韩城断裂北东段晚更新世以来最新活动研究

扈桂让 李自红 闫小兵赵晋泉 郭瑾 曾金艳

1）山西省地震局，太原市旧晋祠路二段69号 030021

2）太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原市晋源区太原基准地震台 030025

3）山西省地质环境监测中心，太原 030024

0 引言

韩城断裂是汾渭断陷带临汾盆地WS边界的一条控制性断裂，断裂整体走向呈NE向，总长约120km。前人从古地震遗迹、地表破裂、几何形态、磁组构等方面对该断裂进行了不同程度的研究（曹家欣，1964；闫凤忠等，1987；张安良等，1987；申屠炳明等，1990；杨梅忠等，1994；李自红等，2015），而对于该断裂运用探槽、测年等手段进行古地震方面的研究未见涉及。经过对该断裂的野外调查，可见高大的断层陡崖、断层三角面等，在盘河以北一带（即断裂的NE段）表现得最为明显，该段晚第四纪以来仍有强烈的活动。前人多认为该断裂尤其是断裂的NE段为全新世活动断裂，但其最新活动时代尚未有切实的测年数据支持。本文在1∶5万活动断裂地质地貌填图的基础上，对韩城断裂NE段的古地震进行了研究，并通过测年技术进行了活动时代的限定，以期获取其晚更新世以来的最新活动数据。

1 研究区地质背景

韩城断裂位于临汾盆地侯马凹陷的西缘，北部与罗云山山前断裂相接，向WS延伸止于峨嵋台地南缘断裂。断裂总体走向呈NE向，倾向SE，总长约120km（图1）。该断裂在不同地质时期表现出不同的活动性质。中生代的燕山运动使山西台隆的盖层普遍发生褶皱，形成了该时期的韩城逆断层；新生代的剧烈构造运动导致区域应力场发生转变，韩城断裂转变为正断性质，并在下降盘形成了厚厚的新生代沉积。新生代以来断裂呈持续张性活动，并控制着沿线地貌的发育及晚新生代地层的分布、沉积厚度等。

图1 韩城断裂NE段展布及探槽分布

2 断裂地质地貌表现

据最新的野外调查研究结果将该断裂分为3段：NE段（西磑口-盘河段）、中段（盘河-行家堡段）、SW段（行家堡-义井段），其中NE段断裂的活动性最强，断裂形成的盆山地貌也最为显著。

该段上升盘与下降盘的地形高差达到300～450m，在卫星影像及DEM影像上均表现出较好的线性特征。野外调查中可见高大的断层崖、断层三角面及断层陡坎发育。禹门口以东河津境内，断裂构成山前洪积台地与冲洪积平原分界，杜家沟以北一带发育2级洪积台地，高级台地侵蚀破坏严重，低级台地地貌面保存较为完好，断裂从台地前缘通过。运用RTK高精度测绘仪器对该处前缘陡坎进行了实地测量，测得高差约30m。

该段上升盘为基岩分布，岩性主要为花岗片麻岩、灰岩、砂岩、页岩等；下降盘表层发育全新世、晚更新世时期洪积扇，洪积扇地层岩性成分主要为亚砂土、砂砾石层，且呈交错分布，标志层明显；此外地貌上可见断裂在洪积扇体上多处形成断层陡坎。该段是进行古地震研究开挖探槽的有利地段。

3 探槽剖面研究

本文在1∶5万活动断裂地质地貌填图的基础上，在该段进行了多个探槽开挖与剖面清理，并对标志性地层进行了取样测年，探槽及剖面位置见图1。这些探槽多位于禹门口以东地段，禹门口以西地段因人类活动致使地形原貌破坏严重，故只在上峪口一带进行了开挖。

3.1 上寨探槽

上寨探槽（35°43′14.52″N，110°42′22.68″E）位于山前洪积扇前缘（图 2（a）），地表呈 10°坡降，该剖面为由发育于扇体的冲沟壁清理而成，剖面位于冲沟的NE侧，长23m，高7m，走向152°。共揭示9层地层，均为山前洪积相。

图2 上寨村探槽卫星图片、照片及剖面

上寨探槽地层描述：

①砂砾石、碎石层堆积，上部砾径较粗，约40cm，下部砾径较细，3～8cm，磨圆均不好。

②灰黄色砂质粉土，含较多的砂粒及小块砾石。

③砂砾石层，排列密实，砾径大的约为10cm左右，磨圆不好。

④灰黄色砂质黏土，固结，夹含砂粒较多，含密集小块碎石条带。

⑤红棕色黏土，夹含砂粒。

⑥砂质黏土，内含碎石小块及砾石透镜体，磨圆不好。

⑦砂质黏土夹红色中粗砂层条带，砂层中成分多为红色花岗岩，上层覆红色中粗砂粒层，黏土中含小砂粒。

⑧灰黄色砂质粉土，夹小碎石、小砾石、粗砂密集分布条带，磨圆不好。

⑨棕黄色粘质粉土，底部局部夹含大块砾石。

该探槽剖面揭示地层主要为粉土、砂砾石、碎石层呈交互分布。上部砂砾石层呈带状分布，可作为很好的断层错断的标志层。该剖面共计发现5条断层，F1～F4均未错断最上部地层⑨，断错下部砾石层条带30～50cm不等。F5可能错断最上部地层⑨。在该剖面上部地层进行光释光取样测年，得其年龄约为80.00ka BP，为晚更新世早期地层。因此除F5以外，其它几条断层所代表的事件均较老。

另外，谢新生等（2017）在进行罗云山山前断裂填图时在上寨附近进行了探槽开挖，位置如图2（a）所示，其探槽位置更偏于山前洪积台地前缘，剖面显示了更新的3次地震事件，最新的一次为（14.95±1.27）～（18.01±1.35）ka BP。

3.2 王家岭探槽与水渠剖面

断裂从王家岭煤矿以北洪积台地与冲洪积平原交界一带通过，该处断裂形成的地貌特征较为明显，野外可见洪积台地的前缘陡坎呈断续展布（图3（a））。本文在此处分别开挖了探槽并清理了大型剖面，其相对位置如图3（b）所示。

图3 王家岭探槽及水渠剖面卫星图片、位置及剖面

王家岭探槽跨台地前缘陡坎布设，陡坎高差1～2m。探槽共长45m，宽1.5m，深6m，走向呈SN向，探槽地层剖面如图3（c）所示。该探槽揭示地层为6层，成分主要为粉土夹砾石层，砾石块磨圆不好，最上部为黑垆土，下部为粉土。该探槽现象集中于北部，南部揭示地层连续，无断错现象，因此进行探槽的地层描述、绘图及分析等只针对于探槽北部。具体的地层描述如下：

①黑垆土，夹杂砾石块、砂等，其中含植物根系。

②灰黄色砂质黏土，夹含小砾石。

③黏土，夹中砂层、细砾石层。

④灰黄色砂质粉土，局部含黏土透镜体，含根系、贝壳。

⑤砾石层，成分为花岗片麻岩风化产物，砾径5～10cm，棱角分明，磨圆不好，靠近断层处，砾径变细。

⑥灰黄色砂质黏土，夹大的砾石块，砾径20～30cm，磨圆不好。

该探槽揭示2次事件。断层F1所代表的事件E1为最新一次活动，错断最上部黑垆土层①，断距约为1.1m。断层F2代表的事件E2错断层⑤，被层③覆盖，错断层⑤0.2m。

该探槽共获得光释光测年结果2个（表1）。但是最上部地层年龄过于新，不足1000年，历史资料上该地区并未有这个时代的地震记载，年龄结果不甚可靠，因此事件E1发生的时代并不清楚；层④样品WJLT-1-3测年12.43±1.00ka BP，综合考虑该位置的地貌部位及该地区沉积物的沉积速率，我们认为其较为可靠，因此事件 E2应发生于 12.43±1.00ka BP以来。而在王家岭探槽NE沿断层方向20m处，发育时代较新的小型冲沟，冲沟壁见探槽揭露的最新地层黑垆土以后堆积的砾石层，该套地层中砾石层水平排布，未见错断。在该套地层中取样WJLTC，位置见图3（b），光释光测年得其年龄为 6.0±0.6ka BP，说明该处断层 6.0±0.6ka BP以来未活动。

表1 王家岭探槽及水渠剖面样品年龄测试结果

王家岭水渠剖面（35°42′32.40″N，110°41′10.32″E）与王家岭探槽相隔约 50m（图 3（b）），在该处对水渠壁进行了开挖清理，开挖清理面长29m，高5.5m，剖面走向37°。该水渠剖面共揭示了8套地层（图3（d））。上部主要为红色中细砂，下部为粉土，中间一层黑垆土与王家岭探槽中上部黑垆土对应。王家岭水渠剖面地层描述如下：

①灰色、红色中细砂，夹含砾石，砾石分布不均。

②红色中粗砂，主要成分为花岗片麻岩，夹含砾石，砾径为5～10cm，底部见清晰水平层理。

③灰黑色粘质粉土，夹含小块砾石。

④红色中粗砂与砾石块混杂堆积，底部砾石块较大，砾石分选不好，磨圆不好。

⑤灰色粉质黏土夹含砾石块，砾径5cm左右。

⑥砂质粉土，硬实。

⑦砂砾石层，砾径5～10cm左右，砾石呈次圆状，主要成分为灰岩。

⑧棕黄色砂质黏土，夹砾石块，成分为灰岩，砾径5cm或更小。

在该剖面共发现3条断层。事件E1代表断层 F3断错层⑧，断距1.2m，为最新一次事件；事件E2代表断层F1、F2断错层③黑垆土，为层②覆盖，F1、F2断距均约为1.2m。该剖面共进行4个光释光年龄样测试，结果见表1。层③内黑垆土及以上的几个样品年龄为距今几百年至数万年，并出现年龄倒置现象，我们认为这种结果与这个地貌部位的沉积物沉积速率是不相称的。多位研究者（徐伟等，2011；许建红等，2011；郭慧等，2012）认为该套黑垆土在临汾盆地广泛分布，其形成时代约为8ka BP，因此判断该剖面断错的层③黑垆土及以上地层为全新世地层，F1～F3的最新活动时代应为全新世。

3.3 邵家岭探槽

邵家岭探槽（35°42′11.52″N，110°40′39.00″E）位于洪积台地前缘，前缘陡坎明显，呈线性延伸，探槽位置如图4（a）、4（b）所示。在该探槽附近进行了陡坎地貌测量，其高差＞20m（图4（c））。该探槽总长27m，最高6m。剖面揭露9套地层，最上部地层主要为砂质黏土、粉土等，中部为具水平层理的中粗砂及砾石层，下部出露红色花岗片麻岩。邵家岭探槽地层描述如下：

①砂质黏土夹含碎石块，碎石块粒度较小。

②砂砾石层，水平层理明显，砾径较小。

③粉质黏土夹较大的碎石块，块径10～30cm不等，风化程度较重，排列无序，磨圆不好。

④灰黄色砂质黏土夹小碎石块，胶结，硬实。

⑤砾石、中砂混杂堆积，上部砂层成层性好，砾石砾径3～10cm。

⑥崩积楔，下部碎石块分布，上部主要分布砂层，成层性不好。

⑦砂质黏土，夹杂中砂粒及小的砾石块。

⑧花岗片麻岩。

⑨粉土、亚砂土，含植物根系。

探槽共揭示6条断层，其中F1为前第四纪断裂，发育于花岗片麻岩中。F2断错层②、③，断错层②1.5m；F3断错层②为层③覆盖，断错层②3m，并在坎前形成崩积楔；F4断错层②，为层④覆盖，断错层②1.5m，并在坎前形成崩积楔；F5断错层⑦、⑨至顶，断错层⑦2m；F6断错层⑨。

在探槽多套地层中进行了取样和光释光测年，结果见表2。样品所处的地貌部位为洪积台地前缘，台地最上部的粉质黏土层③及下部具水平层理并被多次错断的砂砾石层②时代较老，年龄大概为8～9万年，为晚更新世早期地层。最新的断层发育于台地前缘的粉土层⑦和层⑨中，该地层时代约为距今3～4万年，为晚更新世晚期地层。需要说明的是，层③年龄样 SJL-5-1（95.17±9.08ka BP）与层②年龄样 SJL-4-1（84.67±8.68ka BP）出现了倒置现象，但是年龄结果也证明这2套地层年龄为8～9万年。

图4 邵家岭探槽卫星图片、照片及剖面

结合样品时代对该探槽事件进行分析后发现：断层F2所代表的事件E1发生于 95.17±9.08ka BP以来；断层F3所代表的事件 E2发生于距今8～9万年；断层 F4所代表的事件 E3发生于 84.67±8.68ka BP以来；F5、F6代表的事件E4发生于 39.20±3.26ka BP以来，也是该探槽揭示的最新事件。

表2 邵家岭探槽样品年龄测试结果

3.4 上峪口探槽

上峪口一带洪积地层发育，在该处洪积扇前缘坎开挖 1号探槽（35°37′57.50″N，110°33′37.83″E），探槽长 15m，宽 1.5m，深 4m。共揭示 4套地层，上部为水平层理砾石层，排列密实，下部为砂质粉土，未见断错。继而后撤，在扇体形成冲沟壁处开挖 2号探槽（35°37′59.52″N，110°33′38.16″E）。二者相对位置见图 5（a）、5（b）。

图5 上峪口探槽卫星图片、照片及剖面

2号探槽长22m，最高约8m。揭示典型洪积地层，共见13套地层。下部多为砾石层，分选磨圆均不好，探槽底部左侧见砾石层呈水平层理密集排布，上部见粉土呈条带分布。

上峪口1号探槽地层描述如下：

①密集砾石层，水平层理明显，磨圆不好，砾径多为5～10cm，个别20cm左右，成分为灰岩。

②褐红色砂质黏土，夹含小砾石、砂。

③褐黄色砂质粉土。

④砂砾石层，排列紧密，水平层理。

上峪口2号探槽地层描述：

①砂砾石层，磨圆不好。

②褐红色黏土层，夹砾石块，底部分布砂砾石层。

③粗砂-小砾石层，灰白色，砾径较小。

④黏土砾石层，砾径10～20cm，分选不好，磨圆不好。

⑤砂砾石层，分选不均，砾径5～30cm，普遍较大。

⑥崩积楔，砾径30～40cm。

⑦砂砾石层，砾石分布杂乱，砾径多为5cm左右以下。

⑧褐黄色黏土层。

⑨褐黄色黏土层，夹粗砂-小砾石，粒径2cm左右。

⑩多为小砾石、粗中砂，排列紧密，中间夹25cm厚左右砾石层。具水平层理，局部见大块，砾径 20～30cm。

⑪砂质粉土，灰白色。

⑫灰黑色黏土层，中间夹杂小砾石。

⑬砂砾石层夹黏土，砾径多为20～30cm，较周围层大。

在该探槽上取样 2个，层⑫样品 SYKXN-1光释光测年为 5.78±0.48 ka BP，层②样品SYKTC-1光释光测年为 12.4±1.3 ka BP，形成于全新世中早期。

探槽揭示出2条断层，事件E1代表断层 F1断错层②，断距0.8m；事件 E2代表断层 F2断错层①、②、④，断错层④0.7m。事件E2为最新一次事件，发生于 12.4±1.3 ka BP以来。

4 讨论与结论

韩城断裂NE段盆山对比强烈，是该断裂活动性最强的段落。本文选择4个地点进行了探槽开挖，均揭示了多次断错事件。其中上寨探槽断错至地表缺失上部覆盖层，其所能揭示的最新事件在80ka BP以后，谢新生等（2017）在该处开挖的探槽证明最新期次事件为14～18ka BP，其结果代表的最新事件更为可靠。邵家岭探槽揭示了4次古地震事件，最新期次事件为40ka BP以来，同样断错地表缺失上部覆盖层。上峪口探槽断错的最新地层年龄为12ka BP，因在其上部覆盖层未能测得地层年龄，不便判定其最新的活动时代。

王家岭探槽揭示出最新断错事件在12ka BP以来，断错了上部的黑垆土，但是并未断错较新的冲沟壁上形成时代约为6ka BP的冲洪积砾石层，因此其最新活动时代为6～12ka BP。该层黑垆土在山西境内广泛分布，是全新世中早期的一套地层，多位研究者的研究结果都印证了这一点，而本研究中对该套地层的光释光测年结果并不理想，前人最新测年结果显示，该地层的时代约为8ka BP（徐伟等，2011；许建红等，2011，郭慧等，2012）。尤其是许建红等（2011）是在相邻的罗云山山前断裂1∶5万地质地貌填图时发现并确定了该套黑垆土的形成时代，韩城断裂与罗云山山前断裂同为临汾盆地的边界断裂，其形成的动力学背景和第四纪环境变迁一致，因此可认为该套黑垆土是同一时代形成的。因此王家岭探槽所揭示的最新时代范围可缩小至6～8ka BP，亦是本次研究揭示的最新事件。

另外，此次工作中，我们调查了黄河禹门口下降盘的黄河阶地，认为黄河出口西岸黄河I级阶地拔河高度约15m，程绍平等（1998）在对黄河晋陕峡谷河流阶地进行研究时测得禹门口一带断层上升盘黄河I级阶地基岩面拔河约19m，并测得TL年龄约为距今5000a。上下盘的阶面可能是存在落差的，但是却未在此处发现切实有效的断面证据，与本次探槽及剖面揭示的最新事件时间上亦有差距。因此关于这一点，依靠新技术、新方法从地貌、地质上寻找更确实可靠的证据支撑仍是以后研究工作的重点。

在本次研究中，上部覆盖层缺失为地震事件断代的确定带来困难，并直接影响了单个探槽的地震事件的分期及多个探槽之间地震事件的对应。因此，针对于这方面的研究及更准确地确定最新活动时代仍需要寻找更好、更新的断错地貌地点进行探槽开挖。

致谢：感谢中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室对本文样品进行的年龄测试；感谢审稿专家对本文修改提出的宝贵意见和建议。