引用本文
李东雨, 陈立春, 梁明剑, 高帅坡, 曾蒂, 王虎, 李彦宝. 鲜水河断裂带乾宁段古地震事件与大震复发行为[J]. 地震地质, 2017,39(4): 623-643.
LI Dong-yu, CHEN Li-chun, LIANG Ming-jian, GAO Shuai-po, ZENG Di, WANG Hu, LI Yan-bao. HOLOCENE PALAEOSEISMOLOGIC RECORD AND RUPTURE BEHAVIOR OF LARGE EARTHQUAKES ON THE XIANSHUIHE FAULT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(4): 623-643.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.04.001
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鲜水河断裂带乾宁段古地震事件与大震复发行为
李东雨1, 陈立春1,*, 梁明剑1,2, 高帅坡1, 曾蒂1, 王虎1, 李彦宝1
1 中国地震局地质研究所, 北京 100029
2 四川省地震局, 成都 610041
*通讯作者: 陈立春, 男, 研究员, E-mail:dzsclc@ies.ac.cn。

〔作者简介〕 李东雨, 男, 1988年生, 硕士研究生, 主要从事活动构造与地震中长期预测方面的研究, 电话: 010-62009086, E-mail:helloleedy@foxmail.com。

收稿日期: 2016-05-11
基金项目: 国家自然科学基金(41372218)、 中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1418)与中国地震局地震行业科研专项(201408014)共同资助
摘要

鲜水河断裂带是巴颜喀拉和川滇2个强烈活动次级块体的边界带, 为全球近代最活跃的断裂带之一, 近300a就记录有9次7级以上大地震。2008年以来, 巴颜喀拉块体东边界龙门山断裂带上相继发生了2008年汶川 MS8和2013年芦山 MS7大地震, 南边界带西段玉树-甘孜断裂带上发生了2010年玉树 MS7.1地震, 东段鲜水河断裂带上发生了2014年康定 MS6.3地震。研究其晚第四纪地表变形和大震复发行为是认识鲜水河断裂带乃至川西地区未来7级以上大地震危险性的重要基础工作。在前人工作基础上, 文中通过地质地貌调查, 在离逝时间相对较长的乾宁段上选择龙灯地点进行了组合探槽开挖, 获得了鲜水河断裂带乾宁段距今约 9 000a以来的5次(古)地震事件序列: 8070-6395BC、 5445-5125BC、 4355-4180BC、 625-1240AD和1893年乾宁地震, 其大震复发行为并不遵循准周期复发模式, 早期复发间隔1,000~2,000a, 至4355-4180BC事件后, 有过5 000a左右时长的平静期, 之后又进入活跃期, 1 000a BP左右以来发生了2次地表破裂型大地震。1893年乾宁地震在探槽地点一带的同震左旋位错量约2.9m。

关键词: 鲜水河断裂带; 乾宁段; 古地震; 地震复发行为; 巴颜喀拉块体
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)04-0623-21
HOLOCENE PALAEOSEISMOLOGIC RECORD AND RUPTURE BEHAVIOR OF LARGE EARTHQUAKES ON THE XIANSHUIHE FAULT
LI Dong-yu1, CHEN Li-chun1, LIANG Ming-jian1,2, GAO Shuai-po1, ZENG Di1, WANG Hu1, LI Yan-bao1
1 Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2 Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China
Abstract

The Xianshuihe Fault, the boundary of Bayan Har active tectonic block and Sichuan-Yunnan active tectonic block, is one of the most active fault zones in the world. In the past nearly 300 years, 9 historical earthquakes of magnitude≥7 have been recorded. Since 2008, several catastrophic earthquakes, such as Wenchuan MS8 earthquake, Yushu MS7.1 earthquake and Lushan MS7 earthquake, have occurred on the other Bayan Har block boundary fault zones. However, only the Kangding MS6.3 earthquake in 2014 was documented on the Xianshuihe Fault. Thus, the study of surface deformation and rupture behavior of large earthquakes in the late Quaternary on the Xianshuihe Fault is of fundamental importance for understanding the future seismic risk of this fault, and even the entire western Sichuan region. On the basis of the former work, combined with our detailed geomorphic and geological survey, we excavated a combined trench on the Qianning segment of Xianshuihe fault zone which has a long elapse time. Charcoal and woods in the trench are abundant. 30 samples were dated to constrain the ages of the paleoseismic events. Five events were identified in the past 9,000 years, whose ages are: 8070-6395 BC, 5445-5125 BC, 4355-4180 BC, 625-1240 AD and the Qianning earthquake in 1893. The large earthquake recurrence behavior on this segment does not follow the characteristic earthquake recurrence model. The recurrence interval is 1000~2000 years in early period and in turn there is a quiet period of about 5 000 years after 4355-4180 BC event. Then it enters the active period again. Two earthquakes with surface rupture occurred in the past 1000 years and the latest two earthquakes may have lower magnitude. The left-lateral coseismic displacement of the 1893 Qianning earthquake is about 2.9m.

Keyword: Xianshuihe fault zone; Qianning segment; paleoearthquake; earthquake recurrence behavior; Bayan Har block
0 引言

鲜水河断裂带位于青藏高原东缘, 为高原内部巴颜喀拉和川滇2个强烈活动次级块体的边界带(图1), 是全球近代最活跃的断裂带之一(李天祒, 1997)。沿断裂带, 自1725年康定MS7地震以来, 历史上记载了9次7级以上和1次6.9级大地震(国家地震局震害防御司, 1995; 中国地震局震害防御司, 1999; 孙成民, 2010), 平均复发间隔约31a, 最新1次为1981年道孚MS6.9地震, 距今已约35a, 其大震危险性一直为国内外学者所关注。尤其是最近几年来, 巴颜喀拉块体的东边界龙门山断裂带上相继发生了2008年汶川MS8和2013年芦山MS7大地震, 南边界带西段玉树-甘孜断裂带上发生了2010年玉树MS7.1大地震, 东段鲜水河断裂带上也发生了2014年康定MS6.3地震。2015年, 青藏高原南缘喜马拉雅板块边界带上又发生了尼泊尔MS8.1巨震, 鲜水河断裂带会不会发生更大地震再次成为社会关注的焦点, 获得断裂带大震复发行为翔实、 可靠的基础资料和认识是当前地震地质工作的迫切任务之一。

图1 鲜水河断裂带及周边活动构造简图
红线, 鲜水河断裂带; 黑线, 其他主要活动断裂; 紫色箭头示意鲜水河断裂带分段边界; ①2001年昆仑山MS8.1地震; ②2008年于田MS7.3地震; ③2008年汶川MS8地震; ④2010年玉树MS7.1地震; ⑤2013年 芦山MS7地震; ⑥2014年于田MS7.3地震Fig. 1 Active tectonic map of the Xianshuihe Fault and its adjacent regions.

关于鲜水河断裂带的历史地震、 古地震及其复发规律和未来大震危险性, 前人曾开展过较多的专题研究工作, 尤其是“ 八五” 期间还开展过1︰5万填图, 获得了大量翔实的基础资料和认识(唐荣昌等, 1976, 1984; 钱洪等, 1984, 1990; 邓天岗等, 1986; Deng et al., 1986; 龙德雄等, 1990; 李天祒, 1997; 陈桂华, 2006; Wen et al., 2008; 邓绍辉, 2012)。近年来, 古地震研究尤其是探槽地点选择和测年技术有了长足的发展(冉勇康等, 2012, 2014), 为获得断裂带更为翔实、 可靠的基础资料和认识提供了技术支撑。对此, 我们在前人工作的基础上沿鲜水河断裂带正在开展新一轮古地震精细研究工作。本文是对其中离逝时间较长的乾宁段组合探槽开挖工作的一些总结和认识。

1 乾宁段晚第四纪活动性与古地震研究概述

鲜水河断裂带是在中生代中晚期松潘-甘孜地槽褶皱回返时形成的NW向挤压冲断带的基础上随着新生代以来青藏高原隆升和川滇块体朝SE向挤出而发展形成的大型左旋走滑活动断裂, NW起自甘孜卡苏北侧, 向SE经炉霍、 道孚、 康定、 磨西, 至石棉田湾南一带, 全长约400km, 总体走向310° ~330° , 略呈向NE凸出的弧形(图1)。大致以乾宁盆地和康定县城为界, 鲜水河断裂带分为NW段、 中段和SE段3个大的几何段(龙德雄等, 1986; 李天祒, 1997; 闻学泽, 2000; Wen et al., 2008; 安艳芬, 2010)。

NW段位于乾宁盆地以北, 断裂几何形态和内部结构较为单一, 由炉霍、 道孚和乾宁等3个次级活动段左阶斜列组成。其中, 炉霍段长约90km, 历史上发生过1816年炉霍 7 12级和1973年炉霍7.6级地震; 道孚段长约85km, 历史上发生过1904年道孚7级、 1923年道孚倡促7.3级和1981年道孚6.9级地震。乾宁段长约62km, 历史上发生过1893年乾宁7级地震(一些资料标为7.3级; 如李天祒, 1997)。

中段位于乾宁盆地至康定县城之间, 断裂结构较为复杂, 由雅拉河、 色拉哈和折多塘等3条近平行、 相距10km左右的次级断裂组成。其中, 东支雅拉河段长约41km, 虽历史上无大震记载, 但二道班至新店子一带, 晚第四纪活动地表形迹较为清楚, 断裂断错了沟谷边侧的坡积层和倒石堆。中支色拉哈段为鲜水河断裂带从乾宁盆地南延的主干断裂, 长约80km, 是1725年康定7级地震的发震断裂, 也是1786年6月1日康定南 7 34地震的同震地表破裂段之一。西支折多塘段长约30km, 是1955年康定 7 12级地震的发震断裂。

SE段, 康定往南至安顺场附近, 断裂带地表形迹又呈形态较为简单的单一结构, 可划分为雪门坎和磨西2个左阶斜列的次级几何段, 但从其活动性而言, 一般归为1个活动段, 称为磨西段, 是1786年6月1日康定南 7 34地震的发震断裂。

关于断裂带不同活动段的晚第四纪活动速率, 不同学者的研究结果虽有所差异, 但总体趋势基本一致, NW段3个次级活动段的左旋走滑速率为10~17mm/a, 中段3条次级断裂单条断裂一般为3~8mm/a, SE段6~10mm/a(钱洪等, 1988; Zhao et al., 1990; Allen et al., 1991; 李天祒, 1997; 周荣军等, 2001; 徐锡伟等, 2003; 闻学泽等, 2003; 陈桂华, 2006)。

乾宁段是鲜水河断裂带NW单一结构段的最南段, 晚第四纪以来活动强烈, 左旋走滑速率10.5~17mm/a(李天祒, 1997; 陈桂华, 2006), 历史地震地表破裂与古地震遗迹局部残存较好。20世纪80年代末至90年代初, 鲜水河断裂带1︰5万填图项目组沿乾宁段开挖(或清挖)了5个探槽和1个自然剖面(图1), 综合限定获得了乾宁段晚更新世末以来的7次古地震事件, 距今时间依次为: > (18, 280± 1, 000)a、 < (16, 480± 660)a、 9, 360~8, 885a、 7, 949~7, 520a、 > (5, 933± 90)a、 (3, 612± 139)a, 以及公元1893年地震(李天祒, 1997)。限于当时的探槽和测年技术以及工作条件, 这些探槽均为单一探槽, 且基本沿断层槽谷谷坡或陡坎开挖, 以至于单个探槽识别出的事件最多不超过3次。

2 乾宁段龙灯组合探槽揭露的古地震事件

乾宁段, 北起道孚县城南东格西村, 向SE经葛卡乡、 松林口、 龙登坝到惠远寺南逐渐消失, 总体走向约325° , 长约62km(图2a)。该段发生过1893年乾宁7级地震, 在松林口附近、 龙灯坝、 龙灯乡、 阿依勒波梁子、 甲古龙达、 中古村等地仍残留了该次地震的地表破裂遗迹(四川省地震局地震地质队, 1986; 李天祒, 1997)。

图2 鲜水河断裂带乾宁段地表形迹与开挖的探槽组
a 鲜水河断裂带乾宁段几何展布(底图为SRTM数据渲染图), 红线为全新世活动断裂, 黑色矩形示意前人开挖探槽或清挖剖面; b 龙灯一带断层地表形迹(底图为无人机航拍影像), 红虚线示意断层形迹; c 探槽组(蓝色区域)及实测地形(等高距0.5m), 底图为实测地形DEM渲染图, 红箭头指向断层槽谷; d 探槽边侧 地形剖面, 虚框部分示意探槽开挖位置; e 探槽开挖后的全景照片Fig. 2 Fault trace of the Qianning segment of Xianshuihe Fault and trenches near Longdeng town.

2.1 探槽布设

龙灯乡一带, 断裂晚第四纪地表活动形迹较为清晰。沿断裂发育冲沟位错、 断层槽谷、 断陷塘等晚第四纪活动微地貌。“ 八五” 填图期间, 在四十道班附近还观察到了1893年乾宁7级地震遗存的5条右阶斜列的地裂缝(李天祒, 1997), 现今尚有个别裂缝依然隐约可辨。

探槽位于龙灯乡东南侧(101° 24'05.9″E, 30° 39'52.7″N), 距四十道班1893年乾宁地震地表破裂遗迹出露处约1km(图2b)。地貌上为1个线性反向断层槽谷(图2c, d), 发育于冲沟西岸的T3阶地上, 总体走向约330° , 东侧谷坡为断层陡坎, 高约2m, 陡坎东侧发育1个废弃浅沟。探槽布设于片流汇水的槽谷低洼地带, 共开挖了3个主探槽和1个小型辅助探槽(图2c, e)。其中, 横向探槽TC1(长25m× 宽3m× 深3m)和TC4(长23m× 宽3m× 深3m)横跨断层槽谷, 纵向探槽TC2(长33m× 宽1.8m× 深2m)顺向断层槽谷。由于探槽TC1两壁东端主断面部位地表被挖掘机破坏, 为观察断面最新1次事件与地层的关系, 补充开挖了1个小型探槽TC3(长5m× 宽1.5m× 深1m)。

2.2 探槽揭露的地层序列

探槽剖面如图3-7。剖面上, 主断层带沿断层陡坎发育。主断面(各剖面上f1)东侧为上升盘, 下部为发育于三叠系砂板岩中的早期挤压破碎带, 岩性为强烈挤压、 片理化的砂板岩; 上部是1套阶地沉积成因的砂砾层(Q p3pl), 间夹细砂、 黏土薄层, 厚1~1.5m, 水平层理清晰, 砾石磨圆度高。在探槽TC1东端壁上该层间夹的细砂层中采集到的炭屑AMS测年结果为(24, 900± 120)a, BP。探槽揭露出的受断层晚第四纪活动控制的沉积地层有两大系列: 一是紧邻主断面发育的构造楔、 充填楔或崩积楔等多期楔型堆积; 二是沿主断面西侧槽谷低洼地发育的多期断陷塘型沉积。

图3 探槽TC1北壁拼接影像和剖面解释图
1 砾块; 2 砂层; 3 黏土团块; 4 断陷塘型沉积单元序列及地层界线(虚线为推测界线); 5 构造楔形堆积序列及编号; 6 晚更新世冲洪积砂砾层(夹黏土层); 7 早期基岩挤压破碎带; 8 断面及编号; 9 推测断面; 10 裂缝Fig. 3 Photographic mosaic(upper)and interpretation log(lower)of the north wall of Trench TC1.

构造楔是走滑断层十分常见的楔形堆积, 断层走滑运动时, 主断层与相向倾斜的次级断层往往形成上宽下窄的楔体(国家地震局地质研究所等, 1990)。探槽TC1和TC4主断面(f1-1)附近都见有多条相向的次级断面, 与主断层组成构造楔、 断层带(图3-6)。但探槽剖面上, 构造楔内充填物质为砾块和砂土混杂堆积, 没有明显的特征差异, 很难辨认出期次, 也未找到炭屑或树枝等AMS样品。沿主断层陡坎前缘快速崩塌堆积的崩积楔和沿裂缝尤其是张裂缝快速充填的充填楔则易于辨认, 如探槽TC1南壁的W2-W4与周边地层界面非常清晰(图4), 探槽TC3北壁的W4明显地沿裂缝充填, 地表裂缝尚未完全填满(图7)。综合探槽TC1、 TC3和TC4揭露的楔形堆积, 大致可分辨出4期(表1): 第1期W1为主断面f1-1与各相向次级断面之间的构造楔型堆积, 堆积物为灰绿色的砾块、 砂土混杂堆积, 未采集到AMS测年样品。第2期W2为楔状充填的含黏土团块、 砾块的深灰色砂黏土, 颜色较深, 在探槽TC1两壁较为清晰(图3, 4), 下伏地层顶部炭屑AMS测年结果为(6, 030± 30)a, BP, 充填楔中炭屑AMS测年结果为(4, 000± 30)a, BP。第3期W3为钢灰色含砾砂土, 颜色发灰, 但较浅, 在探槽TC1南壁较为清晰(图4), 覆于W2之上, 与W2界面清晰, 楔中2个炭屑样品AMS测年结果分别为(6, 290± 30)a, BP与(480± 30)a, BP, 前者应该是快速崩积的团块中样品, 代表早期沉积年龄。第4期W4为沿历史地震裂缝充填的砾块、 砂土, 探槽TC3两壁上较为清晰(图7a), 沿地震裂缝充填有2个较大的砾石, 顶部尚未完全充填, 仍存有裂缝, 并延伸至地表。楔中半腐烂植物碎屑AMS测年结果为(116.1± 0.3)pMC。在探槽TC4两壁, W4也较清晰(图5, 6), 但W2和W3界线不明显, 总体为充填黑土团块的灰-黑色楔状堆积, 楔中炭屑AMS测年结果为(8, 760± 40)a, BP, 可能代表早期地层年代。此外, 探槽TC1和TC3也揭示(图3-6): 主断面f1-1和f1-2之间的断层带内还发育一些次级断面, 意味着可能存在不只一期的构造楔, 但未被识别出。

图4 探槽TC1南壁拼接影像和剖面解释图
1 砾块; 2 砂层; 3 黏土团块; 4 断陷塘型沉积单元序列及地层界线(虚线为推测界线); 5 构造楔形堆积序列及编号; 6 晚更新世冲洪积砂砾层(夹黏土层); 7 早期基岩挤压破碎带; 8 断面及编号; 9 推测断面; 10 裂缝; 11 AMS样品位置及测年结果, 单位为a BPFig. 4 Photographic mosaic(upper)and interpretation log(lower)of the south wall of Trench TC1.

图5 探槽TC4北壁拼接影像和剖面解释图
1 砾块; 2 砂层; 3 黏土团块; 4 断陷塘型沉积单元序列及地层界线(虚线为推测界线); 5 构造楔形堆积序列及编号; 6 晚更新世冲洪积砂砾层(夹黏土层); 7 早期基岩挤压破碎带; 8 断面及编号; 9 推测断面; 10 AMS样品位置及测年结果, 单位为a BP(除标注pMC外)Fig. 5 Photographic mosaic(upper)and interpretation log(lower)of the north wall of Trench TC4.

表1 探槽揭露的地层序列 Table 1 Stratigraphic sequences revealed from the trenches

图6 探槽TC4南壁拼接影像和剖面解释图
1 砾块; 2 砂层; 3 黏土团块; 4 断陷塘型沉积单元序列及地层界线(虚线为推测界线); 5 构造楔形堆积序列及编号; 6 晚更新世冲洪积砂砾层(夹黏土层); 7 早期基岩挤压破碎带; 8 断面及编号; 9 推测断面; 10 裂缝; 11 AMS样品位置及测年结果, 单位为a BPFig. 6 Photographic mosaic(upper)and interpretation log(lower)of the south wall of Trench TC4.

图7 探槽TC3北壁、 TC2东壁拼接影像和剖面解释图
1 砾块; 2 砂层; 3 黏土团块; 4 断陷塘型沉积单元序列及地层界线(虚线为推测界线); 5 构造楔形堆积序列及编号; 6 推测断面; 7 裂缝; 8 AMS样品位置及测年结果, 单位为a BP(除标注pMC外)Fig. 7 Photographic mosaic and interpretation log of the south wall of Trench TC1(upper)and the east wall of Trench TC2.

断陷塘型沉积是探槽剖面揭露的主体地层, 根据其沉积特征、 沉积韵律以及接触关系等, 可划分为7套沉积组合序列S1-S7(表1), 各组合单元基本特征由老到新简述如下:

S1, 浅灰绿色半固结砂砾层, 砾石磨圆度圆-次圆, 顶部局部为层理清晰的深灰色、 黑色黏土。该层分布于槽谷东侧, 与上覆地层S2或S3界面清晰, 尤其是与S3之间呈不整合接触, 界面清晰, 呈斜坡状, 坡面与层理一致, 沿界面具顺坡滑动迹象。顶部黑土层中炭屑样品AMS测年结果为(10, 080± 50)a, BP(图5)。

S2, 深灰色、 黝黑色黏土层, 顶部局部堆积灰绿色含砾块砂层, 与下伏地层S1界面清晰, 与上覆地层S3呈角度不整合接触, 黝黑土中炭屑样品AMS测年结果为(8, 900± 40)a, BP(图5)。

S3, 下部(S3a)为深褐色黏土, 含较多半腐烂、 腐烂木屑, 上部(S3b)为灰绿色含细砾粗砂层与深褐色黏土互层, 层理清晰。该层与上、 下地层呈不整合接触, 界面清晰, 上界面起伏变化较大, 总体呈斜坡状或洼坑状, 靠近断面地层产状较陡或强烈挠曲变形。下部深褐色黏土中2个腐烂小树枝样品的AMS测年结果为(7, 190± 30)a, BP与(7, 500± 30)a, BP(图4, 5); 上部砂层中腐烂小树枝样品的AMS测年结果为(6, 420± 30)a, BP(图5)。

S4, 具明显的由粗到细沉积韵律特征, 底部(S4a)为厚度变化较大的灰绿色粗砂层(S4a), 局部埋藏有较粗的半腐烂树干, 上部为厚约40cm的深褐色黏土层(S4b), 含大量半腐烂树枝、 木屑, 水平清理清晰。该层总体近水平稳定分布, 但因断错变形而不连续, 底界起伏不平。底部粗砂层中半腐烂植物树枝和果壳样品的AMS测年结果分别为(6, 170± 30)a, BP与(6, 160± 30)a, BP(图4, 5)。顶部半腐烂植物果壳样品的AMS测年结果为(5, 470± 30)a, BP(图6)。

S5, 主体(S5a)为1套相对较为稳定且连续、 近水平分布的灰绿色含砾块粗砂层, 厚约60cm, 局部间夹黏土薄层。顶部为浅灰色砂质黏土(S5b), 局部含有机质较多而呈深灰色-黑色, 与下部砂层渐变过渡。下部砂层中4个半腐烂小树枝样品的AMS测年结果分别为(5, 380± 30)a, BP、 (5, 290± 30)a, BP、 (5, 300± 30)a, BP和(5, 070± 30)a, BP(图4, 5, 7), 上部黑土中3个半腐烂小树枝样品的AMS测年结果分别为(1, 440± 30)a, BP、 (3, 010± 30)a, BP与(3, 570± 30)a, BP(图4, 5, 7)。

S6, 中间为厚5~10cm的由半腐烂树枝、 草屑组成的棕褐色半腐烂植物碎屑层(S6b), 呈 “ 牛粪” 状, 非常典型, 分布连续、 稳定。其上(S6c)、 下(S6a)均为灰绿色砂土。在探槽TC1以及TC2北侧, 似 “ 牛粪” 层(S6b)上层底部呈黄褐色, 而探槽TC4以及TC2南侧, 似 “ 牛粪” 层(S6b)下层顶部呈黄褐色。该沉积组合局部呈有规律的波状弯曲, 具冻融作用特点。下部砂土(S6a)中3个半腐烂小树枝样品的AMS测年结果为(780± 30)a, BP、 (590± 30)a, BP与 (560± 30)a, BP(图5)。似 “ 牛粪” 层(S6b)中共采集有5个半腐烂草屑样品, 其中有3个可能是表土中根屑, 非常年轻, 另2个测年结果为(220± 30)a, BP与(170± 30)a, BP(图4, 7)。上部砂土(S6c)中半腐烂小树枝样品的AMS测年结果为(230± 30)a, BP(探槽TC2西壁)。

S7, 表土层, 为含大量植物根屑的砂土, 与S6界线不明显。

2.3 探槽揭露的古地震事件

探槽揭露地层单元S2沉积以来发生过5次地震破裂事件, 主要依据包括:

①沉积单元S3与下伏地层S1、 S2呈不整合接触, S3、 S4、 S5和S6存在明显的沉积间断和不同的变形特征, 反映S2-S6几套地层单元之间有过沉积环境改变或地震事件。

②探槽TC1北壁剖面上(图3), 沿同一断面f7, 沉积单元S4、 S5和S6b的断距明显不同, 各层顶界面的断距依次约40cm、 20cm、 10cm(图7a), 探槽TC4南壁(图6)断面f7以及探槽TC1和TC4揭露的其他一些断错S4-S6的断面也不同程度地显示类似特征, 反映S4沉积后至少有过3次地震破裂事件。

③探槽TC4北壁西侧(图5), 断面f6断错了沉积单元S4, 上覆S5, 也反映S4形成之后、 S5沉积之前有过1次破裂事件。

④探槽TC1南壁(图4), 沿断面f6, 下部沉积层S3清晰地显示沿断面褶曲变形, 而上部S4、 S5和S6不同程度地断错变形, 反映S3和S4之间曾发生过破裂事件。探槽TC1北壁(图3)断面f2以及TC4北壁(图5)断面f2和f3、 南壁(图6)断面f2均断错了S3, 上覆S4, 也反映S3和S4之间有过破裂事件。

⑤探槽TC4南壁(图6)断面f4和f5断错了S2, 上覆S3, 北壁(图5)断面f4断错S2清晰, 而S3中断面不明显, 且S3上部无断错, 反映S3和S2之间发生过破裂事件。

⑥沿主断面附近, 探槽共揭露出4期构造楔、 充填楔等楔形堆积, 也反映探槽地点至少有过4次地震破裂事件。

综合所述, 事件-地层演化序列如下(参看表1):

事件E1, 早期基本顺坡堆积的浅灰绿色半固结砂砾层S1和断塞塘沉积型黝黑色黏土层S2被断错, 沿主断面附近快速充填构造楔W1, 其西侧断陷塘中沉积深褐色含较多半腐烂-腐烂木屑的黏土层S3a、 灰绿色含细砾粗砂层与深褐色黏土互层S3b。探槽TC4北壁(图5)断面f4断错S2、 上覆S3是识别这一事件的主要依据。事件年代由S2顶部地层和W1充填时间或S3底部地层年代限定。

事件E2, 事件E1之后沉积的S3被断错, 于其西侧断陷塘以及支断面附近早期冲沟漫滩堆积或片流堆积灰绿色含砾块粗砂层(S4a), 局部堆积了较粗的树干, 晚期静水沉积含木屑、 树枝较多的深褐色黏土层(S4b)。识别这一事件的主要依据有: 探槽TC1北壁(图3)断面f2、 TC4北壁(图5)断面f2和f3、 南壁(图6)断面f2, 均显示断错了层S3, 而上覆层S4; 探槽TC1南壁(图4)沿断面f6, 层S3呈褶曲变形, 而上部地层则不同程度地断错变形。事件年代由S3顶部地层和S4a底部地层年代限定。

事件E3, 事件E2之后沉积的S4被断错, 沿主断面快速充填楔W2, 于其西侧断陷塘以及支断面附近早期冲沟漫滩堆积或片流堆积灰绿色含砾砂层(S5a), 局部堆积了早期地层团块, 晚期沉积浅灰色、 深灰色砂质黏土(S5b)并土壤化。识别这一事件的主要依据有: 探槽TC4北壁(图5)断面f6断错了层S4, 而上覆S5; 探槽TC1北壁剖面(图3)沿同一断面f7, 层S4和S5断距明显不同。事件年代由S4b顶部地层和W2充填时间或S5a底部地层年代限定。

事件E4, 事件E3之后沉积的S5被断错, 沿主断面快速堆积楔W3, 于其西侧局部低洼地早期冲沟漫滩堆积或片流堆积灰绿色砂层(S6a), 之后静水沉积似 “ 牛粪” 状棕褐色半腐烂植物碎屑薄层(S6b)、 漫滩堆积或片流堆积灰绿色砂层(S6c)。探槽TC1北壁剖面(图3)上层S5和S6沿同一断面f7断距明显不同以及其他探槽壁上的类似特征是识别这一事件的主要依据。事件年代由S5b顶部地层和W3充填时间或S6a底部地层年代限定。

事件E5, 事件E4之后沉积的S6被断错, 沿主断面构造楔快速充填W4, 现代地表接受冲沟漫滩堆积和片流堆积并土壤化。探槽TC3北壁(图7)地表破裂和充填楔W4是识别这一事件的主要依据。事件年代由S6顶部地层和W4充填时间以及历史地震事件限定。

此外, S2和S1之间局部界线非常清晰, 为不整合接触, 可能也存在地震破裂事件, 年代由S2底部地层和S1顶部地层年龄限定, 但因无其他证据支持, 故未计入事件序列。

图8 探槽剖面局部近景与解释图
a 探槽TC1北壁, 沿断面f7, 沉积单元S4、 S5和S6b的顶界断距依次为40cm、 20cm和10cm; b 探槽TC1南壁, 层S3b靠近断面f6强烈褶曲变形, 而之上地层S4、 S5和S6呈不同程度的断错变形; c 探槽TC4北壁, 断面f2、 f3断错了S3a, 上覆S4, 断面f4断错S2, 而S3中断面不明显, 且上部无断错; 1 砂层; 2 沉积单元序列与地层界线(虚线为推测界线); 3 断面及编号; 4 推测断面; 5 断层带; 6 断距Fig. 8 Close shots and interpretation log of local topical partial trench walls.

2.4 古地震事件年代限定

在探槽中采集到了大量的炭屑、 腐烂-半腐烂树枝、 果实和草屑样品, 分3批次共选送了31个样品至美国Beta实验室进行加速器质谱(AMS)测年, 前处理过程中过筛剔除了样品黏附的有机质沉积, 除1个样品因植物碎屑量偏少取消外, 共获得了30个测年结果(表1)。在这30个样品中, 有2个样品的年龄存有疑问, 一个是探槽TC1南壁揭露的构造楔W3中炭屑样品LD25, 测年结果为(6, 290± 30)a, BP, 明显老于其紧邻的半腐烂小树枝样品LD22测年结果(480± 30)a, BP和下伏构造楔样品测年结果, 可能为崩塌团块中样品, 代表早期地层年代; 另一个是纵向探槽TC2西壁似 “ 牛粪” 层S6b上部半腐烂树枝样品LD28, 测年结果为(230± 30)a, BP, 略老于似 “ 牛粪” 层S6b中2个半腐烂草屑样品LD16和LD43的测年结果(220± 30)a, BP与(170± 30)a, BP, 但属于非常年轻样品的测年误差范围。除这2个样品外, 其他样品的测年结果都遵循地层沉积序列。因此, 在采用OxCal, 4.2软件获取探槽中单一样品的校正年龄时, 我们直接将这30个样品的测年结果由老到新排序, 校正结果见表1。考虑到构造充填楔中样品如果来自早期团块, 那就对限定地震破裂事件年代无任何意义, 故在采用OxCal4.2软件限定古地震事件年代时, 我们只采用了断陷塘沉积序列中的23个样品(图9)。通过年龄校正, 探槽揭露的古地震事件在95.4%的可信度下的年龄范围依次为: 事件E1, 8070-6395BC; 事件E2, 5445-5125BC; 事件E3, 4355-4180BC; 事件E4, 625-1240AD; 事件E5, 1725-1905AD。与历史地震对比, 事件E5即1893年乾宁7级地震。由于625-1240AD之间, 尤其是900-1000AD五代十国期间, 四川地区历史上有所记载但又不详的地震颇多, 故事件E4很可能为五代十国期间的1次历史地震, 但尚无明确证据厘定为具体的某次地震。

图9 事件年代OxCal校正结果Fig. 9 Results of OxCal analysis of radiocarbon dates from the trenching site.

2.5 同震位错量

由于时间较久远, 1893年乾宁地震地表破裂遗迹已渐模糊, 前人仅获得2个相对较为可靠的A级精度同震位错量数据: 1.6m和2m(李天祒, 1997)。探槽TC1东端为1个横穿断层槽谷的废弃沟, 但因纵向探槽TC2中未观察到埋藏冲沟而未获得同震位错量。非常幸运的是, 沿探槽揭露的西支断层走向往南距TC4约35m处(图10), 发现1个废弃石垄左旋位错约2.9m, 石块呈有规律地线型摆放, 2壁颇为齐整, 宽度大体一致, 应为人工所堆砌, 可能是1893年同震位错较可靠的标志。也就是说, 探槽地点处, 1893年乾宁7级地震的水平同震位错量约为2.9m。从沉积单元S3-S6的变形程度看, 事件E4与E5(即1893年地震)相当, 而早期事件E2和事件E3的变形程度比E5要大。

图10 石垄左旋位错量测量
a 实测石垄与探槽位置(底图为无人机航拍正射影像), 红虚线示意断层, 蓝框示意探槽位置, 黑框示意图b范围; b 局部放大图, 蓝虚线示意石垄南边界; c 实测石垄照片Fig. 10 Measurement of sinistral displacement on a stone wall.

3 讨论
3.1 与前人资料对比及事件完整性分析

前已述及, 前人由5个探槽和1个自然剖面综合限定获得了乾宁段7次古地震事件, 其中, 全新世以来的5次事件距今时间依次为9, 360~8, 885a、 7, 949~7, 520a、 > (5, 933± 90)a、 (3, 612± 139)a, 以及公元1893年地震(李天祒, 1997)。其中, 距今(3, 612± 139)a事件实际上是取5, 933~1, 292a事件上、 下限年龄平均值的结果。尽管, 前人工作完成于20世纪80年代末至90年代初, 探槽基本仅揭露出主断层及其附近的构造楔、 充填楔或崩积楔等楔状堆积, 但由于探槽数量较多, 采用多探槽校验和逐次限定(毛凤英等, 1995; Ran et al., 2003), 所获得的古地震次数仍可能具有较高的可信度。

如果不进行年龄校正, 本次工作获得的5次事件距今时间依次为8, 900~7, 500a、 6, 420~6, 170a、 5, 470~5, 380a、 1, 440~780a, 以及公元1893年地震(表1)。S2和S1之间的疑似事件距今10, 080~8, 900a。与前人资料对比, 全新世以来的地震破裂事件次数都为5次, 但事件年代则有所出入。其中, 事件E5都是判定为公元1893年地震; 事件E4年代虽有差异, 但具交集, 可能为同一次事件; 而之前的3次事件则差异较大。进一步对比, 本次工作获得的事件E3, 前人资料可能有遗漏, 而事件E4和E5很可能对应前人资料的事件E3和E4, 前人资料的事件E5则对应本次工作揭露的S2和S1之间的疑似事件。

本次探槽工作也显示: 无论探槽TC1还是TC4, 单一探槽剖面都没能识别出完整的事件序列, 但相互补充以及与前人多个探槽结果的对比, 距今约9, 000a以来的5次事件其序列可能是完整的。需要指出的是, 鲜水河断裂带炉霍段157a里相继发生过1816年炉霍 7 12级和1973年炉霍7.6级地震, 道孚段77a里发生过1904年道孚7级、 1923年道孚倡促7.3级和1981年道孚6.9级等3次地震, 这种几十年尺度的大震复发间隔, 古地震研究能否分辨依然存疑。

3.2 乾宁段大震复发行为讨论

前人资料认为乾宁段的古地震重复间隔的时间无明显规律, 而全新世以来重复间隔的时间应> 1, 500a(李天祒, 1997)。本次工作获得的5次古地震事件经OxCal, 4.2软件校正后的年代依次为: 8070-6395BC、 5445-5125BC、 4355-4180BC、 625-1240AD和1893年乾宁地震, 以中值表示依次为: (9, 180± 1, 000)a, BP、 (7, 230± 170)a, BP、 (6, 235± 90)a, BP、 (1, 020± 370)a, BP和57a, BP, 相应的复发间隔依次约为: 2, 000a、 1, 000a、 5, 200a、 1, 000a。尽管重复间隔值存在误差, 但至少反映了乾宁段的古地震复发行为并不遵循准周期复发模式, 早期复发间隔约1, 000~2, 000a, 至4355-4180BC事件后, 有过5, 000a左右时长的平静期, 之后又进入活跃期, 1, 000a, BP左右以来发生了2次地表破裂型大震。从断陷塘型沉积序列的变形程度看, 早期事件的地表变形程度明显高于最新的2次事件, 反映了最新2次事件的震级可能有所降低。

4 结论

(1)鲜水河断裂带乾宁段距今约9, 000a以来发生过5次(古)地震事件, 事件年代依次为8070-6395BC、 5445-5125BC、 4355-4180BC、 625-1240AD和1893年乾宁地震。1893年乾宁地震在探槽附近的同震左旋位错量约2.9m。

(2)乾宁段的大震复发行为并不遵循准周期复发模式, 早期复发间隔约1, 000~2, 000a, 至4355-4180BC事件后, 有过5, 000a左右时长的平静期, 之后又进入活跃期, 1, 000a, BP左右以来发生了2次地表破裂型大地震, 最新2次事件的震级可能有所降低。

需要指出的是, 鲜水河断裂带炉霍段157a里相继发生过1816年炉霍 7 12级和1973年炉霍7.6级地震, 道孚段77a里发生过1904年道孚7级、 1923年道孚倡促7.3级和1981年道孚6.9级等3次地震, 这种几十年尺度的大震复发间隔, 古地震研究能否分辨依然存疑。

致谢 野外工作得到了冉勇康研究员的悉心指导以及甘孜州防灾减灾局、 道孚县防灾减灾局的大力支持和帮助, 邓起东院士和评审专家对论文修改给出了非常好的指导意见和建议, 在此致以衷心感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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