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河西走廊西端文殊山南缘断裂新活动特征

2024-01-01刘兴旺姚赟胜朱俊赵晓明

地震工程学报 2024年6期
关键词:嘉峪关河西走廊

摘要: 文殊山南缘断裂为新发现的位于河西走廊西端嘉峪关—文殊山隆起带南侧的一条活动断裂,研究其活动特征对完善区域构造图像、认识地区地震危险性具有重要意义。文章根据遥感影像解译、野外地质调查、航空摄影测量,结合年代学测试,对断裂进行综合研究。结果表明,文殊山南缘断裂长约25 km,断裂总体走向为NW向,倾向NE。根据断错及未断错地貌测年,确定该断裂最新一次地震活动的时间在(0.8±0.1) ka与(1 887~1 725) cal a BP之间。利用高精度数字高程模型数据,获得断层陡坎高度,结合相应的地貌年代,估算断裂垂直滑动速率在0.2~0.25 mm/a。根据地震震级与破裂长度、位移量经验公式,估算文殊山南缘断裂潜在发震能力在6.8级左右,此震级下可能对邻近的乡镇、嘉峪关市区有较大的影响。

关键词: 河西走廊; 嘉峪关—文殊山隆起; 活动断裂; 滑动速率; 全新世

中图分类号: P315.2 文献标志码:A 文章编号: 1000-0844(2024)06-1395-10

DOI:10.20000/j.1000-0844.20240222003

New activity characteristics of the southern Wenshushan

fault in the western Hexi Corridor

LIU Xingwang1,2, YAO Yunsheng1,2, ZHU Junwen1,2, ZHAO Xiaoming3

(1. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station, Lanzhou 730000, Gansu, China;

2. Lanzhou Institute of Geotechnique and Earthquake, CEA, Lanzhou 730000, Gansu, China;

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract: The southern Wenshushan fault, located on the southern side of the Jiayuguan-Wenshushan uplift in the western Hexi Corridor, is a newly discovered active fault. Studying its activity characteristics is crucial for enhancing the regional tectonic understanding and assessing seismic risk in the area. This study conducts a comprehensive study of the fault based on remote sensing image interpretation, field geological surveys, aerial photogrammetry, and chronological dating. The results indicate that the southern Wenshushan fault extends approximately 25 km to the northwest and dips to the NE. Dating of faulted and unfaulted landforms indicates that the latest seismic activity on the southern Wenshushan fault occurred between (0.8±0.1) ka and (1 887—1 725) cal a BP. Using high-precision digital elevation model data, the heights of the fault scarps were measured. Combined with the corresponding geological age, the vertical slip rate of the fault was estimated to be between 0.2 and 0.25 mm/a. According to the empirical relationship between earthquake magnitude, rupture length, and displacement, the potential seismic magnitude of the southern Wenshushan fault is estimated to be around 6.8. This magnitude could significantly impact nearby towns and the Jiayuguan urban area.

Keywords: Hexi Corridor; Jiayuguan-Wenshushan uplift; active fault; slip rate; Holocene

0 引言地震是群灾之首,尤其是发生在人口密集地区的强震更能造成严重的人员伤亡和财产损失[1-2,如2023年12月18日发生在甘肃积石山的6.2级地震,造成了甘肃、青海两省大量的人员伤亡。已有的大量震例表明,活动断层是构造地震发生的根源,沿断层走向沿线往往破坏最为严重,人员伤亡也明显大于其他区域[3。因此,准确限定活动断层的位置及活动特征在防震减灾工作中显得尤为重要。若对地区活动断层研究程度不足,不仅会造成在抗震设防、活断层避让方面认识的不足,也可能难以确定地震发震构造,如2023年甘肃积石山地震,在发震断裂的确定和发震模型的建立等方面就存在诸多不同的认识[4-6

位于河西走廊西端的嘉峪关—文殊山隆起是分隔酒西盆地和酒东盆地的重要隆起带[7,嘉峪关—文殊山断裂带控制了隆起的形成和演化。以往的研究多集中在嘉峪关断裂上[7-12,对文殊山断裂的研究相对较少[12,对于隆起带周边是否存在其他活动断裂、断裂活动特征如何,则未开展过相关工作。通过卫星影像解译和野外实地调查,发现在文殊山隆起南缘存在活动断裂,本文对新发现的活动断裂进行了地貌测量和年代学研究,并对断裂活动参数进行了限定,为完善区域构造图像、评价地震危险性提供了新的基础资料。

1 研究区概况

1.1 构造背景

新生代以来,印度板块和亚欧板块碰撞,青藏高原不断隆升、扩展,对亚洲乃至世界的构造和气候格局产生了深远影响[13-16。祁连山—河西走廊位于青藏高原东北缘,是青藏高原正在形成的最年轻部分[17,其形成演化是探讨印度-欧亚大陆碰撞远程效应和陆内造山作用的理想地区。此外,祁连山造山带的构造环境复杂,活动断裂带分布广泛,地震活动具有强度大、频度高且分布不均匀的特点(图1)。历史上,祁连山内部时有强震发生,如1932年昌马7.6级地震、2022年门源6.9级地震等。门源6.9级地震形成了长约30 km的地震破裂带,并断错了兰新高铁大梁隧道[18-21,对交通运输造成了严重影响。然而,更多的大地震主要发生在河西走廊南、北两侧,如180年高台7½级地震、1609年红崖堡7¼级地震、1927年古浪8级地震、1954年山丹7¼级地震等[22-25

断裂是河西走廊盆地最主要的构造活动形式之一,在控制盆地形成演化、隆升剥蚀、沉降沉积等方面发挥着重要作用。断裂发育广泛,既有发育在走廊盆地南北两侧的边界断裂,也有发育于盆地内部的断裂。总体而言,河西走廊盆地主要有NW向、NNW向和近EW向3组断裂构造。NW向断裂主要位于祁连山山区、盆地南北边界,多为大边界一级断裂,如祁连山北缘断裂带、河西走廊盆地北缘断裂带;NNW向断裂发育不多,一般构成盆地内部隆起西边界,如嘉峪关断裂、榆木山东缘断裂等;EW向断裂主要位于盆地内部以北和内部,前者有阿尔金断裂向东延伸的黑山断裂、金塔南山断裂等,后者有白杨河断裂、民乐—永昌隐伏断裂等。

1.2 嘉峪关—文殊山隆起

河西走廊地处黄河以西、祁连山和巴丹吉林沙漠中间,是一个呈NW—SE走向的狭长地带,东西长约1 000 km,南北最宽处近200 km。河西走廊内部的大黄山隆起、榆木山隆起和嘉峪关—文殊山隆起将河西走廊分割成4个次级盆地[7。嘉峪关—文殊山隆起位于河西走廊最西端,是走廊内部规模最小的次级隆起,该隆起带及与之具有成生联系的嘉峪关断裂、文殊山断裂分割了西侧的酒西盆地和东侧的酒东盆地。

文殊山隆起为一个新生代背斜,发育较为完整的新生代后期地层[26。根据磁性地层年代学研究及构造分析,文殊山隆起的年代确定为0.9 Ma[27,隆起是由褶皱和断层两部分作用完成的,褶皱作用大于断裂作用。断裂主要为文殊山断裂,其最新一次地震活动被限定在(3.8±0.2) ka~(4.7±0.2) ka之间[12。北侧嘉峪关隆起受嘉峪关断裂控制,走廊内多表现为各级较为年轻的阶地地貌面,最早的阶地面形成于约100 ka,据此限定断裂垂直滑动速率在(0.22±0.03) mm/a[10

以往认为文殊山背斜隆起只存在一条断裂,即发育于山脊中央的文殊山断裂,而对于隆起带周缘是否存在活动断裂则无相关研究。我们在隆起带南缘发现了新的活动断裂,本文对该活动断裂开展了系列研究。

2 文殊山南缘断裂几何展布特征

经影像解译和野外实地考察,发现在文殊山南侧存在长约25 km的活动断裂,该断裂带未见前人报道,我们将其命名为文殊山南缘断裂(图2)。断裂中西段主要沿文殊山南侧展布,东段分布于祁连山山前洪积扇之上。

文殊山南缘断裂连续性不好(图2),断裂西段长约7.5 km,总体走向N70°W,断裂活动在不同期洪积扇上形成高度不等的陡坎,陡坎朝向南,与地形一致,为正向陡坎。再往东,中段与本段形成约1.5 km的阶区(图2),长度、走向与西段相同,该段只保留了较早期的洪积扇,在断层通过处多形成三角面地貌。断裂在通过祁丰藏族乡时呈弧形(图2),走向由N20°W逐渐变为N20°E,长约5 km。断裂最东段展布于山前洪积扇上,总体走向N50°W,长约5 km。该段陡坎朝向与地形相反,形成反向陡坎,陡坎不高,最高2 m左右。

为判断文殊山南缘断裂活动特征,野外在断裂东、西端选择了2个研究点(位置1、位置2)。利用小型无人机对研究点进行了详细航测,并根据照片处理得到高精度数字高程模型(Digital Elevation Mode,DEM)[28-29,利用该数据可获得不同期地貌面上保留的断层陡坎的高度。根据研究点沉积物特征,对断错地貌面年代的确定主要选择了光释光测年(Optically Stimulated Luminescence,OSL)方法,该方法可以很好地限定细粒沉积的粉细砂、黄土年代[30-32。光释光样品在中国地震局黄土地震工程重点实验室完成测试,结果如表1所列。此外,在黄土沉积富含有机质沉积物的单元采集了14C样品一个,由美国Beta实验室进行测验。根据Intcal 13校正曲线[33,利用在线OxCal软件将14C测试结果校正为日历年,并用“cal a BP”表示[34,结果如表2所列。

3 文殊山南缘断裂活动特征

3.1 位置1

研究点(位置1)位于断裂西段(图2),该处多期洪积扇被断错,发育明显的断层陡坎,表现为坡向南的陡坎地貌,高精度DEM影像可以观察到这一明显特征[图3(a)]。根据影像特征,并结合野外校核,本区主要发育四期洪积扇[图3(b)]。A0期洪积扇为最年轻、正在形成的洪积扇面,略高于现今河道,相当于高漫滩地貌。A1期洪积扇高于河道不足1 m,其上有高度不大的断层陡坎发育[图4(a)]。相较于A0及A1期洪积扇,A2期洪积扇保留面积不大,高于现代冲沟1~2 m,其上断层陡坎明显[图4(b)]。A3期洪积扇高于现代冲沟3 m以上,主要残留于山坡前侧,其上陡坎高度较大[图4(c)],但断层下盘洪积扇受后期流水侵蚀,断层陡坎高度变化较大,需选择合适的位置才能精确限定陡坎高度。利用高精度DEM数据,对各期洪积扇上发育的断层陡坎高度进行了限定[图3(b)],测量剖面由北向南,获得发育于A1、A2、A3期洪积扇面上的断层陡坎高度分别为(0.5±0.1) m、(1.8±0.2) m和(7.1±0.3) m[图4(d)]。

根据影像特征及野外考察,断裂主要断错了A1~A3期洪积扇,A0洪积扇则未见断错特征。为限定断层活动时代及滑动速率,野外对A1~A3期洪积扇采集了年代样品[图3(b)]。A1期洪积扇采样深度约0.4 m,为14C样品(JYG14C-01),主要为有机沉积物,经Beta实验室测试,树轮校正年龄为(1 887~1 725) cal a BP[图5(a)]。A2和A3洪积扇未见有机沉积物,主要采集了光释光样品JYGOSL-06和JYGOSL-07,采样位置主要集中在洪积扇上部冲洪积砾石层夹层内的细砂层,采样深度分别为1.1 m和1.0 m,其结果分别为(6.7±0.2) ka和(34.4±1.4) ka[图5(b)、(c)]。

3.2 位置2

研究点(位置2)位于文殊山南缘断裂东段(图2),地貌发育处为祁连山山前洪积扇,地形上南高北低,断层陡坎则坡向向南,表现为与地形相反的反向陡坎。利用无人机摄影测量,获得了研究点DEM数据,生成了山体阴影图[图6(a)],并解译区分了研究点三级地貌面[图6(b)]。与位置1类似,A0期洪积扇代表了除现代河道外最年轻的地貌单元,是未被断裂断错的最年轻地貌体。A1洪积扇呈长条状分布于冲沟两侧,保留面积较小,其上陡坎较低[图7(a)]。A2期洪积扇为本区广泛分布的一期洪积扇,构成本区地貌主体,其上陡坎明显且高度较大,易于识别[图7(b)]。利用DEM数据,对发育于A1和A2期洪积扇上的断层陡坎高度进行了测量[剖面位置见图6(b)],测量剖面由南向北。根据断层上、下盘地形趋势线拟合,获得发育于A1和A2洪积扇面上的断层陡坎高度分别为(0.6±0.1) m和(1.7±0.2) m[图7(d)]。

野外调查确定断裂主要断错了A1和A2期洪积扇,A0期洪积扇则未被断错。为限定断层活动时代及滑动速率,野外对A0、A1和A2期洪积扇采集了光释光年代样品[图6(b)]。A0期洪积扇样品(JYG1OSL-16)采样深度0.4 m,为夹于洪积扇砾石层内部的细砂层,测试结果为(0.8±0.1) ka[图8(a)]。A1和A2期洪积扇砾石层上部沉积了厚度不等的黄土,采样位置位于砾石层之上黄土底部(JYGOSL-14和JYGOSL-15),采样深度分别为0.5 m和0.9 m,结果分别为(1.0±0.1) ka和(7.0±1.1) ka[图8(b)、(c)]。

4 讨论

4.1 断裂最新活动时代限定

本次未开展探槽古地震研究工作,未获得断裂古地震活动参数,但根据断裂活动断错和未断错的地貌面年代,可以从地貌学角度对断裂最新一次活动事件的时间进行限定[35

两个研究点(位置1、位置2)空间位置距离较近,地貌特征较为相似,具有一定的可对比性。根据地貌面的解译(图3、6),断裂未断错的年代为A0期洪积扇,相当于河流高漫滩的地貌单元,断错的最新洪积扇为A1期洪积扇,其上保留的断层陡坎高度约在0.5 m。

A0期洪积扇上只有一个光释光样品,为JYGOSL-16(图6),测试物质为夹于冲洪积相砾石层之间的细砂,结果为(0.8±0.1) ka[图8(a)],表明这一年代以来断裂未有过活动。A1期洪积扇上有两个样品,分别为JYG14C-01和JYGOSL-14(图3、6),测试方法分别为14C和光释光,采样位置分别为夹于砾石层之间的沉积物及其之上的黄土,结果分别为(1 887~1 725) cal a BP[图5(a)]和(1.0±0.1) ka[图8(b)]。野外观察研究点2(位置2)位于A1期洪积扇之上,黄土沉积普遍厚度不大,存在后期沉积的可能性,样品结果可能偏年轻,不能代表该期洪积扇的年代。(1 887~1 725) cal a BP更能代表该洪积扇的年代,即在距今(1 887~1 725) a以来断裂有过活动,并形成高约0.5 m的断层陡坎。

综合考虑,可以把断裂最新一次地震活动的时间限制在(0.8±0.1) ka与(1 887~1 725) cal a BP之间。

4.2 断裂垂直滑动速率

根据地貌面上保留的断层陡坎高度和相应的地貌面年代,可以获得断裂的垂直滑动速率。A1期地貌面上陡坎高度较小,根据酒西盆地断裂古地震复发特征[36,判断应为一次地震形成的遗迹,未经历过多次地震累计,不适宜断层滑动速率的计算。因此,在滑动速率的估算中,本文重点选择了A2和A3两期洪积扇进行研究。

A2期洪积扇上的两个研究点,无论是陡坎高度还是年代测试均较为一致,反映了结果的可靠性。基于陡坎高度分别为(1.8±0.2) m和(1.7±0.2) m,年代结果分别为(6.7±0.2) ka和(7.0±1.1) ka,估算断裂垂直滑动速率在~0.25 mm/a。A3期洪积扇为研究区最老的地貌面,其年代结果为(34.4±1.4) ka,相应的断层陡坎高度为(7.1±0.3) m,根据这一结果,获得断裂垂直滑动速率为~0.2 mm/a。

综合考虑,可以把文殊山南缘断裂垂直滑动速率限定在0.2~0.25 mm/a,其量级与嘉峪关断裂相当10

4.3 地震震级估算

此次新发现的文殊山南缘断裂为全新世断裂,其发震能力如何呢?根据断裂的长度(25 km),利用青藏地区逆断层震级与破裂带长度的关系式M=4.21+1.85lgL(M为震级,L为破裂带长度)[37,推算文殊山南缘断裂的发震震级为6.8级。根据位置1和位置2最新断错地貌面上陡坎高度(约0.5 m),该高度可以认为是一次地震形成的。考察中并未发现断层剖面,根据文殊山断裂及北侧发现的断层剖面,断裂倾角在40°左右,以此估算,每次地震的同震位移量在0.7 m左右。利用逆断层震级与同震位移的关系式M=7+1.05lgD(M为震级,D为同震位移)[37,计算得到文殊山南缘断裂地震震级同样为6.8级。

酒西盆地内部曾发生过1785年玉门惠回堡63/4级地震,其发震构造为新民堡断裂,断裂长约20 km,至今保留自由面的断层陡坎高度约0.5 m[38。从断裂的规模与地震垂直位错看,此次发现的文殊山南缘断裂与新民堡断裂量级相当,亦可推断文殊山南缘断裂若发生地震,震级也应在6.8级左右。

5 结论

本文通过卫星影像解译、野外地质调查、航空摄影测量,结合第四纪年代学方法,对位于河西走廊西端的文殊山南缘断裂进行了研究,初步得出以下主要结论:

(1) 文殊山南缘断裂为新发现的全新世断裂,位于文殊山隆起带南缘,长约25 km,断裂总体走向为NW 向,倾向NE。通过本文断错地貌研究,认为断裂最新一次地震活动的时间在(0.8±0.1) ka与(1 887~1 725) cal a BP之间。

(2) 根据断层陡坎高度测量和相应的地貌年代,估算文殊山南缘断裂垂直滑动速率在0.2~0.25 mm/a,与区域内嘉峪关断裂滑动速率相当。

(3) 根据经验公式,文殊山南缘断裂潜在发震能力在6.8级左右,在该震级条件下,邻近的祁丰乡、文殊镇及嘉峪关城区可能会产生较大的影响。

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(本文编辑:张向红)

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