扈桂讓 李自紅 閆小兵趙晉泉 郭瑾 曾金艷

1）山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號(hào) 030021

2）太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原市晉源區(qū)太原基準(zhǔn)地震臺(tái) 030025

3）山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，太原 030024

0 引言

韓城斷裂是汾渭斷陷帶臨汾盆地WS邊界的一條控制性斷裂，斷裂整體走向呈NE向，總長(zhǎng)約120km。前人從古地震遺跡、地表破裂、幾何形態(tài)、磁組構(gòu)等方面對(duì)該斷裂進(jìn)行了不同程度的研究（曹家欣，1964；閆鳳忠等，1987；張安良等，1987；申屠炳明等，1990；楊梅忠等，1994；李自紅等，2015），而對(duì)于該斷裂運(yùn)用探槽、測(cè)年等手段進(jìn)行古地震方面的研究未見(jiàn)涉及。經(jīng)過(guò)對(duì)該斷裂的野外調(diào)查，可見(jiàn)高大的斷層陡崖、斷層三角面等，在盤河以北一帶（即斷裂的NE段）表現(xiàn)得最為明顯，該段晚第四紀(jì)以來(lái)仍有強(qiáng)烈的活動(dòng)。前人多認(rèn)為該斷裂尤其是斷裂的NE段為全新世活動(dòng)斷裂，但其最新活動(dòng)時(shí)代尚未有切實(shí)的測(cè)年數(shù)據(jù)支持。本文在1∶5萬(wàn)活動(dòng)斷裂地質(zhì)地貌填圖的基礎(chǔ)上，對(duì)韓城斷裂NE段的古地震進(jìn)行了研究，并通過(guò)測(cè)年技術(shù)進(jìn)行了活動(dòng)時(shí)代的限定，以期獲取其晚更新世以來(lái)的最新活動(dòng)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

韓城斷裂位于臨汾盆地侯馬凹陷的西緣，北部與羅云山山前斷裂相接，向WS延伸止于峨嵋臺(tái)地南緣斷裂。斷裂總體走向呈NE向，傾向SE，總長(zhǎng)約120km（圖1）。該斷裂在不同地質(zhì)時(shí)期表現(xiàn)出不同的活動(dòng)性質(zhì)。中生代的燕山運(yùn)動(dòng)使山西臺(tái)隆的蓋層普遍發(fā)生褶皺，形成了該時(shí)期的韓城逆斷層；新生代的劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)變，韓城斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜嘈再|(zhì)，并在下降盤形成了厚厚的新生代沉積。新生代以來(lái)斷裂呈持續(xù)張性活動(dòng)，并控制著沿線地貌的發(fā)育及晚新生代地層的分布、沉積厚度等。

圖1 韓城斷裂NE段展布及探槽分布

2 斷裂地質(zhì)地貌表現(xiàn)

據(jù)最新的野外調(diào)查研究結(jié)果將該斷裂分為3段：NE段（西磑口-盤河段）、中段（盤河-行家堡段）、SW段（行家堡-義井段），其中NE段斷裂的活動(dòng)性最強(qiáng)，斷裂形成的盆山地貌也最為顯著。

該段上升盤與下降盤的地形高差達(dá)到300～450m，在衛(wèi)星影像及DEM影像上均表現(xiàn)出較好的線性特征。野外調(diào)查中可見(jiàn)高大的斷層崖、斷層三角面及斷層陡坎發(fā)育。禹門口以東河津境內(nèi)，斷裂構(gòu)成山前洪積臺(tái)地與沖洪積平原分界，杜家溝以北一帶發(fā)育2級(jí)洪積臺(tái)地，高級(jí)臺(tái)地侵蝕破壞嚴(yán)重，低級(jí)臺(tái)地地貌面保存較為完好，斷裂從臺(tái)地前緣通過(guò)。運(yùn)用RTK高精度測(cè)繪儀器對(duì)該處前緣陡坎進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，測(cè)得高差約30m。

該段上升盤為基巖分布，巖性主要為花崗片麻巖、灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖等；下降盤表層發(fā)育全新世、晚更新世時(shí)期洪積扇，洪積扇地層巖性成分主要為亞砂土、砂礫石層，且呈交錯(cuò)分布，標(biāo)志層明顯；此外地貌上可見(jiàn)斷裂在洪積扇體上多處形成斷層陡坎。該段是進(jìn)行古地震研究開(kāi)挖探槽的有利地段。

3 探槽剖面研究

本文在1∶5萬(wàn)活動(dòng)斷裂地質(zhì)地貌填圖的基礎(chǔ)上，在該段進(jìn)行了多個(gè)探槽開(kāi)挖與剖面清理，并對(duì)標(biāo)志性地層進(jìn)行了取樣測(cè)年，探槽及剖面位置見(jiàn)圖1。這些探槽多位于禹門口以東地段，禹門口以西地段因人類活動(dòng)致使地形原貌破壞嚴(yán)重，故只在上峪口一帶進(jìn)行了開(kāi)挖。

3.1 上寨探槽

上寨探槽（35°43′14.52″N，110°42′22.68″E）位于山前洪積扇前緣（圖 2（a）），地表呈 10°坡降，該剖面為由發(fā)育于扇體的沖溝壁清理而成，剖面位于沖溝的NE側(cè)，長(zhǎng)23m，高7m，走向152°。共揭示9層地層，均為山前洪積相。

圖2 上寨村探槽衛(wèi)星圖片、照片及剖面

上寨探槽地層描述：

①砂礫石、碎石層堆積，上部礫徑較粗，約40cm，下部礫徑較細(xì)，3～8cm，磨圓均不好。

②灰黃色砂質(zhì)粉土，含較多的砂粒及小塊礫石。

③砂礫石層，排列密實(shí)，礫徑大的約為10cm左右，磨圓不好。

④灰黃色砂質(zhì)黏土，固結(jié)，夾含砂粒較多，含密集小塊碎石條帶。

⑤紅棕色黏土，夾含砂粒。

⑥砂質(zhì)黏土，內(nèi)含碎石小塊及礫石透鏡體，磨圓不好。

⑦砂質(zhì)黏土夾紅色中粗砂層條帶，砂層中成分多為紅色花崗巖，上層覆紅色中粗砂粒層，黏土中含小砂粒。

⑧灰黃色砂質(zhì)粉土，夾小碎石、小礫石、粗砂密集分布條帶，磨圓不好。

⑨棕黃色粘質(zhì)粉土，底部局部夾含大塊礫石。

該探槽剖面揭示地層主要為粉土、砂礫石、碎石層呈交互分布。上部砂礫石層呈帶狀分布，可作為很好的斷層錯(cuò)斷的標(biāo)志層。該剖面共計(jì)發(fā)現(xiàn)5條斷層，F(xiàn)1～F4均未錯(cuò)斷最上部地層⑨，斷錯(cuò)下部礫石層條帶30～50cm不等。F5可能錯(cuò)斷最上部地層⑨。在該剖面上部地層進(jìn)行光釋光取樣測(cè)年，得其年齡約為80.00ka BP，為晚更新世早期地層。因此除F5以外，其它幾條斷層所代表的事件均較老。

另外，謝新生等（2017）在進(jìn)行羅云山山前斷裂填圖時(shí)在上寨附近進(jìn)行了探槽開(kāi)挖，位置如圖2（a）所示，其探槽位置更偏于山前洪積臺(tái)地前緣，剖面顯示了更新的3次地震事件，最新的一次為（14.95±1.27）～（18.01±1.35）ka BP。

3.2 王家?guī)X探槽與水渠剖面

斷裂從王家?guī)X煤礦以北洪積臺(tái)地與沖洪積平原交界一帶通過(guò)，該處斷裂形成的地貌特征較為明顯，野外可見(jiàn)洪積臺(tái)地的前緣陡坎呈斷續(xù)展布（圖3（a））。本文在此處分別開(kāi)挖了探槽并清理了大型剖面，其相對(duì)位置如圖3（b）所示。

圖3 王家?guī)X探槽及水渠剖面衛(wèi)星圖片、位置及剖面

王家?guī)X探槽跨臺(tái)地前緣陡坎布設(shè)，陡坎高差1～2m。探槽共長(zhǎng)45m，寬1.5m，深6m，走向呈SN向，探槽地層剖面如圖3（c）所示。該探槽揭示地層為6層，成分主要為粉土夾礫石層，礫石塊磨圓不好，最上部為黑壚土，下部為粉土。該探槽現(xiàn)象集中于北部，南部揭示地層連續(xù)，無(wú)斷錯(cuò)現(xiàn)象，因此進(jìn)行探槽的地層描述、繪圖及分析等只針對(duì)于探槽北部。具體的地層描述如下：

①黑壚土，夾雜礫石塊、砂等，其中含植物根系。

②灰黃色砂質(zhì)黏土，夾含小礫石。

③黏土，夾中砂層、細(xì)礫石層。

④灰黃色砂質(zhì)粉土，局部含黏土透鏡體，含根系、貝殼。

⑤礫石層，成分為花崗片麻巖風(fēng)化產(chǎn)物，礫徑5～10cm，棱角分明，磨圓不好，靠近斷層處，礫徑變細(xì)。

⑥灰黃色砂質(zhì)黏土，夾大的礫石塊，礫徑20～30cm，磨圓不好。

該探槽揭示2次事件。斷層F1所代表的事件E1為最新一次活動(dòng)，錯(cuò)斷最上部黑壚土層①，斷距約為1.1m。斷層F2代表的事件E2錯(cuò)斷層⑤，被層③覆蓋，錯(cuò)斷層⑤0.2m。

該探槽共獲得光釋光測(cè)年結(jié)果2個(gè)（表1）。但是最上部地層年齡過(guò)于新，不足1000年，歷史資料上該地區(qū)并未有這個(gè)時(shí)代的地震記載，年齡結(jié)果不甚可靠，因此事件E1發(fā)生的時(shí)代并不清楚；層④樣品WJLT-1-3測(cè)年12.43±1.00ka BP，綜合考慮該位置的地貌部位及該地區(qū)沉積物的沉積速率，我們認(rèn)為其較為可靠，因此事件 E2應(yīng)發(fā)生于 12.43±1.00ka BP以來(lái)。而在王家?guī)X探槽NE沿?cái)鄬臃较?0m處，發(fā)育時(shí)代較新的小型沖溝，沖溝壁見(jiàn)探槽揭露的最新地層黑壚土以后堆積的礫石層，該套地層中礫石層水平排布，未見(jiàn)錯(cuò)斷。在該套地層中取樣WJLTC，位置見(jiàn)圖3（b），光釋光測(cè)年得其年齡為 6.0±0.6ka BP，說(shuō)明該處斷層 6.0±0.6ka BP以來(lái)未活動(dòng)。

表1 王家?guī)X探槽及水渠剖面樣品年齡測(cè)試結(jié)果

王家?guī)X水渠剖面（35°42′32.40″N，110°41′10.32″E）與王家?guī)X探槽相隔約 50m（圖 3（b）），在該處對(duì)水渠壁進(jìn)行了開(kāi)挖清理，開(kāi)挖清理面長(zhǎng)29m，高5.5m，剖面走向37°。該水渠剖面共揭示了8套地層（圖3（d））。上部主要為紅色中細(xì)砂，下部為粉土，中間一層黑壚土與王家?guī)X探槽中上部黑壚土對(duì)應(yīng)。王家?guī)X水渠剖面地層描述如下：

①灰色、紅色中細(xì)砂，夾含礫石，礫石分布不均。

②紅色中粗砂，主要成分為花崗片麻巖，夾含礫石，礫徑為5～10cm，底部見(jiàn)清晰水平層理。

③灰黑色粘質(zhì)粉土，夾含小塊礫石。

④紅色中粗砂與礫石塊混雜堆積，底部礫石塊較大，礫石分選不好，磨圓不好。

⑤灰色粉質(zhì)黏土夾含礫石塊，礫徑5cm左右。

⑥砂質(zhì)粉土，硬實(shí)。

⑦砂礫石層，礫徑5～10cm左右，礫石呈次圓狀，主要成分為灰?guī)r。

⑧棕黃色砂質(zhì)黏土，夾礫石塊，成分為灰?guī)r，礫徑5cm或更小。

在該剖面共發(fā)現(xiàn)3條斷層。事件E1代表斷層 F3斷錯(cuò)層⑧，斷距1.2m，為最新一次事件；事件E2代表斷層F1、F2斷錯(cuò)層③黑壚土，為層②覆蓋，F(xiàn)1、F2斷距均約為1.2m。該剖面共進(jìn)行4個(gè)光釋光年齡樣測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。層③內(nèi)黑壚土及以上的幾個(gè)樣品年齡為距今幾百年至數(shù)萬(wàn)年，并出現(xiàn)年齡倒置現(xiàn)象，我們認(rèn)為這種結(jié)果與這個(gè)地貌部位的沉積物沉積速率是不相稱的。多位研究者（徐偉等，2011；許建紅等，2011；郭慧等，2012）認(rèn)為該套黑壚土在臨汾盆地廣泛分布，其形成時(shí)代約為8ka BP，因此判斷該剖面斷錯(cuò)的層③黑壚土及以上地層為全新世地層，F(xiàn)1～F3的最新活動(dòng)時(shí)代應(yīng)為全新世。

3.3 邵家?guī)X探槽

邵家?guī)X探槽（35°42′11.52″N，110°40′39.00″E）位于洪積臺(tái)地前緣，前緣陡坎明顯，呈線性延伸，探槽位置如圖4（a）、4（b）所示。在該探槽附近進(jìn)行了陡坎地貌測(cè)量，其高差＞20m（圖4（c））。該探槽總長(zhǎng)27m，最高6m。剖面揭露9套地層，最上部地層主要為砂質(zhì)黏土、粉土等，中部為具水平層理的中粗砂及礫石層，下部出露紅色花崗片麻巖。邵家?guī)X探槽地層描述如下：

①砂質(zhì)黏土夾含碎石塊，碎石塊粒度較小。

②砂礫石層，水平層理明顯，礫徑較小。

③粉質(zhì)黏土夾較大的碎石塊，塊徑10～30cm不等，風(fēng)化程度較重，排列無(wú)序，磨圓不好。

④灰黃色砂質(zhì)黏土夾小碎石塊，膠結(jié)，硬實(shí)。

⑤礫石、中砂混雜堆積，上部砂層成層性好，礫石礫徑3～10cm。

⑥崩積楔，下部碎石塊分布，上部主要分布砂層，成層性不好。

⑦砂質(zhì)黏土，夾雜中砂粒及小的礫石塊。

⑧花崗片麻巖。

⑨粉土、亞砂土，含植物根系。

探槽共揭示6條斷層，其中F1為前第四紀(jì)斷裂，發(fā)育于花崗片麻巖中。F2斷錯(cuò)層②、③，斷錯(cuò)層②1.5m；F3斷錯(cuò)層②為層③覆蓋，斷錯(cuò)層②3m，并在坎前形成崩積楔；F4斷錯(cuò)層②，為層④覆蓋，斷錯(cuò)層②1.5m，并在坎前形成崩積楔；F5斷錯(cuò)層⑦、⑨至頂，斷錯(cuò)層⑦2m；F6斷錯(cuò)層⑨。

在探槽多套地層中進(jìn)行了取樣和光釋光測(cè)年，結(jié)果見(jiàn)表2。樣品所處的地貌部位為洪積臺(tái)地前緣，臺(tái)地最上部的粉質(zhì)黏土層③及下部具水平層理并被多次錯(cuò)斷的砂礫石層②時(shí)代較老，年齡大概為8～9萬(wàn)年，為晚更新世早期地層。最新的斷層發(fā)育于臺(tái)地前緣的粉土層⑦和層⑨中，該地層時(shí)代約為距今3～4萬(wàn)年，為晚更新世晚期地層。需要說(shuō)明的是，層③年齡樣 SJL-5-1（95.17±9.08ka BP）與層②年齡樣 SJL-4-1（84.67±8.68ka BP）出現(xiàn)了倒置現(xiàn)象，但是年齡結(jié)果也證明這2套地層年齡為8～9萬(wàn)年。

圖4 邵家?guī)X探槽衛(wèi)星圖片、照片及剖面

結(jié)合樣品時(shí)代對(duì)該探槽事件進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：斷層F2所代表的事件E1發(fā)生于 95.17±9.08ka BP以來(lái)；斷層F3所代表的事件 E2發(fā)生于距今8～9萬(wàn)年；斷層 F4所代表的事件 E3發(fā)生于 84.67±8.68ka BP以來(lái)；F5、F6代表的事件E4發(fā)生于 39.20±3.26ka BP以來(lái)，也是該探槽揭示的最新事件。

表2 邵家?guī)X探槽樣品年齡測(cè)試結(jié)果

3.4 上峪口探槽

上峪口一帶洪積地層發(fā)育，在該處洪積扇前緣坎開(kāi)挖 1號(hào)探槽（35°37′57.50″N，110°33′37.83″E），探槽長(zhǎng) 15m，寬 1.5m，深 4m。共揭示 4套地層，上部為水平層理礫石層，排列密實(shí)，下部為砂質(zhì)粉土，未見(jiàn)斷錯(cuò)。繼而后撤，在扇體形成沖溝壁處開(kāi)挖 2號(hào)探槽（35°37′59.52″N，110°33′38.16″E）。二者相對(duì)位置見(jiàn)圖 5（a）、5（b）。

圖5 上峪口探槽衛(wèi)星圖片、照片及剖面

2號(hào)探槽長(zhǎng)22m，最高約8m。揭示典型洪積地層，共見(jiàn)13套地層。下部多為礫石層，分選磨圓均不好，探槽底部左側(cè)見(jiàn)礫石層呈水平層理密集排布，上部見(jiàn)粉土呈條帶分布。

上峪口1號(hào)探槽地層描述如下：

①密集礫石層，水平層理明顯，磨圓不好，礫徑多為5～10cm，個(gè)別20cm左右，成分為灰?guī)r。

②褐紅色砂質(zhì)黏土，夾含小礫石、砂。

③褐黃色砂質(zhì)粉土。

④砂礫石層，排列緊密，水平層理。

上峪口2號(hào)探槽地層描述：

①砂礫石層，磨圓不好。

②褐紅色黏土層，夾礫石塊，底部分布砂礫石層。

③粗砂-小礫石層，灰白色，礫徑較小。

④黏土礫石層，礫徑10～20cm，分選不好，磨圓不好。

⑤砂礫石層，分選不均，礫徑5～30cm，普遍較大。

⑥崩積楔，礫徑30～40cm。

⑦砂礫石層，礫石分布雜亂，礫徑多為5cm左右以下。

⑧褐黃色黏土層。

⑨褐黃色黏土層，夾粗砂-小礫石，粒徑2cm左右。

⑩多為小礫石、粗中砂，排列緊密，中間夾25cm厚左右礫石層。具水平層理，局部見(jiàn)大塊，礫徑 20～30cm。

?砂質(zhì)粉土，灰白色。

?灰黑色黏土層，中間夾雜小礫石。

?砂礫石層夾黏土，礫徑多為20～30cm，較周圍層大。

在該探槽上取樣 2個(gè)，層?樣品 SYKXN-1光釋光測(cè)年為 5.78±0.48 ka BP，層②樣品SYKTC-1光釋光測(cè)年為 12.4±1.3 ka BP，形成于全新世中早期。

探槽揭示出2條斷層，事件E1代表斷層 F1斷錯(cuò)層②，斷距0.8m；事件 E2代表斷層 F2斷錯(cuò)層①、②、④，斷錯(cuò)層④0.7m。事件E2為最新一次事件，發(fā)生于 12.4±1.3 ka BP以來(lái)。

4 討論與結(jié)論

韓城斷裂NE段盆山對(duì)比強(qiáng)烈，是該斷裂活動(dòng)性最強(qiáng)的段落。本文選擇4個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了探槽開(kāi)挖，均揭示了多次斷錯(cuò)事件。其中上寨探槽斷錯(cuò)至地表缺失上部覆蓋層，其所能揭示的最新事件在80ka BP以后，謝新生等（2017）在該處開(kāi)挖的探槽證明最新期次事件為14～18ka BP，其結(jié)果代表的最新事件更為可靠。邵家?guī)X探槽揭示了4次古地震事件，最新期次事件為40ka BP以來(lái)，同樣斷錯(cuò)地表缺失上部覆蓋層。上峪口探槽斷錯(cuò)的最新地層年齡為12ka BP，因在其上部覆蓋層未能測(cè)得地層年齡，不便判定其最新的活動(dòng)時(shí)代。

王家?guī)X探槽揭示出最新斷錯(cuò)事件在12ka BP以來(lái)，斷錯(cuò)了上部的黑壚土，但是并未斷錯(cuò)較新的沖溝壁上形成時(shí)代約為6ka BP的沖洪積礫石層，因此其最新活動(dòng)時(shí)代為6～12ka BP。該層黑壚土在山西境內(nèi)廣泛分布，是全新世中早期的一套地層，多位研究者的研究結(jié)果都印證了這一點(diǎn)，而本研究中對(duì)該套地層的光釋光測(cè)年結(jié)果并不理想，前人最新測(cè)年結(jié)果顯示，該地層的時(shí)代約為8ka BP（徐偉等，2011；許建紅等，2011，郭慧等，2012）。尤其是許建紅等（2011）是在相鄰的羅云山山前斷裂1∶5萬(wàn)地質(zhì)地貌填圖時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定了該套黑壚土的形成時(shí)代，韓城斷裂與羅云山山前斷裂同為臨汾盆地的邊界斷裂，其形成的動(dòng)力學(xué)背景和第四紀(jì)環(huán)境變遷一致，因此可認(rèn)為該套黑壚土是同一時(shí)代形成的。因此王家?guī)X探槽所揭示的最新時(shí)代范圍可縮小至6～8ka BP，亦是本次研究揭示的最新事件。

另外，此次工作中，我們調(diào)查了黃河禹門口下降盤的黃河階地，認(rèn)為黃河出口西岸黃河I級(jí)階地拔河高度約15m，程紹平等（1998）在對(duì)黃河晉陜峽谷河流階地進(jìn)行研究時(shí)測(cè)得禹門口一帶斷層上升盤黃河I級(jí)階地基巖面拔河約19m，并測(cè)得TL年齡約為距今5000a。上下盤的階面可能是存在落差的，但是卻未在此處發(fā)現(xiàn)切實(shí)有效的斷面證據(jù)，與本次探槽及剖面揭示的最新事件時(shí)間上亦有差距。因此關(guān)于這一點(diǎn)，依靠新技術(shù)、新方法從地貌、地質(zhì)上尋找更確實(shí)可靠的證據(jù)支撐仍是以后研究工作的重點(diǎn)。

在本次研究中，上部覆蓋層缺失為地震事件斷代的確定帶來(lái)困難，并直接影響了單個(gè)探槽的地震事件的分期及多個(gè)探槽之間地震事件的對(duì)應(yīng)。因此，針對(duì)于這方面的研究及更準(zhǔn)確地確定最新活動(dòng)時(shí)代仍需要尋找更好、更新的斷錯(cuò)地貌地點(diǎn)進(jìn)行探槽開(kāi)挖。

致謝：感謝中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)本文樣品進(jìn)行的年齡測(cè)試；感謝審稿專家對(duì)本文修改提出的寶貴意見(jiàn)和建議。