汶川8.0级地震小鱼洞地表破裂带古地震事件的光释光测年

杨会丽 陈 杰 冉勇康 刘进峰 王昌盛 李 峰

(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)

汶川8.0级地震小鱼洞地表破裂带古地震事件的光释光测年

杨会丽 陈 杰*冉勇康 刘进峰 王昌盛 李 峰

(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)

小鱼洞地震地表破裂带罗元村探槽剖面揭示了汶川8.0级大地震之前的1次同等规模的古地震事件。文中对采自小鱼洞破裂带罗元村古地震探槽的7个冲洪积物样品进行了细颗粒石英简单多片再生法和单测片再生法光释光测年研究。LED08-212样品SAR法预热坪实验表明预热温度坪区间为180～240℃，在此温度下热转移量小于等效剂量的1%，不影响测量结果。循环比、回授、剂量恢复试验也表明采用200℃预热温度、10s预热时间和SMAR法流程进行等效剂量测量是合适的，能有效地校正测量过程中的释光信号感量变化。样品LED08-113，LED08-212细颗粒石英SAR法等效剂量值与SMAR法结果的一致性，表明2种方法均适用于本批样品。整个剖面上下盘各形成1个很好的时间序列，结合该地区的历史地震记录，推测小鱼洞断层上次大地震发生的时间应该为距今1.7 ～2.2ka，其全新世垂直滑动速率至少为 (1.0 ±0.08)mm/a。

汶川地震 小鱼洞地表破裂带 古地震 光释光测年

0 引言

2008年5月12日发生的汶川MS8.0地震形成了3条地表破裂带(徐锡伟等，2008;邓起东，2008):沿映秀-北川断裂展布的映秀-北川地表破裂带长约240km，沿灌县-江油断裂展布的汉旺-白鹿地表破裂带长约72km，沿彭州小鱼洞至磁峰展布的小鱼洞地表破裂带长约6km，该断裂带在震前并未被发现是一条活动断裂。据闻学泽等(2009)的研究，在有历史记录的1100—1700年，龙门山断裂带上未发生过震级＞7的地震。那么该地在有历史记录前是否发生过7级以上的强震?何时发生的?其复发周期如何?这些问题对于认识龙门山断裂带的活动习性和汶川8.0级大地震的发生规律具有重要的理论和现实意义。

对震前航空照片的分析解译表明，沿小鱼洞地表破裂带在震前就发育1条断层陡坎。通过对小鱼洞地震地表破裂带位移量的实测和断错地貌填图以及古地震探槽研究，已发现小鱼洞断层多次错动所形成的古地震遗迹，在罗元村开挖的探槽中发现了汶川8.0级地震前发生的1次同等规模的古地震事件(冉勇康等，2008)。然而对其发生年代的确定是一挑战，罗元村探槽剖面主要为近源的冲洪积物，未发现任何可供14C测年的物质。光释光测年方法在过去的20a得到了迅猛的发展，不少研究者已较成功地利用该技术获得了古地震发生的年代(Wintle et al.，1993;Porat et al.，1997;Lu et al.，2002;Chen et al.，2006;Fattahi et al.，2006，2007;Thomas et al.，2007;Rittenour，2008;Fattahi，2009;Liu et al.，2010)。本文尝试利用光释光测年技术对小鱼洞地表破裂带罗元村探槽剖面古地震事件进行初步的测年研究。

1 小鱼洞罗元村探槽及样品

小鱼洞地表破裂带位于四川省彭州小鱼洞乡一带 (图1a)，走向NW，断错了河床、阶地、道路、建筑物等，形成连续延伸的断层陡坎并伴随左旋位移。发育在湔江及其支流高阶地上的断层陡坎高度普遍为汶川8.0级大地震产生的断层陡坎的倍数(冉勇康等，2008)。小鱼洞罗元村东公路在汶川大地震中被断错，垂直位错为 (1.1±0.2)m(图1b，c)。在路东侧横跨断层陡坎布设了探槽(31°11'38.9″N;103°45'16.5″E;海拔高度1 013m)，该点在地貌上位于Ⅱ级阶地的后缘。

图1 小鱼洞罗阳村探槽和样品位置Fig.1 Location of the trench and samples at the Luoyang village on the Xiaoyudong surface rupture of the 2008 Wenchuan earthquake.

探槽揭露的地层如图2所示，主要包括3套沉积:最底部为河床相富含砂土的粗砾层①，厚约1m，砾径7～20cm居多，偶含巨砾(砾径达80cm)，砾石次棱角—次圆状，分选一般。中部为富含细砾的锈黄色砂土层②，厚约1～1.5m，分选较差，可能为近源漫滩相堆积。上部为受过人工扰动的砂土层，内含碎砖屑，其中下盘层⑤厚约0.3～0.7m;上盘层③厚约0.2～0.5m，下部为含细砾的灰黑色砂土层，上部为土黄色砂土与灰黑色砂土互层。这3套沉积之上为现代垃圾堆积。

图2 小鱼洞罗元村探槽剖面南壁(据冉勇康等，2008修改)Fig.2 Log of the southeast wall of the trench across the Xiaoyudong surface rupture at the Luoyang village.

探槽揭露出汶川8.0级大地震之前的1次古地震事件(冉勇康等，2008)，其中层②发生了强烈的褶皱，其底界垂直断距约为(2.2±0.3)m，是此次地震垂直位错量的2倍，表明上次地震与汶川8.0级地震的垂直位错量基本一致，可能是一特征地震。上次地震发生在层②堆积之后，但由于后期人类活动的改造，在探槽中并未发现任何该地震事件的相关堆积如地震推覆楔。显然，上次地震发生在层②和人工扰动的砂土层③，⑤之间。

为了确定该古地震事件发生的年代，在断层两盘地层②，③，⑤中选择粒度相对较细的部位分别采集7个光释光样品(图2)。采样时用内径约6cm的不锈钢管打进采样层位，使样品充满钢管，两端口用不透光锡纸封住后用宽胶带密封，以防水分丢失。位于层③的样品LED08-111为含砾的灰黑色砂土，分选差，有机质含量较多。层⑤中样品 LED08-211为灰色砂土，分选差，含小砾。在褶皱地层②中采集了5个样品，从上到下依次为:断层上盘的LED08-209为黄色砂土，分选较差，含小砾;LED08-112为黄色砂土，分选较差;LED08-210为黄色砂土，分选较差，含有植物根系和钙结核。断层下盘的LED08-212为黄色砂土，分选较差，含小砾和钙结核;LED08-113为黄色砂土，分选较差。

2 释光测年研究

2.1 测量仪器和样品前处理

OSL测量在Daybreak 2200释光测量仪上完成，激发光源分别为蓝光(波长:(470±5)nm，最大功率:67.3mw/cm2)和红外光(波长:(880±60)nm，最大功率:80.1mw/cm2)，测量时激发光强设为最大功率的80%，光释光信号通过EMIQA9235型光电倍增管(PMT)检测，在激发光源和PMT之间附加2块U-340滤光片(厚度分别为2.5mm和4.5mm)。2005年9月15日采用中国科学院西安地球环境研究所释光实验室提供的IEE209洛川黄土细颗粒石英对Daybreak 2200机载辐照源进行了传递标定，其剂量率为0.051 8Gy/s。为了与国际接轨，2010年9月1日采用国际一流的丹麦riso释光实验室辐照的已知剂量细颗粒石英重新进行了标定，其剂量率为0.032 7Gy/s。计算等效剂量(Equivalent Dose，ED)时取释光信号发光曲线第1s的OSL信号强度减去最后10s的平均值(本底)。

在暗室内(照明光源为(661±15)nm的R-LEDL1红外二级管阵)，将采样管中样品两端的曝光部分削去，采用光释光样品常规化学处理方法(Aitken，1985，1998;Lu et al.，2007;张克旗等，2007)去除有机质和碳酸盐矿物，根据Stokes定律，用静水沉淀法分离出4～11μm细颗粒混合矿物，用30%的氟硅酸反复进行刻蚀以去除长石获得细颗粒石英。刻蚀后的石英纯度采用Duller(2003)提出的红外逐出比法和石英热释光曲线特征峰进行了检验 (表1)，以确认获得4～11μm的细颗粒石英 (图3)。最后用丙酮将细颗粒石英样品均匀沉淀在直径9.7mm的不锈钢片上，每个测片的石英质量约为1mg，制成若干测片供测量使用。

需要指出的是，本批样品富含有机质，大多数样品加H2O2反应时间5～10d，比常规流程时间长1倍;长石含量也较高，大多经历了7～14d的氟硅酸刻蚀，才将其中的长石类矿物完全除去。如图3a所示，样品LED08-112细颗粒组分经氟硅酸刻蚀3d后，其红外后蓝光释光信号衰减很慢，表明仍含有长石。刻蚀11，14d后，其红外释光(IRSL)信号与仪器测量本底无法区分，曲线呈水平状，基本无衰减(图3b);红外后蓝光光释光(［Post-IR］OSL)信号在前5s内基本衰减至本底(图3a，b)，具有典型的石英热释光(TL)110℃和325℃峰(图3c，d);其红外后蓝光光释光信号与蓝光光释光(OSL)信号无明显差异，红外逐出比为1.02，位于0.9～1.1之间，表明该细颗粒组分已不含长石矿物。

2.2 细颗粒石英样品的释光特性

为了进一步检测这批样品4～11μm细颗粒石英的释光特性，每个样品选取若干测片进行蓝光晒退，附加人工剂量后200℃预热10s，一组测片直接在真空下进行热释光测量，所有样品均具有典型的石英325℃峰，其热释光信号以325℃峰为主，仅在325℃峰右肩部有一较微弱的375℃峰(图3d);另一组测片先在125℃下用蓝光激发300s后进行热释光测量，如图3d所示样品的石英325℃峰被蓝光激发所消除，只剩下石英375℃峰。说明本批样品的OSL信号主要来自于石英325℃峰，为极易晒退的石英快速组分，即使在较短的光照条件下，其光释光信号也能够完全退零。这表明本批样品石英光释光信号在沉积埋藏时有可能被完全光晒退。为了获得合适的测量条件，选择样品LED08-212进行了预热坪、热转移(Madsen et al.，2007)实验 (图4c，d)。实验结果表明，在180～240℃的预热温度区间，预热坪表现为较好的坪区间，循环比在Murray等(2000，2003)所建议的0.9～1.1之间，回授率小于 Murray等(2000，2003)所建议的5%，对测量结果影响不大。温度＜240℃时热转移值小于等效剂量的1%，对结果影响不大，随着预热温度的升高，热转移明显增大。本批样品采用的预热温度为200℃，预热时间10s。

2.3 细颗粒石英样品等效剂量的测量

根据上述实验结果，利用简单多测片再生剂量(SMAR)法流程(Zhou et al.，2001;王旭龙等，2005;Lu et al.，2007;张克旗等，2007)获得了所有样品的等效剂量(表2)。在SMAR法测量时，天然N的测片为10个，图4a，b为典型样品的光释光生长曲线和衰减曲线。同时采用单片再生(SAR)法流程(Murry et al.，2000)对样品LED08-113，LED08-212进行了等效剂量测量。由图5可见，样品LED08-112，LED08-113的等效剂量值基本上呈正态分布，其细颗粒石英SAR法等效剂量值与SMAR法结果在误差范围内是一致的。

为了进一步检验实验条件和等效剂量结果的可靠性，评估仪器在测量过程中的稳定性和实验剂量是否能有效地校正释光感量变化，选择样品LED08-212进行了多测片再生剂量法剂量恢复实验。剂量恢复是将样品的天然信号全部归零后，辐照实验室的已知剂量，将此剂量作为天然剂量测量。如果释光感量校正是有效的，则剂量恢复比率(测量值/已知剂量)应在0.9～1.1之间(Wintle et al.，2006)。将120个天然测片用SLO2晒退15min，随机分成6组。每组20个测片中，15个测片附加9.2Gy的再生剂量作为SMAR中的天然剂量点，另外5个测片分别为再生点(附加剂量 4.6Gy，9.2Gy，13.9Gy，18.5Gy，0Gy)。如图 6 所示，96% 的剂量恢复比率在0.9～1.1之间，这说明本实验采用的测量条件和流程是可靠的。

图3 细颗粒石英检验及热释光特征Fig.3 Fine quartz purity IR check and characteristic peaks of thermoluminescence glow curve.

2.4 环境剂量率的测量和年龄计算

环境剂量率即样品每年或每千年所吸收的辐射剂量，是由其本身及周围沉积物中放射性核素(238U、232Th和40K)的α、β和γ衰变产生的电离辐射所提供的，也有宇宙射线的少量贡献。样品的α计数率是用经标定的Daybreak 583型厚源α计数仪(王同利，2005)测定的。238U衰变链中的222Rn逃逸是影响测量结果的主要因素(Atiken et al.，1977)，Steven(1999)利用样品不密封测量和密封测量结果的比值来判断该样品是否有氡的逃逸，若此比值＞0.95，可认为该样品不存在氡的逃逸。我们对LED08-209进行密封测量后，打开密封盖立即进行不密封测量(其它测量条件完全相同)，密封与不密封计数之比为0.95，说明该样品的放射性核素衰变处于动态平衡中，不存在氡逃逸现象。样品的钾含量采用中国地震局地质研究所火焰光度计方法和中国科学院地球环境研究所X荧光光谱2种方法分别进行了测量，两者结果在误差范围内是一致的。此外，根据样品的埋深对宇宙射线的剂量率进行了计算。

本批样品的细颗粒石英α系数采用0.04±0.02(Rees-Jones，1995)。根据Aitken(1998)提出的石英矿物吸收环境剂量率与环境中铀和钍含量(以α计数率表示)、钾含量等之间的换算关系，并考虑样品含水量和宇宙射线的环境剂量的贡献，计算出各样品所吸收的环境剂量率，再结合等效剂量值计算出所有样品的光释光年龄 (表2)。

图4 样品光释光生长曲线(a)和衰减曲线(b)，样品LED08-212等效剂量、回授预热温度的关系(c)，以及样品循环、热转移与预热温度的关系(d)Fig.4 LED08-212 OSL growth curve and decay curve，and equivalent dose，recuperation，thermal transfer and recycling ratio as a function of preheat temperature.

图5 样品LED08-113和LED08-212 SAR法测量等效剂量直方图Fig.5 Dose histograms of SAR protocol from samples LED08-113 and 112.

图6 样品LED08-212 SMAR剂量恢复直方图Fig.6 The histograms of dose recovery ratio from the sample LED08-212.

3 初步结果与讨论

小鱼洞地震地表破裂带是2008年5月12日汶川MS8.0地震形成的3条地表破裂带之一(徐锡伟等，2008;邓起东，2008)，但在震前并未被发现是一条活动断裂。对震前航空照片的分析解译表明，沿该破裂带在震前就发育了断层陡坎。横跨该破裂带的罗元村探槽剖面揭示了汶川8.0级大地震之前1次同等规模的古地震事件，其相关沉积主要为近源快速的冲洪积物。

我们对采自该探槽剖面的7个冲洪积物样品进行了初步的4～11μm细颗粒石英光释光测年。本批样品细颗粒石英的稳定热释光信号以325℃峰为主。所有样品石英的光释光信号主要来自于325℃峰，为极易晒退的快速组分，即使在较短的光照条件下，其光释光信号也能够完全退零。这表明本批样品细颗粒石英光释光信号在沉积埋藏时是有可能被完全光晒退的。

本批样品采用的预热温度为200℃，预热时间10s，利用简单多测片再生剂量(SMAR)法流程获得了所有样品的等效剂量(表2)。预热坪试验、热转移实验、剂量恢复试验结果均表明本实验采用的等效剂量测量条件和流程是合适的，能有效地校正测量过程中的释光信号感量变化。样品LED08-113，LED08-212细颗粒石英SAR法等效剂量值与SMAR法结果的一致性，可能表明2种方法均适用于本批样品。罗元村探槽剖面揭露出的地层分选较差，岩性很不均一。这对本批样品的环境剂量率测量结果而言是一不确定因素，然而表2中采自关键地层②不同位置的5个样品的环境剂量率在误差范围内是一致的，表明岩性不均一对本批样品未造成太大的影响。

剖面上7个样品的光释光年龄不论是在上盘还是下盘皆与其地层时序一致，未出现上下颠倒的现象。采自人工扰动砂土层③，⑤的样品年龄仅为距今一、二百年，这与野外地质判断是一致的。由图7可见，断层上下盘的沉积速率近似一致，约为80mm/a，这些均进一步表明了本批样品光释光年龄结果的可靠性。

图7 地层埋深与沉积年龄的关系Fig.7 The depth of stratum as a function of sediment time.

沉积物样品的光释光年龄代表了该样品沉积埋藏时最后一次曝光距今的时间，即其所在地层的沉积年龄。与汶川8.0级大地震同等规模的上一次地震事件发生在地层②沉积之后(图2)。显然，该古地震事件发生在距今 (2.2±0.2)ka之后。遗憾的是，由于后期改造，罗元村探槽剖面并未保留地层②之后的原生沉积，因此从该剖面上无法限定该古地震事件的上限年龄。闻学泽等(2009)对龙门山地区历史记录的大地震研究表明，该地区在过去的1100～1 700a未发生过＞7级的地震，由此推测小鱼洞断层上次大地震发生的时间应该为距今1.7～2.2ka。从图2可知，层②发生了强烈褶皱，其底界垂直断距约为(2.2±0.3)m，因此小鱼洞断层的全新世垂直滑动速率至少为 (1.0±0.08)mm/a。

感谢汶川科学考察小组提供了第一手野外资料!

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OPTICAL DATING OF PALEOEARTHQUAKE SIMILAR TO THE 12 MAY WENCHUAN EARTHQUAKE，AT XIAOYUDONG SURFACE RUPTURES ZONE

YANG Hui-liCHEN Jie RAN Yong-kang LIU Jin-feng WANG Chang-sheng LI Feng

(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

In historical records，no earthquake of magnitude comparable with that of the Wenchuan MS8.0 earthquake has ever been reported in Chengdu and Longmenshan regions.The penultimate event similar to the 12 May 2008 MS8.0 was revealed by the surface ruptures in the vicinity of Xiaoyudong.It is important，therefore，to date accurately when the prior large earthquake happened.This paper presents 7 optically stimulated luminescence(OSL)ages from Xiaoyudong trench.We investigate the use of simplified multiple aliquot regenerative-dose(SMAR)protocol and single aliquot regenerative-dose(SAR)protocol from fine-grain quartz to date deposits associated with earthquake.The results of SMAR and SAR protocols are consistent.The behavior of quartz to different internal consistency checks of SAR protocol(preheat plateau，thermal transfer，recycling ratio，recuperation and growth curves)and of SMAR protocol(dose recovery)used for the dose estimation method was satisfactory.Various internal consistency tests of the measurement protocols indicate that the dose estimates from the fine grain quartz are accurate and the optical ages are reliable.The preliminary OSL ages indicate that the last large earthquake happened between 1.7 ～ 2.2ka and the slip rate of Xiaoyudong Fault was 1.0 ±0.08mm/a at least in Holocene.

Wenchuan earthquake，Xiaoyudong surface rupture，paleoearthquake，OSL

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0402-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.013

2009-12-02收稿，2010-12-02改回。

中国地震局地质研究所基本科研业务专项(DF-IGCEA060821)和2008年地震行业科研专项(200808015)共同资助。

* 通讯作者:陈杰，E-mail:chenjie@ies.ac.cn。

杨会丽，女，1982年出生，2007年毕业于中国矿业大学，现为中国地震局地质研究所硕士研究生，地球化学专业，电话:010-62009099，E-mail:yanghuili 07@mails.gucas.ac.cn。