西秦岭北缘断裂带武山—天水段全新世活动的新证据①

吴　赵, 袁道阳,2, 王爱国,2, 张　波, 邵延秀, 王朋涛

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)



西秦岭北缘断裂带武山
—天水段全新世活动的新证据①

吴赵1, 袁道阳1,2, 王爱国1,2, 张波1, 邵延秀1, 王朋涛1

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

摘要：西秦岭北缘断裂带是青藏高原东缘一条大型左旋走滑活动断裂带和历史强震带。前人对该断裂漳县以西段曾开展过大量研究工作,获得其最新构造活动的地质地貌证据,而中段(武山—天水段)和东段(天水—宝鸡段)最新活动时代一直存在分歧。基于高分辨率卫星影像解译、地质地貌调查与综合分析、探槽开挖和14C测年等方法,对西秦岭北缘断裂带武山—天水段进行详细研究,结果表明:该段断裂晚第四纪以来活动显著,地貌上主要表现为断层垭口、断层沟槽、山脊与水系及阶地同步左旋位错、断层陡坎等;多个探槽剖面及测年结果显示其最新构造活动断错了全新世地层,为该段断裂全新世活动和大震危险性分析提供了新的证据。

关键词：西秦岭北缘断裂带; 全新世; 左旋走滑; 活动断裂

0引言

图1　西秦岭北缘断裂带及邻区主要活动断裂分布图Fig.1　Distribution of main active faults along the northern margin fault of the West Qinling and its vicinity

前人对西秦岭北缘断裂曾开展过不同程度的研究,其中漳县以西段(包括漳县段、黄香沟段和锅麻滩段)研究较深入,已获得了断裂几何细结构、滑动速率及较完整的古地震年代序列等定量参数[3-4,9,18]。但漳县以东的武山段、天水段和宝鸡段研究程度较差,新活动性认识也不一致,大多认为武山段、天水段全新世以来是活动的,而宝鸡段晚更新世活动[5,8,13,19],甚至晚更新世以来并不活动[20]。造成上述认识分歧的主要原因是受地质地貌、黄土覆盖、滑坡崩塌和人类活动等多因素影响,致使断错地貌现象相对较差;前人调查中曾发现的一些地质地貌线索目前大多也难以保存。2008年汶川8.0级地震之后,万永革等[21]根据汶川地震的震源破裂分布,计算分析了周边断层上库仑破裂应力的变化,认为汶川地震的发生使得西秦岭北缘断裂东段的库仑破裂应力加载效应尤为显著;邵延秀等[13]和M7专项工作组[22]研究认为该段断裂全新世活动并处于强震闭锁阶段。2013年岷县—漳县6.6级地震[14-17]之后,其最新活动性及未来的大震危险性更备受关注。本文拟通过详细卫星影像解译、野外地质地貌调查、探槽/剖面开挖清理,采用14C测年方法限定断层最新活动时代,为确定西秦岭北缘断裂带武山—天水段的最新活动时代及其大震危险性提供新的证据。

1断裂新活动的地貌证据

西秦岭北缘断裂带中东段的武山—天水段西起鸳鸯镇西的苟家山,向东经武山渭河堡、洛门、武家河、白杨树庄等,在天水市附近断层向南偏移,经上湾村、毛集村至黄庄附近止。断层总体走向280°～290°,倾向NE或SW,倾角50°～70°,长约120 km,与天水—宝鸡段的凤凰山左旋左阶区斜接(图1)。通过高分辨卫星影像解译和野外实地调查,发现该段断裂线性影像清晰且连续,其最新构造活动造成多处阶地或台地左旋位错,并在武山以北一带发现疑似地震地表破裂带的现象,现简述如下:

1.1武山县堡子村阶地位错

堡子村位于武山县城北西侧、渭河北岸T1阶地后缘,该处2条小冲沟(碱沟和雅儿沟)从北侧的黄土台地内向南流入渭河谷地(图2)。西秦岭北缘断层从堡子村北侧山边通过,地貌上发育了一系列断层垭口、断层沟槽和小的断层陡坎等,断层线性特征较清晰,断错地貌明显[图 2(a)、(b)]。

图2　武山堡子村阶地断错地貌Fig.2　Faulted terrace landforms in Buzi village,Wushan county

1.2武山县徐坪村断错地貌

在武山县城北东、渭河北岸的鲁班沟—徐坪村一带,西秦岭北缘断裂的最新构造活动造成此处一系列自北而南流入渭河的冲沟左旋位错达200～600 m不等,断裂穿过的黄土梁脊、渭河阶地或高台地等均形成明显的断层垭口状地貌、近东西向沟谷、深切凹槽和断层陡坎等现象[图3(b)]。

图3　徐坪村断层地貌Fig.3　Faulted landforms in Xuping village

1.3甘谷县武家河阶地断错

在洛门镇南东至甘谷县西南武家河一带长约15 km断层带上,发育一系列自南向北汇入渭河的支流。受断层新活动影响,断层通过处地貌上主要表现为冲沟左旋与山脊位错,左旋位移量由几十米至上千米不等。

沿断层实地追踪,发现在武家河乡以西约2 km处断层横穿武家河而过,冲沟西侧发育连续平坦的四级阶地[图4(a)]:T1阶地高出河床约2～3 m,形成于全新世晚期[T1阶地砾石层顶面测得14C样品年龄为(2 460 ±30) a B.P.],T2拔河高度约5～6 m,年代为全新世早期(据腾瑞增等[7]),T3拔河高度约10～12 m,T4约为20 m;而东侧[图4(b)]主要发育两级阶地,其中T2阶地面地形起伏较大,与后期修路、耕地等破坏有一定关系。受断层新活动影响,冲沟两侧T2阶地均发生明显左旋位错,西侧为断层左旋位错保护岸,测得位错约为(24±3) m,代表了T2阶地自形成以来的阶地位错量。而东侧T2阶地为侵蚀岸,受后期流水侵蚀等因素影响较大,左旋位错量约为(26±3) m。在东侧T2阶地边缘因断层活动造成T2阶地砾石层有约1.7 m的厚度差,砾石层断错约0.7 m(目前因人为改造影响已经看不清楚了)[7]。

图4　甘谷县武家河阶地断错地貌Fig.4　Faulted terrace landforms in Wujiahe village,Gangu county

沿断层追索在西侧T4台地上发现一断层剖面(后述),清理并开挖后发现断层在全新世中晚期以来有过活动。综合上述地貌现象,认为该断裂全新世以来是活动的。

1.4甘谷县白杨树庄断错地貌

白杨树庄一带断层线性特征比较明显,跨断层两侧连续发育几条近南北向小冲沟,山脊发生同步左旋位错[图5(a)],其中冲沟a[图5(b)]左旋位错约(9±2) m,冲沟b[图5(c)]约(10±2) m,冲沟e[图5(d)]约(9±2) m。上述小冲沟的规模大致相当,形成时代较接近,其位错值也大体相当。在最东侧还发育一断头沟d;而顺断层发育连续的反向陡坎,陡坎高度约(2±1) m[图5(d)]。在沟底发现断层剖面[图5(e)],显示断层错动至近地表,其上仅覆盖一层薄的坡积物,地表形成的反向陡坎控制了坡地地形,形成断层沟槽,断层经过处因一连串泉水发育致使地表面比较破碎并伴随小型滑坡发育。

1.5天水南毛集村断层地貌

断层过白杨树村后,继续向东过天水关子镇后走向向南偏移,大致沿秀峰山、太阳山北缘通过,至杨湾里一带逐渐消失。断层在地貌上主要表现为冲沟阶地左旋和断层沟槽等。

实地调查发现,在天水市南的毛集村附近断层横穿罗家沟,在冲沟东侧发育两级连续平坦的冲洪积阶地,残留的T1阶地面高出河床约1 m,T2阶地面拔河高度约4～5 m,而冲沟西侧由于人为修路等破坏,阶地面已不太清晰。在东侧T2阶地面上发育有比较连续的断层陡坎,顺断层走向陡坎高度慢慢下降,整体高度约(3±1) m。在T2阶地[测得14C样品年龄为(27 860±170) a B.P.]边缘发现明显的左旋位错[约(10±3) m][图6(c)]。由于埋设水管线路,河床被开挖,出露明显的黄绿色基岩破碎带[图6(b)]。在残留的T1阶地面上开挖一个探槽[图6(d)],剖面揭露断层左侧为土黄色黏土层,物质均一;而右侧为两层,下层为黄绿色破碎基岩,上覆砂砾石层,其中砾石分选性差,砾径分布从30～2 cm,断层止于约10 cm的表层土之下。在T2阶地面上又跨断层陡坎开挖一个探槽(图9),清理发现断层在全新世早期有过活动(后述)。综合地貌现象,认为断裂在全新世以来是活动的。

图5　甘谷县白杨树断错地貌Fig.5　Faulted landforms in Baiyangshu village,Gangu county

综合上述地貌上的表现,该段断裂晚第四纪新活动明显,全新世活动的地貌依据充分,甚至存在地震地表破裂带,与该区曾发生过公元前47年陇西地震、143年甘谷西地震及1765年甘谷地震等一系列地震活动相吻合。

2断裂新活动的地质剖面证据

鉴定断层最新活动时代等问题最有说服力的应

图6　天水南毛集村断错地貌Fig.6　Faulted landforms in Maoji village,south of Tianshui

该是地质剖面和年代学证据。通过对断裂带沿线追踪调查和探槽开挖,揭示了断裂新活动的多个地质剖面,现将其典型剖面分析如下。

2.1武山堡子村探槽剖面

①:地表腐植土,富含植物根系,厚约10 cm;

②:黄土状土,颜色呈土灰色,较松散,层内植物根系比较发育,厚约30 cm;其底部释光年代为(0.66±0.08) ka B.P.;

③:土黄色黄土,物质成分跟层②大致相同,但质地较硬,层内夹杂少量砾石,砾径大约20 mm,层厚约30～35 cm;底部释光年代为(2.95±0.39) ka B.P.;

④:次生黄土,较硬,均一性较好,由于靠近下部阶地砾石层,略具近水平层理,厚约80 cm;其底部释光年代为(7.60±1.17) ka B.P.,顶部为(4.21±0.45) ka B.P.;

⑤:暗红色黏土层,质地坚硬,均一性好,可能为以前的河流阶地面,厚约20 cm;①～⑤层构成T2阶地上部细粒堆积;

⑥:T2阶地砂砾石层,层内上部砾石分选与磨圆度都比较好,砾径约30～50 mm,层内下部分选较差,出现胶结状态,砾石表层有很多黑色物质,且在底层连续;

图7　堡子村断层剖面图Fig.7　Cross section of the fault at Buzi village

⑦:断层破碎带,层内物质比较混杂,夹杂砾石、黄绿色黄土,发生明显挤压变形,裂隙发育,宽约150 cm;

⑧:灰褐色粉质黏土层,比较松散,层内有少量植物根系;

⑨:土黄色粉质黏土层,比较松散,厚约20 cm;

⑩:黄绿色黄土,质地坚硬,层内上部均一性好,下部少量砾石,磨圆度差。

探槽剖面上发育两条断层面,共同组成一条宽断层带。断层F1错断下部泥岩、层⑤、层④与层③,推测断层止于层②底部,在层④底部和顶部、层③底部和层②底部分别测得光释光样品年龄为(7.60±1.17) ka B.P.和(4.21±0.45) ka B.P.、(2.95±0.39) ka B.P.及(0.66±0.08) ka B.P.,断层至少在(4.21±0.45) ka B.P.以来发生过活动;而断层F2错动层⑩和层⑨,止于层⑧底部,而在层⑩发育的充填楔中有细的碳颗粒,测得其14C年龄为(4 050±30) a B.P.,应为断层发生活动、形成张裂缝后上部黄土充填而成,从而证明断层在全新世中期有过活动。

2.2甘谷县武家河乡探槽剖面

该探槽位于武家河西侧T4高台地上,为地表坡积土层,经清理后其断层剖面特征如下:

图8　甘谷县武家河乡探槽剖面图Fig.8　Profile of the trench at Wujiahe village,Gangu county

①:灰白色表层土,富含植物根系,厚约10 cm;

②:淡褐色土,富含植物根系,厚约15 cm;

③:松散土黄色土层,层内含大量0.1～1 cm粒径的硬土颗粒,厚约30 cm;

④:土灰色黄土状土,层内下部较上部硬度小,厚约30 cm;

⑤:灰白色粉质黄土,层内物质较均一,硬度与层④下部相当,层内发育少量孔洞(老鼠洞);

⑥:淡红色土层,为下部层⑦风化后的残坡积物,顶面凹凸不平,厚约15 cm;

⑦:砖红色泥岩,发生强烈揉皱,劈理发育,其中夹有粒度不等(0.5～20 cm)的灰白色粗砂岩透镜体,厚约100 cm;

在剖面上断层错动了层⑤与层④,并且层③底部有约10 cm的断层位错,推测断层止于层②底部。分别在层⑤顶部、层④底部、顶部及层③底部和层②底部取得14C样品,测年结果分别为(9 310±40) a B.P.、(4 650±30) a B.P.、(1 220±30) a B.P.和(710±30) a B.P.及(580±30) a B.P.,表明断层全新世晚期以来有过新的构造活动。

2.3天水南探槽剖面

该探槽位于天水市南面毛集村T2阶地上[位置见图6(a)],探槽中地层特征如下:

①:地表腐植土,富含植物根系,厚约10 cm;

②:土黄色黄土,较松散,富含14C颗粒,含少量植物根系,厚约0.7 m;

③:灰褐色黏土层,层内物质均一,硬度较软,厚约2 m;

④:红褐色黏土层,层内物质均一,硬度强于层③,厚约3 m,并在层中间夹有层⑤;

⑤:层内物质与层④相同,但夹杂黄绿色黏土与砂砾石,砂砾石砾径小,成层性较好。

在剖面上断层错动了层③和层④,断层止于层②顶部,并且在层②上有约20 cm的断层位错。在层②底部取得14C样品,测得其年龄为(1 210±30) a B.P.,表明断层在全新世晚期以来有过活动。

3主要结论与讨论

综合上述沿断裂发现的构造活动的地质、地貌新证据,我们对西秦岭北缘断裂武山—天水段的新活动特征归纳如下:

(1) 断裂沿线线性影像较清晰,断裂通过处地貌上主要表现形式为断层垭口、断层沟槽、断层陡坎、山脊与水系的同步左旋、阶地左旋位错及顺断层两侧分布的滑坡等。

(2) 根据野外地震地质调查,断层活动在武山堡子村探槽剖面揭露至少在(4.21±0.45) ka B.P.以来有过活动,在武家河乡剖面显示在(710±30) a B.P.以来有过活动,在天水南毛集村剖面显示在(1 210±30) a B.P.以来有过活动。结合断层在地貌上的表现,认为断裂武山—天水段最新活动时代应为全新世。

图9　天水南毛集村断层剖面Fig.9　Cross section of the fault at Maoji village

虽然此次调查发现了一些断层剖面与水系左旋位错量,但由于地处黄土覆盖和基岩山区、地层缺失和样品难以采集等因素,本次调查研究没有得出古地震期次、滑动速率等定量参数,下一步工作将集中于定量参数的获取。

致谢:本文的14C样品在美国Beta实验室,光释光样品在中科释光检测技术研究所实验室分析测试,在此表示衷心感谢。

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New Evidence for Holocene Tectonic Activities of the Wushan—Tianshui Segment in the Northern Margin Fault of the West Qinling

WU Zhao1, YUAN Dao-yang1,2, WANG Ai-guo1,2, ZHANG Bo1, SHAO Yan-xiu1, WANG Peng-tao1

(1.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China;2.LanzhouNationalGeophysicalObservatory,Lanzhou730000,Gansu,China)

Abstract：The western segment of Zhangxian along the Western Qinling active fault zone is a large left-lateral strike-slip active fault zone and a historical strong earthquake zone.Recent studies on this area have obtained the latest geological and geomorphological information.However,the latest age of tectonic activities among the segment of Wushan—Tianshui and Tianshui—Baoji is still unclear.In this paper,the Wushan—Tianshui segment is studied in detail using high-resolution satellite images,geomorphological analysis, trenching technology, and14C radiocarbon dating technology.Results suggest that tectonic activities since the late Quaternary are remarkable.Geomorphic expressions include fault-controlled valleys,sinistral offseted ridges and stream, and fault scarp.A consequence in more trenches and dated14C samples reveals that stratum from the Holocene have been raptured by the latest tectonic activities.Thus,this study provides new evidence for Holocene tectonic activities of the Wushan—Tianshui segment of Western Qinling fault.

Key words：northern margin fault of the West Qinling; the Holocene; left-lateral strike-slip; active fault

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0249

中图分类号:P546

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)02-0249-11

作者简介：吴赵(1990-)，男，硕士研究生，主要从事活动构造及其应用研究。E-mail:wuzhao0808@126.com。通信作者：袁道阳(1965-),男,博士,研究员,主要从事活动构造与历史地震研究。E-mail:daoyangy@163.com。

基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(XDB03020201),中国地震局星火计划项目(XH16036)

收稿日期:①2016-03-28