Research on various magnitudes of paleoearthquakes: A case study of non-characteristic earthquakes from the Salt Lake site of Haiyuan fault
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摘要:
海原断裂是青藏高原东北缘一条重要的陆内活动左旋走滑断裂,于1920年发生过里氏8(1/2)级特大地震,形成约230km的地表破裂带和高达10.2m的同震左旋位移。该断裂的大地震复发行为特征一直是地震地质学家关注的重点,然而现有的认识需要更多以精细沉积地层约束的古地震数据的验证。基于此,在海原断裂中段干盐池盆地成功开挖了数个大型三维探槽,揭露了清晰的韵律性、面状展布地层和丰富的古地震事件证据。在探槽上部2.5m厚的最新细粒沉积层序记录了AD 1500以来的3次地震事件。基于地层中14C样品的结果和历史地震史料的考证,限定这3次地震事件分别对应于AD 1920年、AD 1760年(或1709年)和AD 1638年的地震,但其震级差别很大。除了最新一次地震,即1920年海原大地震的震级为8(1/2)级,其他2次地震事件的震级较小,均小于7级,说明海原断裂上伴生有地表破裂的地震不全是特征型地震事件。结果表明,古地震探槽中揭示的地震强度不一定相同,而且中等震级地震也可以产生地表破裂,其地层证据在合适的条件下,如无沉积间断、沉积速率大等环境能在地层中得到保存。
Abstract:The active left-lateral Haiyuan fault is one of the major continental strike-slip faults in the Tibetan Plateau. The last large earthquake that occurred on the fault was the great 1920 Ms 8(1/2) Haiyuan earthquake with a 230-km-long surface rupture and maximum left-lateral slip of 10.2m. Much less known is its earthquake recurrence behavior in spite of much focused studies. The current understanding is still preliminary and requires validation of paleoseismic data based on fine stratigraphy in trenching. In this study, the authors present results of a paleoseismic study at the Salt Lake site in a shortcut pull-apart basin within the section that broke in 1920. 3D excavation at the site exposed fine-grained and layered stratigraphy and ample evidence of multiple paleoseismic events. Charcoal fragments are abundant in the trenches. AMS dating of charcoal fragments shows that multiple events occurred during the past 3600 years. Of these, the youngest three and possibly four events were recorded in the top 2.5m section of distinctive thinly-layered stratigraphy. A comparison of paleoseismic with historical earthquake records suggests that these three events are correlative to the AD 1920, 1760 (or 1709) and 1638 earthquakes. Historical accounts of earthquake damage suggest that earthquakes exposed in the trenches are markedly different in magnitude. With the exception of the most recent M8 earthquake in AD 1920, two earlier events were considerably smaller, with magnitude M<7, and more likely M6 or less. Thus, the Haiyuan fault could produce surface-rupturing earthquakes with a variety of magnitudes, not just characteristic earthquakes. This study indicates that paleo-earthquakes exposed in trenches are not necessarily similar in size, and moderate magnitude events might produce surface ruptures, which can be preserved in stratigraphy and exposed in a paleoseismic trenching under some conditions, for instance, the sedimentation is fast enough and there exists no hiatus in deposition.
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Keywords:
- Haiyuan fault /
- Salt Lake /
- paleoearthquake /
- historical earthquake /
- non-characteristic earthquake
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经历了近半个世纪的发展，目前古地震学已成为活动构造研究的常规技术方法[1-2]，为地震危险性评估提供基础参数。依靠地层的变形特征和不断完善的测年技术，古地震学在很大程度上增加了强震的研究样本量，一方面弥补了历史地震记录时间短的不足，另一方面也可以不断地对一些历史地震的参数进行修正。但由于各种因素的限制，古地震学一直面临着地震事件记录的完整性[3-4]、震级大小难以厘定等不确定性问题。虽然可以通过开挖和分析高分辨率沉积地层的方法，尽可能地识别一定时代以来的所有地震事件，且给出较为精确的发震时间，但多数情况下，很难定量给出每一次地震事件的震级。这或许超出了当前常规古地震探槽技术的能力范围，需要从其他方面寻找突破口，如借助于历史地震考证。
海原断裂是青藏高原东北缘一条陆内主干断裂，广义上西起哈拉湖，向东经祁连、冷龙岭、天祝、景泰、哈思山、海原，止于六盘山，全长近1000km，可分为多个活动性不同的段落。海原断裂在历史上发生过多次地震，如1920年8½级地震[5-6]，在海原断裂东段产生了约230km 的地表破裂带，最大水平位移量约11m[7-8]。近年来，通过对历史地震史料的搜集和考证发现，在1920 年8½级地震的震中附近记录有多次中强地震事件。丰富的史料显示，这些中强地震的发震断裂极有可能位于1920 年宁夏海原大地震破裂带的中西段，这为古地震研究与历史地震考证综合对比提供了很好的机会，历史地震精确的发震时间和破坏影响范围有助于古地震事件序列完整性和震级大小的确定。
虽然前人在海原断裂东段开展了许多古地震方面的研究工作，甚至是中国古地震领域里的开创性工作，但是由于探槽开挖较浅，沉积地层不厚，不能揭露长时间尺度完整的古地震序列。另外，虽然认识到古地震事件并非为同一强度，但是限于当时对古地震事件解译标志的认识，以及缺少其他相关的独立证据等，难以定量限定古地震事件的强度大小。随着近年来古地震学研究方法的发展，以及测年技术的进步，结合越来越丰富的历史地震史料，有必要对该段的古地震进行深入研究。
1. 干盐池古地震探槽
1.1 探槽点介绍
干盐池盆地位于1920 年海原大地震破裂带的中部（图 1），几何形态表现为近乎规整的菱形，是一个由左旋左阶走滑断裂运动造成的典型拉分盆地，并作为分段标志将海原断裂在此分为2 个次级段落[31-33]。盆地的南、西、北边界均被断裂围限，且有一支断裂走向呈南东东向、对角线式贯穿盆地。1920 年的地震在盆地内部产生了高2m、南西盘抬升的地震陡坎。干盐池盆地是一个封闭的断陷盆地，盆地周缘出露前寒武纪石英片岩到渐新世紫色砂岩，来自不同方向的流水将岩石类型和颜色差异较大的碎屑物带入并沉积在盆地内部，使盆地的沉积地层具有韵律性。总厚度约180m 的第四纪沉积物几乎填平了整个盆地[9]，说明该地区的沉积速率比较快。以上的沉积物环境，尤其是冲洪积与浅湖相沉积物快速交替沉积的部位，非常利于保存地震造成的地表变形，因此具有快速沉积和内流特征的干盐池是古地震研究的理想地点。
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图 1 研究区位置a—广义海原断裂中东段空间展布和区域历史地震分布；b—干盐池区域构造和探槽点位置Figure 1. Location of the study area开挖的探槽点位于现今湖面东约1.5km 处（图 1），横跨1920 年地震造成的高约2m 的地震陡坎（图 2）。2007 年开始，进行了第一次开挖，并且在主断裂带附近沿断裂走向上向深处继续开挖，获得了地层的三维变形特征。2009 年在原探槽的基础上，拓宽了探槽，并向北东向延伸了数米，因此共有6 个探槽壁的地层变形证据。通过对比6 个探槽壁地层的变形特征有助于对古地震事件进行解译，最大程度地降低各种古地震解译的不确定因素。
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图 2 干盐池古地震探槽开挖示意图a—探槽点的位置和布置（背景图像来自Google Earth）；b— 探槽开挖墙壁的分布图，橘色方框为2007 年开挖范围，蓝色方框为2009 年开挖范围，T07WW 和T07EE 分别为在2007 年局部探槽壁上向西和向东二次开挖得到的探槽壁；c—1920 年海原大地震产生的地震陡坎Figure 2. Trenches excavation at the Salt Lake1.2 沉积地层特征
探槽剖面揭露，沉积地层主要由冲积扇的边缘相与湖相的薄细粒沉积地层构成，探槽上部2.7m 厚的沉积地层明显与下部的含泥质粉砂厚层和类似泥炭的水平细或纹层不同。这一韵律性冲积扇边缘沉积，由mm-cm 级层厚的分选性好、粉红色-青灰色交替出现的砂和粉砂互层组成，且层内具有从下向上粒度由细变粗或由粗变细的沉积构造。沉积地层的厚度较稳定，横向上连续，且纵向上的沉积序列在不同的探槽壁上均具有较好的一致性和对比性。
通过对多条探槽剖面的地层综合对比，建立了探槽的沉积地层序列。首先根据地层沉积物的成分、颜色、沉积结构和变形特征，将地层分为3 段，每一段由不同的沉积层组成，有些地层还可以细分为亚层（图 3）。根据年代样品的结果，上部2.7m 厚的沉积剖面是在过去500a 内形成的，沉积速率约为5mm/a。如此快速的沉积速率使得生物扰动、地表风化、土壤化等造成地层微弱变动的次生过程的干扰作用非常弱，利于降低地层的构造变形和古地震事件识别中的不确定性。
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图 3 干盐池探槽沉积地层序列和年龄限定（左侧为地层单元的划分及地震层和样品位置，地层被分成四部分，使用罗马数字Ⅰ~Ⅳ表示；右侧为经过OxCAL 校正的相应14C AMS 年龄）Figure 3. Stratigraphic sequence exposed from trench at the2. 古地震事件的识别和历史地震考证
2.1 古地震事件的判定
通过对各个探槽壁的变形特征分析，对每一个古地震事件的变形地层证据进行填绘和分类，解译出多次可能的古地震事件，由新到老按照英文字母进行标示。在上部2.7m 厚的地层中的事件为A、B、C、D、E（表 1；图 4~图 7），其中具有十分可信的同震变形证据并作为单独地震事件的为A、C、E，而将事件B 和D 划为独立的地震事件的证据不足。
表 1 干盐池探槽古地震事件证据汇总Table 1. Summary of paleoseismic events’evidence from the Salt Lake trench地震事件 探槽壁 位置/m 证据类别 被错断最年轻地层/下限地层 未被错断最老地层/上限地层 地震事件判识证据和分级 A T09E 9~10 tb,mt, vo 102 地表 地层102 形成花状隆起, 上盘整体倾斜；地震时产生崩积楔，并与后期沉积地层形成角度不整合[S] T07E 16~17 vo, fis 102 地表 断层带，地层107 的碎块掉入裂缝中，并在断层带两侧产生30cm的垂直位错；在一条南倾断层上盘上部的地层向北倾斜[S] T07W 14~15 vo,fz 102 地表 断层带，地层107 被断错20cm, 被断错的地层在断层带内发生旋转[S] T07WW 14 au,cw, tb,vo 102 地表 近地表地层从107 到102 均被断错；南倾断错的剪切作用使上盘的地层产生拖曳；近地表时，断层的倾角近水平，并造成地层102 在上盘形成楔状的双重地层[S] 7~8 fis, vo 105 张裂隙和充填；断层两侧地层102~105 表现为数厘米的视垂向错位[S] T09W 8~9 cw, au 102 地表 近地表地层从107 到102 均被断错；近地表时，断层的倾角近水平，并造成地层102 在上盘形成楔状的双重地层[S] B T09E 10~11 vo ,ut 107 底部 106 断裂向上分成2 支；一支延伸至地层107,地层弯曲指示这条断裂可能与南侧50cm的主断裂带相连接，并破裂到地表(事件A) [W] 110 底部 107 底部 地层129~110 被垂直断错，这支断裂向上尖灭, 位错量向上减小并逐渐消失[M] T07EE 17~18 vo, ut 110 底部 109 2 支断裂向上的位错量逐渐减小，一支尖灭在地层109 中, 另一支尖灭在地层110 中[M] C T09E 1~2 vo, tc 124 110 地层126~122 在断层南侧非常平，到断层北侧倾向北.视垂直位错量约为25cm；该次事件的证据比较充分，但是事件层不清楚，可能在地层122 之上，也可能在地层124 之上[F 或M] 8 ut, vo 125 122 一直到地层126 位错都比较明显, 然后消失在地层124, 因此可能是事件E的证据[M] 9~10 vt, tc 123 117 2 条分支之间有隆起，一条分支向上错断之层122 底部，另一条消失在地层123 中，这2 条分支向下合并然后消失（无根断层）[S] T07E 8~9 Ut 128 122 层128 明显被断错，但是断层向上延伸的层位不清楚，可能是事件C或D造成的[M] T07EE 9~10 vt,au, mt 122 116 2 条断层断错了地层124，上覆地层122 可能由于断层作用或隆起发生弯曲；断错的证据非常明显，但是事件层也可以归于事件E；上覆地层表现为范围较广的背斜弯曲变形，可能是由于较新事件造成的[M] 16~17 vt 124 116 断层断错了薄层124，被地层116 覆盖；地层122 在断层带内消失, 因此并不清楚该层是否受到断层的影响, 这些断错可能和较新事件C有关[M] T07W 8 vo 126 122? 地层126 的位错约为5cm, 位移逐渐减少并消失于地层122 底；地层122 被广泛弯曲;上覆地层充填在断层北边的下降区,形成角度不整合[F] 14~15 au 124 122? 地层128~123 均被变形形成无根向斜[S]；证据非常明显, 但是由于年轻事件的变形叠加,不清楚该事件相关的地震层是在层122 之上还是之下；透镜状的地层122 说明该层沉积在洼地区 T07WW 7~8 vo 124 122? 地层124 被断错, 断裂带之外的地层弯曲变形,可能是由于弥散型变形方式；变形量向上逐渐减小及后期事件A的变形叠加使该支断层的时代断错至层123 还是层122 之上，不能很好区分[M] 8 vo 126 116 地层126 被断错约10cm, 位错量向上很快减小, 到层124 减弱至弯曲变形和约7cm的位移量, 断层终止于地层122 之下或之上一点[F] 13~14 au 124 122? 地层126~124 断错作用和褶皱作用，透镜状的地层122 说明该层局部沉积在低洼地；在断层带附近，地层122 之上的地层沉积延展范围大于地层122[S] T09W 7~8 vo 124 107 地层124 被断错,但是由于分层较差,很难限定断错截止的准确位置[F] D T09E 8~9 tb, vo 127 124 地层128 被挤压倾斜，断层向上终止不明[M] T07EE 16~17 vo,cw 128 124 断层分为2 支,地层128 被断错,破裂的块体被旋转，地层126 的厚度在断层带附近变薄, 说明该层沉积发生在陡坎形成之后，超覆陡坎之上[F] T07E 14~16 ut,tb, vo 129 126 一条分支向上延伸，断错了地层129，然后终止在128 中或稍微向上一点[F]被断错的地层128 的块体在2 条断层之间倾斜，但可能被较新的事件所扰动[F] T07W 8~9 vo, ut 128 126 地层128 发生褶皱和弯折变形，视垂直位错终止于地层127 中[W] 14~15 ut, vo 129 124? 地层129 在2 条断层之间被挤压并向上弯曲变形，由于地层界线不明，断层向上终止位置不确定, 事件C或D均有可能[M] T09W 1~2 ut 128 126 2 条次级断层终止于地层126 之下[W] E T09E 0~1 vo, ut 204 129 地层204 及以下地层在断层南侧平缓，但在北侧发生倾斜，由于地层界线不清楚，很难确定地震层的位置[W] 8~9 au, fd 205 201 上至地层205 的地层褶皱变形，未被断层错断的上部地层(204~202) 依然有幅度较小的褶皱变形[S] 10 vo, au 204 202 次级垂直断层断错了地层，位错量向上减小，并形成南倾的陡坎；地层204 和203 在陡坎的底部变厚，代表发生于陡坎形成以后的覆盖型沉积；断层和地震层保存的都比较完好[S] T07EE 16~17 mt, au 205~207 204 在南倾的断层上面有花状隆起；薄层状地层非常清楚保存了主要的背斜和次级的向斜变形；在层204 和其之下强烈变形的地层之间形成了角度不整合[S] 15~16 au, mt 205~207 204 主要的向斜变形和相应的变形量较小的背斜；处于褶皱下部的断层被后期的地震事件再次激活和叠加[S] T07W 15 scarp, au 203 201 断层断错了地层210,断层上部是面向南的陡坎，陡坎被地层205~207 覆盖，下降盘地层厚度和颗粒大小均有所增加，上覆砂层203 也表现类似的特征[S] T07WW 13 vo, au 210 204 北侧断层上部是波纹状小陡坎，并与南侧1.2m的断层控制一个地堑；南侧断层两侧沉积地层发生了沉积相变化较大[S] 14~15 vo 207 202b? 分叉的2 支断层，位于其中间的地层向上拱起[F] T09W 1~2 mt 215 203 地层300 约有1m宽的拱曲变形,在断层之上有较短波长的隆起；上覆地层203~204 厚度变化，尖灭在隆起上[S] 2~6 au 202 126~128 地层202~215 强烈变形,可能地震时这些软弱的地层发生变形，并杂揉在一起；地层126 平缓地覆盖在变形的沉积地层上，在5~6m处，未变形的最老地层是128，与其他地方比，位于较低的层位[S] 9~10 fd 204 202 薄皮背斜的褶皱作用和断裂作用；地层300 以下没有发现明显的对应变形，这是浅表的弯曲折断型变形[F] 注：古地震事件判识标志据参考文献[34]；au—角度不整合；cw—崩积楔；fc—相变；fd—褶皱作用；fis—裂隙充填；fz—断层带；mt—鼓包隆 起；sf—剪切错动纹理；tb—块体倾斜或倾覆；tc—地层层厚变化；ut—断裂向上终止；vo—垂直位错；S—较强, F—一般, M—中等, W—较弱 ![]()
图 4 探槽剖面解译a、b—2007 年第一次开挖的西壁和东壁；c、d—2009 年在原有的基础上向外二次开挖的西壁和东壁；红线为断层线，蓝线为地震层，即代表地震时的古地表面；红色大写字母为地震事件编号，小黑色方框中的上下数字分别代表14C 样品编号和年龄，黑色三位数字为地层编号Figure 4. Interpretation of trench walls![]()
图 5 古地震事件A 和C 部分判断标志放大图a—2007 首次开挖剖面；b—2007 年西墙的二次开挖剖面（a、b位置一致，见图 4）Figure 5. Zoom in figures of event A and B indicators英文注解![]()
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图 7 古地震事件C 和E 部分判断标志放大图（a 为2007 年东墙二次开挖剖面，位置在9~15m 处；b 的位置见图 4）Figure 7. Zoom in figures of event C and E indicators本文采用Scharer 等[34]的古地震事件识别标志的分类和证据强弱的半量化评估方法。一般而言，地层构造变形的识别标志多样，如地层不整合接触关系、陡坎前崩积楔、裂隙两侧的沉积相突变、褶皱、拉张型裂缝、地层直接错断的清晰不连续、地震鼓包、地层的沉积物经受剪切的纹理（如多个砾石在非沉积型的定向排列）、地层碎块的倾斜或转动、多层地层的垂向错开、断裂分支向上终止等。依据这些标志，从剖面中解译出来的每一条证据，根据其可靠性对其进行等级划分（S、F、M、W，见表 1）。
从上部地层中识别出的地震事件的综合证据列于表 1 中。其中最新地震事件A 的识别标志在所有的剖面中都能找到，且证据充分，所有断裂断错位置接近地表，因此该地震事件为1920 年海原大地震。从所有的剖面可以看出（图 4、图 5），该事件造成断层上盘地层均向南倾斜，近断裂带的位置层102被挤压形成花状的隆起构造或地震鼓包，且在多个探槽壁上形成楔状的地层双重叠加，显示断层面并非直立，在近水平具有挤压逆冲分量。在断层带内107~102的地层断错成块体状，并发生旋转或充填于裂缝中。另外，在T09E剖面（图 4-d）发现3处地层107及下覆地层直至128 被分支断裂垂直断错。该断裂在剖面上看起来无根的一段，向上位错量逐渐减小，尖灭于地层107内，向下非持续延伸。这或许代表一次较老事件B 活动引起的变形。但综合事件B 的其他证据（图 4-d、图 7），其识别标志均为断层或裂缝向上终止，并不能严格定义一次独立的地震事件[34-35]，因此这些变形很可能是地震事件A造成的。
地震事件C 至少发生在地层122 或123 形成后，该事件的证据标志非常清楚。在剖面T09E 上，2 条北倾的正断层将地层122~300 断错，并形成约20cm的陡坎和北盘的向斜状凹陷，与之相应上覆地层（110~122）以透镜体的形态充填于断层的上盘（图 4-d、图 6-d）。该次级断裂在所有剖面上都产生类似的变形特征（图 4、图 6），只是位移量有所变化。但在主断层带上，由地震事件C 产生的变形特征随走向发生变化，在剖面T09W 的5~8m 处表现为崩积楔，而向东在T07W 的14~16m 处为向斜，T07E 为拱曲变形，到T09E 则变为变形幅度较小的花状构造（图 4）。另外，还有一些次级断层终止在地层127中（图 6-b、图 7-b）或129（图 5-a）中，这可能是事件D造成的，但是与事件B一样，其证据不充分，从探槽中的解译，笔者更倾向于其为地震事件C产生的。
对于地震事件E，各剖面综合对比表明，该事件影响的最年轻地层为层202~203（图 4、图 7）。因此笔者认为，E 发生时，层202 处于地表或近地表。如剖面T07EE-2（图 7-a），层201 像生长地层一样呈楔形覆盖在褶皱上，即从背斜顶部向翼部延伸时逐渐变厚。剖面T09W（图 4-c）显示，层202~215 严重变形，而其下部地层却表现为相似的形态，将此解释为软地层的同震变形[36-37]。这些变形的地层与上部地层201~129 呈角度不整合接触。在剖面T09E上，2 条次级断裂上冲形成背斜，且断层线终止在地震层之下数厘米的地层202b~203 中。
通过表 1所列的证据和相关分析，认为地震事件A、C、E 的证据非常充分，在剖面上产生了几厘米至50cm的垂直位移。而事件B和D的证据仅是断层向上终止的位置，即使事件D 的证据要比事件B 更多，也很有可能是较新地震事件造成的，不能确定其为单独的地震事件。因此认为，在探槽上部地层中揭露出3次较为可靠的地震事件。
在探槽中炭样丰富，采集的样品均为较好的炭屑，并使用AMS 进行测试。大部分样品的年龄结果具有较好的一致性，经过OxCAL 树轮校正[38]列于图 3 和图 8 中。通过前文对确定每次事件地震层的讨论和地层年龄序列，确定地震时间A 为1920 年海原8 级地震，地震时间C 和E 分别发生在AD 1710—1830 年和AD1681—1799 年（2σ>95%）。本次样品年龄只选取了上部地层进行OxCAL 校正，而非整个地层。由于上部地层和下部地层之间有一个沉积间断，因此采用部分样品和全部样品进行校正，结果会有些微不同，如年龄区间的起始年份有数年的浮动，但基本格局不变。
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图 8 上部地层揭示的地震层和相对应的地震事件的发震区间Figure 8. Event horizons and their occurrence time at the upper section of trench另外，在探槽下部识别出的3次较老地震事件F、G、H（图 3），分别发生在AD 350—986年，BC 1325—2031 年和BC 1985—2351 年，加上地震事件A，这4次地震事件与冉勇康等[26]在高湾子研究点给出的最新的4 次地震事件较吻合。与高湾子探槽相比，本次研究的探槽剖面具有高分辨率沉积地层，在过去500 年的地层中能识别出更多地地震事件，而且发震年代区间限定得更小，误差更小。
2.2 古地震事件所对应的历史地震考证
中国的历史源远流长，是世界上文字记载时间最长的国家之一，悠久的史料记录了世界上最为全面且时间最长的历史地震事件。早在殷商时代官方机构里就已设史官，除了记录重大的政治事件外，还要将本朝发生的天文、气象、地震等其他自然现象记录下来。到了元朝，各个地方省、县、乡级的年鉴或其他类似的史料记载开始完善和盛行，大大增加了历史地震资料的数量和内容。
在中国古代，地震往往被看成是不详的征兆，而且中国古代用于书写的材料都是非常昂贵的，因此相比现在，当时的史官通常使用极为简洁的语言做记录，对于相关细节往往缺乏详细描述，而对于偏远的地区，相关记录更加稀少。这些因素在一定程度上造成了历史地震记录的不完整性，尤其是震级小、破坏小的地震。另外，对于地震造成的危害程度的描写有时也会被简化，甚至被完全忽略。因此，当将对震感和晃动效应换算为地震烈度与震级时，增加了更多的不确定性。清朝以前的地震，或小于7 级的地震，由于缺乏足够的资料，不容易得到等震线，所以也较难量化估计震级。
为了得到干盐池附近历史地震资料，笔者搜集了几乎所有的中国历史地震目录，找出区域的历史强震，并收集了明清时期干盐池附近的主要县镇记录，因为地震记录或详或简在一定程度上受人口分布的限制。根据这些县镇在地震时的破坏情况，来确定哪些历史强震可能与干盐池探槽中的古地震事件相对应。所有的史料和相关讨论列于表 2 中。
表 2 AD 1352—1919 年靖远和海原地区历史地震史料记载Table 2. Document of historical earthquakes at Jingyuan and Haiyuan between AD 1352 and AD 1919地震发生时间 史料记载 推测震中 地震目录来源 备注 1760.04.02 乾隆二十五年二月二十七日海原地震——《甘肃通志稿—变异志》页37乾隆二十五年二月二十七日地震——《镇远县志》卷7 页5 海原附近 [43-44] 由于这次地震相关记载较少，多数地震目录没将其收录，震级不定 1708.10.14 康熙四十七年秋九月地震西安州堡泉源壅塞——《海城县志》卷7 页2（图 9） [39, 44] 多数地震目录认为这次地震时间有误，应为中卫1709 年M7½地震 1638.01 崇祯十年十二月海都刺（今海原）、西安州地震，数月不止，边墙、墩台及民房悉圮——《明史·五行志》卷3 干盐池-海原之间 [39-46] 震中烈度估计为Ⅵ，震级为5½级，但是由于明代海原周围人烟稀少，大一些的行政单位（如县、卫）也不多，也不能完全排除地震发生在更偏远的地方，波及到海原和西安州，震级也有可能偏高些 1542.11.04 嘉靖二十一年九月甲戍山西阳平府、陕西固原州及宁夏卫、洮州卫，俱地震有声——《世宗实录》卷264页8和《国榷》卷57页3630 海原附近？ [44] 这次地震的影响范围比较大，如果把这些有感区圈画出来，那么宏观震中可能在海原附近 1491.04.21 明弘治四年三月己丑，弘治四年三月己丑陕西靖虏卫（今甘肃靖远）、乾盐池（宁夏海原干盐池）地震有声——《孝宗实录》卷49页6和《国榷》卷42页2626 靖远和干盐池之间 [39, 43-44] 靖虏卫在今甘肃靖远县，干盐池在今宁夏海原县西，两地直线距离约70km。震中应在两地之间，即今甘肃、宁夏交界的屈吴山一带 根据表 2 和图 8 认为，上部地层揭示的3 次地震事件从新到老的年代应该为AD 1920、1760（或1709）和1638 年。通过上文的讨论，地震事件A 为1920 年海原8 级地震。
地震事件C 很可能为表 2 中的1760 年地震，这次地震只在海原有记载，虽然只有简单的几个字，但是按照中国古代文献记录的惯例，即地震是个不祥的征兆，如果伤亡较小时官方很可能是不会记载的，因此这次地震应该对本地产生了重要影响，但是波及范围不广。此外还有一种可能性是，事件C记录了1709 年宁夏中卫地震的触发效应。1709 年的地震记录为发生在海原以北100km 的中卫断裂上，被称为中卫7½级地震，在震中方圆500km 都有该次地震的史料记载，且离探槽点东约20km 的西安州也有“地面震动，泉水干涸”的记载。因此推测1709 年中卫地震有可能触发引起海原断裂的破裂，就像美国南加州的Salton Sea 地区的断裂一样[47-48]。虽然证据较弱，也不能完全排除这种可能性，即1709 年中卫地震有可能在海原断裂上触发产生了地震事件C，或较早的一次事件D。
表 2 中的AD 1638 年地震刚好与地震事件E 的时间区间吻合，根据海原和西安州的史料记载，该次地震使这2 个地方的城墙和民房全部倒塌，且余震延续数月。但除此之外，区域上其他较大的城镇并没有AD 1638 年地震的相关记载，如宁夏东边的固原，北边的中卫，西边的靖远等地。
3. 古地震强度的确定
地震的历史破坏或有感记录与古地震探槽地层记录的结合，可以对地震事件的震级做更好的约束。事件A 是1920 年海原8 级大地震的变形记录。相关历史地震资料显示，过去500a 间海原断裂没有发生过其他类似于1920 年8 级地震。再者，根据青藏高原东北缘同一时期内发生的已知震级的地震，可以对比推知其他地震的震级上限。例如，1495 年4 月10 日中卫M6½地震，记录显示靖远有感应[43]。同样，如果同等震级的地震发生在相同距离的干盐池，中卫应该也会受到影响，并会有相关的史料记载。但事实上，1920 年前的2 次历史地震造成干盐池附近的断裂发生破裂或滑动，但这2 次地震在中卫均未有相关记录，因此这2 次地震的震级可能小于M6½。
1760 年和1638 年的2 次地震仅在干盐池探槽周围50km 范围内的村镇有破坏记载，其中1760 年的地震只在海原有记录，而1638 年的地震在海原和西安州（位于探槽点和海原之间）均有记载，且地面发生较大晃动，余震持续数月。历史地震目录中，1638 年地震的震级估算为5½，该震级是通过震中区地震烈度为Ⅵ来确定的[42]。近年来，历史地震考证研究发现，一些中等级的地震在地震目录中的震级偏低，可能需要上调0.5~1.0 级[49-50]。如果考虑到这种震级估计的差异，1638 年地震的震级可能在6级以上，7 级以下。《明史·五行志》记载，崇祯十年十二月“海都刺（今海原）、西安州地震，数月不止，边墙、墩台及民房悉圮”。史料记载很简单，只到“民房悉圮”，也就是说民房都倒了。根据《历史地震烈度·震级简表》[42]，“民房多坏”可定为7 度，“民房多倾圮”，可定为8度。史料中说的“悉圮”，可认为是“多倾圮”，烈度可定为8 度。综合考虑以下因素，一是明代海原、固原地区人烟稀少，交通不便，所以震害较严重的地区，肯定存在产生了许多破坏而被史料漏记的情况；二是该区的边墙、墩台分布面积较大，但具体破坏范围不详。从史料记载“悉圮”，应指破坏点较多。最近的调查显示很有可能边墙、墩台破坏的范围长约50km。考虑到海原城和边墙距离震中有数千米和数十千米，所以震中烈度Io可能8度或更高。根据中国西部地区震级-烈度关系式：Ms=0.605Io+1.376[43],或Ms=0.58Io + 1.5[42]计算得到M=6.2~6.8。对于1760 年的地震，由于相关史料稀少，地震目录里甚至都没有给出震级。但是根据有感地区的对比分析，1760 年的地震应比1638 年地震的震级小。
基于地震震级的估计和断裂的几何分段特征[51-52]，对于干盐池探槽中识别出来的3（或4）次地震事件，推测其时空序列如图 10所示。其中，1920年地震为全段破裂[8]，而根据震级-破裂长度关系式[53-55]，1760 年和1638 年的地震的破裂长度分别为10~30km 和40~60km，但这是推测值，仅供参考。因此基于对历史地震资料、探槽变形特征、的分析和对比，认为干盐池的古地震探槽上部地层所揭示的3次地震事件的震级并不相同，而是具有很大的差异，震级大小从5~6 级到8 级。
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图 10 干盐池探槽中揭露的古地震事件的空间破裂长度分布a—海原断裂和中卫断裂分布，历史地震震级6，粗黑线为1920 年海原8 级地震产生的地表破裂；b—推测在海原断裂上最新4 次地震的时空序列，其中AD 1709 年的地震可能为中卫1709 年7½地震的触发地震Figure 10. Inferred rupture length of paleoseismic events interpreted from the Salt Lake trench4. 讨论和结论
以往认为能够在古地震探槽中被记录的古地震的震级均在Mw6.5 以上[2]，但在干盐池探槽中揭示的古地震事件，除1920 年8½级地震外，推测其他震级较小的地震也可能产生地表破裂，破裂变形特征并能够在沉积地层中得到保存。事实上，以往的古地震研究中，也在古地震探槽中发现中强地震事件的证据，比如，在1906 年约Mw7.8 旧金山地震的发震断裂——北圣安德里斯断裂上的古地震探槽中，Streig 等[54]发现了1838 年M6.8 和1890 年M6.3 地震[55]的沉积地层变形证据。另外，全球的地震数据也显示，对于不同的断裂类型，震级小于6.5 的地震也可以产生地表破裂，有些地震的震级甚至低至3~4 级[53]。Wells 等[56]与Weldon 等[57]的统计表明，50%~60%的Mw6.5 地震有地表破裂，而20%的Mw5.5 地震也有地表破裂。
虽然前人通过对海原断裂不同破裂分段的古地震序列对比分析[19, 32]，认为海原断裂带有多种尺度破裂的特征，即古地震序列中存在震级差异。但是仍然低估了海原断裂上地震复发行为的复杂性。通常情况下，研究人员简单地将同一探槽中不同的古地震事件当作是震级相同的特征地震，并依据这样的地震序列给出古地震的复发间隔，在其他信息未知时可以做如此假定和处理，但是在古地震数据的实际应用中，应该充分认识这是一种假定而非事实。比如，在干盐池探槽中的最新4 次古地震的发震间隔分别为160a、51a 和71a，平均复发间隔为94a。如果按照古地震研究的常规，在不知道所识别的地震事件的震级情况下，假定为类似最近一次大地震的特征地震重复。由于本研究点最后一次大地震为1920 年的8½级，根据同样的假定看干盐池探槽记录的事件时，笔者认为该断裂8½级的地震大概为每94a 一次，这样的地震复发数据显然有悖于历史地震记录。如果不对古地震事件的震级加以区分，在此基础上进行分析给出的地震复发可能是错误的，进而很难对未来的地震危险性进行合理评估，例如M6 地震产生的地表破裂长度和位移只有M8½地震的1/10[53] ，它们调节活动断裂的应变量明显不同，造成的危害也相差很大。对于干盐池探槽的古地震序列，笔者已知最新一次地震的震级为M8½，但是如果没有其他资料佐证，更老的地震事件如同其他古地震研究案例一样，其震级是未知的，研究人员可能会误认为这些较老的地震震级类似于1920 年大地震，且复发间隔为143a，这与区域历史地震资料是矛盾的。
特征地震复发模式并不适用于所有的活动构造环境。前人研究表明，一些板间活动断裂的破裂习性具有多样性，如日本海沟和苏门答腊海沟，根据资料证实在这些逆冲断裂上M7~8 级地震所对应的凹凸体，经过很短的时间，作为多段落破裂的一部分，再次参与M9 地震的破裂[58]。同样，圣安德烈斯断裂具有非特征性的复发破裂模式[59]。在Car⁃rizo Plain 地区，除了1857 年的7.9 级地震，具有丛集现象的古地震序列中也有6 级左右的地震事件[60]。干盐池古地震序列震级的差异性表明，板内活动断裂与板间活动断裂一样具有复杂的破裂模式，而非简单特征地震复发模式，甚至比多重尺度的破裂模式[19]复杂。
另外，特征地震复发模式最主要的特征是大震的发震频度比通过区域小震拟合的b 值曲线进行投影得到的值高[53]。支持该结论的古地震数据，大部分来自于美国西部盆岭省的Wasatch 断裂和圣安德里斯断裂南中段的古地震序列，并假定单点揭露的古地震事件的震级相同。但是这2 条断裂的最新古地震数据显示，同一位置的古地震事件对应的位移量不同，其中一些古地震事件虽然也产生地表破裂，但震级比最大的地震小[60-61]，因此早期研究获得的古地震序列也是不同震级事件的混合记录。因此，将中等级地震记入大地震序列中，假定的特征地震发震频度被严重高估[62]。
古地震研究除了尽可能给出古地震的完整序列[3]外，还必须对各个地震事件的震级大小进行评价，即使在缺少足够多的证据给出具体数值外，也要分析其不确定性，确定是否为特征地震，以使其他研究人员能合理地认识这些古地震数据。另外，对于使用古地震数据的研究人员，进行地震危险性分析时，一方面要意识到古地震固有的不确定性，另一方面要对给出古地震序列的原始文献采用的研究方法、分析过程等有所了解，确保数据的可信性，尤其是发震时间区间范围和震级大小，这两者是直接影响发震模式和地震危险性评价结果的重要因素。
干盐池古地震探槽的研究表明，在过去500a 以来，发生过3 次地震事件，其中最新的一次地震事件为1920 年海原M8 大地震。通过14C 年龄的限定和区域历史地震数据的对比，认为较老的2 次古地震事件分别对应于AD 1760 年和AD 1638 年的历史地震。综合每次古地震事件对沉积地层造成的变形特征和相应历史地震有感区范围的分析，以及与区域内已知震级的历史地震比对，认为较老的2 次地震事件的震级远小于1920 年的地震。这一研究结果表明，古地震探槽识别出来的古地震的震级并非近似相同，可能相差很大；海原断裂应存在复杂的破裂模式；在做地震危险性评价时，需谨慎过于依赖特征地震复发模式等简单假定的计算。
感谢山东菏泽一中邢秀臣老师、中国地震局地质研究所助理研究员张金玉、硕士生唐茂云、李占飞和中国地震局兰州地震研究所硕士生王朋涛对野外工作的帮助。感谢评审专家的仔细审阅及有益的修改意见。 -
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图 1 研究区位置
a—广义海原断裂中东段空间展布和区域历史地震分布；b—干盐池区域构造和探槽点位置
Figure 1. Location of the study area
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图 2 干盐池古地震探槽开挖示意图
a—探槽点的位置和布置（背景图像来自Google Earth）；b— 探槽开挖墙壁的分布图，橘色方框为2007 年开挖范围，蓝色方框为2009 年开挖范围，T07WW 和T07EE 分别为在2007 年局部探槽壁上向西和向东二次开挖得到的探槽壁；c—1920 年海原大地震产生的地震陡坎
Figure 2. Trenches excavation at the Salt Lake
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图 3 干盐池探槽沉积地层序列和年龄限定
（左侧为地层单元的划分及地震层和样品位置，地层被分成四部分，使用罗马数字Ⅰ~Ⅳ表示；右侧为经过OxCAL 校正的相应14C AMS 年龄）
Figure 3. Stratigraphic sequence exposed from trench at the
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图 4 探槽剖面解译
a、b—2007 年第一次开挖的西壁和东壁；c、d—2009 年在原有的基础上向外二次开挖的西壁和东壁；红线为断层线，蓝线为地震层，即代表地震时的古地表面；红色大写字母为地震事件编号，小黑色方框中的上下数字分别代表14C 样品编号和年龄，黑色三位数字为地层编号
Figure 4. Interpretation of trench walls
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图 5 古地震事件A 和C 部分判断标志放大图
a—2007 首次开挖剖面；b—2007 年西墙的二次开挖剖面（a、b位置一致，见图 4）
Figure 5. Zoom in figures of event A and B indicators
英文注解
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图 7 古地震事件C 和E 部分判断标志放大图
（a 为2007 年东墙二次开挖剖面，位置在9~15m 处；b 的位置见图 4）
Figure 7. Zoom in figures of event C and E indicators
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图 8 上部地层揭示的地震层和相对应的地震事件的发震区间
Figure 8. Event horizons and their occurrence time at the upper section of trench
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图 10 干盐池探槽中揭露的古地震事件的空间破裂长度分布
a—海原断裂和中卫断裂分布，历史地震震级6，粗黑线为1920 年海原8 级地震产生的地表破裂；b—推测在海原断裂上最新4 次地震的时空序列，其中AD 1709 年的地震可能为中卫1709 年7½地震的触发地震
Figure 10. Inferred rupture length of paleoseismic events interpreted from the Salt Lake trench
表 1 干盐池探槽古地震事件证据汇总
Table 1 Summary of paleoseismic events’evidence from the Salt Lake trench
地震事件 探槽壁 位置/m 证据类别 被错断最年轻地层/下限地层 未被错断最老地层/上限地层 地震事件判识证据和分级 A T09E 9~10 tb,mt, vo 102 地表 地层102 形成花状隆起, 上盘整体倾斜；地震时产生崩积楔，并与后期沉积地层形成角度不整合[S] T07E 16~17 vo, fis 102 地表 断层带，地层107 的碎块掉入裂缝中，并在断层带两侧产生30cm的垂直位错；在一条南倾断层上盘上部的地层向北倾斜[S] T07W 14~15 vo,fz 102 地表 断层带，地层107 被断错20cm, 被断错的地层在断层带内发生旋转[S] T07WW 14 au,cw, tb,vo 102 地表 近地表地层从107 到102 均被断错；南倾断错的剪切作用使上盘的地层产生拖曳；近地表时，断层的倾角近水平，并造成地层102 在上盘形成楔状的双重地层[S] 7~8 fis, vo 105 张裂隙和充填；断层两侧地层102~105 表现为数厘米的视垂向错位[S] T09W 8~9 cw, au 102 地表 近地表地层从107 到102 均被断错；近地表时，断层的倾角近水平，并造成地层102 在上盘形成楔状的双重地层[S] B T09E 10~11 vo ,ut 107 底部 106 断裂向上分成2 支；一支延伸至地层107,地层弯曲指示这条断裂可能与南侧50cm的主断裂带相连接，并破裂到地表(事件A) [W] 110 底部 107 底部 地层129~110 被垂直断错，这支断裂向上尖灭, 位错量向上减小并逐渐消失[M] T07EE 17~18 vo, ut 110 底部 109 2 支断裂向上的位错量逐渐减小，一支尖灭在地层109 中, 另一支尖灭在地层110 中[M] C T09E 1~2 vo, tc 124 110 地层126~122 在断层南侧非常平，到断层北侧倾向北.视垂直位错量约为25cm；该次事件的证据比较充分，但是事件层不清楚，可能在地层122 之上，也可能在地层124 之上[F 或M] 8 ut, vo 125 122 一直到地层126 位错都比较明显, 然后消失在地层124, 因此可能是事件E的证据[M] 9~10 vt, tc 123 117 2 条分支之间有隆起，一条分支向上错断之层122 底部，另一条消失在地层123 中，这2 条分支向下合并然后消失（无根断层）[S] T07E 8~9 Ut 128 122 层128 明显被断错，但是断层向上延伸的层位不清楚，可能是事件C或D造成的[M] T07EE 9~10 vt,au, mt 122 116 2 条断层断错了地层124，上覆地层122 可能由于断层作用或隆起发生弯曲；断错的证据非常明显，但是事件层也可以归于事件E；上覆地层表现为范围较广的背斜弯曲变形，可能是由于较新事件造成的[M] 16~17 vt 124 116 断层断错了薄层124，被地层116 覆盖；地层122 在断层带内消失, 因此并不清楚该层是否受到断层的影响, 这些断错可能和较新事件C有关[M] T07W 8 vo 126 122? 地层126 的位错约为5cm, 位移逐渐减少并消失于地层122 底；地层122 被广泛弯曲;上覆地层充填在断层北边的下降区,形成角度不整合[F] 14~15 au 124 122? 地层128~123 均被变形形成无根向斜[S]；证据非常明显, 但是由于年轻事件的变形叠加,不清楚该事件相关的地震层是在层122 之上还是之下；透镜状的地层122 说明该层沉积在洼地区 T07WW 7~8 vo 124 122? 地层124 被断错, 断裂带之外的地层弯曲变形,可能是由于弥散型变形方式；变形量向上逐渐减小及后期事件A的变形叠加使该支断层的时代断错至层123 还是层122 之上，不能很好区分[M] 8 vo 126 116 地层126 被断错约10cm, 位错量向上很快减小, 到层124 减弱至弯曲变形和约7cm的位移量, 断层终止于地层122 之下或之上一点[F] 13~14 au 124 122? 地层126~124 断错作用和褶皱作用，透镜状的地层122 说明该层局部沉积在低洼地；在断层带附近，地层122 之上的地层沉积延展范围大于地层122[S] T09W 7~8 vo 124 107 地层124 被断错,但是由于分层较差,很难限定断错截止的准确位置[F] D T09E 8~9 tb, vo 127 124 地层128 被挤压倾斜，断层向上终止不明[M] T07EE 16~17 vo,cw 128 124 断层分为2 支,地层128 被断错,破裂的块体被旋转，地层126 的厚度在断层带附近变薄, 说明该层沉积发生在陡坎形成之后，超覆陡坎之上[F] T07E 14~16 ut,tb, vo 129 126 一条分支向上延伸，断错了地层129，然后终止在128 中或稍微向上一点[F]被断错的地层128 的块体在2 条断层之间倾斜，但可能被较新的事件所扰动[F] T07W 8~9 vo, ut 128 126 地层128 发生褶皱和弯折变形，视垂直位错终止于地层127 中[W] 14~15 ut, vo 129 124? 地层129 在2 条断层之间被挤压并向上弯曲变形，由于地层界线不明，断层向上终止位置不确定, 事件C或D均有可能[M] T09W 1~2 ut 128 126 2 条次级断层终止于地层126 之下[W] E T09E 0~1 vo, ut 204 129 地层204 及以下地层在断层南侧平缓，但在北侧发生倾斜，由于地层界线不清楚，很难确定地震层的位置[W] 8~9 au, fd 205 201 上至地层205 的地层褶皱变形，未被断层错断的上部地层(204~202) 依然有幅度较小的褶皱变形[S] 10 vo, au 204 202 次级垂直断层断错了地层，位错量向上减小，并形成南倾的陡坎；地层204 和203 在陡坎的底部变厚，代表发生于陡坎形成以后的覆盖型沉积；断层和地震层保存的都比较完好[S] T07EE 16~17 mt, au 205~207 204 在南倾的断层上面有花状隆起；薄层状地层非常清楚保存了主要的背斜和次级的向斜变形；在层204 和其之下强烈变形的地层之间形成了角度不整合[S] 15~16 au, mt 205~207 204 主要的向斜变形和相应的变形量较小的背斜；处于褶皱下部的断层被后期的地震事件再次激活和叠加[S] T07W 15 scarp, au 203 201 断层断错了地层210,断层上部是面向南的陡坎，陡坎被地层205~207 覆盖，下降盘地层厚度和颗粒大小均有所增加，上覆砂层203 也表现类似的特征[S] T07WW 13 vo, au 210 204 北侧断层上部是波纹状小陡坎，并与南侧1.2m的断层控制一个地堑；南侧断层两侧沉积地层发生了沉积相变化较大[S] 14~15 vo 207 202b? 分叉的2 支断层，位于其中间的地层向上拱起[F] T09W 1~2 mt 215 203 地层300 约有1m宽的拱曲变形,在断层之上有较短波长的隆起；上覆地层203~204 厚度变化，尖灭在隆起上[S] 2~6 au 202 126~128 地层202~215 强烈变形,可能地震时这些软弱的地层发生变形，并杂揉在一起；地层126 平缓地覆盖在变形的沉积地层上，在5~6m处，未变形的最老地层是128，与其他地方比，位于较低的层位[S] 9~10 fd 204 202 薄皮背斜的褶皱作用和断裂作用；地层300 以下没有发现明显的对应变形，这是浅表的弯曲折断型变形[F] 注：古地震事件判识标志据参考文献[34]；au—角度不整合；cw—崩积楔；fc—相变；fd—褶皱作用；fis—裂隙充填；fz—断层带；mt—鼓包隆 起；sf—剪切错动纹理；tb—块体倾斜或倾覆；tc—地层层厚变化；ut—断裂向上终止；vo—垂直位错；S—较强, F—一般, M—中等, W—较弱 
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表 2 AD 1352—1919 年靖远和海原地区历史地震史料记载
Table 2 Document of historical earthquakes at Jingyuan and Haiyuan between AD 1352 and AD 1919
地震发生时间 史料记载 推测震中 地震目录来源 备注 1760.04.02 乾隆二十五年二月二十七日海原地震——《甘肃通志稿—变异志》页37乾隆二十五年二月二十七日地震——《镇远县志》卷7 页5 海原附近 [43-44] 由于这次地震相关记载较少，多数地震目录没将其收录，震级不定 1708.10.14 康熙四十七年秋九月地震西安州堡泉源壅塞——《海城县志》卷7 页2（图 9） [39, 44] 多数地震目录认为这次地震时间有误，应为中卫1709 年M7½地震 1638.01 崇祯十年十二月海都刺（今海原）、西安州地震，数月不止，边墙、墩台及民房悉圮——《明史·五行志》卷3 干盐池-海原之间 [39-46] 震中烈度估计为Ⅵ，震级为5½级，但是由于明代海原周围人烟稀少，大一些的行政单位（如县、卫）也不多，也不能完全排除地震发生在更偏远的地方，波及到海原和西安州，震级也有可能偏高些 1542.11.04 嘉靖二十一年九月甲戍山西阳平府、陕西固原州及宁夏卫、洮州卫，俱地震有声——《世宗实录》卷264页8和《国榷》卷57页3630 海原附近？ [44] 这次地震的影响范围比较大，如果把这些有感区圈画出来，那么宏观震中可能在海原附近 1491.04.21 明弘治四年三月己丑，弘治四年三月己丑陕西靖虏卫（今甘肃靖远）、乾盐池（宁夏海原干盐池）地震有声——《孝宗实录》卷49页6和《国榷》卷42页2626 靖远和干盐池之间 [39, 43-44] 靖虏卫在今甘肃靖远县，干盐池在今宁夏海原县西，两地直线距离约70km。震中应在两地之间，即今甘肃、宁夏交界的屈吴山一带
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