韓城斷裂北東段晚更新世以來最新活動研究

扈桂讓 李自紅 閆小兵趙晉泉 郭瑾 曾金艷

1）山西省地震局，太原市舊晉祠路二段69號 030021

2）太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原市晉源區(qū)太原基準地震臺 030025

3）山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，太原 030024

0 引言

韓城斷裂是汾渭斷陷帶臨汾盆地WS邊界的一條控制性斷裂，斷裂整體走向呈NE向，總長約120km。前人從古地震遺跡、地表破裂、幾何形態(tài)、磁組構等方面對該斷裂進行了不同程度的研究（曹家欣，1964；閆鳳忠等，1987；張安良等，1987；申屠炳明等，1990；楊梅忠等，1994；李自紅等，2015），而對于該斷裂運用探槽、測年等手段進行古地震方面的研究未見涉及。經(jīng)過對該斷裂的野外調(diào)查，可見高大的斷層陡崖、斷層三角面等，在盤河以北一帶（即斷裂的NE段）表現(xiàn)得最為明顯，該段晚第四紀以來仍有強烈的活動。前人多認為該斷裂尤其是斷裂的NE段為全新世活動斷裂，但其最新活動時代尚未有切實的測年數(shù)據(jù)支持。本文在1∶5萬活動斷裂地質(zhì)地貌填圖的基礎上，對韓城斷裂NE段的古地震進行了研究，并通過測年技術進行了活動時代的限定，以期獲取其晚更新世以來的最新活動數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

韓城斷裂位于臨汾盆地侯馬凹陷的西緣，北部與羅云山山前斷裂相接，向WS延伸止于峨嵋臺地南緣斷裂。斷裂總體走向呈NE向，傾向SE，總長約120km（圖1）。該斷裂在不同地質(zhì)時期表現(xiàn)出不同的活動性質(zhì)。中生代的燕山運動使山西臺隆的蓋層普遍發(fā)生褶皺，形成了該時期的韓城逆斷層；新生代的劇烈構造運動導致區(qū)域應力場發(fā)生轉(zhuǎn)變，韓城斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜嘈再|(zhì)，并在下降盤形成了厚厚的新生代沉積。新生代以來斷裂呈持續(xù)張性活動，并控制著沿線地貌的發(fā)育及晚新生代地層的分布、沉積厚度等。

圖1 韓城斷裂NE段展布及探槽分布

2 斷裂地質(zhì)地貌表現(xiàn)

據(jù)最新的野外調(diào)查研究結果將該斷裂分為3段：NE段（西磑口-盤河段）、中段（盤河-行家堡段）、SW段（行家堡-義井段），其中NE段斷裂的活動性最強，斷裂形成的盆山地貌也最為顯著。

該段上升盤與下降盤的地形高差達到300～450m，在衛(wèi)星影像及DEM影像上均表現(xiàn)出較好的線性特征。野外調(diào)查中可見高大的斷層崖、斷層三角面及斷層陡坎發(fā)育。禹門口以東河津境內(nèi)，斷裂構成山前洪積臺地與沖洪積平原分界，杜家溝以北一帶發(fā)育2級洪積臺地，高級臺地侵蝕破壞嚴重，低級臺地地貌面保存較為完好，斷裂從臺地前緣通過。運用RTK高精度測繪儀器對該處前緣陡坎進行了實地測量，測得高差約30m。

該段上升盤為基巖分布，巖性主要為花崗片麻巖、灰?guī)r、砂巖、頁巖等；下降盤表層發(fā)育全新世、晚更新世時期洪積扇，洪積扇地層巖性成分主要為亞砂土、砂礫石層，且呈交錯分布，標志層明顯；此外地貌上可見斷裂在洪積扇體上多處形成斷層陡坎。該段是進行古地震研究開挖探槽的有利地段。

3 探槽剖面研究

本文在1∶5萬活動斷裂地質(zhì)地貌填圖的基礎上，在該段進行了多個探槽開挖與剖面清理，并對標志性地層進行了取樣測年，探槽及剖面位置見圖1。這些探槽多位于禹門口以東地段，禹門口以西地段因人類活動致使地形原貌破壞嚴重，故只在上峪口一帶進行了開挖。

3.1 上寨探槽

上寨探槽（35°43′14.52″N，110°42′22.68″E）位于山前洪積扇前緣（圖 2（a）），地表呈 10°坡降，該剖面為由發(fā)育于扇體的沖溝壁清理而成，剖面位于沖溝的NE側，長23m，高7m，走向152°。共揭示9層地層，均為山前洪積相。

圖2 上寨村探槽衛(wèi)星圖片、照片及剖面

上寨探槽地層描述：

①砂礫石、碎石層堆積，上部礫徑較粗，約40cm，下部礫徑較細，3～8cm，磨圓均不好。

②灰黃色砂質(zhì)粉土，含較多的砂粒及小塊礫石。

③砂礫石層，排列密實，礫徑大的約為10cm左右，磨圓不好。

④灰黃色砂質(zhì)黏土，固結，夾含砂粒較多，含密集小塊碎石條帶。

⑤紅棕色黏土，夾含砂粒。

⑥砂質(zhì)黏土，內(nèi)含碎石小塊及礫石透鏡體，磨圓不好。

⑦砂質(zhì)黏土夾紅色中粗砂層條帶，砂層中成分多為紅色花崗巖，上層覆紅色中粗砂粒層，黏土中含小砂粒。

⑧灰黃色砂質(zhì)粉土，夾小碎石、小礫石、粗砂密集分布條帶，磨圓不好。

⑨棕黃色粘質(zhì)粉土，底部局部夾含大塊礫石。

該探槽剖面揭示地層主要為粉土、砂礫石、碎石層呈交互分布。上部砂礫石層呈帶狀分布，可作為很好的斷層錯斷的標志層。該剖面共計發(fā)現(xiàn)5條斷層，F(xiàn)1～F4均未錯斷最上部地層⑨，斷錯下部礫石層條帶30～50cm不等。F5可能錯斷最上部地層⑨。在該剖面上部地層進行光釋光取樣測年，得其年齡約為80.00ka BP，為晚更新世早期地層。因此除F5以外，其它幾條斷層所代表的事件均較老。

另外，謝新生等（2017）在進行羅云山山前斷裂填圖時在上寨附近進行了探槽開挖，位置如圖2（a）所示，其探槽位置更偏于山前洪積臺地前緣，剖面顯示了更新的3次地震事件，最新的一次為（14.95±1.27）～（18.01±1.35）ka BP。

3.2 王家?guī)X探槽與水渠剖面

斷裂從王家?guī)X煤礦以北洪積臺地與沖洪積平原交界一帶通過，該處斷裂形成的地貌特征較為明顯，野外可見洪積臺地的前緣陡坎呈斷續(xù)展布（圖3（a））。本文在此處分別開挖了探槽并清理了大型剖面，其相對位置如圖3（b）所示。

圖3 王家?guī)X探槽及水渠剖面衛(wèi)星圖片、位置及剖面

王家?guī)X探槽跨臺地前緣陡坎布設，陡坎高差1～2m。探槽共長45m，寬1.5m，深6m，走向呈SN向，探槽地層剖面如圖3（c）所示。該探槽揭示地層為6層，成分主要為粉土夾礫石層，礫石塊磨圓不好，最上部為黑壚土，下部為粉土。該探槽現(xiàn)象集中于北部，南部揭示地層連續(xù)，無斷錯現(xiàn)象，因此進行探槽的地層描述、繪圖及分析等只針對于探槽北部。具體的地層描述如下：

①黑壚土，夾雜礫石塊、砂等，其中含植物根系。

②灰黃色砂質(zhì)黏土，夾含小礫石。

③黏土，夾中砂層、細礫石層。

④灰黃色砂質(zhì)粉土，局部含黏土透鏡體，含根系、貝殼。

⑤礫石層，成分為花崗片麻巖風化產(chǎn)物，礫徑5～10cm，棱角分明，磨圓不好，靠近斷層處，礫徑變細。

⑥灰黃色砂質(zhì)黏土，夾大的礫石塊，礫徑20～30cm，磨圓不好。

該探槽揭示2次事件。斷層F1所代表的事件E1為最新一次活動，錯斷最上部黑壚土層①，斷距約為1.1m。斷層F2代表的事件E2錯斷層⑤，被層③覆蓋，錯斷層⑤0.2m。

該探槽共獲得光釋光測年結果2個（表1）。但是最上部地層年齡過于新，不足1000年，歷史資料上該地區(qū)并未有這個時代的地震記載，年齡結果不甚可靠，因此事件E1發(fā)生的時代并不清楚；層④樣品WJLT-1-3測年12.43±1.00ka BP，綜合考慮該位置的地貌部位及該地區(qū)沉積物的沉積速率，我們認為其較為可靠，因此事件 E2應發(fā)生于 12.43±1.00ka BP以來。而在王家?guī)X探槽NE沿斷層方向20m處，發(fā)育時代較新的小型沖溝，沖溝壁見探槽揭露的最新地層黑壚土以后堆積的礫石層，該套地層中礫石層水平排布，未見錯斷。在該套地層中取樣WJLTC，位置見圖3（b），光釋光測年得其年齡為 6.0±0.6ka BP，說明該處斷層 6.0±0.6ka BP以來未活動。

表1 王家?guī)X探槽及水渠剖面樣品年齡測試結果

王家?guī)X水渠剖面（35°42′32.40″N，110°41′10.32″E）與王家?guī)X探槽相隔約 50m（圖 3（b）），在該處對水渠壁進行了開挖清理，開挖清理面長29m，高5.5m，剖面走向37°。該水渠剖面共揭示了8套地層（圖3（d））。上部主要為紅色中細砂，下部為粉土，中間一層黑壚土與王家?guī)X探槽中上部黑壚土對應。王家?guī)X水渠剖面地層描述如下：

①灰色、紅色中細砂，夾含礫石，礫石分布不均。

②紅色中粗砂，主要成分為花崗片麻巖，夾含礫石，礫徑為5～10cm，底部見清晰水平層理。

③灰黑色粘質(zhì)粉土，夾含小塊礫石。

④紅色中粗砂與礫石塊混雜堆積，底部礫石塊較大，礫石分選不好，磨圓不好。

⑤灰色粉質(zhì)黏土夾含礫石塊，礫徑5cm左右。

⑥砂質(zhì)粉土，硬實。

⑦砂礫石層，礫徑5～10cm左右，礫石呈次圓狀，主要成分為灰?guī)r。

⑧棕黃色砂質(zhì)黏土，夾礫石塊，成分為灰?guī)r，礫徑5cm或更小。

在該剖面共發(fā)現(xiàn)3條斷層。事件E1代表斷層 F3斷錯層⑧，斷距1.2m，為最新一次事件；事件E2代表斷層F1、F2斷錯層③黑壚土，為層②覆蓋，F(xiàn)1、F2斷距均約為1.2m。該剖面共進行4個光釋光年齡樣測試，結果見表1。層③內(nèi)黑壚土及以上的幾個樣品年齡為距今幾百年至數(shù)萬年，并出現(xiàn)年齡倒置現(xiàn)象，我們認為這種結果與這個地貌部位的沉積物沉積速率是不相稱的。多位研究者（徐偉等，2011；許建紅等，2011；郭慧等，2012）認為該套黑壚土在臨汾盆地廣泛分布，其形成時代約為8ka BP，因此判斷該剖面斷錯的層③黑壚土及以上地層為全新世地層，F(xiàn)1～F3的最新活動時代應為全新世。

3.3 邵家?guī)X探槽

邵家?guī)X探槽（35°42′11.52″N，110°40′39.00″E）位于洪積臺地前緣，前緣陡坎明顯，呈線性延伸，探槽位置如圖4（a）、4（b）所示。在該探槽附近進行了陡坎地貌測量，其高差＞20m（圖4（c））。該探槽總長27m，最高6m。剖面揭露9套地層，最上部地層主要為砂質(zhì)黏土、粉土等，中部為具水平層理的中粗砂及礫石層，下部出露紅色花崗片麻巖。邵家?guī)X探槽地層描述如下：

①砂質(zhì)黏土夾含碎石塊，碎石塊粒度較小。

②砂礫石層，水平層理明顯，礫徑較小。

③粉質(zhì)黏土夾較大的碎石塊，塊徑10～30cm不等，風化程度較重，排列無序，磨圓不好。

④灰黃色砂質(zhì)黏土夾小碎石塊，膠結，硬實。

⑤礫石、中砂混雜堆積，上部砂層成層性好，礫石礫徑3～10cm。

⑥崩積楔，下部碎石塊分布，上部主要分布砂層，成層性不好。

⑦砂質(zhì)黏土，夾雜中砂粒及小的礫石塊。

⑧花崗片麻巖。

⑨粉土、亞砂土，含植物根系。

探槽共揭示6條斷層，其中F1為前第四紀斷裂，發(fā)育于花崗片麻巖中。F2斷錯層②、③，斷錯層②1.5m；F3斷錯層②為層③覆蓋，斷錯層②3m，并在坎前形成崩積楔；F4斷錯層②，為層④覆蓋，斷錯層②1.5m，并在坎前形成崩積楔；F5斷錯層⑦、⑨至頂，斷錯層⑦2m；F6斷錯層⑨。

在探槽多套地層中進行了取樣和光釋光測年，結果見表2。樣品所處的地貌部位為洪積臺地前緣，臺地最上部的粉質(zhì)黏土層③及下部具水平層理并被多次錯斷的砂礫石層②時代較老，年齡大概為8～9萬年，為晚更新世早期地層。最新的斷層發(fā)育于臺地前緣的粉土層⑦和層⑨中，該地層時代約為距今3～4萬年，為晚更新世晚期地層。需要說明的是，層③年齡樣 SJL-5-1（95.17±9.08ka BP）與層②年齡樣 SJL-4-1（84.67±8.68ka BP）出現(xiàn)了倒置現(xiàn)象，但是年齡結果也證明這2套地層年齡為8～9萬年。

圖4 邵家?guī)X探槽衛(wèi)星圖片、照片及剖面

結合樣品時代對該探槽事件進行分析后發(fā)現(xiàn)：斷層F2所代表的事件E1發(fā)生于 95.17±9.08ka BP以來；斷層F3所代表的事件 E2發(fā)生于距今8～9萬年；斷層 F4所代表的事件 E3發(fā)生于 84.67±8.68ka BP以來；F5、F6代表的事件E4發(fā)生于 39.20±3.26ka BP以來，也是該探槽揭示的最新事件。

表2 邵家?guī)X探槽樣品年齡測試結果

3.4 上峪口探槽

上峪口一帶洪積地層發(fā)育，在該處洪積扇前緣坎開挖 1號探槽（35°37′57.50″N，110°33′37.83″E），探槽長 15m，寬 1.5m，深 4m。共揭示 4套地層，上部為水平層理礫石層，排列密實，下部為砂質(zhì)粉土，未見斷錯。繼而后撤，在扇體形成沖溝壁處開挖 2號探槽（35°37′59.52″N，110°33′38.16″E）。二者相對位置見圖 5（a）、5（b）。

圖5 上峪口探槽衛(wèi)星圖片、照片及剖面

2號探槽長22m，最高約8m。揭示典型洪積地層，共見13套地層。下部多為礫石層，分選磨圓均不好，探槽底部左側見礫石層呈水平層理密集排布，上部見粉土呈條帶分布。

上峪口1號探槽地層描述如下：

①密集礫石層，水平層理明顯，磨圓不好，礫徑多為5～10cm，個別20cm左右，成分為灰?guī)r。

②褐紅色砂質(zhì)黏土，夾含小礫石、砂。

③褐黃色砂質(zhì)粉土。

④砂礫石層，排列緊密，水平層理。

上峪口2號探槽地層描述：

①砂礫石層，磨圓不好。

②褐紅色黏土層，夾礫石塊，底部分布砂礫石層。

③粗砂-小礫石層，灰白色，礫徑較小。

④黏土礫石層，礫徑10～20cm，分選不好，磨圓不好。

⑤砂礫石層，分選不均，礫徑5～30cm，普遍較大。

⑥崩積楔，礫徑30～40cm。

⑦砂礫石層，礫石分布雜亂，礫徑多為5cm左右以下。

⑧褐黃色黏土層。

⑨褐黃色黏土層，夾粗砂-小礫石，粒徑2cm左右。

⑩多為小礫石、粗中砂，排列緊密，中間夾25cm厚左右礫石層。具水平層理，局部見大塊，礫徑 20～30cm。

?砂質(zhì)粉土，灰白色。

?灰黑色黏土層，中間夾雜小礫石。

?砂礫石層夾黏土，礫徑多為20～30cm，較周圍層大。

在該探槽上取樣 2個，層?樣品 SYKXN-1光釋光測年為 5.78±0.48 ka BP，層②樣品SYKTC-1光釋光測年為 12.4±1.3 ka BP，形成于全新世中早期。

探槽揭示出2條斷層，事件E1代表斷層 F1斷錯層②，斷距0.8m；事件 E2代表斷層 F2斷錯層①、②、④，斷錯層④0.7m。事件E2為最新一次事件，發(fā)生于 12.4±1.3 ka BP以來。

4 討論與結論

韓城斷裂NE段盆山對比強烈，是該斷裂活動性最強的段落。本文選擇4個地點進行了探槽開挖，均揭示了多次斷錯事件。其中上寨探槽斷錯至地表缺失上部覆蓋層，其所能揭示的最新事件在80ka BP以后，謝新生等（2017）在該處開挖的探槽證明最新期次事件為14～18ka BP，其結果代表的最新事件更為可靠。邵家?guī)X探槽揭示了4次古地震事件，最新期次事件為40ka BP以來，同樣斷錯地表缺失上部覆蓋層。上峪口探槽斷錯的最新地層年齡為12ka BP，因在其上部覆蓋層未能測得地層年齡，不便判定其最新的活動時代。

王家?guī)X探槽揭示出最新斷錯事件在12ka BP以來，斷錯了上部的黑壚土，但是并未斷錯較新的沖溝壁上形成時代約為6ka BP的沖洪積礫石層，因此其最新活動時代為6～12ka BP。該層黑壚土在山西境內(nèi)廣泛分布，是全新世中早期的一套地層，多位研究者的研究結果都印證了這一點，而本研究中對該套地層的光釋光測年結果并不理想，前人最新測年結果顯示，該地層的時代約為8ka BP（徐偉等，2011；許建紅等，2011，郭慧等，2012）。尤其是許建紅等（2011）是在相鄰的羅云山山前斷裂1∶5萬地質(zhì)地貌填圖時發(fā)現(xiàn)并確定了該套黑壚土的形成時代，韓城斷裂與羅云山山前斷裂同為臨汾盆地的邊界斷裂，其形成的動力學背景和第四紀環(huán)境變遷一致，因此可認為該套黑壚土是同一時代形成的。因此王家?guī)X探槽所揭示的最新時代范圍可縮小至6～8ka BP，亦是本次研究揭示的最新事件。

另外，此次工作中，我們調(diào)查了黃河禹門口下降盤的黃河階地，認為黃河出口西岸黃河I級階地拔河高度約15m，程紹平等（1998）在對黃河晉陜峽谷河流階地進行研究時測得禹門口一帶斷層上升盤黃河I級階地基巖面拔河約19m，并測得TL年齡約為距今5000a。上下盤的階面可能是存在落差的，但是卻未在此處發(fā)現(xiàn)切實有效的斷面證據(jù)，與本次探槽及剖面揭示的最新事件時間上亦有差距。因此關于這一點，依靠新技術、新方法從地貌、地質(zhì)上尋找更確實可靠的證據(jù)支撐仍是以后研究工作的重點。

在本次研究中，上部覆蓋層缺失為地震事件斷代的確定帶來困難，并直接影響了單個探槽的地震事件的分期及多個探槽之間地震事件的對應。因此，針對于這方面的研究及更準確地確定最新活動時代仍需要尋找更好、更新的斷錯地貌地點進行探槽開挖。

致謝：感謝中國地震局地殼應力研究所地殼動力學重點實驗室對本文樣品進行的年齡測試；感謝審稿專家對本文修改提出的寶貴意見和建議。