Long records of paleoearthquakes along the Xorkoli section of the Altyn Tagh fault
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摘要:
长序列古地震记录是理解断裂地震复发行为的关键,亦是区域地震危险性评价的重要基础。阿尔金断裂作为世界上最长的走滑断裂之一,其大地震复发行为一直是地震地质学家关注的重点。在该断裂中段索尔库里段开挖的探槽记录了8~9次古地震事件,发生时间分别为AD1598(1491~1740)、AD796(676~926)、668(732~590)BC、956(1206~716)BC、1301(1369~1235)BC、2105(2232~1987)BC、2664(2731~2601)BC、2818(2878~2742)BC和3411(3521~3205)BC。平均复发周期为620±410 a,变异系数为0.67,显示了弱准周期性。通过与其他研究点位的古地震数据对比,发现只有部分强震扩展至阿克塞弯曲内部。根据古地震复发周期和最新一次古地震的离逝时间,计算结果表明索尔库里段已经累积了3.3~4.6m的位移量,相当于Mw7.4~7.7地震,且未来30年发生强震的概率为0.07。
Abstract:Long records of paleoearthquakes are essential for understanding earthquake recurrence behavior of active faults and evaluating regional seismic hazard.The Altyn Tagh fault, one of the longest strike-slip faults in the world, is a research focus among seismic geologists.The authors documented a long paleoseismic record along the Xorkoli section of central Altyn Tagh fault.Eight or probably nine earthquakes were identified based on event evidence in the forms of open fissures, folds, unconformities, and upward fault terminations, with ages of AD1598 (1491~1740), AD796 (676~926), 668 (732~590) BC, 956 (1206~716) BC, 1301 (1369~1235) BC, 2105 (2232~1987) BC, 2664 (2731~2601) BC, 2818 (2878~2742) BC and 3411 (3521~3205) BC respectively.The mean recurrence interval is 620±410 a with a coefficient of variation of 0.67, indicating that earthquake recurrence is weakly periodic.Synthesis of paleoseismic sites from the central Altyn Tagh fault indicates that not all earthquakes ruptured to the eastern end of the Xorkoli section, within the Aksay restraining bend.Given the 420 a elapsed time since the most recent event, a large surface-rupturing earthquake could occur at any time along the central section.
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Keywords:
- Tibet /
- Altyn Tagh fault /
- active tectionics /
- strike-slip fault /
- paleoseismology
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阿尔金断裂带是亚洲大陆内部最引人注目的巨型活动断裂之一,分割了塔里木盆地和柴达木盆地,是青藏高原西北部的天然边界(图 1-a)。其以巨大的规模、极其醒目的线性行迹及在青藏高原演化中的重要角色吸引了国内外地学界的关注[1-10]。该断裂主体部分长达1600 km,呈北东方向延展,保存了约1100 km的地震地表破裂带遗迹[11],且晚第四纪和现今的GPS左旋滑动速率可达约10 mm/a[8, 12-14]。如此特征表明,阿尔金断裂具备发生强震的能力。但是,在200多年的历史地震记录中,该断裂并未记录到产生地表破裂的强震。近年来,在该断裂西段连续发生了Mw7.1(2008年)和Mw6.9(2014年)2次强震,分别产生了31 km和25 km的地震地表破裂带[15-16]。但是,与青藏高原内部和周缘的大型走滑断裂,如鲜水河断裂、东昆仑断裂、海原断裂等[17-20],相比阿尔金断裂显得过于平静,缺少百千米破裂尺度的强震事件。
图 1 印度-欧亚碰撞带断层分布图(a)、阿尔金断裂中段断裂展布图及探槽位置图(b)、铜矿探槽Google Earth影像解译图(c)和铜矿探槽分布图(d)(红色粗线和黑色细线分别代表大型走滑断裂和正或逆断裂)
ATF—阿尔金断裂;HYF—海原断裂;KLF—东昆仑断裂;XSF—鲜水河断裂;JF—嘉黎断裂;KF—喀喇昆仑断裂Figure 1. Fault map of India-Asia collision zone(a), shaded-relief map of the central section of the ATF and locations of paleoseismic sites(b), the interpretation of the satellite image of the Copper Mine site(c)and satellite images of the Copper Mine site(d)相比历史地震记录强震震例少、记录时间短等缺点[21-22],古地震可以揭露数千年—数万年的地震历史,提供更多破裂实例。对阿尔金断裂的古地震研究始于20世纪80年代,中国地震局阿尔金断裂带课题组1985—1989年在这方面开展了大规模的调查研究工作,极大地推动了古地震研究从无到有的过程,共开挖探槽51个,单个探槽揭露的古地震事件最多为4次,一般为1~2次[11]。随后,美国学者Ramon Arrowsmith研究小组在断裂中段乌尊硝尔-索尔库里段开展了地表位错统计和古地震研究工作,限定了最新2次古地震事件[23-24]。从2000年以来,徐锡伟等在阿尔金断裂东段获得了最新2次古地震事件的时间及同震位错[25-27]。尽管阿尔金断裂古地震研究已经取得了一定的成果,但是有精确测年数据限定的长序列古地震(事件数量不少于5次)研究点位偏少,不足以揭示多个段落的古地震复发规律及强震破裂规模的空间变化。
不同构造部位的古地震数据对比,对于理解强震破裂扩展行为有着重要意义。断裂强震破裂行为与障碍构造息息相关,这些障碍构造主要包括阶区(step)和弯曲(bend)。长期以来,人们认为这些复杂的构造几何位置控制着破裂的起始、扩展和终止,在地震的震级上也发挥了重要作用,如破裂穿过障碍构造的可能性,决定了破裂的最终长度和震级[28-32]。因此,弯曲和阶区是控制强震破裂范围的重要构造,也是理解断裂强震破裂行为的关键。在阿尔金断裂中段,车臣河—肃北之间发育4个断裂走向变化造成的挤压弯曲,其中从西往东最突出的3个分别是阿勒克塔格、平顶山和阿克塞挤压弯曲(图 1-b),平顶山与阿克塞弯曲之间为非常平直的索尔库里段[33]。这些弯曲对强震破裂扩展的影响程度如何,以及索尔库里平直段是否在每次强震中都能全段破裂,均需加强研究。因此,亟需在阿尔金断裂上开展更详尽的古地震工作,进而揭示断裂强震复发特征和评估未来地震危险性。
1. 铜矿探槽构造地貌特征及沉积环境
铜矿探槽点位于阿尔金断裂中段索尔库里走滑断陷盆地内,因附近有铜矿生活区而得名。该盆地西起戈壁岭,东至拉配泉,总体呈北东70°走向,长约140 km,宽2.5~7 km。盆地东南侧为青新界山,西北侧为金雁山(图 1-b),两侧山脊线多分布在3700~4000 m之间,与盆地内高差500~1000 m。该盆地形成于上新世,晚更新世地貌特征基本形成[34],内部广泛发育冲洪积扇。阿尔金活动断裂主断裂在盆地内形成一系列走滑断错地貌,并保存连续的地震地表破裂带[24]。
开挖的2个大型探槽位于2个大型洪积扇扇缘前部平坦的淤积平地上(图 1-c;北纬38.88°、东经91.62°)。此处平坦的淤积平地被花土沟镇居民称为“飞机场”。1号探槽(Trench 1,简称T1)长约30 m,宽3 m,深4.5 m;2号探槽(Trench 2,简称T2)位于1号探槽西侧约80 m,其长为约17 m,宽度和深度与1号探槽相当(图 1-d)。最新地震地表破裂带在探槽附近已经完全被沉积物掩埋,而在两侧均可以看到残留的地表破裂带,说明探槽所在位置地势较低,沉积速率较高。探槽中揭露的地层也佐证了此推断,其沉积速率为0.8~1.8 mm/a(图 2)。这样的速率可以限定复发间隔为百年尺度的古地震事件。地层以粉砂-粘土为主,个别地方见中粗砂,缺少砾石层(表 1)。
表 1 铜矿探槽地层单元划分及其特征Table 1. Summary of stratigraphy exposed in the Copper Mine trenches地层
编号描述 50 由两套地层组成,下部为浅蓝灰色极细砂-细砂,只发育在断层带形成的断陷塘里;上部为浅蓝灰色极细砂至粉砂,在所有部位均可见 100-1 浅红色极细砂-粉砂 100-2 浅红灰色中砂 100-3 浅红色粉砂 100-4 正粒序韵律,从灰色粗砂至浅红色极细砂 110-1a 浅粉色极细砂和浅灰色极细砂-粉砂 110-1b 与地层110-1a相似,底界为一层浅灰色粉砂薄层 110-2 下部为浅红色极细砂;上部为浅灰色极细砂-粉砂 110-3 浅红色粉砂和浅棕色极细砂,特征明显,在所有部位均可见 120 浅蓝灰色极细砂-粉砂,厚度变化较大;该层在断层带断陷位置明显增厚,偶还夹有若干层浅红色粉砂 130 粉色极细砂-细砂,地层厚度略有变化 140 蓝灰色细砂,厚度有变化 150 浅蓝灰色极细砂,厚度有变化,但在所有部位均可见 161a 浅红色-粉色极细砂-粉砂,厚度有变化,局部地层 161b 蓝灰色细砂,厚度有变化,局部地层 162a 浅蓝灰色极细砂,局部地层 162b 浅红棕色细砂-极细砂,局部地层 163 浅红棕色极细砂-粉砂,局部地层 164 浅红棕色极细砂-粉砂,局部地层 165 浅粉色极细砂,局部地层 170 粉色极细砂-粉砂,厚度轻微变化 180 蓝灰色细砂,薄层 190 浅蓝灰色细砂,顶界为粉色极细砂薄层 200 粉色极细砂-粉砂,中厚层 205 浅棕色极细砂,只分布在主断层带北侧 210 浅灰色极细砂,中厚层 220 浅灰色-浅红棕色细砂、中砂,粒度向上变粗,薄层 230 浅红色-粉色极细砂-粉砂,中厚层 240 浅灰色-浅蓝灰色中砂-极细砂、粉砂,粒度向上变细,颜色向下变深,薄层 250 浅红色-粉色极细砂-粉砂,夹几层浅蓝灰色极细砂条带,中厚-厚层 260 浅绿灰色细砂,厚度向南变薄直至消失,薄层 270 整体上呈粉色-浅红色极细砂-粉砂,夹不连续展布的浅灰绿色极细砂条带,中-厚层 280 浅蓝色粉砂质极细砂和浅粉色粉砂互层,在事件G后,其显著向南东增厚 290 浅蓝灰色极细砂和细砂,极薄层-薄层 300 浅红棕色-粉色细砂和极细砂质粉砂,薄层 310 浅红棕色粉砂质细砂,顶界为浅红色极细砂质粉砂条带,薄层 320 浅红色极细砂,均一的中厚层 330 浅绿灰色-浅蓝灰色细砂、中砂-极细砂;粒径整体上向上减小,但中部夹一层浅红棕色极细砂-粉砂细层 340 浅灰色均一的细砂-粉砂,夹有粗砂层,中厚层 350 浅绿灰色细砂,厚度变化大,薄层 400 粉色极细砂-粉砂,薄层 410 红棕色极细砂和浅蓝灰色极细砂-粉砂,粒径向上减小,薄层 420 红棕色极细砂-细砂,浅蓝灰色极细砂质粉砂,红色程度向上变深,薄层-中厚层 430 浅灰色中细砂,顶界为一层浅蓝灰色极细砂-粘土,薄层 440 粉色-浅红色极细砂,中部夹一层浅灰色极细砂和细砂,薄层 445 绿灰色细砂和粗砂,呈透镜状,薄层-中厚层 450 粉色-浅红棕色极细砂-粉砂,上部夹一层浅蓝灰色粉砂层,薄层 460 浅灰色极细砂层,均一,中厚层 470 浅红色-红棕色极细砂质粉砂,向上红色越深 500 浅绿灰色细砂 510 浅红色极细砂-粉砂,上部夹一层浅蓝灰色极细砂条带;在中上部也发育不连续的浅蓝灰色条带 520 浅绿灰色细砂 530 浅灰色极细砂和浅红色极细砂质粉砂 540 浅绿灰色细砂 2. 古地震事件的识别
共识别了9次古地震事件,其中8次可信度较高,1次较弱。判别证据主要为裂缝、角度不整合、褶皱、生长地层及断层向上的尖灭等(图 3、图 4)。以下综合分析2个探槽中地震事件证据。
2.1 事件A
最新一次古地震事件A的证据数量最多且充分。该事件产生了一系列的拉张裂缝,缝隙内部堆积了错断地层的碎块,然后被较新地层50覆盖。在1号探槽北东壁(T1NE)水平方向5 m处(图 5-a),断层断错至地层100-1顶部,形成一开口80 cm的裂缝,缝内堆积了地层100及更老地层的碎块,震后又沉积了粗砂层50-2,最终被地层50-1完全覆盖。同样,在同一壁10 m处也发育一条裂缝,地层100和110被垂直断错约10 cm(图 5-b)。该次事件最壮观的证据位于T1NE 12~15 m处(图 5-c)。裂缝开口宽度超过1 m,深度达到3 m。断层断错了地层110-1b和更老地层,裂缝内堆积了2套沉积物:下部为从两侧裂缝壁上断错或后期坍塌的呈混杂堆积的地层碎块;上部为震后小型冲沟沉积下来的冲积物,呈“月牙”状。在下部堆积物中可见地层100-1~100-4组成的碎块,上部被地层50完全覆盖,表明该事件发生在地层100-1沉积之后。另外,该裂缝在0.8 m的深度突然急剧拓宽,表明原始裂缝两壁遭受不断地侵蚀、坍塌。在该裂缝东南侧,发育一小型裂缝,断错了地层100-3,也可能断错了100-1。此外,南西壁上也发育与事件A相关的5条裂缝和一些断层向上尖灭的证据。
在2号探槽中,北东壁水平3m处,西北侧断层分支断错至地层100顶部,而东南侧分支仅延伸至地层100底部。在该剖面中,地层100-4至120-0均向断层带内发生弯曲,表明地震破裂没有完全到达地表。在对壁2 m处,断层断错至地层100,该地层由于受断层作用产生倾斜,并与上覆地层50呈角度不整合接触。在东北壁5~13 m处,是一宽8 m的断层破碎带,可见地层100及以下地层均被断错,上覆地层50在断层带内明显增厚(图 5-d)。在该断层带东南侧,地层100发生倾斜,并与上覆地层50呈角度不整合接触(图 5-d)。在西南壁5~13 m处,地层100及以下地层同样被强烈断错,且上覆地层50在断层带内明显增厚。
综上所述,事件A发生在地层100沉积结束之后,震后沉积地层50在多处均有加厚的沉积响应。一系列的张裂缝、角度不整合等均指示事件A可信度极高。
2.2 事件B
倒数第二次事件B地震层位为地层130。事件B的证据在4个探槽壁上均有出现。在T1NE水平1 m处,次级断层断错至地层130顶界,形成的裂缝内充填了地层140和150碎块。在2 m处,断层明显断错了地层130及以下地层。在断层西北侧,地层130碎块发生了倾斜倒转,而上覆地层120往东南侧断层带内急剧增厚。再往东南(图 6-b),断层断错地层130,且上覆地层120明显增厚,并被后期事件A断错。同样,在同壁9 m位置,地层130及更老地层被断错,被增厚的地层120覆盖。在14~18 m处,地层120与更老地层呈明显的角度不整合接触,但是由于下伏地层遭受强烈变形,已无法准确判别地层层位。
图 6 古地震事件B、C、D、E识别证据(绿色、粉色、青色及深蓝色实线表示地震事件层位;具体位置见图 3)Figure 6. Faulting evidence for events B, C, D and E在对壁T1SW 2 m位置处,由地层120组成的冲沟堆积物覆盖在断层带上,且厚度明显增厚。但是,由于在沉积120的过程中可能会侵蚀下伏断层带内部地层,难于准确确定断错的最新地层。另外,断层带两侧地层差别极大,说明存在明显的走滑位错。其实,该冲沟堆积及下伏变形是与对壁对应的,因此,推断应该为事件B。另外一个比较充分的证据为T1SW壁5 m处的正花状构造(图 6-a)。该变形参与的最新地层为130,与上覆地层120呈角度不整合接触,且地层120厚度也有明显变化。在同壁9 m处,断层断错至地层130,形成的裂缝被地层120-2~120-4填充,且被地层120-0完全覆盖,裂缝西南部分被较新地层侵蚀切割。再往西南10.5 m处,2条次级断层错断地层130,并被上覆增厚的地层120覆盖。在14~17 m处,地层110与150呈角度不整合接触。尽管不能确定具体的事件层位,但是倾向于事件B,因为在其他剖面中没有发现地层110~150之间存在地震事件。
在2号探槽北东壁(T2NE)1~5 m处,次级断层断错地层200或可能断错地层130,形成的裂缝内充填了地层130~150,并被地层120-4呈角度不整合覆盖。在同壁12 m处,被断错的地层130与上覆未变形的地层110-3呈角度不整合接触。在对壁T2SW 2~4 m处,可见一大型裂缝及裂缝上部填充的震后冲沟沉积物120。裂缝两壁上部被侵蚀了一部分,难于准确判定地震事件层位,但是笔者倾向于事件B。另外,在裂缝两侧可见次级断层断错至地层130。在同壁9~12 m范围内,断层断错至地层130,并被地层110-2~110-3覆盖。地层110-2~110-3在12 m处明显增厚,且被后期事件A再次错断。
综上所述,尽管有些证据不能准确判定事件层位,但是该事件存在几处充分可信的证据,可以判定事件B发生在地层130沉积之后。
2.3 事件C
倒数第三次事件C发生在地层161a~161b之间。在T1NE壁8 m处,地层161b及以下地层均发生褶皱变形(图 6-b)。在该剖面中,同时也发育3条呈“V”型的小型裂缝,其中南侧的裂缝被地层161a覆盖填充,而且161a向南略增厚,其顶部呈水平状态。因此,事件C发生在地层161a沉积之前或沉积早期。在同壁10 m处,地层150厚度在断层两侧变化很大,且几条次级断层终止于地层150之下,表明地层150沉积之前可能存在一次地震事件。在对壁T1SW 3~6 m处,次级断层断错至地层165或170,被上覆地层150覆盖。由于断错地层特征与标准地层差别较大,难于准确判定地层层位,但是肯定介于地层150~203之间。因此,地层变形可能与事件C或D相关,或者2次事件都参与其中。
尽管事件C证据数量较少,但是在东北壁上的证据非常充分,足以说明该事件可信度较高。
2.4 事件D
倒数第四次事件D的直接证据仅出现在T1NE壁7~9 m处(图 6-b)。在该剖面中,逆冲断层错断地层165,之后地层165被部分侵蚀掉,接着沉积了地层164,且地层164在逆冲陡坎处明显增厚,表明地震破裂发生在地层165沉积之后,164沉积之前。同样,在对壁T1SW,地层163和164厚度存在明显变化,可能也是对下伏地层变形的沉积响应。在T2SW壁13~15m处,地层170及更老地层均向东南掀斜,并与上覆地层130呈角度不整合接触。但是由于缺失中间地层,如140~150等,因此,也有可能是事件C引起的地层掀斜。
综上,事件D证据较少,但存在一条可信度较高或非常充分的证据,表明该事件可信度较高。
2.5 事件E
事件E发生在地层204沉积后期或沉积结束之后。在T1NE壁2 m处(图 6-c),次级断层断错地层204及以下地层,并且上覆地层203明显增厚。在对壁T1SW 1 m处(图 6-d),一条次级逆冲断层断错地层204,致使地层204和205产生叠置,然后被后期地层203覆盖,表明地层204在地震发生时为地表。该事件的证据也出现在T2探槽北东壁上,次级断层断错至地层204,并且上覆地层203底部地层在断层带处明显增厚。在探槽壁T2SW 2 m处,地层230-2与下伏地层204呈角度不整合接触。
综上,虽然事件E产生的地表变形相对较小,证据数量偏少,但是4个探槽壁上均有出现,且有些证据较充分。因此,该事件可信度较高。
2.6 事件F
共识别了5条事件F的证据。在探槽壁T1SW 25~28 m处(图 7-a),3条次级断层尖灭于地层250的底部,并且地层340~260均存在轻微褶皱变形,表明3条次级断层可能是褶皱变形的伴生构造。另外,在T2NE 4.2 m处(图 7-b),一条次级断层明显断错至地层255,而上覆地层250与下伏断层南侧冲沟沉积物的接触界线非常平坦,表明平坦的地层界线可能是侵蚀的结果,致使准确事件层位无法判断。此外,在T2探槽两壁中,均可见次级断层明显断错地层255,并尖灭于地层250下部。由于地层250较均一,无法判别断层尖灭的准确位置,且变形也可能影响到更年轻的地层(由于探槽未揭露更靠北的地层,所以无法判断具体影响到哪个层位)。
综上,事件F证据数量偏少,且缺少较强的证据。因此,笔者认为该事件可信度较低。
2.7 事件G
倒数第七次事件G可信度非常高。在探槽壁T1NE 26 m处,断层断错至地层300顶界,形成一条开口70~80 cm的裂缝,裂缝内部充填错断的地层碎块,并且上覆地层290在裂缝上部明显增厚。在T1探槽两壁18~27 m范围内,均可见地层280从西北向东南逐渐增厚,而更年轻地层的厚度无变化,表明地表在事件G发生时产生了掀斜。在T1NE 11~13 m处,地层300及更老地层被掀斜抬升后遭受了部分侵蚀。而上覆地层290向西北明显增厚,并与下伏地层形成了角度不整合接触,表明地层290属于震后沉积物,并且埋藏和保存了陡坎。在对壁T1SW上,不整合不明显,但是地层290厚度确实增加了。
在探槽壁T2NE 13 m处(图 8-a),可见地层300~340发生了褶皱变形,并与上覆地层280呈角度不整合接触,表明褶皱变形的时间在地层280沉积之前。褶皱核部部分地层被侵蚀掉,而且上覆地层280向东南明显增厚。在对壁T2SW 4 m附近,断层断错至地层300,形成的裂缝被上覆增厚的地层290覆盖。另外,裂缝一侧被后期事件再次错断。在同壁12~16 m范围内,地层280-4向东南增厚,是对事件G的沉积响应。而地层280-3及更新地层的厚度基本没有变化,表明事件G引起的地形起伏已经被地层280-4完全填平。
综上,事件G的证据不仅数量多,而且可靠性比较高。因此,事件G作为一次古地震事件的可信度非常高。
2.8 事件H
倒数第八次地震事件H发生在地层320沉积之前。在探槽壁T1NE 11~13 m处,强烈变形的地层330和340被变形较弱的地层300~320覆盖(图 8-b),表明在地层320~330之间存在一次地震事件。在对壁T1SW 11m处,2条断层尖灭于地层320底部。在T2SW 10~13 m处,地层300~320向东南明显增厚,并且下伏地层340由于逆断层的作用而在12m处产生叠置。
综上,事件H的证据数量偏少,但是存在一条比较充分的证据,表明其可信度较高。
2.9 事件I
最老地震事件I的证据仅出现在探槽T1两壁底部(图 8-c)。在探槽壁T1SW 17 m处,次级断层断错至地层450,产生了一凹陷(或负地形),然后被地层442和445填充,最后地层440完全覆盖断层带,表明地震事件层位为地层450。在对壁8 m处,断层作用产生一高地形,致使地层430和440沉积缺失,在地层420~460之间形成一平行不整合接触。
综上,尽管事件I只有2条证据,但是证据可靠性都较高。因此,事件I存在的可能性很高。
3. 14C测年
探槽附近地表植被稀疏,以合头草为主,地表可见其残枝。在强降雨的情况下,洪水从汇水区可以搬运大量的合头草残枝至探槽附近。铜矿探槽地层内含有丰富的14C测年材料,比如植物残枝、动物粪便等,共测试了49个样品(表 2)。其中,47个样品在加州欧文分校Keck加速质谱实验室完成测试,剩余2个样品送往贝塔实验室。根据样品在标准地层中的位置及上下地层年龄的关系,共舍弃10个样品结果(图 2)。比如, ATF14-35、ATF14-34和ATF13-30三个样品在地层柱状图中偏离了上下样品年龄变化的趋势,表现异常偏小,所以被舍弃。同理,ATF13-62、ATF14-40、ATF14-58、ATF14-59、ATF13-32、ATF13-121和ATF13-23等样品表现异常偏大。所有的测试结果均利用在线程序OxCal v4.3计算校正[35-36]。碳校正后的年龄置信区间均为95%,限定的9次古地震时间范围分别为AD1598(1491~1740)、AD796(676~926)、668(732~590)BC、956(1206~716)BC、1301(1369~1235)BC、2105(2232~1987)BC、2664(2731~2601)BC、2818(2878~2742) BC和3411(3521~~3205)BC(图 9)。
表 2 铜矿探槽年代样品数据Table 2. Dating samples in the Copper Mine trenches样品编号 实验室编号 地层单元 14C年代/BP 误差(1σ) 材料 校正后日历年代(2σ) 模型年代 ATF13-108 UCI-140086 50 170 25 残枝 AD1662~现今 AD1662~1953 ATF14-60 UCI-153557 50 390 110 残枝 AD1304~现今 AD1495~1799 ATF14-54 UCI-153558 100-1 330 20 残枝 AD1488~1640 AD1475~1632 ATF14-55 UCI-153559 100-4 565 20 残枝 AD1315~1419 AD1315~1419 ATF13-43 UCI-140087 110 905 25 残枝 AD1038~1204 AD1038~1202 ATF13-103 UCI-153560 110-2 1155 15 残枝 AD776~964 AD776~963 ATF13-62 UCI-153564 120-4 1515 15 残枝 437~601 BC / ATF13-104 UCI-153561 130 1320 45 残枝 AD631~776 AD542~609 ATF13-93 UCI-140088 150 2490 25 残枝 774~524 BC 653~417 BC ATF14-35 UCI-153562 150 360 90 残枝 AD1406~现今 / ATF14-38 UCI-153563 150 2460 80 残枝 780~405 BC 712~511 BC ATF14-58 UCI-153565 161 3000 15 残枝 1284~1132 BC / ATF13-102 UCI-153566 161a 2485 45 残枝 785~430 BC 733~571 BC ATF14-40 UCI-153567 162b 3025 20 残枝 1384~1213 BC / ATF14-39 UCI-153568 163 2440 15 残枝 738~412 BC 746~649 BC ATF13-94 UCI-140089 170 2800 25 残枝 1016~858 BC 1018~860 BC ATF15-9 Beta-420514 170 2990 30 残枝 1374~1118 BC 1293~1122 BC ATF13-42 UCI-140090 200 3230 25 粪便 1606~1433 BC 1339~1322 BC ATF14-56 UCI-153569 200-1 3030 15 残枝 1380~1222 BC 1376~1340 BC ATF14-31 Beta-420515 200-2 3000 30 残枝 1377~1126 BC 1395~1350 BC ATF14-34 UCI-153571 205 2445 15 残枝 747~413 BC / ATF14-50 UCI-153570 210 3325 15 残枝 1660~1533 BC 1658~1534 BC ATF14-44 UCI-153572 230 3410 20 残枝 1754~1642 BC 1753~1645 BC ATF14-46 UCI-153573 240 3545 15 残枝 1940~1780 BC 1939~1781 BC ATF13-46 UCI-140091 250 3625 25 残枝 2116~1911 BC 2031~1917 BC ATF14-29 UCI-153574 250 3650 25 残枝 2133~1943 BC 2133~1959 BC ATF13-120 UCI-140092 270 3755 30 残枝 2284~2041 BC 2285~2044 BC ATF14-25 UCI-153576 270 3980 15 残枝 2566~2467 BC 2566~2467 BC ATF13-22 UCI-140093 280 4385 25 残枝 3090~2917 BC / ATF14-45 UCI-153575 280 4090 15 残枝 2840~2574 BC 2629~2573 BC ATF13-25 UCI-153578 285-1 4080 15 残枝 2836~2504 BC 2661~2581 BC ATF14-59 UCI-153577 285 4365 20 残枝 3078~2912 BC / ATF13-92 UCI-140094 290 4115 25 残枝 2864~2578 BC 2703~2597 BC ATF13-02 UCI-140095 300 4145 25 树皮 2873~2613 BC 2752~2628 BC ATF13-20 UCI-140096 300/310 4110 30 残枝 2865~2575 BC 2833~2641 BC ATF13-28 UCI-140097 320上部 4180 25 残枝 2885~2673 BC 2856~2681 BC ATF13-16 UCI-140098 320中部 4135 25 残枝 2872~2620 BC 2870~2720 BC ATF13-66 UCI-153579 330 4180 20 残枝 2882~2679 BC 2886~2758 BC ATF13-18 UCI-140099 340 4370 25 残枝 3084~2911 BC 3082~2911 BC ATF13-121 UCI-140100 400 4730 120 残枝 3771~3105 BC / ATF14-42 UCI-153580 400 4465 20 残枝 3331~3028 BC 3332~3047 BC ATF13-27 UCI-140101 410 4540 30 粪便 3365~3104 BC 3366~3118 BC ATF13-29 UCI-140102 440 4620 60 残枝 3629~3106 BC 3472~3133 BC ATF13-51 UCI-140103 450 4665 25 树皮 3518~3369 BC 3481~3194 BC ATF13-30 UCI-140104 470 4485 25 残枝 3341~3091 BC / ATF14-37 UCI-153581 470 4925 15 残枝 3712~3653 BC 3714~3652 BC ATF13-23 UCI-140105 510 5885 25 残枝 4826~4707 BC / ATF13-107 UCI-140106 510 5780 30 残枝 4707~4550 BC 4707~4550 BC ATF13-100 UCI-140107 550 5990 35 残枝 4981~4791 BC 4977~4791 BC 4. 讨论
4.1 铜矿探槽古地震记录完整性
评估古地震记录的完整性对于评价断裂强震复发行为至关重要。地层沉积连续性、沉积速率、地震变形的多次叠加、侵蚀等因素都可能造成高估或低估地震事件的数量。
判别古地震事件的证据具有强弱之分,证据出现的频次也对古地震事件的评估产生影响[37]。依据这些特点,笔者对探槽揭露的所有古地震事件判别证据进行了强弱等级划分和频次统计分析,结果显示,地层320、510及250/260中没有出现等级为4的证据(图 10)。因此,这3个地层单元中出现古地震事件的可能性不大。但是地层250/260中出现的低等级证据数量较多,增强了蕴含地震事件的可能性,所以笔者也把该地层作为一个地震事件层位,只是可信度相对其他出现高等级证据的地层较低。尽管事件D和H的判别证据只有2~3条,但是存在非常强的证据充分佐证事件的可信度,比如生长地层、明显的垂直位错、角度不整合等。因此,事件D和H存在可能性较高。
有2种情况可以造成低估事件数量:沉积间断和变形叠加。如果地震事件发生在沉积间断时,那么地震事件将会叠加到早期变形中或保存在较老的地层中,将无法识别出2次事件,或事件时间限定范围非常宽。铜矿探槽标准地层柱状图(图 2)显示,在AD575~565BC之间存在一沉积间断,持续时间约为1000 a,对应的层位在地层130~140或者140~150之间。1000 a的沉积间断完全有可能遗漏了1~2次地震事件。而铜矿探槽北东方向12 km的骆驼探槽点在这1000 a沉积间断内沉积是连续的,并且这段时间内没有地层变形的证据[24]。另外,在铜矿探槽中也未发现沉积间断之下的地层中记录了地震变形的证据。因此,铜矿探槽中的沉积间断没有造成遗漏地震事件。此外,第二种情况为较晚地震事件引起的变形叠加到更早的变形中,如果2次事件造成的变形非常强烈,且早期变形被改造的非常严重,那么将无法从新事件中识别出老事件,也可以引起事件数量的低估。目前,还没有一种非常有效的方法可以完全解决第二种情况。但是,开挖更多的探槽可以降低这种可能。比如,开挖2个间隔80 m的探槽,探槽宽度也达到3 m。4个探槽壁揭露的事件证据基本上都能对应。因此,铜矿探槽地层中记录的事件数量应该是完整的,不大可能多于9次事件,但可能仅有8次。
4.2 铜矿探槽古地震数据与其他研究点的对比
为了获取该段的强震破裂时空分布特征,将铜矿探槽与同一段的苦海和骆驼2个探槽,以及阿尔金断裂北支断裂莫巴尔和阿克塞弯曲内部安南坝探槽点古地震数据进行了对比(图 11)[23-24, 38]。苦海、骆驼及安南坝探槽分别距铜矿探槽30 km、12 km和185 km。为了更加合理地对比各个研究点的古地震数据,依据的原则为:若古地震事件时间分布95%的置信区间存在交集,即认为可能为同一事件。对于事件A,其时间分布范围与苦海和骆驼2个探槽点的最新一次事件均存在交集,表明事件A在3个探槽点均产生了地表破裂。虽然事件A与安南坝探槽点的最新事件不存在交集,但是也不能排除事件A破裂范围也到达了安南坝探槽点的可能性。因为探槽接近地表的地层为以成层性较差的风成黄土为主,断裂上断点位置有可能更靠近地表,所以最新一次事件上限位置并不能很好地确认。事件B的时间范围与骆驼探槽点倒数第二次事件C2、安南坝探槽点及北支断裂莫巴尔探槽点最新一次事件存在交集,表明地震破裂向东扩展至弯曲内部,并有可能跳跃到北支断裂上。此外,Washburn等[23]也指出,在苦海探槽点倒数第二次事件与最新一次事件之间可能也存在另外一次事件。铜矿探槽与苦海探槽点仅相隔几十千米,并且两点之间断层非常平直,不存在能阻挡破裂传播的阶区。所以事件B极有可能破裂至苦海。因此,笔者推断,事件B造成了索尔库里段全段破裂,并扩展至弯曲内部和北支断裂上。事件C与苦海探槽点事件BS2、安南坝探槽点事件Bs均存在交集,表明该事件可能引起索尔库里全段全破,并进入阿克塞弯曲。此外,事件C与北支断裂事件Bn存在一定的交集,只是交集范围很窄,所以事件C也存在跳跃至北支断裂上的可能。除事件C可以与其他研究点的倒数第二次事件存在交集外,事件D也存在这种可能性,只是交集范围更窄,且交集位置更偏于分布两侧,而不是中心位置,因此,笔者更倾向于事件C与BS2和Bs是对应事件。事件G和I分别与安南坝探槽点事件Ds和Es存在交集,表明2次事件均破裂至弯曲内部。由于苦海和骆驼2个探槽点均没有记录更老的地震事件(大于3000 a BP),所以无法再与其他探槽点进行对比。从目前可以对比的时间段看,索尔库里段基本上都是全段破裂(或至少苦海和骆驼2个点之间的段落),再加上索尔库里段的平直特征,因此,认为索尔库里段在每次地震破裂事件中均发生了全段破裂。以上对比均是在测年误差范围内讨论的,不能完全排除发震时间相近的不同地震事件被视为同一事件。
铜矿探槽和安南坝探槽地震记录时间均达到了6000 a,而铜矿探槽记录了8~9次地震事件,安南坝只记录了4次。在安南坝探槽中,4次事件发震时间可以与铜矿探槽对应,即事件As-B、Bs-C、Ds-G、Es-I。综上,铜矿探槽至少多记录了4~5次地震事件,也就是说,这些事件的地震破裂没有扩展至安南坝探槽(即阿克塞弯曲中点)。如此断裂破裂扩展行为验证了弯曲动力学破裂扩展模型[39]。
4.3 铜矿探槽古地震事件复发特征及未来地震危险性分析
活动断裂古地震复发行为研究对未来地震危险性评估至关重要。根据铜矿探槽揭露的9次古地震事件发生的时间,计算获得的平均复发间隔和标准差为620±410 a,变异系数(COV)为0.67±0.04(1σ),最新一次地震事件的离逝时间为约420 a。尽管COV小于1,属于准周期性,但是单个复发间隔差别非常显著。比如,最大复发间隔为1658 a(事件B与C),最小复发间隔为277 a(事件G与H)。复发间隔相差如此之大,表明索尔库里段地震重复并没有表现出非常强的规律性。较弱的准周期性可能反映索尔库里段并不完全是一个独立的破裂段,有些地震可能突破了索尔库里段两侧的障碍构造。
根据断裂地表位错统计分析,最新2次地震事件的同震位移为5~7 m[23, 40]。如果5~7 m代表过去9次地震的平均位错,那么断裂平均滑动速率为8.1~11.3 mm/a,与地质和GPS获得的速率一致[8, 12-13, 41]。若依据这样的平均滑动速率和最新一次地震事件的离逝时间,那么累积位移量已经达到了3.3~4.6 m,相当于Mw7.4~7.7地震[42],即索尔库里段随时可以发生强震。利用布朗时间模型计算获得未来30 a发生强震的概率为0.07[43-44]。
5. 结论
索尔库里盆地独特的构造地貌环境,使其成为研究断裂活动性和古地震的理想场所。其中铜矿探槽较低的地势及干旱环境,为植物残体和动物粪便提供了良好的保存条件;高分辨、高沉积速率的连续地层封存了古地震变形遗迹。依据裂缝充填、褶皱、角度不整合、生长地层等识别标志,在6000 a以来的地层中共识别了8~9次古地震事件,显著提高了阿尔金断裂中段古地震记录数量。通过与其他探槽的对比发现,几乎所有的强震都能贯穿索尔库里全段,与其平直性特征相符。此外,铜矿探槽古地震记录数量明显多于弯曲内部的古地震记录,揭示了走滑断裂挤压弯曲的地震破裂扩展过程,即在不断累积地震剩余应力的情况下,某些地震破裂可以扩展至弯曲内部或贯穿弯曲。
铜矿探槽最新一次地震离逝时间约420 a,平均复发间隔为620±410 a,变异系数为0.67±0.04,具有较弱的准周期性。通过铜矿探槽古地震数据和地表同震位移获得的断裂左旋走滑速率与地质和GPS速率一致,为8~11 mm/a。根据最新一次地震的离逝时间和左旋滑动速率计算,结果显示,索尔库里段已经累积了3.3~4.6 m位移量,达到了Mw7.4~7.7地震,并且未来30 a发生的概率为0.07 (7%)。
致谢: 感谢审稿专家对论文提出的宝贵意见,感谢美国俄勒冈大学Ray Weldon教授在野外的指导,非常感谢范文英师傅在探槽开挖中提供的友情协助。 -
图 1 印度-欧亚碰撞带断层分布图(a)、阿尔金断裂中段断裂展布图及探槽位置图(b)、铜矿探槽Google Earth影像解译图(c)和铜矿探槽分布图(d)
(红色粗线和黑色细线分别代表大型走滑断裂和正或逆断裂)
ATF—阿尔金断裂;HYF—海原断裂;KLF—东昆仑断裂;XSF—鲜水河断裂;JF—嘉黎断裂;KF—喀喇昆仑断裂Figure 1. Fault map of India-Asia collision zone(a), shaded-relief map of the central section of the ATF and locations of paleoseismic sites(b), the interpretation of the satellite image of the Copper Mine site(c)and satellite images of the Copper Mine site(d)
图 6 古地震事件B、C、D、E识别证据
(绿色、粉色、青色及深蓝色实线表示地震事件层位;具体位置见图 3)
Figure 6. Faulting evidence for events B, C, D and E
表 1 铜矿探槽地层单元划分及其特征
Table 1 Summary of stratigraphy exposed in the Copper Mine trenches
地层
编号描述 50 由两套地层组成,下部为浅蓝灰色极细砂-细砂,只发育在断层带形成的断陷塘里;上部为浅蓝灰色极细砂至粉砂,在所有部位均可见 100-1 浅红色极细砂-粉砂 100-2 浅红灰色中砂 100-3 浅红色粉砂 100-4 正粒序韵律,从灰色粗砂至浅红色极细砂 110-1a 浅粉色极细砂和浅灰色极细砂-粉砂 110-1b 与地层110-1a相似,底界为一层浅灰色粉砂薄层 110-2 下部为浅红色极细砂;上部为浅灰色极细砂-粉砂 110-3 浅红色粉砂和浅棕色极细砂,特征明显,在所有部位均可见 120 浅蓝灰色极细砂-粉砂,厚度变化较大;该层在断层带断陷位置明显增厚,偶还夹有若干层浅红色粉砂 130 粉色极细砂-细砂,地层厚度略有变化 140 蓝灰色细砂,厚度有变化 150 浅蓝灰色极细砂,厚度有变化,但在所有部位均可见 161a 浅红色-粉色极细砂-粉砂,厚度有变化,局部地层 161b 蓝灰色细砂,厚度有变化,局部地层 162a 浅蓝灰色极细砂,局部地层 162b 浅红棕色细砂-极细砂,局部地层 163 浅红棕色极细砂-粉砂,局部地层 164 浅红棕色极细砂-粉砂,局部地层 165 浅粉色极细砂,局部地层 170 粉色极细砂-粉砂,厚度轻微变化 180 蓝灰色细砂,薄层 190 浅蓝灰色细砂,顶界为粉色极细砂薄层 200 粉色极细砂-粉砂,中厚层 205 浅棕色极细砂,只分布在主断层带北侧 210 浅灰色极细砂,中厚层 220 浅灰色-浅红棕色细砂、中砂,粒度向上变粗,薄层 230 浅红色-粉色极细砂-粉砂,中厚层 240 浅灰色-浅蓝灰色中砂-极细砂、粉砂,粒度向上变细,颜色向下变深,薄层 250 浅红色-粉色极细砂-粉砂,夹几层浅蓝灰色极细砂条带,中厚-厚层 260 浅绿灰色细砂,厚度向南变薄直至消失,薄层 270 整体上呈粉色-浅红色极细砂-粉砂,夹不连续展布的浅灰绿色极细砂条带,中-厚层 280 浅蓝色粉砂质极细砂和浅粉色粉砂互层,在事件G后,其显著向南东增厚 290 浅蓝灰色极细砂和细砂,极薄层-薄层 300 浅红棕色-粉色细砂和极细砂质粉砂,薄层 310 浅红棕色粉砂质细砂,顶界为浅红色极细砂质粉砂条带,薄层 320 浅红色极细砂,均一的中厚层 330 浅绿灰色-浅蓝灰色细砂、中砂-极细砂;粒径整体上向上减小,但中部夹一层浅红棕色极细砂-粉砂细层 340 浅灰色均一的细砂-粉砂,夹有粗砂层,中厚层 350 浅绿灰色细砂,厚度变化大,薄层 400 粉色极细砂-粉砂,薄层 410 红棕色极细砂和浅蓝灰色极细砂-粉砂,粒径向上减小,薄层 420 红棕色极细砂-细砂,浅蓝灰色极细砂质粉砂,红色程度向上变深,薄层-中厚层 430 浅灰色中细砂,顶界为一层浅蓝灰色极细砂-粘土,薄层 440 粉色-浅红色极细砂,中部夹一层浅灰色极细砂和细砂,薄层 445 绿灰色细砂和粗砂,呈透镜状,薄层-中厚层 450 粉色-浅红棕色极细砂-粉砂,上部夹一层浅蓝灰色粉砂层,薄层 460 浅灰色极细砂层,均一,中厚层 470 浅红色-红棕色极细砂质粉砂,向上红色越深 500 浅绿灰色细砂 510 浅红色极细砂-粉砂,上部夹一层浅蓝灰色极细砂条带;在中上部也发育不连续的浅蓝灰色条带 520 浅绿灰色细砂 530 浅灰色极细砂和浅红色极细砂质粉砂 540 浅绿灰色细砂 表 2 铜矿探槽年代样品数据
Table 2 Dating samples in the Copper Mine trenches
样品编号 实验室编号 地层单元 14C年代/BP 误差(1σ) 材料 校正后日历年代(2σ) 模型年代 ATF13-108 UCI-140086 50 170 25 残枝 AD1662~现今 AD1662~1953 ATF14-60 UCI-153557 50 390 110 残枝 AD1304~现今 AD1495~1799 ATF14-54 UCI-153558 100-1 330 20 残枝 AD1488~1640 AD1475~1632 ATF14-55 UCI-153559 100-4 565 20 残枝 AD1315~1419 AD1315~1419 ATF13-43 UCI-140087 110 905 25 残枝 AD1038~1204 AD1038~1202 ATF13-103 UCI-153560 110-2 1155 15 残枝 AD776~964 AD776~963 ATF13-62 UCI-153564 120-4 1515 15 残枝 437~601 BC / ATF13-104 UCI-153561 130 1320 45 残枝 AD631~776 AD542~609 ATF13-93 UCI-140088 150 2490 25 残枝 774~524 BC 653~417 BC ATF14-35 UCI-153562 150 360 90 残枝 AD1406~现今 / ATF14-38 UCI-153563 150 2460 80 残枝 780~405 BC 712~511 BC ATF14-58 UCI-153565 161 3000 15 残枝 1284~1132 BC / ATF13-102 UCI-153566 161a 2485 45 残枝 785~430 BC 733~571 BC ATF14-40 UCI-153567 162b 3025 20 残枝 1384~1213 BC / ATF14-39 UCI-153568 163 2440 15 残枝 738~412 BC 746~649 BC ATF13-94 UCI-140089 170 2800 25 残枝 1016~858 BC 1018~860 BC ATF15-9 Beta-420514 170 2990 30 残枝 1374~1118 BC 1293~1122 BC ATF13-42 UCI-140090 200 3230 25 粪便 1606~1433 BC 1339~1322 BC ATF14-56 UCI-153569 200-1 3030 15 残枝 1380~1222 BC 1376~1340 BC ATF14-31 Beta-420515 200-2 3000 30 残枝 1377~1126 BC 1395~1350 BC ATF14-34 UCI-153571 205 2445 15 残枝 747~413 BC / ATF14-50 UCI-153570 210 3325 15 残枝 1660~1533 BC 1658~1534 BC ATF14-44 UCI-153572 230 3410 20 残枝 1754~1642 BC 1753~1645 BC ATF14-46 UCI-153573 240 3545 15 残枝 1940~1780 BC 1939~1781 BC ATF13-46 UCI-140091 250 3625 25 残枝 2116~1911 BC 2031~1917 BC ATF14-29 UCI-153574 250 3650 25 残枝 2133~1943 BC 2133~1959 BC ATF13-120 UCI-140092 270 3755 30 残枝 2284~2041 BC 2285~2044 BC ATF14-25 UCI-153576 270 3980 15 残枝 2566~2467 BC 2566~2467 BC ATF13-22 UCI-140093 280 4385 25 残枝 3090~2917 BC / ATF14-45 UCI-153575 280 4090 15 残枝 2840~2574 BC 2629~2573 BC ATF13-25 UCI-153578 285-1 4080 15 残枝 2836~2504 BC 2661~2581 BC ATF14-59 UCI-153577 285 4365 20 残枝 3078~2912 BC / ATF13-92 UCI-140094 290 4115 25 残枝 2864~2578 BC 2703~2597 BC ATF13-02 UCI-140095 300 4145 25 树皮 2873~2613 BC 2752~2628 BC ATF13-20 UCI-140096 300/310 4110 30 残枝 2865~2575 BC 2833~2641 BC ATF13-28 UCI-140097 320上部 4180 25 残枝 2885~2673 BC 2856~2681 BC ATF13-16 UCI-140098 320中部 4135 25 残枝 2872~2620 BC 2870~2720 BC ATF13-66 UCI-153579 330 4180 20 残枝 2882~2679 BC 2886~2758 BC ATF13-18 UCI-140099 340 4370 25 残枝 3084~2911 BC 3082~2911 BC ATF13-121 UCI-140100 400 4730 120 残枝 3771~3105 BC / ATF14-42 UCI-153580 400 4465 20 残枝 3331~3028 BC 3332~3047 BC ATF13-27 UCI-140101 410 4540 30 粪便 3365~3104 BC 3366~3118 BC ATF13-29 UCI-140102 440 4620 60 残枝 3629~3106 BC 3472~3133 BC ATF13-51 UCI-140103 450 4665 25 树皮 3518~3369 BC 3481~3194 BC ATF13-30 UCI-140104 470 4485 25 残枝 3341~3091 BC / ATF14-37 UCI-153581 470 4925 15 残枝 3712~3653 BC 3714~3652 BC ATF13-23 UCI-140105 510 5885 25 残枝 4826~4707 BC / ATF13-107 UCI-140106 510 5780 30 残枝 4707~4550 BC 4707~4550 BC ATF13-100 UCI-140107 550 5990 35 残枝 4981~4791 BC 4977~4791 BC -
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