摘要: 文殊山南緣斷裂為新發(fā)現(xiàn)的位于河西走廊西端嘉峪關(guān)—文殊山隆起帶南側(cè)的一條活動斷裂,研究其活動特征對完善區(qū)域構(gòu)造圖像、認(rèn)識地區(qū)地震危險(xiǎn)性具有重要意義。文章根據(jù)遙感影像解譯、野外地質(zhì)調(diào)查、航空攝影測量,結(jié)合年代學(xué)測試,對斷裂進(jìn)行綜合研究。結(jié)果表明,文殊山南緣斷裂長約25 km,斷裂總體走向?yàn)镹W向,傾向NE。根據(jù)斷錯(cuò)及未斷錯(cuò)地貌測年,確定該斷裂最新一次地震活動的時(shí)間在(0.8±0.1) ka與(1 887~1 725) cal a BP之間。利用高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),獲得斷層陡坎高度,結(jié)合相應(yīng)的地貌年代,估算斷裂垂直滑動速率在0.2~0.25 mm/a。根據(jù)地震震級與破裂長度、位移量經(jīng)驗(yàn)公式,估算文殊山南緣斷裂潛在發(fā)震能力在6.8級左右,此震級下可能對鄰近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、嘉峪關(guān)市區(qū)有較大的影響。
關(guān)鍵詞: 河西走廊; 嘉峪關(guān)—文殊山隆起; 活動斷裂; 滑動速率; 全新世
中圖分類號: P315.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號: 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 引言地震是群災(zāi)之首,尤其是發(fā)生在人口密集地區(qū)的強(qiáng)震更能造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-2],如2023年12月18日發(fā)生在甘肅積石山的6.2級地震,造成了甘肅、青海兩省大量的人員傷亡。已有的大量震例表明,活動斷層是構(gòu)造地震發(fā)生的根源,沿?cái)鄬幼呦蜓鼐€往往破壞最為嚴(yán)重,人員傷亡也明顯大于其他區(qū)域[3]。因此,準(zhǔn)確限定活動斷層的位置及活動特征在防震減災(zāi)工作中顯得尤為重要。若對地區(qū)活動斷層研究程度不足,不僅會造成在抗震設(shè)防、活斷層避讓方面認(rèn)識的不足,也可能難以確定地震發(fā)震構(gòu)造,如2023年甘肅積石山地震,在發(fā)震斷裂的確定和發(fā)震模型的建立等方面就存在諸多不同的認(rèn)識[4-6]。
位于河西走廊西端的嘉峪關(guān)—文殊山隆起是分隔酒西盆地和酒東盆地的重要隆起帶[7],嘉峪關(guān)—文殊山斷裂帶控制了隆起的形成和演化。以往的研究多集中在嘉峪關(guān)斷裂上[7-12],對文殊山斷裂的研究相對較少[12],對于隆起帶周邊是否存在其他活動斷裂、斷裂活動特征如何,則未開展過相關(guān)工作。通過衛(wèi)星影像解譯和野外實(shí)地調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在文殊山隆起南緣存在活動斷裂,本文對新發(fā)現(xiàn)的活動斷裂進(jìn)行了地貌測量和年代學(xué)研究,并對斷裂活動參數(shù)進(jìn)行了限定,為完善區(qū)域構(gòu)造圖像、評價(jià)地震危險(xiǎn)性提供了新的基礎(chǔ)資料。
1 研究區(qū)概況
1.1 構(gòu)造背景
新生代以來,印度板塊和亞歐板塊碰撞,青藏高原不斷隆升、擴(kuò)展,對亞洲乃至世界的構(gòu)造和氣候格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[13-16]。祁連山—河西走廊位于青藏高原東北緣,是青藏高原正在形成的最年輕部分[17],其形成演化是探討印度-歐亞大陸碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)和陸內(nèi)造山作用的理想地區(qū)。此外,祁連山造山帶的構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜,活動斷裂帶分布廣泛,地震活動具有強(qiáng)度大、頻度高且分布不均勻的特點(diǎn)(圖1)。歷史上,祁連山內(nèi)部時(shí)有強(qiáng)震發(fā)生,如1932年昌馬7.6級地震、2022年門源6.9級地震等。門源6.9級地震形成了長約30 km的地震破裂帶,并斷錯(cuò)了蘭新高鐵大梁隧道[18-21],對交通運(yùn)輸造成了嚴(yán)重影響。然而,更多的大地震主要發(fā)生在河西走廊南、北兩側(cè),如180年高臺7?級地震、1609年紅崖堡7?級地震、1927年古浪8級地震、1954年山丹7?級地震等[22-25]。
斷裂是河西走廊盆地最主要的構(gòu)造活動形式之一,在控制盆地形成演化、隆升剝蝕、沉降沉積等方面發(fā)揮著重要作用。斷裂發(fā)育廣泛,既有發(fā)育在走廊盆地南北兩側(cè)的邊界斷裂,也有發(fā)育于盆地內(nèi)部的斷裂??傮w而言,河西走廊盆地主要有NW向、NNW向和近EW向3組斷裂構(gòu)造。NW向斷裂主要位于祁連山山區(qū)、盆地南北邊界,多為大邊界一級斷裂,如祁連山北緣斷裂帶、河西走廊盆地北緣斷裂帶;NNW向斷裂發(fā)育不多,一般構(gòu)成盆地內(nèi)部隆起西邊界,如嘉峪關(guān)斷裂、榆木山東緣斷裂等;EW向斷裂主要位于盆地內(nèi)部以北和內(nèi)部,前者有阿爾金斷裂向東延伸的黑山斷裂、金塔南山斷裂等,后者有白楊河斷裂、民樂—永昌隱伏斷裂等。
1.2 嘉峪關(guān)—文殊山隆起
河西走廊地處黃河以西、祁連山和巴丹吉林沙漠中間,是一個(gè)呈NW—SE走向的狹長地帶,東西長約1 000 km,南北最寬處近200 km。河西走廊內(nèi)部的大黃山隆起、榆木山隆起和嘉峪關(guān)—文殊山隆起將河西走廊分割成4個(gè)次級盆地[7]。嘉峪關(guān)—文殊山隆起位于河西走廊最西端,是走廊內(nèi)部規(guī)模最小的次級隆起,該隆起帶及與之具有成生聯(lián)系的嘉峪關(guān)斷裂、文殊山斷裂分割了西側(cè)的酒西盆地和東側(cè)的酒東盆地。
文殊山隆起為一個(gè)新生代背斜,發(fā)育較為完整的新生代后期地層[26]。根據(jù)磁性地層年代學(xué)研究及構(gòu)造分析,文殊山隆起的年代確定為0.9 Ma[27],隆起是由褶皺和斷層兩部分作用完成的,褶皺作用大于斷裂作用。斷裂主要為文殊山斷裂,其最新一次地震活動被限定在(3.8±0.2) ka~(4.7±0.2) ka之間[12]。北側(cè)嘉峪關(guān)隆起受嘉峪關(guān)斷裂控制,走廊內(nèi)多表現(xiàn)為各級較為年輕的階地地貌面,最早的階地面形成于約100 ka,據(jù)此限定斷裂垂直滑動速率在(0.22±0.03) mm/a[10]。
以往認(rèn)為文殊山背斜隆起只存在一條斷裂,即發(fā)育于山脊中央的文殊山斷裂,而對于隆起帶周緣是否存在活動斷裂則無相關(guān)研究。我們在隆起帶南緣發(fā)現(xiàn)了新的活動斷裂,本文對該活動斷裂開展了系列研究。
2 文殊山南緣斷裂幾何展布特征
經(jīng)影像解譯和野外實(shí)地考察,發(fā)現(xiàn)在文殊山南側(cè)存在長約25 km的活動斷裂,該斷裂帶未見前人報(bào)道,我們將其命名為文殊山南緣斷裂(圖2)。斷裂中西段主要沿文殊山南側(cè)展布,東段分布于祁連山山前洪積扇之上。
文殊山南緣斷裂連續(xù)性不好(圖2),斷裂西段長約7.5 km,總體走向N70°W,斷裂活動在不同期洪積扇上形成高度不等的陡坎,陡坎朝向南,與地形一致,為正向陡坎。再往東,中段與本段形成約1.5 km的階區(qū)(圖2),長度、走向與西段相同,該段只保留了較早期的洪積扇,在斷層通過處多形成三角面地貌。斷裂在通過祁豐藏族鄉(xiāng)時(shí)呈弧形(圖2),走向由N20°W逐漸變?yōu)镹20°E,長約5 km。斷裂最東段展布于山前洪積扇上,總體走向N50°W,長約5 km。該段陡坎朝向與地形相反,形成反向陡坎,陡坎不高,最高2 m左右。
為判斷文殊山南緣斷裂活動特征,野外在斷裂東、西端選擇了2個(gè)研究點(diǎn)(位置1、位置2)。利用小型無人機(jī)對研究點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)航測,并根據(jù)照片處理得到高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Mode,DEM)[28-29],利用該數(shù)據(jù)可獲得不同期地貌面上保留的斷層陡坎的高度。根據(jù)研究點(diǎn)沉積物特征,對斷錯(cuò)地貌面年代的確定主要選擇了光釋光測年(Optically Stimulated Luminescence,OSL)方法,該方法可以很好地限定細(xì)粒沉積的粉細(xì)砂、黃土年代[30-32]。光釋光樣品在中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成測試,結(jié)果如表1所列。此外,在黃土沉積富含有機(jī)質(zhì)沉積物的單元采集了14C樣品一個(gè),由美國Beta實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測驗(yàn)。根據(jù)Intcal 13校正曲線[33],利用在線OxCal軟件將14C測試結(jié)果校正為日歷年,并用“cal a BP”表示[34],結(jié)果如表2所列。
3 文殊山南緣斷裂活動特征
3.1 位置1
研究點(diǎn)(位置1)位于斷裂西段(圖2),該處多期洪積扇被斷錯(cuò),發(fā)育明顯的斷層陡坎,表現(xiàn)為坡向南的陡坎地貌,高精度DEM影像可以觀察到這一明顯特征[圖3(a)]。根據(jù)影像特征,并結(jié)合野外校核,本區(qū)主要發(fā)育四期洪積扇[圖3(b)]。A0期洪積扇為最年輕、正在形成的洪積扇面,略高于現(xiàn)今河道,相當(dāng)于高漫灘地貌。A1期洪積扇高于河道不足1 m,其上有高度不大的斷層陡坎發(fā)育[圖4(a)]。相較于A0及A1期洪積扇,A2期洪積扇保留面積不大,高于現(xiàn)代沖溝1~2 m,其上斷層陡坎明顯[圖4(b)]。A3期洪積扇高于現(xiàn)代沖溝3 m以上,主要?dú)埩粲谏狡虑皞?cè),其上陡坎高度較大[圖4(c)],但斷層下盤洪積扇受后期流水侵蝕,斷層陡坎高度變化較大,需選擇合適的位置才能精確限定陡坎高度。利用高精度DEM數(shù)據(jù),對各期洪積扇上發(fā)育的斷層陡坎高度進(jìn)行了限定[圖3(b)],測量剖面由北向南,獲得發(fā)育于A1、A2、A3期洪積扇面上的斷層陡坎高度分別為(0.5±0.1) m、(1.8±0.2) m和(7.1±0.3) m[圖4(d)]。
根據(jù)影像特征及野外考察,斷裂主要斷錯(cuò)了A1~A3期洪積扇,A0洪積扇則未見斷錯(cuò)特征。為限定斷層活動時(shí)代及滑動速率,野外對A1~A3期洪積扇采集了年代樣品[圖3(b)]。A1期洪積扇采樣深度約0.4 m,為14C樣品(JYG14C-01),主要為有機(jī)沉積物,經(jīng)Beta實(shí)驗(yàn)室測試,樹輪校正年齡為(1 887~1 725) cal a BP[圖5(a)]。A2和A3洪積扇未見有機(jī)沉積物,主要采集了光釋光樣品JYGOSL-06和JYGOSL-07,采樣位置主要集中在洪積扇上部沖洪積礫石層夾層內(nèi)的細(xì)砂層,采樣深度分別為1.1 m和1.0 m,其結(jié)果分別為(6.7±0.2) ka和(34.4±1.4) ka[圖5(b)、(c)]。
3.2 位置2
研究點(diǎn)(位置2)位于文殊山南緣斷裂東段(圖2),地貌發(fā)育處為祁連山山前洪積扇,地形上南高北低,斷層陡坎則坡向向南,表現(xiàn)為與地形相反的反向陡坎。利用無人機(jī)攝影測量,獲得了研究點(diǎn)DEM數(shù)據(jù),生成了山體陰影圖[圖6(a)],并解譯區(qū)分了研究點(diǎn)三級地貌面[圖6(b)]。與位置1類似,A0期洪積扇代表了除現(xiàn)代河道外最年輕的地貌單元,是未被斷裂斷錯(cuò)的最年輕地貌體。A1洪積扇呈長條狀分布于沖溝兩側(cè),保留面積較小,其上陡坎較低[圖7(a)]。A2期洪積扇為本區(qū)廣泛分布的一期洪積扇,構(gòu)成本區(qū)地貌主體,其上陡坎明顯且高度較大,易于識別[圖7(b)]。利用DEM數(shù)據(jù),對發(fā)育于A1和A2期洪積扇上的斷層陡坎高度進(jìn)行了測量[剖面位置見圖6(b)],測量剖面由南向北。根據(jù)斷層上、下盤地形趨勢線擬合,獲得發(fā)育于A1和A2洪積扇面上的斷層陡坎高度分別為(0.6±0.1) m和(1.7±0.2) m[圖7(d)]。
野外調(diào)查確定斷裂主要斷錯(cuò)了A1和A2期洪積扇,A0期洪積扇則未被斷錯(cuò)。為限定斷層活動時(shí)代及滑動速率,野外對A0、A1和A2期洪積扇采集了光釋光年代樣品[圖6(b)]。A0期洪積扇樣品(JYG1OSL-16)采樣深度0.4 m,為夾于洪積扇礫石層內(nèi)部的細(xì)砂層,測試結(jié)果為(0.8±0.1) ka[圖8(a)]。A1和A2期洪積扇礫石層上部沉積了厚度不等的黃土,采樣位置位于礫石層之上黃土底部(JYGOSL-14和JYGOSL-15),采樣深度分別為0.5 m和0.9 m,結(jié)果分別為(1.0±0.1) ka和(7.0±1.1) ka[圖8(b)、(c)]。
4 討論
4.1 斷裂最新活動時(shí)代限定
本次未開展探槽古地震研究工作,未獲得斷裂古地震活動參數(shù),但根據(jù)斷裂活動斷錯(cuò)和未斷錯(cuò)的地貌面年代,可以從地貌學(xué)角度對斷裂最新一次活動事件的時(shí)間進(jìn)行限定[35]。
兩個(gè)研究點(diǎn)(位置1、位置2)空間位置距離較近,地貌特征較為相似,具有一定的可對比性。根據(jù)地貌面的解譯(圖3、6),斷裂未斷錯(cuò)的年代為A0期洪積扇,相當(dāng)于河流高漫灘的地貌單元,斷錯(cuò)的最新洪積扇為A1期洪積扇,其上保留的斷層陡坎高度約在0.5 m。
A0期洪積扇上只有一個(gè)光釋光樣品,為JYGOSL-16(圖6),測試物質(zhì)為夾于沖洪積相礫石層之間的細(xì)砂,結(jié)果為(0.8±0.1) ka[圖8(a)],表明這一年代以來斷裂未有過活動。A1期洪積扇上有兩個(gè)樣品,分別為JYG14C-01和JYGOSL-14(圖3、6),測試方法分別為14C和光釋光,采樣位置分別為夾于礫石層之間的沉積物及其之上的黃土,結(jié)果分別為(1 887~1 725) cal a BP[圖5(a)]和(1.0±0.1) ka[圖8(b)]。野外觀察研究點(diǎn)2(位置2)位于A1期洪積扇之上,黃土沉積普遍厚度不大,存在后期沉積的可能性,樣品結(jié)果可能偏年輕,不能代表該期洪積扇的年代。(1 887~1 725) cal a BP更能代表該洪積扇的年代,即在距今(1 887~1 725) a以來斷裂有過活動,并形成高約0.5 m的斷層陡坎。
綜合考慮,可以把斷裂最新一次地震活動的時(shí)間限制在(0.8±0.1) ka與(1 887~1 725) cal a BP之間。
4.2 斷裂垂直滑動速率
根據(jù)地貌面上保留的斷層陡坎高度和相應(yīng)的地貌面年代,可以獲得斷裂的垂直滑動速率。A1期地貌面上陡坎高度較小,根據(jù)酒西盆地?cái)嗔压诺卣饛?fù)發(fā)特征[36],判斷應(yīng)為一次地震形成的遺跡,未經(jīng)歷過多次地震累計(jì),不適宜斷層滑動速率的計(jì)算。因此,在滑動速率的估算中,本文重點(diǎn)選擇了A2和A3兩期洪積扇進(jìn)行研究。
A2期洪積扇上的兩個(gè)研究點(diǎn),無論是陡坎高度還是年代測試均較為一致,反映了結(jié)果的可靠性?;诙缚哺叨确謩e為(1.8±0.2) m和(1.7±0.2) m,年代結(jié)果分別為(6.7±0.2) ka和(7.0±1.1) ka,估算斷裂垂直滑動速率在~0.25 mm/a。A3期洪積扇為研究區(qū)最老的地貌面,其年代結(jié)果為(34.4±1.4) ka,相應(yīng)的斷層陡坎高度為(7.1±0.3) m,根據(jù)這一結(jié)果,獲得斷裂垂直滑動速率為~0.2 mm/a。
綜合考慮,可以把文殊山南緣斷裂垂直滑動速率限定在0.2~0.25 mm/a,其量級與嘉峪關(guān)斷裂相當(dāng)[10]。
4.3 地震震級估算
此次新發(fā)現(xiàn)的文殊山南緣斷裂為全新世斷裂,其發(fā)震能力如何呢?根據(jù)斷裂的長度(25 km),利用青藏地區(qū)逆斷層震級與破裂帶長度的關(guān)系式M=4.21+1.85lgL(M為震級,L為破裂帶長度)[37],推算文殊山南緣斷裂的發(fā)震震級為6.8級。根據(jù)位置1和位置2最新斷錯(cuò)地貌面上陡坎高度(約0.5 m),該高度可以認(rèn)為是一次地震形成的。考察中并未發(fā)現(xiàn)斷層剖面,根據(jù)文殊山斷裂及北側(cè)發(fā)現(xiàn)的斷層剖面,斷裂傾角在40°左右,以此估算,每次地震的同震位移量在0.7 m左右。利用逆斷層震級與同震位移的關(guān)系式M=7+1.05lgD(M為震級,D為同震位移)[37],計(jì)算得到文殊山南緣斷裂地震震級同樣為6.8級。
酒西盆地內(nèi)部曾發(fā)生過1785年玉門惠回堡63/4級地震,其發(fā)震構(gòu)造為新民堡斷裂,斷裂長約20 km,至今保留自由面的斷層陡坎高度約0.5 m[38]。從斷裂的規(guī)模與地震垂直位錯(cuò)看,此次發(fā)現(xiàn)的文殊山南緣斷裂與新民堡斷裂量級相當(dāng),亦可推斷文殊山南緣斷裂若發(fā)生地震,震級也應(yīng)在6.8級左右。
5 結(jié)論
本文通過衛(wèi)星影像解譯、野外地質(zhì)調(diào)查、航空攝影測量,結(jié)合第四紀(jì)年代學(xué)方法,對位于河西走廊西端的文殊山南緣斷裂進(jìn)行了研究,初步得出以下主要結(jié)論:
(1) 文殊山南緣斷裂為新發(fā)現(xiàn)的全新世斷裂,位于文殊山隆起帶南緣,長約25 km,斷裂總體走向?yàn)镹W 向,傾向NE。通過本文斷錯(cuò)地貌研究,認(rèn)為斷裂最新一次地震活動的時(shí)間在(0.8±0.1) ka與(1 887~1 725) cal a BP之間。
(2) 根據(jù)斷層陡坎高度測量和相應(yīng)的地貌年代,估算文殊山南緣斷裂垂直滑動速率在0.2~0.25 mm/a,與區(qū)域內(nèi)嘉峪關(guān)斷裂滑動速率相當(dāng)。
(3) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,文殊山南緣斷裂潛在發(fā)震能力在6.8級左右,在該震級條件下,鄰近的祁豐鄉(xiāng)、文殊鎮(zhèn)及嘉峪關(guān)城區(qū)可能會產(chǎn)生較大的影響。
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(本文編輯:張向紅)