引用本文
张金玉, 刘静, 王恒, 石许华, 姚文倩, 徐晶, 徐心悦. 基岩断面宇宙成因核素暴露定年:重建正断层古地震序列[J]. 地震地质, 2018,40(5): 1149-1169.
ZHANG Jin-yu, LIU-ZENG Jing, WANG Heng, SHI Xu-hua, YAO Wen-qian, XU Jing, XU Xin-yue. COSMOGENIC NUCLIDES EXPOSURE DATING FOR BEDROCK FAULT SCARP:RECONSTRUCTING THE PALEOEARTHQUAKE SEQUENCE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(5): 1149-1169.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.05.014
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基岩断面宇宙成因核素暴露定年:重建正断层古地震序列
张金玉1, 刘静1, 王恒1, 石许华2, 姚文倩1, 徐晶1, 徐心悦1
1中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2南洋理工大学新加坡地球观测中心, 新加坡 639798

〔作者简介〕 张金玉, 女, 1986年生, 2014年于中国地质大学(北京)获构造地质学博士学位, 助理研究员, 现主要研究方向为活动构造与河流地貌, 电话: 010-62009085, E-mail: jinyuzhang87@foxmail.com。

收稿日期: 2018-01-08
基金项目: 国家自然科学基金(41502188, 41702223)、 地震动力学国家重点实验室项目(LED2016A02)和中国地震局川滇国家地震监测预报实验场课题(2017CESE0102)共同资助
摘要

正断层基岩断面可以连续地记录大地震位移累积的过程以及地震事件序列。该地震序列发生的时间与地震位移导致的基岩断面的暴露时间呈正相关。因此, 通过测定断面基岩表层的宇宙成因核素浓度, 可获得过去大地震发生的次数、 时间和滑动量。目前研究工作中广泛选用灰岩的宇宙成因核素36Cl 测年方法, 最佳采样基岩断面的高度距地表15~20m。选择采样剖面时, 需确保基岩表面记录的是构造事件而并非地貌剥蚀过程, 断面平直新鲜。基本采样策略是, 在崩积楔之上和之下平行断层滑动方向连续采集一系列基岩样品, 单件样品的长×宽×厚约15cm×10cm×3cm。基于样品的宇宙成因核素36Cl 和稀土元素-钇(REE-Y)浓度随着样品距地表高度的变化情况, 识别出强震次数及其发生时间范围, 然后运用数值模型模拟36Cl 剖面来获得最可能的强震事件发生时间和滑动量以及相应的误差。

关键词: 正断层; 基岩断面; 宇宙成因核素; 长周期地震记录; 断层滑动速率
中图分类号:P597 文献标志码:0253-4967(2018)05-1149-21 文章编号:0253-4967(2018)05-1149-21
COSMOGENIC NUCLIDES EXPOSURE DATING FOR BEDROCK FAULT SCARP:RECONSTRUCTING THE PALEOEARTHQUAKE SEQUENCE
ZHANG Jin-yu1, LIU-ZENG Jing1, WANG Heng1, SHI Xu-hua2, YAO Wen-qian1, XU Jing1, XU Xin-yue1
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration,Beijing 100029, China
2)Earth Observatory of Singapore, Nanyang Technological University 639798, Singapore
Abstract

The bedrock scarps are believed to have recorded the continuous information on displacement accumulation and sequence of large earthquakes. The occurrence timing of large earthquakes is believed to be correlated positively with the exposure duration of bedrock fault surfaces. Accordingly, cosmogenic nuclides concentration determined for the bedrock footwall can offer their times, ages, and slip over long time. In general, multiple sites of fault scarps along one or even more faults are selected to carry out cosmogenic nuclide dating in an attempt to derive the temporal and spatial pattern of fault activity. This may contribute to explore whether earthquake occurrence exhibits any regularity and predict the timing and magnitude of strong earthquakes in the near future. Cosmogenic nuclide36Cl dating is widely applied to fault scarp of limestone, and the height of fault scarp can reach as high as 15~20m. It is strongly suggested to make sure the bedrock scarp is exhumed by large earthquake events instead of geomorphic processes, based on field observation, and data acquired by terrestrial LiDAR and ground penetration radar(GPR). In addition, it is better for the fault surface to be straight and fresh with striations indicating recent fault movement. A series of bedrock samples are collected from the footwall in parallel to the direction of fault movement both above and below the colluvium, and each of them is ~15cm long, ~10cm wide, and~3cm thick. The concentrations of both cosmogenic nuclide36Cl and REE-Y determined from these samples vary with the heights in parallel to fault scarps. Accordingly, we identify the times of past large earthquakes, model the profile of36Cl concentration to seek the most realistic one, and determine the ages and slip of each earthquake event with the errors. In general, the errors for the numbers, ages, and slips of past earthquake events are ±1-2, no more than ±0.5-1.0ka, and ±0.25m, respectively.

Keyword: normal faulting; bedrock fault scarp; cosmogenic nuclides; long-period earthquake record; fault slip rates
0 引言

研究活动断裂上强震序列的时间和位移, 可揭示地震复发的规律, 对地震灾害评估至关重要(Schwartz et al., 1984; 闻学泽, 1995; 邓起东, 2002; McCalpin, 2009)。这些数据基本来自于3个方面: 现代地震仪器记录、 历史地震考证和古地震研究。地震仪器可以准确记录到地震发生的时间和地点, 但只是记录了近100a以来的地震事件。历史地震记录可以追溯到有人类文字记录以来, 中国、 土耳其和意大利等历史悠久的国家可以延伸到几千a以前, 但是对研究长周期(几百至几千a)的地震复发行为而言, 仍然比较短暂, 其所记录到的震中位置也比较笼统。古地震研究可揭示某一断层过去百a至万a尺度大地震发生频率、 时间以及同震位移, 能在很大程度上弥补仪器和历史地震记录的短暂性和局限性, 使我们能够在几个地震重复周期的时间段认识断裂的长期活动习性并估计未来地震发生的危险性(冉勇康等, 1999; 刘静等, 2007)。当活动断裂穿过晚更新世或全新世沉积物时, 往往都能在沉积地层中留下古地震遗迹, 因此可以通过开挖探槽的方式揭露地层中保存的古地震事件证据, 获得地震发生的时间和位错量, 这种方法已经广泛用于正断层、 逆断层和走滑断层的古地震研究(Sieh, 1978; Swan et al., 1980; 邓起东等, 1984, 2000; 冉勇康等, 2002, 2012, 2014; Weldon et al., 2004; Kumar et al., 2006; Ran et al., 2010; Berryman et al., 2012; Liu-Zeng et al., 2015; Shao et al., 2017)。然而, 有些地区第四纪沉积物覆盖薄, 最新地震事件和断层活动性仅记录在基岩中, 导致古地震研究难以选择合适位置开挖探槽、 获得成层性地层来识别错断事件并寻找合适的物质测定年龄(通常对有机物质开展14C测年)。这就需要借助其他方法来恢复古地震序列, 目前一种新兴的测年方法是正断层基岩断面的宇宙成因核素暴露定年。

基岩断面是正断层地表活动的直接产物。这些断面通常明显与特定断层的活动相关, 完整记录了该地点发生的多次强震, 并且因为抗侵蚀而尚未遭受改造。以前基岩断面的研究受限于数值定年技术, 无法获得具有足够准确度与精度的形成时间。但过去20a发展起来的宇宙成因核素暴露定年方法, 通过测定分析地表破裂过程中出露的基岩断面上宇宙成因核素的累积量与断层位移之间的关系, 获得最后几次大地震事件的时间和滑动速率等定量参数(Benedetti et al., 2002; Schlagenhauf et al., 2010), 这有助于评估该断层处于平静期还是强震活跃期, 进而更好地预测未来强震的时间和规模(Schlagenhauf et al., 2011; Benedetti et al., 2013)。常用的宇宙成因核素包括放射成因的 36Cl、10Be、26Al和14C, 以及稳定惰性气体3He和 21Ne(Gosse et al., 2001)。

许多国家已经陆续开展正断层基岩断面的宇宙成因核素暴露定年研究工作, 例如美国的Hebgen Lake断层(Zreda et al., 1998)、 以色列的Nahef East断层(Mitchell et al., 2001)、 希腊的Sparta断层和Kaparelli断层(Benedetti et al., 2002, 2003)、 意大利亚平宁(Apennines)地区包括Magnola和 Fucino的一系列正断层(Palumbo et al., 2004; Schlagenhauf et al., 2010; Benedetti et al., 2013; Tesson et al., 2016; Cowie et al., 2017)、 土耳其的Manisa断层(Akç ar et al., 2012)以及中国的大具断层和狼山断层(Kong et al., 2010; Shen et al., 2016), 其中意大利的亚平宁地区自2004年以来持续的研究工作推动了该项技术的不断发展和成熟。中国学者已经对山西地堑有关的正断层(如霍山和狼山断层)尝试开展基岩断面的宇宙成因核素暴露定年来重建古地震序列(He et al., 2016; Shen et al., 2016)。此外, 青藏高原东南缘川滇地区与走滑有关的拉张环境下产生的正断层体系山前沉积物粒度粗(苍山山前断裂、 程海-宾川断裂等), 青藏高原中新世以来伸展作用形成的多条SN向正断层裂谷系因为气候干旱缺少合适定年物质(Armijo et al., 1986; 张进江, 2007; Taylor et al., 2009), 因此在这些地区运用探槽方法开展古地震精细研究的难度较大。然而, 这些地区均有可能保存良好的基岩断面, 是开展基岩断面宇宙成因核素暴露定年来恢复古地震序列和获得断层平均滑动速率研究的潜在地区。鉴于上述国内正断层古地震研究对基岩断面宇宙成因核素暴露定年方法的需求, 本文首先综述过去20a该方法在基本原理、 采样策略、 测试内容和方法, 以及数据解释等方面取得的进展, 然后重点以目前研究程度最高的意大利亚平宁地区为实例, 阐述获得长周期古地震的次数、 时间、 滑动量以及百a至万a时间尺度上断层平均滑动速率, 对理解地震丛集性特征和评估区域地震危险性的重要意义。

1 基本原理

宇宙成因核素基岩暴露测年方法的基础是: 宇宙射线(主要为中子)撞击出露的岩石表层矿物而形成特定的宇宙成因同位素(Gosse et al., 2001)。宇宙成因核素在地表特定位置一定时间内生成的速率恒定, 累积量随着时间逐渐增加; 地表之下宇宙成因核素的生成速率随着埋藏深度的增加而降低, 在约2m深度以下基本不变。已知宇宙成因核素(如 36Cl)的生成速率及其在地表之下的分布规律, 其浓度可以用来计算地表接受宇宙射线的照射时间, 也就是测定地表暴露年龄。沿基岩正断层发生的强震事件导致断面底部出露新的陡坎, 测定该陡坎的宇宙成因核素 36Cl 的暴露年龄就是相应强震事件的时间(Zreda et al., 1998; Benedetti et al., 2014)。

基岩正断层上盘顶部通常被崩积楔部分覆盖。强震事件将基岩断面剥露出来之前, 埋藏在崩积楔之下的基岩断面累积少量的宇宙成因核素 36Cl, 浓度随着深度增加呈幂次曲线降低(图1a)。一旦发生地震, 新剥露的断面遭受到更强烈的宇宙射线照射, 以恒定但更快的速率累积 36Cl(图1)。因此, 在基岩断面上某个部位测定的宇宙成因 36Cl 浓度包括地震事件之前埋藏于崩积物之下累积的 36Cl, 以及地震事件之后暴露于地表之上累积的 36Cl。正断层上强震事件的重复发生, 使基岩断面 36Cl 的累积量随着高度持续增加, 其浓度在不同的高度呈现多个幂次曲线分布。因此, 如果沿着基岩断面在不同高度密集采样, 测定的 36Cl 浓度从底部最小值向上逐渐增加, 在代表不同强震事件的位置突然发生变化, 整体呈多条幂次曲线被明显的不连续折点所分隔(图1d)。这些幂次曲线之间的折点指示地震事件的时间, 而相邻折点之间的垂向距离代表了强震产生的同震位错量。研究发现必须沿着基岩断面倾向上采集足够密集的样品, 揭示不同的幂次曲线, 以获得 36Cl 累积的空间和时间分布样式。以前使用 36Cl 方法开展的研究证实了这种方法的有效性, 表明宇宙成因核素 36Cl 测年方法是获得基岩区, 尤其是灰岩地区所发育正断层在过去相对较长时间尺度上发生大地震的期次、 时间和位错的有效手段(Mitchell et al., 2001; Benedetti et al., 2002, 2003; Palumbo et al., 2004)。

图 1 正断层3次强震事件导致的基岩断面测定的宇宙成因核素36Cl 浓度相对断层面高度的投图(引自Schlagenhauf et al., 2010)
地震复发时间为2ka, 沿着基岩断层面的滑动量为2m, 暴露之前的时间间隔为2kaFig. 1 The plot of cosmogenic nuclide 36Cl concentration vs fault scarp height resulting from three large earthquakes along normal faults(cited from Schlagenhauf et al., 2010).

2 采样策略
2.1 基岩断面的保存与断面形态分析

以往的研究表明, 地中海地区许多保存良好的灰岩陡崖的形成时间为冰后期(Armijo et al., 1992; Benedetti et al., 2002; Palumbo et al., 2004), 基本认识是: 在末次冰期干冷气候的条件下, 边坡不稳定, 地震重复发生而累积形成的自由面很快被掩埋(图2a); 冰期结束后在暖湿气候的条件下, 边坡稳定, 地震滑动开始累积形成当前的基岩陡崖(图2b)。

图 2 a 末次冰期干冷气候条件下, 山坡不稳定, 重复地震中形成的自由面很快被掩埋; b 冰期结束, 暖湿气候条件稳定山坡、 地震滑动量开始累积形成当前的陡崖(引自Benedetti et al., 2002)Fig. 2 The slopes are unstable, and free surfaces developed during repeated earthquakes are buried rapidly in the cold and arid conditions during the last glacial time(a); The slopes get stable, and the earthquake slip begins to accumulate to form the present escarpment in the warm and humid condition at the end of the glacial time(b)(cited from Benedetti et al., 2002).

对意大利亚平宁中部Campo Felice断层的基岩陡坎进行形态分析后, Giaccio等(2003)发现因为遭受风化的时间不同, 基岩陡崖表面呈现不同的生物喀斯特的特征(图3)。生物喀斯特过程是指岩石表面和浅表栖息不同的生物种类, 导致碳酸盐岩遭受不同的物理和生物化学过程。风化作用的标志为小孔(alveoli)、 凹坑(pit)、 表皮剥落(exfoliation)以及钙质硬层(calcrete hardpan)。当前崩积物掩盖部分之上、 未遭受机械风化作用的陡崖可以划分为3类: M1, 基岩断坎最下部的断面, 几乎未遭受风化或仅有初期的生物喀斯特风化, 沿着断坎向上可见凹坑发育逐渐增强(图3a— d)。M2, 这部分基岩断面受致密网状多边形样式破裂影响, 边部风化严重, 生长着草本-灌木类植物, 导致腐殖质的堆积; 靠近破裂边部可以看到残余的原始断层面, 破裂多边形的中部因为更高级的生物喀斯特过程降低而呈现下凹样式(图3a, b, e)。M3, 化学风化作用导致这部分基岩断面发育溶蚀凹槽、 孔洞以及小型喀斯特裂缝, 无法看到原始断层面未遭受改变的部分(图3a, b, f)。

图 3 a 意大利亚平宁中部Campo Felice断层出露的断面野外照片; b Campo Felice断层基岩陡坎断面的地貌分区示意图; c M1 基岩陡坎最下部断面凹坑弱发育; d M1 水径流形成的溶蚀凹槽内凹坑明显发育; e M2 演化生物喀斯特过程影响的断面消失; f M3 断面发育溶蚀沟槽(引自Giaccio et al., 2003)Fig. 3 Field picture for the bedrock scarp exposed along the Campo Felice Fault, central Apennines in Italy(a); The block diagram to show the characteristics of the bedrock scarp of the Campo Felice Fault(b); M1 Gently pitted surface in the lowest part of the scarp(c); M1 Evidently pitted surface within a solution flute due to water run-off(d); M2 Retreated surface affected by evolved biokarstic processes(e); M3 Rillenkarren developed on the fault surface(f)
(cited from Giaccio et al., 2003).

2.2 选择采样点

正断层活动的证据包括连续的基岩陡崖、 断层三角面、 酒杯状峡谷和悬谷、 断层陡坎以及被错断的年轻地貌标志(Armijo et al., 1991; Benedetti et al., 2002; Palumbo et al., 2004; Tesson et al., 2016)。基岩断面的采样剖面最好选在末次历史地震的发震断层, 通过地貌证据获得末次地震的最大滑动量, 并用来检验宇宙成因核素 36Cl 浓度测得的末次地震事件的时间和位错量(Zreda et al., 1998; Benedetti et al., 2002)。确保选择的基岩陡坎是通过构造过程(地震破裂)剥露出来, 不涉及断层上盘、 断层下盘或者基岩断面的地貌改造作用(Schlagenhauf et al., 2010; Bubeck et al., 2015)。为避免不确定性, 基岩断面的采样剖面需要远离河流或者沟谷, 避开因河流下切或者崩积物垮塌导致的侵蚀和陡坎剥露(图4)。Kastelic等(2017)定量监测意大利亚平宁中部断层陡坎位置断层面和边坡沉积之间界线, 证实了断层面的暴露是因为重力和滑坡运动, 伴随着风化和山坡降解过程。因此, 尝试运用地表收集数据来获取断层滑动速率时, 需要考虑之前忽略的边坡的侵蚀后退以及其它地表和地下过程。

图 4 意大利亚平宁中部地区导致陡坎剥露的过程的总结(引自Bubeck et al., 2015)Fig. 4 A summary of the processes leading to the exhumation of the fault scarp in central Apennines, Italy(cited from Bubeck et al., 2015).

以往研究综合运用激光探测与测量技术(Light Detection and Ranging, LiDAR)和探地雷达(Ground Penetrating Rada, GPR)获得的数据, 选择构造过程而非地貌过程导致陡坎形成或者剥露的位置作为优选采样点(Bubeck et al., 2015; 何宏林等, 2015)(图4)。通过地基LiDAR可获得采样点的三维几何学、 基岩陡坎的高度以及断面的粗糙度。通过探地雷达可获得上盘地层的影像, 用来排除断层面遭受剥露或者被埋藏的地貌过程, 例如边坡侵蚀、 崩塌等。Bubeck等(2015)发现基岩陡坎剥露的过程涉及下盘沟谷的侵蚀、 上盘沉积、 河道下切以及滑坡, 还有断层滑动和断层连接, 进而提出适合选用基岩断面暴露定年方法开展古地震工作的采样位置具有如下特点: 1)下盘的上坡面和上盘的下坡面必须平坦, 并且无任何与河流和碎屑流过程有关、 可以形成深切沟谷的侵蚀; 2)上盘的下坡面必须没有末次冰期峰值之后的沉积物, 因此下冲积扇或者崩积楔有关的沉积不改变下坡面的高度; 3)断层面的顶部可能保存完整, 也可能遭受不同程度的侵蚀改造。如果断层面的顶部被侵蚀掉, 断层面的倾角向上外推与上坡面的交切线应该平行于断层面和下坡面之间的交切线。

选择采样的断层陡坎剖面应该未曾遭受物理或化学过程的侵蚀, 以避免累积宇宙成因核素的丢失以及相应暴露年龄的低估。基岩断面表面需观察到新鲜的擦痕, 如果有许多凹坑和沟槽, 则证明发生了明显的断面侵蚀作用。野外区分不同地震事件的标准包括光滑程度、 擦痕保存、 表面风化凹坑发育以及颜色等(Zreda et al., 1998)。基于地基LiDAR获得的基岩陡坎断层面的数据, He等(2016)对山西地堑霍山山前断层面的形态特征作二维分形频谱分析, 发现沿着断层面向上分维维数发生系统变化, 表明断层表面形态的分段性, 将其归因为不同期次地震事件导致的暴露时间的差异性。

2.3 样品采集

选择合适的采样位置之后, 在崩积物之上的基岩断面上沿着断层滑动方向连续采集一系列岩石样品(图5a)。为获得崩积物之下宇宙成因核素 36Cl 浓度随着深度下降的情况, 建议采样剖面包括崩积物掩埋的基岩断面(Schlagenhauf et al., 2010; Cowie et al., 2017)。基岩断面局部保存情况差, 例如基岩破碎或者蚀变程度高时, 可以侧向错开进行采样。不同垂向剖面之间侧向间隔尽可能小, 最好≤ 15cm, 2条剖面需要重叠采集2件或更多样品, 以确保关联性。基本假定是, 正断层下盘距离断面不同深度的岩石, 一方面遭受多次地震事件逐渐剥露出地表, 另一方面剥露到地表的基岩断面遭受侵蚀作用, 沿着断面向下随着暴露时间变短而侵蚀变弱。因此平行断层滑动方向, 采集基岩断面表层约3cm厚度的基岩系列样品, 其宇宙成因核素浓度可以用来度量地震剥露事件的时间(Schlagenhauf et al., 2010)(图5b)。采样工具主要是切割机, 辅助工具为锤子和凿子。沿断层走向和倾向的采样尺寸分别约15cm× 10cm, 采样重量> 1kg, 以确保获得足够的宇宙成因核素 36Cl。从零参考面测定样品位置, 该参考面通常与地表面(崩积物)一致。必须测定样品点的海拔、 纬度和经度, 用于后期计算宇宙成因核素 36Cl 的生成速率。最后, 获得野外测量采样点的几何学特征, 包括测定采样断层面以及崩积物表面的倾向和倾角、 采样断层陡坎之上更老断层陡坎的几何学与倾向和倾角, 以及周边起伏造成的大规模遮挡, 后期用于定量校正地形对宇宙射线阻隔造成的宇宙成因核素浓度的降低。

图 5 a 意大利亚平宁中部Magnola断层采样点野外照片; 左下角插图为样品采样规格长约15cm, 宽约10cm, 厚约3cm; b 基岩断面采样剖面岩石因地震事件剥露和断层面侵蚀而逐渐出露过程的示意图 (引自Schlagenhauf et al., 2010)Fig. 5 a Field picture for the sampling site of the Magnola Fault in central Apennines, Italy; the inset at the left corner indicates the sampling size: ~15cm long, ~10cm wide, and ~3cm thick; b A sketch map to show how the sampling section along the fault scarp is exposed due to both seismic exhumation and surface erosion (cited from Schlagenhauf et al., 2010).

3 测试内容与方法
3.1 灰岩样品前处理与 36Cl 浓度测定

首先去除样品中结晶的脉体, 其形成过程可能不同于基岩陡坎的岩石。每件样品保存约30g的小样, 用作随后岩石密度的测定(图6)。之后, 磨碎样品, 筛选出250~500μ m的部分。为去除可能遭受大气混染的 36Cl 部分, 用去离子水和HNO3连续淋滤250~500μ m粒径的样品, 大约溶解样品颗粒表层的10%~15%(Stone et al., 1996)。为追踪化学过程中任何Cl的混染, 每10~15件样品添加1件化学本底样品。为同时测定Cl和 36Cl 的含量, 样品中加入一定质量、 富集稳定同位素Cl的稀释剂。通常按照每g样品3mg稀释剂的比例, 加入稀释剂Na 35Cl, 准确称量样品和加入稀释剂的质量。将纯净的岩石溶解在足够量的硝酸中, 过滤未溶解的部分干燥并称重, 重新计算溶解样品的质量。过滤得到的液体加入AgNO3溶液, 以AgCl沉淀的方式移除Cl, 然后再次溶解在稀释的NH4OH溶液中。 36Cl 存在同重元素36S, 加入Ba(NO3)2溶液, 以BaSO4沉淀的方式去除 36S 对AMS测量过程中 36Cl 计数的干扰。重新进行酸化、 沉淀、 冲洗和干燥等步骤之后获得纯净的AgCl, 并制靶准备AMS质谱测试。AMS质谱测试同时获得Cl和 36Cl的原子数, 通常来说, 分析的岩石样品含有 36Cl的原子个数为106~107, Cl的原子个数为1018~1019, 而本底通常有1~5× 105个 36Cl 原子和1~5× 1017 个Cl原子, 这相当于样品浓度的5%。从样品中除去本底中的 36Cl 和Cl的原子, 进行本底校正。

图 6 灰岩提取Cl的化学前处理流程图(改自Stone et al., 1996; Schlagenhauf et al., 2010)Fig. 6 The chemical protocol to extract Cl from limestone (modified from Stone et al., 1996; Schlagenhauf et al., 2010).

3.2 全岩组分分析

为测定宇宙成因核素 36Cl 的浓度, 必须测定岩石样品中宇宙轰击目标元素的浓度, 主要包括Ca、 K、 Ti以及Fe。推荐使用ICP-AES, 可以获得较高精度的Ca和K浓度, 误差为± 2%。宇宙射线轰击可产生 36Cl 的其他目标元素的浓度取决于全岩组分, 因此有必要选用光谱测定主量元素的浓度。整个断层陡坎的全岩组分变化不大, 因此每m分析1件样品可以代表模拟中的平均全岩组分。

为补充宇宙成因核素 36Cl 的分析, 可以选用ICP-MS系统测量岩石样品的微量元素浓度, 探究沿断层面倾向的变化是否可以用作地震剥露事件的另一种标志(Carcaillet et al., 2008; Manighetti et al., 2010; Tesson et al., 2016)。许多环境因素可以导致方解石的降解或者溶解, 包括降水、 富集CO2流体的循环、 植物根系和微生物的呼吸, 以及有机物质的氧化, 这种情况最可能发生在土壤层上部30~50cm的位置。灰岩正断层下盘与崩积物的土壤层直接接触, 因此接触带附近灰岩可能遭受化学反应和改造, 主要是溶解和重结晶。Carcaillet等(2008)分析了意大利中部Magnola正断层的基岩断面样品, 发现大部分元素含量沿着陡坎向上以每m 5%的速率下降, 这归因于随着暴露时间的增加, 发生淋滤并再沉淀更纯净的方解石。微量元素, 例如稀土元素和钇(REE-Y)在土壤中高度富集, 因此在酸性环境中埋藏在崩积物之下的下盘灰岩可能发生重结晶, 沿着颗粒边界吸收REE-Y(Carcaillet et al., 2008)。这样断层下盘灰岩的REE-Y浓度的峰值可以与地震剥露事件联系起来, 标志着断层面剥露部分最顶部的位置, 而REE-Y浓度可以作为过去大地震事件最好的化学标志。

3.3 分析崩积楔组分

断层陡坎基岩面埋藏在崩积物之下几十cm的深度时已经开始积累宇宙成因核素 36Cl。大部分 36Cl 的形成依赖于中子吸收和介子捕获反应, 而这些反应的发生取决于样品之上岩石物质的成分, 因此有必要测定崩积楔的化学组分。这需要采集崩积楔样品, 通常在断层陡坎底部开挖几m深的探槽。崩积物通常包括断层陡坎机械崩塌形成的灰岩砾石, 包含有机物、 部分溶解碳酸盐、 黏土、 水和其他少量组分的土壤, 因此崩积楔的化学组分在陡坎灰岩和土壤之间变化, 富集Al、 B、 Gd、 Fe、 Li、 Si和Sm。这些元素的存在有利于降低埋藏陡坎岩石中 36Cl 的总生成速率。

3.4 测定基岩面岩石和崩积物的密度

粉碎基岩面岩石样品之前, 需要测定密度, 方法是称量样品的干重除以样品浸润在纯水中的重量(Balco et al., 2003)。已有研究指出, 基岩面岩石密度变化量≤ 0.5%(Schlagenhauf et al., 2010), 因此沿着断层面以1m为间隔测定的密度值, 可以代表模拟过程中使用的平均密度。崩积楔物质有空隙并且胶结程度差, 所以采用称量已知体积纸箱中崩积物样品的质量估计其密度(Balco et al., 2003)。野外充填并压实纸箱, 尽量接近物质的自然压实。这种方法获得的密度的不确定性约5%。

3.5 36Cl 生成速率的校正

为测定样品的暴露年龄, 必须知道样品中 36Cl 生成速率的历史。鉴于此, 需要建立分析公式描述正断层分析中最重要的换算系数, 并建立模型整合所有的换算系数, 来准确计算正断层灰岩陡坎岩石的 36Cl 浓度。大多数换算系数对应的矫正量在古地震研究中所关注的时空尺度上所占比例较大, 不能忽略。正断层地震通常形成至多几m的地表位错(Manighetti et al., 2007), 因此考虑地表下约3~5m的范围内 36Cl 的生成速率的变化。

3.6 计算基岩断面宇宙成因核素生成的遮挡系数

基于基岩断面宇宙成因核素的浓度分布计算滑动历史的复杂之处在于, 基岩断面为坡面, 陡崖本身以及上覆崩积物楔体可能遮挡相当一部分的宇宙射线, 因此需要进行地形遮挡的校正。可以将正断层的几何学理想化为3个参数: 陡坎断面的倾角β 、 陡坎之上较老断层的倾角γ 以及崩积物表面倾角α (图7)。如果β =γ , 埋藏在崩积楔之下的断层陡坎岩石接收的宇宙射线通过崩积物, 遭受 “ 覆盖遮挡” , 衰减长度也取决于崩积物的倾角和密度; 而崩积楔之上断层陡坎岩石接收来自大气的宇宙射线, 未遭受任何遮挡(图7a)。如果β < γ , 埋藏在崩积楔之下的断层陡坎岩石除了遭受 “ 覆盖遮挡” , 还遭受 “ 地形遮挡” , 接收穿过较老断层面的宇宙射线, 衰减长度取决于陡坎的倾角; 而崩积楔之上断层陡坎岩石也遭受了上述地形遮挡(图7b)。Tikhomirov等(2014)开发了数学模型和相应的Matlab编码来计算断层陡坎几何学相关的遮挡系数, 能准确获得断层陡坎和坡面的宇宙成因核素生成速率, 提高了重建地震年龄和滑动历史的准确度。

图 7 基岩断面几何学情况示意图(引自Schlagenhauf et al., 2010)
a β =γ ; b β < γ ; 其中陡坎断面的倾角为β , 陡坎之上较老断层的倾角为γ , 崩积物表面倾角为α Fig. 7 A sketch to show the geometry of the fault scarp(cited from Schlagenhauf et al., 2010).

4 数据解释

首先, 确定大地震事件数量的可能范围。将 36Cl 浓度作为断层陡坎高度的函数进行投图, 作样品浓度的概率密度投图(probability density functions, pdf, AMS测量给出每个样品的高斯分布图)并进行堆叠, 然后基于这些投图通过肉眼观察识别出剖面上 36Cl 浓度值不连续的位置(图8a, b)。因为样品采集间隔恒定, 所以具有较高密度的地方也是 36Cl 剖面的主要不连续位置, 相当于地震事件暴露的陡坎部分的底部。需要注意检查这些不连续是否为局部小的质谱测试误差或者采样空区造成的视觉效应(图8c— f)。这样就可以识别 36Cl 剖面上重要不连续的位置, 进而获得主要地震事件的次数。如上所述, 断层下盘灰岩的REE-Y浓度变化受地震剥露过程的影响, 因此其特征的变化样式可以与宇宙成因核素 36Cl 浓度一起来识别强震事件, 降低地震事件次数的不确定性, 尤其是 36Cl 浓度剖面随着断层陡坎高度连续变化的情况(Tesson et al., 2016)。

图 8 基于 36Cl 浓度的概率密度函数分析恢复地震事件的数量的3种情况示意图 (引自Schlagenhauf et al., 2011)
a 2.5m滑动量、 等时间间隔的4次地震事件形成的理论 36Cl 浓度剖面对沿基岩断面倾向高度的投图; b 概率密度函数(pdf), 单个样品(红色)和所有样品(黑色); 垂直线强调不连续位置和地震事件的一致性; c和d分别与a和b相同, 只是1个数据 (红色)AMS的不确定性比其他样品小许多; e和f分别与a和b相同, 只是存在采样空区Fig. 8 Three cases of how to identify the numbers of past large earthquake based on Probability Density Functions from 36Cl concentration.

然后, 运用理论模型模拟宇宙成因核素 36Cl 的剖面来寻找最可能的剥露事件。定性地识别出 36Cl 剖面上地震事件的次数之后, 选用Schlagenhauf等(2010)建立的模拟方法计算 36Cl 剖面, 假定的错动剥露事件需要输入的参数包括过去地震事件次数、 年龄和位错量, 以及剥露前历史。该方法建立分析公式来描述对正断层分析最重要的换算系数, 然后建立clxxxx.m(clrock.m和clcoll.m)模型来综合所有换算系数, 准确计算任何正断层灰岩陡坎岩石任何时间段累积的 36Cl 浓度。强震事件发生之前, 崩积物之下基岩断层面累积了相当数量的 36Cl, 因此 36Cl 剖面上最高的数据点可能具有最高的继承性组分。该剖面上最高的不连续位置大致给出最老地震事件的年龄, 而不连续位置之上该剖面的形状很大程度上取决于继承组分。因此首先确定形成 36Cl 剖面上部的暴露前历史, 同时估计最老地震事件的年龄和滑动量。而对于最老地震事件的位错量, 由于顶部采样的不完整性, 故为最小估计值。考虑 36Cl 剖面上段估计的地震事件年龄和滑动量, 接着模拟剖面下段地震事件的信息。对沿断面向下的相邻剖面重复这个过程, 直到拟合得到整个剖面。然后, 将理论计算获得的 36Cl 剖面与实际测量获得的 36Cl 剖面对比, 寻找最可能的剥露事件, 其特点是模拟和测量的浓度剖面差值最小(Schlagenhauf et al., 2010)。

最后, 量化多次地震事件年龄的不确定性。对宇宙成因核素 36Cl 浓度影响最大的因素包括基岩陡坎岩石的化学组分、 采样剖面的地理位置、 断层陡坎和相关崩积楔的特定几何学导致的遮挡, 以及断面遭受的剥蚀量。崩积楔的化学组分以及可能的降雪遮挡对预测的 36Cl 浓度仅有少量的影响。针对特定的采样位置, 目前已经可以较好地限定上述因素的换算系数。然而, 对于断层陡坎遭受剥蚀的信息有限, 通常为定性描述(Stone et al., 1998)。

需要注意的是, 该模拟过程不能区分1次大地震事件和时间靠近的多次小地震事件, 所以恢复的地震事件的数量经常是最小值, 估计的地震位错量视作1次或者多次地震事件导致的最大滑动量。一般情况下, 地震事件次数的估计误差为± (1~2)次, 相应年龄的误差最大为± (0.5~1.0)ka, 而相应位错量的估计误差为± 0.25m。宇宙成因核素暴露定年恢复的地震位错代表特定位置的位错量, 因此不同于地震破裂在地表形成的最大同震位移。仅有一部分地震在深部形成的同震位错到达地表, 所以是整个断层面经历滑动的最小估计值。此外, 所测定的位错量可能包括一些震后余滑量, 某些情况下可能与同震滑动量一样大(McCalpin, 2009)。

尽管存在上述局限, 宇宙成因核素 36Cl 测年方法能恢复过去发生的古地震信息, 对理解断层行为和评估地震危险性至关重要。首先, 36Cl 剖面可以揭示断面(或部分断面)是通过间歇式强破裂事件还是稳态蠕滑而剥露出来, 也可以比较确定地识别出导致断面剥露的大位移事件的数量, 误差为1~2次。 36Cl 模拟推测破裂地表的地震事件发生时间的误差在0.5~1.0ka, 类似于其他方法的分辨率。这些不确定性通常随着恢复位移事件的年龄而下降, 因此通常最后1次事件分辨率为0.5ka。这一点非常重要, 因为地震危险性评价中需要末次大震事件发生以来的时间。最后, 这种方法可以获得过去多次大地震事件的发生时间或者在该断层上丛集发生的多次地震的最大滑动量, 地震危险性评价中可以将其作为未来发生的强震破裂可能的最大位移和强震加速度的参照。

5 研究实例

意大利亚平宁山脉中部, 因为碰撞之后的活动伸展作用, 中新世以来发育一系列NW-SE走向的正断层体系, 许多地方可见中生代— 新生代碳酸盐岩被这些断层所切割。该地区过去几千a发生若干大震事件(MW6~7), 地表破裂长度为15~20km、 同震位错量约20cm到1m, 可见高度达10~20m的基岩断面。到目前为止, 该地区是宇宙成因核素暴露定年应用于基岩断面古地震事件恢复等研究程度最高的地区, 也是推动相关技术发展与成熟的最重要地区, 统计结果显示该地区有18个采样位置、 16条分支断层、 超过1i000件灰岩样品发表了宇宙成因核素 36Cl 的浓度结果(Palumbo et al., 2004; Schlagenhauf et al., 2010, 2011; Benedetti et al., 2013; Tesson et al., 2016; Cowie et al., 2017)。接下来将总结这些工作对于该地区的地震活动性取得的新认识。

5.1 古强震的丛集性特征

丛集性是指在比平均复发间隔短许多的时间段内连续发生1组强震(McCalpin et al., 1996)。地震丛集发生在不同的时间和空间尺度, 从不超过数十a、 断层上不同段落, 到几个世纪至数千a、 各个断层或者大规模断层带的不同断层接连发生的地震事件。针对断层上强震如何复发的问题, 法国学者系统地研究了意大利亚平宁地区8条活动断层的灰岩断面, 获得了这些断层最近强震事件的期次、 时间和滑动量(Benedetti et al., 2013; Tesson et al., 2016)。研究发现过去的12ka内这些断层同时发生了> 30次强震破裂。这8条断层分别在12~9ka、 5~3ka以及1.5~1ka内释放应变。所有断层上, 应变累积和释放具有3~6ka的超旋回, 每个旋回包括3~5ka的相对平静的缓慢应变累积(< 0.5~2mm/a), 之后3~4次强震丛集发生在< 1~2ka时间内, 释放大部分应变。在活跃期内大震重复时间为(0.5± 0.3)ka, 而活跃期间隔为(4.3± 0.9)ka。 因此, 应变水平控制着下次强震的滑动量以及发生时间, 一旦断层达到特定的相对应变临界值, 就进入丛集活动阶段。这些工作证实在广泛空间和时间尺度上强震具有丛集性。与长期断层滑动速率相比, 丛集地震活动阶段断层滑动速率更快, 而更长时间、 更平静的阶段预计滑动更慢。相应地可以理解对于许多断层, 通过大地测量、 古地震以及地质方法获得的不同时间尺度的断层滑动速率值可以相差很大(Friedrich et al., 2003)。这项研究也给该地区的地震预测带来新的希望。首先, 该地区强震事件可以运用应变可预测模型进行描述, 因此获得断层上相对应变水平可以预测未来强震事件的时间和滑动量; 其次, 地震的丛集性特点改变了对未来强震事件的预期: 地震活动性高的地区可能更具有发生强震的可能性(处于丛集阶段), 而随着活跃期末次强震事件的离逝时间增加, 更有可能进入相对平静的地震阶段; 第三, 该地区强震的丛集性具有准同时性, 这使得地震灾害的等级更高, 因此强震发生不是单一事件, 而是短时间内成组发生的强震事件, 未来强震的预测需要综合考虑区域上地震丛集的影响。

5.2 断层滑动速率与地震危险性

已有研究发现宇宙成因核素 36Cl 浓度沿着基岩断面向上呈逐渐增加的趋势, 并且伴随断层平均滑动速率发生系统的变化(Schlagenhauf et al., 2010)。正断层缓慢剥露的情况下, 基岩断面在崩积物之下的宇宙成因核素形成带停留时间更长, 因此崩积物之下基岩断面顶部的 36Cl 浓度、 随着埋藏深度增加 36Cl 浓度的下降速率, 以及遭受剥露之后沿基岩断面向上 36Cl 浓度的增加速率, 均应该比正断层快速剥露的情况下更大(图9)。因此, 把滑动速率不同的断层的 36Cl 浓度相对断层面高度作投图, 将整体呈现向上散开的扇形样式(Cowie et al., 2017)。

图 9 不同滑动速率正断层 36Cl 浓度随着基岩断面高度的变化图(引自Cowie et al., 2017)Fig. 9 Variation in 36Cl concentration with sample height for constant slip-rate faults for a range of slip rates of normal faults(cited from Cowie et al., 2017).

伸展拉张变形地区往往发育许多条分支断层, 共同调节承载总应变, 因此应力场在时间和空间上变化性很大。相应地, 各个断层逐渐加载到失稳而发生地震破裂的过程复杂, 使得地震危险性评价具有很大的不确定性。同一地区过去几十a获得的大地测量数据显示简单的连续变形样式, 目前基于这些数据建立的发震断层的应变加载速率的模型计算常常存在多解性。分析基岩断面宇宙成因核素浓度可以获得多个地震周期的断层滑动速率, 因而我们可以更好地认识古地震记录、 历史地震活动性与大地测量观测之间的有机联系。基于灰岩基岩断面测定的宇宙成因核素 36Cl 浓度, Cowie等(2017)获得了意大利亚平宁中部一系列发震断层约18ka以来的断层滑动速率, 并且这些滑动速率随时间变化明显。这项研究揭示各个断层通常在几千a内快速累积数m的位错, 而在接下来的几千a内断裂东段速率较低, 并且地震活动在各个断层之间跳跃。如果在较长空间和时间尺度上来看(102km, 104a), 与大地测量获得的速率一致, 但是较短时间尺度上, 大多数变形发生在 < 30% 的断层分支上, 其他分支不活动。这项研究的区域意义在于, 最近地震活动集中发生在亚平宁东北侧, 尽管这种情况可能持续了几千a, 但是仅代表对区域地表抬升的复杂变形响应的快照, 过去区域的地表抬升导致了亚平宁两侧在大地震事件中均发生破裂; 过去几千a内短时期滑动速率(基岩断面宇宙成因核素浓度)可能比数十a的应变加载速率(大地测量)和更长时间尺度内地质滑动速率要快许多, 大震的复发时间间隔也相应地短许多。

6 总结与前景

预测下1次强震发生的时间、 地点和震级以及开展地震危险性评价时, 需要知道过去强震的复发时间和量级。正断层基岩断面连续地记录着该断裂过去长时间范围内强震信息, 因此沿着断面不同高度密集采样, 利用样品宇宙成因核素的浓度可以重建过去多次强震的数量、 时间和位错量, 揭示地震复发的规律。冰期结束后温暖湿润的气候条件下, 随着边坡稳定性增强, 沿着正断层发生的地震同震位移陡坎得以保存和积累, 断层面高度不断增加, 形成当前的陡崖。因为遭受风化的持续时间不同, 灰岩基岩断层表面呈现不同的生物喀斯特的特征, 底部基本未遭受风化作用的基岩陡坎是宇宙成因核素暴露定年研究的优选采样位置。基于野外地貌观察、 地基LiDAR和探地雷达GPR获取基岩断面的构造-地貌特征, 以确保采样部位基岩陡坎的断层面仅通过地震事件剥露出来, 而未遭受任何地貌改造作用。选择采样位置的基岩陡坎断层面需干净、 新鲜并保存擦痕, 未遭受任何物理和化学过程的侵蚀, 避免累积宇宙成因核素的丢失以及相应暴露年龄的低估。选择合适采样位置之后, 建议沿着断层滑动方向, 对崩积物之下和之上的断层下盘基岩连续采集一系列岩石样品, 以获得更长时间尺度的地震活动信息。基于样品测得的宇宙成因核素 36Cl 和REE-Y浓度变化, 确定大地震事件数量的可能范围, 然后采用数学模型模拟 36Cl 剖面来寻找最可能的地震事件信息, 包括地震发生时间和位移量, 以及相应的不确定性。这种模拟方法不能区分1次大地震事件和短时期内连续发生的多次较小地震事件, 因此获得的地震事件的次数通常为最小值, 而位错量为最大值, 估计误差为± (1~2) 次, 位错量的估计误差为± 0.25m, 而相应年龄的误差最大在± 1.0ka。对区域上多条断层不同位置开展基岩断面的 36Cl 测年工作, 可以完整地获得过去长时间尺度上强震活动的时间和空间变化, 探究区域强震是否具有丛集性和同时性, 以及短时间尺度滑动速率与大地测量和地质方法获得的断层滑动速率这三者之间的相关性, 对地震危险性评估和地震预测具有启发意义。

基岩断面的宇宙成因核素定年方法, 目前主要针对灰岩开展宇宙成因核素 36Cl 的测试工作。此外还可以对含石英的岩石开展10Be以及14C测年(Kong et al., 2010; Heineke et al., 2016; 尹金辉等, 2016), 对玄武岩样品分别开展 36Cl、3He和 21Ne 的测年工作(Schimmelpfennig et al., 2009, 2011a, 2011b; Espanon et al., 2014; Marchetti et al., 2014; 马严等, 2015; Rood et al., 2015; Heineke et al., 2016)。宇宙成因核素暴露定年除了用于正断层剥露的基岩陡坎外, 也可用于尝试对保存良好的压扭性断层陡坎(Benavente et al., 2017)、 深切河谷(Saillard et al., 2014)开展工作。这种方法的优势在于恢复长期连续的地震记录, 包括时间和位移量, 沿着目标断层找到若干合适间隔的采样点, 可以揭示多个采样点共同参与的地震事件, 重建过去地震位移量的时间和空间变化样式。目前难以估计地震绝对年龄的不确定性, 然而这种方法可以确定地震的相对年龄, 进而获得地震的复发间隔以及样式。沿着断层用相同的方法获得地震历史, 比其他方法获得的数据更可靠。因此, 36Cl 宇宙成因核素暴露定年方法使我们有可能准确获得长时间尺度上沿着断层滑动样式。这种方法的局限性在于, 所确定的地震事件数量总是最小值, 因为这种方法无法识别小位错量(≤ 25cm)和短复发间隔(几百a)的地震事件。一方面, 这种方法不能识别中小震级地震(MW< 5.5~6); 另一方面, 所谓地震事件可以是1次地震或者几百a时间内发生的若干地震。和其他古地震方法一样, 这种方法仅能识别产生地表滑动的地震事件(> 25cm)。虽然这种方法无法识别破裂未达到地表的地震, 但是世界范围内M> 6地震产生盲破裂的几率较低。因此, 对揭示正断层的古地震活动性基本有效。此外, 宇宙成因核素生成速率的不完善也会影响古地震序列等数据的误差。随着工作的进一步开展很可能改善这些数据。总体上, 地震事件年龄结果变化≤ 1ka, 而且相对年龄不发生变化, 这些断层的相对滑动历史可靠性高。

致谢 审稿专家对本文的修改提出了许多宝贵意见, 在此致以真诚的谢意!

The authors have declared that no competing interests exist.

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