14C顆粒,含少量植物根系,厚約0.7 m;

③:灰褐色黏土層,層內物質均一,硬度較軟,厚約2 m;

④:紅褐色黏土層,層內物質均一,硬度強于層③,厚約3 m,并在層中間夾有層⑤;

⑤:層內物質與層④相同,但夾雜黃綠色黏土與砂礫石,砂礫石礫徑小,成層性較好。

在剖面上斷層錯動了層③和層④,斷層止于層②頂部,并且在層②上有約20 cm的斷層位錯。在層②底部取得14C樣品,測得其年齡為(1 210±30) a B.P.,表明斷層在全新世晚期以來有過活動。

3主要結論與討論

綜合上述沿斷裂發現的構造活動的地質、地貌新證據,我們對西秦嶺北緣斷裂武山—天水段的新活動特征歸納如下:

(1) 斷裂沿線線性影像較清晰,斷裂通過處地貌上主要表現形式為斷層埡口、斷層溝槽、斷層陡坎、山脊與水系的同步左旋、階地左旋位錯及順斷層兩側分布的滑坡等。

(2) 根據野外地震地質調查,斷層活動在武山堡子村探槽剖面揭露至少在(4.21±0.45) ka B.P.以來有過活動,在武家河鄉剖面顯示在(710±30) a B.P.以來有過活動,在天水南毛集村剖面顯示在(1 210±30) a B.P.以來有過活動。結合斷層在地貌上的表現,認為斷裂武山—天水段最新活動時代應為全新世。

圖9　天水南毛集村斷層剖面Fig.9　Cross section of the fault at Maoji village

雖然此次調查發現了一些斷層剖面與水系左旋位錯量,但由于地處黃土覆蓋和基巖山區、地層缺失和樣品難以采集等因素,本次調查研究沒有得出古地震期次、滑動速率等定量參數,下一步工作將集中于定量參數的獲取。

致謝:本文的14C樣品在美國Beta實驗室,光釋光樣品在中科釋光檢測技術研究所實驗室分析測試,在此表示衷心感謝。

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New Evidence for Holocene Tectonic Activities of the Wushan—Tianshui Segment in the Northern Margin Fault of the West Qinling

WU Zhao1, YUAN Dao-yang1,2, WANG Ai-guo1,2, ZHANG Bo1, SHAO Yan-xiu1, WANG Peng-tao1

(1.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China;2.LanzhouNationalGeophysicalObservatory,Lanzhou730000,Gansu,China)

Abstract：The western segment of Zhangxian along the Western Qinling active fault zone is a large left-lateral strike-slip active fault zone and a historical strong earthquake zone.Recent studies on this area have obtained the latest geological and geomorphological information.However,the latest age of tectonic activities among the segment of Wushan—Tianshui and Tianshui—Baoji is still unclear.In this paper,the Wushan—Tianshui segment is studied in detail using high-resolution satellite images,geomorphological analysis, trenching technology, and14C radiocarbon dating technology.Results suggest that tectonic activities since the late Quaternary are remarkable.Geomorphic expressions include fault-controlled valleys,sinistral offseted ridges and stream, and fault scarp.A consequence in more trenches and dated14C samples reveals that stratum from the Holocene have been raptured by the latest tectonic activities.Thus,this study provides new evidence for Holocene tectonic activities of the Wushan—Tianshui segment of Western Qinling fault.

Key words：northern margin fault of the West Qinling; the Holocene; left-lateral strike-slip; active fault

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0249

中圖分類號:P546

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)02-0249-11

作者簡介：吳趙(1990-)，男，碩士研究生，主要從事活動構造及其應用研究。E-mail:wuzhao0808@126.com。通信作者：袁道陽(1965-),男,博士,研究員,主要從事活動構造與歷史地震研究。E-mail:daoyangy@163.com。

基金項目：中國科學院戰略性先導科技專項(XDB03020201),中國地震局星火計劃項目(XH16036)

收稿日期:①2016-03-28