昌马断裂带古地震活动特征的新认识①

罗　浩,何文贵,袁道阳,邵延秀,,王庆民

(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.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;3.兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000; 4.山东省地震局,山东 济南 250014)



昌马断裂带古地震活动特征的新认识①

罗浩1,何文贵2,3,袁道阳2,3,邵延秀1,2,3,王庆民4

(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.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;3.兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000; 4.山东省地震局,山东 济南 250014)

昌马断裂位于祁连山西段,是祁连山系列次级断裂与阿尔金断裂东段的重要构造转换断层之一,于1932年发生7.6级地震。位于昌马断裂中东段的臭水柳沟古地震探槽揭示了2次地震事件:一次为1932年昌马地震事件,另一次为(902±44)a B.P.以来发生的事件,这弥补了昌马断裂全新世晚期古地震事件缺失的现状。结合前人的研究结果可确定昌马断裂全新世至少发生7次古地震事件,推测地震复发间隔为1 ka左右,部分事件未能揭示。通过探槽揭示的低角度断层、地层变形和部分断裂的地貌特征可知,受阿尔金断裂NEE向挤出的影响,昌马断裂部分段落表现出低角度的逆冲推覆活动,形成其特有的低角度走滑现象,以吸收阿尔金断裂东段的左旋位移。这也说明昌马断裂在承担阿尔金断裂与祁连山西段系列断层的构造转换中起着重要作用。

古地震事件; 地震复发间隔; 低角度逆断层; 昌马断裂

0　引言

F1:阿尔金断裂;F2:旱峡—大黄沟断裂;F3:昌马断裂;F4:大雪山北山断裂;F5:鹰嘴山南缘断裂;F6:野马河—大雪山北缘断裂;F7:野马河南侧断裂;F8:肃北西南逆冲断裂;F9:党河南山逆冲断裂;F10:后塘断裂图1　研究区构造简图Fig.1　Tectonic map of the study area

1932年沿昌马断裂带发生的M7.6地震,引起了长约120 km的地表破裂[7-8]。破裂带主要由一系列地裂缝、张裂隙、压性鼓包、逆断层陡坎和水系与山脊断错等变形组成[9]。地震引起最大同震位移水平向为5.5 m,垂直向为1.9 m[9],并触发大量的山体滑坡等次生灾害[10]。前人曾针对昌马断裂开展过一些古地震研究工作。康来迅[11]认为昌马断裂晚更新世以来主要发生4期活动,除1932年地震,最近一次地震事件活动时间为(3 690 ±110)a以来,地震的平均复发周期在6 000 a左右。国家地震局兰州地震研究所[9]至少开挖了9个探槽,揭示倒数第二次地震事件也在3 000多年前,这显示了昌马断裂的长复发周期。

然而,前人的探槽多开挖在较老阶地或洪积扇上,由于缺少新沉积物,未能揭露断层的最新活动事件。本文选择在冲沟的低级阶地开挖探槽,补充了断层的全新世晚期倒数第二次活动事件,并整理前人的研究结果进行分析,揭示了相对可靠的地震活动周期。

1　地质背景

昌马断裂带位于祁连山西段、山脉的北部,沿昌马—西水峡盆地南缘展布,由4条次级断裂组成[图1(b)],总体走向NWW,各分段方向呈反S型延伸。昌马断裂形成于古生代加里东期,晚第三纪末断裂再一次强烈活动[8]。昌马断裂南侧山脉主要由前震旦纪云母片岩、石英岩、结晶灰岩和寒武纪变质砂岩、千枚岩、板岩等组成;北侧的山脉由奥陶纪火山岩、火山碎屑岩、厚层灰岩组成。昌马—西水峡盆地内部主要沉积第四纪沉积物[12]。断裂西侧的昌马盆地,寒武、奥陶系冲覆于第四级地层之上,仅第四系断距就达560 m[7]。

昌马断裂曾多次强烈活动,断错一系列不同时代的山脊及规模大小不等的冲沟。前人将断裂分为四段,晚更新世以来断裂的左旋滑动速率具有由西向东增加的趋势。位于西段的碱泉子附近左旋滑动速率为(1.32±0.35)mm/a左右[13],而东段红沟地区的滑动速率达到(5.5±2.2)mm/a[7]。断裂水平缩短速率由西向东具有减小的趋势,在碱泉子为(0.70±0.20)mm/a,而在东段的大泉口处断层则表现为张性的特征[13]。

2　新古地震事件的限定

昌马断裂中东段的臭水柳沟地区具有较高的左旋滑动速率,可达(3.68±0.41)mm/a[14]。洪积扇由北向南平缓下降,在洪积扇中部,由于断层活动形成明显的反向陡坎(图2)。冲沟主要发育4级阶地,一级阶地的陡坎高度为2.5 m左右,二级阶地为4 m 左右[图3(b)]。探槽开挖在洪积扇东端,冲沟的一级阶地上(图2),断层陡坎前缘为1932年7.6级地震破裂带[图3(a)]。探槽垂直于陡坎开挖,尺寸为16 m(长)×2 m(宽)×2～3 m(深)。

图2　臭水柳沟阶地地貌解译Fig.2　Geomorphic interpretation of Choushuiliugou terrace

图3　臭水柳沟地貌特征Fig.3　Geomorphic features of Choushuiliugou area

臭水柳沟探槽东剖面断层的上盘主要揭示4组地层(图4):

U1砂砾层:灰黄色,层理不明显,夹有少量的大块砾石,直径一般不大于10 cm。在上盘近断层处,砾石定向排列,向下弯曲,形成逆断层变形引起的拖曳褶皱;

U2黄土层:灰黄色,探槽南侧中夹有砂砾层透镜体,土黄色,砾石直径多在2 cm以下,少见大砾石;

U3砂砾层:青灰色,砾石最大直径可达10 cm,磨圆好,长轴方向水平。在断层上盘该层厚达20 cm,由于断层的活动在F2的上盘形成拖曳褶皱,在F1的下盘该层厚度在10 cm左右;

U4地表土:灰黄色,夹有草根、腐蚀质。厚度不均匀,在变形处较薄,厚约20 cm。在F2的上盘,变形尾端厚度近50 cm,在F1的下盘,该层厚度也可达50 cm。

探槽揭示2条断层,在探槽上部分为F1、F2,在探槽底部汇合成一条断层,断层走向320°,倾角20°,倾向SW。断层上盘地层整体向NE方向倾斜,这与区域地形特征相反。

图4　臭水柳沟探槽东壁剖面简要素描图Fig.4　East section sketch of the Choushuiliugou trench

地震事件分析:

事件1:F1断错了U1～U3层,U1层断错的斜距为115 cm,其与U3层顶部的斜距相近,并在F1下盘形成有崩积楔,因此认为其为一次事件。

事件2:F2断错U1～U4层,为1932年昌马地震。由于后期的上盘剥蚀U4层变薄,下盘断塞塘持续接收沉积,U4层明显厚于上盘。断层F2破裂到地表,1932年昌马7.6级地震引起U3层断错斜距40 cm。U3层两次事件的累积斜距明显大于U1层,趋向于断层的走滑相应引起。

为确定古地震发生的年代,在探槽下盘b层底部采集1个14C样品CSLG-C14-1,为U2层断错前的年代。该样品结果为(902±44)a B.P.。因此事件1的活动时间在(902±44)a B.P.之后,并接近该时间点。

4　讨论

4.1古地震复发间隔

结合前人的研究资料,利用逐次限定法重新分析了昌马断裂的古地震活动特征[14]。国家地震局兰州地震研究所[9]开挖的探槽共揭示了8次古地震事件(图5)。各事件活动时间分别为:事件Ⅰ(20 790±1 440)a B.P.、事件Ⅱ(18 800±1 800)a B.P.、事件Ⅲ(12 995±420)a B.P.、事件Ⅳ(9 450±160)a B.P.、事件Ⅴ(8 590±230)a B.P.、事件Ⅵ(6 670±80)a B.P.、事件Ⅶ(5 270±260)a B.P.及事件Ⅷ约(3 270±95)a B.P.。本文将臭水柳沟探槽揭示的事件命名为Ⅸ事件,活动时间约为(902±44)a B.P.以来,1932年昌马地震则认为是第Ⅹ次事件。由此可见全新世以来断裂共发生7次事件,间隔分别约为:900 a、1 900 a、1 400 a、2 000 a、2 200 a及900 a。

该点断裂的左旋滑动速率为(3.68±0.41)mm/a[13],1932年地震的最大同震水平位移为4 m[9],因此可估计昌马断裂的强震复发间隔为1 000 a左右,这与部分古地震事件间隔一致。假设昌马断裂的大震复发模式符合特征地震模型,那么具有长复发间隔的两次相邻古地震之间可能存在1次未知地震事件,例如第Ⅷ和Ⅸ事件之间。由此可推测全新世以来昌马断裂可能发生了10次地震事件,这些事件的复发间隔在1 ka左右。

图5　昌马断裂古地震事件年代分布图Fig.5　Distribution map of paleoearthquakes along the Changma Fault

4.2低角度走滑断层

走滑断层剖面上多显示为高倾角断层,主要表现为花状构造样式。青藏高原大型走滑断层的多条探槽揭示了类似的构造性质,如阿尔金断裂[15-17]、东昆仑断裂[18]及鲜水河断裂[19]。大型走滑断层甚至由下往上表现为多组花状构造的叠加[20]。青藏高原周边的中小型压扭性走滑断层其倾角多大于60°[21-24],然而臭水柳沟探槽揭示昌马断裂在该点主要表现为低角度的逆冲断层。这并非个例,位于断裂西段和中西段的碱泉子探槽和捷达板沟探槽揭示断层的倾角分别为40°和30°[9],明显有别于东段的高角度左旋走滑断层的活动特征[25]。

臭水柳沟探槽揭示断层上盘地层倾向与正常地层形成倾向相反,说明其受到断层的推覆作用发生倾斜,近断层处地层表现为断层的拖曳变形,远离断层更可能表现为平缓的褶皱变形。在西段碱泉子地区也有类似的现象,部分断层表现为平缓的陡坎,影响范围超过100 m,推测为断层在厚层洪积扇中形成断弯褶皱所致[13]。臭水柳沟一级阶地陡坎的高度为(2.5±0.1)m左右(图6),同级阶地的左旋走滑位移为(16±1)m。水平缩短与走滑比值约为1∶5,碱泉子附近该比值为1∶2,说明从地表变形看断裂的中东段-西段表现出低角度左旋走滑断层的特征。我们推测形成这种地表变形的原因有2个:一是昌马断裂整体表现为低角度走滑断层,断层上盘沿倾角为20°～45°的断面发生水平滑动引起上盘地层的强烈变形,且这种现象十分少见;其次是受阿尔金断裂活动的影响,该区域发生NEE或EW向挤出,由于部分段落与区域应力夹角不同,尽管仍以左旋走滑为主,但局部水平缩短分量明显增大,表现出低角度推覆作用。我们更趋向于第二种推测。假如推测成立,说明昌马断裂晚更新世以来水平缩短作用明显,吸收大量的阿尔金断裂东段左旋位移,在阿尔金断裂与祁连山西段构造转换作用中承担越来越重要的作用。

图6　臭水柳沟断层陡坎剖面Fig.6　Scarp profile of the fault in Choushuiliugou area

5　结论

(1)臭水柳沟探槽揭示2次地震事件,活动时间分别为(902±44)a B.P.之后,及1932年昌马7.6级地震。

(2)通过对前人开挖探槽揭示的古地震事件和样品年代的重新整理分析,认为昌马断裂至少发生了10次古地震事件,其中至少有7次发生在全新世。基于特征地震模型推测昌马断裂的强震复发间隔可能为1 ka左右,部分古地震事件现有探槽未能揭示。

(3)昌马断裂部分段落表现为低角度的逆冲断层,形成其特有的低角度走滑现象。以此形式断裂吸收了阿尔金断裂东段部分左旋走滑位移,在阿尔金断裂与祁连山西段一系列次级断层的构造转换中起重要的作用。

致谢:文中涉及到的14C年代学样品由兰州大学西部环境教育部重点实验室测试,在此致谢。

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New Insight on Paleoearthquake Activity along Changma Fault Zone

LUO Hao1,HE Wen-gui2,3,YUAN Dao-yang2,3,SHAO Yan-xiu1,2,3,WANG Qing-min4

(1.Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano,Institute of Geology,CEA,Beijng 100029,China;2.Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,Gansu,China;3.Lanzhou National Observatory of Geophysics,Lanzhou 73000,Gansu,China;4.Earthquake Administration of Shandong Province,Jinan 250014,Shandong,China)

The Changma fault consists of four sub-faults,and is an important transform fault located between the Altyn Tagh fault and the western segment of the Qilian Mountains.In 1932,a M7.6 earthquake occurred in the fault,forming a rupture with a length of approximately 120 km that is composed of a series of fissures,fault scarps,offset terraces,and gullies.The maximum horizontal and vertical coseismic displacement was up to 5.5 m and 1.9 m,respectively.A trench excavated at Choushuiliugou in the middle-eastern segment of the Changma fault shows evidence of two paleoearthquakes:one is the Changma earthquake (1932)and the other earthquake occurred after 902 ± 44 a B.P..Combined with the results of previous studies,it was determined that seven paleoearthquakes have occurred in the Holocene. Base on characteristic earthquake model,we speculate an earthquake recurrence interval of approximately 1 ka,and part of paleoearthquake events are not revealed by the trench.The trench also shows that the dip direction of the layer on the hanging wall is opposite to that of the down wall and low-angle fault.Based on a survey of dislocation landforms,the ratio of horizontal shortening and left strike slip was found to be 1∶5.Eastern extrusion occurred in relation to the influence of Altyn Tagh fault activities in the study area.The change in fault trend has resulted in regional stress and differing angles between some of the fault segments,particularly the tip of sub-faults.Active fault characteristics are shown predominantly as sinistral strike-slip,but there is an evident increase in the component of horizontal shortening,which forms nappe activities on the hanging wall.It also forms a specific low-angle strike-slip phenomenon,which illustrates that the Changma fault has prominently presented crustal shortening since the late Pleistocene,in addition to absorbing much of the sinistral displacement of the Altyn Tagh fault,and playing a significant role in the tectonic transition between the Altyn Tagh fault and a series of faults in the western segment of the Qilian mountains.

paleoearthquake; earthquake recurrence interval; low-angle thrust fault; Changma fault

2015-07-30

中国地震活断层探察-南北地震带北段项目(20140802306);国家自然基金项目(40872132)

罗浩,男,博士后,主要从事地震地质与地质灾害方面的工作。E-mail:hy-luo@163.com。

P546

A

1000-0844(2016)04-0632-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0632