王　林 田勤儉 李德文 張效亮

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蔚廣盆地南緣斷裂帶唐山口段山前斷層活動性研究1

王林1）田勤儉1）李德文2）張效亮3）

1）中國地震局地震預測研究所，地震預測重點實驗室，北京100036 2）中國地震局地殼應力研究所，北京 100085 3）中國地震災害防御中心，北京 100029

蔚廣盆地是山西地塹系北端京西北盆嶺構造區(qū)內的一個半地塹盆地，蔚廣盆地南緣斷裂帶為控制該盆地形成的邊界斷裂。該斷裂帶位于唐山口段的山前斷裂在沖洪積扇體上形成了線性特征顯著的斷層陡坎。橫跨斷層陡坎開挖的探槽表明該條山前斷裂屬于全新世活動斷裂，探槽揭示了2條活動斷層以及相應的3次古地震事件。在距今約9ka時其中一條斷層首次活動，之后在距今約7.3ka時該條斷層再次活動并引發(fā)了另一條斷層的形成與同步活動。最后它們又發(fā)生了第三次活動，而最新一次活動的時間由于相應地表沉積的缺失而無法獲得。這3次古地震事件的累積垂直位錯約為8.1m。估算出整條山前斷裂的平均復發(fā)周期約為1.7ka、平均滑動速率約為1.6mm/a。此外還依據經驗公式估算出了各次古地震的參考震級。

蔚廣盆地南緣斷裂帶山前斷裂斷層陡坎探槽古地震滑動速率

引言

蔚廣盆地南緣斷裂帶位于山西地塹系北端的京西北盆嶺構造區(qū)內，是蔚縣-廣靈半地塹盆地（簡稱蔚廣盆地）南邊界斷裂帶，是一條由多條斷層組成的具有正斷性質的活動斷裂帶。前人對該斷裂帶的分段性（徐錫偉等，2002）、新構造運動特征（周廷儒等，1991；王乃樑等，1996；李樹德，1997）、斷層幾何結構特征（王林等，2011；Wang等，2013）等都有過一定的研究。已有的研究大都集中于盆地的主邊界斷裂，對于盆內山前地區(qū)沖洪積扇體上發(fā)育的較新活動斷層的研究相對有限，僅對斷裂帶東段局部有過一定研究（程紹平等，1998），然而這些較新的山前活動斷層正是近期或將來孕育、發(fā)生地震可能性較高的斷層，因此加強對這些山前斷層的研究對于首都圈區(qū)域地震危險性的分析和判斷具有一定的科學意義。

在“我國地震重點監(jiān)視防御區(qū)活動斷層地震危險性評價項目”之“首都圈地區(qū)蔚縣-廣靈斷裂條帶狀地質填圖”課題的支持下，本文通過高分辨率遙感影像解譯、野外地質地貌調查以及開挖探槽等手段，對蔚廣盆地南緣斷裂帶唐山口段山前斷層的活動性進行了研究，得到了該段斷層古地震期次、斷層活動速率等方面的一些參數(shù)以及一些新的認識。

1　地質構造概況

京西北盆嶺構造區(qū)中發(fā)育有懷涿、蔚廣、延礬、陽原、靈丘、懷安和淶源等一系列斷陷盆地單元（圖1（a）），這些斷陷盆地多為半地塹盆地，盆地的主控斷裂一般總體走向為NEE，個別斷裂走向近EW。該區(qū)內的蔚廣盆地就是一個受南部邊界正斷層控制的、南深北淺的不對稱半地塹盆地，蔚廣盆地南緣斷裂帶即為控制該盆地南邊界的正斷層系（圖1（b））。蔚廣盆地在新生代N2晚期至Q1早期之間開始裂陷并發(fā)育（周廷儒等，1991；徐錫偉等，2002），其南緣斷裂帶經歷了長期的構造演化歷程，上升盤不斷地抬升形成山體區(qū)，下降盤不斷地沉降和接受沉積而形成盆地區(qū)。自從有歷史記載以來，盆地內已經發(fā)生過5次地震，主要包括公元前231年S6?級地震，1581年S5?級地震，1618年S6?級地震，1911年S5?級地震以及1956年S4?級地震等。

該斷裂帶先是繼承和利用了燕山運動中、晚期形成的北東向壓型結構面，在此基礎之上才進一步發(fā)展成為張性斷裂體系，經歷了一個構造反轉的過程（周廷儒等，1991；王乃樑等，1996；李樹德，1997）。根據次級斷層空間展布的幾何結構和長期斷裂作用造成的斷錯地貌差異，蔚廣盆地南緣斷裂帶可以劃分為5個地震破裂段落，自西向東依次為上白羊段、唐山口段、北口段、松枝口段以及上虎盆段（徐錫偉等，2002），如圖1（b）所示。蔚廣盆地南緣斷裂晚更新世以來的活動部位主要集中在松枝口、北口、唐山口等3個段落上，它們是控制蔚廣盆地第四紀持續(xù)活動的主邊界斷裂段，與盆地的沉降中心部位相對應。而東、西兩端的上虎盆段、上白羊段晚更新世以來的活動性已經十分微弱。

2　山前斷層的地貌特征

唐山口段的山前斷裂在高分辨率遙感影像上呈明顯的線性特征，在地表形成了斷層陡坎。陡坎高約7m（圖2（c）），沿著陡坎的走向，由于沉積、侵蝕環(huán)境的差異造成了陡坎斷續(xù)分布的形態(tài)（圖2（b））。有的地方存在河流沖溝，侵蝕性較強，陡坎形態(tài)侵蝕破壞較為嚴重，與此同時在陡坎前緣還形成了較新的小型扇體；有的地方發(fā)育干溝，侵蝕程度相對較弱，陡坎形態(tài)遭到部分破壞；有的地方則未發(fā)育任何沖溝，陡坎形態(tài)相對完整。

圖2（d）為橫跨盆地邊界斷裂和扇體中山前斷裂的剖面結構示意圖，反映出了總體剖面結構。其中較新的次級山前斷裂將Qp3扇體的扇面明顯錯斷，在地表形成線性良好的斷層陡坎，并在陡坎前緣形成了楔狀沉積。

3　探槽分析

在野外工作中，橫跨斷層陡坎開挖的探槽進一步揭示并確定了斷層的存在，并在多套地層采集了OSL樣品、14C樣品。在室內工作中，首先對探槽壁的照片進行校正、拼接，制作了探槽照片拼接圖，在此基礎之上，對地層進行了精確的解譯和矢量化，進一步得到了探槽地層剖面圖，并以相應地層的顏色以及礫石礫徑、分選性、磨圓性等特征制定了具體形象的填充符號，對不同的地層加以形象的顯示。以探槽照片拼接圖、探槽地層剖面圖為基礎，結合OSL樣品、14C樣品的年齡測試結果，對斷層的古地震事件期次、斷層活動速率等方面進行了詳細的研究。

3.1地層特征

探槽照片拼接圖、探槽地層剖面圖如圖3（a）和3（b）所示，OSL樣品、14C樣品的測試結果分別見表1、表21。通過探槽照片拼接圖以及探槽地層剖面圖，初步判定存在2條斷層F1、F2，將地層整體上切割成了3個斷塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

探槽內各層的特征簡述如下：

層（1）：淺紅色粉砂質粘土。該層OSL5樣品年齡值為（6.69±0.63）ka。

層（2）：黃色粉砂質粘土。

層（3）：黃褐色粉砂質粘土。該層位于斷塊Ⅰ、Ⅱ中的樣品OSL6、11的年齡值分別為（9.20±0.79）ka、（8.75±0.74）ka，可以看到兩者相差不大，取兩者的均值約9.0ka作為該層的年齡值。

層（4）：紅色粗礫礫石層，礫徑5—20cm，分選度差，磨圓度差。

層（5）：紅色中礫礫石層，礫徑1—5cm，分選度中等，磨圓度中等，基質填充，基質呈暗褐色。

層（6）：黃色粉砂質粘土層與中礫礫石層互層。其中礫石層礫徑1—5cm，分選度中等，磨圓度中等。該層位于斷塊Ⅱ中的樣品OSL7、8、9、10的年齡值分別為（17.78±1.50）ka、（17.07±1.42）ka、（17.12±1.45）ka、（17.43±1.52）ka；位于斷塊Ⅲ中的樣品OSL1、2的年齡值分別為（17.89±1.55）ka、（15.57±1.32）ka，可以看到大部分樣品的年齡值都在17ka左右，取所有這些樣品的平均值約17.1ka作為該層的年齡值。

層（7）：中礫-粗礫礫石層，中礫、粗礫呈雙向粒序，分選度好，磨圓度中等，局部夾雜黃色粉砂質粘土層透鏡體。

層（8）：黃色粉砂質粘土層夾中礫-粗礫礫石層。其中中礫礫徑1—5cm，分選度中等，磨圓度中等；粗礫礫徑10—15cm，分選度差，磨圓度差。該層位于斷塊Ⅲ中的樣品OSL3的年齡值為（22.45±2.10）ka。

層（9）：中礫-粗礫礫石層，中礫、粗礫呈雙向粒序，分選度好，磨圓度中等，局部夾雜黃色粉砂質粘土薄層或透鏡體。

層（10）：黃褐色粉砂質粘土。該層位于斷塊Ⅲ中的樣品OSL4的年齡值為（28.28±2.62）ka。

層（11）：含14C的黑色腐殖質粘土層，局部夾礫石透鏡體。其中礫石透鏡體為中礫-粗礫混雜堆積，分選度差，磨圓度差。該層C14-1樣品年齡值為（7.85±0.14）ka。

層（12）：灰黑色粉砂質粘土，少量的細礫、中礫零星均勻地分布其中，局部夾礫石透鏡體。其中礫石透鏡體為中礫-粗礫混雜堆積，分選度差，磨圓度差。

層（13）：淡黃色粉砂質粘土，少量的細礫、中礫零星均勻地分布其中，局部夾礫石層。其中礫石層為中礫，礫徑1—5cm，分選度中等，磨圓度中等。

層（14）：地表耕植土。

表1　探槽OSL樣品測年結果表

表2　探槽14C樣品測年結果表

3.2構造現(xiàn)象

在探槽中出露并發(fā)現(xiàn)了構造張裂楔、崩積楔、堆積楔等現(xiàn)象，以及地層斷錯、拖曳、韻律變化等現(xiàn)象（圖3（a）、（b）），下面對這些現(xiàn)象分別進行簡要介紹：

①剖面中的楔體A兼具構造楔和崩積楔的特征。一方面，它沿著F1的傾向向下方尖滅，表現(xiàn)出構造楔的特征，這應該是斷層活動過程中斷面張性開裂及后續(xù)的填充形成的；另一方面，它沿著水平方向在層（1）與層（11）之間尖滅，表現(xiàn)出崩積楔的特征，這應該是斷層活動過程中以及后來一段時間內的快速崩積作用形成的。

楔體A由紅色的中礫-粗礫混雜堆積而成，礫徑1—15cm，分選度差，磨圓度差，局部夾黃色粉砂質粘土小塊。楔體A的年齡介于下面的層（1）與上面的層（11）的年齡之間。

②斷層破碎帶B的寬度可以達到0.3m左右，反映了F1的多次活動，破碎帶內存在明顯的礫石長軸定向排列的現(xiàn)象（圖4中黑色虛線段所示），兩側的各套近水平地層到破碎帶之處都戛然而止。

③剖面中存在地層的傾斜、不整合現(xiàn)象。除了楔體A之外，斷塊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中各套地層基本上都近于水平分布，而上覆于斷塊Ⅰ、Ⅱ的層（11）—（13）則均向南傾，其中層（11）南傾約20°并不整合于斷塊Ⅱ中層（1）的左半部層位之上，層（12）、（13）傾角依次減小，層（13）已近水平。

④剖面中位于F1的下降盤存在著楔狀堆積體，由層（11）—（13）組成，分別由黑色、灰黑色、淡黃色的粉砂質粘土構成，它們覆于斷塊Ⅰ、Ⅱ之上，其中層（11）是富含14C的黑色腐殖質粘土層，這3套地層屬于靜水堆積，層位均向北尖滅，整體上呈現(xiàn)水平的楔狀形態(tài)，屬于堰塞塘堆積。

⑤剖面中顯示了地層沉積韻律的變化。斷塊Ⅱ中層（4）以后（包括層（4））的堆積顯示了由粗到細的兩個沉積韻律的變化，分別對應著后面將要描述的2次最新的古地震事件。層（4）為粗礫，代表了一些近源物質較短時間內速度較快的混雜堆積，層（1）—（3）以粉砂質粘土為主，代表以較長時間內速度較慢的靜水堆積，層（4）至層（1）—（3）完成了沉積由粗至細的韻律變化。類似地，楔體A為粗礫，代表了一些近源物質在較短時間內速度較快的混雜堆積，層（11）—（13）以粉砂質粘土為主，表示其以較長時間內速度較慢的靜水堆積為主，層（4）至層（11）—（13）完成了沉積由粗至細的韻律變化。

此外，斷塊Ⅲ中層（10）以后（不包括層（10））的堆積也顯示了2個沉積韻律的變化。層（9）與層（7）的組成與結構相近，均為呈雙向粒序、分選性好、磨圓性中等的中礫-粗礫礫石層，而層（8）與層（6）的組成與結構相近，均為黃色粉砂質粘土層與礫石層互層，那么從層（9）到層（8），然后再從層（7）到層（6）則為2個相鄰的相似的沉積韻律的變化，根據層（10）、層（8）與層（6）內的樣品年齡值，可以估計出沉積韻律的變化周期約為6ka，這種沉積韻律的變化可能更多地代表一種氣候的變化和旋回。

⑥剖面中斷塊Ⅰ中層（3）、層（4）與層（6）右端沿F2發(fā)生拖曳，斷塊Ⅱ中層（1）與層（2）右端沿F1發(fā)生拖曳。

3.3古地震事件分析

確認探槽內存在的最早一次古地震事件E3的主要依據有2點：①層（6）與層（3）之間較長時間的沉積間斷；②層（4）中分選性差、磨圓性差的紅色粗礫礫石層。層（6）OSL樣品均值約為17.1ka，層（3）OSL樣品均值約為9.0ka，兩者之間時間間隔約8.1ka，這么長的時間間隔卻只存在快速堆積的一套厚約0.5m的層（4），而前述層（9）到層（8）、層（7）到層（6）的2個沉積韻律變化的周期均約為6ka，對應的沉積層厚度卻分別達到了3.9m、3.3m左右，相比之下可以推斷層（6）與層（3）之間存在較長時間的沉積間斷。層（6）形成之后可能處于局部相對抬升的狀態(tài)，沉積作用停止，在其表面逐漸形成了層（5）這一套類似風化層的物質，之后在某一時刻F1發(fā)生第一次活動，即E3發(fā)生，使得近源物質在較短時間內大量快速堆積形成了一套分選性、磨圓性均較差的層（4）。層（4）雖然在形態(tài)上不如楔體A那么顯著和典型，但是從物質成分、結構、成因等方面來看卻與楔體A有著同樣的性質，即都是斷層活動造成的近源快速堆積體。根據層（6）與層（3）的年齡，E3約發(fā)生在距今17.3—9ka，但應更接近于層（3）的年齡，即9ka左右。

探槽內的第二次古地震事件E2主要以楔體A以及次級斷層F2的存在為代表，其中楔體A在E2之后形成，是F1活動的結果，而F2則可能是E2發(fā)生時與F1同時活動的結果。楔體A下面存在沉積層（1），上面覆蓋有層（11），E2應該發(fā)生在層（1）的地層年代之后以及層（11）的地層年代之前，而層（1）中OSL5年齡值為（6.69±0.63）ka，層（11）中C14-1樣品年齡值為（7.85±0.14）ka，兩者雖然出現(xiàn)反序，但是差異不大，取兩者平均值約7.3ka作為E2距今的大致年代。F2活動的最直接的體現(xiàn)就是楔體C的存在以及F2兩側被錯斷的一系列地層，即層（1）—（6），并使得斷塊Ⅰ中的層（3）、層（4）與層（6）右端沿F2發(fā)生拖曳現(xiàn)象，其中層（5）在斷塊Ⅱ中存在，而在斷塊Ⅰ中由于F2活動時的構造擾動而卷入層（6）上半部的粉砂質粘土薄層、礫石層之中，三者混雜在一起難以區(qū)分，因此未將層（5）表示出來，籠統(tǒng)地將這三者歸入層（6）之中。F2發(fā)生活動之后其斷塊Ⅰ下降，間接造成了后來的層（11）形成過程中對陡坎之處出露的新鮮的層（1）的左上部分的沖刷、侵蝕，最終造成了層（1）左上角的缺失，使得層（11）與層（1）在此處不整合接觸。F2斷錯了層（1）而被層（11）覆蓋，因此F2應該發(fā)生在層（1）的地層年代之后以及層（11）的地層年代之前，這點與楔體A是相似的，即約為距今7.3ka左右。

從崩積楔A進一步被斷錯的形態(tài)來看，后來應該還存在最新的一次古地震事件E1，它仍是F1再次活動的結果，這次事件使得斷塊Ⅱ中之前形成的沉積層（1）、層（2）右端最終形成了較為嚴重的拖曳，并使得崩積楔A的物質進一步崩落并夾雜于層（1）與層（2）以及層（2）與層（3）之間。然而，由于該剖面上部可能有人為擾動，導致這次活動的坎前堆積被破壞，而無法識別出被斷錯的最新地層，難以對事件E1進行準確定年。

如果將E1、E2、E3近似地視為在同一斷層重復發(fā)生的一組特征地震，那么它們的震級應該是相近的，同震位移量也是相近的。根據被斷錯的層（6）可以得到F1的累積垂直位移量約為6.9m，根據被斷錯的層（1）、層（2）、層（3）可以得到F2的累積垂直位移量約為1.2m，兩者之和8.1m即為E1、E2、E3這3次事件形成的總的累積位移量，約為8.1m，由此可以估算出整條山前斷裂各次事件的平均同震位移量約為2.7m，而根據E3、E2的發(fā)生時間可以估算出整條山前斷裂的平均復發(fā)周期約為1.7ka，最后通過平均同震位移量與平均復發(fā)周期的比值可以估算出整條山前斷裂的平均滑動速率約為1.6mm/a（表3）。

表3　蔚廣盆地南緣斷裂帶唐山口段山前斷層探槽全新世古地震事件

鄧起東等（1992）曾對華北地區(qū)正走滑斷層進行統(tǒng)計，得到了震級（）和單次同震位移量（）的回歸關系：

將=2.7m代入該上式估算出單次古地震震級約為7.9級。

董瑞樹等（1993）通過綜合回歸得到了中國東部地區(qū)震級（）和活動斷層段長度（）之間的關系：

根據前述前人的分段結果，唐山口段的長度約為34km，將其代入上式估算出該段斷層的最大潛在地震震級約為6.7級。

綜合上面2種地震震級的估算方法，取兩者的平均水平7.3級作為古地震震級的估計值。

以上討論的僅是同震（累積）垂直位移量。從前述探槽的地貌特征來看，橫跨陡坎的各種沖溝、干溝并未表現(xiàn)出明顯的左旋或右旋走滑特征，因此認為山前斷層以垂直傾滑運動為主，并無走滑運動分量。

4　結論與討論

（1）蔚廣盆地南緣斷裂帶唐山口段山前斷裂屬于全新世活動斷裂。

（2）該斷裂至少由2條斷層——F1和F2組成。F1在全新世時期有過3次古地震事件，它在距今約9ka時首次活動（E3），之后在距今約7.3ka時再次活動并引發(fā)了F2的形成與同步活動（E2）。最后它們又發(fā)生了第三次活動（E1），然而由于人為破壞，導致這次活動相應的地表沉積缺失，無法識別出被斷錯的最新地層，難以確定E1發(fā)生的時間，因此最新一次古地震的離逝時間尚無法估計。

（3）3次古地震事件的同震累積垂直位移量約為8.1m，單次平均同震垂直位移量約為2.7m，整條山前斷裂的平均復發(fā)周期約為1.7ka、平均滑動速率約為1.6mm/a，估算出古地震的參考震級約為7.3級。

程紹平，楊桂枝，1998．河北蔚縣九宮口斷層重疊帶的斷層生長、位移轉移和演化．地震地質，20（1）：1—8．

鄧起東，于貴華，葉文華，1992．地震地表破裂參數(shù)與震級關系的研究．見：國家地震局地質研究所編，活動斷裂研究（2）．北京：地震出版社，247—264．

董瑞樹，冉洪流，高錚，1993．中國大陸地震震級和地震活動斷層長度的關系討論．地震地質，15（4）：395—400．

李樹德，1997．中國東部山西地塹系的形成機制及構造地貌、地震探討．北京大學學報（自然科學版），33（4）：467—474．

王林，田勤儉，李德文等，2011．京西北蔚縣—廣靈半地塹盆地南緣斷裂帶的斷層生長研究．地震地質，33（4）：828—838．

王乃樑，楊景春，夏正楷等，1996．山西地塹系新生代沉積與構造地貌．北京：科學出版社．

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周廷儒，李華章，李清泗等，1991．泥河灣盆地新生代古地理研究．北京：科學出版社．

Wang L, Tian Q. J., Li D. W., et al., 2013. Fault-growth pattern of the South Margin normal fault of the Yuguang Basin in Northwest Beijing and its influencing factors. ActaGeologicaSinica(English Edition), 87(3): 707—719.

The Activity of the Piedmont Fault along the Tangshankou Segment of Yuguang Basin Southern Marginal Fault

Wang Lin1), Tian Qinjian1), Li Dewen2)and Zhang Xiaoliang3)

1) Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China 2) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China 3) China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China

The Yuguang basin is a half-graben basin in the basin-range tectonic zone northwest to Beijing, wherethe Yuguang basin southern marginal fault (YBSMF) that is located at the northern end of the Shanxi graben system controlled the formation of the basin. A linear fault escarpment formed in the pluvialfan along the piedmont fault zone of the Tangshankou segment of YBSMF. A trench across this escarpment revealed three paleoearthquake events in two active faults. The first activity occurred in one fault at about 9ka for the first time, and then the second activity occurred at about 7.3ka, which caused the formation and synchronous activity of another fault. For the third fault activity we cannot determine the active time due to lack of relevant surface deposition. The accumulative vertical displacement of these three events is about 8.1m. We estimate that the average recurrence period of the piedmont fault is about 1.7ka, and the average slip rate of the piedmont fault is about 1.6mm/a. Besides, we estimate the reference magnitude of each event according to the empirical formula.

Yuguang Basin South Marginal Fault; Piedmont fault zone; Fault escarpment; Trench; Paleoearthquake event; Fault slip rate

1基金項目 “中國地震局地震預測研究所基本科研業(yè)務費專項”（2015IES010202）與“我國地震重點監(jiān)視防御區(qū)活動斷層地震危險性評價項目”（201210916）共同資助

2016-03-30

王林，男，生于1982年。博士，助理研究員。主要從事構造地質、構造地貌和地震地質方面的研究。E-mail：wanglin23010509@163.com

王林，田勤儉，李德文，張效亮，2017．蔚廣盆地南緣斷裂帶唐山口段山前斷層活動性研究．震災防御技術，12（2）：319—328． doi：10.11899/zzfy20170208

1 OSL樣品由中國地震局地殼應力研究所光釋光實驗室測試完成；14C樣品由中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室測試完成。