黄河中下游活动断层分布及其对古河道变迁的影响1

李 峰 张杰汉 卢 巍 张 攀 占伟伟 田勤俭

（中国地震灾害防御中心, 北京 100029）

引言

众所周知，黄河是中华民族的母亲河，在我国5 000 多年文明史上，黄河流域有3 000 多年是全国政治、经济、文化中心。黄河流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省区，在山东省垦利县注入渤海，干流全长5 464 km，落差4 480 m，流域面积接近80 万平方千米，流域内2019 年人口总量为3.24 亿，是国家重要的人口经济带，构成了我国重要的生态屏障。同时，黄河流域横跨世界上最年轻的青藏高原、正在堆积的黄土高原和人口密集的华北平原，地质构造活跃，是我国地质环境最复杂、生态环境最脆弱的地区之一（彭建兵等，2020），也是全球最脆弱的流域系统之一。黄河流域重大灾害分布广、类型多、突发性强, 且灾害往往成链、致灾后果严重，如上游的巨型滑坡、中游的水土灾害和下游的巨型洪灾，据统计，黄河中游地质灾害约占全国地质灾害的1/3（彭建兵等，2016），下游历史上曾发生1 500 多次决口事件, 以及至少26 次大型改道事件（Wang 等，2011），严重影响人类发展空间及生存轨迹，制约城镇发展和国土规划。

黄河流域也是我国遭受地震灾害最为严重的流域，8 级以上地震占全国近1/3，7 级以上地震超过全国1/7。中国历史上死亡人数最多的4 次地震有3 次发生在黄河流域，如1556 年陕西华县发生8¼级地震，死亡人数超过83 万，是世界有史以来死亡人口最多的一次大地震，101 个县（分布于陕、甘、宁、晋、豫5 省，约28 万平方千米）遭受了地震破坏；1937 年8 月山东菏泽发生7 级地震，破坏区涉及鲁、豫、冀、苏4 省44 个县，普遍发生地裂，涌黑水及沙，倒塌房屋32 000 余间，死亡390 余人（兰恒星等，2022）。黄河流域上游土壤侵蚀严重，中下游河道含沙量过高，在地震活动影响下，极易发生次生灾害，不仅带来巨大的生命和财产损失，而且对流域的河道和水利工程设施造成严重破坏。已有研究成果中，对沿黄河地区地震诱发地质灾害的研究主要集中在上游的新构造活跃区（潘保田等，1996；彭建兵等，2004），中下游致灾因子的研究大多集中在气候变迁与泥沙淤积的影响（王涌泉，2007；张金良等，2018），尤其是悬河突出河段的堤防溃决风险（王开拓，2018）。

黄河中下游的防洪工程体系是我国黄淮海平原的生态安全保障，也是保障我国“黄河流域生态保护和高质量发展”战略安全的重要依托，由于修筑于不同时期的防洪工程质量参差不齐，加上历史堵口使用的料物腐烂及生物破坏等，存在堤基管涌及堤身滑塌等众多险点隐患，均与堤基的地质条件密切相关。考虑到活动断层是地震灾害的元凶《活动断层探测》（GB/T 36072-2018）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2018），当地震发生时断层沿线的建构筑物破坏、人员伤亡最为严重，是威胁黄河堤防工程体系和沿岸城市地质安全的关键危险源，因此有必要加强对黄河沿岸活动断层分布特征的研究。

近年来，随着沿黄河中下游地区一系列活动断层探测项目的开展，对部分与黄河相交断裂的活动性取得了新认识，发现了一些新的活动断层，进一步明确了这些断层的展布位置与活动特征，对认识区域地震危险性、识别沿黄河中下游的地震危险源有重要影响，同时也进一步揭示了历史上黄河河道变迁可能受到这些断裂活动的控制。

1 黄河中下游地区的活动断层分布特征

黄河中下游地区主要经过鄂尔多斯块体、华北盆地和鲁西隆起3 个新构造单元（邓起东，1985），图1展示了本区活动断层的分布情况，其中主要活动断层的特征参如表1 所示。

表1 黄河中下游主要活动断层一览表Table 1 The list of active faults along middle and lower reaches of the Yellow River

续表1

图1 黄河中下游区域地震构造图Fig. 1 Seismotectonic map of the middle and lower reaches of the Yellow River

黄河中游河段自内蒙古托克托县河口镇至河南洛阳市孟津县，途经区域除晋陕峡谷属于鄂尔多斯块体内部的构造稳定区外，在北部起点附近，与位于鄂尔多斯块体北部的河套盆地南边界断裂鄂尔多斯北缘断裂（F1）相交，附近还发育有构成河套盆地东边界的和林格尔断裂，2 条断裂均为晚更新世活动断层（邓起东等，1985；徐锡伟等，2015）。

黄河中游南段与鄂尔多斯块体东南部的汾渭地堑系相交，其以峨嵋台地、中条山隆起为界，自北向南分为临汾盆地、运城盆地和灵宝-三门峡盆地，过黄河以西后归并入渭河盆地。其中构成临汾盆地北边界的韩城断裂（F2）、南边界峨嵋台地北缘断裂（F3）和构成运城盆地南边界的中条山北麓断裂（F5）、构成灵宝-三门峡盆地南边界的华山山前断裂（F6）为全新世活动断层，构成运城盆地北边界的双泉-临猗断裂（F4）和构成灵宝-三门峡盆地东南边界的温塘断裂（F7）为晚更新世活动断层。

自孟津县以下的黄河下游穿过了华北盆地内部以新乡-商丘断裂（F10）、聊城-兰考断裂（F12）等为界的多个次级新构造单元。新乡-商丘断裂新发现了多个晚更新世活动段，聊城-兰考断裂为全新世-晚更新世活动断层，附近在黄河南岸发育的开封断裂（F11）、东明-成武断裂（F13）也是晚更新世活动断层。此外，位于黄河北岸、构成太行山隆起南边界的盘古寺-新乡断裂（F8）和构成太行山隆起东南边界的汤东断裂（F9），以及位于黄河三角洲地区的无棣-益都断裂（F14）和埕南断裂（F15）等均为晚更新世活动断层。

2 黄河中下游活动断层探测进展

在黄河中游北段的河套盆地，已完成呼和浩特、包头的城市活断层探测，其目标区均位于盆地北部。对盆地南部边界断裂的研究中，仅有目前正在开展的鄂尔多斯市达拉特旗城市活断层项目，已发现鄂尔多斯北缘断裂（F1）由多条晚更新世活动的分支断层组成，其东段在托克托县附近横穿黄河，在深、浅地震反射剖面上呈“Y”字形分布，是一条规模较大的盆地边界断裂，单支断裂的同震垂直位移量约2～2.5 m。另外，正在实施中的内蒙古地震风险普查项目对构成河套盆地东边界的和林格尔断裂布置了活动性鉴定工作，以往资料认为该断裂未穿过黄河。

黄河中游南段与汾渭地堑系的3 个次级活动盆地相交，各盆地的边界断裂均具有较高的地震危险性。其中，构成临汾盆地北边界的韩城断裂（F2）、南边界峨嵋台地北缘断裂（F3），构成运城盆地南边界的中条山北麓断裂（F5），构成灵宝-三门峡盆地南边界的华山山前断裂（F6）在2011-2015 年开展过1:5 万活动断层填图，研究程度和断层定位精度较高，均具有全新世活动段和7.5 级以上发震能力。例如，扈桂让等（2017）确定了韩城断裂从禹门口一带的基岩山地与洪积扇地层后缘之间通过，断错最新时间为6.0～12.4 ka，平均复发周期为7.84 ka，最新垂直滑动速率为0.06～0.13 mm/a；司苏沛等（2014）通过探槽揭示中条山北麓断裂在距今3 万年以来发生过9 次以上古地震事件，平均活动时间间隔为3 300 a，平均最小断距约为1.9 m，最小垂直活动速率为0.6 mm/a。此外，三门峡城市活断层项目明确了温塘断裂（F7）晚更新世活动的可靠证据。本区其他断裂研究程度有限，但近年来在附近开展的陕西渭南、山西运城、河南三门峡等城市活断层探测项目，不断发现有新的盆地内部隐伏活动断层，预期今后对这些活动盆地内部的发震构造还会有新的认识。从目前资料看，韩城断裂、双泉-临猗断裂与黄河相交，峨嵋台地北缘断裂、中条山北麓断裂、温塘断裂在延伸方向上均直抵黄河，温塘断裂可能是1815 年山西平陆6¼级地震的发震构造，邻近的华山山前断裂是1556 年陕西华县8¼级地震的发震构造（张安良等，1989），需要考虑上述断裂在发生中强以上地震时对黄河堤防稳定性可能产生的威胁。

黄河下游的河南段，随着焦作、新乡、郑州、开封、鹤壁、濮阳等城市活断层探测项目及相关研究课题的工作进展，认识变化最显著的是关于新乡-商丘断裂（F10）的活动时代，以往资料均认为该断裂为早-中更新世断裂，近年来通过“河南省地震构造探查工程”发现了可靠的晚更新世活动证据。新乡-商丘断裂是南华北盆地与北华北（渤海湾）盆地、鲁西隆起的分界线，西起新乡，东经兰考向商丘一带延伸，总体为近NWW 向展布，长约250 km，断裂以北构造线为NE-NNE 向，以南为NW-NWW 向，该断裂分段发育，倾向多变，具有走滑性质（许立青等，2013；王志铄等，2018），是一条形成时间早、切割深度大、长期活动的断裂（侯江飞等，2021）。断裂自西向东分为延津段、封丘段、兰考-民权段、商丘段和永城段，张扬等（2021）通过浅层人工地震和钻孔探测确定该断裂延津段最新活动时代为晚更新世早期，永城段最新活动时代为晚更新世早、中期。

在新乡-商丘断裂以南，开封断裂带距离黄河南岸约20 km，钻孔联合剖面揭示开封断裂（F11）东支的上断点埋深27～35 m，最新活动时间为晚更新世。在新乡-商丘断裂以北，分布有走向NE、基本与黄河平行展布或斜交的聊城-兰考断裂（F12），以及与NW 走向的新乡-商丘断裂平行展布的东明-成武断裂（F13）等，由于这些断裂展布于豫东、鲁西之间，以往开展的系统性探测不多，可靠的断层活动性鉴定成果较少。其中，聊城-兰考断裂是1937 年菏泽7 级地震的发震构造，范县-东明一带相对研究程度较高（向宏发等，2000），具有全新世活动特征；河南境内最新探测成果认为聊城-兰考断裂南段的构造样式为伸展走滑断裂尾端“马尾扇”结构，其最新活动时代是中更新世中晚期，晚更新世以来不活动，可能属于断裂尾端效应。从水系发育特征看，黄河在1855 年铜瓦厢决口后的流向与新乡-商丘断裂平行，而现代黄河干流的流向在兰考以北由近东西折向北东，可能受到聊城-兰考断裂新活动的影响。

在新乡-商丘断裂以北，黄河北岸的太行山东南缘距离黄河约30 km，是有历史记载以来最早的黄河故道经过地区，发育近东西走向的盘古寺-新乡断裂（F8）和北东走向的汤东断裂（F9），具备中强以上地震的发震能力。“河南省地震构造探查工程”最新工作根据物探剖面、地质标准孔和地层剖面出露特征，确定盘谷寺-新乡断裂分为3 段，并改变了前人对东、西2 段活动时代的认识。该断裂西段最新活动时代为中更新世，具有向盆地迁移发育的特征；中段最新活动时代为晚更新世早期；东段活动性稍复杂，经历了正断-逆冲-正断的运动过程演变，其最新活动时代为晚更新世早期，且向两端活动性逐渐降低，1587 年修武东6 级地震可能与该断裂有关。在盘古寺-新乡断裂东段以北，北东走向的汤阴地堑南段是由汤东断裂和汤西断裂共同控制的地堑构造，而汤阴地堑北段是由汤东断裂所控制的“半地堑”构造（韩慕康等，1980）；近年来探测成果表明（刘保金等，2012），汤东断裂分为斜列的东、西2 支，为晚更新世活动断层，鹤壁城市活断层项目联合应用地质雷达和浅层人工地震方法，结合沉积速率推测汤东断裂西支的最新活动时代为22～24 ka。

在下游的黄河三角洲地区，第四系沉积较厚，以往地震地质工作基础薄弱。在滨州城市活断层探测中，采用浅层地震勘探和钻孔联合剖面探测相结合的方法，获得近东西走向的埕南断裂（F15）及其南侧与之平行的陵县-阳信断裂等错断晚更新世地层的证据。埕南断裂上断点埋深44.3～46.4 m，断距0.8～1.2 m，最大潜在地震为6.5 级，改变了滨北地区地震活动性弱的既有认识。但对于该地区NW 走向的无棣-益都断裂（F14），虽然其南段在临朐东南附近为活动断层（王华林等，1989），但在穿过黄河干流附近段是否仍具有晚更新世活动性，仍有待进一步确认。

3 黄河中下游河道变迁与活动断层的关系

黄河中游流经河套盆地、鄂尔多斯断块隆起、汾渭盆地、豫西隆起至华北盆地，三大盆地构成的侵蚀基准面呈阶梯状下降，盆地普遍发育活动断层。有理由推测，这些断裂的长期活动导致史前黄河流域自河套古湖至三门古湖之间的侵蚀基准面下降（程绍平等，2002），是黄河形成、贯通的重要因素。

根据影像解译和历史研究，黄河下游的流向与周边沉积特征受构造活动的制约（许立青等，2013），西汉时期至宋元时期黄河沿郑州荥阳桃花峪经新乡、濮阳市进入河北，基本沿太行山东麓断裂带展布；1234-1855 年，黄河夺淮，从东坝头经商丘、夏邑、砀山、肖县进入徐州地区，基本沿新乡-商丘断裂带展布，清朝开始改行现行河道，沿聊城-兰考断裂带展布。由此推测历史上的黄河改道可能与断裂活动及周边断块差异性升降有关。

由图2 可以看出，历史上黄河下游河道的变迁与新构造时期不同活动断层控制的沉降凹陷有直接关联。最早有记载的禹河故道（早于公元前602 年，据Wang 等，2011）沿着太行山东南缘的汤阴地堑、临清凹陷、冀中凹陷发育，经过现代白洋淀的位置由海河口入海，基本与济源-邢台-保定-唐山新生地震断裂带走向重合，沿线除了发育盘古寺-新乡断裂、汤东断裂、海河断裂以外，近年来还在雄安新区附近发现了牛东断裂等晚更新世活动断层，不排除今后在这一区域还会发现新的活动断层。此后黄河向东摆动，北宋故道流经临清凹陷、黄骅凹陷，汉唐故道由济阳凹陷入海，上述3 组黄河北流的故道之间有沧县凸起和埕宁凸起相隔。

图2 黄河中下游河道变迁与新构造单元分布关系示意图Fig. 2 Schematic diagram of the relationship between channel change and Neotectonic unit in the middle and lower reaches of the Yellow River

挽近时期黄河河道向东南摆动，经由内黄凸起以南的开封凹陷、东濮凹陷和济阳凹陷，明显受到聊城-兰考断裂等全新世活动断层的控制。向东由于受鲁西隆起的阻隔，历史上黄河南流、夺淮入海的金元故道、明清故道，又受到北西走向的新乡-商丘断裂和近东西走向的开封断裂等控制的一系列凹陷影响，不排除今后在这一区域也会继续发现新的活动断层。

4 黄河中下游活动断层探测工作现状分析

近年来，在中国地震局和内蒙古、山西、陕西、河南、山东各省区地方政府的大力支持下，沿黄河中下游开展了一系列活动断层探测工作，在该地区取得了较多新的认识、厘定了部分活动断层的准确位置与分段活动特征，其成果对客观、科学开展区域潜在震源区划分、地震危险性评价以及黄河中下游沿岸的地震危险源识别具有重要意义，为城市及国土规划提供了可靠依据。

但是，目前的工作成果由于受到探测投入和施工条件限制，对于平原隐伏区的活动断层认识仍存在不确定性，例如晋、陕交界盆地的双泉-临猗断裂与黄河相交位置尚未查明，豫、鲁交界地区黄河沿岸的聊城-兰考断裂分段活动特征尚未开展全面探测，黄河南流故道经过皖北、苏北地区的北西向断裂可能也存在一些活动段，黄河北流故道沿线的北华北盆地在以往探测较少的厚沉积区仍可能存在未知活动断层；另外，沿黄河地区有些遥感线性影像特征显著的断裂尚未开展可靠的活动性鉴定，如构成济源凹陷西边界的封门口-五指岭断裂等。

图3 展示了目前已开展1:50 000 活动断层填图或城市活动断层探测的目标区范围，并按照上述分析尝试提出了今后需要加强探测的优先目标区。其中，黄河下游历史故道经过的地区，大多位于尚未开展过活动断层探测的空白区域，例如鲁西地区的德州、聊城、菏泽与豫东地区的商丘。针对此类问题，有必要通过加强跨省或跨地区的政策协调，推动开展相关工作规划与探测。

图3 黄河中下游活动断层探测目标区范围Fig. 3 Target area of active fault detection in the middle and lower reaches of the Yellow River

5 结论及讨论

近年来，黄河中下游沿岸活动断层探测工作厘定了一系列活动断层的准确位置与分段活动特征，其中与现代黄河河道相交的断层中，位于黄河中游的韩城断裂和位于黄河下游的聊城-兰考断裂为全新世活动，具有发生7.0～7.5 级地震的危险性；位于黄河中游的鄂尔多斯北缘断裂、双泉-临猗断裂、温塘断裂和位于黄河下游的新乡-商丘断裂为晚更新世活动，具有发生6.0～6.5 级地震的危险性。另外，邻近黄河河道的中条山北麓断裂、华山山前断裂、盘古寺-新乡断裂、汤东断裂、开封断裂、东明-成武断裂、无棣-益都断裂、埕南断裂等活动断层的地震危险性也可能对黄河堤防工程的安全造成一定影响。上述断裂的长期活动并控制周边沉降盆地发育，明显影响了历史时期黄河流向与河道的变迁。考虑到这些断裂活动可能诱发严重的地震地质灾害，是威胁黄河堤防工程体系和沿岸城市地质安全的关键危险源，加上其中部分断裂存在活动特征或位置的不确定性，建议有针对性地加强相关探测工作规划。

从已有工作经验看，黄河中下游经过多个新构造区，不同新构造区的活动断层分布特征不同，研究方法也有差异。针对中游南段汾渭地堑系的各盆地边界裸露断层，可以采用活动断层大比例尺填图的手段，结合探槽开挖和年代学测试确定其活动特征；但针对鄂尔多斯周缘活动盆地内部和黄河下游平原区发育的隐伏断层，由于断层上断点埋藏较深，需要利用浅层高分辨率人工地震勘探与钻孔联合地质剖面相结合的技术方法，探测断层位置及其上断点埋深，在浅覆盖区还可结合地质雷达等手段进行综合探测。

另外，由新发现存在活动断层段的新乡-商丘断裂的深、浅构造特征看，受区域应力场和基底构造影响，位于厚沉积区的大型走滑断裂因其分段雁列式平面展布特征，难以通过局部简单的浅部地质或物探手段开展全面的活动性鉴定，导致其地震危险性容易被低估。因此针对厚沉积区隐伏活动断层，需要加强探测方法研究，尤其是通过沉积特征分析和深、浅构造联合反演，必要时可以利用密集台阵等新技术加强二、三维联合地震勘探。

致谢 感谢内蒙古自治区地震局、山西省地震局、陕西省地震局、河南省地震局、山东省地震局和中国地震局第一监测中心等单位领导和技术专家的大力协助，感谢审稿专家提出宝贵意见和建议。