河套断陷带主要活动断裂最新地表破裂事件与历史大地震

李彦宝　冉勇康　陈立春　吴富峣　雷生学

1）中国地震局地质研究所，北京　100029

2）天津市地震局，天津　300201

河套断陷带主要活动断裂最新地表破裂事件与历史大地震

李彦宝1）冉勇康1）陈立春1）吴富峣1）雷生学1，2）

1）中国地震局地质研究所，北京100029

2）天津市地震局，天津300201

对于历史记录的公元849年大地震的发震构造尚存在一定争议，公元前7年大地震是否发生在河套断陷带，也没有得到确认。通过影像解译、野外地质地貌调查和探槽开挖，结合14C和单颗粒OSL测年，利用构造地貌分析及古地震手段，对大青山山前断裂、乌拉山山前断裂及狼山山前断裂的最新破裂事件进行了对比研究。为了尽可能降低古地震定年的不确定性，采取了序列采样、重点层位多采样等措施。结合以往研究成果认为，大青山山前断裂应为公元849年大地震的发震构造，而狼山山前断裂最近1次地震破裂事件可能与公元前7年大地震有关。

河套断陷带公元849年地震公元前7年地震构造地貌古地震

0　引言

关于河套断陷带的历史大地震，尤其是公元849年地震，曾有多位学者针对其展开讨论，但对其发震断裂目前仍存在多种观点：1）认为是大青山山前断裂，这是近几年较多学者接受的观点（国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组，1988；吴卫民等，1995；江娃利等，2001；聂宗笙等，2010）；2）认为该地震震中位于包头北部或西北，而这与乌拉山山前断裂更为接近（李善邦，1981；国家地震局震害防御司，1995）；3）未经正式发表的观点是，有部分学者认为狼山山前断裂最新1次地震破裂事件发生时代较新，可能与公元849年地震有关。多个震例及物理模拟显示，特大地震有可能造成2条甚至多条断裂同时破裂（国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组，1988；Harris et al．，1999；徐锡伟等，2008；张培震等，2008；方盛明等，2009；Aochi et al．，2011；Finzi et al．，2012），公元849年地震可能是一个震级达8级甚至8½ 级的特大地震（孙加林，1985），该地震可能会使多条断层产生破裂带吗？这是否就是造成争议的原因？另外，孙加林（1985）通过对《内蒙古历代自然灾害史料》的分析认为，《中国历史强震目录》附录中记载的公元前7年地震（国家地震局震害防御司，1995）极有可能也发生于河套地区，且震级应与公元849年地震相当。那么其发震断裂又是哪条断层呢？古地震研究可以为探讨并回答上述问题提供有益的佐证（Schwartz et al．，1984；Crone et al．，1987；Wallace，1987；Sieh et al．，1989；McCalpin，1996；邓起东等，2004，2007；Liu-zeng et al．，2006）。

前人曾针对河套带内主要活动断裂展开过一些古地震研究工作（李克等，1994；吴卫民等，1995；聂宗笙等，1996；江娃利等，2001，2002；陈立春，2002；冉勇康等，2003；杨晓平等，2003）。然而，受限于测年技术水平，这些研究的有些年代结果存在较大不确定性。虽然近几年也有些较新的研究成果（聂宗笙等，2010），但均未曾通过各条活动断裂的对比来探讨这2次历史大地震。鉴于这2次地震的准确信息对于河套地区，乃至鄂尔多斯周缘的地震活动性研究及地震危险性评价有着至关重要的意义，因此非常有必要针对其展开进一步的研究。

本文试图在影像解译的基础上，通过野外地质地貌调查及探槽开挖工作，利用构造地貌分析及古地震方法，对河套断陷带大青山山前断裂、乌拉山山前断裂及狼山山前断裂的最新地表破裂事件进行探讨及对比分析，并结合以往研究成果讨论它们与这2次历史大地震的关系。

图1　河套断陷带构造位置及活动断裂分布图Fig．1　Geotectonic position and distribution of active faults of the Hetao fault-depression zone．

1　河套断陷带地质地貌特征

河套断陷带位于阴山－燕山块体与鄂尔多斯块体之间（图1），西界为狼山山前断裂，北界是阴山（色尔腾山、乌拉山、大青山）山前断裂，东界为和林格尔断裂，南界为鄂尔多斯北缘断裂。断陷带南北宽40～80km，东西长约440km，总体走向近EW向，为鄂尔多斯周缘断裂系和地震带的重要组成部分。断陷带内部由西向东被2个次级隐伏隆起（西山嘴凸起和包头凸起）分隔为右阶错列的3个凹陷：临河凹陷、白彦花凹陷和呼和凹陷，分别受控于狼山－色尔腾山山前断裂、乌拉山山前断裂和大青山山前断裂，基本形态为北深南浅的箕状断陷（国家地震局“鄂尔多斯周缘断裂系”课题组，1988；李克等，1994；马保起等，1998；陈立春，2002；江娃利，2002；杨晓平等，2003）。

研究区Google Earth影像分辨率较高，基于Google Earth影像，对断裂带沿线一些典型地段的地貌及断层陡坎（或断层崖）进行了解译，并根据野外实际调查情况进行了修正。河套断陷带内山前台地分布较为广泛，一般发育3级台地，区域内具有较好的对比性。一些冲沟中还发育多级阶地，较老期次阶地可与山前台地相对应。在山麓地带还发育一系列洪积扇（裙），晚期洪积扇有2种发育模式，一种是直接叠置于较老洪积扇面上，即表现为“扇上扇”现象，这种一般规模较小，展布于山前冲沟出口处；还有一种是在较老洪积扇上下切并向前发育，这种一般规模稍大，延伸较远。较老洪积扇多被后期洪积扇改造，扇形不完整；更老的洪积扇（裙）残余一般在山前形成山前倾斜平原。在台地与山前平原过渡地带还经常分布大量坡、洪积堆积物形成的斜坡带。河套带另一突出特点是，沿断裂带发育正断层型构造地貌，如断层崖、断层陡坎、断错阶地等。

为了便于对比，将山前台地及与之对应的冲沟阶地统一编号，由此研究区内主要地貌面由老到新依次为T4～T1级地貌面、山前倾斜平原（P2）、盆内冲积平原（P1）、山前仍保留基本扇形形态的2期洪积扇（由老到新依次命名为F2、F1）。图2～4分别为几个研究点附近的构造地貌。

由于断层陡坎是断层活动所形成的地表破裂的一种表现形式，可揭示断层与地貌面的切盖关系，通过这种切盖关系可以得到关于断层的地表破裂型事件的一些信息，这将在本文第3节予以讨论。

2　研究点古地震事件

2.1研究点古地震事件分析

2.1.1大青山山前断裂莎木佳点

莎木佳点位于包头以东，大青山山前断裂带中段台地前缘陡坎处（40.57°N，110.33°E；图5a）。莎木佳剖面揭露了正断层的张裂式下掉过程（图5及表1），在主断层作正断层运动的同时，产生系列的次级反向断层，因此，坎前堆积物表现出“充填楔”和“崩积楔”共生的情况。崩积楔上部发育程度不同的钙土壤或腐殖土壤，以此为主要判别标志，该剖面揭示了4次古地震事件，按发生时代由老到新依次命名为DE1、DE2、DE3和DE4。

事件DE1：单元U1a、U1b发生明显变形，其变形程度明显大于U2a及U2b，且存在断层被U2a、U2b覆盖的现象，U2b顶部显示了长期暴露地表所呈现的钙富集及土壤化的特点，事件DE1应发生在U1b沉积之后、U2a沉积之前。

事件DE2：单元U2a、U2b被断层断错，断层张裂下掉形成明显的“充填楔”和“崩积楔”，它们组合堆积成坎前地层结构（下粗上细的二元结构）的U3a及U3b；事件DE2应发生在U2b沉积之后，U3a沉积之前。

图2　大青山山前断裂莎木佳点附近典型地貌及断层陡坎分布图（影像据Google Earth，位置见图1c）Fig．2　Regional geomorphology and distribution of fault scarp near the Shamujia site on Daqingshan piedmont fault（The photo is from Google Earth）．

事件DE3：单元U3a、U3b被断层破坏，之后堆积了下部为砾石、上部为砂土的二元结构特征清晰的坎前堆积地层U4a及U4b，事件DE3应发生在U3b沉积之后，U4a沉积之前。

事件DE4：单元U4a、U4b堆积之后，断层再次活动，张裂下掉形成明显的“充填楔”U5a，之后U5b覆盖于上，总体呈现典型的坎前堆积的二元结构特征，事件DE4应发生在U4b沉积之后，U5a沉积之前。

2．1．2乌拉山山前断裂乌兰计点

在乌拉山山前断裂东段，包头以西乌兰计八村北采石场附近、台地前缘陡坎处、冲沟出口东侧开挖了1个古地震探槽（40.66°N，109.53°E）（图6）。与莎木佳剖面类似，该探槽揭露了“崩积楔”上部发育程度不同的钙土壤或腐殖土壤，整体呈下粗上细的二元结构特征（图6及表2），以此为主要判别标志。该剖面揭示了2次古地震事件，按发生时代由老到新依次命名为WE1、WE2。

图3　乌拉山山前断裂乌兰计点附近典型地貌及断层陡坎分布图Fig．3　Regional geomorphology and distribution of fault scarp near the Wulanji site on Wulashan piedmont fault（The photo is from Google Earth）．

事件WE1：单元U1a呈楔体状崩积于坎前，之后被U1b覆盖，整体呈现明显的下粗上细的二元结构特征，且U1b顶部明显土壤化及钙化。由于探槽未揭露事件WE1发生前地层，因此只能确定事件WE1应发生在U1a沉积之前。

事件WE2：U1b明显发生扰动，单元U2a呈楔体状充填于断层附近，之后U2b覆盖于上，整体呈现明显的下粗上细的二元结构特征，U2b顶部明显土壤化。事件WE2应发生在U1b沉积之后、U2a沉积之前。

作者成员在执行973项目“大陆强震机理与预测”子课题时，曾在乌拉山山前断裂带的哈德门金矿（40.67°N，109.60°E，位于乌兰计探槽以东约6km）附近开挖过古地震探槽，探槽揭示了多次古地震事件（图7），受限于当时测年技术水平，未采集炭屑样品。该探槽至今仍被保留，因此本次野外工作中在该探槽中采集了数个炭屑样品。

图4　狼山山前断裂巴音乌拉点附近典型地貌及断层陡坎分布图Fig．4　Regional geomorphology and distribution of fault scarp near the Bayinwula site on Langshan piedmont fault（Photo is from Google Earth）．

哈德门金矿探槽与乌兰计探槽揭示的地层序列非常一致（图6，7），即U1b、U2b两套地层从岩性、颜色变化顺序（均为由下至上变化顺序为：灰白—土黄—灰黑—灰黄）、砾石含量变化特点（两探槽揭示的两套地层均呈下粗上细的二元结构特征，且近断层处砾石含量高）等特征上均具有一致性，且两点相距仅约6km。因此，乌兰计探槽的WE1、WE2事件应当分别与哈德门金矿探槽的Ⅳ、Ⅴ事件相对应。

2．1．3狼山山前断裂巴音乌拉点

前人对狼山山前断裂的古地震研究，主要集中在西补隆以东段，本次探槽开挖点位于西补隆西南的巴音乌拉嘎查附近（40.74°N，106.48°E，具体位置见图4）冲沟T1级阶地陡坎处（图8a）。该冲沟发育4级阶地，其中T1～T3均被断层断错，且通过实测发现高阶地位错量与低阶地呈明显的倍数关系（图8b），说明地震复发可能为特征位移模式。该探槽揭示地层序列比较简单（表3）。

图5　莎木佳点地貌照片（a）、断层剖面拼图（b）及其解译图（c）Fig．5　Photo of landform（a），photomosaic（b）and interpretation（c）of the fault profile at Shamujia site．

探槽只揭示了1次断层断错事件LE1，单元U1a和U1b被断层错动，U2a充填于张裂处，后被U2b覆盖，呈现典型的坎前堆积序列（图8c，d）。同时可判断，该阶地形成以来只发生过1次地表破裂型事件，是在U1b形成之后、U2a形成之前。

表1　莎木佳剖面地层序列Table 1　Stratigraphic sequence of the Shamujia profile

图6　乌兰计点地貌（a）、探槽东壁拼接（b）及其解译图（c）Fig．6　Landform（a），photomosaic（b）and interpretation（c）of east wall of the trench at Wulanji site．

图7　哈德门金矿探槽剖面Fig．7　Log of Hademen Gold Mine trench．

表2　乌兰计探槽地层序列Table 2　Stratigraphic sequence of Wulanji trench

2．2古地震事件定年

2．2．1莎木佳点

图8　巴音乌拉点地貌（a）、实测陡坎（b）、探槽西壁拼图（c）及其解译图（d）Fig．8　Landform（a），measured topographical profiles（b），photomosaic（c）and interpretation（d）of west wall of the trench at Bayinwula site．

表3　巴音乌拉探槽地层序列Table 3　Stratigraphic sequence of the Bayinwula trench

在莎木佳剖面处采集了多个可用于14C测年的炭屑样品，送往美国Beta实验室测试，得到了5个年龄结果，与地层序列对应较好（图5）。用OxCal 3.10软件按照地层序列进行了再校正（表4），并依此限定了本剖面所揭示的4次古地震的发生年代。如前文所述，事件DE4发生在单元U4b沉积之后、U5a沉积之前，但在U5a及上覆地层U5b中均未采集到可用于测年的样品，因此，利用U4b中样品SMJ－C13、SMJ－C6的2σ校正年代（分别为2 030～1 880BC和2 030～1 870BC，见表4），结合OxCal 3.10软件将事件DE4的发生年代限定在1 920BC至今。由于在U3a和U3b中未采集到可用于测年的样品，因此，事件DE2、DE3的年代无法区分开来，只能利用U2b中样品SMJ－C1、SMJ－C2的2σ校正年代（分别为7 600～7 525BC和7 530～7 320BC，表4）和U4a中样品SMJ－C10的2σ校正年代（2 040～1 080BC，表4）确定在7 500～1 500BC期间发生了这两次事件。类似地，利用U2b中样品SMJ－C1和SMJ－C2限定了事件DE1的发生年代为7 550BC之前。

表4　14C样品测试结果及再校正结果Table 4　Results of radiocarbon dating and re-correction

2．2．2乌兰计点

如前文所述，哈德门金矿探槽揭示的事件中最新的2次事件可能与乌兰计探槽揭示的2次事件一一对应，因此可利用在2个探槽采集的样品对事件的年代进行限定。在2个探槽中采集了数个炭屑样品，获得了5个年龄结果。乌兰计探槽U2b单元中2个样品WLJ－C1与WLJ－C4结果（表4）差别较大，WLJ－C1测试结果明显偏老，结合14C测年原理，分析WLJ－C1可能经过了再搬运与再沉积过程，因此将其舍弃不用，其他样品再校正结果见表4。

与莎木佳点剖面事件年代限定方法类似，利用OxCal 3.10软件，结合乌兰计和哈德门金矿2个探槽样品结果，对乌兰计探槽揭示的事件WE1、WE2发生的年代区间进行了限定：利用样品WLJ－C9（乌兰计探槽U1b）的2σ校正年代（7 140～6 820BC，表4）限定WE1的发生年代为7 020BC之前；利用WLJ－C9（乌兰计探槽U1b）、WLJ－C4（乌兰计探槽U2b，2σ校正年代为4 460～4 330BC）、HDM－C3和HDM－C6（哈德门金矿探槽U2b，2σ校正年代分别为4 850～4 680BC和2 040～1 870BC）限定WE2发生的年代区间为7 100～4 700BC。

2．2．3巴音乌拉点

由于在本探槽未能采集到14C样品，因此只能依赖于OSL法测年。样品在地震动力学国家重点实验室测定，采用单颗粒的光释光方法。样品前处理部分由作者成员自主在该实验室完成，结果列于图8d。根据U1b和U2b中样品的年代结果，将事件LE1的发生年代区间限定在距今（2.0±0.4）ka～（2.7±0.4）ka，并且，由于U2b为坎前堆积地层，堆积时间与事件发生的年代更为接近，即事件LE1的发生时间可能在距今2ka左右。

3　讨论

为了尽可能降低古地震方法的不确定性，采取了以下措施：1）尽量采集14C测年样品，对于确实无法获取14C样品的，采用单颗粒光释光法（Single Grain OSL）定年，该方法可有效避免由于晒退不彻底或晒退程度不均匀带来的影响，从而可得到接近真实的年龄（Duller，2006；Thomsen et al．，2007；Berger et al．，2010）；2）按照地层序列采样，且在重点层位尽量采集多个样品，并利用OxCal程序结合地层序列对测试结果进行再校正；3）利用断层断错地貌、探槽揭示沉积地层特点等对破裂事件年代进行对比，依此对古地震年代结果进行论证。

首先，从构造地貌上进行分析，图2～4给出了3条活动断裂沿线典型的断错地貌分布：狼山山前断裂T1级地貌面上可见断层陡坎（巴音乌拉探槽开挖点），最新2期洪积扇（裙）上未见断层陡坎，野外调查亦未见地表“坡折”现象；乌拉山山前断裂T1级地貌面上未见断层陡坎；大青山山前断裂较老一期洪积扇及台地前缘坡洪积堆积层上均可见断层陡坎。因此可判断乌拉山山前断裂最新地表破裂型事件发生于T1级地貌面形成之前，狼山山前断裂最新事件发生在图4所示2期洪积扇（裙）形成之前，大青山山前断裂最新事件发生在较老1期洪积扇形成之后。前人研究认为，上述2期洪积扇（裙）分别形成于全新世晚期和近代（国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组，1988）。而按照本文第1节所述各级地貌面形成年代的先后顺序可判断，乌拉山山前断裂和狼山山前断裂为公元849年地震发震断裂的可能性不大，至于大青山山前断裂还需进一步讨论。

通过前述古地震研究结果可知，乌拉山山前断裂东段最新古地震事件WE2发生的时代较老，狼山山前断裂最新事件LE1发生在距今2ka左右，从年代上看，这两次事件发生于公元849年的可能性均不大。而大青山山前断裂最近1次事件DE4的发生年代限定为1 920BC至今，在3个研究点揭示的事件中最有可能为公元849年事件。当然，限定该事件只有下限时间，且年代较老，但是可以进一步分析事件DE4的发生年代：该事件的下限年代是根据莎木佳剖面揭示的地层U4b中的样品，该层具有一定程度的土壤化，由于以洪积堆积物为母质的土壤化过程需要暴露于地表较长时间，尤其是在干旱半干旱地区，因此实际上U4b的沉积年龄可能距离事件DE4发生有较长一段时间，而且在该区域发现多个断层断错至近地表的现象，也说明最新一次事件的年代应该较新。另外，前人曾在莎木佳东、西两侧均发现多个最新断错事件时代较新的证据：在莎木佳以西，李克等（1994）在永富村附近发现断层断错了距今（1 620±100）～（1 070±70）a的地层；聂宗笙等（1996）在雪海沟西发现断层断错了14C年龄为距今（1 640±112）a的地层；聂宗笙等（2010）在包头铝厂北开挖了探槽，通过14C定年揭示最新事件发生在距今1 280a以后；在莎木佳以东，江娃利等（2001）在土左旗站村乡附近发现最新断错地层的14C年龄为距今（1 160±100）a；吴卫民等（1995）在土左旗上达赖村开挖的探槽揭示，最新事件发生在距今2 115a以后。综合以上证据，结合莎木佳剖面揭示的情况判断，DE4事件发生于公元849年的可能性很大。

狼山山前断裂最新破裂事件LE1发生于距今2ka左右，这一时间与公元前7年非常接近，而3个研究点揭示的其他古地震事件年代均与此年代相差较远。前人在河套带其他活动断裂的古地震研究也未发现与此年代相当的古地震事件（吴卫民等，1995；聂宗笙等，1996；陈立春，2002；冉勇康等，2003；杨晓平等，2003）。同时，这一年代结果与前人在狼山山前断裂西补隆以东段最新事件的年代（江娃利，2002；冉勇康等，2003）较为吻合，如果确实为同一事件的话，那么该事件的破裂带长度（约100km）也支持前人对公元前7年事件震级强度可能为8级左右的判断（孙加林，1985）。

基于以上讨论，结合前人对史料的分析（孙加林，1985；聂宗笙等，2010），本文支持大青山山前断裂为公元849年大地震发震构造的认识，而公元前7年地震有可能是沿河套断陷带的狼山山前断裂发生的，且震级可能与公元849年事件相当。

4　结论

（1）基于影像解译和野外地质地貌调查，对河套断陷带的大青山山前断裂、乌拉山山前断裂及狼山山前断裂沿线的典型构造地貌进行了分析对比，结果显示，乌拉山山前断裂最新断错地表事件时代较老，狼山山前断裂和大青山山前断裂较新。

（2）通过探槽开挖（或剖面清理），结合14C和单颗粒光释光测年手段，对上述3条活动断裂重点段落的古地震进行了对比研究，并结合前人研究成果，认为乌拉山山前断裂最新古地震事件的年代较老，狼山山前断裂次之，大青山山前断裂最新古地震事件年代最新。

（3）综合分析本次研究结果及前人对史料的考证，本文支持大青山山前断裂为公元849年大地震的发震构造；而公元前7年地震可能沿狼山山前断裂发生，且震级可能与公元849年地震大致相当。

致谢本次野外工作得到了包头市地震局王子义局长、刘志明副调研员的帮助和支持，邓起东院士提供了相关资料，在此一并表示感谢。

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Abstract

Hetao fault-depression zone，the largest one of 4 fault-depression zones around the Ordos block，is characterized by intense tectonic activities．According to historical records，2 large earthquakes，occurring in 849AD and 7BC respectively，were recognized to be located at this zone．However，there is still some dispute about the seismogenic structure of the 849AD earthquake，and there is no tangible geological evidence to support the view that the 7BC event occurred in Hetao fault-depression．In this paper，based on the image interpretation（from Google Earth），field investigation，trench excavation，and14C and single grain OSL dating，we analyzed the tectonic landform and paleoseismic events on the Daqingshan piedmont fault，Wulashan piedmont fault and Langshan piedmont fault in the Hetao fault-depression zone．Furthermore，a comparative study of the latest rupture events on the 3 active faults was carried out．In order to lower the uncertainty of paleoseismic event dating，several effective measures，such as sampling according to the stratigraphic sequence，collecting multi samples in important strata，were adopted．Combining the previous achievements，the seismogenic structures of the 849AD earthquake and the 7BC earthquake were discussed．The results support that the Daqingshan piedmont fault is the seismogenic structure of the 849AD earthquake，and the latest surface rupture event of the Langshan piedmont fault may be related to the 7BC earthquake．

THE LATEST SURFACE RUPTURE EVENTS ON THE MAJOR ACTIVE FAULTS AND GREAT HISTORICAL EARTHQUAKES IN HETAO FAULT-DEPRESSION ZONE

LI Yan-bao1）RAN Yong-kang1）CHEN Li-chun1）WU Fu-yao1）LEI Sheng-xue1，2）
1）Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
2）Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin300201，China

Hetao fault-depression zone，849AD earthquake，7BC earthquake，tectonic landform，paleoearthquake

P315．2

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0110－16

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．009

李彦宝，男，1981年生，2013年在中国地震局地质研究所获博士学位，现于中国地震局地质研究所空间对地观测与地壳形变研究室从事博士后研究工作，主要从事GPS观测、活动构造及古地震方面的研究，E－mail：liyanbao163＠163.com。

2013－04－10收稿，2014－10－27改回。

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAK15B01）资助。

冉勇康，男，研究员，博士生导师，E－mail：ykran＠263．net。