山西霍山山前断裂带晚第四纪活动特征研究

徐岳仁

（中国地震局地质研究所，北京100029）

（作者电子信箱，徐岳仁：yuefei189＠gmail.com）

霍山山前断裂带是山西断陷盆地带中部重要的边界活动断裂带之一，是我国依据历史文献记载确定的第一个8级大地震（1303年洪洞M＝8大地震）的发震断层。围绕该断裂带的晚第四纪活动，包括断裂带的几何展布特征、构造地貌、活动方式、古地震等的深入研究，不仅对系统认识山西断陷盆地带晚第四纪活动历史具有重要理论意义，还对山西省的防震减灾工作具有重要的应用价值。

本论文利用野外地震地质调查、遥感综合解译和多探槽古地震分析等研究方法以及AMS14C测年、DGPS测量、GIS的空间分析等技术手段，对山西霍山山前断裂带的晚第四纪活动特征进行研究：①揭示霍山山前断裂带作为霍山山脉的主控边界断层在新生代以来的强烈活动，其南段（霍州—洪洞一带）和北段（介休—灵石一带）在新生代以来具有一致的构造活动特征；②5个探槽的古地震事件分析和35个AMS14C 年代结果，确认断裂带南段在晚更新世晚期以来的4次古地震事件，其中，最新一次事件对应1303年洪洞大地震，全新世中晚期以来的3次事件具有约2 000a的复发间隔；③沿断裂带连续展布的不同层次的断层三角面、跨断裂带的河流地貌定量参数揭示了霍山山前断裂带的晚第四纪以来的强烈倾向活动特征，野外调查获取的断层产状、断层面擦痕产状及构造微地貌均显示该断裂带的活动方式以倾向滑动为主；④结合研究区所在的黄土高原的区域气候环境特点，分析了跨断层水系沿断裂带发生水平变位的可能成因；⑤初步讨论了霍山山前断裂带的动力学模式。本论文主要取得以下4个方面的研究结果：

（1）霍山山前断裂带的几何结构特征。

利用高分辨率的IRS－P5和CBERS－02B卫星影像和航空照片立体像对数据，对霍山山前断裂带进行了综合遥感解译，并开展了详细的野外调查验证。该断裂带由南向北自洪洞县苏堡镇开始，经广胜寺、兴旺峪、石门峪、柏亭、兴唐寺等地，延霍州市的沙窝、观堆、李曹、三教乡、梨湾等地的山前通过，穿过仁义河后，沿霍山山脉与灵石凸起之间的断层槽谷继续往北近SN 向延伸，在霍口一带逐渐转为NE向沿静升盆地东边界展布，穿过龙凤河，消失在介休市的洪山山前黄土台地一带，断裂带总长度116km，整体走向NE、NNE，倾向NW，局部产状有变化。

根据断裂带的几何结构特点，将霍山山前断裂带划分为南、北2个段落，各段内又可细分为3个次级段落，分别是南段的A 次级段（苏堡至广胜寺段）、B 次级段（广胜寺至观堆段）、C次级段（观堆至杨家庄段）和北段的D 次级段（梨湾至南车腰段）、E 次级段（南车腰至霍口段）和F次级段（霍口至龙凤段），其中B、D、E 次级段断层走向以NNE 为主，C、F 次级段走向以NE为主，A 次级段受霍山主山脉高度的自北向南迅速降低和洪洞凹陷的深断陷影响，地表断层迹线并不清晰，以大量的地震形变遗迹为特征；B 次级段的线性特征最为显著、也是断层构造地貌现象最为集中的段落，成为本论文探槽开挖的集中段落。

（2）霍山山前断裂带的构造地貌特征。

①霍山山脉主山脊NNE 向展布，南北两端分别止于洪洞的苏堡镇和介休龙凤镇，霍山山前断裂带发育于霍山山脉西麓，是山前松散沉积物与基岩间的分界断层，地形上该断裂带位于山前地形坡度陡变部位。

②霍山山前断裂带下盘基岩山体自南向北共识别出17个一级断层三角面，和近100个次级三角面，形成时代较新的断层三角面发育在一级断层三角面中；形成时代相近的三角面形态特征也相似，其顶点高程和底边高程相近；断层三角面的形态特点显示霍山断裂带上新世以来强烈的构造抬升过程；与断层三角面相对应的断层上盘上，近断层处分布有以风成黄土为主的山前丘陵地貌，地表侵蚀活动受断层三角面流域规模限制，其水动力条件较弱，河流发育规模较小。多层次断层三角面的形态特点反映了霍山山前断裂带在新生代以来的强烈倾向活动特点。

③通过跨越断裂带400余条不同规模水系的平面形态特征分析，发现南段和北段一样，在断层位置，无论是源头位于霍山主山脊的主河流还是源头在断层三角面上的次级河流均未形成系统性的水平偏转，尽管有的河流在断层破碎带上发育横向槽谷，部分次级河流受水动力条件和山前黄土丘陵沉积的影响，表现出似左旋或似右旋的偏转，但是根据跨断层水系的偏转统计，发生右旋或左旋水平偏转的河流数量总体上不具有统计优势，不能将其作为判断断裂带发生水平走滑运动的证据。

④利用30m 分辨率的ASTER GDEM 数据，提取了霍山地区的48条河流纵剖面，并计算它们的定量地貌参数，包括Hack剖面、河长坡降指标SL、均一化河长坡降指标SL/K 和面积高程积分值HI 及积分曲线。结果显示，29条横跨霍山山前断裂的河流的纵剖面在断层两侧的形态显示出明显的差异，表现出明显的受断层活动控制的特征，其他没有被霍山山前断裂断错的河流，除极少部分在上游河段存在局部陡变外，纵剖面形态表现为近似下凹的指数曲线形态，显示其处于近均衡状态；48条河流的HI值及积分曲线显示了霍山地区新生代以来处于强抬升弱侵蚀状态，即所有河流均处于幼年期或壮年期。

⑤48条河流的Hack剖面呈现一致的上凸形态，但上凸形态存在明显差异：未跨越霍山山前断裂的河流Hack剖面形态呈现光滑的近圆弧状；而跨越霍山山前断层的大部分河流的Hack剖面表现为一段较平缓下降后的突然陡降。一致的上凸表明了霍山地区处于构造抬升状态，且抬升速率较快；而Hack剖面的形态差异，反映了研究区内不同区域间构造活动的显著差异，跨断层河流Hack剖面上出现形态陡降特征印证了霍山山前活动断裂带作为这一区域的主干断裂在新生代以来的强烈构造活动，圆弧状的Hack剖面反映其他河流基本没有受到断裂活动的干扰。

（3）霍山山前断裂带的古地震事件及1303年洪洞地震的地表破裂带。

霍山断裂带南段5个探槽（Tc01－Tc05）揭露的古地震事件分析表明：

①研究区的地层以基岩山地和更新世以来的黄土堆积及坡麓堆积为主。区域地层对比发现，临汾盆地与太原盆地的边缘地带以黄土堆积及坡麓堆积为主，晚更新世晚期至全新世以来发育有古土壤层，特别是全新世大暖期的气候适宜期。古土壤层无论在黄土台地还是盆地沉积中都存在，具有区域性沉积特点，全新世古土壤层是探槽揭露地层中的标志地层之一。

②晚更新世晚期以来至少发生4次地震事件，事件以倾向滑动为主。其中晚更新世晚期事件发生在距今12 520～26 380a 之间，全新世中晚期以来的3 次事件，分别发生在距今2 650～3 465a、5 370～5 808a和709a（1303年洪洞8级历史地震）。全新世中晚期以来的3次强震重复间隔时间约2 000a。

③根据构造楔规模和倾向滑动量的对比分析，全新世中晚期以来的3次古地震事件具有相近的破裂强度。

④霍山山前活动断裂带以倾向滑动为主，1303年洪洞8级地震的地震形变遗迹集中发生在断裂带的南段，以砂土液化、地震滑坡、崩塌及张裂缝为主，根据野外确认的大量断层剖面及其活动时代，估计历史地震的地表破裂带的长度116m，其规模与根据历史文献得到的等震线的Ⅹ度的长轴接近一致，断裂带南段的5个探槽剖面也都揭示了这次地震。沿断裂带分布的地震陡坎是断层多次活动形成的累积位移量，集中在6～10m，依据探槽剖面标志古土壤层位错量，平均单次事件的垂直位错量为2.0m，1303年洪洞地震的离逝时间距2012年已709年，形成的地表形变遗迹被人类活动和侵蚀过程破坏殆尽，野外难以与更早之前的古地震事件形成的变形区分，因此，探槽地震事件分析成为本论文恢复断裂带强震活动历史的主要手段。

（4）霍山山前断裂带的活动方式、滑动速率及动力学特征。

①霍山山前断裂带全新世以来的活动方式以倾滑为主，兼有一定量的水平滑动分量。24组最新断层擦痕的侧伏角，集中在75°～85°之间，由此计算出倾滑分量是水平分量的3～10倍，与前人认为的以右旋走滑为主的不同，过去的研究是通过分析有限的跨断层水系（冲沟）的水平右偏转，得出以右旋走滑运动为主的认识的。实际上，跨越断裂带400余条不同规模水系的统计分析显示，发生右旋或左旋水平偏转的河流实际上不具有统计优势。

②根据探槽揭示的标志古土壤层的垂直位错量，以及该古土壤层的年代数据，计算断裂带南段全新世中晚期的垂直滑动速率为0.76～1.49mm/a。

③霍山山前断裂带的活动特征与区域活动构造图像具有较好的一致性。鄂尔多斯周缘断裂系的形成和发展与下地壳以下软流圈物质的上涌关系密切，软流圈上涌是各断陷盆地发展及边界断裂活动的主要动力来源，被多种地球物理资料所证实。地震学和地球物理资料也证实临汾盆地及周边确实存在着上地幔物质上涌的现象，是造成霍山山前断裂带运动发展的主要动力。