馬　冀　馮希杰　李高陽　李曉妮　張　藝

1)中國地震局地質(zhì)研究所、活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京　100029　2)陜西省地震局、西安　710068

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1556年華縣地震地表破裂帶同震垂直位移

馬冀1，2)馮希杰2)李高陽2)李曉妮2)張藝2)

1)中國地震局地質(zhì)研究所、活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京1000292)陜西省地震局、西安710068

同震位移量作為地震地表破裂帶的要素之一、其大小不僅反映了地震的震級(jí)、而且也影響到對(duì)地震斷層滑動(dòng)速率和大震重現(xiàn)間隔長短的估計(jì)。1556年華縣8級(jí)地震造成了83萬多人的死亡和失蹤、是鄂爾多斯周緣斷陷活動(dòng)帶活躍期造成地震災(zāi)害傷亡最嚴(yán)重的1次地震、但長期以來缺少該次地震地表破裂帶準(zhǔn)確的同震位移量。文中通過對(duì)華山山前斷裂李家坡剖面和渭南塬前斷裂蔡郭村等剖面地貌學(xué)、鉆探及探槽等古地震研究手段、首次較準(zhǔn)確地獲得了1556年華縣大地震時(shí)華山山前斷裂帶華縣李家坡6m同震垂直位移、渭南塬前斷裂帶赤水蔡郭村7m及瓜底村6m的同震垂直位移。這是由斷層兩盤同一地層位錯(cuò)量測得到的同震垂直位移量、與以往僅通過地表斷層陡坎量測估算的同震位移有一定的差別。

1556年華縣地震同震垂直位移華山山前斷裂渭南塬前斷裂

0　引言

圖1　李家坡和蔡郭村、瓜底村剖面位置圖Fig. 1　Location of Lijiapo、Caiguocun and Guadicun site.

1　由李家坡剖面獲得的華山山前斷裂同震位移量

李家坡剖面位于華縣杏林鎮(zhèn)李家坡村西的冰崖溝溝口(34°28.814′N、109°46.311′E)、由東西緊鄰的3個(gè)SN向探槽組成(圖2)、系村民借用洪積扇上的地形陡坎開挖的裝料坑槽。李家坡剖面切割的地形陡坎為華山山前斷裂的最新斷層陡坎、在20世紀(jì)50年代拍攝的航片上表現(xiàn)清晰、它不僅切過了冰崖溝溝口洪積扇的后部、也錯(cuò)斷了剖面西側(cè)東溝溝口的洪積扇與東側(cè)太平峪溝口的洪積扇(圖2a)。在更大的范圍、該斷層陡坎沿華山山前連續(xù)延伸、錯(cuò)斷了所有峪口的洪積扇及河流階地。在20世紀(jì)80年代開展的研究中、剖面所在的冰崖溝溝口洪積扇上的陡坎高度測量結(jié)果為8.4m、太平峪左右兩側(cè)地形陡坎測量得到的高度分別為8～8.8m和8～10m(李永善等、1992；Kaizukaetal.、1992)。

圖2　李家坡剖面與華山山前地形陡坎位置關(guān)系(a)與RTK測量的陡坎位置(b)Fig. 2　The Lijiapo site and the landscape of the scarps of Huashan front fault(a) and the measurement location of scarps by RTK(b).

本次采用差分GPS(RTK)對(duì)上述地區(qū)進(jìn)行了再次測量、結(jié)果表明太平峪東側(cè)的地形陡坎高度為7.7m、冰崖溝溝口西側(cè)洪積扇上的地形陡坎高度為7.5m(圖2b)。此外、我們在李家坡3個(gè)天然改建探槽中應(yīng)用了地基LiDAR激光探測掃描(terrestrial lidar scans)技術(shù)、該技術(shù)能夠直接還原獲取地物表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)(Goldetal.、2013)、圖3 為去除植被點(diǎn)云干擾后的數(shù)字正射影像。該3個(gè)人工改建探槽穿過了地表陡坎、垂直斷裂走向、南側(cè)最深10～12m、槽壁可測得殘留的地貌陡坎高度為7.2～7.6m、與本次在附近太平峪的測量結(jié)果一致。在此我們以2號(hào)探槽為例。槽西壁(圖3)中明顯有2條斷層斷錯(cuò)兩側(cè)地層、其中F1-1斷層(走向80°、傾角65°、傾向NW)錯(cuò)斷了剖面上部的粉質(zhì)黏土層(編號(hào)①)和礫石層(編號(hào)②)、并將礫石層②中的礫石向下拖帶于斷帶之中。若將斷面向上延伸、則與該處的地形陡坎完全一致、說明該地形陡坎為F1-1斷層錯(cuò)動(dòng)所致、為標(biāo)準(zhǔn)的斷層陡坎。剖面中的F1-2斷層僅將剖面下部的粉質(zhì)黏土層(編號(hào)③)和礫石層(編號(hào)④)錯(cuò)斷、被礫石層②覆蓋、反映了F1-2斷層在礫石層②堆積以前發(fā)生過錯(cuò)斷活動(dòng)、在其堆積以后未再發(fā)生新的斷錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。我們在F1-1斷面兩側(cè)的粉質(zhì)黏土層采集了碳樣、14C測年結(jié)果也證實(shí)被斷層錯(cuò)斷的2套粉質(zhì)黏土為同一地層(6,390～6,370aBP 和7,160～6,940aBP)、其底界緊貼斷面處的垂直錯(cuò)距為6m、比該處地貌陡坎結(jié)果略小。

2　渭南塬前斷裂同震位移量

2.1蔡郭村剖面

圖3　李家坡剖面3個(gè)探槽的正射影像(a)及2號(hào)探槽西壁圖解(b)Fig. 3　The orthophotography of the trenches at Lijiapo site(a) and the interpretation for the west wall of the No.2 trench(b).

圖4　渭南塬前斷裂上的蔡郭村剖面Fig. 4　Distribution of Weinan plateau front fault and Caiguocun drilling profile.a 衛(wèi)星影像中的渭南塬前斷裂蔡郭村陡坎；b 蔡郭村地貌面和鉆探位置示意圖；c 蔡郭村鉆探剖面圖；d 地貌面測量剖面圖

在渭南市臨渭區(qū)與華縣赤水鎮(zhèn)交界的蔡郭村的赤水河小橋旁、以往工作中已找到過1556年華縣地震的最新構(gòu)造破裂剖面(原廷宏等、2010)。剖面上顯示渭南塬前斷裂已將赤水河河漫灘錯(cuò)斷、我們在蔡郭村至少識(shí)別出3級(jí)河流階地(T1、T2、T3)、更高級(jí)階地由于風(fēng)化改造作用已不易識(shí)別(圖4)。其中2級(jí)河流階地(T1、T2)跨斷層形成的陡坎位錯(cuò)分別用差分GPS(RTK)測得為7.4m和13.1m(剖面E1—E1′、E2—E2′)。但由于斷層上升盤為新近系、斷層下降盤為全新世地層、兩盤地層時(shí)代相差甚遠(yuǎn)、無法得到最新地層的垂直錯(cuò)距。近時(shí)、我們在赤水河左岸Ⅰ級(jí)階地?cái)噱e(cuò)陡坎的南北兩側(cè)進(jìn)行了鉆探勘探(圖4)、結(jié)果顯示：斷層陡坎南側(cè)為基座階地結(jié)構(gòu)、表層為粉質(zhì)黏土、厚7.8m；其下為粗砂—卵石、厚1.2m；再下為卵石和漂石、其層底埋深14.5m；基座為新近系灰白色砂礫巖(ZK1孔)。斷層陡坎北側(cè)近陡坎處也為基座階地、揭露的階地和基座的地層、巖性及厚度與斷層陡坎南側(cè)相同(ZK2孔)、據(jù)斷坎南北兩側(cè)粉質(zhì)黏土底界標(biāo)高計(jì)算的F2-1斷層垂直錯(cuò)距為7.05m、兩側(cè)卵石和漂石底界標(biāo)高計(jì)算的垂直錯(cuò)距為7.85m、該處地形陡坎高度的測量結(jié)果為7.55m、3個(gè)數(shù)值較為接近。剖面北側(cè)的ZK3孔和ZK4孔鉆探結(jié)果還顯示、鉆探剖面中存在被斷層先期錯(cuò)斷的埋藏于Ⅰ級(jí)階地之下的Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)階地地層。從Ⅱ級(jí)階地地層結(jié)構(gòu)推測前一期F2-3斷層活動(dòng)的垂直錯(cuò)距≥8.8m、在量級(jí)上與1556年華縣地震時(shí)的同震位移值較接近(圖4)、說明本次事件很可能是1次特征地震。

2.2瓜底村剖面

沿渭南塬前斷裂地表破裂帶分布的瓜底村沖溝沒有受到該地區(qū)易發(fā)生的黃土滑坡的影響、沖積物顆粒細(xì)小有利于記錄沉積信息。因此我們在地貌陡坎近6.5m高的瓜底村剖面兩側(cè)布設(shè)鉆探。鉆探剖面(圖5)中除去蓋層雜填土、地層總體分為3套：上層為厚6m左右的黃褐色至褐黃色黃土狀土；中層為粉砂質(zhì)黏土、取2號(hào)鉆孔中上層有機(jī)物含量較高的沉積物測得14C年齡為7,030～7,040a；底層是細(xì)砂、中砂、粗砂和粉質(zhì)黏土不等厚混雜。根據(jù)鉆孔信息、F3-1和F3-2構(gòu)成了小型斷裂帶、斷裂帶錯(cuò)斷了粉質(zhì)黏土層、斷距約6m。同樣在較低的地層結(jié)構(gòu)中我們也看到最底層砂層的頂部位錯(cuò)量近10m、雖然ZK4的深度沒有穿透砂層、但是與南側(cè)的3個(gè)鉆孔底部地層對(duì)比來看、F3-2還是有影響的。瓜底村剖面位于蔡郭村剖面的西側(cè)、無論地形地貌陡坎測量還是鉆探結(jié)果、斷距都略小于蔡郭村點(diǎn)、但是地貌陡坎和鉆孔剖面還是具有相對(duì)一致性。而據(jù)我們野外追蹤、在渭南塬前斷裂最新活動(dòng)地貌陡坎中、蔡郭村一帶的地貌陡坎也是垂直錯(cuò)距最大的地方、與極震區(qū)對(duì)應(yīng)的范圍一致。因此、蔡郭村剖面7m的垂直同震位移是1556年華縣地震渭南塬前斷裂帶地表破裂帶中具有代表性的點(diǎn)。

圖5　渭南塬前斷裂瓜底村剖面鉆孔剖面及地形剖面Fig. 5　The drill logs and topographic profile at Guadicun of Weinan plateau front fault.

3　與以往估算的1556年華縣地震同震位移值比較

在以前的研究中、認(rèn)為1556年華縣地震時(shí)華山山前斷裂和渭南塬前斷裂的同震垂直錯(cuò)距為2～4m(李永善、1992；Kaizukaetal.、1992)、該量值與本次獲得的6～7m同震位移值有一定的差別。分析其原因、以前的2～4m同震錯(cuò)距來自于華山山前和渭南塬前個(gè)別溝、峪的地形陡坎高度的量測結(jié)果、而在相距這些地點(diǎn)的不遠(yuǎn)處同一地形陡坎高度則急劇變?yōu)?～15m、說明這些2～4m高的局部地形陡坎未必是由1556年華縣地震垂直錯(cuò)斷造成的。如在赤水河蔡郭村一帶、隨著赤水河床的深切和人工石料場大面積的開挖、赤水河槽兩壁及河岸兩側(cè)多處可直接觀察到渭南塬前斷裂、其所在位置和延伸方向與當(dāng)時(shí)認(rèn)為的2～4m高的斷層陡坎均不一致。同樣、在李家坡冰崖溝溝口、剖面上的華山山前斷裂位置與當(dāng)時(shí)測量得到的8.4m高的地形陡坎位置一致、但與當(dāng)時(shí)認(rèn)為的2.5m高的地形陡坎位置卻不同。另外、經(jīng)過400余a間河流洪水的沖刷和改造、一些峪口漫灘上高2～4m的地形陡坎為殘留沖溝陡坎、在地震當(dāng)時(shí)的高度可能要比2～4m高、因此在這些地點(diǎn)測量得到的2～4m高度值也未必可代表當(dāng)時(shí)真實(shí)的錯(cuò)距。對(duì)于2～4m高的地形陡坎與8～15m高的地形陡坎共存的那些地方、僅把2～4m高的地形陡坎看作是1556年華縣地震垂直錯(cuò)斷陡坎、而把8～15m高的地形陡坎視為前期地震所造成的在認(rèn)識(shí)上可能不夠全面。事實(shí)上、在以前認(rèn)識(shí)的陡坎中、有的處于現(xiàn)代河流的漫灘上、其兩側(cè)時(shí)代更早的地形面卻沒有該級(jí)陡坎的顯示(如翁峪口)、但這里更高一級(jí)地形陡坎的測量結(jié)果與本次獲得的錯(cuò)距在數(shù)量級(jí)上卻比較接近、說明高2～4m的陡坎為斷層坎的可能性低、在復(fù)雜沖溝地貌中識(shí)別斷層陡坎需要有鉆探、探槽等輔助探測手段進(jìn)一步論證。另外、渭南塬前斷裂南側(cè)的渭南黃土臺(tái)塬下伏新近紀(jì)河湖相堆積、上覆厚110多m的風(fēng)成黃土(岳樂平等、1996)。黃土本身屬于易滑地層、加上地震時(shí)的晃動(dòng)、塬前黃土滑坡較多、許多地震破裂帶都被滑坡掩蓋、隨后又遭受風(fēng)化侵蝕以及人類活動(dòng)干擾、很容易將滑坡前緣陡坎誤認(rèn)為是地震陡坎。

4　結(jié)論

通過對(duì)華山山前斷裂李家坡剖面的清理和渭南塬前斷裂蔡郭村、瓜底村剖面的鉆探勘探、獲得了華山山前斷裂和渭南塬前斷裂在1556年華縣特大地震時(shí)的垂直同震位移。其中、同震垂直位移在華山山前斷裂帶華縣李家坡為6m、渭南塬前斷裂帶的赤水蔡郭村為7m、瓜底村為6m。

對(duì)比由斷層兩盤同一地層位錯(cuò)新得到的同震位移和以往根據(jù)地貌陡坎量測估算的同震位移值、新得到的同震位移值大于以前研究中認(rèn)為的1556年華縣地震的同震垂直位移、斷層出露位置也與以前研究中的同震陡坎不一致。相反、新得到的同震位移值比較接近以前認(rèn)為的比1556年華縣地震早1期的斷層陡坎高度、觀察到的斷層位置也與以前認(rèn)為的較早1期的地形陡坎重合。地層位錯(cuò)反映的同震位移值與地貌陡坎測量獲得的位移值的差別說明正斷型地貌陡坎易遭受自然或人為改造而無法得到理想的真實(shí)垂直位移量。

關(guān)于1556年華縣地震時(shí)、華山山前斷裂和渭南塬前斷裂更多地點(diǎn)同震位移值的測量、華山山前斷裂東端和渭南塬前斷裂西段地表破裂帶延伸情況的調(diào)查還在進(jìn)一步研究中。

致謝野外工作中得到了渭南市地震局和華縣地震辦領(lǐng)導(dǎo)的大力支持；本文寫作過程中得到了張培震院士的大力幫助、他提出了很好的修改意見、在此表示由衷的感謝；同時(shí)也感謝評(píng)審專家的批評(píng)與建議。

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Abstract

Coseismic displacement plays a role in earthquake surface rupture、which not only reflects the magnitude scale but also has effect on estimates of fault slip rate and earthquake recurrence intervals. A great historical earthquake occurred in Huaxian County on the 23rdJanuary 1556、however、there was lack of surface rupture records and precise coseismic vertical displacements. It’s known that the 1556 Huaxian earthquake was caused by Huashan front fault and Weinan plateau front fault、which are large normal faults in the east part of the southern boundary faults in Weihe Basin controlling the development of the basin in Quaternary. Here、we made a study on three drilling sites in order to unveil the coseismic vertical displacements.

It is for the first time to get the accurate coseismic vertical displacements、which is 6m at Lijiapo site of Huashan front fault、7m at Caiguocun site、and 6m at Guadicun site of Weinan plateau front fault. These coseismic displacements measured based on same layers of drilling profiles both at footwall and hanging wall are different from the results measured by former geomorphological fault scarps. It’s estimated that some scarps are related with the nature reformation and the human beings’ activities、for example, fluviation or terracing field、instead of earthquake acticity、which leads to some misjudgment on earthquake displacements. Moreover、the vertical displacements from the measurement of geomorphological scarps alone do not always agree with the virtual ones. Hence、we assume that the inconsistency between the results from drilling profiles and geomorphological scarps in this case demonstrates that the fault scarp surface may have been demolished and rebuilt by erosion or human activities.

THE COSEISMIC VERTICAL DISPLACEMENTS OF SURFACE RUPTURE ZONE OF THE 1556 HUAXIAN EARTHQUAKE

MA Ji1,2)FENG Xi-jie2)LI Gao-yang2)LI Xiao-ni2)ZHANG Yi2)

1)StateKeyLaboratoryofActiveTectonicsandVolcano、InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration、Beijing100029、China2)EarthquakeAdministrationofShaanxiProvince、Xi’an710068、China

1556 Huaxian earthquake、coseismic vertical displacement、Huashan front fault、Weinan plateau front fault

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.002

2013-05-10收稿、2016-02-29改回。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41502205)資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0022-09

馬冀、女、1984年生、中國地震局地質(zhì)研究所在讀博士研究生、工程師、主要從事活動(dòng)構(gòu)造與新構(gòu)造研究、電話：029-88465334、E-mail: jima.geo@gmail.com。