引用本文
杨晨艺, 李晓妮, 冯希杰, 朱琳, 李苗, 张恩会. 渭河盆地北缘口镇-关山断层的晚第四纪—现今的活动性[J]. 地震地质, 2021,43(3):504-520.
YANG Chen-yi, LI Xiao-ni, FENG Xi-jie, ZHU Lin, LI Miao, ZHANG En-hui. THE LATE QUATERNARY AND PRESENT-DAY ACTIVITIES OF THE KOUZHEN-GUANSHAN FAULT ON THE NORTHERN BOUNDARY OF WEIHE GRABEN BASIN, CHINA[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2021,43(3):504-520.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2021.03.003
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渭河盆地北缘口镇-关山断层的晚第四纪—现今的活动性
杨晨艺, 李晓妮, 冯希杰, 朱琳, 李苗, 张恩会
陕西省地震局, 西安 710068

〔作者简介〕 杨晨艺, 女, 1989年生, 2015年于西北大学获构造地质学专业硕士学位, 工程师, 主要从事地震地质与中长期地震预测研究, 电话:029-88465331, E-mail:ycy19891228@126.com。

收稿日期:2020-05-18 修回日期:2020-07-08
基金项目:中国地震局三结合项目(162702)和陕西省“十二五”重点项目“关中地区大震危险性评价”共同资助
摘要

近EW向的口镇-关山断层斜切了NEE向的渭河盆地北缘活动断裂带。 文中基于野外补充调查结果, 结合跨断层水准和蠕变仪监测资料研究了该断层晚第四纪—现今的活动性, 补充了该断层晚第四纪活动的证据, 分析了东、 西2个断层段现今的活动特征与差异, 获得以下新认识:1)口镇-关山断层为S倾的正-左旋斜滑断层, 也是为调节渭河盆地不同段落非均匀拉张而形成的斜向调节断层, 其晚第四纪垂直错断地层8.8m, 左旋错断冲沟约34m, 垂直和左旋滑动速率分别为>0.13mm/a和>0.49mm/a。 2)形变监测反映该断层正在发生正-左旋斜滑型的蠕滑运动; 其中, 断层西段的蠕动相对稳定, 垂直和左旋蠕动速率分别为0.16~0.76mm/a和0.42~0.78mm/a, 横向水平拉张速率为0.15~0.26mm/a; 断层东段正断分量的垂直蠕动速率为1.56mm/a, 大于西段, 且表现出阶跃式或幕式蠕滑特征, “阶跃期”(2012—2014年)速率达13mm/a的蠕动可能代表1次慢滑移事件。 这些现象表明中国大陆拉张构造环境的活动断层也能发生蠕动。 3)沿该断层的地震活动以及地表地裂缝带的发育与该断层的蠕动作用密切相关。

关键词: 口镇-关山断层; 晚第四纪断层活动; 跨断层形变监测; 断层蠕滑; 幕式蠕滑
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2021)03-0504-17
THE LATE QUATERNARY AND PRESENT-DAY ACTIVITIES OF THE KOUZHEN-GUANSHAN FAULT ON THE NORTHERN BOUNDARY OF WEIHE GRABEN BASIN, CHINA
YANG Chen-yi, LI Xiao-ni, FENG Xi-jie, ZHU Lin, LI Miao, ZHANG En-hui
Shaanxi Earthquake Agency, Xi'an 710068, China
Abstract

The Kouzhen-Guanshan Fault trends in near E-W direction and obliquely cuts the active NEE-striking northern boundary fault zone of the Weihe Graben Basin, a fault zone that constitutes the boundary between Weihe Graben Basin and the Ordos block. Medium to small earthquakes occur frequently along the fault. Since the 1980s, a series of researches have been carried out on this fault, and certain cognition has been gained on its geometry, kinematics, tectonic evolution, recent activity and seismogenic capacity. However, most of the eastern segment of the fault is concealed in the Quaternary sediments of Weihe Graben Basin, and the corresponding research and attention are less. By conducting new field geological surveys and combining data from fault-crossing leveling and creepmeter observation, we studied the activities of the Kouzhen-Guanshan Fault during the late Quaternary and in the recent decades, supplemented the geological evidence of fault activity in the late Quaternary, and analyzed the characteristics and differences of tectonic activities on the western and eastern segments of the fault. Our research provides new insights as follows:1)For the Kouzhen-Guanshan Fault, previous geological surveys were mainly carried out in the western segment with a focus on studying the vertical movement. It is considered that the fault activity has been stronger in the western segment and weaker in the eastern segment since the late Pleistocene. Our field investigation of three geologic cross-sections on the eastern bank of the Shichuan River in the eastern segment provides the understanding of the geological activity on the eastern segment. It reveals that the eastern segment of the Kouzhen-Guanshan Fault has a vertical motion component since the late Pleistocene, where the late Pleistocene stratum has been vertically offset by 8.8m, yielding a vertical slip rate of >0.13mm/a. At places between the central and western segments of the fault, the offset gullies were gradually cut down after the accumulation of loess layer L1, and the age of S1 at the bottom of L1 can represent the lower limit of the left-lateral dislocation age of these gullies. The horizontally-faulted geomorphic features produced in the late Pleistocene have an average left-lateral displacement of 34m, which yields a left-lateral strike-slip rate of >0.49mm/a. These suggest that the Kouzhen-Guanshan Fault is a normal-sinistral oblique-slip one dipping steeply to the south; it would also be a growing transfer fault to adjust the non-uniform horizontal extension between segments of the Weihe Basin by obliquely cutting the northern boundary fault zone of the Basin. 2)Creeping movement is found to occur continuously on two connecting segments of the Kouzhen-Guanshan Fault at least in the last more than 30 years. Fault-crossing leveling observation for more than 30 years has been carried out on the Kouzhen and Jingyang sites on the western segment of the fault, respectively, and fault-crossing creepmeter observation has been carried out for nearly 7 years at Jingyang site, both of which have detected the present activity characteristics of the western segment of the fault. Among them, the two fault-crossing leveling observation time series show that the trends of vertical creep movement are basically the same since 1986. The creepmeter observation at Jingyang site shows that the fault has experienced continuously normal-sinistral creeping, and the horizontal-transverse stretching alternates with sinistral creeping since 2012. At Kangcun site on the western segment of the fault, fault-crossing leveling observation has been carried out for nearly 20 years. For the western segment, the fault creep is relatively stable with time and shows normal-sinistral oblique-creep faulting with the rates of 0.16~0.76mm/a for the vertical component, 0.42~0.78mm/a for the sinistral-creep component, and 0.15~0.26mm/a for the horizontal-transverse stretching component, respectively. Although technical means to observe or detect horizontal deformation are absent on the eastern segment of the fault, the campaign leveling surveys suggest that the fault creep on this segment has an average rate of 1.59mm/a for the vertical component(relative decline in the southern part of the fault)and shows a time series pattern of “step-like” or “episodic” creep, and the fault creep here with a rate as high as 13mm/a during the “step-like” period(2011 to 2014)may represent one slow slip event. 3)The present vertical creeping velocity of the eastern and western segments of the fault is different. The creep rate of the eastern segment is higher than that in the west, which may reflect the eastern segment of the fault is closer to the core of Weihe Graben Basin in space. This inference can be derived from the evidence that the new activity of the fault zone in the northern margin of Weihe Graben Basin, the development of ground fissures belt and seismicity along the Kouzhen-Guanshan Fault are all stronger in the eastern segment. 4)Both the seismicity and the cause of ground fissures belt along the Kouzhen-Guanshan Fault are closely related to the motion of normal-sinistral oblique-creep on this fault, which is controlled by the fault activity and should be the reflection of the surface macroscopic deformation of creeping. 5)The observed creeping movement on the Kouzhen-Guanshan Fault, especially, the phenomenon of “episodic” creep(rarely reported in China)in the vertical motion component on the eastern segment of the fault, proves that slow slip or creep may also occur on faults in tectonically active tensional environments of mainland China. There is obvious difference of normal creep faulting in the eastern and western segments of the fault. It is further necessary to study the differences in the friction properties of the fault segments reflected by the differences in the creep characteristics of these two segments, as well as seismic tectonic and seismic precursory implications of creeping with different characteristics. We therefore suggest strengthening the monitoring of the fault motion and the study of potential seismic hazards. 6)Regarding the “step-like” or “episodic” creep of the fault, the existing research mainly comes from the strike-slip fault. It is found that the present vertical motion component of the Kouzhen-Guanshan Fault shows obvious “step-like” or “episodic” creep characteristics. Therefore, it is necessary to study the relationship between the creeping effect and the phenomenon of seismicity and ground fissures alone the fault. In the future, we intend to combine the microseismic activity and fault friction theory to study the possible mechanism of the “episodic” creep, as well as the tectonic and seismic precursory implications of slow slip events similar to those observed at Kangcun site during 2012—2014.

Keyword: the Kouzhen-Guanshan Fault; late-Quaternary fault activity; fault-crossing geodetic surveys; fault creep; episodic creep
0 引言

渭河盆地是汾渭活动断陷带的重要组成部分, 自始新世开始接受沉积, 受青藏高原隆升推挤作用的影响, 于晚新生代开始发生NW-SE向水平拉张兼左旋剪切的断陷活动, 并持续至晚第四纪(Molnar et al., 1975; Zhang et al., 1998; Sun, 2005; 张培震等, 2006; Liu et al., 2013), 使得该区活动断层发育, 强震活动频繁。 其中, 口镇-关山断层斜切了渭河盆地北缘断裂带, 后者也是组成渭河盆地与鄂尔多斯地块分界的断裂带(图1a)。

图 1 a 口镇-关山断层构造背景; b 跨断层形变测线位置示意图
F1扶风-礼泉-富平断层; F2泾阳-渭南断层; F3渭南塬前断层; F4双泉-临猗断层; F5渭河断层; F6临潼-长安断层; F7华山西缘断层Fig. 1 The sketch map showing the position and tectonic setting of the Kouzhen-Guanshan Fault(a), and location of cross-fault survey lines(b).

近EW走向的口镇-关山断层附近现代中-小地震频发, 自1976年以来, 沿该断层曾发生了9次震群和数百次小震。 1998年陕西泾阳5.2级地震及自1983年4月27日开始出现的泾阳小地震群等事件可能均与口镇-关山断层活动有关。 自20世纪80年代起, 研究者对口镇-关山断层开展了一系列工作, 在其几何学、 运动学、 构造演化、 新活动性以及孕震能力方面都获得了一定的认知。 这些研究的大部分都集中在断层西段的口镇附近, 并认为西段具有较强的新活动性(国家地震局“ 鄂尔多斯周缘活动断层系” 课题组, 1988; 米丰收等, 1993; 胡亚轩等, 2008; Lin et al., 2015; 李煜航等, 2016)。 然而, 该断层东段大部分隐伏于渭河盆地第四系中, 相应的研究与关注较少。

本文针对口镇-关山断层, 采用野外补充地质调查与跨断层形变监测资料分析2种手段开展综合研究。 通过开展野外调查, 我们拟补充断层晚第四纪活动的地质证据, 了解该断层地质新活动的方式与性质, 对比断层东、 西段的活动特征与差异; 同时, 分析数十年的跨断层形变测量资料, 以揭示该断层现今地表运动的行为与表现。 本工作选取口镇-关山断层西段口镇附近的3条跨断层测线以及东段康村附近的1条测线(图1b)的形变测量结果进行分析, 并结合断层活动的地质特征综合分析该断层的晚第四纪至现今的活动性, 完善对该断层的认识, 为该区的地震危险性分析提供新的科学依据。

1 断层的晚第四纪活动性与运动方式
1.1 断层规模与晚第四纪活动性

已有的调查表明口镇-关山断层在地貌与地震探测剖面均有显示, 其走向近EW, 倾向S, 倾角约为50°~80°, 长100~150km, 自晚新生代以来主要表现为南降北升的高角度正断层, 以蠕滑运动为主(米丰收等, 1993; Lin et al., 2015), 但未给出断层蠕动的形变观测证据; 也有学者提出该断层除垂直运动外还兼有左旋走滑分量(徐煜坚等, 1988)。 调查发现, 该断层西起永寿, 经过口镇、 鲁镇、 阎良, 东至关山, 总长≥100km, 总体上以较小的角度斜切了NEE向的渭河盆地北缘活动断裂带(图 1); 该断层在卫星影像上线性特征明显, 地形上总体表现为北高南低(图2a), 沿断层发育的断错地貌显示出清晰的左旋走滑特征:由北向南流的冶峪河、 石川河以及温泉河经过断层处均发生左旋扭曲(图2a, c), 同时断层还水平断错了一系列由晚更新世黄土层下切发育的冲沟, 左旋水平断距为31~49m, 平均为34m(图2b, e), 大于该断层晚更新世以来由正断层运动分量产生的垂直断距(图 3—5)。 以上证据反映近EW走向的口镇-关山断层晚第四纪的活动方式应以左旋走滑运动为主(图 2)。

图 2 口镇-关山断层地形景观及水平断错地貌
a 黄色十字点线示意地表地裂缝带的位置, 地表地裂缝带的中线位置与断层(红线)不重叠, 而是位于断层南盘(上盘)(参考彭建兵等(2017)的结果绘制)。 b Google Earth影像照片, 其下小图为断层断错冲沟影像的局部放大图。 c 红色箭头指示断层位置, 白色箭头指示冶峪河阶地后缘的左旋错断Fig. 2 The terrain landscape and horizontal offset landforms of the Kouzhen-Guanshan Fault.

图 3 阎良石川河东岸口镇-关山断层的照片(a)和地质剖面(b)
代号表示的黄土-古土壤序列的地层单元Fig. 3 Photograph(a) and sketch geologic cross-section(b)of the Kouzhen-Guanshan Fault on the eastern bank of the Shichuan River near Yanliang.

图 4 阎良坡底孙村口镇-关山断层的照片(a)和地质剖面(b)
代号表示的黄土-古土壤序列的地层单元Fig. 4 Photograph(a) and sketch geologic cross-section(b) of the Kouzhen-Guanshan Fault in Podisun village near Yanliang.

图 5 阎良卓仁村口镇-关山断层的照片(a)和地质剖面(b)
代号表示的黄土-古土壤序列的地层单元Fig. 5 Photograph(a) and sketch geologic cross-section(b) of the Kouzhen-Guanshan Fault in Zhuoren village near Yanliang.

1.2 断层东段的晚第四纪活动性

已有的调查研究表明口镇-关山断层是具有明显晚第四纪—全新世活动的断层(国家地震局“ 鄂尔多斯周缘活动断层系” 课题组, 1988; 李永善, 1992; 米丰收等, 1993; 胡亚轩等, 2008), 断层两侧地形地貌的总体趋势为北高南低、 西高东低。 断层西段的上盘为第四系, 下盘为奥陶纪灰岩, 岩性界限清晰明显(图2a)。 断层东段大多隐伏于第四系中, 因此研究程度较低。 我们对口镇-关山断层东段的晚第四纪活动性展开了野外补充调查, 发现断层东段与石川河交会的部位附近至少出露3个断错晚更新统的断层剖面(图 3—5)。 剖面上的断面均倾向S, 倾角为70°~80°, 将晚更新世底界的古土壤层S1及其上、 下的晚更新世黄土(L1)和中更新世黄土(L2)及其古土壤层S2错断, 其中S1在3个剖面中的垂直断距分别为4m、 2.5m和8.8m, 表现出上盘相对下降的正断作用。

图 3—5所示的3个剖面揭示了口镇-关山断层的东段晚更新世以来也具有活动性。 这3个剖面相距不远, 但晚第四纪以来的垂直断距差别较大。 其中, 图 5 所示剖面的断层垂直断距为8.8m, 而且发育宽约3m的断层带, 其两侧还存在明显的拖曳变形现象, 说明该剖面的断层带规模和垂直断距对于口镇-关山断层东段的晚第四纪活动更具有代表性。

1.3 断层晚第四纪的滑动速率、 运动性质与成因

图 3—5所示的3个剖面揭示在口镇-关山断层东段晚更新世以来的活动中兼有断面S倾的正断作用分量。 剖面中断层断错的古土壤层S1顶界年龄约为70ka(Heller et al., 1982; Kukla, 1987; Kukla et al., 1989; 刘东生, 1997), 该层形成之后断层的代表性垂直断距为8.8m(图 5), 反映其平均垂直滑动速率> 0.13mm/a。 另外, 图 2 中在断层中偏西段的左旋错断冲沟的水平断距平均为34m, 冲沟是在黄土层L1堆积之后逐渐下切形成的, L1底部S1古土壤层的顶界年龄(约为70ka)可代表这些冲沟左旋位错年龄的下限, 由此估得该断层晚更新世以来的左旋走滑速率> 0.49mm/a。

以上证据表明, EW走向的口镇-关山断层晚更新世以来具有活动性, 其左旋走滑运动分量(图 2)明显大于由正断层运动分量产生的垂直断距(图 5), 晚第四纪的活动方式是以左旋走滑为主兼有南盘下降的正断层作用, 属于正-左旋斜滑型活动断层。 由于口镇-关山断层以较小的角度斜切了NEE向的渭河盆地北缘活动断裂带(图 1)。 因此, 该断层可能是自始新世以来在伴随渭河断陷盆地发育的过程中, 为调节渭河断陷带不同段落的非均匀拉张而形成的斜向调节断层, 并与渭河断陷盆地及其北缘断裂带同步发展, 自晚第四纪持续活动至今。

2 由形变测量分析断层的现今活动性

陕西省地震局已在口镇-关山断层西段的口镇和泾阳台分别开展了30多a的跨断层短水准监测, 在泾阳台开展了近7a的跨断层蠕变仪观测; 另外, 还在断层东段的康村开展了近20a的跨断层短水准监测, 测线的位置参见图1b。 本节拟利用这些场地的形变观测资料分析口镇-关山断层的现今活动特征。 国内外研究表明, 利用短水准、 短基线和蠕变仪等高精度的测量阵列开展跨断层的长期(数十a)形变观测是获得断层现今活动方式与行为的有效方法。 与该领域相关的研究目前已在全球广泛开展, 并已获得不少成果(Savage et al., 1979; Bevis et al., 1981; Lisowski et al., 1981; Schulz et al., 1982; Lee et al., 2001; Lienkaemper et al., 2001, 2013, 2014; 杜方等, 2010; Zhang et al., 2018)。

本文使用的跨断层形变观测数据来自研究断层西段口镇场地的流动水准重复测量、 泾阳台的短水准重复测量和蠕变仪观测, 以及断层东段康村场地的流动水准重复测量。 这些测量观测均严格遵照国家地震局《跨断层测量规范》(1993年1月)和国家地震局科技监测司《区域精密水准测量技术文件汇编》(1996年3月)的相关技术要求实施。 其中, 水准重复测量是观测断层两盘端点之间的高差随时间的变化, 以监测断层的相对垂直运动; 蠕变仪观测是利用高精度光学仪器连续监测断层两盘端点平行于断层走向方向的相对水平位移(走滑运动)分量、 高差变化的垂直运动分量, 以及垂直于断层走向方向的张-压(横向伸-缩)分量。

2.1 泾阳台跨断层短水准监测

泾阳台短水准测线场地位于口镇-关山断层西段泾阳县的口镇黄家村, 测线横跨口镇-关山断层, 每日人工往返观测2次, 最大观测误差为0.8mm。 测线北端为基岩点, 南端埋于黄土层中, 测线全长477m。 在1986年10月—2019年9月的监测期间, 观测曲线总体呈上升趋势, 反映南端点A1(断层上盘)相对北端点N1(断层下盘)发生连续下降的断层蠕动作用, 累积下降量为25mm, 由此得知该场地的断层正断活动分量的平均垂直蠕动速率为0.76mm/a(图 6)。

图 6 泾阳场地跨断层短水准测量的观测曲线(小图为场地图)Fig. 6 Observed time series using fault-crossing short-levelling surveys at the Jingyang site (The inset is a sketch map of the site).

2.2 泾阳台蠕变仪观测

泾阳台的蠕变仪采用中国地震局地壳应力研究所研发的三维断层形变监测系统(DCXB-3W), 测线横跨口镇-关山断层, 与泾阳台短水准场地的地质条件基本相同, 测线长46m, 走向SN。 于2011年10月安装仪器并开始试记, 采用分钟值采样自记。 本研究分析了蠕变仪监测的断层走滑分量数据(2012年1月—2019年2月)、 垂直位移分量数据(2012年1月—2018年11月)和横向伸-缩分量数据(2012年1月—2018年8月)。 虽然走滑分量曲线的年变幅度很显著, 但3条观测曲线均存在总体上升或下降的趋势; 其中, 累积左旋蠕滑量为3mm(两盘相对向左旋走滑运动), 平均左旋蠕滑速率为0.42mm/a; 累积垂直蠕滑量为1.12mm(断层南盘相对下降运动), 总体平均垂直蠕动速率为0.16mm/a; 横向伸-缩分量的累积拉张位移量为0.99mm, 总体平均水平横向拉张速率为0.15mm/a(图 7)。 但3个分量的观测曲线反映的断层运动特征在以下2个时间段存在差异:2012年1月—2015年10月, 断层的走滑运动不明显, 而垂直位移与横向伸-缩分量曲线分别均持续上升、 下降, 表示该时间段内断层发生正断型蠕滑作用, 垂直蠕动速率和水平横向拉张速率分别为0.29mm/a和0.26mm/a; 2015年10月之后, 走滑分量曲线持续上升, 但垂直蠕动与横向拉张作用不明显, 表示该时间段内断层发生左旋蠕滑运动, 速率为0.78mm/a。 以上蠕变仪观测曲线变化规律反映出本场地内断层现今的活动方式总体为正-左旋走滑蠕动, 且拉张性正断型蠕滑与蠕动性质左旋走滑运动交替发生。

图 7 泾阳台蠕变仪断层走滑、 垂直和伸-缩分量观测曲线(小图为场地图)Fig. 7 Observed time series of the fault-normal and fault-parallel components using a creepmeter at the Jingyang station(The inset is a sketch map of the site).

2.3 口镇跨断层流动水准测量

在口镇-关山断层的西段开展了跨断层流动水准测量, 一月一测, 后改为一旬一测, 测线长960m, 自1986年9月开始测量。 分析观测数据可知在1986—2011年期间曲线呈较稳定的上升趋势, 反映该区的断层发生持续的垂直蠕动(南盘相对下降), 在之后的2个时间段, 即2011—2013年与2016—2018年则呈现局部反向运动, 而在2次反向运动期之间的2013—2016年, 曲线上升的速度加快。 观测曲线呈现总体上升的趋势, 累积垂直位移量为9.12mm(断层南盘相对下降), 由此估得本场地断层正断作用分量的平均垂直蠕动速率为0.28mm/a(图 8)。

图 8 口镇场地跨断层流动水准测量的观测曲线(小图为场地图)Fig. 8 Observed time series using fault-crossing campaign levelling surveys at the Kouzhen site (The inset is a sketch map of the site).

2.4 康村跨断层流动水准测量

在口镇-关山断层东段设有康村跨断层流动水准测量测线, 从2000年9月开始测量, 一季度一测。 2000年9月—2019年9月的观测曲线总体为上升趋势, 总累积垂直位移为30.26mm(断层南盘相对下降), 反映此处断层的平均垂直运动速率为1.59mm/a。 但在2012—2014年发生了十分明显的加速垂直运动, 速率达13mm/a, 显示出类似于阶跃式或幕式蠕滑(Roeloffs et al., 1989; Murase et al., 2013; Wei et al., 2013)的序列特征(图 9)。 但这种在正-斜滑断层上出现垂直分量阶跃式或幕式蠕滑的现象, 国内尚无报道。

图 9 康村跨断层流动水准测量观测曲线(小图为场地图)Fig. 9 Observed time series using fault-crossing campaign levelling surveys at the Kangcun site (The inset is a sketch map of the site).

近年的研究表明, 断层幕式蠕动的原因可能与断层带浅层存在异质岩性引起断面摩擦的局部不稳定有关(Wei et al., 2013), 而幕式蠕动时间序列中的“ 阶跃” 可看作慢滑移事件(Wei et al., 2013; Khoshmanesh et al., 2018), 可能由于断层面的障碍使得断层运动局部聚集, 进而引起应力和孔隙流体压力升高和摩擦扩展(Khoshmanesh et al., 2018)。 根据这些研究实例和理论, 我们认为图 9 中2012—2014年期间速率达13mm/a的蠕滑“ 阶跃” 可能代表口镇-关山断层东段的1次慢滑移事件。

2.5 断层现今运动特征小结

综合以上4个场地跨断层形变测量多年的观测结果, 我们计算出口镇-关山断层现今的活动速率并总结出相应的活动特征(表1), 主要包括:

表1 各场地跨断层形变测量观测的口镇-关山断层的活动特征小结 Table 1 A summary for activity characteristics of the Kouzhen-Guanshan Fault observed by fault-crossing geodetic surveys at various sites

(1)泾阳台短水准、 口镇流动水准和泾阳台蠕变仪3个跨断层形变测项均监测到口镇-关山断层西段现今的活动特征。 其中, 2条跨断层水准测线监测的时间序列显示自该区1986年以来的长趋势变化基本一致, 断层西段运动的垂直分量指示南盘(上盘)相对北盘(下盘)持续下降, 即观测到断层蠕动的正断垂直分量, 垂直蠕动速率分别为0.76mm/a和0.28mm/a(图 6, 8)。 泾阳台蠕变仪监测到断层自2012年以来持续发生正-左旋蠕滑运动, 且拉张性垂直蠕动与左旋走滑蠕动交替发生, 在垂直蠕动(南盘相对下降)的同时还伴有横向水平拉张蠕动; 左旋走滑蠕动速率、 垂直蠕动速率与横向拉张蠕动速率分别为0.42~0.78mm/a、 0.16~0.29mm/a和0.15~0.26mm/a(图 7)。 泾阳台蠕变仪监测的断层西段的垂直蠕动速率(0.16~0.29mm/a)与泾阳台短水准和口镇流动水准监测的同一断层段的垂直蠕动速率(0.76mm/a和0.28mm/a)在数量级上一致, 但前者略偏小, 为后者的38%~57%。 偏小的原因可能主要是蠕变仪所跨越的断层活动形变带的宽度(测线长46m)小于泾阳台短水准和口镇流动水准测线(测线长477m和960m); 此外, 也可能是该蠕变仪观测时间较短, 目前的结果还可能不具有长期代表性所致。 然而, 泾阳台蠕变仪监测到的左旋走滑分量与正断型垂直运动分量运动速率的比例系数约为2.65, 说明断层西段现今的运动方式是以左旋走滑为主的正断-左旋斜滑型。

(2)断层东段康村跨断层流动水准测量监测到断层的长期平均垂直滑动速率为1.59mm/a(南盘相对下降), 但这里的断层活动具有相对平缓期和明显加速期, 表现出类似于“ 幕式” 蠕滑(Roeloffs et al., 1989; Murase et al., 2013; Wei et al., 2013)的序列特征, 其中2012—2014年的蠕滑“ 阶跃” 可能代表该断层东段的1次慢滑移事件(图 9)。

(3)为了对比口镇-关山断层东、 西2段的现今活动特征, 选取测量时间较长且每日进行观测的泾阳台短水准与康村跨断层流动水准测量的结果进行对比。 在同一坐标系下, 这2个场地的水准观测反映出断层东、 西2段的现今活动特征存在明显的差异(图 10):断层西段(泾阳台测线)的观测反映跨距约477m宽的断层带持续发生随时间相对平稳变化的0.76mm/a的垂直蠕动(正-左旋斜滑断层运动的垂直分量), 且该处的蠕变仪观测还反映西段在约46m宽的断层带还伴有0.42~0.78mm/a的左旋蠕动以及0.15~0.26mm/a的横向水平拉张(图 7); 断层东段仅在康村进行了跨断层流动水准测量, 所得结果反映这里跨距约740m的断层带存在持续蠕动, 并伴有垂直分量, 但垂直蠕动具有阶跃式或幕式的特征, 平均速率为1.59mm/a, 且在“ 阶跃期” 的速率高达13mm/a(图 10)。 因此, 口镇-关山断层东、 西2段的现今活动特征和速率明显不同, 东段的平均垂直蠕动速率高出西段1倍, 可能反映该断层现今运动的垂直分量具有“ 枢纽” 性质, “ 枢纽” 点应位于断层西段。

图 10 断层西段泾阳跨断层短水准与东段康村跨断层流动水准测量曲线对比Fig. 10 A comparison between two time series observed respectively at Jingyang site on the western segment of the fault using fault-crossing short-leveling surveys and at Kangcun site on the eastern segment of the fault using campaign leveling surveys across the fault.

(4)尽管口镇-关山断层东段缺少监测水平形变的测项, 但以上跨断层形变测量结果至少反映口镇-关山断层西段现今的运动方式为正-左旋斜滑性质, 与本文图 2—5揭示的该断层的晚第四纪活动方式一致, 符合渭河盆地现今所处的NW-SE向的近水平拉伸构造环境(England et al., 1989; Clark et al., 2000; 瞿伟等, 2016)。

3 讨论

综合上文的地质和跨断层形变观测事实, 进一步讨论以下问题:

(1)先前对口镇-关山断层的野外调查大部分集中在断层西段的口镇—鲁桥之间, 根据断层错断河流阶地、 错断上更新世黄土夹砂层中砾石层(鲁桥西支沟)等地质现象, 认为以口镇附近为界断层晚更新世以来的活动具有西强东弱的特征(米丰收等, 1993)。 在本次野外调查中发现的该断层东段石川河附近的3个断层剖面, 充分表明断层东段自晚更新世以来也具有较强的活动, 补充了对该断层东段地质活动性的认识。

(2)口镇-关山断层现今仍处于活动状态, 主要表现为偏张性的正-斜滑型断层蠕动, 平均垂直蠕动速率为0.16~0.76mm/a(西段)和1.59mm/a(东段), 平均左旋蠕滑速率为0.42~0.78mm/a(西段)。 因此, 沿该断层带附近发生的现代中小地震和小地震群活动(国家地震局“ 鄂尔多斯周缘活动断层系” 课题组, 1988; 李永善, 1992; 米丰收等, 1993; 胡亚轩等, 2008)可能是该断层现今活动的表现。 另外, 沿口镇-关山断层发育一系列地裂缝(分布见图2a), 并可按走向分为2组, 一组走向约为90°, 平行于口镇-关山断层, 如泾阳地震台附近的地裂缝(长约1.5km, 最宽1m, 可见深度> 5m)(图2d); 另一组走向为150°~210°, 与口镇-关山断层相交, 主要发育于断层西段的泾阳附近。 已有研究认为该地裂缝带的发育受口镇-关山断层活动所控制(何红前, 2011; 彭建兵等, 2017; 乔建伟, 2018); 而本文已基于多个场地的跨断层形变观测证明该断层正在持续发生正-左旋斜滑型蠕动, 进而证明图 2 所示地裂缝带的发育应是该断层蠕动的地表宏观形变反映。

(3)本文利用地质方法和跨断层形变监测资料分别分析了口镇-关山断层晚第四纪以来100ka和最近数a至30多a 2种不同时间尺度的运动方式与活动速率, 断层中偏西段的左旋错断地貌、 跨断层蠕变仪走滑分量均反映断层晚第四纪和现今以左旋走滑运动为主, 走滑速率分别为0.49mm/a以上和0.42~0.78mm/a; 地质方法估计的走滑速率与跨断层蠕变仪观测的蠕滑速率相吻合。 断层东段晚更新世地层错断剖面(图 5)与最近20a的跨断层水准测量结果反映该断层段晚第四纪和现今的运动均具有正断型垂直分量(南盘相对下降), 但地质方法得到的结果(> 0.13mm/a)明显小于水准测量的结果(1.59mm/a)。 这种偏差一方面可能由于地质学方法中以S1古土壤层顶界的年龄替代上覆L1黄土层底界垂直断错的起始年龄, 可能偏老(图 5), 故所得的垂直速率> 0.13mm/a可能仅是下限值; 另一方面, 断层东段康村场地2000—2019年的水准观测结果表明断层的垂直运动呈现“ 阶跃期” 与“ 平静期” 相间的蠕动, 而在2012—2014年间发生速率达13mm/a的垂直蠕滑“ 阶跃” (图 9, 10), 可能使得这19a的平均垂直速率1.59mm/a是长期平均的上限值。 因此, 要得到断层东段晚第四纪和现今的垂直运动速率不一致的真实原因, 还需要更长时间的跨断层形变监测和进一步的研究。

(4)口镇-关山断层东、 西2段现今蠕动正断分量的垂直速率不同, 西段为0.16~0.76mm/a, 东段为1.59mm/a。 东段的垂直蠕动速率大于西段, 可能反映该断层东段在空间上更靠近渭河断陷盆地的核心部位, 因此正断分量的活动速率要高于西段; 这种推断可得到渭河盆地北缘断裂带新活动性、 沿口镇-关山断层地裂缝带的发育以及地震活动等均存在东强西弱的特征(徐煜坚等, 1988; 冯希杰等, 2001; 李煜航等, 2016)的旁证。

(5)该断层东、 西2段的正断型蠕动曲线具有明显差异。 在西段2个场地观测到相对稳定型的蠕动曲线(图 10), 在东段的1个场地则观测到阶跃式或幕式蠕动。 这可能反映东、 西2个断层段存在摩擦性质上的差异, 值得结合断层摩擦理论和模拟开展进一步研究, 这对于进一步认识该断层的现今活动的分段特征及其潜在地震危险性具有重要意义。

(6)关于断层的阶跃式或幕式蠕动, 已有的研究主要来源于走滑型断层(Roeloffs et al., 1989; Murase et al., 2013; Wei et al., 2013; Khoshmanesh et al., 2018), 本研究发现口镇-关山断层东段现今活动的正断垂直分量表现出明显的阶跃式或幕式蠕动特征。 因此, 需要进一步研究这种方式的蠕动作用与沿口镇-关山断层的地震活动以及地裂缝发育等现象之间的关系。 未来, 我们拟结合微震活动和断层摩擦理论研究康村场地观测到的幕式断层蠕动的可能成因机制, 以及与2012—2014年期间该场地观测到的慢滑移事件的构造和地震前兆含义。

4 结论

(1)针对口镇-关山断层, 以往的野外调查偏重于西段, 并重点定量研究断层西段的垂直运动。 本研究通过野外调查发现该断层东段也有晚第四纪活动:晚更新世地层S1被垂直错断8.8m, 垂直滑动速率> 0.13mm/a; 断层中偏西段的同期地貌被左旋断错34m, 左旋滑动速率> 0.49mm/a。 该断层为向S陡倾的正-左旋斜滑性质, 成因上可能是为调节渭河盆地不同段落非均匀拉张而产生的斜向调节断裂。

(2)跨断层形变监测反映, 最近30余a中沿口镇-关山断层持续发生蠕滑运动。 其中, 断层西段发生相对稳定的正-左旋斜滑型蠕动, 垂直和左旋分量的蠕动速率分别为0.16~0.76mm/a和0.42~0.78mm/a, 横向水平拉张速率为0.15~0.26mm/a。 断层东段虽缺少监测水平形变的测项, 但流动水准测量反映东段的垂直蠕动速率为1.59mm/a, 且表现出阶跃式或幕式蠕动的特征, 阶跃期(2011—2014年)速率达13mm/a的蠕滑可能代表1次断层慢滑移事件。

(3)沿口镇-关山断层正在发生的蠕滑现象, 特别是断层东段正断垂直分量的幕式蠕滑现象(国内鲜有报道), 证明在中国大陆的现代拉张构造环境中, 活动正断层或正-斜滑断层也能发生慢速的蠕滑运动。 之后, 需要进一步研究东、 西2个断层段不同的蠕滑特征所反映的断层分段摩擦性质的差异, 以及不同特征蠕滑的构造和地震前兆含义。

(4)口镇-关山断层的正-斜滑型蠕动作用与沿该断层的地震活动以及地表地裂缝带的发育关系密切, 建议加强对该断层的监测与潜在地震危险性研究。

致谢 闻学泽老师对文章提了出许多建设性的建议并指导作者进行了修改; 审稿专家对本文提出了宝贵的意见与建议; 泾阳台邢西淳和姚闯、 陕西省地震局预报中心窦玛丽针对形变资料的处理分析给予了帮助。 在此一并表示感谢!

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