1556年华县地震地表破裂带同震垂直位移

马　冀　冯希杰　李高阳　李晓妮　张　艺

1)中国地震局地质研究所、活动构造与火山重点实验室、北京　100029　2)陕西省地震局、西安　710068



1556年华县地震地表破裂带同震垂直位移

马冀1，2)冯希杰2)李高阳2)李晓妮2)张艺2)

1)中国地震局地质研究所、活动构造与火山重点实验室、北京1000292)陕西省地震局、西安710068

同震位移量作为地震地表破裂带的要素之一、其大小不仅反映了地震的震级、而且也影响到对地震断层滑动速率和大震重现间隔长短的估计。1556年华县8级地震造成了83万多人的死亡和失踪、是鄂尔多斯周缘断陷活动带活跃期造成地震灾害伤亡最严重的1次地震、但长期以来缺少该次地震地表破裂带准确的同震位移量。文中通过对华山山前断裂李家坡剖面和渭南塬前断裂蔡郭村等剖面地貌学、钻探及探槽等古地震研究手段、首次较准确地获得了1556年华县大地震时华山山前断裂带华县李家坡6m同震垂直位移、渭南塬前断裂带赤水蔡郭村7m及瓜底村6m的同震垂直位移。这是由断层两盘同一地层位错量测得到的同震垂直位移量、与以往仅通过地表断层陡坎量测估算的同震位移有一定的差别。

1556年华县地震同震垂直位移华山山前断裂渭南塬前断裂

0　引言

图1　李家坡和蔡郭村、瓜底村剖面位置图Fig. 1　Location of Lijiapo、Caiguocun and Guadicun site.

1　由李家坡剖面获得的华山山前断裂同震位移量

李家坡剖面位于华县杏林镇李家坡村西的冰崖沟沟口(34°28.814′N、109°46.311′E)、由东西紧邻的3个SN向探槽组成(图2)、系村民借用洪积扇上的地形陡坎开挖的装料坑槽。李家坡剖面切割的地形陡坎为华山山前断裂的最新断层陡坎、在20世纪50年代拍摄的航片上表现清晰、它不仅切过了冰崖沟沟口洪积扇的后部、也错断了剖面西侧东沟沟口的洪积扇与东侧太平峪沟口的洪积扇(图2a)。在更大的范围、该断层陡坎沿华山山前连续延伸、错断了所有峪口的洪积扇及河流阶地。在20世纪80年代开展的研究中、剖面所在的冰崖沟沟口洪积扇上的陡坎高度测量结果为8.4m、太平峪左右两侧地形陡坎测量得到的高度分别为8～8.8m和8～10m(李永善等、1992；Kaizukaetal.、1992)。

图2　李家坡剖面与华山山前地形陡坎位置关系(a)与RTK测量的陡坎位置(b)Fig. 2　The Lijiapo site and the landscape of the scarps of Huashan front fault(a) and the measurement location of scarps by RTK(b).

本次采用差分GPS(RTK)对上述地区进行了再次测量、结果表明太平峪东侧的地形陡坎高度为7.7m、冰崖沟沟口西侧洪积扇上的地形陡坎高度为7.5m(图2b)。此外、我们在李家坡3个天然改建探槽中应用了地基LiDAR激光探测扫描(terrestrial lidar scans)技术、该技术能够直接还原获取地物表面的三维坐标数据(Goldetal.、2013)、图3 为去除植被点云干扰后的数字正射影像。该3个人工改建探槽穿过了地表陡坎、垂直断裂走向、南侧最深10～12m、槽壁可测得残留的地貌陡坎高度为7.2～7.6m、与本次在附近太平峪的测量结果一致。在此我们以2号探槽为例。槽西壁(图3)中明显有2条断层断错两侧地层、其中F1-1断层(走向80°、倾角65°、倾向NW)错断了剖面上部的粉质黏土层(编号①)和砾石层(编号②)、并将砾石层②中的砾石向下拖带于断带之中。若将断面向上延伸、则与该处的地形陡坎完全一致、说明该地形陡坎为F1-1断层错动所致、为标准的断层陡坎。剖面中的F1-2断层仅将剖面下部的粉质黏土层(编号③)和砾石层(编号④)错断、被砾石层②覆盖、反映了F1-2断层在砾石层②堆积以前发生过错断活动、在其堆积以后未再发生新的断错运动。我们在F1-1断面两侧的粉质黏土层采集了碳样、14C测年结果也证实被断层错断的2套粉质黏土为同一地层(6,390～6,370aBP 和7,160～6,940aBP)、其底界紧贴断面处的垂直错距为6m、比该处地貌陡坎结果略小。

2　渭南塬前断裂同震位移量

2.1蔡郭村剖面

图3　李家坡剖面3个探槽的正射影像(a)及2号探槽西壁图解(b)Fig. 3　The orthophotography of the trenches at Lijiapo site(a) and the interpretation for the west wall of the No.2 trench(b).

图4　渭南塬前断裂上的蔡郭村剖面Fig. 4　Distribution of Weinan plateau front fault and Caiguocun drilling profile.a 卫星影像中的渭南塬前断裂蔡郭村陡坎；b 蔡郭村地貌面和钻探位置示意图；c 蔡郭村钻探剖面图；d 地貌面测量剖面图

在渭南市临渭区与华县赤水镇交界的蔡郭村的赤水河小桥旁、以往工作中已找到过1556年华县地震的最新构造破裂剖面(原廷宏等、2010)。剖面上显示渭南塬前断裂已将赤水河河漫滩错断、我们在蔡郭村至少识别出3级河流阶地(T1、T2、T3)、更高级阶地由于风化改造作用已不易识别(图4)。其中2级河流阶地(T1、T2)跨断层形成的陡坎位错分别用差分GPS(RTK)测得为7.4m和13.1m(剖面E1—E1′、E2—E2′)。但由于断层上升盘为新近系、断层下降盘为全新世地层、两盘地层时代相差甚远、无法得到最新地层的垂直错距。近时、我们在赤水河左岸Ⅰ级阶地断错陡坎的南北两侧进行了钻探勘探(图4)、结果显示：断层陡坎南侧为基座阶地结构、表层为粉质黏土、厚7.8m；其下为粗砂—卵石、厚1.2m；再下为卵石和漂石、其层底埋深14.5m；基座为新近系灰白色砂砾岩(ZK1孔)。断层陡坎北侧近陡坎处也为基座阶地、揭露的阶地和基座的地层、岩性及厚度与断层陡坎南侧相同(ZK2孔)、据断坎南北两侧粉质黏土底界标高计算的F2-1断层垂直错距为7.05m、两侧卵石和漂石底界标高计算的垂直错距为7.85m、该处地形陡坎高度的测量结果为7.55m、3个数值较为接近。剖面北侧的ZK3孔和ZK4孔钻探结果还显示、钻探剖面中存在被断层先期错断的埋藏于Ⅰ级阶地之下的Ⅱ级和Ⅲ级阶地地层。从Ⅱ级阶地地层结构推测前一期F2-3断层活动的垂直错距≥8.8m、在量级上与1556年华县地震时的同震位移值较接近(图4)、说明本次事件很可能是1次特征地震。

2.2瓜底村剖面

沿渭南塬前断裂地表破裂带分布的瓜底村冲沟没有受到该地区易发生的黄土滑坡的影响、冲积物颗粒细小有利于记录沉积信息。因此我们在地貌陡坎近6.5m高的瓜底村剖面两侧布设钻探。钻探剖面(图5)中除去盖层杂填土、地层总体分为3套：上层为厚6m左右的黄褐色至褐黄色黄土状土；中层为粉砂质黏土、取2号钻孔中上层有机物含量较高的沉积物测得14C年龄为7,030～7,040a；底层是细砂、中砂、粗砂和粉质黏土不等厚混杂。根据钻孔信息、F3-1和F3-2构成了小型断裂带、断裂带错断了粉质黏土层、断距约6m。同样在较低的地层结构中我们也看到最底层砂层的顶部位错量近10m、虽然ZK4的深度没有穿透砂层、但是与南侧的3个钻孔底部地层对比来看、F3-2还是有影响的。瓜底村剖面位于蔡郭村剖面的西侧、无论地形地貌陡坎测量还是钻探结果、断距都略小于蔡郭村点、但是地貌陡坎和钻孔剖面还是具有相对一致性。而据我们野外追踪、在渭南塬前断裂最新活动地貌陡坎中、蔡郭村一带的地貌陡坎也是垂直错距最大的地方、与极震区对应的范围一致。因此、蔡郭村剖面7m的垂直同震位移是1556年华县地震渭南塬前断裂带地表破裂带中具有代表性的点。

图5　渭南塬前断裂瓜底村剖面钻孔剖面及地形剖面Fig. 5　The drill logs and topographic profile at Guadicun of Weinan plateau front fault.

3　与以往估算的1556年华县地震同震位移值比较

在以前的研究中、认为1556年华县地震时华山山前断裂和渭南塬前断裂的同震垂直错距为2～4m(李永善、1992；Kaizukaetal.、1992)、该量值与本次获得的6～7m同震位移值有一定的差别。分析其原因、以前的2～4m同震错距来自于华山山前和渭南塬前个别沟、峪的地形陡坎高度的量测结果、而在相距这些地点的不远处同一地形陡坎高度则急剧变为8～15m、说明这些2～4m高的局部地形陡坎未必是由1556年华县地震垂直错断造成的。如在赤水河蔡郭村一带、随着赤水河床的深切和人工石料场大面积的开挖、赤水河槽两壁及河岸两侧多处可直接观察到渭南塬前断裂、其所在位置和延伸方向与当时认为的2～4m高的断层陡坎均不一致。同样、在李家坡冰崖沟沟口、剖面上的华山山前断裂位置与当时测量得到的8.4m高的地形陡坎位置一致、但与当时认为的2.5m高的地形陡坎位置却不同。另外、经过400余a间河流洪水的冲刷和改造、一些峪口漫滩上高2～4m的地形陡坎为残留冲沟陡坎、在地震当时的高度可能要比2～4m高、因此在这些地点测量得到的2～4m高度值也未必可代表当时真实的错距。对于2～4m高的地形陡坎与8～15m高的地形陡坎共存的那些地方、仅把2～4m高的地形陡坎看作是1556年华县地震垂直错断陡坎、而把8～15m高的地形陡坎视为前期地震所造成的在认识上可能不够全面。事实上、在以前认识的陡坎中、有的处于现代河流的漫滩上、其两侧时代更早的地形面却没有该级陡坎的显示(如翁峪口)、但这里更高一级地形陡坎的测量结果与本次获得的错距在数量级上却比较接近、说明高2～4m的陡坎为断层坎的可能性低、在复杂冲沟地貌中识别断层陡坎需要有钻探、探槽等辅助探测手段进一步论证。另外、渭南塬前断裂南侧的渭南黄土台塬下伏新近纪河湖相堆积、上覆厚110多m的风成黄土(岳乐平等、1996)。黄土本身属于易滑地层、加上地震时的晃动、塬前黄土滑坡较多、许多地震破裂带都被滑坡掩盖、随后又遭受风化侵蚀以及人类活动干扰、很容易将滑坡前缘陡坎误认为是地震陡坎。

4　结论

通过对华山山前断裂李家坡剖面的清理和渭南塬前断裂蔡郭村、瓜底村剖面的钻探勘探、获得了华山山前断裂和渭南塬前断裂在1556年华县特大地震时的垂直同震位移。其中、同震垂直位移在华山山前断裂带华县李家坡为6m、渭南塬前断裂带的赤水蔡郭村为7m、瓜底村为6m。

对比由断层两盘同一地层位错新得到的同震位移和以往根据地貌陡坎量测估算的同震位移值、新得到的同震位移值大于以前研究中认为的1556年华县地震的同震垂直位移、断层出露位置也与以前研究中的同震陡坎不一致。相反、新得到的同震位移值比较接近以前认为的比1556年华县地震早1期的断层陡坎高度、观察到的断层位置也与以前认为的较早1期的地形陡坎重合。地层位错反映的同震位移值与地貌陡坎测量获得的位移值的差别说明正断型地貌陡坎易遭受自然或人为改造而无法得到理想的真实垂直位移量。

关于1556年华县地震时、华山山前断裂和渭南塬前断裂更多地点同震位移值的测量、华山山前断裂东端和渭南塬前断裂西段地表破裂带延伸情况的调查还在进一步研究中。

致谢野外工作中得到了渭南市地震局和华县地震办领导的大力支持；本文写作过程中得到了张培震院士的大力帮助、他提出了很好的修改意见、在此表示由衷的感谢；同时也感谢评审专家的批评与建议。

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Abstract

Coseismic displacement plays a role in earthquake surface rupture、which not only reflects the magnitude scale but also has effect on estimates of fault slip rate and earthquake recurrence intervals. A great historical earthquake occurred in Huaxian County on the 23rdJanuary 1556、however、there was lack of surface rupture records and precise coseismic vertical displacements. It’s known that the 1556 Huaxian earthquake was caused by Huashan front fault and Weinan plateau front fault、which are large normal faults in the east part of the southern boundary faults in Weihe Basin controlling the development of the basin in Quaternary. Here、we made a study on three drilling sites in order to unveil the coseismic vertical displacements.

It is for the first time to get the accurate coseismic vertical displacements、which is 6m at Lijiapo site of Huashan front fault、7m at Caiguocun site、and 6m at Guadicun site of Weinan plateau front fault. These coseismic displacements measured based on same layers of drilling profiles both at footwall and hanging wall are different from the results measured by former geomorphological fault scarps. It’s estimated that some scarps are related with the nature reformation and the human beings’ activities、for example, fluviation or terracing field、instead of earthquake acticity、which leads to some misjudgment on earthquake displacements. Moreover、the vertical displacements from the measurement of geomorphological scarps alone do not always agree with the virtual ones. Hence、we assume that the inconsistency between the results from drilling profiles and geomorphological scarps in this case demonstrates that the fault scarp surface may have been demolished and rebuilt by erosion or human activities.

THE COSEISMIC VERTICAL DISPLACEMENTS OF SURFACE RUPTURE ZONE OF THE 1556 HUAXIAN EARTHQUAKE

MA Ji1,2)FENG Xi-jie2)LI Gao-yang2)LI Xiao-ni2)ZHANG Yi2)

1)StateKeyLaboratoryofActiveTectonicsandVolcano、InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration、Beijing100029、China2)EarthquakeAdministrationofShaanxiProvince、Xi’an710068、China

1556 Huaxian earthquake、coseismic vertical displacement、Huashan front fault、Weinan plateau front fault

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.002

2013-05-10收稿、2016-02-29改回。

国家自然科学基金青年科学基金(41502205)资助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0022-09

马冀、女、1984年生、中国地震局地质研究所在读博士研究生、工程师、主要从事活动构造与新构造研究、电话：029-88465334、E-mail: jima.geo@gmail.com。