引用本文
董绍鹏, 张培震, 郑文俊, 余中元, 雷启云, 杨会丽, 刘进峰, 宫会玲. 河套地区狼山山前断裂的古地震研究--构造及地震危险性启示[J]. 地震地质, 2018,40(6): 1216-1239.
DONG Shao-peng, ZHANG Pei-zhen, ZHENG Wen-jun, YU Zhong-yuan, LEI Qi-yun, YANG Hui-li, LIU Jin-feng, GONG Hui-ling. PALEOSEISMOLOGICAL RESEARCH ON THE LANGSHAN RANGE-FRONT FAULT, HETAO AREA, CHINA: INSIGHTS FOR STUDIES ON TECTONICS AND SEISMIC RISK[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(6): 1216-1239.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.06.003
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河套地区狼山山前断裂的古地震研究--构造及地震危险性启示
董绍鹏1), 张培震1),2), 郑文俊2), 余中元3), 雷启云4), 杨会丽1),2), 刘进峰1), 宫会玲5)
1)中国地震局地质研究所, 北京 100029
2)中山大学地球科学与地质工程学院, 广州 510275
3)防灾科技学院, 三河 065201
4)宁夏回族自治区地震局, 银川 750001
5)广东省地震局, 广州 510070

〔作者简介〕董绍鹏, 男, 1983年生, 2016年于中国地震局地质研究所获构造地质学博士学位, 副研究员, 现主要从事活动构造及古地震、 构造地貌等方面的研究, E-mail: spdong@ies.ac.cn。

收稿日期: 2017-04-19
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC1500405)资助
摘要

位于鄂尔多斯西北缘的、 狼山和河套盆地之间的狼山山前断裂是1条全新世活动断裂。沿狼山山前断裂, 从北向南开挖了3个古地震探槽, 分别为东升村探槽(TC1)、 青山镇探槽(TC2)和乌兰哈少探槽(TC3)。由TC1限定的3次古地震事件(ED1、 ED2、 ED3)的发震时间可相应地限定为(6±1.3)ka BP、 (9.6±2)ka BP和(19.7±4.2)ka BP; 由TC2揭露的古地震事件EQ1的发震时间可以限定为(6.7±0.1)ka BP; 由TC3限定的3次古地震事件(EW1、 EW2、 EW3)的发震时间可相应地限定为(2.3±0.4)ka BP、 (6±1)ka BP 和7ka 之前。结合前人的研究, 可以确定狼山山前断裂晚更新世以来的古地震序列为2.3~2.43ka BP(E1)、 4.41~3.06ka BP(E2)、 6.71~6.8ka BP(E3)、 7.6~9.81ka BP(E4)和(19.7±4.2)ka BP(E5)。虽然由于事件E5可能包含了多次古地震事件, 导致晚更新世以来古地震漏记的可能性仍然无法剔除, 但仍可认为狼山山前断裂在全新世期间的古地震历史应该是完整的, 强震平均复发周期约为2 500a。与古地震事件E1、 E3和E4相关的地震同震位移值明显较其他事件更大, 表明这3次古地震事件可能是震级为7.5~8级甚至>8级的破裂断裂全段的古地震事件, 而古地震事件E2可能是较小一点的、 仅破裂部分断裂段的古地震事件。狼山山前断裂在乌兰哈少点自15ka BP以来的滑动速率应该大于但接近于0.66mm/a。狼山山前断裂的古地震研究结果显示, 断裂现今是1条倾向于在地表破裂事件中全段破裂的不分段断裂。假设约2 500a的强震复发周期成立, 则自最近1次强震事件以来的离逝时间接近或者已经超过了强震复发周期, 狼山地区再发生强震事件的危险性是非常大的。

关键词: 河套盆地; 狼山山前断裂; 古地震; 地震危险性; 断裂滑动速率
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)06-1216-24
PALEOSEISMOLOGICAL RESEARCH ON THE LANGSHAN RANGE-FRONT FAULT, HETAO AREA, CHINA: INSIGHTS FOR STUDIES ON TECTONICS AND SEISMIC RISK
DONG Shao-peng1), ZHANG Pei-zhen1),2), ZHENG Wen-jun2), YU Zhong-yuan3), LEI Qi-yun4), YANG Hui-li1), LIU Jin-feng1), GONG Hui-ling5)
1)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)School of Earth Sciences and Geological Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China
3)Institute of Disaster-Prevention Science and Technology, Sanhe, Hebei 065201, China
4)Earthquake Agency of Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan 750001, China
5)Guangdong Earthquake Agency, Guangzhou 510070, China
Abstract

The Langshan range-front fault(LRF)is a Holocene active normal fault that bounds the Langshan Mountain and Hetao Basin at the northwest corner of the Ordos Plateau. Paleoseismic trenching research at three sites, Dongshen Village trench(TC1), Qingshan trench(TC2)and Wulanhashao trench(TC3)from north to south was performed in this study to reveal the seismic hazard risk in Hetao Basin. The paleoevents ED1, ED2, ED3 from TC1 can be constrained to have occurred(6±1.3)ka, (9.6±2)ka and(19.7±4.2)ka respectively, while the paleoevent EQ1 from TC2 occurred about(6.7±0.1)ka and the paleoevents EW1, EW2, EW3 at TC3 took place about(2.3±0.4)ka, (6±1)ka and before 7ka respectively. In combination with paleoseismic results of previous researchers, the Holocene earthquake sequence of the LRF could be established as 2.3~2.43ka BP(E1), 4.41~3.06ka BP (E2), 6.71~6.8ka BP (E3), 7.6~9.81ka BP (E4), and(19.7±4.2)ka BP (E5). Although the possibility of missing events cannot totally be ruled out, based on the analysis on faulted geomorphology at Wulanhashao site, we argue the paleoearthquake history of the LRF during Holocene may be complete with an average recurrent interval about 2500 yrs. The apparent displacements associated with events E1, E3 and E4 are significantly larger than that of event, E2, that suggests that they might be great events with magnitudes 7.5 to even over 8 that ruptured the entire LRF, while the event E2 may be a smaller event that only ruptured a segment of the fault. The magnitude of event E2 might be about M7. This poses a significant seismic hazard to the area of the Linhe depression in the western Hetao graben region. With the further limitation of previous radiocarbon dating result near our trench site at Wulanhashao, the slip rate at Wulanhashao should be not smaller than, but close to 0.66mm/a since 15ka BP. And the slip rate at Qingshan site is supposed to be about 1.4~1.6mm/a since 6.8ka BP. Both our combined most recent paleoseismic cognition and current tectonic geomorphologic research results supports to reveal that the Langshan range-front fault now is an unsegmented fault, preferring to rupture the whole fault in a surface-rupture event. Considering the most recent event E1 and fault slip rate obtained above, the accumulated strain on the LRF could be estimated as about 1.52~3.94m. Given the ~2500a recurrent interval, we argue that the elapsed time since last major quake, E1, is approaching or even over the recurrence, and the seismic risk for another major quake is imminent, at least cannot be ignored.

Keyword: Hetao Basin; Langshan range-front fault; paleoseismology; seismic hazard; fault slip rate
0 引言

鄂尔多斯块体周缘活动地堑系存在的大量活动的正断层影响着周边人类密集居住区(Yeats et al., 2012)。大量历史破坏性地震发生在鄂尔多斯块体周缘, 包括4个震级> M8的地震和6个M7~7 $\frac{1}{2}$地震(江娃利等, 2002)。其中对公元849年发生在河套盆地的包头地震发震断裂的认识争议较多(李善邦, 1981; “ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; 闵子群等, 1995; 吴卫民等, 1996; 江娃利等, 2002; 聂宗苼等, 2010; 李彦宝等, 2015)。为了明确回答与河套盆地相关的古地震及历史地震问题并确定地震危险性, 就必须要加强对该地区的古地震研究(邓起东, 2002; 邓起东等, 2008; McCalpin, 2009; Reicherte et al., 2009)。

针对活动断裂的古地震研究不仅是地震危险性评估的基础, 对于基本的断裂演化模型研究也非常重要。活动正断层的经典演化模型(Peacock et al., 1994)被大量野外地质观测检验证实(Peacock et al., 1991; Trudgill et al., 1994; Crider et al., 1998; Matmon et al., 2010)。在断裂演化模型研究中, 断裂的破裂行为模型非常重要。古地震探槽是揭示断裂破裂行为模型的1种非常有效的手段(Machette et al., 1991; DePolo et al., 2006)。1条活动断裂的古地震信息, 如最近地震的离逝时间、 强震的平均发震间隔和古地震事件序列等, 不仅是社会大众极为关心的地震危险性分析的核心内容, 对于建立地区的地震构造模型也是非常有用的信息(McCalpin, 2009)。

长约160km、 NE走向的狼山限定了河套盆地的西北边界(图1和图2)。狼山陡峭的南东翼由倾向SE的活动正断层--狼山山前断裂限定(图1b)。现今狼山地区的主要人口聚集在地震危险性相对更大的断裂上盘(Oglesby et al., 1998)盆地地区。沿狼山山前断裂的2个主要的人类聚集区是乌拉特后旗县城和青山镇(图2), 均坐落于狼山山前断裂之上。前人对狼山地区的古地震研究集中于断裂北段(江娃利, 2002; 冉勇康等, 2003), 并且受限于当时的测年技术(Aitken, 1998), 仍有很大的深入研究的空间。近期关于狼山山前断裂最新的古地震研究(李彦宝等, 2015; Rao et al., 2016)已经揭示了狼山山前断裂全新世的强烈活动性, 认为最近1次强震事件发生的时间约为2i000aiBP, 极有可能就是发生在7BC的历史地震事件(孙加林, 1985)。本文研究的3个古地震探槽也揭示了狼山山前断裂自晚更新世以来的多次古地震事件。综合目前所有的关于狼山山前断裂的古地震认识, 本文的古地震研究结果对于建立狼山山前断裂的破裂行为模型和河套盆地地区的地震危险性分析是非常重要的, 并有利于更好地理解环鄂尔多斯地块活动正断层系的发震特征。

图1 河套盆地及相关地区地质构造简图
图中白色虚框指示了图2的图区范围, 白色字母表示一级构造单元划分的各构造单元体。 A 新疆断块区; B 华北断块区; C 青藏断块区东缘构造带; D 东北断块区。 F1狼山山前断裂; F2色尔腾山山前断裂; F3乌拉山山前断裂; F4乌拉山北缘断裂; F5大青山山前断裂; F6和林格尔断裂; F7鄂尔多斯北缘断裂; F8包头断裂; F9上古城湾断裂; F10五原断裂; F11杭锦后旗断裂; F12临河断裂; F13巴彦乌拉山断裂; F14磴口-本井断裂; F15雅布赖山前断裂; F16正谊关断裂; F17贺兰山东麓断裂; F18黄河-灵武断裂; F19银川-平罗断裂; F20贺兰山西麓断裂; F21三关口断裂; F22牛首山断裂; F23香山-天景山断裂; F24海原断裂Fig. 1 Simplified tectonic setting map of Hetao Basin and the nearby area.

图2 狼山山前断裂古地震探槽分布图
图中地形渲染底图DEM数据来自30m精度ASTER-GDEM, 白色虚框表示图9a的图幅范围Fig. 2 The distribution map of paleoseismic trenches on the Langshan range-front fault.

1 构造背景及古地震研究现状

河套盆地EW向长约400km, SN向长80~100km(图1b)。其北侧被阴山-燕山断块、 南侧被鄂尔多斯块体围陷(图1)(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; 邓起东等, 1999)。基于地质和地球物理数据获得的认识(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988), 河套盆地自西向东可分为3个次级凹陷: 临河凹陷、 白彦花凹陷和呼和凹陷(图1)。这3个次级凹陷的北边缘则分别由3条全新世活动断裂所限定: 狼山-色尔腾山山前断裂、 乌拉山山前断裂和大青山山前断裂(图1)。其中临河凹陷规模最大, 第四纪沉积物厚度也最大, 显示了狼山山前断裂晚第四纪强烈的持续活动性(图1)(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988)。分隔3个次级凹陷的界限是西山咀隆起和包头隆起, 这2个隆起被认为分别是乌拉山和大青山延伸的基底隆起。临河凹陷和南侧的吉兰泰盆地之间的界限是基底隆起--磴口隆起(图1)。狼山地区新生宙地层, 包括古近纪、 新近纪和第四纪的厚层沉积物仅在河谷以及狼山山前地区少量出露(内蒙古自治区地质局, 1976)。

在鄂尔多斯块体内部并没有发现大型的活动断裂, 并且现今地震活动和历史地震活动也明显缺失(Wesnousky et al., 1984; “ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; Zhang et al., 1998; 江娃利等, 2000)。形成明显对比的是, 在过去的约2i000a中, 10个震级> M7的地震、 28个中强地震(6< M< 7)发生在鄂尔多斯块体周缘地堑系(江娃利等, 2002)。聂宗笙等(2010)研究认为公元849年10月20日, 唯一发生在河套地区的历史地震(下文简称为包头地震)震级估计为M7 ¾ (图1)。另外, 孙加林(1985)认为《中国历史强震目录(公元前 23 世纪-公元 1911 年)》(闵子群等, 1995)中记录的1次发生于公元前7年的历史地震极有可能就发生在河套盆地内, 并且该次历史地震的震级应该与包头地震相当。李彦宝等(2015)在狼山山前断裂上的古地震探槽研究也支持狼山山前断裂是公元前7年这次历史地震的发震断裂。但是聂宗笙(2013)结合考古古地震学和地质学的证据分析后认为大青山山前断裂是该次公元前7年历史地震的发震断裂。狼山山前断裂上最新的基于地质露头剖面的古地震研究(Rao et al., 2016)也揭示了该断裂全新世以来的4次地表破裂事件。但Rao等(2016)的研究仅仅揭示了地表破裂事件的发生时间, 对狼山山前断裂地震危险性的讨论是根据狼山山前断裂的整体长度推断获得的, 仍然值得商榷。

2 研究方法及样品处理

按照McCalpin(2009)的操作方法, 选择古地震信息保留最丰富的探槽一壁进行了处理。根据地层颜色、 粒径、 物质成分、 地层结构等, 将探槽壁划分为不同的地层, 每个探槽详细的地层描述可参见补充文档①(①http://blog.sina.com.cn/s/blog_19888ba460102yp5p.html。)。在每个探槽中采集了大量的光释光(OSL)年龄样品以限定古地震事件的年龄范围。所有探槽中获得的OSL样品均在中国地震局地质研究所新构造和年代实验室进行处理。每个样品相关的详细信息均可参见表1和表2。其中DT为东升村探槽, WT为乌兰哈少探槽, QT为青山探槽; 细颗粒OSL样品的粒径为4~11μ m, 粗颗粒OSL样品的粒径为90~180μ m; 等效剂量(De)采用SMAR测年方法(王旭龙等, 2005)获得; n 表示通过SAR检验标准(Murray et al., 2000, 2003), 并用于确定等效剂量的小颗粒或者小测片的数量; N代表测量的小测片总数; 使用Daybreak 583仪器厚源α 计数方法(Aitken, 1985)测量铀(U)和钍(Th)放射系的贡献量, 使用火焰光度计来测量氢氧化钾(KOH)含量; MAM为最小年龄模型。

表1 细颗粒光释光(OSL)样品信息 Table1 Summary table of fine-grained OSL samples
表2 部分粗颗粒光释光样品(OSL)信息 Table2 Summary table of some coarse-grained OSL samples
表3 部分粗颗粒光释光样品(OSL)信息 Table3 Summary table of some coarse-grained OSL samples
3 古地震结果

为了限定古地震序列时间、 同震位错量、 平均发震间隔和断裂的滑动速率, 从北向南开挖了3个探槽: 东升村探槽、 青山探槽和乌兰哈少探槽。

3.1 探槽1(TC1)

3.1.1 探槽点处断裂地貌

探槽1(41° 4'47.50″N, 107° 2'11.00″E), 即东升村探槽, 位于狼山山前断裂北段的东升村西南侧, 在乌拉特后旗SW约3km(图2和图3a)。探槽开挖点位于1个采砂场内(图3a), 前期由于砂场开挖出露了天然露头, 故在此露头的基础上进行了进一步开挖。在探槽开挖点处山前发育2级阶地(图3a)。根据沿狼山山前区域各级阶地被侵蚀的程度划分, 由年轻至年老被确定为T2和T3。T2阶地面已经被侵蚀为鸟爪状, T3阶地面仅在靠近基岩山体处有少量残留(图3a)。2级阶地面均被NE向狼山山前断裂切割抬升, 并形成清晰的面向SE的线性断裂陡坎。较老的扇体上断裂陡坎较高, 表明了晚第四纪期间狼山山前断裂的持续活动(图3a)。探槽横切过T2阶地前缘陡坎, 陡坎高度为(33.1± 1.5)m(图3c)。

图3 东升村探槽附近地区的解译后(a)及未解译的(b)高精度地貌影像图以及横跨断裂陡坎的剖面测量图(c)Fig. 3 The interpreted(a)and uninterpreted(b)high-precision geomorphologic image of the area around the Dongsheng village trench, and the measured cross-section across the fault scarp(c).

3.1.2 古地震事件证据

在探槽东壁共识别出1个厚5~10cm的主断裂变形带U0和29个由老至新的地层单元U1-U29(图4b)。地层U1-U10组成了断裂下盘, 地层U11-U28组成了断裂上盘。U29覆盖在整个变形带之上, 未被断裂断错。同时, 在断裂下盘, 另外1条更早期活动的断裂f1则将U1-U5与U6-U10断错。

图4 东升村探槽北东壁相片拼合镶嵌图(a), 剖面图(b)及局部放大图(c, d, e)Fig. 4 The photomosaic of Dongshen Village trench(a), the corresponding trench map with OSL age results(b)and enlarged pictures of key areas(c, d, e).

从探槽剖面和相片拼合图(图4a , b)中可以看到, 断裂上下盘呈现明显不同的色调。断裂上盘呈砖红色色调, 而下盘则呈棕黄色色调。探槽剖面中相应的地层编号和样品位置见图4b。在探槽中发现的断裂面被依次命名为f1-f9, f10和f11为探槽中裂隙, 没有向下继续延伸。其中f2是承担主要位错量的主断面, 其他断面均为次级断面。探槽中至少可以辨认出3次古地震事件和1次可能的古地震事件。3次古地震事件由新到老依次命名为ED1、 ED2、 ED3, 可能的古地震事件命名为ED0。各次古地震事件的判别依据如下:

ED0: U28是典型的地震崩积楔。U28直接崩积于主断面f2之上, 形成三角形楔形体。地层中结构混杂, 靠近断裂面的底部富集大量角砾状粗砾石。该崩积楔代表的古地震事件ED0无法与ED1区分, 可能代表1次独立事件, 也可能与古地震事件ED1同时形成。

ED1: 分支断裂f7上断点中止于U26与U27之间接触面, U27下界面与下伏地层(U25、 U24和U26)顶界面接触面不平整, 呈侵蚀接触关系。U24和U25被f7明显断错, 错距为38cm(实测)。U27是具有典型特征的震后洪积相沉积层。

ED2: 3条分支断裂f3、 f4和f8的上断点位于U24底界面, U24呈现明显的坎前沉积层特征, 地层中下部棱角状-次棱角状砾石局部富集, 在靠近断裂的部位地层增厚, 向SE变薄。

ED3: U13和U14之间的接触面凸凹不平, 呈现特征性的侵蚀沉积界面。U13为高能水动力沉积环境, U14为低能水动力沉积环境。U13与U14地层之间极有可能存在沉积间断和沉积相变。在f6两侧, U13层的地层厚度出现突变, 由f6 北西侧的0.2~0.3m突变为f6南东侧的1.1~1.3m。f6形成的断裂落差为0.8~1m, 而U13之上、 压盖在f6上的U14-U21的厚度则并未出现明显的变化。对于这种现象最合理的解释是: 1)U13沉积形成之后发生了古地震事件, f6断错U13形成了0.8~1m的断裂位错; 2)古地震事件之后的地表瞬时高能量洪流导致古地表的U13地层受到强烈侵蚀夷平; 3)随后沉积地层U14-U21。同时, 考虑到: 1)U14地层与下伏的U13地层以及上覆的U15-U23地层之间存在明显的沉积相变; 2)上覆的U15-U23地层并没有直接与主断面f2接触; 3)探槽开挖点SW约数十m即为一较大冲沟出山口, 而探槽中U14地层之前的沉积过程中也发生过侵蚀事件; 4)古黄河的存在, 故考虑将地层U15-U23解释为1套发生在侵蚀事件之后的冲积相侵位沉积层。因此地层U13和U14之间可能存在沉积间断, 这种解释也与现今U13和U14之间的沉积接触面形态相一致。

3.1.3 地层年龄及古地震事件年龄限定

从图4b中可以看出, 所有获得的测年结果均与地层序列关系并不冲突, 和古地震事件恢复过程一致。

在U13中采集的OSL样品既限定了地层U13的形成时间晚于(22.2± 1.7)kaiBP, 也限定了ED3发生时间的下限。地层U14下部的样品限定了该地层的沉积时段晚于(16.7± 1.2)kaiBP。同时在断面f2之上的U14地层中部采集的样品测年结果为(13.8± 0.9)ka, 显示将这部分地层解释为U14是较为合理的, 因此地层U14的沉积时段早于(16.7± 1.2)kaiBP, 晚于(13.8± 0.9)kaiBP。这2个样品限定了古地震事件ED3的时间上限。综合ED3样品的上、 下限年龄结果可以将ED3的发生时间限定为(19.7± 4.2)kaiBP。考虑到中间存在的沉积间断, ED3可能代表了不止1次古地震事件。

在地层U20中采集的样品限定了该地层的沉积时间约为(10.0± 1.6)kaiBP, 并且限定了古地震事件ED2的时间下限。U24顶部和底部的2个样品限定了该地层的沉积时间为(8.5± 1.3)~(8.2± 0.4)kaiBP, 限定了ED2的上限。因此ED2的发生时间可以限定为(9.7± 1.9)kaiBP。

地层U26上部的样品限定了该地层的最终形成时间晚于(6.8± 0.4)kaiBP。地层U27下部的样品限定该地层的形成时间应该稍老于(5.1± 0.3)kaiBP。这2个样品限定了ED1的发生时间为(6± 1.2)kaiBP。

可能的古地震事件ED0的发生时间应该晚于地层U27的形成时间, 即晚于(5.1± 0.3)kaiBP。

3.2 探槽2(TC2)

3.2.1 探槽点处断裂地貌

探槽2, 即青山探槽(40° 57'33.90″N, 106° 48'55.90″E), 位于人类活动频繁的青山镇(图5b)。探槽点处部分层状地貌面已被破坏。在探槽附近, 狼山山前断裂切割2级洪积扇面, 即2级阶地(T3、 T1), 形成倾向SE的线性断裂陡坎。在T1阶地上发现2条线性分支陡坎, 总垂直断错量为(10.3± 0.6)m, 南支线性陡坎垂直位错量为(5.8± 0.5)m(图5c)。北支线性陡坎穿过的平坦的T1阶地面现今是公共墓地, 无法开挖探槽, 因此只能在南支线性陡坎上开挖探槽(图5b)。探槽中可辨别出15个地层单元以及一系列近似平行和反向的断层面(图6b)。

图5 青山探槽附近地区的解译后(a)及未解译的(b)高精度地貌影像图以及横跨断裂陡坎的剖面测量图(c)Fig. 5 The interpreted(a)and uninterpreted(b)high-precision geomorphologic image of the area around the Qingshan trench, and the measured cross-section across the fault scarp(c).

图6 青山探槽南西壁相片拼合镶嵌图(a), 剖面图(b)及局部放大图(c)
图b中红线表示活动断裂面Fig. 6 The photomosaic of Qingshan trench(a), the corresponding trench map with OSL age results(b) and enlarged pictures of key area(c).

3.2.2 探槽地层、 结构及变形特征

探槽中地层U1-U12被一系列断面同步错动。探槽揭示了1次古地震事件, 发生时间在地层U12沉积形成之后、 U13开始沉积之前。以地层U9的顶界面为标志层, 各条断面累积的总垂直位错量约6~6.2m, 这与地貌测量获得的垂直位错量(5.8± 0.5)m(图5c)较为一致。在探槽北西段地层U11和U12缺失, 可能是在断裂陡坎退化过程中被侵蚀了。地层U13的南东段是典型的加积地层, 可认为是地层U12形成后发生了古地震事件之后的震后加积地层。但是考虑到高约(4.5± 1)m的北支线性陡坎的存在(图6b和c), 产生北支线性陡坎的古地震事件是无法确定的, 而青山探槽所揭示的古地震序列极有可能是不完整的。

3.2.3 探槽地层年龄和古地震事件时间的限定

探槽中仅可辨别出垂直位错量> 6m的1次古地震事件EQ1。本探槽中总共3个OSL样品限定了地层U12和U13的年龄, 3个样品年龄整体与地质沉积时序一致。样品(野外编号351-1)限定了U13的开始沉积时间稍早于(6.9± 0.3)kaiBP。另1个样品(野外编号350-1)限定了地层U12的结束沉积时间晚于(6.6± 0.2)kaiBP。

基于古地震事件解译以及年龄结果, 该探槽揭示的古地震事件EQ1的发生时间可以限定为(6.7± 0.1)kaiBP。

3.3 探槽 3(TC3)

3.3.1 探槽点处断裂地貌

乌兰哈少探槽(40° 47'31.4″N, 106° 32'51″E)位于狼山山前断裂南段, 乌拉特后旗乌兰哈少村SW约0.4km处(图7a)。在探槽附近, 狼山山前断裂活动切过多级洪积扇体, 形成高度不同的清晰的线性陡坎, 成为狼山山体与河套盆地的界线, 指示自晚更新世以来狼山山前断裂在该地区的持续活动。在探槽点附近共发育5级洪积扇体残余阶地面, 由低到高、 由新到老依次被命名为T0、 T1、 T2、 T3、 T4, 保留在断裂下盘(图7a)。本探槽即横跨二级阶地T2的东南侧断裂陡坎, 陡坎产生的垂直位错量约9.3m(图7c)。

图7 乌兰哈少探槽附近地区的解译后(a)及未解译的(b)高精度地貌影像图以及横跨断裂陡坎的剖面测量图(c)Fig. 7 The interpreted(a)and uninterpreted(b)high-precision geomorphologic image of the area around the Wulanhashao trench, and the measured cross-section across the fault scarp(c).

3.3.2 探槽地层、 结构及古地震事件证据

在探槽两壁上均发现了3条正断层面(f1、 f2、 f3)和1条变形带U0'(图8a, b)。狼山山前断裂在探槽中的主要位错量由分支断裂f3和更南侧的变形带U0'承担(图8b)。探槽剖面上总共划分为断裂变形带U0、 断裂充填楔U0'以及19套沉积地层U1-U19。地层U1-U8组成了探槽中湖相地层下盘, 而地层U9-U19则组成了松散的加积的洪积相或坡积相沉积上盘。

图8 乌兰哈少探槽北东壁相片拼合镶嵌图(a), 剖面图(b)及局部放大图(c, d)
图b中红线表示活动断裂面Fig. 8 The photomosaic of Wulanhashao trench(a), the corresponding trench map with OSL age results(b) and enlarged pictures of key area(c, d).

断裂上盘中地层U9-U12主要是包含大量粗砾石的坡积相沉积物, 地层U13-U18则变为颗粒相对较细的冲洪积相沉积物。地层U13和U15被认为是古地震事件后的加积地层。地层U13的底界以及下伏地层并没有被揭露。厚约2~2.5m的U15是逆沉积序列, 向上粒径变粗。U15的底部地层是厚约30cm的青灰色淤泥层, 可能代表震后的断塞塘沉积。地层U15和U17之间的接触面呈明显的锯齿状(图8c), 可能表明在U15形成之后存在地表侵蚀过程。

至少可以从探槽中辨别出3次古地震事件, 由新到老依次命名为EW1、 EW2和EW3(图8b)。每次古地震事件的判断依据分别如下:

EW1: 地层U15被断裂变形带U0'断错。地层U15的厚度在U0'两侧发生明显的变化, 位于断裂上盘的部分明显增厚, 显示出典型的断错地层特征。U15的顶界面在U0'两侧存在1~1.5m的落差。地层U16-U18的形态呈现震后加积层的特征。

EW2: 地层U14是古地震事件后形成的崩积楔。U14底部靠近U0'位置发现少量震后崩落团块。地层U13的顶界面在变形带U0'两侧的落差约为3m, 与地层U15顶界面在U0'两侧的落差相比明显偏大。地层U15是震后坎前加积地层。

EW3: 地层U9是位于主断面f3上的三角形崩积楔。地层U9无层理, 粗颗粒含量较高, 特别是靠近底部处粗颗粒砾石含量最高, 可达70%。U9和U8之间为不整合接触。下伏的地层U1-U8是湖相沉积物, 而上覆的地层U10-U12则是典型的坡积相沉积物, 呈现清晰的沉积相变。这种沉积相变与古地震事件相关。

从探槽剖面(图8a, b)中可以看到, U0和U0' 是主要的变形带。U0主要错动地层U1-U9。由于U0两侧可以找到对应的地层U3-U8, 以U6和U7之间的界面为参考面, 此次古地震事件的位错量为4.2~4.4m。变形带U0'是与地震相关的充填楔, 在层中可以明显地看到从附近地层中崩落下来的团块(图8d)。由于U0'两侧没有找到地震前的对应地层, 故不能获得 U0'造成的准确的垂直位错量。但若仅以U13的顶界面为参考, 则U0'造成的垂直位错量≥ 2.8m。如果进一步考虑U13的震后加积地层的属性及其已经揭露出来的厚度, 则U0'造成的位错量≥ 4.3m。因此将U0和U0'地层造成的垂直位错量进行累加, 得探槽3所揭示的垂直位错量≥ 8.5~8.7m。考虑到探槽开挖处地貌测量显示狼山山前断裂造成的地貌垂直位错量约为9.3m, 以及可能存在的误差, 认为与地表测量获得的垂直位错量基本一致, 且能够合理地推测探槽3揭示的古地震序列历史应该是完整的, 并没有古地震事件被遗漏。

3.3.3 探槽地层年龄及古地震事件时间限定

在探槽3中共选择了12个OSL样品来建立探槽地层的年龄框架。除了野外编号为413-2的样品与其他所有样品的地层关系颠倒, 呈现异常以外, 其他所有样品年龄与地层序列均较为吻合(图8b)。该异常年龄结果在本次研究中作为污染样品被剔除。

为了限定断裂下盘地层的年龄范围, 共选择了4个OSL样品进行处理。位于U0两侧的2组样品互相吻合较好, 将下盘的形成年代确定为(25.1± 2.5)kaiBP之前。离探槽SW约100m处, 前人在湖相地层上部采集的放射性碳样品将湖相地层结束沉积的时间限定为(15i260± 60)a Cal BP之后(公王斌等, 2013)(图7和图9)。处理U13上部和U15下部多个OSL样品, 以限定古地震事件EW2的年龄范围。U13的形成年代可以限定为(6.6± 0.4)kaiBP以前, 同时, 6个OSL样品将U15的年龄范围限定为 (5.6± 0.6) ~(2.3± 0.3)ka。地层U17底部的样品确定地层U16-U19自约(2.5± 0.2)kaiBP开始沉积。EW1的年龄范围可以确定为 (2.5± 0.2)~ (2.3± 0.3)ka。

综合以上的分析, 在考虑误差的基础上分别确定每次古地震事件的上、 下限范围, 可将3次古地震事件由老到新依次分别限定为(15i260± 60)a Cal BP~6.2kaiBP(EW3)、 7~5.3kaiBP(EW2)和2.3~2.6kaiBP(EW1)。

图9 狼山山前断裂古地震研究点分布图(a)及古地震事件对比图(b)
TC1 东升村探槽; TC2 青山探槽; TC3 乌兰哈少探槽。 图中各研究点数据来源参见图例Fig. 9 Distribution map of paleoseismic study sites along the Langshan range-front fault(a) and correlation of paleoseismic events among all sites(b).

4 讨论
4.1 古地震事件的可靠性及参数分析

为了保证结果的可靠性, 本文主要综合近期最新的古地震研究成果(李彦宝等, 2015; Rao et al., 2016)进行讨论, 结果显示在图9中。图9b中半透明蓝色柱体代表本次研究获得的古地震事件的时间范围, 而半透明橙色柱体则代表前人(Rao et al., 2016)认识的古地震事件的时间范围, 半透明的浅灰色柱体代表重叠区。可以看到以前的独立古地震研究(李彦宝等, 2015; Rao et al., 2016), 除了Rao等(2016)在S5点揭示的古地震事件以外, 其他的认识与本文的研究结果对应较好, 进一步帮助我们利用逐次限定法限定了各次古地震事件(E1-E5)的年龄范围(图9b)。

Rao等(2016)在露头S4点揭示的古地震事件(图9a, b)应该已属于EW向色尔腾山山前断裂的西端, 因此由S4点揭示的晚于1i880aiBP的古地震事件Eq1(Rao et al., 2016)(图9b)并没有列入本文关于狼山山前断裂的古地震序列的讨论范围。而且该研究的结果均是基于地表露头揭示出的古地震事件年龄, 各点存在的古地震事件漏记的可能性较大。李彦宝等(2015)的研究只关注狼山山前断裂最新1次古地震事件, 并没有约束之前的古地震事件。本研究中青山探槽极有可能漏记了古地震事件。这些因素在以下的讨论中均将被考虑到。

从图9b中可以看出, 最新1次古地震事件E1在S5露头点、 S2露头点、 S3露头点(Rao et al., 2016)、 巴音乌拉探槽(李彦宝等; 2015)、 乌兰哈少探槽(EW1)、 东升村探槽(可能发生的事件ED0)中均有反映, 并由其共同约束。其中巴音乌拉探槽和乌兰哈少探槽中均有事件的上、 下限样品年龄同时约束, 可靠性较高。事件E2即为Rao等(2016)在S5点确定的E5a事件, 在本研究中的3个探槽中均未发现该次事件的地质证据。但基于该次事件在露头中清晰的地质证据以及可靠的放射性碳样品年龄的结果, 可以认为该次事件也较为可靠。事件E3由东升村探槽(ED1)、 青山探槽(EQ1)、 乌兰哈少探槽(EW2)以及露头S2点处(E2b)共同约束, 在3个探槽中有清晰的地质证据以及上、 下限年龄样品同时约束, 可靠性较高。事件E4由东升村探槽(ED2)、 乌兰哈少探槽(EW3)和S2露头(E2a)共同约束, 并且在探槽中有较好的上、 下限年龄样品约束, 可靠性较高。事件E5由于发生时间较早, 仅在东升村探槽中次级断裂面上有地质记录。由于探槽中记录该次事件的事件层存在沉积间断, 事件E5可能代表了不止1次古地震事件, 对E5的进一步详细解译还需要更多的研究工作。

前人的古地震研究(李彦宝等, 2015; Rao et al., 2016)并没有建立起比较完整的古地震事件序列, 也无法估算每次古地震事件的地表破裂长度, 而本文的研究可以估计古地震事件所形成的地表破裂长度。古地震事件E1由逐次限定法确定的发生时间为2.3~2.43kaiBP。E1的地表破裂长度≥ 80km(TC1至S5之间的距离)。推测E1破裂了整个狼山山前断裂全段, 具体理由如下: 1)对狼山山前断裂全段的野外活动断裂进行填图后, 在TC1以北、 S5以南并没有发现任何可以阻挡断裂破裂传播的稳定断裂分段点; 2)李彦宝等(2015)的研究揭示E1在巴音乌拉处的垂直同震位错量≥ 2.4m(图9); 3)探槽3中揭示的E1事件后的加积地层(U17和U18)的厚度约1.5m, 并且仍然在继续增厚。对于E2, 乌兰哈少探槽横跨于狼山山前断裂在乌兰哈少地区唯一的断裂陡坎之上, 而E2可能存在的整个时间段完全处于U15的沉积时间范围内。在乌兰哈少探槽中并没有发现任何关于E2的破裂痕迹, 而U15是连续的细砂沉积物, 且在乌兰哈少探槽以北的多个研究点也都没有发现与E2相关的地表破裂证据。由此我们认为E2只是1条区域性破裂的古地震事件, 其地表破裂并没有向N越过乌兰哈少。古地震事件E3的地表破裂证据在沿狼山山前断裂的几乎所有研究点都可以找到。古地震事件E3在青山探槽造成的同震垂直位错量≥ 6m。考虑到经典的活动正断层的地表同震位错分布模型(Peacock et al., 1991; Cowie et al., 1992, 1993; Morewood et al., 2002; Roberts et al., 2004), E3造成的最大垂直同震位错应> 6m。E3造成乌兰哈少探槽中震后沉积层U15的厚度约2.5m。所有这些证据均支持E3是1次规模相当大的强震, 极有可能破裂了狼山山前断裂全段。古地震事件E4的地表破裂证据在TC1、 S2和TC3中均有发现。E4在探槽3中的震后沉积地层U13的厚度≥ 2m, 极有可能与U15的厚度是相当的。Rao等(2016)的研究是基于地表露头分析各点的古地震事件, 存在事件漏记的可能性较大。而青山探槽开挖的地点是青山镇最年轻的阶地, 其形成时间可能比E4的发生时间更晚, 因而无法记录到E4事件。因此, 我们推断E4的规模应该与E3是相当的, 也破裂了狼山山前断裂全段。由于E5发生时间较早, 仅仅在东升村探槽中发现了其地表破裂的证据, 并且也没有找到任何关于发震规模的证据, 故只能确定E5的发震时间。

孙加林(1985)认为《中国历史强震目录(公元前 23 世纪-公元 1911 年)》(闵子群等, 1995)中少量文献记录到的公元前7年发生的历史地震极有可能发生在河套盆地, 而且其震级应该与公元849年的包头地震相当, 甚至更大。聂宗笙(2013)基于大量考古古地震学和地质学证据认为这次公元前7年的历史地震的发震断裂是大青山山前断裂。李彦宝等(2015)则根据狼山山前断裂上巴音乌拉的探槽研究认为这次公元前7年的历史地震极有可能是其探槽中记录的古地震(图9)。但是我们对狼山山前断裂全段进行系统的古地震分析后认为这次公元前7年的历史地震与E1的年龄范围不吻合, 不支持李彦宝等(2015)的认识。

EQ1产生的同震地表垂直位错量为6~6.2m, 这也是E3的最大垂直同震位错量的保守估计值。而在探槽1中仅能辨别出次级断面上的位错量, ED1-ED3的地表垂直位错总量均无法估计。至于EW1、 EW2和EW3, 如果以U6和U7之间的界面为标志层, EW3, 即E4的同震垂直位错量可以确定为约4.2m。EW1和EW2的地表同震垂直位错量并不能直接估算, 但是根据震后加积地层的厚度, 仍然可以估计其分别为3~4m和4~5m(McCalpin, 2009)。将估算的3次事件的地表同震垂直位错量相加之后, 获得的位错总量约10m, 与地貌测量获得的位错量9.3m基本吻合, 这可能表明乌兰哈少探槽揭示的古地震事件序列应该是完整的。

利用经验公式分析(Wells et al., 1994), 这些古地震事件的震级可以估计为MW7.8(Rao et al., 2016)。但是经验公式(Wells et al., 1994)对正断层类型的地震估算的震级限制为M5.2~7.3, 在估算超过M7.3的古地震震级时可能是不适用的。聂宗笙等(2010)基于大量14C年龄结果、 详细的活动断裂调查以及历史地震资料分析后确定公元849年包头地震的震级为M7 $frac{3}{4}$, 发震断裂为大青山山前断裂, 同时也揭示公元849年包头地震产生的最大垂直位移约为4m, 同震地表破裂长度≥ 100km。Zhang等(1995)曾对公元1556年华县地震产生的遗迹进行过详细的地质地貌调查, 揭示的最大地表垂直位错量约9m, 并确定该地震的发震断裂为华山山前断裂。将这些与狼山山前断裂相似的区域构造环境下的活动正断层长度以及产生的同震位错量与狼山山前断裂进行比较后, 可以估计破裂狼山山前断裂全段的古地震震级应≥ 公元849年M7 ¾ 包头地震, ≤ 公元1556年M8华县地震。考虑到其中的不确定性, 古地震事件E1、 E3和E4的震级范围应该是M7.5~8, 更接近于M8。

古地震事件E2向N破裂应该不会越过乌兰哈少, 因此E2造成的地表破裂长度≤ 55km, 即乌兰哈少至狼山山前断裂南端的距离。根据经验公式(Wells et al., 1994), E2的震级应≤ M7.2。邓起东等(1992)对华北地区所有产生地表破裂的地震参数进行过统计, 获得了华北地区地震震级与其他地震参数(包括破裂长度和最大垂直位错量)之间的回归关系。利用邓起东等(1992)建立的回归公式, 即使将地表破裂长度设定为5km, 可以发现环鄂尔多斯地区产生地表破裂的地震震级≥ M6.6。综合考虑其他的误差和因素, 我们推测E2的地震震级约为M7。

4.2 断裂滑动速率

考虑到东升村探槽仅揭示了次级断裂上的错动量, 而青山探槽仅揭示了最新1次或者2次的地震周期, 其滑动速率可能存在较大的不确定性, 在此仅讨论乌兰哈少研究点的滑动速率。

探槽3横跨的T2阶地应该是由3次古地震事件抬升形成的, 由于最老的1次古地震事件EW3形成的崩积楔的主要成分是坡积相沉积物, 完全不包含湖相地层物质, 可以将EW3的发生时间限定为7kaiBP之前, 湖相地层结束之后。公王斌等(2013)曾经在离探槽3 SW约50m的剖面上的湖相地层顶部采集了放射性碳样品来限定古湖的消退时代, 认为湖相地层在(15i260± 60)a Cal BP之后不久结束沉积。虽然探槽3中揭示的最年轻的湖相地层年龄为(25.1± 2.5)ka, 但是考虑到探槽3中湖相地层顶面接受过侵蚀, 我们认为湖相地层结束沉积的时间应该晚于(15i260± 60)a Cal BP, 在7kaiBP之前, 但更接近于(15i260± 60)a Cal BP。考虑将探槽3中湖相地层顶面作为标志面, 可以认为自(15i260± 60)a Cal BP以来, 狼山山前断裂在乌兰哈少产生的垂直位错量≥ 10m, 与地貌测量获得的断裂位错量9.3m(图7c)基本一致。因此可以认为, 自15kaiBP以来, 狼山山前断裂在乌兰哈少地区的滑动速率大于但接近于0.66mm/a。

4.3 狼山山前断裂的破裂模型

在全新世期间狼山山前断裂上发生的4次古地震事件中, E1、 E3和E4均为破裂断裂全段的强震事件, E2仅仅破裂了部分狼山山前断裂, 我们仍然可以认为狼山山前断裂在强震中更倾向于破裂断裂全段。结合经典的正断裂演化模型(Peacock et al., 1994), 狼山山前断裂已经进入了演化的最终阶段, 转换斜坡(relay ramp)被完全破坏, 断裂完全贯通, 即现今狼山山前断裂是1条不分段的活动断裂(Manighetti et al., 2009)。现今狼山山前断裂阶区基本不发育, 贯通性非常好的断裂形态几何特征(图2)以及狼山地区的构造地貌特征(Dong et al., 2018; He et al., 2018)也支持这个推论。同时, 在对狼山山前断裂的断裂活动性进行填图后发现, 断裂全段均断错T1-T4多级阶地, T0均未被断错, 未出现差异性断错地貌特征, 也支持该推论。最近对狼山山前河流的阶地序列研究(Jia et al., 2015, 2016)发现, 以达巴图庙(图2)为界, 狼山山前地区高阶地位相图表明狼山山前断裂的南北段之间具有差异活动性特征, 暗示狼山山前断裂贯通可能发生于晚更新世之后, 支持本研究获得的推论。在探槽2iSW约3km处出现的断裂形迹的小角度交叉(图2)可能是转换斜坡最终完全破坏贯通留下的残余证据(Peacock et al., 1994)。所有这些认识和证据均暗示现今狼山山前断裂的断裂成熟度非常高(Cowan et al., 1996; Cello, 2000)。

4.4 地震危险性启示

狼山山前断裂可产生震级为M7.5~8、 可能更接近于M8的强震, 这为河套盆地西部的临河凹陷地区的地震危险性提供了基本约束条件。综合前文获得的最近1次强震的离逝时间和狼山山前断裂的滑动速率可知, 狼山山前断裂上的累积应变量应为1.52~3.94m。

由于E4之前的晚更新世期间古地震事件有存在漏记的可能, 而E4以来的强震记录应该是完整的, 因此可以认为全新世以来狼山山前断裂的强震复发周期约为2i500a。最近1次强震的离逝时间为2.3~2.43ka, 狼山山前断裂发生强震, 甚至是M8地震的可能性不容忽视。由于狼山山前断裂是1条不分段的高断裂成熟度断裂, 未来引发的强震的极震区可能位于断裂贯通区的狼山山前断裂中段(Dong et al., 2018), 即青山镇附近地区(图2)。

5 带来的问题

大量考古古地震学证据和地质证据(聂宗笙, 2013)均支持公元前7年的历史地震发震断裂是大青山山前断裂, 而且震级应≥ 公元849年M7 ¾ 包头地震。Rao等(2016)的古地震研究揭示了1i880aiBP之后的强震事件应该与色尔腾山山前断裂相关。如果这些认识都正确, 似乎在2i000aiBP左右河套盆地北缘活动断裂系存在1个地震丛集时段。这是否与鄂尔多斯块体与阴山-燕山断块之间的规律性应力释放相关?是否应该对控制河套盆地北缘的其他几条活动断裂的古地震进行更多的研究, 以期从区域古地震的角度来回答上述问题并系统评估河套盆地甚至环鄂尔多斯周缘地区的地震危险性?这又是否与鄂尔多斯块体与阴山-燕山断块之间块体间相互作用直接相关?而块体之间的相互作用导致强震规律性活动的问题在2008年汶川地震之后已经得到了大量地质学家的重视(邓起东, 2008)。河套盆地或许是回答这个问题的最佳研究区之一。

6 结论

基于上文的讨论分析, 获得了以下基本认识:

(1)东升村探槽揭示出3次古地震事件(ED1、 ED2、 ED3)以及可能的1次古地震事件(ED0), 分别发生在(6± 1.3)kaiBP、 (9.6± 2)kaiBP、 (19.7± 4.2)kaiBP和晚于(5.1± 0.3)kaiBP。青山镇探槽揭示出发生时间为(6.7± 0.1)kaiBP的1次古地震事件(EQ1)。乌兰哈少探槽揭示出3次古地震事件(EW1、 EW2、 EW3), 分别发生在(2.3± 0.4)kaiBP、 (6± 1)kaiBP以及7kaiBP之前。

(2)晚更新世以来, 狼山山前断裂上可能至少发生了5次地表破裂型强震, 由新到老依次可以限定为2.3~2.43kaiBP(E1)、 4.41~3.06kaiBP(E2)、 6.71~6.8kaiBP(E3)、 7.6~9.81kaiBP(E4)以及(19.7± 4.2)kaiBP(E5)。这个地震序列可能是不完整的, 但是全新世以来的地震序列应该是完整的。E1、 E3和E4可能是震级达到M7.5~8的强震, 而E2可能是震级约为M7, 部分破裂狼山山前断裂的强震。

(3)自6.8kaiBP以来, 狼山山前断裂在青山镇的滑动速率应该是1.4~1.6mm/a。自15kaiBP以来, 狼山山前断裂在乌兰哈少地区的滑动速率应该大于但接近于0.66mm/a。

(4)狼山山前断裂可能引发震级范围为M7.5~8, 但更接近于M8, 为河套盆地西部临河凹陷地区的地震危险性提供了基本约束条件。狼山山前断裂积累的应变量为1.52~3.94m。可能需要从区域古地震学的角度考虑河套地区的地震危险性问题。

致谢 审稿专家及邓起东院士对本文提供了很好的意见和建议, 帮助完善了文章内容,在此表示衷心感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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