新疆阜康断裂带中段大黄山探槽晚第四纪沉积物的光释光测年

2014-12-14戴训也吴传勇杨会丽

地震地质 2014年4期

关键词：探槽阜康砾石

戴训也沈军吴传勇杨会丽

1)中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

2)防灾科技学院，燕郊 065201

3)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011

4)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

0 引言

新疆阜康断裂带位于东天山博格达弧形推覆构造区(图1)，是典型的弧形逆冲活动断裂带。断裂带总体呈近EW的向N凸出的弧形，其控制着东天山北缘的第四纪构造演化和地貌发育，同时是博格达山与山前平原区的分界线。沿断裂有清楚的断层陡坎，已有的结果表明，晚更新世晚期以来存在多期活动，形成的陡坎高度可达10m(柏美祥等，1997;汪一鹏等，2000;尤惠川等，2003;吴传勇等，2005，2013)。

光释光测年法和14C测年法是用来限定晚第四纪古地震和断裂活动发生时间常用的方法。在中国西北干旱、半干旱地区，很难找到合适的14C测年物质。光释光测年对象是石英、长石等常见矿物，而与活动构造和古地震相关的第四纪沉积物中富含石英、长石等矿物，这使得光释光测年技术成为干旱、半干旱地区活动构造研究中重要的测年方法之一。光释光测年法经过近20年的发展，在几十年至十万年的测年范围内已经获得与独立年龄一致性很好的结果(Murray et al.，2002)。有研究者利用该技术成功地获得与古地震相关的年代(Lu et al.，2002;Chen e t al.，2006;Fattahi et al.，2006，2007;Thomas et al.，2007;Rittenour，2008;Fattahi，2009;刘进峰等，2010;Liu et al.，2010)。本文将通过对新疆阜康断裂带大黄山探槽测年样品年龄结果分析，确定阜康断裂带中段的滑动速率及最新1次古地震事件发生的时代。

图1 阜康断裂带中部大黄山探槽位置分布图Fig.1 The location of Dahuangshan trench，Fukang Fault.

1 大黄山探槽剖面地层和样品的采集

大黄山探槽剖面处于东天山博格达弧形推覆构造区阜康断裂带中部(图1)，探槽跨断层陡坎，陡坎上下原始面垂直高差约为1.8m(图2)。探槽剖面出露地层可划分为15个地层单元(图3)，共采集了23个光释光样品来限定古地震事件发生时间。

层①:黄色含砾粉土层，坡积和风积作用形成，取样品1个，编号DHS－TL－01;

层②:黄色粉土层，风积和坡积作用形成，上盘少量残留，取样品3个，分别编号DHSTL－02、DHS－TL－03及TL－01;

层③:黄色、浅褐色砾石层，坡积作用形成，砾石磨圆较差，上盘有残留;

层④:黄色含砾粉土层，坡积和风积作用形成，也有水流作用，略带层理，上盘为薄层透镜体，取样品4个，分别编号DHS－TL－05、DHS－TL－06、DHS－TL－07及TL－02;

层⑤:黄色砾石层，坡积作用形成，粒径2～5cm，砾石磨圆较差;

层⑥:黄色含砾粉土层，坡积、风积及水流作用形成，略带层理，取样品4个，分别编号DHS－TL－4、DHS－TL－08、DHS－TL－09及TL－03;

层⑦:黄褐色砾石层，含粉土，坡积和风积作用形成，砾石磨圆较差;

层⑧:黄色粉土层，坡积、风积及水流作用形成，略带层理，取样品4个，分别编号DHS－TL－10、DHS－TL－11、DHS－TL－12及TL－04;

图2 实测大黄山探槽断错地貌Fig.2 Measured fault scarps of Dahuangshan trench.

图3 大黄山探槽西壁剖面图Fig.3 Schematic drawing of the west wall of Dahuangshan trench.

层⑨:黄褐色砾石层，含粉土;

层⑩:黄色粉土层，风积作用形成，略带层理，取样品2个，分别编号DHS－OSL－01与DHS－OSL－03;

层⑪:黄褐色粉土、砾石互层，互为透镜体交错，上盘为含粉土砾石层，坡积为主，掺风积黄土，以黄褐色与下伏地层区分，取样品3个，分别编号DHS－OSL－02、TL－05及TL－06;

层⑫:断层上盘为青灰色砾石层、含砾粉土层，砾石最大直径50cm，断层下盘为含砾粉土透镜体，透镜体之下为黄色致密粉土层，取样品1个，编号TL－07;

层⑬:黄褐色砾石层，洪积形成，分选差;

层⑭:黄色含砾粉土层，取样1样，编号DHS－TL－13;

层⑮:灰黄色砾石层，砾石磨圆较好。

2 光释光测年

所有的实验工作均在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室释光实验室完成。样品等效剂量测量是用丹麦Riso TL/OSL－AD－20型释光测量仪完成的，激发光源分别为蓝光(波长:(470±20)nm，最大功率:45mW/cm2)和红外光(波长:(880±40)nm，最大功率:135mW/cm2)，测量时激发光强为最大功率的90%，光释光信号通过EMIQA9235型光电倍增管(PMT)检测，在激发光源和PMT之间附加2块U－340滤光片(厚度分别为2.5mm和4.5mm)。辐照源为Riso TL/OSL－AD－20型自动测量系统机载β源，源强度为0.105 1Gy/s。

2.1 样品前处理

前处理在微弱红光下的暗室内完成，所采用的光释光样品常规化学处理方法如图4(Aitken，1998;陈杰等，1999;杨会丽等，2011;赖忠平，2013)。

2.2 等效剂量测量

对样品LED12－297经氟硅酸刻蚀后的细颗粒石英组分采用单片再生法(Murray et al.，2000)进行了预热坪实验(图5)。结果表明，该样品的等效剂量值D e在220～260℃温度区间内呈现一坪区，相应的循环比率在0.9～1.1，回授信号强度也＜5%。因而测量过程中可采用220～260℃温度范围内的任意一个预热温度。该样品剂量恢复实验结果(图6)显示，在220～260℃的预热区间内，剂量恢复比率均为0.9～1.1，说明在此预热温度范围内该实验流程可行，释光感量校正是有效的。

对经氟硅酸刻蚀后的细颗粒石英组分，采用简单多片再生法(王旭龙等，2005;Lu et al.，2007)进行等效剂量的测试，测量流程见图7。等效剂量的计算取释光信号发光曲线第1s的OSL信号强度减去最后l0s的平均值。典型样品光释光信号衰减曲线和生长曲线见图8。

2.3 环境剂量率测定

用美国Daybreak 582型厚源α计数仪(Aitiken，1998;王同利等，2005)对样品的铀和钍的α计数率进行了测定;用火焰光度计测定了钾含量。在计算年龄时，α系数采用0.045±0.005(Rees-Jones，1995)。根据Aitken(1998)提出的石英矿物吸收环境剂量率与环境中铀和钍(以α计数率表示)、钾含量之间的转换关系，同时考虑了宇宙射线和含水量对剂量率的影响，计算出各样品的环境剂量率。

图4 细颗粒石英前处理流程Fig.4 Flow chart of pretreatment to abstract the 4 ～11μm fine-grained quartz.

图5 样品LED12－297等效剂量、回授比率、循环比率与预热温度的关系Fig.5 Plots of D e，recuperation and recycling ratios as a function of preheat temperature for sample LED12－297.

3 年龄结果

图6 样品LED12－297的剂量恢复比率与预热温度的关系Fig.6 Plots of Dose recovery ratio as a function of preheat temperature for sample LED12－297.

图7 SMAR法测量流程Fig.7 Fine-grained quartz SMAR protocol used in this study.

大黄山探槽光释光样品的环境剂量率、等效剂量相关数据以及年代结果见表1。样品年龄表现为上部地层新，下部地层老，与地层的时序一致性较好。最顶部的层①样品年龄为1.90ka，层②的样品年龄为(3.47～4.64)ka，层④的样品年龄为(5.54～6.24)ka，层⑥年龄为(5.81～8.78)ka，层⑧年龄为(18.88～23.22)ka，层⑩年龄为24.09ka，层⑪年龄为(28.21～50.48)ka，层⑫年龄约为54.11ka，层⑭年龄约为75.59ka。断层错断的最新地层为层②，在层②上覆盖了粉土层①。最顶部的层①样品年龄为1.90ka，层②的样品年龄在(3.47～4.64)ka，据此可以确定断层的最新1次古地震事件发生在(1.90±0.14)ka～(3.47±0.17)ka，阜康断裂带为全新世活动断层。

4 滑动速率与最新1次古地震事件的时代

图8 样品LED12－115和LED12－116光释光信号衰减曲线和生长曲线Fig.8 OSL decay and growth curves for sample LED12 －115 and LED12 －296 using the SMAR protocol.

为了准确地获得断层的垂直滑动速率，选取了断层上、下两盘中的对应地层的年龄和位移量来计算。由图3可见，在断层上盘地层⑪的样品年龄为(25.92±2.25)ka，在断层下盘地层⑪顶部的样品年龄为(28.21±1.71)ka。而地层⑪总的位移量除了错断所产生的，还应该考虑弯曲褶皱变形的位移。从图3中可以得到错断的垂直位移量为(3.2±0.3)m，褶皱变形的位移量为(1.3±0.3)m，因此地层⑪总的垂直位移量为(4.5±0.3)m。通过计算可知，晚更新世以来断层平均垂直滑动速率为0.17mm/a。

本次研究所得的断层垂直活动速率与前人主要结果有一定的差异:柏美祥等(1997)认为，阜康活断层的平均垂直活动速率＞0.12mm/a;汪一鹏等(2000)认为，博格达推覆构造垂直位移速率为0.7～0.8mm/a;尤惠川等(2003)认为，阜康断裂带端部全新世平均垂直滑动速率为0.10～0.40mm/a，中部全新世平均垂直滑动速率＞1.00mm/a;吴传勇等(2013)认为，阜康断裂带甘河子段晚第四纪以来的平均垂直滑动速率为0.34～0.43mm/a。出现以上差异的可能原因如下:

(1)博格达北缘晚第四纪活动山前断裂主要有3条，此次探槽所跨断层只是博格达山前逆冲变形的一部分，不同部位断层的活动速率很可能会不同。

(2)逆断层的垂直变形分为断错变形和褶皱变形。断错变形所反映的垂直变形速率也只是整个逆冲变形的一部分，当只考虑其中的一种变形时，就会出现结果的偏差。