日月山断裂南段晚第四纪活动特征

2022-04-16李智敏任治坤刘金瑞张志亮武登云

地震地质 2022年1期

张驰李智敏任治坤* 刘金瑞张志亮武登云

1)中国地震局地质研究所，中国地震局地震与火山灾害重点实验室，北京 1000292)深圳防灾减灾技术研究院，深圳 518003

0 引言

青藏高原东北缘是青藏高原向NE扩展的最前缘，构造活动强烈而复杂，是理解高原扩张的最佳场所(Zhangetal.， 1990， 1991； Tapponnieretal.， 2001；袁道阳等， 2004a)。近年来，国内外学者对该区域进行了地质填图、古地震、构造地貌以及高精度定量研究(Meyeretal.， 1988； Clarketal.， 2010； Duvalletal.， 2010； Yuanetal.， 2013； Wangetal.， 2017)，积累了大量基础资料，对青藏高原东北缘地区晚第四纪活动构造的几何学和运动学特征有了一定了解(张培震等， 2003；邓起东等， 2004；袁道阳等， 2004a； Yuanetal.， 2013； Liuetal.， 2020)。

该地区的地貌演化主要受2组断裂带控制：一组为近EW走向的左旋走滑断裂，如东昆仑断裂带和海原断裂带等，为主要块体边界断裂，近年来对于这些块体边界大型左旋走滑断裂的研究已经较为深入(van der Woerdetal.， 1998； Zhangetal.， 2007)；另一组为NNW向的右旋走滑断裂，如鄂拉山断裂和日月山断裂等，吸收着海原断裂和昆仑断裂间的变形(Duvalletal.， 2010)。在这2组断裂所围限的区域内形成了多个菱形块体，类似“书斜构造”， Zuza等(2016)针对此区域提出了非刚性书斜构造模型，用以定量解释走滑断层与块体顺时针旋转间的关系。其中，鄂拉山断裂和日月山断裂等右旋断裂承担了块体内部旋转的剪切量。被右旋走滑断裂分割出的较小地块会在近EW走向的逆断层上产生变形，通过伸展或地壳增厚吸收应力，如共和盆地、青海南山等(Mandl， 1987)。

鄂拉山断裂带、日月山断裂带是围限青海湖盆地、茶卡-共和盆地以及贵德盆地的重要边界断裂，前人对鄂拉山断裂和日月山断裂的活动性质已经有了一定研究(Yuanetal.， 2011；李智敏等， 2012， 2018；黄帅堂， 2016；简慧子等， 2020)。但前人对日月山断裂的研究主要集中在北段，对南段研究较少。袁道阳等(2004a)在野外考察及航片解译的基础上将日月山断裂北段划分为4段：大通段、热水段、海晏段和日月山段，认为日月山断裂北段是由这4条断裂右阶羽列而成，全新世以来的平均滑动速率为(3.25±1.75)mm/a，垂直滑动速率为(0.24±0.14)mm/a。李智敏等(2018)通过无人机摄影测量以及野外地质调查，认为日月山断裂北段晚更新世晚期以来的右旋滑动速率约为(2.41±0.25)mm/a，全新世以来的右旋滑动速率约为(2.18±0.4)mm/a，垂直滑动速率约为(0.24±0.16)mm/a。葛伟鹏等(2013)利用Loveless块体模型计算得到日月山断裂北段的滑动速率约为1.2mm/a，南段为2.9～4.5mm/a。

日月山断裂作为青藏高原块体内部的主要断裂，其南段的研究程度低，且对断层的精细几何展布、晚第四纪活动习性涉及较少，深入开展研究可以为当地的地震危险性评估提供参考，为青藏高原东北缘扩展变形提供基础数据。本研究基于高分辨率遥感影像解译结合野外地质调查，确定了日月山断裂南段的精细几何展布、最新活动时代与滑动速率，并探讨其与日月山断裂北段的构造关系及其在青藏高原东北缘构造变形中的作用。

1 构造背景

日月山断裂南段也被称为贵德-河南断裂(张波， 2012)或贵德-多禾茂断裂(赵保强， 2010)，是一条以右旋走滑为主、兼具逆冲性质的断裂，整体呈NNW走向，位于海原断裂、东昆仑断裂以及西秦岭断裂这3条深大断裂之间，是青藏高原东北缘巨型左旋体系间的次级断裂，是NNW向右旋走滑断裂体系的重要组成部分。断裂北侧紧邻日月山断裂北段，中间被拉脊山断裂阻隔，西侧与鄂拉山断裂近平行展布，贵德盆地与共和盆地夹持于2条断裂之间，南侧为东昆仑断裂、北侧为海原断裂，东侧为西秦岭北缘断裂，日月山断裂的构造位置复杂而特殊(图 1)。

图 1 青藏高原东北缘区域构造简图Fig. 1 Simplified tectonic map of the northeast margin of the Tibetan plateau.

日月山断裂形成之初为逆冲断裂，在青藏高原的不断隆升与向NE扩展作用下，断层逐渐转换为走滑性质(赵保强， 2010)。断层两侧的中生代花岗岩、闪长岩岩体以及三叠纪砂岩因右旋走滑产生了6.5～7km的位错(图 2)。前人对该断裂的关注较少，认为其为晚更新世活动断裂，全新世活动特征不明显(邓起东， 2007)。但该地区曾发生多次中小型地震，其中2019年青海省泽库县M4.9地震给当地居民造成了极大损失。同时，我们通过野外踏勘、遥感影像解译等工作发现该断裂的线性特征较为明显，断错了冲沟、冲洪积扇、河流阶地等一系列全新世地貌单元，仍然具有一定的潜在地震灾害危险。因此，对该断裂开展精细几何展布、晚第四纪活动习性研究十分必要。

图 2 日月山断裂南段地质图Fig. 2 Geological map of the southern section of Riyueshan Fault.

2 数据及研究方法

近年来，高精度摄影测量技术的兴起和发展大大推动了活动构造的定量研究(邓起东等， 2004； Renetal.， 2018a)。高精度地形地貌数据是活动构造研究的重要基础资料，利用高精度地形地貌数据可以高效、准确地确定断裂的精细几何结构、厘定走滑位错量(Zielkeetal.， 2010， 2012；刘静等， 2013； Renetal.， 2016；刘金瑞等， 2018； Wangetal.， 2019， 2020)，可为研究断层的活动习性、探究断层发震机理、评价断层地震危险性等提供重要数据(张培震等， 2008；艾明等， 2018)。本研究利用高精度遥感影像解译确定断裂的精细几何展布，在典型位错点开展无人机航拍，构建高精度DEM，获取多级地貌面位错量，并结合多级地貌面的测年数据精确厘定断裂的滑动速率。

本研究使用的遥感影像来自于由中国自主研发的“高景一号”遥感影像卫星，其全色和多光谱的分辨率分别达到0.5m和2m，相对于国内外其他高分辨率遥感影像卫星而言具有重访周期短、覆盖范围高的特点，可以满足本研究的要求。

在重要地貌构造单元采用无人机摄影测量技术可获得研究区分米级分辨率的数字高程模型(DEM)，能够较好地反映小区域范围内的地貌形态变化，该方法已被广泛地用于活动构造研究中(Bemisetal.， 2014； Renetal.， 2018b)。本研究采用大疆精灵4RTK无人机进行摄影测量，利用Photoscan软件进建模，获取高精度的DEM数据，分辨率最高可达10cm/pixel。

2.1 断层解译及位错测量

本研究基于ESRI Arcgis软件，对遥感卫星影像上的断层位置、走向、分段等精细几何结构进行目视解译，主要的解译标志为沿断层走向的断层槽谷、断层陡坎、断层崖和伴生的断塞塘，以及断层断错的冲沟、河流阶地和线状山脊。

对于重要的地貌单元，我们在野外获取DEM后，利用Zielke等(2010， 2012)基于MATLAB开发的LaDiCaoz＿v2软件对DEM中不同河流阶地的前缘陡坎进行测量及恢复，以获得最佳水平位错值。

2.2 地貌面定年

本研究采用光释光(OSL)和14C 相结合的方法进行定年。在夏季，日月山断裂南段有比较充沛的降水，植被较多，有大量的有机质沉积物，便于利用14C 方法确定年龄。同时，该地区河流阶地底部砾石沉积上覆细砂可以代表阶地的沉积年龄，废弃阶地顶部上覆底部的最老黄土可以近似代表阶地的废弃年龄(Yvonneetal.， 2006)，故可使用光释光(OSL)获得精确的地貌面年龄。本研究采集的14C 样品在美国Beta实验室进行测试，光释光样品在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室进行测试。

2.3 利用蒙特卡洛模拟法限定滑动速率

利用蒙特卡洛模拟法进行滑动速率研究(Goldetal.， 2011)，是通过对不同期次地貌面及其年龄定量化识别可靠的断错滑动历史，并以此确定走滑速率，该方法可有效降低滑动速率误差，近年来已被证实有很好的效果(Goldetal.， 2016；刘金瑞等， 2018)。本研究所采用的蒙特卡洛模拟法引入了误差矩形窗，矩形窗上、下边界为地貌体年龄的最大、最小值，矩形窗的左、右边界为地貌体位错的最小、最大值，以此边界形成包络线，构成了位错-时间分布函数，通过迭代拟合出1000条滑动路径，并最终确定最佳滑动速率值。

3 断裂的晚第四纪活动习性

3.1 断裂的空间展布

日月山断裂南段全长140km，断层走向近NNW。断裂北起贵德县官色地区，向S依次经过刚察寺、麦秀林场、多幅屯、多禾茂乡，止于开加黑玛尔。根据断层的整体走向、基岩出露及位错展布，可将断裂整体分为2段，北段为贵德段，南段为多禾茂段。

贵德段长约60km，走向大致为 N20°W ，倾角近直立。该段断层多发育在山麓地带，连续性一般，线性特征不明显(图 3)。自官色至刚察，长约9km，断层走向由N5°E 转为近EW，主要表现为基岩山脊被错断，也可见少量冲沟位错及断层泉，沉积物多为黄土堆积。从刚察到旺恰力山西侧，长约22km，断层走向近SN，多发育在花岗岩、闪长岩岩体中，断裂表现为断裂槽谷及断裂两侧山体的基岩位错，从地质图上可以看到该段断层两侧花岗岩、闪长岩及下二叠统砂岩约有6.5～7km的基岩位错(图 2)。从旺恰力山到夏郎勒弄山，长约30km，走向变为 N25°W ，该段的线性特征较好，次级断裂较多，野外可见断层槽谷、线性陡坎、反陡坎、断塞塘、多级河流阶地位错等构造，位错量自几米至上百米不等，主要沉积物为河流相二元沉积物及有机质黏土沉积。

图 3 日月山断裂南段贵德段断层的精细几何展布及地貌特征Fig. 3 Active fault geometry and geomorphological characteristics of the Guide section of the southern section of the Riyueshan Fault.

图 4 日月山断裂南段多禾茂段的精细几何结构及地貌特征Fig. 4 Active fault geometry and geomorphological characteristics of the Duohemao section of the southern section of the Riyueshan Fault.

图 5 基岩断层剖面Fig. 5 Bedrock section of the fault.

南段为多禾茂段，长约80km，断层走向近SN，倾角较陡，多超过60°(张波， 2012)。南段整体的线性特征较为显著，断层连续性较好(图 4)。断层从夏郎勒弄山到多幅屯走向多变，在穿越麦秀林场处断层的第四纪出露较差。从多幅屯至涅玛日，断层走向近SN，断层线性特征清晰，可见断层陡坎、断层崖，水系被错断，可见断头沟、断尾沟以及被错断的多级河流阶地位错。在多禾茂乡大格日村附近可以看到基岩断层剖面(图5a)，接触带可见长十余米的断层破碎带(图5c)，带内岩层强烈破碎。东侧的三叠系砂岩(图5d)整体呈灰色，为板岩与砂岩互层。西侧的白垩系砂岩(图5b)呈紫红色，为中—粗粒度，整体呈块状。断层从涅玛日经扎西态日山到开加黑扎玛尔，沿途可见线性槽谷，有一定的连续性，向S断层逐渐消失。

结合野外观察和室内解译，本研究选择断错现象较好的贵德段日肖隆瓦和多禾茂段涅玛日作为2个典型的滑动速率研究点。

3.2 日肖隆瓦研究区

日肖隆瓦研究区位于黄南藏族自治州正西25km处。断层走向自近SN转为 N25°W ，同时产生了一些近平行的次级断层。主断裂错断了不同期次的河流阶地，可观察到3级河流阶地以及一系列高阶地被错断。研究区内断层陡坎发育明显，在阶地上形成宽约30m的断层槽谷、断塞塘、断层拗陷带。拗陷带形成一系列沿断裂展布的水塘，并可见一系列断层泉。河流几乎垂直于断层发育，河流上游被限制在较窄的河道中，而由于断层的右旋走滑，下游形成的河流阶地不断向S移动，使得部分高阶地形成了闸门脊构造(图 6， 7)。

图 6 日肖隆瓦研究区的断错地貌特征、采样剖面野外照片与素描Fig. 6 Field photos and sketches showing the faulted landform and sampling sites at the Rixiaolongwa study area.

图 7 日肖隆瓦研究区基于高分辨率无人机航测DEM的断错地貌解译图Fig. 7 Interpretation of faulted landform of the Rixiaolongwa study area based on UAV-derived high-resolution DEM.

T1阶地于河流两岸皆有分布，高1～2m，上游河道略弯曲，下游河道较平直。对T1阶地的南侧边缘进行测量，获得T1阶地的水平位错为(26.3±3.1)m。同时在T1挖剖面采集14C 样品，样品年龄为(7840±30)a。

T2阶地仅在河流南侧保留，相对T1高1～1.5m，河流上游阶地狭长，下游阶地较宽，呈舌型。对T2阶地南侧进行位错测量，获得T2阶地的水平位错为(32.7±7.1)m，在T2阶地开挖剖面，并在剖面有机沉积层底部采集14C 样品，年龄为(9380±30)a，在砾石层上的粉砂层底部采集光释光样品，年龄为(10±0.7)ka， 2个年龄具有较高的匹配度，表明T2阶地的年龄应为9350～10700a。

T3阶地在河流上游南、北两侧皆有保留，相对T2高约2m，由于断层右旋走滑，使得下游北侧阶地被侵蚀，仅南侧阶地得以保留，对南侧阶地进行位错测量，获得T3阶地的水平位错为(38.6±8)m。在上游采集光释光样品，得到该阶地的年龄为(11.9±1.3)ka。

在T4阶地同样可以观察到右旋位错，位错量约为155m，拔河约40m。但由于沉积物的留存状况不佳，在该区没有获得合适的年龄样品。

在日肖隆瓦研究区，得到T1、 T2和T3阶地对应的位错分别为(26.3±3.1)m、 (32.7±7.1)m和(38.6±8)m，年龄序列为(7840±30)a、 9350～10700a和(11.9±1.3)ka，利用蒙特卡洛模拟法计算滑动速率，以每个点位错和年龄最大、最小值分别构建误差矩形误差框，在每个矩形误差框中产生1000个随机点，共拟合出1000条拟合线，得到日肖隆瓦研究区距今11.9ka以来的平均水平滑动速率为(3.37+0.55/-0.68)mm/a(图 8， 9)。

图 8 日肖隆瓦研究区基于LaDiCaoz＿v2软件的河流阶地位错测量与恢复Fig. 8 Measurement and backslip of the displaced terrace risers in the Rixiaolongwa study area based on LaDiCaoz＿v2 software.

图 9 基于蒙特卡洛方法模拟的日肖隆瓦研究区的滑动速率Fig. 9 The slip rate of Rixiaolongwa area based on Monte Carlo method.

图 10 涅玛日研究区断错地貌的野外照片、无人机DEM及解译图Fig. 10 Fault geometry and faulted landform of the Niemari study area based on field photo and high-resolution UAV-derived DEM.

3.3 涅玛日研究区

涅玛日研究区位于黄南自治州泽库县东40km处。断层走向近SN，沿断层可见较连续的断层陡坎、冲沟、阶地断错。河流被断层断错，呈“肘”形，发育2级河流阶地，但是由于河流强烈的侧向侵蚀，河流阶地前缘陡坎形状较为曲折，不是理想的位错测量标志，因此本研究中选用阶地面上发育较为平直的冲沟作为位错标志，限定地貌面的最小位错(图 10， 11)。

T1阶地高2～3m，在河流上、下游均有分布，河流北岸T1受到一定侵蚀，南岸保留较好，南岸发育冲沟，通过T1上发育的冲沟可观察到明显右旋位错，位错量为(6.3±0.7)m。采集14C 样品，年龄为(2860±30)a。

T2阶地相对T1高约2m，仅在河流北侧发育，阶地边缘受到河流侧向侵蚀，阶地上可见冲沟位错，位错量为(9.7±1.7)m。对T2阶地剖面上的炭屑进行14C 定年，获得T2阶地年龄为(3460±30)a。

在涅玛日研究区，得到T1、 T2阶地对应的位错分别为(6.3±0.7)m和(9.7±1.7)m，年龄分别为(2860±30)a和(3460±30)a，利用蒙特卡洛模拟法计算滑动速率，得到涅玛日研究区距今3.5ka以来的平均水平滑动速率为(2.69+0.41/-0.38)mm/a(图 12， 13)。

在T1阶地上发现次级断层剖面，自上而下可分为7层。U1为现代灰褐色土壤层； U2为黄色中细砂层，该层被F1错断约15cm； U3为灰褐色粉砂-泥质沉积，被F1错断约20cm； U4为土黄色-灰黑色含砾石中砂层； U5为黄色粉细砂和灰褐色有机沉积物互层，沉积物强烈变形，其中一段细砂层被F1错断约20cm； U6为有机沉积物层； U7为砾石层(图 11)。在U5灰褐色有机物沉积中采集14C 样品，年龄为(2860±30)a，表明该区距今2860a以来存在古地震活动。此外，断裂F1已断错至地表。在贵德段日肖隆瓦研究区与多禾茂段涅玛日研究区均发育较为连续的线性陡坎、断层槽谷、闸门脊、断塞塘、断层泉等断层地貌，使一系列全新世地貌体发生断错，可判断日月山断裂南段是一条全新世活动的断层，其地震危险性值得深入研究。

图 11 涅玛日研究区的采样及最新断错剖面Fig. 11 Sampling sites of the Nierima study area， indicating the occurrence of the most recent earthquake.

图 12 涅玛日研究区基于LaDiCaoz＿v2软件的河流阶地位错测量与恢复Fig. 12 The measurement and recovery of the riser offset in the Niemari study area based on LaDiCaoz＿v2 software.

图 13 涅玛日研究区基于蒙特卡洛模拟滑动速率Fig. 13 The slip rate of Niemari area based on Monte Carlo method.

4 讨论

4.1 日月山断裂南段的分段特征

本文利用“高景一号”遥感卫星影像对日月山断裂南段进行了断层走向、分段、分支的精细解译，认为断层可以分为贵德段和多禾茂段2段。贵德段的走向多变，整体为 N20°W ，主要发育于山麓和基岩之中，表现为沿断层迹线的断层陡坎、断层槽谷等，在日肖隆瓦研究区附近可见河流阶地、山脊位错、断塞塘等现象。多禾茂段整体走向为 N5°W ，断层分支较多，主要表现为沿断层发育的断层崖、断错冲沟、断错河流阶地、闸门脊和断塞塘等。

4.2 日月山断裂南段的滑动速率

滑动速率是活动构造定量研究中重要的参数之一，对认识断层活动性以及地震安全性评价有很大帮助。影响滑动速率的因素有很多，位错误差、年龄误差、位错-年龄匹配度都会影响滑动速率准确性(刘金瑞等， 2018)。本文利用低空摄影测量技术在典型断错地貌点获取的高精度DEM数据可以反映出更加真实、精细的地表变形信息，可帮助提高位错测量的精度。此外，本研究所使用的半自动化测量软件LaDiCaoz＿v2能够通过滑动回复检验位错测量的准确性(Zielkeetal.， 2012； Renetal.， 2016)，可在一定程度上减少人工测量的误差。最终，在贵德段日肖隆瓦研究区不同级别的断错阶地上获得了(26.3±3.1)m、 (32.7±7.1)m、 (38.6±8)m 3个级别的位错量，利用LaDiCaoz＿v2软件分别对3级河流阶地进行位错恢复后，河流阶地上、下游拼接较好(图8b， d， f)，阶地前缘位置较为一致，表明位错测量具有较高的准确性。在多禾茂段涅玛日研究区段，由于河流侧向侵蚀非常严重，我们以阶地上的冲沟位错代替河流位错，获得了(6.3±0.7)m和(9.7±1.7)m 2级阶地位错(图12c， d)。冲沟的形成可能晚于河流阶地，而冲沟累积的位错量可能小于河流阶地废弃以来的累积位错量，故这个点位获得的滑动速率应该是真实速率的下限。

本文采用14C 和光释光(OSL)结合来限定地貌面的年龄，在贵德段获得了(7840±30)a、 (9350～10700)a和(1.19±1.3)ka 3个年龄序列，在多禾茂段获得了(2860±30)a和(3460±30)a 2个年龄序列，年龄序列与地层沉积顺序相互匹配，通过2种方法组合定年，提高了数据的可信度。

此外，在计算滑动速率时，本研究采用的蒙特卡洛模拟方法解决了位错-时间匹配误差的问题，得到的贵德段、多禾茂段的拟合回归系数R2分别为0.9768和0.9558，接近1，证明断层的位错-年龄拟合良好，位错-年龄具有很好的一致性，最终获得的日月山断裂南段贵德段、多禾茂段的滑动速率分别为(3.37+0.55/-0.68)mm/a和(2.69+0.41/-0.38)mm/a。考虑到多禾茂段的滑动速率是最小值，故2段的滑动速率应该更加接近。这一速率与葛伟鹏等(2013)利用Loveless块体模型分析GPS速度场得到的日月山断裂南段滑动速率为2.9～4.5mm/a的结果较为吻合。

在日月山断裂北段的研究中，袁道阳等(2004b)对日月山断裂北段柴陇沟地区的河流阶地进行了调查，得到全新世以来平均滑动速率为(3.25±1.75)mm/a；李智敏等(2018)利用河流阶地位错获得的全新世以来的右旋滑动速率约(2.18±0.4)mm/a。本研究所得到的日月山断裂南段滑动速率与北段基本处于同一量级，表明日月山断裂北段和南段应该是同一构造应力下的产物。前人对鄂拉山断裂的研究也得到与日月山断裂较为相近的速率：周德敏(2005)利用GPS数据得出鄂拉山断裂的走滑速率约为(3.6±0.8)mm/a；袁道阳等(2004a)通过野外考察获得鄂拉山断裂晚更新世以来的平均水平滑动速率为(4.1±0.9)mm/a。以上结果表明日月山和鄂拉山应该是一组对偶分布的断裂，在NE向主应力下，青藏高原东北缘块体发生了NE向缩短及顺时针方向的旋转，使得阿尔金断裂、祁连海原断裂及昆仑断裂发生左旋走滑，而鄂拉山断裂和日月山断裂等发生右旋走滑和NE向压扁，共同吸收地壳缩短。