河西走廊西端酒西盆地古地震研究进展

刘兴旺, 袁道阳, 何文贵, 邵延秀, 张 波

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

0 引言

古地震是指保存在地层记录中的史前和历史上没有明确记载的地震事件[1],其优势在于可以弥补历史和仪器记录的短暂性和局限性,减小地震危险性评价中的不确定性。仪器记录地震的时间仅百余年,最早的历史地震记录在公元前23世纪,距今4 300多年,但早期的历史地震记录较为稀疏[2]。古地震的研究则可以将地震记录延续到万年尺度,跨越了多个地震复发周期,使得我们能够在更长时间段上认识断裂的长期活动习性和估计未来地震发生的危险性[3-4],在指导地震危险性预测方面起到了重要作用[5],成为防震减灾系统科学中不可缺少的重要分支。

酒西盆地边缘及内部发育多条活动断裂,对这些断裂的古地震前人曾开展过大量的研究[6-20],这些研究为认识酒西盆地强震活动特征积累了资料。但这些研究基本上都是针对某一地点、段落或单一断裂开展的,难以形成对酒西盆地地震活动整体的认识。近年来,我们对酒西盆地活动断裂开展了古地震研究,综合前人资料,对酒西盆地晚第四纪强震复发特征的认识有了一些进展,这对认识断裂之间相互作用及地震危险性都有一定的意义。

1 研究区概况

1.1 构造背景

祁连山—河西走廊位于青藏高原东北缘,是青藏高原最年轻的部分,也是现今构造运动和地震活动最为强烈的地区之一[21-23]。青藏高原北缘发育两条巨大的左旋走滑断裂——阿尔金断裂和海原断裂(图1),整个祁连山—河西走廊可看作是这两条走滑断裂左旋右阶的挤压阶区[24],遍布全区的晚第四纪活动断裂及活动褶皱表明整个地区正在遭受地壳缩短及左旋剪切作用,区内发育的诸多逆冲断裂和褶皱引起的地壳缩短和山脉隆升协调了两条断裂之间转换和平衡[24]。

图1 祁连山西段活动断裂及强震分布图Fig.1 Distribution map of active faults in the western part of Qilian Shan

祁连山—河西走廊是我国重要的一条地震构造带,发育了多条规模大且活动性强的全新世活动断裂,历史上曾发生过多次大震(图1),如公元180年表氏7级地震[25-27]、756年张掖—酒泉7级地震[25-26,28]、1609年红崖堡7级地震[25-26,29]、1785年玉门惠回堡6级地震[30],1932年昌马7.6级地震[31]、1954年山丹7级地震[32]等,造成过严重的人员伤亡和财产损失。进入新世纪以来,又发生了2002玉门5.9级地震级[33]以及2003年民乐、山丹6.1、5.8级地震[34]等中强破坏性地震。地震活动呈明显增强的趋势,其未来的大震形势严峻而紧迫,是急需开展深入研究,为地震预测和震灾防御提供参考依据的重点地区之一。

1.2 酒西盆地古地震特征

酒西盆地是一个由多组活动断裂所围限的新生代压陷性盆地(图2),盆地西南侧为旱峡—大黄沟断裂和玉门北大河断裂,东侧为嘉峪关断裂和文殊山断裂,北侧为阿尔金断裂、宽滩山断裂以及黑山断裂,整体呈一个不规则的梯形。盆地内部也发育多条活动断裂,如白杨河断裂、新民堡断裂、阴洼山断裂及新民堡南断裂等(图2)。在充分总结前人研究工作的基础上,本文重点对研究较为薄弱的新民堡断裂和阴洼山断裂重新开展了古地震研究的相关工作。

(1) 旱峡—大黄沟断裂

旱峡—大黄沟断裂位于酒西盆地南部,与玉门—北大河断裂共同组成了酒西盆地的南部边界。旱峡—大黄沟断裂西与阿尔金断裂相交,向东经积阴功台、窟窿山到佛洞庙以南,全长约160 km,走向290°～300°,倾向SW,倾角40°～70°,断裂割切了古生代、中生代、晚第三纪白杨河组、疏勒河组和第四纪早更新世玉门砾岩等地层,由多条相互平行的断层所组成,为逆掩推覆断层,无水平走滑迹象。旱峡—大黄沟断裂自新近纪中新世至中更新世活动强烈,曾发生过多期构造变动,晚更新以来则处于相对稳定状态,全新世已停止活动[6],航卫片解译及野外考察也未发现新活动的证据。

(2) 玉门—北大河断裂

玉门—北大河断裂位于旱峡—大黄沟断裂北侧(图2),断裂西起青草湾,向东经玉门市、青头山到北大河以东,全长约80 km,NWW向延伸,倾向SW,倾角20°～60°[6]。玉门—北大河断裂西段呈隐伏状态,上盘发育了一系列的褶皱,是玉门油田重要的储油构造,褶皱带连续沉积的新生代地层也为研究酒西盆地晚新生代构造演化提供了载体[35]。在中段,通过对大红泉断层剖面的分析,两次古地震的年代确定为(26.8±2.1) ka和(4.9±0.7) ka以来[7,18]。在断裂东段,闵伟等[8]曾开展断裂古地震的研究,探槽揭露断裂倾角约30°,通过断错地层分析及热释光年代测试,认为断裂在距今(3.05±0.24)～(3.20±0.25) ka和(3.05±0.24) ka以来有过2次古地震事件,但在年代上,第二次事件并未能得到很好的限定。通过分析前人的资料及新探槽的开挖[8,16],刘兴旺等[19]确定断裂东段3次古地震事件发生的年代分别为(8.4±1.0) ka、(4.1±0.3)～(5.4±0.3) ka及(1.7±0.3) ka以来,每次地震形成的垂直位错在0.6～0.8 m。

(3) 白杨河断裂

白杨河断裂位于酒西盆地中部,断裂长约25 km,整体走向近EW,倾向N,倾角约25°。前人研究认为是一条隐伏断裂,其活动造成了上覆白杨河阶地的褶皱变形[36],因此断裂活动性研究程度不高。以往的研究均未见断层剖面,从未开展过断裂古地震的研究。通过航卫片解译和野外考察,在断裂西段和中段发现连续分布的低断层陡坎,古地震探槽揭露白杨河断裂全新世以来至少发生过2次地震事件,年代分别为距今(8.7±0.6) ka和(3.9±0.5) ka,每次地震事件的垂直位错约0.6 m[20]。

(4) 新民堡南断裂

新民堡南断裂为近些年最新发现的古地震地表破裂带[17],前人未曾有过报道。通过室内航卫片解译及野外实地考察,破裂带长约5 km,呈弧形展布,线性影像清晰,断裂沿线断层陡坎连续。断层陡坎高度0.5～1.5 m,保留较为新鲜的自由面。2个探槽的开挖显示断裂表现为逆冲性质,断裂倾角约30°[17]。通过断错地层分析及光释光样品年代测试,证明该破裂带为约1 500年以来形成,此前在约6 000年断裂还有过一次活动,每次地震的垂直位错约0.7 m[17]。

(5) 嘉峪关断裂

嘉峪关断裂为酒西盆地的东边界,北自黑山北麓格拉子沟,南至文殊沟,长约40 km,走向NNW,倾向SW,倾角大于70°,以逆冲活动为主,略具右旋走滑特征。天然剖面揭示断裂断错奥陶系、白垩系、新近系和更新统。断层破碎带各处宽窄不一,在下奥陶统中宽达800 m,在下白垩统中为300 m,而在下更新统中为200 m[6,15]。

陈柏林等[12]根据嘉峪关水泥厂附近的断层剖面揭露的3个崩积楔和最新断错的地层,通过热释光测年,获得4次古地震事件的年代分别距今58.1 ka、35.5 ka、27.2～20.0 ka和稍早于4.3 ka。何文贵等[15]通过断裂中段关园子山新断层陡坎探槽开挖,揭示断裂晚更新世末期以来有过2次地震活动,年代分别为早于(15.08±1.28) ka和(5.27±0.45) ka。从现有数据看,地震复发间隔可能大于10 ka。

(6) 文殊山断裂

文殊山断裂展布于文殊山背斜西南侧,控制了文殊山背斜的发育,长约20 km,走向NW,倾向NE,倾角约50°,为一条逆断层。该断裂以往研究程度较低,国家地震局地质研究所和国家地震局兰州地震研究所[6]认为断裂为晚更新世断裂。最新的研究表明断裂在距今约(3.8±0.2)～(4.7±0.2) ka之间有过一次地震活动[14]。

(7) 阿尔金—宽滩山断裂

阿尔金断裂为青藏块体北部的重要边界断裂,全长约1 600 km,走向NEE,以左旋走滑为主要特征。酒西盆地段所处位置属于阿尔金断裂东段,该断裂在赤金一带地表行迹不是十分清楚,向东可能延伸到宽滩山以南,与宽滩山断裂相连,宽滩山断裂为一条高角度逆冲断层,倾向NW,长约20 km。断层剖面研究表明,阿尔金断裂东段最新的活动发生在约2.7 ka以来[13],而宽滩山断裂断层剖面揭示断裂在全新世前后有过活动,但无合适的测年样品加以限定[13]。

(8) 黑山断裂

黑山断裂展布于黑山北麓,断裂西起红柳沟,向东经小榆树沟、榆树沟到滴水沟,长约45 km,整体走向近EW,倾向SE,倾角60°～70°,为一条高角度逆断层。在断裂西段的榆树沟见到新第三系逆冲到上更新统砂砾石之上,对砂砾石的热释光测年结果为距今(19.43±1.65) ka。在榆树沟东岸发育3级阶地,断层错断Ⅱ、Ⅲ级阶地,形成断层陡坎,但没有错断Ⅰ级阶地,Ⅰ级阶地沟壁上可见断层剖面,下白垩统杂色泥岩逆冲于中上更新统砾石层之上,断层上覆有热释光年龄为(8.02±0.63) ka的全新世冲积砂砾石未断错,表明该段断裂全新世以来不活动[14]。

2 新民堡断裂及阴洼山断裂古地震特征

2.1 新民堡断裂

新民堡断裂位于酒西盆地内部,断裂东起新民堡以东,向西经清泉村、火烧沟至清泉乡一带,长约20 km,整体走向300°,断裂倾角约30°,倾向SW,为一条逆掩断层(图2)。闵伟等[8]、陈柏林等[11]曾对该断裂活动性进行了研究,认为断裂在全新世以来有过地震活动。闵伟等[8]根据探槽剖面和地貌特征,认为断裂最新的活动导致了756年酒泉地震的发生;陈柏林等[11也认为断裂在距今4.4 ka和1.2 ka有过2次地震活动,最新的活动也应该与756年酒泉地震有关。

此次研究中,我们在火烧沟村北发育的较高断层陡坎前侧发育的新陡坎上开挖探槽一个。陡坎较低,保留自由面,开挖处地表陡坎高度约0.3 m,探槽长约8 m,深约2 m,宽约2.5 m,探槽东壁如图3所示,揭露的地层如下:

图3 新民堡断裂探槽东壁Fig.3 East log of trench in the Xinminpu fault

U1:新近系红色砂岩;

U2:灰黄色细砂土夹砾石层,砾石粒径较小;

U3:坡洪积相砾石层,砾石混杂,磨圆、分选差;

U4:灰色砂层,较硬,夹砾石,该层采集释光样品2014YMOSL-11和2014YMOSL-12,年代分别为(3.8±0.3) ka和(4.6±0.2) ka;

U5:地表淡黄色松散粉砂土层,夹较小砾石。

剖面揭露松散的第四系砂砾石层中发育3条主要的逆掩断层F1、F2和F3,主要是新近系砂岩逆冲于第四系砂砾石层之上,其中F1以下地层变形不明显,其上地层类似于逆掩推覆体,沿着近水平面逆冲推覆,近地表形成高角度逆冲,地表形成高约0.5 m的陡坎。剖面揭露2次地震事件,事件1是断层F1和F2的活动,断错U5以下所有地层,使得上盘地层发生SW方向倾斜,随后被U5层覆盖,根据U4的年代,此次事件发生在距今(3.8±0.3) ka以来,可能较为接近这一年代。事件2主要为断层F3的活动,错断地表地层U5,F3在近地表倾角变陡,倾角约70°,并在地表形成具有自由面的陡坎,此次地震事件可能为一历史地震事件。

根据史料考证及野外地质调查,郑文俊等[14]认为756年张掖—酒泉7级地震发生在合黎山断裂带上。通过历史资料梳理和野外考察,何文贵等[30]发现1785年玉门惠回堡6级地震的重破坏区位于玉门惠回堡至赤金堡之间,集中在火烧沟一带,等震线长轴方向及空间位置与新民堡断裂较为符合,沿断裂也有较为新鲜的地震破裂带出现,因此判定新民堡断裂为1785年玉门惠回堡地震的发震断裂。

2.2 阴洼山断裂

阴洼山断裂发育于阴洼山东侧并向南东延伸至盆地内部洪积扇上,总体走向315°,长约25 km,倾向NW,断裂倾角约55°,为一条高角度逆断层。根据对断层陡坎的探槽开挖及样品的热释光测年,确定断裂在约10 ka和5 ka左右有过2次古地震事件[8,10]。

为确定断层活动性,野外在最新洪积扇上开挖探槽1个,开挖处地表陡坎高度不足0.5 m,探槽长约8 m,深约1.5 m,宽约2.5 m,探槽东壁如图4所示,揭露的地层如下:

U1:白垩系紫红色泥岩;

U2:灰色冲洪积相砾石层,近水平层理,砾石磨圆较差,分选好;

U3:土黄色砂砾石层;

U4:黄土,底部采集光释光样品(2014YMOSL-6)一个,年代为(6.2±0.4) ka;

U5:地表淡黄色粉砂土层。

图4 阴洼山裂探槽东壁Fig.4 East log of trench in the Yinwashan fault

探槽揭露一条断层带,宽数厘米,带内砾石定向排列。断层上下盘均揭露白垩系紫红色泥岩,断层下盘层面遭受侵蚀,表面高低起伏,但总的来说断距不大,小于1 m。侵蚀面也可作为古地震发生的证据,但此处年代难以确定。U3为一古地表,断层最新活动断错此地貌面,断层上盘遭受侵蚀,只在断层下盘保留,之后沉积层U4,从此剖面上看,断层最新活动并未断错U4。野外在U4底部采集光释光样品(2014YMOSL-6)一个,年代为(6.2±0.4) ka,此次事件应发生在该年代之前。闵伟等[8]也在此曾开挖过一个探槽,从探槽剖面分析出2次古地震事件,年代分别为(10.64±0.83) ka和(4.09±0.31)～(8.22±0.63) ka。陈柏林等[10]在东南段的剖面揭示断裂在约4.8～5.1 ka曾有过一次古地震事件。综合分析,我们认为该次事件可能在5 ka左右。

3 酒西盆地古地震复发特征

3.1 单条断裂古地震活动特征

断裂带上的位移量包含了地震事件的信息,断错位移一般是多次断层活动事件的累积[37-39],断层陡坎位移量的差距可作为古地震发生的佐证。玉门—北大河断裂中东段以垂直断错地貌为主,发育高度不等的多级断层陡坎,我们对这些陡坎进行了差分GPS测量及统计[18]。断裂东段陡坎高度多在2 m左右,局部存在0.6～0.8 m的小陡坎,也有高达6～7 m的高陡坎。野外利用差分GPS对这些断层陡坎进行了测量,从陡坎高度分布特征上看(图5),其高度值存在倍数关系,断裂具有多期活动的特点。断裂中段保留断层陡坎的地貌并不多,但陡坎规模大于东段(图5)。断裂西段呈隐伏状,未形成地表直接断错。古地震探槽同样揭示每次地震形成的地层断距大致相同,地震复发符合特征地震模式[40],根据已有的古地震年代数据,推断地震复发间隔在2 ka以上。

图5 玉门—北大河断裂中东段陡坎高度分布图Fig.5 Distribution map of scarps' height in the middle and eastern segment of the Yumen—Beidahe fault

白杨河断裂探槽揭露2次地震事件垂直位错均约0.6 m,新民堡南断裂2次地震事件垂直位错均约0.7 m,新民堡断裂地震事件垂直位错约0.5 m,阴洼山断裂探槽揭露3次地震事件垂直位错均约0.5 m,嘉峪关断裂4次古地震事件垂直位错约0.3 m,每次地震发生的震级相当,符合特征地震模式。根据已有的古地震事件年代判断,阴洼山断裂地震复发间隔约为5 ka,白杨河断裂地震复发间隔约为4 ka,新民堡南断裂地震复发间隔约为4.2 ka,嘉峪关断裂地震复发间隔约为10 ka以上。新民堡断裂、文殊山断裂、阿尔金—宽滩山断裂揭露的地震事件较少,垂直位错不明显,是否为特征地震模式尚不可知。

根据地震垂直位错及断裂倾角可以估计每次地震的同震位移,计算得到玉门—北大河断裂、白杨河断裂、新民堡南断裂、新民堡断裂、阴洼山断裂和嘉峪关断裂每次地震同震位移分别为1.2～1.6 m、1.4 m、1.4 m、1 m、0.6 m和 0.3 m。根据邓起东等[41]总结的青藏地区逆断层震级与同震位移的关系式M=7+1.05lgD(M:震级;D:同震位移),计算得到玉门—北大河断裂地震震级为7.1～7.2级、白杨河断裂地震震级为7.1级、新民堡南断裂地震震级为7.1级、新民堡断裂地震震级为7级、阴洼山断裂地震震级为6.8级、嘉峪关断裂地震震级为6.5级。另外,根据逆断层震级与破裂带长度的关系式M=4.21+1.85lgL[41](M:震级;L:破裂带长度),计算得到玉门—北大河断裂地震震级为7.2级、白杨河断裂地震震级为6.8级、新民堡断裂地震震级为6.6级、阴洼山断裂地震震级为6.8级、嘉峪关断裂地震震级为7.2级。新发现的新民堡南断裂长度较短,不适合经验公式的计算。

多数研究者认为中国大陆地区一般当地震震级大于6.5级才会形成地震破裂带[41],当然也有震级大于7级而未形成地表破裂的特例[42],这可能与发震构造断裂具体的构造背景有关。根据酒西盆地已有的1785年玉门惠回堡6级地震为例分析,其发震构造新民堡断裂长约20 km,形成的垂直位错约0.5 m。从断裂的规模与地震垂直位错看,新民堡断裂与白杨河断裂、阴洼山断裂量级相当,每次地震的震级约在6.8级。嘉峪关断裂同级地貌面上存在多条断层陡坎,可能存在联合破裂的可能,因此单一剖面上分析的垂直位错存在偏小的可能。嘉峪关断裂与玉门—北大河断裂中东段规模相当,其形成的地震震级可能约在7.2级。

3.2 区域古地震活动特征

古地震的复发模式主要为特征地震模式和丛集地震模式[43],酒西盆地单条断裂大多符合特征地震模式,丛集地震模式可以发育在单条断裂上,也可以发育在同一断裂系的不同断裂上[44]。同一断裂系是在一定应力作用条件下,由多条不同活动强度断裂组合的空间范围,这一范围内古地震复发行为是应力传递、断裂活动强度和不同段落之间相互作用等因素的综合反映[45]。对于酒西盆地断裂古地震,以往的研究主要集中在单条断裂上[8-12],未将酒西盆地作为一个整体分析。地球物理特征表明,酒西盆地内部存在一条低角度的滑脱面,酒西盆地玉门—北大河断裂、白杨河断裂、新民堡南断裂、新民堡断裂级阴洼山断裂同属祁连山向北扩展的逆冲断裂系[46],这些断裂上古地震的发生是否存在丛集的特征呢？

通过上文叙述,我们对酒西盆地每条断裂的古地震特征有了初步的了解:玉门—北大河断裂3次古地震事件的时间为(1.7±0.3) ka、(4.1±06)～(5.4±0.3) ka和(8.4±1.0) ka;阴洼山断裂3次古地震事件的时间为16 ka、10 ka和5 ka;新民堡断裂2次古地震事件的时间为230 a和(3.8±0.3) ka;新民堡南断裂2次古地震事件的时间为(1.5±0.2) ka和(5.7±0.8) ka;白杨河断裂2次古地震事件的时间为(3.9±0.5) ka和(8.7±0.6) ka。其中,全新世以来共发生地震11次。将这些地震投影到时间轴上,便可得到酒西盆地各条活动断裂古地震的时空分布(图6)。

图6 酒西盆地古地震时空分布图Fig.6 Temporal and spatial distribution map of Paleoearthquakes in the Jiuxi Basin

从图6可以看出,整个酒西盆地古地震的发生有丛集性特征,全新世以来酒西盆地可能存在3个地震丛集期,每个丛集期的长度约为2 ka。第一个丛集期为约距今10～8 ka,玉门—北大河断裂、白杨河断裂及阴洼山断裂都有地震记录,而新民堡断裂和新民堡南断裂探槽揭示的地层较为年轻,并未有该时间段的记录。第二个丛集期为约距今5.5～3.5 ka,该丛集期内,各断裂均有地震发生。第三个丛集期为约2 ka以来,该丛集期内玉门—北大河断裂、新民堡断裂和新民堡南断裂已有地震发生,而阴洼山断裂及白杨河断裂尚无地震事件发生,未来发生地震的概率较大。从区域古地震的特征来看,新民堡断裂也大致符合特征地震模式,地震复发周期约3.5 ka。

因此,酒西盆地单条断裂具有特征地震模式,复发周期在3～5 ka;整体具有丛集地震模式,每个周期在约2 ka。从离逝时间上看,阴洼山断裂及白杨河断裂离逝时间较长,已接近复发周期,地震危险性较高。

4 结论

通过对酒西盆地活动断裂古地震的研究和前人资料的总结,发现酒西盆地单条断裂具有特征地震模式,复发周期在3～5 ka,根据经验公式推断,每次地震的震级约为6.8～7.2级。全新世以来酒西盆地可能存在3个地震丛集期,分别为10～8 ka、 5.5～3.5 ka、2 ka以来,每个丛集期持续时间约2 ka。从离逝时间上看,阴洼山断裂及白杨河断裂离逝时间较长,已接近复发周期,地震危险性较高。