西秦岭临潭-宕昌断裂第四纪最新活动特征

张 波 田勤俭 王爱国 李文巧* 徐岳仁 高泽民

1)甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站，兰州 730000 2)中国地震局地质研究所，北京 100029 3)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

0 引言

2013年7月22日岷县-漳县MS6.6地震(图1)发生后，开展的大量相关研究集中于震源特征(张元生等，2013；谭毅培等，2015)、地震破坏与次生灾害(王兰民等，2013；许冲等，2013；郑文俊等，2013a；Xuetal.，2014)、深部结构探测与发震构造分析(李翠芹等，2013；赵凌强等，2015a，b)、震前异常分析(刘君等，2013；荣代潞等，2013)等方面。这些研究深化了对该地震成因和区域构造模型的认识，但关于发震构造的研究目前仍相对薄弱(何文贵等，2013；郑文俊等，2013a，b)。2013年岷县-漳县MS6.6地震发生在临潭-宕昌断裂东段的一条分支断裂——禾驮断裂上，该断裂在震后科考时被何文贵等(2013)发现并鉴定为晚更新世断裂，岷县-漳县MS6.6地震未断错地表。

除2013年岷县-漳县MS6.6地震外，临潭-宕昌断裂上还发生过1573年岷县6级地震、1837年岷县6级地震等强震，以及3次5～6级中强地震、2次4.5～5级中等地震，造成了严重的人员伤亡和灾害损失(顾功叙，1983；国家地震局震害防御司，1995)。前人对上述地震开展过史料考证和发震构造研究，由于受到强烈的自然侵蚀和人为改造的影响，断错地貌难以保留，针对发震构造的研究仍较薄弱(郑文俊等，2005，2007a，b；何文贵等，2006)。

尽管临潭-宕昌断裂被鉴定为晚更新世—全新世断裂，但缺乏其全新世活动的直接证据，除个别露头或探槽的活动性鉴定工作外，未精确限定断裂活动性定量参数。深入研究临潭-宕昌断裂的新活动特征，有助于认识上述中强地震的发震构造和机理，并进一步深化对西秦岭构造变形的理解。本文将介绍临潭-宕昌断裂新活动研究的一些新发现，希望加深对临潭-宕昌断裂几何学、运动学特征和区域构造变形的认识。

1 区域地质背景

1.1 区域构造

晚新生代以来，青藏高原周缘向NE扩展和挤出，受到鄂尔多斯、阿拉善、四川盆地等坚硬地块的阻挡，在高原边缘发生了复杂的构造变形(张培震等，2006)。西秦岭位于松潘-西秦岭构造结的北部，是上述多个块体相互作用最强烈和典型的地区之一。该地区发育了大量结构复杂、性质各异的活动断裂，且大地震频发(图1)(袁道阳等，2004；郑文俊等，2016)。西秦岭的南北边界断裂分别是东昆仑断裂和西秦岭北缘断裂，2条边界断裂之间主要发育2组次级断裂系，走向分别为NWW和NE，在平面上呈 “V”形排列。较多研究认为，“V”形断裂系(尤其是NWW向断裂系)共同吸收和分配了2条边界断裂的差异运动(袁道阳等，2004；郑文俊等，2016)。

1.2 临潭-宕昌断裂的研究现状

临潭-宕昌断裂是 “V”形断裂系中NWW向断裂系的一条重要分支，其几何图像呈向N凸出的弧形，在洮河以西走向为NWW，在洮河一带走向顺时针旋转至NW，并发散成4条分支断裂，分别是主干断裂、禾驮断裂、木寨岭断裂和柏林口断裂。每条分支断裂的迹线也较复杂，包含1条或多条分支(图2)(何文贵等，2013)。

前人对该断裂的新活动特征研究较少，仅对局部点的活动性质和最新活动时代进行了鉴定(何文贵等，2013；郑文俊等，2013b)。主干断裂上的贡恰村探槽揭露了2次晚更新世古地震，时间约为(70.7±7.4)kaBP和(12.0±1.7)kaBP；禾驮断裂是2013年岷县-漳县MS6.6地震的发震断裂，相当于冲沟三级阶地的砾石层被断错；在木寨岭断裂上发现一次事件，时间约为(65.6±7.3)kaBP；柏林口断裂错断了洮河三级阶地，剖面上断层泥的热释光年龄为(81.9±8.8)ka(何文贵等，2013)。李光涛等(2019)认为临潭-宕昌断裂是以左旋走滑为主的晚第四纪活动断裂。上述研究主要反映了断裂的晚更新世活动，关于全新世活动的证据较少。

本文在前人研究的基础上分析断裂的宏观地貌，调查研究断裂的几何展布、新活动尤其是全新世活动特征，并讨论断裂在西秦岭变形中的作用。

2 断裂的几何展布

在前人研究的基础上，结合遥感解译和野外考察，细化了临潭-宕昌断裂的断层迹线(图2)。根据断层迹线的收敛程度，将临潭-宕昌断裂分为3段(图2)。西段为临潭-宕昌断裂的主断裂，由南、北2支组成，南支走向为NEE，北支走向为NWW，二者向E逐渐收敛。中段总体走向为NWW，迹线收敛，除主断裂的2条分支外，还包括北侧的合作南断裂。合作南断裂的线性特征明显，在杯龙多一带发育典型的断错地貌(图2a，b)；主断裂南、北2支断裂近平行，从贡恰以西向E延伸至洮河以西，走向稳定，迹线较清楚，水系发生同步偏转。东段断裂呈帚状散开，主要由主干断裂、禾驮断裂、木寨岭断裂和柏林口断裂组成(何文贵等，2013)。主断裂位于最南侧，走向NW，与中段相比，走向发生顺时针旋转，断裂迹线总体不如中段清晰，但庄子村一带发育5km长的线性地貌 (图10)；禾驮断裂在2013年岷县-漳县MS6.6地震极震区一带的断错地貌清晰(图2e，f)；木寨岭断裂走向NWW，与中段走向一致，线性清晰，差异地貌明显，局部保留典型的断错地貌(图2d)；柏林口断裂局部段线性清晰，保留微地貌断错(图2c)。

3 断裂的运动学特征

3.1 垂向运动特征

3.1.1 区域条带剖面

横跨西秦岭的条带剖面(图3)显示，临潭-宕昌断裂(F8)在洮河以西主要控制宏观地貌的转折，最大、最小和平均高程曲线均在断裂位置发生突变，地形起伏度也相应突变(P1)；洮河以东断裂的宏观地貌不如洮河以西显著，断裂控制了局部的微弱隆起(P2)。

图3 跨西秦岭NWW向断裂系的条带剖面Fig.3 Swath profiles across the NWW-trending faults in the West Qinling.红、黄、绿、蓝线分别代表最大、平均、最小高程和地形起伏度

3.1.2 区域山脊点地形剖面

条带剖面虽克服了线剖面的局部性，但受条带宽度、条带位置的影响较大。在较小范围内，按一定步长提取的地形极值可能无法真实反映构造地貌，因此，我们借鉴王林等(2019)在喜马拉雅东构造结地区开展地貌分析所使用的方法，即利用具有统计意义的区域内大量原始山脊点的条带剖面更真实、客观地反映构造地貌(图4， 5)。从分辨率12.5m的ALOS DEM提取山脊点，具体步骤为：首先提取不同级别流域的集水域，然后将集水域矢量化，删除与水系相交的山脊线，将剩余的山脊线转换为山脊点，之后为山脊点添加属性并转换为三维属性，最后对区域山脊点进行三维剖面分析。

图4 山脊点剖面分布Fig.4 The ridge points and profiles.

山脊点剖面较好地显示了临潭-宕昌断裂的宏观构造地貌特征和分段差异(图5)。西段南支2条次级断层控制着新近纪盆地，新近纪盆地高3400～3600m，盆地两侧为海拔3800～4000m的高原夷平面(图5 中的P1)。中段主断裂控制了新近纪盆地，分隔了新近系(临潭盆地)和主夷平面，致使主夷平面发生掀斜，前端翘起数百m，盆地面与主夷平面前端的高差为300～500m(图4，图5 中的P2和P3)。主夷平面形成于20～3.6MaBP，其上残留新近系沉积(潘保田等，2002)。因此，临潭盆地(新近纪盆地)和主夷平面的形成时代大致相同。在主夷平面抬升前，二者可能位于同一高度，现今的高差(300～500m)代表临潭-宕昌断裂的长期垂向位移。以主夷平面的形成年龄20～3.6Ma作为垂向位移(300～500m)的起始年龄，估算得到临潭-宕昌断裂自新近纪以来的平均垂直滑动速率的下限为0.02～0.14mm/a。东段断裂控制着最高约400m的小隆起，形成中间高且起伏大、两侧低且平缓的地形，中间隆起区的起伏度约为300m；东段帚状散开的分支断层分别控制局部差异地貌，高程差一般为100～200m，断裂延伸规模也远不如西段和中段(图5 中的P4和P5)。东段主干断裂控制的差异地貌为300～400m，构成隆起区的南边界；禾驮断裂两侧的高差约为200m；木寨岭断裂和柏林口断裂控制隆起区北侧边界，构成盆山边界。

图5 山脊点剖面与宏观地貌Fig.5 Ridge points profiles and macro-topography.红色虚线为深部断层，绿色实线代表地貌面，绿色虚线代表推测地貌面，蓝色虚线框指示地形隆起区

3.1.3 垂向断错的地质地貌表现

在断裂中、东段过渡区，主断裂断错至新近系内部，新近系中发育一系列高100～200m的断层崖(图5 中的P6，图6a)。一些年轻地貌体上也残留垂向断错地貌，例如在贡恰村东15km处的山坡上形成了清晰的断层陡坎(34.817°N，103.317°E)(图6b，c)。

图6 断裂的垂向运动表现(影像位置见图2)Fig.6 Vertical offset expressions of the Lintan-Dangchang Fault(see Fig.2 for image location).a 新近系内部的垂向断错，陡坎高度从ALOS DEM上测量；b 遥感影像上的线性特征；c 晚第四纪坡积物上发育的陡坎

综上所述，临潭-宕昌断裂的垂向活动明显，垂向断错(从老到新)表现为：中、西段新近系和主夷平面之间存在落差(300～500m)、中段的主夷平面发生掀斜、东段的新近系被断错(100～200m)；第四纪以来的地形坡折和晚第四纪以来的地形陡坎。根据中段的垂向断错和主夷平面的形成年龄估算得到临潭-宕昌断裂长期垂直滑动速率的下限为0.02～0.14mm/a。

3.2 水平方向运动特征

临潭-宕昌断裂中段一系列发源于主夷平面、横穿主夷平面和临潭盆地面的洮河支流发生同步左旋，左旋位移量为数百m—约3km，说明临潭-宕昌断裂具有显著的左旋分量(图2a)。在西段和东段也可见水系同步左旋，如东段主断裂、柏林口断裂以及西段的南、北分支断裂，左旋位移量从几十m—1km以上不等(图2a)。除了跨断裂的水系左旋以外，断裂沿线的小盆地、隆起等伴生构造也可能与断裂的左旋走滑相关。例如，合作西南的旦尔道盆地正好位于断裂西段的左阶阶区(图2a)，中、东段过渡区断裂右阶拐弯处的地形隆起(图5 中的P6)。

在王家坟一带山脊和冲沟发生同步左旋，山脊的左旋量为116～252m(通过Google Earth测量)(图7a)。甘霖沟一带山脊的最大左旋量达1146m，1条冲沟的二级阶地左旋15～25m，冲沟内发育3.6～4.0m高的裂点，在冲沟一级阶地的基座中可见断层破碎带(左旋量通过Google Earth测量；裂点高度由激光测距仪测量，仪器型号为Leica DistoTMD510)(图7b—d)。庄子村一带山脊、冲沟及其阶地发生同步左旋(图10)。

图7 断裂左旋的地貌表现(位置见图2)Fig.7 Offset expressions related to left-lateral displacement of the Lintan-Dangchang Fault(see Fig.2 for the locations).a 王家坟北山脊和冲沟的同步左旋；b 甘霖沟一带山脊和冲沟的同步左旋；c 甘霖沟冲沟和二级阶地前缘的左旋位错，d 甘霖沟冲沟一级阶地的基座被断错并发育断层破碎带，断层疑似错动一级阶地砾石层

综上所述，临潭-宕昌断裂具有显著的左旋走滑特征。中段贯穿夷平面和新近系盆地面的洮河支流发生数百m—约3km的同步偏转，东段王家坟、甘霖沟一带山脊左旋数百m，西段旦尔道一带的盆地和东段断裂拐弯处的地形隆起等现象反映了断裂新近纪—第四纪以来的左旋性质；冲沟和阶地发生数十m的同步左旋反映了断裂晚第四纪以来的左旋性质。新近纪—早第四纪、晚第四纪的左旋位移均大于垂直位移。因此，临潭-宕昌断裂自新近纪以来就开始活动，活动以左旋走滑为主，兼具倾滑性质。

3.3 全新世活动

在贡恰村一带，临潭-宕昌断裂中段的影像线性特征清晰，发育断层陡坎和断层沟槽等地貌(图8)。晚第四纪坡、洪积扇上的断层陡坎高1～4m(由差分GPS测量)(图8b—d)。何文贵等(2013)在贡恰村西开挖了探槽，揭示了断层的晚更新世活动。本文在前人探槽东侧约970m处(34.8493°N，103.1516°E)开挖断面，剖面上显示3套稳定沉积的地层(①、④、⑤)和2套与地震相关的快速堆积体(②、③)。揭露的地层(图9)包括：

图8 贡恰村一带的断层地貌(位置见图2)Fig.8 Offset geomorphology in the west of Gongqia village(see Fig.2 for the location).a 贡恰一带的卫星影像及山体阴影图，山体阴影图由分辨率为0.15m的DEM生成；b 线性断层地貌；c 断层陡坎高(3.1±0.6)m；d 断层陡坎高(1.14±0.14)m。P1—P4代表4条差分GPS剖面，剖面位置见图8a

图9 贡恰村断层剖面Fig.9 Fault outcrop in the west of Gongqia village.

① 黑色腐殖土，内含3层较薄的红色砾石(图9 层①中的黄色虚线)，地层倾向S，富含草根；

② 混杂堆积的浅红色砾石层，无层理，砾石分选性差，磨圆度中等；

③ 倒三角形的充填楔，为黑色腐殖土、浅红色砾石、暗灰色砾石和土的混杂堆积，无层理，含较多草根；

④ 灰黄色粉砂和黄土，偶含草根；

⑤ 未胶结、弱分选和中等磨圆的砾石层。

2条断层(F8-1和F8-2)控制张裂缝和裂缝中的混杂堆积体③和②，至少指示了1次地震活动事件。③是地震发生前的地表黑色腐殖土，在地震发生时与崩塌砾石混杂在一起堆积。②代表地震时的快速崩塌堆积，堆积物杂乱，分选差，无层理，应为崩积楔。①代表震后长期稳定的地表堆积。①—③代表一次完整的地震旋回沉积，即震前地表腐殖土—地震崩塌—震后稳定沉积的过程。根据①底部、④顶部的14C校正年龄(图9 和表1)，使用OxCal V4.3.2程序(Ramsey，2017)校正得到该事件发生的时间区间(置信度为2σ)为(2090～7745)aBP。

表1 14C样品的测年结果和校正年龄Table1 Dating data and correction results of radiocarbon samples

需要注意的是，该事件的年龄范围较为宽泛，经分析可能的原因有2点：1)地层④沉积后，一段时间内没有沉积物在此堆积，存在一定的沉积间断期。这种因素具有一定的可能性，因为研究区所在的甘东南地区为构造活动强烈区，地形抬升和河流下切形成了很高的地形起伏度，侵蚀作用强，沉积作用弱。2)事件发生时，地层④顶部的沉积物被侵蚀掉一部分，或上盘较老的黄土在此堆积了一部分，导致地层④的年龄偏大。我们更倾向于第2种原因，即构造扰动导致地层年龄偏老，从而导致事件的年龄范围较宽。另外，上述2种原因都支持该事件年龄更接近于上部地层年龄。虽然事件的年龄范围较宽，却不妨碍我们得到重要的结论之一，即断裂存在全新世活动。

3.4 断层滑动速率

通过大量野外工作，找到了一处相对理想的滑动速率测量点，位于庄子村SW侧450m处。该点冲沟和2级阶地(T1，T2)发育同步左旋，断错地貌保存相对完整，T2上残留断层陡坎(图10， 11)。

图10 庄子村一带的断层地貌(位置见图2)Fig.10 Offset expressions around Zhuangzi village(see Fig.2 for the locations).a 庄子村一带的线性断层地貌；b庄子村一带的地貌解译；c 清水沟的断错地貌；d 庄子村山脊断错和线性地貌

图11 庄子村西的滑动速率点Fig.11 Slip rate site in the west of Zhuangzi village.a 断层断错冲沟和阶地；b 二级阶地的采样剖面

基于移动模型构建(Structure from Motion，SfM)(Westobyetal.，2012；Johnsonetal.，2014)的无人机摄影测量技术可用于构建数字高程模型(DEM)。使用深圳大疆Inspire 1 V2.0无人机开展工作，拍摄照片705张，覆盖面积为0.195km2，飞行高度为40.2m。使用Agisoft Photoscan软件处理照片，处理流程包括照片对齐、控制点校正、加密点云、建立网格和纹理，最终生成5.92cm/像素的DEM。地形校正时使用12个控制点，控制点数目符合艾明(2018)建议的最佳控制点个数；地形控制点由Trimble Geoexplorer 6000 XH 后差分GPS进行测量，仪器水平精度为2.5cm+1.2ppm，垂直精度为4cm+1.5ppm。使用该仪器和方法在测量条件更恶劣的白龙江流域得到的DEM具有优于0.2m的点精度和0.16～0.33m的剖面精度，完全满足高分辨率地貌测量的需要。利用DEM生成山体阴影图和地形等高线图，用来解译断错地貌(图12a，b)。根据Zielke等(2012)开发的Ladicaoz软件测量得到冲沟右岸T2阶地前缘的左旋位错为8.7～11.8m，T1阶地后缘的左旋位错为6.3～6.8m，因此T2/T1阶地陡坎的左旋位错为6.3～11.8m。

同时，通过后差分GPS实测得到的T2阶地上的断层陡坎高(0.55±0.15)m，在DEM上提取相同位置的陡坎剖面的高度为(0.64±0.10)m，两者接近(图12c，d)。我们采用实测值(0.55±0.15)m作为T2阶地上断层陡坎的高度。

限定T2阶地年龄的样品来自冲沟左岸人工清理的阶地剖面(图11)。该阶地剖面的下部为暗红色且风化半破碎的砾石层，中部为薄层黄黏土，厚约5cm，上部为厚层黄土层，含少量小砾石(最大砾径为3cm)，富含虫孔和草根。根据沉积特征可知，上部黄土层应该是T2阶地废弃后的风成堆积，且受到明显的生物扰动(植物草根、虫孔)；中部的薄层黄黏土可能代表冲沟内的淤泥堆积，属于T2阶地被废弃之前的沉积。

样品测年结果和上述阶地剖面沉积分析吻合较好，中部黄黏土层的14C校正年龄为7170～7310a，而上部黄土层底部2个14C样品的校正年龄分别为315～500a和795～970a，黄土底部的14C样品年龄明显不符合冲沟T2阶地的经验预期，测试结果显著偏小(袁道阳等，1999)。因此，中部黄黏土层的14C年龄可以更好地代表冲沟T2阶地的形成年龄。

得到冲沟右岸T2/T1阶地陡坎的左旋位错(6.3～11.8m)和冲沟左岸T2阶地形成年龄(7170～7310a)后，基于邓起东等(2004)对滑动速率的定义，计算得到左旋滑动速率为0.86～1.65mm/a。根据T2阶地陡坎高度(0.55±0.15)m和T2阶地形成年龄，计算得到垂直滑动速率为0.05～0.10mm/a。由此可知，自全新世早期以来，临潭-宕昌断裂主干断裂几乎为纯左旋走滑性质。

4 讨论

贡恰剖面的测年结果及庄子村断错地貌等现象证明临潭-宕昌断裂是全新世活动断裂。值得注意的是，历史地震、中强地震和小地震集中发生在断裂东段，而本文发现断裂的中、西段在距今2090～7745a间曾错断地表，且甘南藏族自治州合作市、临潭县城位于断裂的中、西段附近，因此，临潭-宕昌断裂西段和中段的大地震危险性需要关注。

通过对不同时期地层地貌的水平和垂直位错开展分析，发现自新近纪以来，断裂的左旋走滑分量均大于倾滑分量，断裂的活动性质以左旋走滑为主，该结果与李光涛等(2019)的结论一致，与袁道阳等(2004)、郑文俊等(2016)提出的区域构造模型相符。

临潭-宕昌断裂东段的主干断裂在全新世早期以来的左旋走滑速率为0.86～1.65mm/a，垂直滑动速率为0.05～0.10mm/a；虽然东段的其他3条分支断裂——禾驮断裂、木寨岭断裂和柏林口断裂的地质地貌表现(图2)和2013年岷县-漳县MS6.6地震的震源机制(李晓峰等，2013)均显示存在走滑分量，但这些断裂仅为东段的分支，规模相对较小，左旋分量可能较小。因此，临潭-宕昌断裂的左旋走滑速率可能略>0.86～1.65mm/a，与袁道阳等(2004)估算的2～2.5mm/a总体一致。综上所述，临潭-宕昌断裂在西秦岭的变形分配中起到了重要作用，与白龙江断裂、光盖山-迭山断裂等活动断裂共同分配了东昆仑断裂东段的左旋走滑分量，实现了东昆仑-西秦岭阶区变形的协调匹配。

由东昆仑断裂、西秦岭北缘断裂、龙门山断裂等围陷的西秦岭次级块体，其变形不仅发生在块体边界断裂上，块体内部的弧形断裂系也发生相同量级的变形，说明西秦岭的构造变形是跨区域、分布式的连续变形，本文的研究结果倾向于支持连续变形理论(Englandetal.，1986)。

5 结论

本文通过断裂遥感解译、宏观地貌分析、断错地貌考察与测量、放射性碳测年等方法研究了东昆仑-西秦岭断裂阶区内的一条重要分支——临潭-宕昌断裂的新活动特征，得到如下结论：1)根据宏观地貌和几何特征，可将断裂分为西、中、东3段；2)断裂的运动性质以左旋走滑活动为主，兼具倾滑分量；3)全新世以来断裂曾断错至地表，并发现1次发生于2090～7745aBP的古地震事件；4)临潭-宕昌断裂东段的主干断裂自全新世以来的左旋滑动速率为0.86～1.65mm/a，垂直滑动速率为0.05～0.10mm/a。临潭-宕昌断裂在西秦岭的变形分配中起到了重要的作用。

致谢中国地震局地震预测研究所王林副研究员在地貌分析方面给予了帮助；研究生王维桐和文亚猛在高分辨率地形数据采集方面提供了帮助；审稿专家为本文提出了有价值的修改意见。在此一并表示感谢!