引用本文
黄雄南, 杨晓平, 杨海波. 佛洞庙-红崖子断裂古地震事件[J]. 地震地质, 2018,40(4): 753-772.
HUANG Xiong-nan, YANG Xiao-ping, YANG Hai-bo. STUDY ON PALEOEARTHQUKES ALONG THE FODONGMIAO-HONGYAZI FAULT, GANSU PROVINCE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(4): 753-772.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.04.003
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佛洞庙-红崖子断裂古地震事件
黄雄南, 杨晓平, 杨海波
中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029

〔作者简介〕 黄雄南, 男, 1974年生, 2003年于北京大学获构造地质学专业博士学位, 副研究员, 现主要从事构造地质学研究, 电话: 010-62009170, E-mail: xiongnan_h@sohu.com。

收稿日期: 2017-11-15
基金项目: 中国地震活动断层探察: 南北地震带北段项目(20140823)和国家自然科学基金(41572195)共同资助
摘要

佛洞庙-红崖子断裂位于祁连山北缘断裂带中段, 是1条活动逆断裂。在佛洞庙-红崖子断裂东、 中、 西各段落开挖整理了5个探槽。通过探槽揭示的各地层单元的沉积特征、 各单元之间的层序关系以及断层对不同地层的切割关系, 共辨认出了4次古地震事件。根据探槽中各地层单元的14C样品和光释光样品测年结果, 对4次古地震事件给出了年龄制约: 最早事件E4发生在距今约10.6ka, 事件E3发生在距今约7.1ka, 事件E2发生在距今约3.4ka, 事件E1为1609年红崖堡地震。这4次地震事件的间隔分别约3.5ka、 3.7ka和3.0ka, 平均复发间隔约3.4ka, 具有准周期重复特征。

关键词: 古地震; 佛洞庙-红崖子断裂; 祁连山北缘
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)04-0753-20
STUDY ON PALEOEARTHQUKES ALONG THE FODONGMIAO-HONGYAZI FAULT, GANSU PROVINCE
HUANG Xiong-nan, YANG Xiao-ping, YANG Hai-bo
Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology,China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

The Fodongmiao-Hongyazi Fault is a Holocene active thrust fault, belonging to the middle segment of northern Qilianshan overthrust fault zone, located in the northeastern edge of the Tibet plateau. The Hongyapu M7 ¼earthquake in 160 9 AD occurred on it. A few paleo-seismology studies were carried out on this fault zone. It was considered that four paleoearthquakes occurred on the Fodongmiao-Hongyazi Fault between(6.3±0.6)ka BP and(7.4±0.4)ka BP, in(4.3±0.3)ka BP, in(2.1±0.1)ka BP and in 1609 AD. The occurrences of the earthquakes suggested the quasi-periodic characteristic with a quasi-periodic recurrence interval between 1 600~2 500a(Institute of Geology, State Seismological Bureau, Lanzhou Institute of Seismology, State Seismological Bureau. 1993;Liu et al., 2014). There was no direct evidence for the Hongyapu M7 ¼ earthquake in 1609 AD from trench research in the previous studies. Great uncertainty exists because of the small number of the chronology data, as a few TL and OSL measurement data and several14C data, and it was insufficient to deduce the exact recurrence interval for the paleoearthquakes.
Five trenches were excavated and cleared up respectively in the eastern segment, middle segment and western segment along the Fodongmiao-Hongyazi Fault. After detail study on the trench profiles, the sedimentary characteristics, sequence relationship of the stratigraphical units, and fault-cuts in different stratigraphical units were revealed in these five trenches. Four paleoearthquakes in Holocene were distinguished from the five trenches, and geology evidences of the Hongyapu M7¼ earthquake in 1609 AD were also found.
More accurate constraint of the occurring time of the paleo-earthquakes since Holocene on the Fodongmiao-Hongyazi Fault is provided by the progressive constraining method(Mao and Zhang, 1995), according to amounts of14C measurement data and OLS measurement data of the chronology samples from different stratigraphical units in the trenches. The first paleoevent, E4 occurred 10.6ka BP. The next event, E3 occurred about 7.1ka BP. The E2 occurred about 3.4ka BP. The last event, E1 is the Hongyapu M7¼ earthquake in 1609 AD.
Abounds of proofs for the occurrences of the events of E1, E2 and E3 were found in the trench Tc1, trench Tc2, trench Tc4 and trench Tc3, located in the eastern, middle and western segments of the Fodongmiao-Hongyazi Fault accordingly. It's considered that the events E1, E2 and E3 may cause whole segment rupturing according to the proofs for these three events found together in individual trenches. The event E4 was only found in the trench Tc5 profile in the west of the Xiaoquan village in the eastern segment of the Fodongmiao-Hongyazi Fault. The earthquake rupture characteristics of this event can’t be revealed before more detailed subsequent research.
The time intervals among the four paleoearthquakes are ca 3.5ka, ca 3.7ka, and ca 3.0ka. The four events are characterized by ca 3.4ka quasi-periodic recurrence interval.

Keyword: paleoearthquake; Fodongmiao-Hongyazi Fault; Northern Qilianshan
0 引言

佛洞庙-红崖子断裂位于青藏高原东北缘祁连山北缘断裂带的中段, 是酒东盆地和祁连山的分界断层, 为全新世活动的逆冲断裂, 局部兼具走滑分量。沿该断裂于1609年发生了红崖堡 7¼ 级地震(国家地震局地质研究所等, 1993; 陈文彬, 2003; 郑文俊, 2009; Xu et al., 2010; 刘兴旺等, 2011, 2012, 2014; 杨海波等, 2017)。

前人曾在佛洞庙-红崖子断裂开展过少量古地震研究。国家地震局地质研究所等(1993)在断裂东段, 小泉村西冲沟的SE壁开挖剖面, 揭露了2条W倾E冲的逆断层。其中, 西侧断层F1(360° /W∠45° )顶端下盘有崩积楔, 其底部粉砂土热释光年龄为距今(4 320± 300)a, 东侧断层F2(350° /SW∠40° )顶端下盘的粉砂土崩积楔, 其底部热释光年龄为距今(2 100± 100)a, 其NE侧为1609年红崖堡地震陡坎, 高1m余。根据以上证据, 认为大震平均重复间隔为1i925a。刘兴旺等(2014)通过洪水坝河、 马营河和小泉村等地的3个探槽剖面分析断裂上的古地震事件, 辨认出2次古地震事件, 事件I为1609年红崖堡 7¼ 级地震, 事件Ⅱ 的年代为距今(6.3± 0.6)kaiBP至(7.4± 0.4)kaiBP之间(光释光测年)。刘兴旺等(2014)引用了国家地震局地质研究所等(1993)的结论, 认为佛洞庙-红崖子断裂在(4.3± 0.3)kaiBP和(2.1± 0.1)kaiBP各有1次古地震事件, 断裂古地震可能具有准周期复发的特征, 复发间隔为1i600~2i500a左右。

在前人研究中, 未在探槽或者人工剖面中找到1609年红崖堡 7¼ 级地震的年代学证据; 事件定年利用的年代学数据较少(少量热释光、 光释光测年和个别14C测年数据)(国家地震局地质研究所等, 1993; 刘兴旺等, 2014), 对事件发生时间的限定存在较大不确定性, 对复发间隔划分的证据不充分。

我们在佛洞庙-红崖子断裂的不同段落, 开挖探槽或者清理前人的探槽剖面, 辨认与古地震相关的构造与沉积, 并用光释光和14C测年法限定事件, 同时结合地形地貌分析, 确认全新世以来的古地震事件。利用古地震逐次限定法(毛凤英等, 1995), 给出佛洞庙-红崖子断裂全新世以来古地震复发间隔的较精确制约。

1 地质概况

佛洞庙-红崖子断裂西起于甘肃酒泉洪水坝河佛洞庙, 西至肃南县摆浪河支流西岔沟, 总体NW-SE走向, 呈向NE突出的弧形, 全长约110km。断裂为全新世活动断层, 沿断裂断续分布发育0.5m至上百m高的断层陡坎或陡崖, 出现在除了洪水期仍然过水的现代地貌面之外的各期地貌面上。

断裂按平面几何形态、 地层切割关系可以分为3段。西段, 洪水坝河到红山村一带, 断层迹线近平直; 断层表现纯逆冲, 上盘出露地层主要为新近系泥岩和砂岩; 洪水坝河河岸剖面揭示断层S倾, 倾角约40° 。中段, 从红山村东到马营河, 断层平面几何形态似犬牙状参差不齐; 断层表现为纯逆冲, 上盘出露古生代花岗岩体; 地震反射剖面揭示断层S倾, 倾角25° ~35° (Zuza et al., 2016)。西段, 马营河到西岔沟, 平面上出现显著拐折, 近SN走向的段落表现为逆冲兼右旋走滑, 其余段落逆冲, 上盘出露地层主要为志留系变质砂岩和泥岩; 马营河附近的地震反射剖面显示断层S倾, 倾角45° , 小泉村东的地震反射剖面显示断层为S倾, 倾角约30° (Zuza et al., 2016)。

我们沿佛洞庙-红崖子活动断裂, 从东到西, 开挖、 清理了5个探槽, 分别位于东段的小泉村西(Tc5)、 马营河西岸(Tc1和Tc2)、 中段的黄草坝(Tc4)和西段的洪水坝河地区(Tc3)(图1)。

图1 佛洞庙— 红崖子活动断裂探槽位置分布图(据杨海波等, 2017)Fig. 1 Active fault distribution and trenches location along the Fodongmiao-Hongyazi Fault.

2 小泉探槽(Tc5)
2.1 探槽附近的构造地貌特征

小泉探槽位于胡家台背斜东侧1条长约11km、 NNW走向的断裂上(图1的Tc5和图2a的点150781)。Xu等(2010)将其定义为小泉段, 发育1609年红崖堡 7¼ 级地震的同震地表变形带。该断裂段具有右旋走滑分量(国家地震局地质研究所等, 1993)。小泉村西, T3阶地侵蚀斜坡上的冲沟原本应该在沟口向N侧低处会聚, 但多条小冲沟却在沟口内侧附近一致表现为向S偏移(图2b, c), 指示了断裂的右旋运动特征。野外测量表明, 小泉断裂段最新1期陡坎高度约1m, 右旋走滑位错的最小值为1.2~1.6m(图2c)。

图2 小泉村西Tc5探槽附近地貌特征
a 小泉村附近的地貌解译图(影像来源于Google Earth), 点150781即探槽Tc5的位置; 1 中更新世冲洪积扇, 2 晚更新世早-中期洪积扇, 3 晚更新世晚期冲洪积扇, 4 全新世早期冲洪积扇, 5 全新世早-中期冲洪积扇, 6 全新世晚期冲洪积扇, 7 现代冲洪积扇, 8 活动逆冲断层, 9 活动逆走滑断层, 10 推测断层, 11 冲沟水系; b 探槽附近地貌解译(影像来源于Google Earth), 图例同a; c 探槽位置野外照片。探槽位于小泉河T3前缘, 形成于阶地之上的小冲沟在断层陡坎附近被右旋扭动, “ 1.5m、 1.4m” 等为走滑位错量, 镜向W; d 探槽位于全新世早-中期冲积扇(A5a)上, 与T3侵蚀坡相邻, 坡度较陡, 镜向W; e 探槽东侧人工取土剖面上, 未观察到断层, 镜向SFig. 2 Landforms features along the active fault near the trench Tc5.

在1条较大的冲沟口、 跨约4m高的陡坎开挖探槽Tc5(图2d), 与刘兴旺等(2014)清理的冲沟壁剖面相接形成图3c所示的探槽地质剖面。其东侧有当地村民的取土坑(图2e)。

图3 小泉村西Tc5探槽照片与地质剖面
a 探槽Tc5南壁照片, 镜向S; b 冲沟壁(刘兴旺等(2014)开挖的剖面)照片, 镜向S; c 剖面解译; 地质剖面的东段为探槽Tc5南壁的解释, 西段连接了刘兴旺等(2014)等开挖的剖面(剖面略有修改, 年龄样品位置为原图位置); 剖面地层单元见正文内容。探槽解译剖面(图c虚线框内)中, 黑色三角形标注的样品为14C样品, 测试结果经树轮校正(2σ ), 测试单位为美国Beta实验室; 其他年龄样品为光释光样品, 测试单位为地震动力学国家重点实验室; 下文各剖面的年龄样品标注同上Fig. 3 Photo and geology profile of the trench Tc5, west of the Xiaoquncun.

2.2 探槽内揭露的地层与古地震事件

探槽和相邻的冲沟壁剖面揭露出15套地层和3组向E逆冲的断层(图3)。在探槽东侧的取土坑剖面没有观察到断层存在(图2e)。

地层描述如下:

层①: 松散黄土夹少量砾石, 风积层;

层②: 含砾粉砂, 坎前风成堆积;

层③: 无序的团块状含砾石粉砂, 崩积楔;

层④: 近水平层理的暗色粉砂, 含零星小砾石, 风积层;

层⑤: 具有近水平层的砾石堆积, 砾石分选差, 小型冲积扇;

层⑥: 黄色含砾粉砂, 夹薄层、 透镜状的细砾石堆积, 冲积砂土层;

层⑦: 发育层理的砂、 砾石堆积, 层理向E缓倾, 砾石分选较差, 河流相沉积;

层⑧: 含少量砾石的粉砂, 风积层;

层⑨: 砂、 砾石堆积, 冲积层;

层⑩: 夹细砾石透镜体的粉砂, 冲积砂土层;

层⑪: 发育层理的砂、 砾石堆积, 层理E倾, 有少量较大砾径(> 20cm)的砾石, 夹薄砂层, 河流相沉积;

层⑫: 为较密实黄土, 冲积砂土层;

层⑬: 为断层变形带, 砾石定向;

层⑭: 含较多大砾石的砂砾石透镜, 杂乱堆积, 小型冲积扇;

层⑮: 发育层理的砂砾石层, 层理E倾, 以中、 细砾石为主, 砂土较少, 河流相沉积。

可以从探槽剖面辨认出3次古地震事件。

覆盖在断层f1上的层③为崩积楔, 为无序的团块状含砾石粉砂, 明显不同于周围较为均匀的风积层层②和层④, 代表最新的地震事件E1。层②是事件E1之后的坎前风成堆积。层②和层③未获得年龄数据制约。小泉断裂段在1609年红崖堡 7¼ 地震中有明显的地表变形, 14C测年为 (1 910± 115)aiBP的冲积扇上陡坎高约1m(Xu et al., 2010), 探槽中揭示的最新事件E1可能是这次地震。

层④位于层③之下, 样品Tc5-OSL-4光释光测年结果为(7.1± 0.6)ka, 与上盘层⑧的年龄接近(14C测年结果(7.7± 0.1)kaiBP, 刘兴旺等, 2014)。层④和层⑧成分、 结构相近, 推测为被断错的同一地层。层⑤砾石堆积被层④覆盖, 西侧与断层f1相接, 西厚东薄, 呈楔形, 以大砾石为主, 且杂乱堆积, 反映1次快速堆积事件。层⑤覆盖在层⑥之上, 后者14C测年结果为距今9i202~9i077a(Tc5-2, 树轮校正), 光释光测年结果为(9.6± 1.3)kaiBP(Tc5-OSL-1)。层⑥年龄和上盘层⑩成分、 结构相近, 年龄相近(层⑩的14C测年结果(9.6± 0.1)kaiBP, 刘兴旺等, 2014), 可能为被断错的同一层位。

在西侧的冲沟壁剖面, 至少可以分辨出2次古地震事件。断层f2切错了层⑩、 层⑪(内部砂体14C年龄为距今12.2ka, 刘兴旺等, 2014)和层⑭, 被层⑧和层⑨覆盖。层⑭是以大砾石为主的砂砾石杂乱堆积, 层理近水平, 明显不同于层⑪, 可能代表了1次快速堆积事件, 该事件发生在9.6~12.2kaiBP之间, 可能为1次古地震事件。事件之后堆积了约0.5m厚的黄土— — 层⑩。断层f2切错该层黄土, 被层⑨和层⑧(7.7kaiBP, 刘兴旺等, 2014)覆盖, 这次断错事件可能发生在9.6~7.7kaiBP之间, 代表着另一次古地震事件; 与层⑤代表的事件时间(7.1~9.2kaiBP)重合。

更西侧的断层f3断错了层⑫和层⑮, 上断点接近地表, 仅被松散黄土层①覆盖。该断错事件缺少年龄制约。层⑧向西尖灭覆盖在层⑫上, 发生弯曲变形, 但与断层f3关系不清。

剖面所在位置坡度较陡, 可能由于侵蚀而导致保留的事件不完整。9.6~7.7kaiBP的事件与最新的1609年事件之间间隔达6i000a, 不排除之间有事件漏记。

3 马营河西岸探槽(Tc1、 Tc2)

在马营河胡家台背斜北翼, 夹山子北侧, 发育着近EW走向的断层陡坎(图1)。该陡坎长约5km, 在马营河两岸T5和T6阶地上都有表现。尽管该陡坎未和小泉断裂段直接相接, 但是平面分布明显不同于中段(位于胡家台背斜南且沿山前连续出露), 应归于佛洞庙-红崖子断裂东段。

刘兴旺等(2014)在马营河西岸的T5阶地和T6阶地上曾各开挖了1个探槽。我们对这2个探槽重新开挖整理, 并进行详细的分析和采样。探槽位置见图4。

图4 马营河西岸探槽分布图
马营河西岸T5和T6阶地上探槽Tc1和Tc2的位置以及地貌解译图, 红线为断层陡坎迹线。影像来源于Google EarthFig. 4 Trenches location on the western bank of the Maying River.

3.1 Tc1探槽揭露的地层和古地震事件

由于有后期侵蚀和堆积作用, 马营河西岸T5阶地上的断层陡坎高度并不一致, 在 1.5~2.6m之间。探槽Tc1跨高约1.7m的陡坎开挖, 走向20° (图5)。

图5 马营河西岸Tc1探槽剖面(西壁)
a 探槽Tc1西壁照片; b 探槽所跨陡坎的地形剖面; c 探槽西壁解译图。地层单元说明见正文Fig. 5 Photo and geology profile of the western wall of the trench Tc1.

探槽揭露出8套地层和3组断层(图5b)。地层分别为:

层①: 表层松散黄土, 夹少量砾石, 风积层;

层②: 黄土-粉砂, 风成堆积;

层③: 含细、 粉砂团块的黄土, 崩积楔;

层④: 均匀粉砂, 风成堆积;

层⑤: 含细、 粉砂团块的黄土, 崩积楔;

层⑥: 均匀密实黄土, 风积层;

层⑦: 夹砂层或者砂透镜体的砾石堆积, 河流相;

层⑧: 坎前小冲沟砾石堆积。

断层f1发育在层⑦之内。断层f2断错层⑦和层⑥, 被层⑤覆盖。断层f3断错了层⑦、 层⑥、 层⑤和层④, 被层③覆盖。

可分辨出2次古地震事件。事件E1表现为崩积楔层③, 覆盖在层④灰色的古土壤层之上; 崩积楔为无层序的黄土, 夹细砂、 粉砂团块, 明显不同于周围相对均匀且发育mm级细层纹的风积层。层④底部很薄的古土壤中采集到的炭样Tc1-9的测年结果为1458— 1531AD(41.3%)或1539— 1635AD(54.1%)(树轮校正), 推测此次事件为1609年红崖子 7¼ 级地震。另一次事件E2, 证据为崩积楔层⑤ 覆盖在层⑥(上部黄土样品Tc1-OSL-3光释光测年结果为 (4.4± 0.3)kaiBP), 表明该事件发生在4.4kaiBP之后; 层⑤在事件E1中被断层f3断错。

探槽中2次事件总垂直位移约1.5m(图5), 与探槽附近断层陡坎的高度基本一致, 说明探槽中记录的事件完整。古地震位错历史恢复出2次古地震事件(图6), 与前文分析结论一致。

图 6 探槽Tc1古地震位错历史恢复图
a 现在状态; b 风积层②形成, 随后陡坎遭受部分侵蚀, 局部有冲沟砾石堆积(层⑧); c 崩积楔层③形成; d 断层f3向上突破地表, 切错层⑤和层④; e 陡坎遭受部分侵蚀之后, 其上沉积风积层④; f 崩积楔层⑤形成, 可能层⑤由下部的崩积楔5A和上部的坡积物5B(以黑色断线为界)组成, 由于保留不完整且皆为相对均匀的黄土, 之间界线不清; g 断层f2向上突破地表, 切错层⑥; h 可能的原始状态Fig. 6 Restoration of the western wall of the trench Tc1.

3.2 Tc2探槽揭露的地层和古地震事件

Tc2探槽位于马营河西岸与探槽Tc1相邻的T6阶地上。探槽跨阶地上的断层陡坎, 坎高2.4m(图8c)。探槽中揭露出9套地层和4条断层(图7, 8)。

图7 马营河Tc2探槽东壁剖面
a 探槽Tc1东壁照片, 镜头向E; b 探槽东壁解译图。地层单元说明见正文Fig. 7 Photo and geology profile of the eastern wall of the trench Tc2.

图8 马营河Tc2探槽西壁剖面
a 探槽Tc2西壁照片, 镜向W; b 探槽所跨陡坎的地形剖面; c 探槽西壁解译图。地层单元说明见正文Fig. 8 Photo and geology profile of the western wall of the trench Tc2.

地层特征分别描述如下:

层①: 松散黄土, 气孔发育, 夹大量的草根, 风积层;

层②: 黄土夹少量细砂, 发育微小气孔, 局部可见mm级的水平纹层, 风积层;

层③: 黄土, 夹含细砾的细、 粉砂团块, 崩积楔;

层④: 松软黄土、 粉砂夹极少量棱角状细砂粒, 含极少量的微粒石膏结核, 局部可见mm级的水平纹层, 风积层;

层⑤: 黄土, 夹含细砾的细、 粉砂团块, 崩积楔;

层⑥: 松软黄土夹少量粉、 细砂, 含微量的石膏微粒结核, 风积层;

层⑦: 松软的黄土夹含细砾的细、 粉砂团块, 崩积楔;

层⑧: 上部, 厚约0.5m, 为松软黄土, 含少量石膏微粒结核, 夹少量棱角状的细砂、 粗砂, 与层⑦的边界在局部表现为粉砂薄层; 下部, 厚约0.5m, 较坚硬的黄土或黄土+粉砂, 夹含棱角状中、 粗砂的粉砂-细砂层或透镜, 底部夹磨圆砾石, 局部有微量钙结核。上部为风积层, 下部可能为冲积砂土层;

层⑨: 砾石层, 河流相沉积。

4条断层在探槽两壁位置略有差异。在东壁(图7), 由南向北 4条断层依次为: f3(断错层⑤、 ⑦、 ⑧、 ⑨, 被层③覆盖), f2(断错层⑦、 ⑧、 ⑨, 被层⑤覆盖), f1(断错层⑧、 ⑨, 消失在层⑦底部), f4(断错层⑧、 ⑨, 向上并入到f1内)。探槽西壁(图9), 由南向北 4条断层依次为: f1(断错层⑧、 ⑨, 被层⑦覆盖), f3(断错层⑤、 ⑦、 ⑧、 ⑨, 被层③覆盖), f2(断错层⑦、 ⑧、 ⑨, 被层⑤覆盖), f4(只出现层⑧和层⑨内)综合探槽东、 西壁出露的地质现象, 可以分辨出3次古地震事件。

图 9 马营河Tc2探槽古地震位错历史恢复示意图
a 现在状态; b 在崩积楔层③A之上沉积坎前坡积层③B(因为皆表现为较均匀的黄土, 3A和3B之间界线不清), 层②沉积, 随后陡坎遭受部分侵蚀; b 崩积楔层③(3A)形成; d 断层f3向上突破地表, 切错层⑤和层④; e 崩积楔层⑤形成, 层④沉积; f 断层f2向上突破地表, 切错层⑥和层⑦; g 在崩积楔层⑦A之上沉积坎前坡积层⑦B(因为皆表现为较均匀的黄土, 7A和7B之间界线不清), 层⑥沉积; h 崩积楔层⑦(7A)形成; i 断层f1切层⑨和层⑧, 突破地表; j 可能的原始状态Fig. 9 Restoration of the eastern wall of the trench Tc2.

事件E1, 形成崩积楔层③, 与断层f3向上突破有关。层③崩积楔表现为较松散的黄土, 夹含细砾的细、 粉砂团块, 无水平层纹, 明显不同于相邻的层②风积层。西壁层③中获得2个14C测年结果: Tc2-1, 425— 595iAD(即1i592~1i422aiBP, 树轮校正); Tc2-3, 265— 275AD(1i752~1i742aiBP)或330— 420iAD(1i687~1i597aiBP)。2个光释光测年样品Tc2-OSL-3和MYH16W-3结果分别距今(6.0± 0.5)ka和(2.5± 0.2)ka。这些混合的年龄数据与该地层单元是崩积楔有关, 表明E1事件发生在595AD之后。层③没有被断层错断, 它应该是本探槽中揭露出的最新1次事件, 推测为1609年红崖子 7¼ 级地震。

事件E2, 与断层f2的运动有关, 形成崩积楔层⑤。崩积楔层⑤也表现为无明显层纹的较松散黄土, 夹少量含细砾的细、 粉砂团块, 其南侧被断层f3切错。层⑤不整合在发育近水平层纹的层⑥风积层(东壁测得释光年代为距今(5.1± 0.4)ka)上, 被风积层层④覆盖(光释光年龄(3.5± 0.2)ka), 该事件可能发生在距今5.1~3.5ka。

事件E3与断层f1运动有关, 形成崩积楔层⑦。崩积楔表现松软的黄土夹含细砾的细、 粉砂团块, 无层序, 被断层f2切错。崩积楔覆盖在层⑧(西壁测得14C为距今10i012~10i267a, 东壁层⑧上部释光测年结果为距今7.0~8.5ka), 被层⑥覆盖, 该事件可能发生在距今5.1~7.0ka。

探槽中3次事件形成的总垂直位移(层⑨顶部总位错量)为2.2m(东壁)~2.6m(西壁), 探槽附近的断层陡坎高度为2.4m(图8c), 二者接近一致, 说明探槽揭露的事件完整。

古地震位错历史恢复, 识别出3次古地震事件, 与上文分析一致(图9)。

4 黄草坝探槽(Tc4)
4.1 黄草坝河口断错地貌

黄草坝河口西岸T3— T1阶地皆被近EW走向断裂断错(图10)。其中T1阶地面被断错形成3条陡坎, 断层陡坎高度由南向北依次为1.4m、 1.6m和0.9m(图11, 12)。在T1阶地西侧发育1条古冲沟, 冲沟阶地(T1a)也被断层断错。在相当于T1中间陡坎(1.6m)的位置, 冲沟阶地T1a陡坎高约0.8m(图12)。跨该陡坎, 开挖探槽Tc4。

图10 黄草坝河口地貌解译
1 阶地T5; 2 阶地T3; 3 阶地T2; 4 T1; 5 T1a为高漫滩或T1上的古冲沟阶地; 6 T0为漫滩和河床; 7 断层陡坎。影像来源于Google EarthFig. 10 Offset landforms in the Huangcaoba River site.

图11 黄草坝河口西岸T1阶地地貌特征
T1阶地出现3级断层陡坎, 由北向南分别高0.9m、 1.6、 1.4m(镜向S)。T1阶地的西侧古冲沟(弃沟)阶地也保留有断层陡坎, 其中对应T1阶地上的中间陡坎、 相邻弃沟阶地T1a的陡坎高约0.8mFig. 11 Landform features of the T1 terrace, west bank of the Huangcaoba River.

图12 黄草坝探槽Tc4照片和解译图
a 探槽东壁照片, 镜向SEE; b 探槽东壁解译图Fig. 12 Photo and geology profile of the eastern wall of the trench Tc4.

4.2 探槽Tc4揭露的地层和古地震事件

探槽Tc4揭露出11套地层和1条向北逆冲的断层(图12)

地层描述如下:

层①: 黄色含细砾石的松散粉砂, 风积层;

层②: 大砾石、 黄褐色的粉砂与粗砂、 细砾石混杂堆积, 崩积楔;

层③: 含细砾石粗砂, 局部有土壤, 混杂结构, 可能是残存崩积楔;

层④: 含大砾石的灰绿色砂砾石堆积, 河流相沉积;

层⑤: 黄土夹粉、 细砂, 夹少量薄层粗砂, 底部为薄层的褐色粗砂, 冲积砂土层, 漫流沉积;

层⑥: 层纹状细砂-粉砂夹薄层状、 透镜状含细砾石粗砂或中粗砂, 冲积层, 漫流沉积;

层⑦: 灰绿色含中、 小砾石的细砾石堆积, 顶部有黑色的古土壤层, 冲积层, 冲沟沉积;

层⑧: 褐色的中粗砂层, 冲积层, 漫流沉积;

层⑨: 夹无定向砾石的黄色中细砂, 内部有黑褐色无规则细砂脉(砂土液化)。崩积楔;

层⑩: 灰绿色含中、 小砾石的粗砂、 细砾石堆积, 顶部有黑色的古土壤层, 冲积层;

层⑪: 韵律薄层状黄褐色粉砂, 夹含砾粗砂; 粉砂揉皱, 粗砂无规则脉状。可能是河流堆积中发生砂土液化的砂土夹层;

断层S倾, 倾角20° , 断错了除层①、 层②之外的所有地层, 造成砾石堆积层④的顶面断错1.6m, 与T1陡坎高度一致。

探槽中可以分辨出2次古地震事件。事件E1形成崩积楔层②, 表现为砾石、 粗砂和粉砂的混杂堆积。崩积楔覆盖的层⑤(黄土层)采获炭粒(HCB16-1), 测试结果为1190— 1275AD(树轮校正), 推断事件E1为1609年红崖子 7¼ 级地震。

崩积楔层⑨是古地震E2的产物, 也表现混杂堆积的特征, 黄色中细砂夹无定向的砾石, 内部有黑褐色无规则细砂脉(在事件E1中砂土液化)。层⑨堆积在层⑩(14C年龄为3i147~3i397a)之上, 被层⑦(14C年龄为1i622~1i777a)覆盖。E2发生在距今1i622~3i397a之间(图12)。

位错历史恢复表明, 冲沟剖面经历2次古地震事件(图13)。

图13 探槽Tc4古地震位错恢复示意图
a 现在状态, 层①沉积; b 崩积楔层②形成, 随后陡坎遭受部分侵蚀; c 断层向上突破地表, 切错层⑤~层⑨; d 层⑤~层⑧沉积; e 崩积楔层⑨形成, 随后陡坎遭受部分侵蚀; f 断层向上突破地表, 切错层⑩; g 可能的原始状态Fig. 13 Restoration of the eastern wall of the trench Tc4.

5 洪水坝探槽(Tc3)
5.1 探槽附近的断错地貌

洪水坝河河口东岸地区T5阶地(相当于区域上的晚更新世A3期洪积扇)断层陡坎高17~20m。由于流水侵蚀改造, T5阶地被侵蚀且堆积了后期的冲洪积扇, 包括: 全新世早期的A4冲洪积扇、 全新世早-中期冲洪积扇A5a、 全新世中-晚期的冲积扇A5b和现代冲洪积物A5c。除了A5c, 其余的后期冲洪积扇上都发育有断层陡坎, 高度从0.4~5m不等。

刘兴旺等(2014)曾在洪水坝河东岸T5阶地开挖过1个探槽(位置见图1的Tc3和图14的Tc3)。探槽两侧断层陡坎高度为0.4~0.8m, 所在地貌面为叠加在T5阶地上的A5b期冲积扇。我们重新开挖、 整理了这个探槽(Tc3)。

图14 洪水坝河东岸探槽Tc3附近地貌解译
洪水坝河东岸探槽Tc3附近地貌解译, 遥感影像来源于Google Earth。1 洪水坝河T5阶地; 2 A4期冲洪积扇; 3 A5a期冲洪积扇; 4 A5b期冲积扇; 5 现代冲沟及其堆积物; 6 断层陡坎迹线; 7 地形剖面位置(剖面见图15b)Fig. 14 Offset landforms near the trench Tc3, east bank of the Hongshuiba River.

5.2 探槽中揭露的地层和古地震事件

探槽Tc3揭露出9套地层和2条S倾的逆冲断层(图15)。地层特征描述如下:

层①: 表层松散黄土, 风积层;

层②: 粉砂、 细砂-粉砂, 发育极细层纹。坎前风成堆积;

层③: 砂、 砾石与黄土、 粉砂混杂。崩积楔;

层④: 含粉砂的黄土, 零星细砾石, 风积夹片流沉积;

层⑤: 均匀粉砂。坎前风成堆积;

层⑥: 混有砾石团块的粉砂。崩积楔;

层⑦: 含细砾石的细、 粉砂和黄土, 局部夹含细砾石的细砂或者细砂细砾石透镜体-薄层。风积夹片流沉积;

层⑧: 含细砾石的粉砂。坎前风成堆积;

层⑨: 含砾石的粉砂, 混有砾石团块。崩积楔;

层⑩: 含砾石的黄色粉砂, 冲积砂土层;

层⑪: 夹砂层或者砂透镜体的砾石堆积; 层⑪a: 含黏土中— 粗砂。河流相沉积, ⑪a为局部砂体;

层⑫: 砂砾石堆积, 分选明显优于层⑪, 层理更为显著。河流相沉积。

图15 洪水坝河Tc3探槽东壁剖面
a 探槽东壁照片, 镜头向SEE; b 探槽东壁解译图; c 探槽东侧地形剖面Fig. 15 Photo and geology profile of the eastern wall of the trench Tc3.

断层带f1出现相对北侧, 错断了层⑥、 层⑨、 层⑩和层⑪, 被层③覆盖。断层带f2错断了层⑪和层⑫, 被层⑩覆盖; 表明断层带f2在层⑩沉积之后没有活动。

探槽中分辨出3次古地震事件。事件E1, 标志为崩积楔层③, 表现为砂、 砾石与黄土、 粉砂混杂堆积。层③覆盖断层带f1之上。层③之下的层④中14C年龄样品测试结果范围在1i967~2i097aiBP之间, 释光样Tc3-OSL-6测年结果为(1.7± 0.2)kaiBP, 表明事件E1发生在公元元年之后。

事件E2的地质记录为崩积楔层⑥, 表现为砾石堆积呈团块状出现在粉砂中; 在事件E1中被断层错断。层⑥被坎前堆积层⑤覆盖, 该层14C年龄样测得为4i867~4i512aiBP, 可能源自上盘的层⑦。下盘层⑦的14C年龄样测年结果范围在7i227~4i312aiBP之间。推断E2发生在距今2.1~4.5ka。

事件E3的标志为崩积楔层⑨, 崩积楔表现为混入砾石团块的无序含砾粉砂, 被断层f1切错。崩积楔覆盖在层⑩之上, 被层⑦和层⑧覆盖。根据年龄样测试结果, 推断发生在距今7.0~7.8ka左右。

层⑪砾石层的顶面被断层f1断错约1.6m, 而坎高为0.8m, 表明坎上曾发生部分侵蚀, 坎下堆积作用较显著。

位错历史恢复表明, Tc3探槽剖面经历3次古地震事件(图16)。

图16 探槽Tc3古地震位错历史恢复图
a 现在状态; b 形成崩积楔层②, 坎前坡积层③沉积, 陡坎遭受部分侵蚀; c 断层f1向上切错层④~层⑥, 突破地表; d 层④沉积; e 崩积楔层⑥形成, 坎前坡积层⑤沉积; f 断层f1向上切错层⑦~层⑨, 突破地表; g 层⑦沉积; h 崩积楔层⑨形成, 坎前坡积层⑧沉积; i 断层f1切错层⑩, 突破地表; j 可能的原始状态Fig. 16 Restoration of the eastern wall of the trench Tc3.

6 古地震序列分析

本研究在佛洞庙-红崖子断裂不同段落上分别开挖了5个探槽, 综合5个探槽剖面分析, 总共辨认出4次古地震事件(包括历史地震1609年红崖子地震)(图17)。

图17 佛洞庙-红崖子断裂古地震事件序列划分Fig. 17 Paleo-earthquake events constrained by progressive constraining method.

最早1次(事件E4)只在东段小泉断裂段探槽Tc5记录, 快速堆积的层⑭夹持在河流相砂砾石层⑪和冲积砂土层⑩之间(图3), 测年数据(刘兴旺等, 2014)表明该事件发生在9.6~12.2kaiBP之间。与Tc5同位于东段的探槽Tc2内最底部的黄土层⑧(东壁下盘层⑧底部光释光测年 (11.4± 1.7)kaiBP, 西壁上盘层⑧光释光测年 (10.0± 1.5)kaiBP), 没有记录到事件E4(图7), 推测事件E4可能发生在9.7~11.5kaiBP之前(近似认为距今约10.6ka)。

事件E3在东段的探槽Tc2、 Tc5和西段的Tc3都有记录, 表明这次地震事件有可能是全段破裂。探槽Tc2与E3相关的崩积楔覆盖在顶部光释光样品(MYH16E7)测年结果为(7.0± 0.2)kaiBP 的层⑧之上(图7)。Tc5则给出了(7.1± 0.6)kaiBP(光释光样品Tc5-OSL-4)之前、 9i202~9i077aiBP(14C样品Tc5-2)之后的年龄限制(图3)。Tc3崩积楔层⑨被层⑦覆盖, 后者底部的14C样品测年结果为7i012~7i227aiBP, 层⑨下伏的层⑩顶部14C样品测年结果为7i727~7i802aiBP(图15)。可以推测E3发生在7.0~7.2kaiBP左右(近似认为在7.1kaiBP)。

古地震事件E2在东段的探槽Tc1、 Tc2、 中段的Tc4和西段的Tc3都有记录, 表明可能再次发生全段破裂。Tc4探槽中, 崩积楔层⑨下伏的层⑩顶部的14C样品(Tc4-2测年结果为3i292~3i452aiBP, Tc4-3测年结果为3i147~3i397aiBP)限制了该事件至少发生在距今3i397a之后。Tc2的层④光释光样品MYHE16-3限制了该事件发生在距今(3.5± 0.2)ka之前。Xu等(2010)在小泉村南发现小泉段陡坎断错2期扇体(最新的冲积扇14C测年结果为(1 910± 115)aiBP, 次新的扇体为(3 630± 290)aiBP(TL年龄)), 其陡坎都约1m高, 说明次新扇体形成((3 630± 290)aiBP)以来只发生了1次地震事件, 推断是1609年红崖子地震。如果事件E2也造成了小泉段的破裂, 则该事件应该发生在(3 630± 290)aiBP之前。因此推测E2发生在距今3i340~3i397a前(近似为3.4kaiBP)。

对于最新的事件E1, 东段的Tc1和中段的Tc4内的测年样品都给出了数百a以来的事件制约。尽管西段洪水坝河的Tc3对最新事件的制约仅为(1.7± 0.2)kaiBP之后, 但对比历史强震目录和前人研究(顾功叙, 1983; 国家地震局震害防御司, 1995; 中国地震局震害防御司, 1999; 郑文俊等, 2009; 曹娜等, 2010; 刘兴旺等, 2012), 公元元年以来, 仅有1609年的红崖堡 7¼ 级地震可能发生在佛洞庙-红崖子断裂上。因此推断E1是1609年的红崖堡 7¼ 级地震(0.4kaiBP), 有可能导致了全段破裂。

综合上述分析, 佛洞庙-红崖子断裂全新世以来分别在0.4kaiBP(1609年的红崖堡 7¼ 级地震)、 3.4kaiBP、 7.1kaiBP和10.6kaiBP发生4次地震(图17)。地震事件的复发间隔分别约3.0ka、 3.7ka和3.5ka, 平均复发间隔约为3.4ka, 可能具有准周期重复特征。

7 结论

(1)分别在佛洞庙-红崖子断裂的东、 中、 西3段开挖整理了5个探槽, 根据探槽揭示的各地层单元的沉积特征、 各单元之间的层序关系以及断层对不同地层的切割关系, 共辨认出了4次古地震事件。

(2)根据探槽中, 在各地层单元内所采获的14C样品和光释光样品的测年结果, 对4次古地震事件给出了年龄制约, 推断: 事件E1为1609年红崖堡地震(0.4kaiBP), 事件E2发生在距今约3.4ka, 事件E3发生在距今约7.1ka, 3次事件都为全段破裂。事件E4约发生在10.6kaiBP, 仅在东段小泉村西Tc5剖面上发现, 后续需要更多研究。

(3)这4次地震事件的复发间隔分别约3.0ka、 3.7ka和3.5ka, 平均复发间隔约3.4ka, 可能具有准周期重复特征。

致谢 感谢刘兴旺及其团队在佛洞庙-红崖子断裂带开展了大量前期工作。感谢杨会丽在光释光测年样品处理过程中提供的指导和帮助。感谢审稿专家对文章修改提出宝贵意见。

The authors have declared that no competing interests exist.

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