祁连山北缘佛洞庙-红崖子断裂古地震特征初步研究1

刘兴旺袁道阳何文贵

1）中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

2）中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，兰州 730000

3）兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州 730000

祁连山北缘佛洞庙-红崖子断裂古地震特征初步研究1

刘兴旺1,2,3)袁道阳1)何文贵1,2)

1）中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

2）中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，兰州 730000

3）兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州 730000

佛洞庙-红崖子断裂位于祁连山北缘断裂带中部，是祁连山与河西走廊之间的一条重要边界断裂，断裂全长约110km，总体走向北西西，该断裂为一条全新世活动的逆-左旋走滑断裂，断裂活动形成了一系列陡坎、断层崖以及冲沟和阶地左旋等断错地貌。本文通过3个探槽剖面对发生在该断裂上的古地震事件进行了分析，可确定地震事件2次，事件I为历史地震，发生在距今400年前，为1609年红崖堡7¼级地震；事件II的年代为距今（6.3±0.6）ka B.P.和（7.4±0.4）ka B.P.之间。同时结合前人的一些研究资料，对古地震的复发模式和间隔进行了初步讨论。

佛洞庙-红崖子断裂 古地震 地震复发间隔

引言

河西走廊地区位于青藏高原北部，是青藏高原构造变形和向北推挤的最前缘，也是青藏高原最年轻的部分（Tapponnier等，2001），由于其特殊的地理位置和构造背景，一直以来是中外学者研究的热点地区之一（Tapponnier等，1990；Gaudemer等，1995；Zhang等，2004；方小敏等，2004；Zheng等，2013）。佛洞庙-红崖子断裂位于河西走廊盆地南缘中段，是北祁连山前活动断裂系的重要组成部分，也是青藏活动块体北部的重要边界，断裂的中西段曾于1609年发生过红崖堡7¼级地震（刘兴旺等，2011）。研究该断裂的历史地震及古地震活动特征，对认识断裂分段、分级破裂、评价未来的地震危险性都具有重要的意义。

前人对佛洞庙-红崖子断裂曾开展过一些研究（国家地震局地质所等，1993；陈文彬，2003；郑文俊，2009）。国家地震局地质所等（1993）认为，佛洞庙-红崖子断裂为逆左旋断裂，以榆林坝、红崖子为界可分为三段，断裂中段的榆林坝-红崖子段为全新世断裂，在断裂东西段，断裂活动结束于中更新世末期。郑文俊（2009）认为，该断裂全段都为全新世活动断裂。对于该断裂的古地震特征，目前还没有进行过系统的研究。

笔者在2009年对佛洞庙-红崖子断裂进行了详细的野外考察，取得了该断裂新活动的诸多证据。本文根据野外考察结果，选取了洪水坎河地、马营河阶地和小泉村附近开挖了3个古地震探槽，对佛洞庙-红崖子断裂古地震特征进行了分析和讨论

1 佛洞庙-红崖子断裂的基本活动特征

佛洞庙-红崖子断裂沿祁连山北缘分布，是分割祁连山与河西走廊的边界性断裂，该断裂西起酒泉以南的佛洞庙，向东经瓷窑口、祁连乡、榆林坝、黄草坝、红崖子，至西岔沟附近逐渐消失，断裂穿过洪水坝河、丰乐河、马营河等河流，总体走向北西西向，长约110km（图1）。根据佛洞庙-红崖子断裂的活动特点和几何分布特征，大致以榆林坝和红崖子为界，可分为西、中、东三段（国家地震局地质所等，1993；郑文俊，2009）：

图1 佛洞庙-红崖子断裂地质构造简图Fig. 1 Simplified structural geology map along Fodongmiao-hongyazi fault

（1）西段（F2-1）：西起洪水坝河，东至榆林坝，断裂走向为北80°西，倾向南，倾角20°—40°，长约60km。断层陡坎多在山前分布，断裂南侧抬升，北侧下降，形成正向陡坎，洪水坝河T5阶地之上保存有高约14m的陡坎，在此陡坎前缘有高约0.5—1m的小陡坎，为断裂新活动的结果，笔者在此小陡坎上开挖了探槽TC-1（图2a）。在其东侧的石羊圈沟一带，野外发现1609年红崖堡地震破裂带仍有保存，表现为陡坎上仍保存着较为新鲜的自由面（图2b），并有多条纹沟出现同步左旋，位移量一般在2m左右。该段断裂明显的特征就是断错新地貌的现象多保留在冲沟沟口洪积扇上，如洪山口、观山河口、丰乐河口等，远离沟口后均为基岩陡坎或是基岩断层直接出露。

（2）中段（F2-2）：此段西起榆林坝西，东至红崖子，断裂走向北50°—60°西，倾向南西，倾角50°—55°，长约35km。此段山前冲洪积扇特别发育，由于祁连山剧烈上升、剥蚀，在山前形成了巨大的洪积扇。断裂在黄草坝东分为两支，一支沿基岩山向南东方向延伸；另一支发育于洪积扇中部，近东西向延伸。穿过马营河时，在其保存完整的T5、T6阶地上留下了连续的断层陡坎，其中T5陡坎高约2.5m（图2c），T6陡坎高约5m，在本次研究中在T5阶地上开挖了一个探槽。断裂延伸到落藏寺一带后，沿高洪积扇边缘向南东方向转弯，小泉一带断层陡坎连续，前人认为该陡坎为1609年红崖堡地震破裂带（国家地震局地质所等，1993）。小泉村西山坡上出现了多条冲沟的同步左旋，位移量从8m到19m不等。

（3）东段（F2-3）：西起红崖子以南，东至西岔沟附近，断裂走向为北35°—55°西，倾向南西，倾角65°，长约15km，为整个断裂向南南东及转向南北方向延伸的一个次断层段，在卫星影像上断错地貌线性特征明显，表现为断层崖及断层三角面。实地考察在西岔北高洪积台面上发现连续延伸约1km的断层陡坎，坎高约2—3m，基本上保持了一条直线。在最东端的西岔沟内，天然断层剖面显示志留纪砂岩砾岩逆冲于第三纪红色砂岩、砾岩及第四纪冲洪积砾石层之上，断层倾角75°左右，倾向南西，同时两级河流阶地发生了明显的左旋位错，T1阶地位移量为10m，T2位移量为14m（图2d）。

综上所述，佛洞庙-红崖子断裂为一条全新世活动的逆左旋断裂，断裂沿线新活动特征明显。其中，断裂中西段可见1609年红崖堡7¼级地震的破裂带，破裂带主要有小陡坎和纹沟左旋组成，陡坎保存新鲜的自由面。断裂东段也为全新世活动段，但没有发现与1609年地震有关的活动证据，地貌上多表现为断层崖及断层三角面，仅在最西段发现断错I级阶地。

图2 佛洞庙-红崖子断裂断错地貌Fig. 2 Fault landforms of Fodongmiao-hongyazi fault

2 古地震探槽剖面分析

断层带上的位移一般是多次断层活动事件及断层带上长期的滑动位移的累积（Cartwright等，1995；Dawers等，1995；Schlische等，1996；Burbank等，2001），断层形成和发展过程中不断地朝着特定的方向发展和演化，同时伴随着多次地震事件的发生，断层带上的累积位移可能也包含了一些地震事件方面的信息。近年来，国内外在古地震研究方面取得了突破性进展，通过大型探槽、三维探槽、组合探槽等的形式，来确定断层的古地震事件（冉勇康等，1997；李传友，2005；Liu等，2007），同时对古地震事件的确定也有了思路和原则，如：古地震事件的逐次限定法（毛凤英等，1995）。

通过航卫片解译和详细的野外地质调查，发现断裂的中西段新活动特征明显，其运动学特征主要表现为逆冲兼具左旋走滑。为了研究断裂的古地震特征，笔者选择了几条河流的阶地上的断层陡坎进行了探槽开挖，位置如图1所示。探槽剖面揭示了断裂新活动特征明显，断错了全新世地层，并有断裂直通地表，存在多期古地震事件。以下是对这些探槽剖面的分析讨论。

2.1 洪水坝河探槽（TC-1）

洪水坝河两岸发育有连续的河流阶地，阶地上保留着断层活动形成的断层陡坎，位于洪水坝河T5阶地老陡坎前缘，断层的最新活动形成了0.5—1m的小陡坎（图2a），为1609年红崖堡7¼级地震破裂带，探槽开挖处坎高约0.5m，探槽剖面（图3）揭露的地层特征描述如下：

图3 洪水坝河探槽Fig. 3 Trench of Hongshuibahe

该探槽只揭露了1条断层，为倾向南的逆断层，断层产状285°/S30°∠。探槽中没有与最新地震破裂相关的证据，而探槽中地层有近1m的断距，与地表的0.5m的陡坎也不是很匹配。分析其原因可能与局部的保存条件有关。由图2a中可以看到，较大的陡坎位于最新陡坎后面，探槽开挖处位于高陡坎上一冲沟一侧，可能水流对地层的保存有所影响。探槽中可揭露2次古地震事件，断层第1次活动后形成崩积屑②，遗憾的是该崩积屑的年龄测试没有得出合理的结果。第2次断层活动错断了层⑦及以下的所有地层，但没有断穿层⑦，后覆盖层⑧，因此层⑦的年代或层⑧底部的年代代表了此次事件发生的上下限，层⑦顶部的年代为（8.2±1.3）ka B.P.，上断点附近层⑦光释光测年为（9.2±1.0）ka B.P.，据此推断此次古地震事件发生在（8.2±1.3）ka B.P.之后。

2.2 马营河阶地探槽（TC-2）

在马营河两岸，河流下切形成了不少于7级阶地，其中T6保存完整，T5阶地仅在断层带两侧保存，而其它低阶地同样只保留了局部一部分。断裂在横穿马营河阶地时，形成了高度不等的断层陡坎，T6陡坎高约5m，T5陡坎高约2.5m，但陡坎高度分布并不均匀，探槽开挖处坎高约1m，探槽长约8m，深2—2.5m，宽2.5m，探槽剖面（图4）揭露的地层特征描述如下：

①灰黄色粗砾石层，砾石磨圆好，分选差，有较大砾石居多，不成层。

②灰色砂砾石层，水平层理，很少夹杂较大粒径砾石。

③浅黄色中粗砾石层，砾石磨圆较好，分选差，大小砾石混杂堆积，不成层。

④灰色中细砂砾石层，砾石分选差，但磨圆较好，中细粒。中间夹有少量粉土。在F1顶部采集的样品的光释光年龄是（8.9±0.9）ka B.P.。

⑤浅灰色中砾石层，水平层理，夹杂较大粒径砾石。

⑥灰黄色次生黄土，断层F2上断点附近光释光样品测试年龄为（7.4±0.4）ka B.P.。

⑦灰黑色夹砂砾石层，中细粒，多为棱角状或次棱角状。

⑧土灰色次生黄土，含植物根系，厚约20—50cm，底部光释光样品测试年龄结果为（6.3± 0.6）ka B.P.。

图4 马营河T5探槽东壁剖面Fig. 4 Trench of Mayinghe T5

剖面上可见2条断层，皆为向南倾斜、倾角较缓的逆断层。F1产状为270°/S∠25°，F2产状为270°/S∠22°。该探槽揭示了1次古地震事件，断层F1和F2同时活动，并在断层端点附近使得地层④和⑤发生褶皱变形，形成的断距约1m，层④的年龄为（8.9±0.9）ka B.P.，说明该事件发生在这个年代之后。F2错断层⑥，但未断穿，因此此次事件发生在其上覆地层⑧的沉积之前，即（6.3±0.6）ka B.P.，断层断点附近的年龄为（7.4±0.4）ka B.P.，此次事件发生在（6.3±0.6）ka B.P.和（7.4±0.4）ka B.P.之间。

2.3 小泉村剖面（TC-3）

在小泉村西南山坡冲沟中，发现一天然探槽，后经人工清理，进行了1m×1m网格描绘和数码照相，剖面（图5）揭露的地层特征如下：

①青灰色中砾石层，砾石分选差，磨圆较好，含大量较多粒径的砾石。断层左侧具水平层理，断层右侧顺坡成层。

②灰黄色次生黄土，夹细砂砾石层，14C的样品测年为（12.2±0.4）ka B.P.。

③灰色粗砾石层，混杂堆积，不成层，含较大粒径砾石，砾石磨圆较好、分选差。

④土黄色黄土，含较大砾石，14C的样品测年为（9.6±0.1）ka B.P.。

⑤青灰色中砂砾石层，混杂堆积，砾石磨圆较好，分选差。

⑥灰黄色次生黄土，厚约20—30cm，14C的样品测年为（7.7±0.1）ka B.P.。⑦表土层，夹杂小砾石，厚约10cm，后期山坡受雨水侵蚀顺坡而成。

图5 小泉村断层剖面Fig. 5 Fault profile of Xiaoquan

该剖面揭露3条断层，剖面至少揭露2次地震事件。事件I是断层F1和F3的活动，错动层⑥以下地层，其上沉积层⑥、层④只在断层下盘沉积，断层上盘未见该层。根据层④和层⑥的测年结果，该事件应发生在（7.7±0.1）ka B.P.和（9.6±0.1）ka B.P.之间，考虑到样品测年误差，该事件很可能与前两个探槽揭露的事件为同一次事件。事件II是断层F2的活动，断至地表，其上覆盖很薄的层⑦，其位置与前人研究的1609年红崖堡7¼级地震破裂带位置也一致，据此推断断裂的该次活动为1609年红崖堡地震。根据剖面层③，其形态很像一个崩积楔，所含砾石的粒径明显大于其它层，大小混杂。根据层②和层④的测年结果，此次事件可能发生于（9.6±0.1）ka B.P.和（12.2±0.4）ka B.P.之间，但此次事件其它探槽并没得到印证，确定性不是很大。

3 结论与讨论

通过上述3个古地震探槽剖面的分析结果，可得出1次历史地震事件和1次古地震事件，利用毛凤英等（1995）提出古地震事件的逐次限定法，可以确定出古地震的更加精确的时间。事件I为1次历史地震事件，为1609年红崖堡7¼级地震，对该次地震前人有较多的研究（国家地震局地质研究所等，1993；国家地震局兰州地震研究所，1985；国家地震局灾害防御司，1995）。事件II发生在（6.3±0.6）ka B.P.和（7.4±0.4）ka B.P.之间，在三个探槽剖面上均有所反映。根据前人的研究（国家地震局地质研究所等，1993），佛洞庙-红崖子断裂在（4.3±0.3）ka B.P.和（2.1±0.1）ka B.P.各有1次古地震事件，综合所有结果，佛洞庙-红崖子断裂古地震可能具有准周期复发的特征，复发间隔为1600—2500年左右。由于最新的地震离逝时间为400年，因此该断裂近期发生中强地震的可能性不大。

由于自然条件的制约，古地震的保存具有很大的局限性，并不是断裂带上每一点都能很好地记录下过去发生的全部地震（闵伟等，2001），在探槽不够多、年代测试不够精确的条件下往往只能得到古地震研究的粗略结果。在本次的研究中，以下因素会影响到最终结果的精确性：①佛洞庙-红崖子断裂地处干旱-半干旱地区，植被稀少，有机碳沉积物较少，大多为冲洪积沉积物，很难采集到14C样品，本文部分年龄结果是光释光样品年龄值，测年的误差可能较大，使得古地震事件的年代存在一定的不确定性。②探槽少且分布不均匀。在本次的研究中，由于祁连山前发育的洪积扇上多以巨大的岩石和粗粒的沉积物为主，很少能找到合适的细粒沉积的地方开挖探槽，只能在为数不多的河流阶地上才能开展古地震探槽的研究，因此客观上也影响了古地震研究的完整性，希望能在以后的工作中得到改善。

致谢：本研究中的光释光样品由中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室测定，14C样品由兰州大学地理系14C实验室测定，特此致谢。

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Preliminary Study of Palaeo-earthquakes on the Fodongmiaohongyazi Fault in the North Margin of Qilian Mountain

Liu Xingwang1,2,3)，Yuan Daoyang1)and He Wengui1,2)

1) Lanzhou Institute of Seismology，CEA，Lanzhou 730000，China
2) Lanzhou Base of Institute of Earthquake Science，CEA，Lanzhou 730000，China
3) Key Laboratory of Western China’s Environmental System with the Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou, 73000, China

Fodongmiao-hongyazi fault lies in the middle part of the north fault zone of Qilian mountain. It is an important boundary fault between Qilian mountain and Hexi-corridor. The main trending of the fault is NWW with length of 110 km. The fault is active in Holocene period with left-lateral reverse strike-slip movement. The activity of the fault formed a series of geomorphology like fault scarp, terrace and gully left-lateral. In this paper, we report two earthquake events that were identified from three trenching survey along the fault. Event I is a historic earthquake occurred in four hundred years ago, namely Hongyapu M 7¼ in 1609. Event II occurred between（6.3±0.6）ka B.P. and（7.4±0.4）ka B.P.. Combined with the previous studies, we discussed the recurrence model and interval of the palaeo-earthquakes along the fault.

Fodongmiao-hongyazi fault；Palaeo-earthquake；Earthquake recurrence interval

刘兴旺，袁道阳，何文贵，2014．祁连山北缘佛洞庙-红崖子断裂古地震特征初步研究．震灾防御技术，9（3）：411—419．

10.11899/zzfy20140307

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项（2009A20）资助

2013-11-22

刘兴旺，男，生于1980年。助理研究员。主要研究方向：活动构造。E-mail：lxw_27@163.com