山西浮山断裂的晚第四纪活动与位移速率

闫小兵 周永胜 李自红 扈桂让 任瑞国 郝雪景

1)山西省地震局， 太原 030002 2)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

图 1 浮山断裂展布Fig. 1 Distribution of the Fushan Fault.a 鄂尔多斯周缘的断裂展布， 黑色方框是浮山断裂的位置； b 浮山断裂地质图(A点为前交村断裂的位置； B点为基岩断层面形貌识别的位置)

目前， 评价浮山断裂活动性主要依据该断裂的地震活动记录， 而不完整的地震活动记录(包括历史记载和现代仪器记录)将导致对活动断裂地震危险性的低估(邓起东等， 2008)。野外调查显示， 浮山断裂既展布于第四系覆盖的沉积区， 也同时展布于基岩区。为客观评价浮山断裂地震危险性， 本研究针对浮山断裂晚第四纪活动和位移滑动速率开展定量研究， 在沉积覆盖区(图 1，A点)开挖第四系断裂剖面， 通过测年结果分析浮山断裂的最新活动时代并揭示断裂晚更新世以来的活动情况和位移速率等参数。基于断裂剖面古地震识别技术能够准确地获得断裂晚第四纪以来的活动期次和运动特征， 该方法已经成为沉积区断层的运动特征定量研究的主要手段。

为验证浮山断裂晚第四纪以来的活动， 在浮山断裂乔家坡基岩覆盖区， 利用t-LiDAR获取浮山断裂基岩断层面的高精度形貌数据， 提取其蕴含的地层错断信息(图 1，B点)。断层崖面记录了丰富的地层错断信息， 其形貌特征与出露时间相关， 出露地表后受风化作用影响会出现形貌差异， 通过识别基岩断层面的形貌差异条带可以确定地层错断次数和每次错断的抬升量(Stewart， 1996； 何宏林等， 2015)。最后， 根据浮山断裂研究成果， 对1209年浮山地震的发震构造进行探讨。

1 前交村断裂剖面揭示的断层活动及位移速率

前交村位于浮山县城东北约2km处， 在该研究点处浮山断裂从第四系沉积物中通过。本研究采用小型无人机航测技术对该目标区开展了航拍， 获取了高精度地形地貌数据DEM(图2a)和高分辨率的正射影像(图2b)， 经室内解译发现浮山断裂位置明确、 断错地貌清晰、 延续性好且无分支断层。

图 2 前交村一带的DEM和正射影像及前交村的断裂位置Fig. 2 DEM and orthophoto and location of the Fushan Fault at Qianjiao village.

1.1 揭示的地层信息

基于DEM数据和航测影像分析结合野外地质调查， 选择图 2 中探槽处的断层面进行开挖和清理(图 3)。依据断层剖面揭露的不同标志性地层的位移量差、 崩积楔等正断层活动的标志， 识别地层的错断期次和错断位移量， 并在多套标志性地层内采集了测年样品以限定断层的活动时间。

图 3 前交村断裂剖面图Fig. 3 Fault profile in Qianjiao village.①—⑤为地层单元编号； a、 b为崩积地层单元； 五角星为采集年代样品的位置， QJC-01、 QJC-02为样品编号； 双箭头黑粗线、 点虚线及旁边的数字表示断层两侧地层单元或地貌面的位错量

前交村断裂剖面共出露 5 套地层和1套崩积楔(图 3)， 由顶至底地层描述如下：

①浅黄色粉土， 为洪坡积相沉积， 土质松散， 层理明显， 局部夹小碎石团块。

②杂色卵石、 砾石层， 河流相沉积， 分层明显， 局部为粉细砂， 最大粒径为22cm。

③黄色粉质黏土， 冲洪积相沉积， 局部含粉细砂。

④杂色卵石层， 密实， 含粉质黏土， 分层不明显， 局部夹砾石小团块。

⑤褐黄色—褐红色粉土， 密实， 分层不明显。

崩积层a、 b， 砾石、 粉土混杂堆积， 略有成层性。

1.2 揭示的断裂活动信息

前交村断裂剖面共揭示1条主断层， 断层错断剖面内所有地层， 根据断层两侧相同层位不同的断错量， 分析得到浮山断裂在前交村断裂剖面的地层错断信息如下：

(1)本剖面揭示出的最老地层为堆积地层⑤； 在地层⑤沉积之后， 接着堆积地层④；

(2)随后堆积地层③和地层②， 之后发生1期断裂活动， 将地层②—⑤错断， 堆积崩积层b； 在层b中可识别粗、 细二元结构；

(3)最新堆积地层①覆盖了上次断错的所有地层。在堆积到一定厚度之后， 发生最新一期地层断错事件， 将包括地层①在内的所有地层全部错断并形成崩积层a。层a因人工和自然改造而局部出露， 不能识别堆积结构和期次。

1.3 错断事件及位移速率

前交村断裂剖面显示： 浮山断裂在距今17～7ka期间的平均位移速率为0.2mm/a， 距今7ka以来的平均位移速率为0.56mm/a， 平均位移速率有增大的趋势。按照《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)(中华人民共和国建设部， 2009)第5.8.3条， 浮山断裂平均活动速率介于1mm/a和0.1mm/a之间， 属于中等全新世活动断裂， 未来发生MS6 ～7地震的概率非常高， 其危险性值得关注。

2 乔家坡基岩断层面形貌特征揭示的断裂活动

任何一个出露于地表的断层面的形貌都是由以断层活动为代表的内营力和以侵蚀风化作用为代表的外营力共同作用的结果(何宏林等， 2015)。构造活动使断层面的形貌特征在内营力的作用下具有明显的各向异性特征， 平行和垂直滑动方向的断层面的复杂度和粗糙度存在显著差异(Sagyetal.， 2007)。风化-侵蚀活动使断层面的形貌特征趋近于各向同性。一个出露完整的基岩断裂面是蕴含构造运动信息和风化-侵蚀信息的集合体。

目前研究基岩断层面形貌特征的方法主要有2大类， 即基于剖面线的一维分析法(Poweretal.， 1988， 1991； Renardetal.， 2006； Candelaetal.， 2009)和基于滑动窗口技术的二维分析法。一维分析法具有明显的方向性， 与所拉取的剖面线的方向相关， 会随着剖面线位置的改变而改变， 常用于探索断层面形貌与破裂过程的相关性(Poweretal.， 1987； Daviesetal.， 1999)。对于出露时间较久、 经受侵蚀风化作用较强的断层面， 若要量化断层表面的侵蚀风化程度在倾向上的变化， 进而得到断层面的出露时间、 揭露断层面的出露方式， 并通过断层突然错动形成的非连续形貌特征识别古地震事件， 则需要采用不依赖于方向性的二维分形分析方法。

2.1 基岩断层面形貌数据采集

在浮山断裂沿线发育大小不一、 规模各异的基岩断层面。经实地调查确定， 乔家坡村东200m处(图1b，B点)的三叠系灰岩断层面出露较好， 规模最大， 保存相对完整， 且远离人为活动的痕迹(如水坝和建筑物)和强烈的流水侵蚀作用。本研究以该基岩断层面为实验场所， 开展基岩断层面高精度形貌数据的采集和分析工作， 以提取浮山断裂在基岩区的晚第四纪活动信息。

本次野外形貌测量使用的仪器为陆基LiDAR(三维激光扫描仪Trimble GX)， 以测站为基点使用Trimble GX进行高精度扫描(图4a)， 扫描点间距控制在2mm左右， 精度控制在1.5mm左右。在室内对采集到的断层面的点云数据进行空间变换、 剔除噪点和栅格化处理， 最终获得DEM数据集， DEM单元格的大小为2mm×2mm。 图4b 为基岩断层面形貌的DEM阴影图和渲染图。

图 4 a 浮山断裂乔家坡基岩断层面露头； b 基于三维扫描点云数据的断层面形貌阴影图和渲染图Fig. 4 Fault outcrops(a)and their shadow morphology and rendered morphology derived from 3D scanned point clouds(b).a 断层面位置对应于图1中的调查点B； b 断层面形貌图分别对应于a中红框所示的扫描区域

2.2 基岩断层面分形参数计算

本次浮山断裂基岩断层面形貌研究和古地震信息提取所用的变差函数法是实现表面分维值求解最可靠、 最准确的方法(艾南山等， 1993； Klinkenbergetal.， 2010)， 其核心思想是计算起伏DEM高程场Z(x，y)的平均差异(高程差的均方值)随点对间距的变化(Klinkenberg， 1992； Xuetal.， 1993； Sungetal.， 2004)。本次研究通过“滑动窗口”技术全面反映分形对象表面形态单元的细节特征： 选取边长分别为32、 64、 128个DEM单元格的3种滑动窗口， DEM的单元格边长为2mm， 故滑动窗口的几何尺寸分别为64mm×64mm、 128mm×128mm、 256mm×256mm。

依照上述方法计算得到了64mm×64mm、 128mm×128mm、 256mm×256mm 3个窗口尺度的基岩断层面分维值的平面分布和沿断层滑动方向上同一水平条带的正态拟合均值分布(图 5)。彩色渲染图显示3组分维值的平面分布没有明显的分带性， 而倾向上不同窗口尺寸的正态拟合均值分布的散点图均显示出在滑动方向上具有明显的阶梯式分布特征。以每个分带的平均分维值作为描述其形貌特征的量化指标， 将其称之为特征分维值。表1 给出了乔家坡基岩断层面各风化分带的高度以及不同窗口尺度下的特征分维值。

图 5 断层面形貌的二维分维值Fig. 5 2D fractal dimensions of fault surface morphology.彩色渲染图(左)为断层面二维分维值的平面分布， 散点图(右)表示二维分维值沿断层面走向上的正态拟合均值。每个散点表示沿断层走向的一组分维值的均值， 双向误差棒表示估计值的95%置信区间， 红色实线表示断层面1个分带内二维分 维值的最佳正态拟合值

表 1 浮山断裂基岩断层面分带的特征分维值和分带高度Table1 Characteristic fractal dimensions and heights of weathered bands on Fushan bedrock fault surface

2.3 基岩断层面分形结果与解释

浮山断裂乔家坡基岩断层面的分维值由底到顶呈现出阶跃式分段特征， 其中256mm×256mm窗口尺度下的分段特征最为明显， 反映了窗口大小的选择对于分段特征有明显的影响。以阶跃点(2.6m处)为界可以将断层面分为上、 下2个水平条带。下段的分带高度H下=2.51m， 特征分维值D下=2.4428±0.0363； 上段的分带高度H上=3.18m， 特征分维值D上=2.3489±0.0481。基岩断层面二维分维值在垂直方向的变化特征显示出断层表面具有明显的条带性风化特征， 分维值特征所反映出的形貌条带的数目揭示了2期地层错断事件， 其中最近一期错断事件的地层错断量为2.51m。考虑到上段形貌扫描可能存在不完整性， 较早一期错断事件的地层错断量应不低于3.18m。

3 讨论

3.1 基岩断层面分形法在古地震期次研究中的应用

乔家坡基岩断层面研究揭示了浮山断裂晚更新世以来最新的2期地层错断事件， 前交村第四系断裂面研究同样也揭示了浮山断裂晚更新世以来最新的2期地层错断事件。

乔家坡基岩断层面揭示的2期地层错断事件的地层错断量由新到老分别为2.51m和3.18m。前交村第四系断裂剖面揭示的2期地层错断事件的地层错断量由新到老分别为3.93m和2.04m。通过2种方法得到的地层错断量存在差别， 主要是由于受到地表风化、 剥蚀和人类活动的影响， 另外同一期地震事件在不同研究点处呈现出不同的同震位移量， 符合正断层沿走向位错量不同的特征。

3.2 1209年浮山地震与浮山断裂关系探讨

据史料记载： “卫绍王大安元年(公元1209年)， 十一月丙申、 平阳地震、 有声自西北来、 戊戌夜又震， 自此时复震动。浮山县尤剧， 城廨民居倒塌者十七八、 死者凡两三千人。”该记载显示在该次地震中浮山县城的破坏是最严重的。

此外， 浮山县城附近能发生6.5及以上地震的发震构造主要有霍山山前断裂、 郭家庄断裂、 罗云山断裂和浮山断裂。如果1209年地震发震构造为霍山山前断裂， 则破坏最严重的应为临汾市洪洞县， 如果该地震的发震构造为郭家庄断裂、 罗云山断裂， 则破坏最重的应为临汾市尧都区。综合分析， 1209年浮山地震的发震构造为浮山断裂的可能性最大。但由于缺少年代下限且仅有的上限年代与历史地震时间相距甚远， 需要对断层开展更为详细的调查研究， 以确定是否存在年代更新、 震级相当的古地震事件。

4 结论

(1)基岩断层面分形法是地层错断期次研究的有效方法， 对于基岩覆盖区正断层的地层错断序列尤为适用。

(2)浮山断裂为全新世活动断裂， 具备发生7级地震的能力， 晚更新世(距今17ka)以来的平均位移速率约为0.34mm/a。从老到新， 第1期事件发生于距今17～7ka， 造成了2.04m的地层错断量， 平均位移速率为0.2mm/a； 第2期事件发生于距今7ka以来， 造成了3.93m的地层错断量， 平均位移速率为0.56mm/a， 晚更新世以来位移速率有增大的趋势， 其未来地震危险性值得关注。

(3)综合分析1209年浮山地震的发震构造为浮山断裂的可能性最大。但由于缺少年代下限且仅有的年代上限与历史地震时间相距甚远， 需要对断层开展更为详细的调查研究， 以确定是否存在年代更新、 震级相当的古地震事件。

致谢审稿专家在成文过程中提出了宝贵意见； 本研究野外工作中得到了临汾市地震局工作人员的帮助； 研究工作得到了中国地震局地质研究所相关专家的指导。在此一并表示感谢！