基岩断层面古地震研究的主要方法与选点原则＊

邹俊杰 周永胜何宏林※ 耿 爽赵家豪

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京100029

2)中国地质大学（北京），北京100083

引言

地震是一种突发的、剧烈的地壳运动形式，是在区域构造应力作用下，应变在活动断层上逐渐累积达到极限状态后失稳、破裂、滑动的结果。随着人类社会城镇化越来越高，强震所带来的自然灾害对人类生活的威胁、给社会造成的损失越来越大[1]。古地震学研究的目的就是通过研究在现代仪器和历史记录之前保存在地质现象中的地震事件，使我们能够在更长时间尺度、多个地震轮回的时段上研究大地震历史，认识活动断裂的长期地震行为，并合理评估未来地震的危险性，减少地震灾害损失[2]。当前，探槽技术在活动构造中得到了广泛的应用并取得了一系列丰硕的成果，成为古地震研究的主要手段[3]。但是，古地震探槽技术无法在基岩区开展研究工作，这一定程度上限制了古地震研究的时间和空间范围[4]。

基岩断层面是断层在长期活动中位错累积的产物[5]，其具有抗侵蚀能力强、不存在沉积序列缺失的优势。因此，它可以更大程度地记录到断层面上所经历的古地震事件，成为基岩区提取古地震信息的良好对象。当断层的滑动速率小于下盘的侵蚀速率和上盘的沉积速率时，基岩断层坎会被破坏、埋藏，难以出露；当断层的滑动速率大于下盘的侵蚀速率和上盘的沉积速率时，基岩断层坎会出露、并得以保存古地震信息（图1）。国内外已有大量的研究，报道了从基岩断层面上提取古地震信息（地震期次、同震位移量和地震年代）、恢复断裂古地震历史的成功案例，如：Zreda和Noll[6]对美国盆岭省的研究、Mitchell等[7]对以色列正断层坎的研究、Benedetti等[8]对希腊裂谷系的研究、Giaccio等[9]对意大利正断层系的研究以及邹俊杰等[10-11]对中国山西地堑系的研究。

图1 基岩断层面出露的条件（改自Reicherter等[12]）Fig.1 Conditionsfor exposureof bedrock fault surfaces （Modified from Reicherter et al.[12]）

值此基岩断层面古地震研究蓬勃发展的关键时刻，本文总结归纳了几种当前从基岩断层面上恢复古地震历史的主要方法，指出了现阶段基岩断层面古地震研究在选点上应注意的问题，提出了今后宜重点加强工作的若干建议，以期能对今后基岩断层面的古地震研究工作起到积极的推动作用。

1 基本原理与影响因素

基岩断层面，在周期性的地震事件的作用下会分段地暴露于地表面，从而在基岩断层的下盘表面，形成在物理化学性质上具有差异性的分段。沿断层面高度方向上，先暴露的断层面分段位于断层面的上部，后暴露的断层面分段位于断层面的下部。两个相邻的分段中，先期暴露于地表的断层面分段会比后期抬出地表的断层面分段多经历一个地震周期的侵蚀风化时间，通常在数百年至上千年，因此，两个分段在暴露时间、形貌特征、硬度指标、核素浓度等一系列物理和化学指标上均会表现出明显的差异[6-9]。选择合适的方法，将这些分段差异特征加以识别和量化，可以有效地恢复基岩断层面的地震活动历史。通过识别断层面某一物理化学特征的分段数量、分段高度和暴露时间，可以识别断层表面经历的地震事件的期次、同震位移量和地震发生时间，从而恢复基岩断层的地震活动历史，这就是以基岩断层面为研究对象提取基岩区古地震信息的基本原理[10-11]。

能否从基岩断层面上成功提取古地震信息，主要受控于两大方面的影响因素：①作为古地震信息承载体的基岩断层面，保存是否自然完整。由于基岩断层坎出露地表后，会受到一系列地表过程和人为因素的改造和影响，这些非构造因素会使得断层面遭到破坏，难以承载古地震信息，从而无法开展古地地震研究工作。因此，选择一个合适的基岩断层面为研究对象，对于开展古地震研究工作十分必要。②所选用的古地震研究方法本身的适用情形和限制条件。任何一种研究方法都有其适用条件和影响因素，基岩断层面古地震研究的每一种方法都有其优势、不确定性和适用条件。

2 主要研究方法

当前，从基岩断层面上提取古地震信息，主要依据断层在地震事件作用下分段出露的特征，通过识别断层面某一特征指标的分段数量、分段高度和暴露时间，恢复基岩断层的活动历史（图2a）。目前广泛运用的研究方法主要有5种：

（1）基于陆基LiDAR扫描获取断层面高精度数据，通过形貌参数分析获取古地震事件期次和同震位移量的形貌测量分析法（图2b）。该方法使用陆基LiDAR扫描获取高密度点云数据，通过剔除噪点、置平数据和生成规则的高精度DEM后，采用形貌参数对断层表面形貌特征进行量化，识别出断层表面不同期次的风化条带和古地震事件。这种方法主要适用于断层表面保存较好、沿高度方向上具有差异侵蚀风化特征的断层面，其优势在于是非接触式无损测量、快捷方便省时省力，但是也存在测量仪器昂贵、扫描过程易受外界干扰、扫描范围存在盲区和无法获得古地震年代的问题[11]。

（2）通过采集基岩断层面上的岩石样品，测定断层面在地震事件作用下的分段暴露期次、位移量和时间的宇宙成因核素测年法（图2c）。该方法在基岩断层面上，从底到顶连续地采集岩石样品，通过测定不同高度上岩石样品的核素浓度，结合采样点的核素产率，获得断层表面核素浓度的分段特征、分段高度和分段暴露年龄。这种方法需要考虑基岩断层面的岩性，不同岩性的基岩断层面需要采用不同核素进行暴露定年，目前使用最多的是针对碳酸岩断层面的36Cl暴露测年，也有针对含石英矿物的断层面的10Be暴露测年[8]。其优势在于不仅能够获得古地震事件的期次和同震位移量，还可以测定地震事件的年代，但是需要采集大量岩石样品测试、模拟算法复杂、耗时耗力。

（3）根据光释光衰退深度差异曲线，进行断层面古地震事件和同震位移量恢复的光释光衰退深度判别法（图2d）。该方法在基岩断层面上连续切割块状岩石样品，测定不同高度处岩石样品的光释光衰退深度差异，通过构建光释光信号衰退深度与断层高度曲线对断层表面进行分段，从而识别古地震事件和同震位移量。该方法目前只在含有石英矿物的花岗岩中开展过研究，是光释光技术在基岩断层面上提取古地震信息的新尝试，但是需要投入大量的人力物力，识别的同震位移量的精度同时受制于表面和深度样品分辨率，无法获得地震事件的年代。

（4）通过施密特锤在基岩断层面上采集系列回弹值，根据回弹值的大小和离散程度反映的风化层的厚度，进行古地震历史恢复的施密特锤回弹值测量法（图2e）。该方法需要从基岩断层面的底部到顶部，使用施密特回弹仪进行单点的连续敲击并记录回弹的数值，由于断层面上先期暴露的部分受侵蚀风化的影响大、回弹值小而分散，后期暴露的部分受侵蚀风化的影响小、回弹值大而集中，因此，可以用于断层表面的分段和地震事件的识别。该方法在理论上可以适用于具有表面风化厚度差异的断层面，并且已经成功运用于碳酸岩断层面。这种方法反映了断层表面受暴露时间的不同而形成的岩石强度的差异，虽然是一种接触式的一维测量方法，但是工具轻巧便携、处理流程简单成熟，同样存在无法获得地震事件年代的问题。

（5）通过分析基岩断层面上地球化学元素，特别是稀土元素和钇元素序列，识别古地震事件期次和同震位移量的地球化学元素峰值识别法（图2f）。该方法需要从基岩断层面上采集序列岩石样品，测定稀土元素和钇元素的浓度，通过识别稀土元素和钇元素异常高的分值条带，确定下盘的基岩断层面和上盘的松散沉积物的接触界线，从而划分断层表面的分段边界，恢复基岩断层面古地震活动历史。该方法在理论上可以适用于地震周期长、同震位移量大的断层面，目前已经在碳酸岩断层上取得了良好的成果。但这种方法需要采集大量岩石样品进行化学实验，却无法获得断层面的暴露年龄，不适用于具有地震丛集特征的基岩断层面，可以作为一种断层面古地震识别的辅助判别方法。此外，通过野外目视解译基岩断层面的风化条带[13]，测量断层面上侵蚀坑的深度[5]，照片融合拼贴分析[9]以及地衣生长大小的量化分析[14]，也可以识别出基岩断层面在高度上的条带状差异，恢复基岩断层面的出露历史，提取基岩断层面的古地震信息。

图2 基岩断层面古地震研究方法的模型示意图Fig.2 Schematic diagram of study methods about paleo-earthquake identification on bedrock fault scarp

3 适合开展古地震研究的基岩断层面的特征

基于上述介绍的形貌学、年代学和其他物理化学指标重建基岩区断层的古地震历史的时间、震级和强度是完全可能的，但需要选择合适的研究地点。由于基岩断层坎出露地表后，会受到一系列地表过程和人为因素的改造，这些非构造因素的作用使得断层坎被埋藏或者破坏（图3）。因此，只有选择出保存完好且具有构造（地震活动）指示意义的基岩断层面，才有可能成功地从基岩断层面上提取古地震信息[19]。

图3 基岩断层坎的3种出露和保存情况Fig.3 Three typesof exhumation and preservation of bedrock fault surfaces

本文总结了前人在美国东部Hebgen湖的基岩正断层面[6]、以色列的Nehaf基岩正断层坎[7]、希腊[8]和意大利[9]裂谷系的基岩断层面的研究，结合本人在山西地堑系的罗云山山前断裂[10]和交城断裂[11]开展的工作，并根据古地震学先驱McCalplin[3]提出的开展古地震研究的目的和野外选点注意事项，总结归纳出适合提取古地震信息的基岩断层面的6个特征。一般来说，理想的基岩断层面应具有以下6个特征（图4）：

图4 适合开展古地震研究的基岩断层面的特征（改自Bubeck等[19]）Fig.4 Characteristicsof bedrock fault surfacessuitablefor paleo-earthquake study （Modified from Bubeck et al.[19]）

（1）自然性。自然性是指基岩断层表面应该是自然的，并且排除了在选定的研究地点存在人工挖掘断层表面的可能性[3]。为此，选择的基岩露头最好远离农田、大坝等人为建筑，尽可能排除人类活动的干扰。

（2）可见性。可见性是指断层露头没有被崩积物和冲积物掩埋、充分暴露，能够为古地震学家发现识别，成为古地震研究的良好对象。为此，研究地点通常应选择远离上盘冲积扇和下盘崩塌区等地方，以防止基岩断层面被全部或部分掩埋[19]。

（3）构造性。构造性意味着选定的基岩断层表面必须被断层活动挖出，并尽量减少地貌过程的影响。为此，选址应远离受侵蚀过程影响的区域，以确保上盘坡度的稳定，排除断层面由于沟谷侵蚀剥露的可能性[19]。

（4）完好性。完好性是指断层崖通常会因岩崩和冻融作用而被侵蚀、后退甚至破坏，因此，只有保存完好的部分才能作为古地震学研究的良好指标。实践中，通常选择基岩断层下部完整的部分进行研究，避开断层陡坡顶部的破碎带和剥蚀坡[10-11]。

（5）获得性。在某些情况下，虽然断层陡崖保存完好，但由于地质环境恶劣或受国家政策保护，接触式的测量方法（如，宇宙成因核素测年）难以开展。为此，在研究正式实施前，需要考察当地的地质条件并了解相关政策[3]。

（6）代表性。代表性是指获得的古地震历史尽可能完整，断层的滑动速率尽可能准确，这就要求地表的断层变形集中在所研究的基岩断层面露头上。为此，研究点选择应远离转换斜坡和分支断层[6-9]。

上述6个基岩断层面的典型特征，可以作为在基岩区选择合适的古地震研究点的原则。

4 建议与展望

近几十年来，在基岩断层面的古地震研究中，虽然不断有新方法的出现、新指标的产生和新技术的引入，对于已有模型也在不断完善，但是依然存在一些问题和不足有待解决和改进：

（1）断裂系的整体性和系统性关注不足。从全球范围的研究成果看，目前的研究主要集中在美国的盆岭省、意大利的阿卑斯山脉、以色列和希腊的地堑系中的某一条断层[6-9]。这是因为过去一段时期内，基岩区古地震研究尚处于起步阶段，国内外研究学者主要专注于基岩断层面古地震研究的技术方法的开创与发展，大量的研究工作都聚焦在以某一基岩断层露头为试验点，探索古地震识别方法和鉴定技术的适用性和可行性上。在目前阶段，这些研究方法已经通过大量的实例研究，证实了其可行性和适用性[10-11]。因此，在今后的研究中，需要更加重视这些方法的综合运用，扬长避短，更加注重断裂系的整体性和系统性的研究，适时地将研究目标由单条断裂的实验性探索转向整个断裂系的系统性研究。为此，有必要选择一个历史地震资料丰富、基岩断层面广泛出露的活动断裂系（如，中国的山西地堑系）开展研究，给出断裂系内主要基岩断裂带的古地震活动时空分布，使得基岩断层面古地震的研究工作更具整体性，动力机制的解释更具合理性，推动基岩断层面古地震研究向更大的时空尺度迈进。

（2）目标断层局限于断陷盆地带内的基岩正断层，对其他构造背景下的基岩正断层面鲜有关注。纵观国内外研究成果，目前研究区域内大的构造背景仍以断陷盆地为主，而事实上正断层的产生背景并不局限于此。在拉张型区域应力条件下，如走滑断层的尾端和转折处以及逆断层褶皱轴部地带都会形成一系列正断层，其中有些就发育在基岩区。这些构造区的基岩正断层活动历史和特征与地堑系内的正断层是否存在差异，在对这些区域构造背景不同的基岩正断层的研究中，又会对现有的研究方法产生哪些积极的反馈，是今后研究中一个值得思考的方向。

（3）一方面，虽然当前已有许多研究方法用于基岩断层面的古地震研究，但是这些方法本身仍然需要不断的优化和改进。以宇宙成因核素测年方法为例，当前的测试方法主要是针对碳酸岩和含石英矿物的基岩断层面[6,8]，尚无对于其他岩性的基岩断层面开展定年工作报道，这一定程度上限制了可用于开展古地震年代测定的对象和范围。因此，需要针对断层面的不同岩性，发展出相应的测年方法，给予地震事件的年代学框架。另一方面，需要积极引入新的古地震识别方法到基岩断层面研究领域中，以丰富和完善基岩区古地震研究体系。当前，快速发展的高光谱技术和基于Structure from Motion（Sf M）技术的三维图像处理技术[11-12]，可能为从基岩断层面上快速获取元素分布特征和精细形貌结果提供新途径。

（4）断层表面的剥蚀作用和出露后所经历的地表过程，极有可能“抹杀”断层面上记录的地震信息，这对任何一种基岩断层面古地震的识别手段都会造成不利影响。在一些地表过程活跃区，地表过程会严重干扰断层面的出露与保存。因此，在开展基岩断层面古地震研究之前，建议采用本文总结的良好的基岩断层面研究点具有的6个特征对研究点进行甄选，从而快速准确地从研究区选择出适合开展古地震研究的基岩断层面工作点。

5 结语

综上，基岩区断层的古地震研究，拓宽了古地震研究的空间范围和时间尺度，与松散沉积物区的探槽技术结合，有利于给出断裂更加完整的古地震序列和活动历史，从而对区域地震危险性给出更为合理的评价。在具体的工作中，需要多方法相结合、多源数据相融合，及时地优化已有方法、适时地引入新技术，特别要重视对研究点的甄选，注重断裂系的整体性和系统性，推动基岩断层面古地震研究向更大的时空尺度迈进。