地质通报  2019, Vol. 38 Issue (6): 977-992  
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徐心悦, 袁兆德, 邵延秀, 刘静, 姚文倩, 李文巧, 韩龙飞. 探槽古地震事件识别标志及其定量化——以活动走滑断裂为例[J]. 地质通报, 2019, 38(6): 977-992.
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Xu X Y, Yuan Z D, Shao Y X, Liu J, Yao W Q, Li W Q, Han L F. Paleo-earthquake evidence and its quantitative evaluationin trenches:Exemplified by active strike-slip faults[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(6): 977-992.
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基金项目

国家自然科学基金项目《以阿尔金断裂中段为例,走滑断裂的几何构造结对断裂活动习性的控制作用》(批准号:U1839203)、国家自然科学基金青年基金项目《党河南山北缘断裂晚第四纪活动特征及其在区中的意义》(批准号:41802228)、地震动力学国家重点实验室自主课题《老虎山断裂蠕滑段及邻近断裂段的第四纪活动性与几何复杂度研究》(编号:LED2017A01)、中央级公益性科研院所基本科研业务《阿尔金断裂乌尊硝尔段古地震序列与同震位移研究》(编号:IGCEA1814)

作者简介

徐心悦(1993-), 女, 在读硕士生, 从事强震与地貌演化研究。E-mail:shirley-hsu@outlook.com

通讯作者

袁兆德(1986-), 男, 博士, 助理研究员, 从事古地震研究。E-mail:yzd19862922@163.com

文章历史

收稿日期: 2019-01-29
修订日期: 2019-03-01
探槽古地震事件识别标志及其定量化——以活动走滑断裂为例
徐心悦1 , 袁兆德1,2 , 邵延秀3 , 刘静1 , 姚文倩1 , 李文巧4 , 韩龙飞1     
1. 中国地震局地质研究所, 北京 100029;
2. 中国地震灾害防御中心, 北京 100029;
3. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000;
4. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
摘要: 探槽古地震事件的识别取决于对沉积地层中封存的构造变形和沉积响应的解译。基于国内外88篇走滑断裂古地震研究论文,系统总结分析了古地震事件的多种识别标志,主要包括地层的垂向错断、断层向上逐渐尖灭、生长地层、裂缝充填、角度不整合、砂土液化、崩积楔、褶皱等。这些识别标志的质量和数量是判别古地震事件的关键。综合分析认为,地震成因识别标志与非构造成因及蠕滑产生的变形不同,而不同识别标志对地震层位的限定有证据强弱之分。在充分考虑地域和人为因素的影响下,根据识别标志的强弱,对探槽揭露事件的地层证据进行半定量化分析,这在实际工作中不仅可以最大限度地降低误判地震事件的可能性,排除非地震成因变形的影响,也能更客观地反映地震事件的可信度。
关键词: 走滑断裂    古地震探槽    古地震    识别标志    蠕滑    
Paleo- earthquake evidence and its quantitative evaluationin trenches:Exemplified by active strike-slip faults
XU Xinyue1, YUAN Zhaode1,2, SHAO Yanxiu3, LIU Jing1, YAO Wenqian1, LI Wenqiao4, HAN Longfei1     
1. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
2. China Earthquake Prevention Center, Beijing 100029, China;
3. Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, Gansu, China;
4. Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
Abstract: Identification of paleo-earthquake events in trench depends on the interpretation of the structural deformations and associated sedimentary responses preserved in the sedimentary strata. Based on 88papers of paleoseismic studies of strike-slip fault published in China and abroad, the authors systematically summarized the empirical paleoseismic indicators, which includes vertical offset, upward termination of fault, growth strata, infilled fissures, angular unconformities, liquefactions, colluvial wedges and folds. The quality and frequency of these event indicators constitute the key to distinguishing paleoseismic events and event horizons. Ground deformation caused by non-structuralfactor and creepingis slightly different from eventindicators.In practice, the semiquantitative methodcan minimize the influence of non-seismic genetic deformations, reduce the risk of misestimating of paleoearthquake events, and give an objective event confidence level.
Key words: strike-slip fault    paleoearthquake trench    paleoearthquake    event indicators    creeping    

强震数据对断裂未来地震危险性评估至关重要[1-2],其主要来源于历史地震记录和古地震数据。通过历史地震记录一般可以获得准确的发震时间和破坏影响范围,但是震中位置和发震断层的确定受城镇分布影响很大[3-4]。另外,历史记录也具有强震震例少、记录时间短等缺点。中国最早的一条地震记载约在公元前23世纪[5],距今仅四千多年。这对于断裂的强震复发间隔来说稍显短暂,且并不是所有地方的历史地震记录都能达到四千多年,尤其是中国西部青海和新疆地区,记录时间更短,如阿尔金断裂历史地震记录仅有三百多年的历史。在中国大陆,断裂滑动速率一般在10mm/a以下,所以强震复发周期多在几百年以上。因此,单条断裂上的仪器和历史强震记录一般都在2次以下[6-8]。在历史强震记录不足的情况下,如何挖掘史前地震信息显得至关重要[9-12]。古地震是保存在地质记录中的史前或历史上没有明确记录的地震事件,可以帮助研究者在几个地震重复周期的时间段上认识断裂的长期活动习性,并用于评估未来强震发生的概率[9, 13]。古地震研究可以揭示数十次历史地震,从而填补大地震记录的空白,与历史地震记录互为补充[14-25]

“将今论古”是古地震研究的重要方法。现今能观察到的地震效应也同样会在古地震中发生,如裂缝、挤压鼓包、崩积楔、断塞塘沉积等(图 1)。所以,识别古地震的方法主要来自对现今地震的经验总结。虽然该项技术已非常成熟,但是如何准确获得可靠的古地震事件一直是一项具有挑战性的工作。首先,古地震事件的识别取决于证据的可靠性,而地震同震变形或震后的沉积效应有时保存得并不完美,会受到后期地震事件的影响或侵蚀作用的改造,有时更是存在非构造因素的干扰,在实际操作中,无法判别成因的变形并不少见。各识别标志类型不同,对于确定古地震事件的可靠程度也不相同。其次,古地震事件的解译过程完全依赖于研究者主观、经验性的判断,而不同学者对各种证据的可靠性判断不同,也造成学者们判断标准不一,大部分成果发表后,后来者很难准确评估古地震的可靠性,给古地震数据的应用带来很大的不确定性。因此,如何定量化评估古地震事件的可信度显得尤为重要。

图 1 走滑型地震产生的各种地表破裂样式 Fig.1 Various patterns of surface rupture produced by strike-slip earthquakes a—2001年昆仑山口Ms8.1地震同震破裂;b—断层陡坎与快速堆积形成的崩积楔;c—地震形成的拉张裂缝和挤压鼓包;d—2010年玉树Ms7.1同震破裂

纵观国际上走滑断裂古地震研究经典案例,尤以板间断裂最丰富,如北美的圣安德烈斯断裂、新西兰阿尔卑斯断裂、死海断裂,以及土耳其北安陀尼亚断裂等,其滑动速率高达20~30mm/a,且探槽沉积环境以干旱-半干旱为主,海拔小于3000m。而中国大陆的大型走滑断裂均为板内断裂,其滑动速率一般小于10mm/a。另外,青藏高原发育的大型走滑断裂多分布在高海拔地区,古地震探槽工作受冻土影响较大,给古地震研究带来很大的挑战。由于古地震事件的地层证据更多地反映地震地表破裂和同震变形对浅表地层的扰动,以走滑断裂为例的同震地表破裂样式没有本质差别,所以古地震探槽识别标志仍具有很大的共性,不同地区的研究可以相互借鉴。

本文通过收集国内外走滑断裂古地震研究成果,统计分析古地震事件的各类经验判识标志及其可靠性,阐述评估古地震事件的半定量化判识方法及应用实例,帮助古地震研究者更加科学合理地运用这项技术。

1 走滑断裂古地震事件的典型识别标志

古地震事件识别标志指探槽剖面上记录的地面变形形态学和沉积学标志。古地震研究的核心是事件识别和发震层位的解译。古地震事件识别标志主要有地层的垂直断错、褶皱、裂缝、角度不整合、生长地层、崩积楔等[26-29]。不同类型的断裂,识别标志略有不同。对于走滑断层而言,局部往往存在拉张、挤压和剪切变形,其古地震识别标志涵盖了上述正、逆断层标志类型,类型更丰富。中国大陆分布诸多大型活动走滑断裂,如郯庐断裂、海原断裂、阿尔金断裂、东昆仑断裂、喀喇昆仑断裂、鲜水河断裂等。因此,本文仅限于讨论如何在走滑断裂古地震探槽中利用第四系松散沉积物中保存的古地震识别标志判别地震事件。为了更全面地认识和理解这些识别标志,笔者对全球走滑断裂古地震论文进行了系统分析和总结(表 1图 2),对识别标志的成因和模式进行了探讨。

图 2 走滑断裂古地震识别标志类型统计 Fig.2 Statistical features of the paleo-earthquake event indicators a—走滑断裂识别标志出现频次统计图;b—单一探槽点识别标志出现类型数占比(1~6为单个探槽点出现的识别标志类型个数;例如,探槽点只存在一种类型识别标志的情况占比16%);GS—生长地层;UT—断层向上的尖灭;FIS—裂缝;AV—角度不整合;VO—垂向错开;LF—砂土液化;CW—崩积楔;FD—褶皱
表 1 走滑断裂探槽古地震识别标志统计 Table 1 Summary of the event indicators of strike-slip faults

本文统计的75处古地震探槽点(共88篇文献)主要分布于美国西海岸圣安德烈斯断裂系、加州东部剪切断裂系、新西兰阿尔卑斯断裂系、死海断裂系、土耳其北安陀尼亚断裂系、中国青藏高原周缘断裂系等,涵盖了走滑断裂古地震探槽研究的经典文献。统计发现,古地震事件的判识标志主要为地层的垂向错断、断层向上的逐渐尖灭、生长地层、裂缝充填、角度不整合、沙土液化、崩积楔、褶皱等(表 1图 2-a)。这些识别标志主要以多种类型组合的形式出现。在探槽中,未发现7种以上类型标志出现在同一探槽中的现象(图 2-b)。

在探槽中识别古地震事件是对地层异常或变形现象进行合理解译的过程。通常认为,在不受断层影响的情况下,探槽中沉积地层应该保持原始自然状态,如呈水平、层厚变化不大或渐变等。当出现异常现象时(包括以上统计的地震识别标志),需要判别异常是否为断层活动引起。下文将对这些异常现象或标志逐一阐述。

(1)地层的垂向错开

分析沉积地层中记录的古地震事件,断层迹线的精确刻画是关键。确定断层迹线的主要方法为地层的错断(图 3-A),而断层向上垂直位错的突变是判断事件层位的关键。垂直位错的最新地层即为事件层位。走滑断裂在局部会存在拉张或挤压环境,因此在探槽中常见正断或逆冲。即使是纯走滑的断层,如果地层在走向上厚度有变化,也会表现为地层的错断。

图 3 走滑断裂古地震事件典型识别标志 Fig.3 Typical paleoearthquake evidence on strike-slip faults (图中红色实线表示断层,黑色、灰色实线为地层界线,数字为地层编号)
A-圣安德列斯断裂Wrightwood探槽点地层的垂向错开[31]; B-断层向上的逐渐尖灭, 地层断距向上逐渐减小, 直至消失[111]; C-生长地层成因模式图; D-阿尔金断裂铜矿探槽褶皱变形[110]; E-阿尔金断裂铜矿探槽点裂缝充填[110]; F-圣安德烈斯断裂Carrizo Plain探槽点角度不整合与裂缝充填[35]; G-崩积楔形成模式图[36], a-c为走滑兼正断崩积楔形成模式; a'-c'为走滑兼逆断崩积楔形成模式; H-砂土液化模式图与喷砂冒水, a-b为砂土液化模式图[113], c为喷砂冒水[18]; I-断层向上逐渐尖灭[24]

(2)断层向上逐渐尖灭

该标志与地层垂向错开最大的区别在于其位错量向上逐渐减小,直至很难准确分辨其终止位置。断层向上尖灭或断层位错向上终止是最常见的古地震识别标志[111]图 3-B)。但有研究认为,单条断层向上尖灭作为识别标志的质量不高[18],如Weldon等[24]发现,在同一探槽的两壁上或相差几米的探槽壁上,同一条断层上断点位置不同(图 3-I)。

断层向上尖灭的成因有多种。首先,断距向上逐渐减小可能与断层在地震过程中没有断错至地表相关[18]。比如,有些断层与褶皱伴生,仅为调节或吸收变形的构造。Bonilla等[112]研究发现,在走滑型地震事件中,约有2/3的断层发生了错动而未到达地表,其上断点距离地表从几厘米到2m不等。其次,由于走滑型地震地表破裂经常呈雁列形,所以在阶区附近同一条断层在不同位置上断点会不同。此外,在地震事件层位的上覆地层中,冻融或泥裂形成的裂缝可能与下伏断层连通,产生上断点上移的假象,进而影响事件层位的判断。

因此,单独将断层向上尖灭作为识别地震事件的证据应谨慎[18]。只有当探槽两壁或多个探槽中存在多条断层终止于同一层位,且有其他更好的标志进行佐证时,断层向上的尖灭才能作为确定地震事件层位的标志[82]

(3)生长地层

在断层两侧或上覆地层中,地层厚度的变化分别反映了断层的走滑错动和震后的沉积响应。对于震后上覆地层的增厚,一般称为“生长地层”,是识别古地震的优质证据之一。地震产生的地表变形会引起地形的起伏,如褶皱变形、掀斜、垂直断错、拉张裂缝等均会产生高低不同的地表,震后在地势较低的位置会沉积较多的物质,形成加厚的地层,最终表现为上覆地层厚度的变化。当震后沉积响应结束后,地层厚度恢复正常。因此,总体表现为上下厚度均一的地层夹一套厚度变化的地层,而地震事件层位为下伏最新地层(图 3-C)。但是,对于地表变形微弱或震后上覆地层不是快速堆积响应的情况,通过生长地层判断地震事件层位就会变得困难,这时生长地层只能作为较弱的证据。值得注意的是,此类识别标志需排除非构造成因,如原始地表起伏、冲沟堆积等引起的地层厚度变化的情况。

生长地层在很多古地震探槽中可以见到,其中圣安德烈斯断裂Wrightwood探槽点较典型。该点褶皱变形广泛发育,上覆地层厚度的变化非常明显[24, 31],其中9次古地震事件中可以观察到这种模式。中国的海原断裂干盐池探槽和阿尔金断裂铜矿探槽均可以见到此类型的识别标志[98, 110]

(4)裂缝充填

地震可以在第四系松散沉积物中形成张性、压性、剪切、张扭性、压扭性等不同性质的裂缝。裂缝缝隙中往往会充填沉积物,形成裂缝充填,是走滑断裂古地震识别的标志之一(图 3-E)。沙土液化也是裂缝充填的一种类型,其充填物主要来自下部地层。本文把沙土液化单独作为一种识别标志进行剖析。

对于张性和张扭性裂缝,充填物主要来自上部地层。由于存在水平拉张,易形成更大的堆积空间,造成震后上覆沉积物的增厚。此类型的裂缝充填物基本分为两层,下部主要为裂缝两侧地层在裂缝形成过程中或形成后的短时间内垮塌掉落至裂缝中形成的混杂堆积,上部地层主要为后期沉积的年轻地层[110]图 3-E),且有增厚现象。裂缝通常呈“V”字形,在深部与断层连通,是断层错动至地表的表现形式之一。地震事件层位为裂缝错开的最新地层。

(5)角度不整合

在第四系松散沉积物中,由褶皱作用或掀斜作用形成的角度不整合接触是识别古地震事件的可靠标志之一(图 3-F)。角度不整合往往展布较广,且几乎没有非构造因素可以产生角度不整合。地震事件发生在下伏最新变形地层沉积之后,上覆最老地层之前[35]。角度不整合也可由多次事件叠加形成,在利用角度不整合判别古地震事件时,一定要注意判别不整合是否为一次事件形成。如果上下地层连续,那么基本可以判定为一次事件。

(6)崩积楔

崩积楔是断层陡坎前缘的楔形堆积,主要由断层陡坎自由面垮塌堆积和震后坎前坡积物组成,上部往往具有一定的层理,尤其在正断层和逆断层探槽中常见。走滑断裂局部拉张和挤压也可形成断层陡坎,产生崩积楔(图 3-G)。因此,崩积楔也是走滑断裂地震事件识别的重要标志之一。地震事件一般发生在崩积楔下伏最新地层之后,崩积楔形成之前。另外,由于走滑断裂倾滑分量较小,形成的崩积楔通常较薄且沉积相差别很小。

(7)砂土液化

砂土液化一般只产生于埋深几米至10m的疏松饱水沉积物中[114],是走滑断层中判断古地震事件的证据之一。在地震过程中,孔隙水压力急剧增大导致饱水的非粘性沉积物液化并上涌[113-114],在持续的剪切作用下,孔隙水会突破围限静压力,向上流动,甚至上涌至地表[115]图 3-H)。这种填满了喷砂的裂隙是判别地震地层位置较好的识别标志。实际上喷砂不一定每次都到达地表,有时只向上运移一段距离即停止[116]。这时如何根据喷砂判断事件层位尤为重要。在喷砂到达地表的情况下,地表形成的沙堆之上再沉积的地层不存在变形,事件层位即为沙堆覆盖的层位;但如果喷砂仅到达地表以下某一层位,那么由于挤压作用,会造成沙堆之上的地层产生变形,这时事件层位应为沙堆之上变形的层位。

(8)褶皱

褶皱是判别古地震事件的重要标志之一。褶皱变形均为构造变形,因此完全可以排除非构造因素。褶皱往往会引起上覆地层的增厚和角度不整合,有时也会伴生次级断裂[110]图 3-D)。这些现象均是判别古地震事件的较强证据。

(9)其他识别标志

在走滑断裂中,除以上8种识别标志外,也可以利用探槽中沉积物韵律变化判别古地震事件。Berryman等[14-15]在阿尔卑斯断裂(Alpine fault)上,利用沉积韵律的变化,识别了21次古地震事件,并用沉积模式图很好地解释了沉积韵律变化机制。该模式认为,地震间歇后期沉积物逐渐填满断层下降盘,造成水深下降,形成沼泽,最终沉积形成泥炭层。当地震发生后,断层下降盘水深增大,沼泽环境结束,形成较深水的沉积环境,开始沉积极细砂。Fraser等[71]也利用探槽内沉积物韵律变化识别出了7次古地震事件,为古地震识别提供了更多的可能性。

2 识别标志的定量化

在探槽工作中,古地震事件的识别和年代的限定具有一定的不确定性。这些不确定性主要来自事件判别证据解译的主观性、证据的可靠性及地层年代学方法的局限性[9, 13]。如非构造因素的干扰,地震同震变形或震后的沉积效应有时保存得并不完美,往往受到后期地震事件的影响或侵蚀作用的改造,为准确判定地震事件层位带来不确定性。这些均可以造成对古地震事件数量的低估或高估,影响未来地震危险性的评价。另外,目前主要利用14C和释光2种测年方法确定探槽地层的年代。前者测年误差有几十年,且地层中的炭样存在老炭和新炭的问题,不能精准地代表地层的沉积年代。释光测年方法则存在沉积物曝光是否充分的问题,且测年误差明显大于14C法,误差甚至达到数百年。除测年问题外,如何减少古地震事件的错估和遗漏,更合理地评价古地震事件,是古地震学研究的重要命题。

单个古地震事件识别标志的质量是最重要的因素,只有高质量的古地震识别标志才能用于确定地震的发震层位。最佳识别标志的标准是该地貌或沉积特征只能由地震形成的地表变形造成。相反,低质量的识别标志可能有多种形成机制。在上述识别标志中,裂缝充填、生长地层、褶皱、角度不整合、沙土液化等证据属于较强的古地震识别标志,而断层向上的尖灭和沉积物韵律变化是较弱的标志。识别标志的好坏也与地层划分的精细程度有关。此外,某一层位上出现的某种识别标志的数量也是辨别某次古地震的考虑因素,一般情况下,单个高质量的古地震事件识别标志可作为确定一次古地震的充分证据,但当单个证据较模糊时,古地震学家们更倾向于观察得到多条证据线索。因此,若识别标志的等级较弱或中等,可观察到的出现频率就显得更重要。为此,在古地震调查研究中,应该编录每个层位中识别标志的总数量。

Scharer等[31]提出一种新的基于古地震事件标志的质量和数量,以及古地震事件识别标志的分类和证据强弱的量化评估方法。笔者认为这种从定性到定量,从经验判断到相对客观的量化指标可以有效地帮助研究者以较客观的方式评价古地震事件,减小解译中的人为因素,是可以借鉴、值得广泛推广的方法。其方法的主要特点是,以古地震标志的质量和数量为基础,将观察与解译(发震层位)区分开来。判别古地震发震层位中一个或一套识别标志,对比各种识别标志的质量和数量,对探槽揭示的每个标志的地震成因强弱度进行等级划分,给出不同标志的可信度赋值,根据最终得分对各个古地震层位的“事件可信度”进行评价,从而剔除证据不足或不充分的事件。其核心是,观测到的变形特征,不一定等同于古地震事件。如果证据类型较弱,可能属于“疑似古地震”。

该方法最终将古地震事件可信度分为5个等级:确定(very likely, 95%)、很可能(likely, 70%)、较可能(probable, 50%)、可能(possible, 30%)和不可能(unlikely, 5%)。

(1)对古地震事件判识标志进行分类:垂向错开、断层向上逐渐尖灭、生长地层、裂缝充填、角度不整合、沙土液化、崩积楔、褶皱等。对探槽进行详细解译,划分以上各识别标志并统计数量。

(2)对每条证据进行强弱等级划分,并赋予相应数值:如强(S,4), 表示只有地震才能解释的证据,可以准确确定事件层位;一般(F,3), 表示用地震解释的可能性大,存在一些不确定性或事件层位无法准确确定;中等(M,2), 可以用其他成因解释,也存在地震的可能性;较弱(W,1),表示基本上是其他因素引起的,由地震造成的可能性很小。

(3)对每个可能的地震事件层位内的总证据进行评估:①识别标志等级总分(Rs);②最高等级分(Rm);③平均识别标志等级(Ra);④识别标志总数(Obs);⑤等级分大于1的数量(Rs>1)。

(4)基于以上证据的综合分析,将潜在地震事件层位按置信度进行半定量化描述,并分为5类:确定(very likely, 95%)、很可能(likely, 70%)、较可能(probable, 50%)、可能(possible, 30%)、不可能(unlikely, 5%)。

虽然对于地震事件识别标志的可靠性判断仍依靠人的主观性和研究者的个人经验,但是半定量化方法已经推动了古地震研究的发展,帮助研究者更客观地分析古地震事件并加以应用。目前,该方法已经在圣安德烈斯断裂上得到了很好的应用,并且在国内海原断裂和阿尔金断裂上也开始应用推广(图 4)。

图 4 阿尔金断裂铜矿探槽古地震事件识别标志等级划分[110] Fig.4 The event indicator rank of paleo-earthquake events of the copper mine trench on the Altun fault A~E—古地震事件的可能层位:100、130、161、165、203、260/250、300、320、330、450、510

Yuan等[110]在阿尔金断裂铜矿探槽研究点,运用该半定量化方法评估了各古地震事件识别标志及对应事件层位的可信度(图 4图 5),分析如下。

图 5 铜矿探槽古地震事件识别标志定量化统计[110] Fig.5 Quantitative histograms of paleo-earthquake event indicators of the copper mine trench on the Altun fault

① 事件层位100-1,识别标志为裂缝充填堆积和地层加厚,评分为4;断层断错至地层100-1顶部,形成的裂缝内充填了地层碎块,其中最新地层为100-1,上覆地层50在裂缝上方明显增厚。

② 事件层位130,识别标志为角度不整合和地层加厚,评分为4;断层逆冲断错地层130,并与上覆地层120呈角度不整合接触,而且地层120向下盘方向明显增厚。

③ 事件层位为130,识别标志为裂缝充填堆积与垂直断错,评分为3;裂缝两侧地层垂直位错明显,断距约50cm,但是裂缝上部地层遭受后期侵蚀改造,无法准确判别断错最新地层,评分等级降为3分。

④ 事件层位为260/250,识别标志为断层向上的逐渐尖灭与轻微褶皱变形,评分为2;3条次级断层断错至250底部,由于地层250较均一,无法准确判定断层上断点,且褶皱变形轻微,往下逐渐消失,如地层350及以下地层基本没有卷入褶皱。

⑤ 事件层位250底部,识别标志为断层向上的尖灭及垂直断错,评分分别为1和2;左侧一条分支断层向上断错至250底部,且断距逐渐减小,由于地层250较均一,难以准确判别断层上断点,且上覆地层均存在掀斜变形,事件层位可能更高,综上,评分为1。右侧一条分支断层断错至250底部,但是250上部地层没有任何沉积响应,且断层右侧未见被断错的地层250,其上部与下伏地层的接触非常平整,断层右侧地层为冲沟沉积,认为断层上部及平整的接触面有可能是冲沟侵蚀形成的,综上,评分为2。

根据图 5的统计结果,在铜矿探槽所有潜在的古地震事件层位中,100、130、161、165、203、300、330、450等层位确定(95%)发生古地震事件,260/ 250层位“较可能”(50%)为古地震事件层位,基本可以排除320和510作为地震事件层位的可能性(不可能事件)。可以看出,半定量化方法进一步证实了置信度较高的层位发生地震事件的可能性,减少了遗漏可能性事件的概率,尽可能地排除了置信度不高的事件层位。

3 讨论 3.1 非构造成因地表变形及远震对事件判别的影响

非构造因素也可以产生类似的地震识别标志,如泥裂、冰冻裂缝、地下水的变化或采矿产生的地裂缝、冻融作用引起的变形,以及滑坡产生的地层错断、地表裂缝等[117-120]。在第四系松散沉积物中排除这些非地震成因的识别标志至关重要。泥裂一般发育在泥质沉积物或灰泥沉积物中,呈“V”或“U”字形断面,宽度从1mm到3~5cm,深度1~2cm,甚至几十厘米[121]。泥裂是无根裂缝,且两侧地层没有垂直错动,其内部一般不会充填两壁掉落的地层碎块[121]。冰冻裂缝基本发育在高寒地区;地下水抽取产生的地裂缝基本发育在人类活动较频繁的地区;采矿产生的裂缝更具有局限性,仅在采矿区附近才会出现。若古地震探槽恰好分布在这些能产生非构造成因裂缝的环境中,会对裂缝的解释造成困惑。不过,与人类活动相关的裂缝往往也是近一两百年的产物,若发育在数百年或数千年地层中的裂缝基本可以排除这种因素。此外,冰冻裂缝开口宽度一般小于5mm,且向下延伸一般不超过数厘米[122]

远震在理论上也可以形成砂土液化[123]。目前已有多个实例证实,探槽内的喷砂冒水多是由探槽中的断层活动引起的,是判别古地震事件较好的证据[18]。例如Sieh等[22, 32]在圣安德烈斯Pallett Creek探槽点利用喷砂识别了多次古地震事件。而由砂土液化导致的软沉积变形则是较弱的古地震事件证据,需要结合其他较强的证据进行佐证[18]。如Marco等[17]在死海转换断层Lisan湖研究点发现多处砂土液化变形,结合地层垂向断错证据,认为该变形与同沉积断层的滑动有关,从而得到该研究点晚更新世5万年以来的古地震记录。

3.2 蠕滑的影响

蠕滑也可以造成地层变形,形成类似于粘滑的地震识别标志,如裂缝、褶皱变形等。断层的蠕滑特性主要表现为缓慢滑动,引起的变形或产生的识别标志多为细小的裂隙,且裂缝内不会充填两壁地层碎块[124]。相对而言,由于地层快速错动,粘滑形成的裂缝规模较大且裂缝内常充填两侧的地层碎块,上覆地层厚度会发生明显变化;另一方面,断层向上逐渐尖灭也可能与蠕滑有关,因为蠕滑产生的多条断层可能不会同时停止活动[124]。蠕滑和粘滑均可以形成褶皱,但褶皱形态略有不同。前者褶皱地层越往下,地层倾角逐渐变大,是渐变;而后者褶皱地层倾角上下较一致,且不同期次地震形成的褶皱,其地层倾角变化是突变。但是只有在高分辨率的地层中,才有可能分辨出蠕滑形成的褶皱。

4 结论

(1)在探槽中识别古地震事件,最基本的要求是寻找有精细地层层序的地方布设探槽,从而将地震事件的证据封存在不同的层位。在此基础上,对探槽剖面进行精细解译,把尽可能多的细节刻画并展现出来。

(2)确定古地震事件层位的关键是如何利用各种识别标志判断地震发生时的地表。本文通过分析全球走滑断裂古地震数据,发现识别古地震的主要标志为垂直断错、断层向上逐渐尖灭、裂缝充填、生长地层、褶皱、角度不整合、崩积楔、砂土液化等。在多数情况下,这些识别标志不是独立的,往往与其他类型的识别标志共存。比如,裂缝充填与地层垂直断错和生长地层相伴而生,褶皱与角度不整合和地层增厚共存等。

(3)非构造成因的裂缝、蠕滑及冻融作用均为古地震事件识别标志的解释带来不确定性。但是,由于这些非地震成因的识别标志具有一定的地域性和时间性,以及这些标志的特征与地震成因的标志不同,因此,在精细的解译基础上,2种成因的标志基本可以区分出来。对于无法判别成因的标志,半定量判别方法可以大大降低这种不确定性带来的影响。所以,古地震识别标志的半定量化应用不仅降低了错估事件数量的可能性,而且能够更加客观地认识地震事件的可信度,使古地震数据在未来地震危险性评价中的应用更加科学合理。

(4)每个探槽揭露的识别标志都会略有不同,尤其在不同气候环境下开挖的古地震探槽,差异更明显,考虑到中国大陆构造和气候环境的特殊性,如青藏高原广泛存在的冻融作用、中国东部大量人类活动的影响等,更需要古地震研究者在精细工作的基础上,综合考量各种影响因素,给出更加合理的解释。

致谢: 感谢中国地震灾害防御中心王继高级工程师提供的玉树地震地表破裂照片。

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