香山北缘活动断裂带东段构造特征及活动性分析

李海峰 马学东 李明涛 梁志荣 黄生金

（中国银川750021宁夏地质调查院）

引言

香山北缘活动断裂带位于宁夏中西部地区，全长约140km，是一条以左旋走滑为主，兼具倾向滑动的全新世活动断裂带，是青藏高原东北缘系列弧形构造带中的一条重要活动断裂带（见图1研究区）.大量震例表明，活动断裂带是产生地震的根源，地震时断裂带本身的错动会对沿线造成严重的破坏（徐锡伟等，1996；Yeats et al，1997）.香山北缘活动断裂带历史上曾发生过1709年中卫南7⅟²级地震，是中卫—同心活动断裂带（周俊喜，刘百篪，1987；闵伟等，2001；杨明芝等，2007）、香山—天景山断裂带（张维歧等，1988；汪一鹏等，1990）、天景山活动断裂带（柴炽章等，1997，1998）或中卫断裂带（楚全芝，2009）中地震危险性较大的段落，因而一直被人们所关注.地震工作者经过多年的研究工作，对该断裂带已有了较为深入的认识.然而以往工作多以整条断裂带为研究对象.本文借助近年来开展的1∶5万地质填图工作，重点对该断裂带的东段进行了小范围、大比例尺的研究，并对其几何分段及晚第四纪运动特征等进行了简要的阐述.

1 断裂带构成

香山北缘活动断裂带西起骆驼水，东至刘岗井一带，总体走向NWW至近EW向.该活动断裂带以几何不连续为界划分为9个断层段（次级断层），自西向东依次划分为F1—F9（图1）.

图1 香山北缘活动断裂带地理位置图F1：景泰小红山次级断层；F2：罐罐岭次级断层；F3：沙井次级断层；F4：中卫小红山次级断层；F5：青山—孤山子次级断层；F6：西梁头—长流水沟口次级断层；F7：窑沟—粉石沟次级断层；F8：窟窿山—碱沟次级断层；F9：碱沟—刘岗井次级断层Fig.1 Geographical location of the Xiangshan northern margin active fault zoneF1：Xiaohongshan secondary fault in Jingtai；F2：Guanguanling secondary fault；F3：Shajing secondary fault；F4：Xiaohongshan secondary fault in Zhongwei；F5：Qingshan－－Gushanzi secondary fault；F6：Xiliangtou－－Changliushuigou mouth secondary fault；F7：Yaogou－－Fenshigou secondary fault；F8：Kulongshan－－Jiangou secondary fault；F9：Jiangou－－Liugangjing secondary fault

地震地表破裂的空间分布往往与活动断裂的几何不连续有关，具有一定分段性的特点，因此对断裂带进行地震破裂分段是研究活动断层的一项重要内容.根据断裂的几何形态结构和地貌特征对断裂带进行地震破裂分段研究是一种简便而实用的方法.图1中位于F5与F6间的一碗泉间断点东西长10.5km，是香山北缘活动断裂带内最大的几何间断.以该间断为界，东、西两段断层的走向及几何结构特征有明显不同：西段的5条次级断层组成的剪切带呈近EW向，次级断层均为左旋左阶排列；而东段的4条次级断层为NWW向逆左旋走滑断层，左旋左阶和左旋右阶排列兼而有之.其次，该间断点也是活动断裂带山前地貌的明显分界，其东段位于高耸的香山北麓，断层南侧山地平均海拔在2 100m以上，最高峰为2 356m，北侧洪积平原和盆地的海拔高度为1 200m，两侧高差超过千米；西段主要分布在新近系甚至第四系构成的低矮小山、台地的前缘，这些低矮小山及台地的海拔高度难以与香山相比，而且断层两盘的相对高差也大大变小，最大不超过200m.综上所述，对于香山北缘活动断裂带而言，一碗泉间断点不仅为相邻的两条次级断层的分隔点，还是该断裂带几何形态特征及地貌特征发生变化的转折点.因此，以一碗泉间断点为界，将香山北缘活动断裂带划分为东、西两段.本文主要讨论一碗泉间断点以东的香山北缘活动断裂带东段.

1.1 西梁头—长流水沟口次级断层（F6）

该断层西起西梁头，向东经井沟、马路滩、鸭岸沟、大堆堆沟、麻雀湾、孟家湾至长流水沟口，长度约21km，走向约280°，是一条总体向南倾斜的逆左旋走滑断层.

从井沟开挖的探槽中可见一组4条近于平行的逆断层，分布在200—250m的宽度内，总体向南倾斜，向东断续延伸约1km后合并成1条.至鸭岸沟向东，断层切断了河流阶地和坡积物.在大堆堆沟西壁，南盘的泥盆系紫红色砂岩向北逆冲于晚更新世或全新世坡积物之上.该沟东岸Ⅰ级阶地上形成高0.4m的断层陡坎.此地开挖的探槽显示该剖面有两条向南倾斜的逆断层，断层下盘各有一个断层崩积楔（图2中的Ⅰ和Ⅱ），反映了3次断错事件.其最后一次事件，即错断地表黄土层使断层直达地表的1709年中卫南7⅟²级地震事件①兰州地震研究所工程地震研究室.1984.大柳树坝址附近地震地质考察和地震危险性分析报告..再向东活动断层呈直线从泥盆系红色砂砾岩中通过，并在基岩中形成负地形地貌.在供水二所—孟家湾村，对穿越断层的冲沟位错进行了观察和测量，发现14条冲沟在通过断层时发生左旋扭动，扭动距离的大小与冲沟的规模有关，切割较深的扭动距离为26—28.5m，切割深度不足10m的扭动距离一般只有几米.在长流水沟口，断层切割了年龄距今（30.34±12.43）—（76.4±3.87）ka的黄河Ⅱ级阶地②国家地震局分析预报中心.1991.黄河黑山峡河段主要断裂活动及大柳树坝址地震危险性分析报告.，探槽处可见石炭系逆冲到上更新统砾石和砂土之上（图3a）.

图2 大堆堆沟探槽东壁剖面图① 全新统浅灰色亚黏土；② 全新统粗砾石层；③ 全新统细砾石层；14C：年龄样品采集位置Fig.2 Profile of the eastern wall of the Daduiduigou trench① Light-gray mild clay of the Holocene；② Coarse gravel layer of the Holocene；③Fine gravel layer of the Holocene；14C：Location of sample for 14C dating

1.2 窑沟—粉石沟次级断层（F7）

该断层从窑沟向东至粉石沟，长约8km.在窑沟，石炭系逆冲于中新统之上，中新统形成数十米宽的产状陡立带，同时错断上更新统，但被年龄为0.34ka的含砾石砂土覆盖③国家地震局分析预报中心.1991.黄河黑山峡河段主要断裂活动及大柳树坝址地震危险性分析报告.（图3b）.

图3 F6与F7断层及其野外特征（a）长流水沟石炭纪地层逆冲于晚更新世地层之上（镜向东）；（b）窑沟石炭纪地层逆冲于中新世地层之上（镜向西）Fig.3 Faults F6and F7and their field characteristics（a）Carboniferous overlaps on top of Upper Pleistocene in Changliushuigou（view to the east）；（b）Carboniferous overlaps on top of Miocene in Yaogou（view to the west）

东大沟—粉石沟段，断层面向南倾斜，倾角为65°左右，走向280°.断层南盘是古生界构成的山地，北盘则为中新统及上覆第四系构成的丘陵和洪积倾斜平原.断层北盘的石炭系伏于中新统之下，与南盘出露的石炭系高度相差悬殊.由此推断，该断层形成时代较早.新近纪末的活动，使南盘的石炭系逆冲到北盘的中新统上.第四纪中晚期，断层以左旋走滑为主，兼有逆冲分量.断层北盘的中新统红色砾岩总体向北东倾斜，倾角仅为几度至十几度，在靠近断层时受挤压突然变陡，走向亦受到断层的左旋牵引而变为近东西向.

1.3 窟窿山—碱沟次级断层（F8）

该断层西起窟窿山西，经石喇叭沟、阴洞沟延伸至碱沟东，长约16km，由两条近平行的断层构成.

南侧断层从中上奥陶统与新近系中新统、第四系之间通过，1709年中卫南地震的地表破裂沿此分布，是主断裂，走向280°，倾向北东，倾角为55°—85°且一般＞70°.断面平直光滑，走向稳定，发育近水平擦痕.断层从腰岘子沟的东高阶地后缘通过，切断了发育在阶地上的一系列冲沟，同步左旋断错几米至几十米，显示腰岘子沟发生了明显的左旋扭动①宁夏地震局.1995.天景山活动断裂带填图工作报告..

北侧一条断层分布在主断裂北约3km处，向东经宋家窑、阴洞沟一带延伸至碱沟村北.该断层地貌上表现为南高北低的断层崖，断层面总体向南倾斜，倾角较陡，显示逆冲活动特征.断层错断的最上层位是上更新统，在红沟剖面断层被全新统风积覆盖，由此判断北支断层为晚更新世活动断层.

1.4 碱沟—刘岗井次级断层（F9）

该断层西起碱沟北，经青驼崖、红谷梁至双井子以东，构成山地与洪积扇的分界线，长约24.5km.以红谷梁为界，该断层西段走向为100°—280°，东段向南偏转为130°—310°，有一明显转折.断层南西盘主要为古生界基岩山地，海拔2 000余米；北东盘为全新世、晚更新世洪积扇，海拔1 000多米.断层两盘高差悬殊，地貌清晰，连续性强，为一条继承性活动断层.

该断层在红谷梁西处出现分叉，发育在中上奥陶统、石炭系、新近系与第四系之间的3条断层均向南西倾斜，倾角40°—70°，呈叠瓦状向北逆冲（图4）.中上奥陶统和石炭系比较破碎，中新统红色砂砾岩变形强烈，呈团块状，是f1与f2强烈挤压逆冲的结果.第四纪以来形成走滑断层f3，兼有少量逆冲.同时断层f1和f2亦有一定的活动.3条断层不仅使水系左旋扭动，而且由于逆冲而形成狭长条状的多级台地.1709年中卫南M7⅟²地震的地表破裂主要分布在山前黄土及洪积扇上①.

图4 红谷梁断层剖面图Q3p：上更新统黄土夹砾石层；N1：中新统砂砾岩；C3：上石炭统砂岩夹煤线；O2－3：中上奥陶统灰绿色砂岩Fig.4 Profile of Hongguliang faultQ3p：Layer of loess intercalated with gravel of Upper Pleistocene；N1：Sandy conglomerate of Miocene；C3：Sandstone intercalated with coal seam of Upper Carboniferous；O2－3：Gray green sandstone of Middle-Upper Ordovician

在红谷梁东约1km处，活动断裂带分为南、北两支.北支断层继续沿ESE向延伸，经山羊场、刘岗井至石圈以东.在刘岗井附近，断层从晚更新世洪积物的前缘通过，形成向北倾斜的断层崖，崖高约2m.断层产状25°∠79°，断层带宽十多厘米，带内砾石定向排列（图5）.断层南盘底部是中新统紫红色泥岩、粉砂岩，上部为中细砾石层；断层北盘是晚更新世和全新世砂土，含有少量砾石.在距地表0.35m和1.1m处分别采集了热释光样品，年龄距今分别为（4.1±0.3）ka和（9.1±0.8）ka.断面向上未切断厚0.1—0.4m的全新世粉砂土.

图5 刘岗井探槽西壁剖面图① 宁夏地震局.1995.天景山活动断裂带填图工作报告. 全新统黏质砂土；②全新统砂砾石层；③ 上更新统中细砾石层；④ 中新统紫红色泥岩、粉砂岩Fig.5 Profile of the western wall of Liugangjing trench①Clayey sand of Holocene；②Sand and gravel layer of Holocene；③Fine to medium grained gravel layer of Upper Pleistocene；④ Purple-red mudstone and siltstone of Miocene

南支断层沿山麓走向逐渐向南偏转，总体走向为125°—130°.红谷梁西所见的多条断层也同时弯转，最多时有5条，其中最外侧的第一条从山前洪积扇和黄土中通过.1709年中卫南7⅟²级地震地表破裂沿此分布，是活动断裂带的主断层①.5条断层均向南西倾斜，挤压破碎带发育，并使水系发生左旋扭动.其中的西南侧3条断层向南东延伸消失于双井子附近，为继承性活动断层；北东侧的两条断层在双井子附近合并为一条，继续向东南延伸.

2 活动断裂带走滑位移量及其滑动速率

滑动速率S是对断层在某一时段内活动强度的度量，利用它可计算该断层或断层段上在相应时间段内强震发生的平均重复间隔.S可由Wallace（1970）提出的公式得到，即

式中，D为断层的位移量，t是形成该位移量的时间.跨断层的地质和地貌要素都可以成为测量断层位移的标志，其中水系对断层水平位移最为敏感，且沿断层分布广泛，因此成为研究和测量断层水平位移时最常用的标志（柴炽章等，2003；杜鹏等，2007）.由于香山北缘活动断裂带以左旋走滑活动方式为特征，因此本文只对其东段的水平滑动速率进行研究.

2.1 走滑位移量

1）地质体的位移量.被断层水平错位的地质体，在香山北缘活动断裂带走滑活动开始之前就已存在，因此其位移量代表了断裂左旋走滑开始以来的总位移.

阴洞沟—碱沟间，断层两盘各发育了一个中新统与中上奥陶统间的角度不整合面（图6）.两个不整合面均呈北东走向，东侧是中上奥陶统，西侧是中新统，被同一断层截断.显然，断层两侧的地质体及不整合面原属一体，因活动断裂带左旋走滑活动而发生错位，两盘地质体及其间的不整合面被错断3.2km，大体代表了活动断裂带在此总的左旋位移幅度.

图6 碱沟—阴洞沟中新统与中上奥陶统不整合面水平位移图：上更新统风积黏质砂土；N1：中新统黏质砂土；O2－3：中上奥陶统砂岩Fig.6 Horizontal displacement of unconformity between Miocene and Middle-Upper Ordovician in Jiangou－－Yindonggou： Aeolian clayey sand of Upper Pleistocene；N1：Clayey sand of Miocene；O2－3：Sandstoneof Middle-Upper Ordovician

2）水系显示的左旋位移量.通过对穿越断裂带的冲沟位错幅度的测量，较为系统地获得了香山北缘活动断裂带东段的水平位移数据.

冲沟规模通常与其形成的时间历程成正比，因此较老冲沟积累了较大的水平位移，较新冲沟则反之（宋方敏等，1983；程绍平等，1984）.冲沟规模所具有的时间含义使不同规模冲沟的位移幅度代表了第四纪不同时段所积累的位移量，因此依据其长度、宽度、切割深度、切割的地貌面和地层以及阶地发育等因素，将穿越断层的冲沟分为4级（不包括黄河），各级冲沟简要特征如表1所示.

通过对穿越断裂带的各级冲沟位移的系统调查和测量，共获得109个水平位移数据.表2按次级断层自西而东的顺序列出了冲沟水平位移值.将表2的位移数据按冲沟级别进行汇总统计后得到各级冲沟的水平位移量变动范围和平均值，其结果列于表3.

表1 各级冲沟特征简表Table 1 Characteristics of different levels of gullies

从表3可以看出，A级冲沟河流数量较少，B，C和D级冲沟分布广泛，数量逐级增加，位移量逐级递减.通过对位移数据的分析，同一级别的水系在不同次级断层上的位移量不尽相同，表明活动断裂带的左旋走滑强度在走向上具有不均一性；并且不同级别水系的水平位移的峰值在空间上不重合，可能是由于活动断裂带左旋走滑运动活动强度的最大部位随时间而发生过迁移.从C，D两级冲沟的最大平均位移的分布状况看，碱沟—刘岗井次级断层是现今活动强度最大的次级断层（图7）.

表2 香山北缘活动断裂带东段水平位移统计表Table 2 Statistics of horizontal displacements in the east segment of Xiangshan northern margin active fault zone

表3 香山北缘活动断裂带东段各级冲沟的水平位移量Table 3 The horizontal displacement of different level gullies in the east segment of Xiangshan northern margin active fault zone

图7 香山北缘活动断裂带东段各次级断层内不同级别冲沟水平位移量（Y）示意图Fig.7 Schematic diagram of horizontal displacements of different level gullies in each secondary fault of the east segment of Xiangshan northern margin active fault zone

2.2 冲沟年代论证

为了利用这些水系的位移求取断裂带的水平滑动速率，必须对不同等级水系的发育起始年代做出估计.同一地区，由于构造活动或气候变暖，会导致先存冲沟短期内快速下切，产生冲沟阶地，并且会在一些地貌的特殊部位产生新的冲沟.因此，阶地一方面比孕育它的先存冲沟形成时代晚，另一方面又与许多年轻冲沟同时出现，所以，不同等级的冲沟与不同级别的阶地在形成时代上具有良好的对应关系（柴炽章等，1997）.研究认为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ级阶地的发育与D，C，B和A级冲沟或河流的形成在时间上有良好的对应关系，因此可根据阶地时代来判定冲沟的形成年代①宁夏地震局.1995.天景山活动断裂带填图工作报告..

红谷梁西约800m和大堆堆沟Ⅰ级阶地开挖探槽中分别获得了距今（8.9±0.5）ka和（8.4±0.60）ka的年龄数据（柴炽章等，1997）.样品所在地层是该阶地被断错以后沉积的，所以Ⅰ级阶地的形成应略早于上述的年龄，估计为距今9.0ka左右，应属于全新世早期，此即为D级冲沟的年龄.

在孟家湾1号和3号探槽中，从Ⅱ级阶地被错断以后的最老堆积物中分别获得了距今（22.09±0.45）ka和（28.29±0.59）ka的年龄数据②国家地震局地质研究所.1987.大柳树坝址地震基本烈度复核报告.，Ⅱ级阶地的形成应早于这些堆积物的年龄，因此，该阶地的形成年代大约为距今30ka，并以此作为C级冲沟发育的起始年代.

本区的Ⅲ级阶地属于基座阶地，高15—20m.在黄河西侧长流水沟沟口Ⅲ级阶地上覆冲积层近底部的砂层中取样测定，其年龄为距今（100.37±15.05）ka（周特先，1994）.这是B级冲沟开始发育的年龄.

Ⅳ级阶地高25—40m，分布不广，一般仅见于河床宽大的A级河流旁侧，是典型的基座阶地.在基座之上往往不整合覆有一套坚硬的钙、泥质胶结、分选差异明显的砂砾石地层，是早更新世早中期的沉积物，推断其年龄距今1300—1400ka左右，但缺乏测年数据佐证（国家地震局地质研究所，宁夏回族自治区地震局，1990），故滑动速率计算时重点使用B，C，D级冲沟的相关数据对断裂带左旋走滑速率进行估算.

2.3 左旋走滑速率的估算

有了上述各级冲沟的年龄估计值和与其对应冲沟的平均水平位移值，就可以运用公式（1）计算各级冲沟位错代表的断层不同时间点以来的水平滑动速率，计算结果如表4所示.

表4 香山北缘活动断裂带东段不同时间点以来的水平位移速率Table 4 Horizontal displacement rates of the east segment of Xiangshan northern margin active fault zone since 100，30，9ka BP

由于高级别冲沟的位移量包括了低级别冲沟的位移量，所以可以通过高级别水系位移量与低级别水系位移量相减的方法，获得断层在某一时段的水平位移量，从而获得断层在相应时段的水平位移速率.这样的水平位移速率可以用来观察活动断裂带晚第四纪水平活动强度在时间域上的变化情况.据以上对冲沟形成的年龄分析，将距今100—30ka的时段定义为晚更新世早—中期、距今30—9ka的时段定义为晚更新世晚期，距今9ka以来为全新世.根据这3个时段的冲沟水平位移平均值，计算出对应时段的水平位移速率（表5）.

表5 香山北缘活动断裂带东段不同时期的水平位移速率Table 5 Horizontal displacement rates of the east segment of Xiangshan northern margin active fault zone in different periods

从表4和表5可看出，分时段的水平滑动速率范围包含了不同时间点以来的水平滑动速率范围.活动断裂带自晚更新世以来总体水平活动强度不大，水平滑动速率范围为0.53—1.44mm／a.时间域上的变化不大，晚更新世早—中期与全新世期间断层滑动速率变化很小，属统计误差范围内.自晚更新世早期以来，西梁头—粉石沟亚段活动强度总体上呈减弱的趋势，而窟窿山—刘岗井亚段的活动强度则逐渐增强.

3 讨论与结论

通过对香山北缘活动断裂带东段进行野外地质考察及研究，并结合以往地质工作的研究成果，对该断裂带的构造特征及活动特点有了较为明确的认识：

1）香山北缘活动断裂带是一条NWW至近EW向的以左旋走滑为主，兼具倾向滑动的全新世活动断裂带，是青藏高原东北缘系列弧形构造带中的一条重要活动断裂带.

2）香山北缘活动断裂带以几何不连续为界划分为9个断层段（次级断层）.一碗泉间断点是本活动断裂带内最大的几何间断，不仅分隔相邻的两条次级断层，还是该断裂带几何形态特征及地貌特征发生变化的转折点，以该间断点为界将香山北缘活动断裂带划分为东、西两段.

3）香山北缘活动断裂带东段自晚更新世以来，总体水平活动强度不大.晚更新世早—中期水平位移速率为1.44mm／a，晚期水平位移速率为0.53mm／a，全新世水平位移速率为1.01mm／a.该断裂带东段左旋走滑强度在走向上具有不均一性，并且其左旋走滑运动活动强度的最大部位随时间发生迁移：晚更新世早—中期，断裂带活动中心主要集中在西梁头—粉石沟亚段；晚更新世晚期以来，活动中心向东迁移，以窟窿山—刘岗井亚段活动最为强烈.

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