姚生海 蓋海龍 殷 翔 劉 煒 張加慶 袁建新

1)青海省地震局，西寧 810010

2)中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘察中心青海總隊(duì)，西寧 810018

0 引言

柴達(dá)木盆地北緣地區(qū)是地震頻發(fā)地段。1962—1977年，該區(qū)曾發(fā)生6.8級(jí)和6.3級(jí)2次強(qiáng)地震及多次余震。20世紀(jì)90年代初及末期又發(fā)生了持續(xù)時(shí)間長、頻度高的小地震群，對(duì)該地區(qū)的工業(yè)造成了不小的損失(葉建青，1992)。自2003年德令哈6.6級(jí)地震(孫長虹等，2012)以來，該區(qū)域又分別于2008年和2009年發(fā)生了6.3級(jí)和6.4級(jí)地震(Elliottetal.，2011；馬玉虎等，2012；溫少妍等，2016)，引起了廣大研究者的高度關(guān)注，很多學(xué)者對(duì)柴達(dá)木盆地北緣斷裂系的大柴旦斷裂(龐煒等，2015)、宗務(wù)隆山南緣斷裂(袁道陽等，2004；董金元等，2019)、大柴旦-托素湖斷裂(姚生海等，2014a；楊麗萍等，2017)開展了相關(guān)研究工作。

姚生海等(2014b)對(duì)柴達(dá)木盆地北緣斷裂的錫鐵山—阿木尼克山段進(jìn)行了初步遙感解譯，發(fā)現(xiàn)在阿木尼克山山前存在一段線性特征非常平直的影像。在遙感解譯的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)柴達(dá)木盆地北緣斷裂錫鐵山段和阿木尼克山段進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為該段為全新世活動(dòng)斷裂。錫鐵山段全新世晚期以來的水平滑動(dòng)速率為1.81～2.1mm/a，平均逆沖速率為0.33～0.38mm/a(姚生海等，2020a)。阿木尼克山段全新世晚期以來的水平活動(dòng)速率為2.50～2.75mm/a，垂直活動(dòng)速率為(0.43±0.02)mm/a(姚生海等，2020b)。在阿木尼克山山前發(fā)現(xiàn)一段長約30km的地震地表破裂，初步認(rèn)為該破裂可能是歷史強(qiáng)震造成的，但目前還未見到關(guān)于該地震地表破裂的報(bào)道和研究成果。通過查閱該地區(qū)的歷史強(qiáng)震目錄和地方志發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)曾于1962年5月21日和1977年1月19日分別發(fā)生了6.8級(jí)和6.3級(jí)地震。目前，對(duì)于這2次地震仍未有詳細(xì)的研究報(bào)告。

本文旨在通過遙感解譯、地震地表破裂帶和地震地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、開挖探槽和斷錯(cuò)事件定年、構(gòu)造類比等方法，結(jié)合歷史地震目錄及地方志等文獻(xiàn)，討論該地表破裂形成的時(shí)代及相關(guān)地震事件。

1 區(qū)域地震構(gòu)造背景

研究區(qū)在區(qū)域上位于柴達(dá)木盆地北部，祁連山塊體和柴達(dá)木盆地塊體的結(jié)合部位。北部為祁連山地塊的宗務(wù)隆山山脈，中部為綠梁山、錫鐵山、阿木尼克山隆起區(qū)，中間夾有大柴旦-德令哈-烏蘭盆地，南部為柴達(dá)木盆地的核心腹地，再向S則為昆侖山山脈，地形地貌上形成“三山夾兩盆”的地貌格局(圖1)。

由于該地區(qū)是柴達(dá)木塊體和祁連塊體的交接部位，區(qū)域內(nèi)活動(dòng)斷裂比較十分發(fā)育，主要有大柴旦-宗務(wù)隆山斷裂、大柴旦-托素湖斷裂、柴達(dá)木盆地北緣斷裂、柴達(dá)木盆地北中央斷裂及柴達(dá)木盆地內(nèi)的其他斷裂等。該地區(qū)是地震多發(fā)區(qū)，尤其是三湖地區(qū)，曾為青海省地震重點(diǎn)防御監(jiān)視區(qū)。

柴達(dá)木盆地北緣斷裂帶是青藏高原北部一條重要的活動(dòng)構(gòu)造帶，西起阿爾金山東段南麓的賽什騰山，向SE終止于青海烏蘭地區(qū)，并被鄂拉山斷裂所截，是柴達(dá)木盆地?cái)嘞輩^(qū)與北部祁連山斷隆帶的重要分界斷裂，由一系列近平行的斷層組成，相互間呈反“S”形斜列關(guān)系(湯良杰等，2002)。該斷裂系全長約700km，總體呈NW向，由走向一致、首尾錯(cuò)列的賽什騰山斷裂、綠梁山斷裂、大柴旦斷裂、錫鐵山斷裂和阿木尼克山斷裂等組合而成。

圖1 研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Schematic geological structure of the research area.1 前新生界；2 火山巖；3 古近系；4 新近系；5 第四系；6 全新世斷裂；7 晚更新世斷裂；8 逆斷層；9 走滑斷層；10 研究范圍。F1 大柴旦-宗務(wù)隆山斷裂帶；F2 大柴旦-托素湖斷裂帶；F3 柴達(dá)木盆地北緣斷裂帶；F4 柴達(dá)木盆地北中央斷裂帶

圖2 阿木尼克山山前影像圖Fig.2 Amunikeshan mountain front images.

圖3 斷層地貌特征Fig.3 Geomorphic characteristics of fault.紅色箭頭指示斷裂位置。a、b 斷層陡坎；c—f 擠壓脊；g 地震凹槽；h 擠壓脊及鼓包

2 發(fā)震斷裂及宏觀震中調(diào)查

2.1 遙感影像特征

柴達(dá)木盆地北緣斷裂帶阿木尼克山段主要發(fā)育在阿木尼克山西南側(cè)山前及山前沖洪積扇處，呈NWW向展布，由一系列雁形排列的左階斷裂組成。斷裂帶北側(cè)為上元古界變質(zhì)巖組成的中高山地貌景觀，南側(cè)為新生界砂礫巖和黏土巖組成的低山丘陵、洪積扇和戈壁平原。遙感顯示山前沖積扇與盆地之間色差明顯，隆起區(qū)與沉降區(qū)的明暗反差強(qiáng)烈，地貌分界線突出，斷裂連續(xù)性很好(圖1，2a)。斷裂沿線發(fā)育多處規(guī)模不等的小型拉分盆地和擠壓隆起區(qū)。在阿木尼克山山前處斷層三角面比較發(fā)育，向SE在洪積扇上發(fā)育斷層陡坎(圖2b，c)、斷層凹槽(圖2d)和斷層鼓包(圖2e)，斷層沿線也可見沖溝、山脊被左旋錯(cuò)動(dòng)，累計(jì)位移達(dá)百米，并發(fā)育眾多斷頭溝、棄溝及閘門脊(圖2d)。

2.2 地貌斷錯(cuò)、變形特征

野外地質(zhì)調(diào)查表明，在阿木尼克山山前發(fā)育一段連續(xù)性很好的地表破裂，總體走向 N30°～40°W，長約22km，沿阿木尼克山西南側(cè)山前延伸，斷裂切割不同時(shí)代的洪積扇及階地。地表破裂帶由一系列斷層陡坎(圖3a，b)、擠壓脊和鼓梁(圖3c—f)、斷層凹槽(圖3g)等構(gòu)造地貌組成。斷層陡坎發(fā)育在較新的洪積扇及階地上，連續(xù)性較好，陡坎的長度一般為數(shù)米至上百米，通過GPS測得斷層陡坎高1.5～2.5m。斷裂沿線擠壓脊較為發(fā)育，有部分發(fā)育在最新洪積扇上，高0.3～0.5m(圖3h)；也有發(fā)育在較老的洪積扇上、高達(dá)數(shù)米甚至十余米、長達(dá)數(shù)百米的擠壓脊(圖3c)；也有擠壓脊被積水沖垮、局部形成峽口的地貌。發(fā)育的擠壓脊形成反向陡坎，在陡坎北側(cè)往往形成斷層凹槽(圖3g)，凹槽深約3m，長數(shù)十米，季節(jié)性水系沿凹槽流淌，陡坎南側(cè)形成較多斷頭溝。

在典型地貌點(diǎn)利用無人機(jī)拍攝獲取了DEM圖像(圖4)。從圖中可見，在最新的洪積扇上形成了清晰的長約150m的斷層擠壓脊(圖4a)和180m的斷層陡坎(圖4b)。經(jīng)差分GPS測量得到擠壓脊高約1.2m，斷層陡坎高約(2.4±0.1)m(姚生海等，2020b)。

斷裂沿線多處沖溝、水系有明顯的走滑位錯(cuò)(圖5a)，通過遙感影像得到Fan1的最大位移量為14m、Fan2的最大位移量為48m(姚生海等，2020b)。在一處洪積扇保存有直角左旋位移，其位移量約為2.3m(圖5b)，利用低空無人機(jī)獲取的DEM圖(圖5c)做出的復(fù)原圖(圖5d)顯示位移量為2.3m。根據(jù)地表破裂現(xiàn)象，分析認(rèn)為是某次地震事件所形成的同震位移。

圖5 斷裂沿線的水系走滑F(xiàn)ig.5 Strike-slip water system along the fault.紅色箭頭指示斷裂位置，藍(lán)色虛線為季節(jié)性河流。a 水系左旋走滑；b 水系同震位移；c 同震位移DEM圖；d 沖溝位錯(cuò)恢復(fù)

圖6 探槽1的位置圖Fig.6 Position map of Trench 1.a 探槽在影像上的位置；b 探槽處的照片圖(鏡向NEE)

2.3 探槽剖面的特征

探槽1(36.9050°N，96.5996°E)位于Fan2后緣和Fan3前緣的斷層陡坎上，陡坎處于2條沖溝的三角區(qū)域，保留了2處最新的斷層陡坎(圖6a，b)，其中一段高約0.5m、長約3m，一段高約1.5m、長約10m。為了更好地揭露古地震的期次，選擇在高1.5m的陡坎處開挖探槽。探槽長約22m，寬3m，深3～4m。剖面揭露該處發(fā)育多條斷層(f1—f4)(圖7)，其中f1直接斷錯(cuò)至頂部，形成寬約20cm、深40cm的斷層楔(圖7c)，楔內(nèi)灌入粉細(xì)砂，下部有灰白色圓形斷層角礫巖，并形成陡坎。斷層f2的傾角幾乎直立，經(jīng)斷面分析認(rèn)為是一次明顯的逆沖兼走滑運(yùn)動(dòng)所致，沒有發(fā)現(xiàn)該斷層斷錯(cuò)至地表。f3、f4傾角平緩，運(yùn)動(dòng)特征以逆沖為主，也未能發(fā)現(xiàn)斷錯(cuò)至地表的現(xiàn)象。對(duì)探槽內(nèi)穩(wěn)定的粉細(xì)砂層進(jìn)行OSL測年。AM-03的采樣深度為0.7m，測年結(jié)果為(11.4±1.5)ka；AM-05的采樣深度為0.8m，測年結(jié)果為(13.2±1.0)ka。分析該剖面及斷錯(cuò)地貌認(rèn)為，斷裂存在多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，最新活動(dòng)斷錯(cuò)了Fan2洪積扇面。

圖7 探槽1(TC1)的剖面解譯圖Fig.7 Trench 1(TC1)profile interpretation.

圖8 探槽2的位置Fig.8 Position of Trench 2.a 探槽在影像上的位置；b 探槽處的照片(鏡向NEE)

探槽2(36.8724°N，96.6218°E)位于Fan1洪積扇的中部，長25m、寬3m、深3.5m(圖8a，b)。通過對(duì)探槽剖面的分析發(fā)現(xiàn)剖面內(nèi)存在多條斷面(圖9)，其中斷層f1處就是地貌形成陡坎的位置，斷層f1從下而上貫穿至頂，在頂部有粉細(xì)砂顆粒灌入，形成斷層楔(圖9c)。斷層f2、f3傾角陡峭，向外傾斜，沒有明顯貫穿到頂?shù)嫩E象。斷層f4為逆沖斷層，傾角較緩，可明顯看到“Z”字形變形。在探槽內(nèi)不同位置、不同深度處采集細(xì)顆粒OSL測年樣品，其中NMH-01采集于探槽溝壁上的粉細(xì)砂夾層，距頂面0.3m，其年齡結(jié)果為(5.0±0.4)ka；NMH-03采集于洪積扇沖溝壁上的粉細(xì)砂夾層，距頂面1.8m，測年結(jié)果為(8.0±0.6)ka，其地層為一套連續(xù)的具水平層理的細(xì)砂層；NMH-07采集于探槽溝壁上的粉細(xì)砂夾層，距頂面0.3m，測年結(jié)果為(7.2±0.9)ka；NMH-10采集于探槽溝壁上的粉細(xì)砂夾層，距頂面0.5m，測年結(jié)果為(3.1±0.3)ka。分析該剖面及地貌認(rèn)為，斷裂存在多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，最新活動(dòng)斷錯(cuò)了Fan1洪積扇面。

圖9 探槽2(TC2)的剖面解譯圖Fig.9 Trench 2(TC2)profile interpretation.

2.4 斷裂帶附近的地質(zhì)災(zāi)害特征

在阿木尼克山山前一帶，斷裂沿線發(fā)育眾多的崩塌、滾石、地裂縫等地震地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。崩塌體(圖10a，b)、滾石(圖10c，d)多分布在陡峭的邊坡上(圖2c)，由于該地區(qū)巖體以古近-新近系泥巖、砂巖為主，極易風(fēng)化，地震造成的崩塌體、滾石的體積較小，體積較大的崩塌體直徑約為1.5m，多以直徑約30cm的滾石為主，分布范圍較小，分布區(qū)長約200m，呈NNW向線性分布。在阿木尼克山以東(圖2e)，地表發(fā)育多條走向?yàn)镹NW、寬1～5mm、長幾米甚至幾十米的地裂縫(圖10e，f)，由于該段臨近北霍布遜湖，沿地裂縫有裂隙水沿?cái)嗝鏉B出，裂縫表面有粉細(xì)砂溢出，呈現(xiàn)濕潤狀態(tài)。

圖10 地震地質(zhì)災(zāi)害的照片F(xiàn)ig.10 Photos of earthquake geological disaster.a、b 崩塌；c、d 滾石；e—g 地裂縫

圖11 1962年6.8級(jí)地震的微觀震中和宏觀震中分布圖Fig.11 Distribution map of the micro-epicenter and macro-epicenter of the M6.8 earthquake in 1962.F1 大柴旦-托素湖斷裂；F2 柴達(dá)木盆地北緣斷裂

3 討論

對(duì)于在阿木尼克山山前所發(fā)現(xiàn)的地震地表破裂帶，在以往的研究中鮮有報(bào)道，且該破裂帶在以往的資料中也很少提到。根據(jù)中國地震目錄(顧功敘，1983)及都蘭縣縣志(都蘭縣縣志編纂委員會(huì)，2001)等相關(guān)文獻(xiàn)描述，該地區(qū)歷史上曾發(fā)生過2次規(guī)模較大的強(qiáng)震，即1962年5月21日6.8地震和1977年1月19日6.3級(jí)地震。由于該地區(qū)為柴達(dá)木盆地腹地，自古人跡罕至，加上該地區(qū)有文字記載的歷史較短，沒有可供查詢的其他文獻(xiàn)資料。根據(jù)以往的研究，形成地震地表破裂的地震震級(jí)一般都>6.5級(jí)(鄧起東等，1992)。查詢?cè)摰貐^(qū)>6.5級(jí)以上歷史地震資料發(fā)現(xiàn)，1962年5月21日北霍布遜湖6.8級(jí)地震符合震級(jí)要求。

據(jù)都蘭縣志(都蘭縣縣志編纂委員會(huì)，2001)記載，1962年5月21日都蘭境內(nèi)的北霍魯遜湖(即北霍布遜湖)發(fā)生7.0級(jí)地震，但對(duì)于該次地震并沒有更多的表述。

顧功敘等(1983)編錄的中國地震目錄對(duì)于該次地震的描述為：“格爾木市區(qū)土墻有倒塌或細(xì)小裂縫者，一屋頂磚砌煙囪倒塌。農(nóng)場土磚房塌一間，磚窯洞裂縫。臺(tái)吉斯南山崖崩。納蘇臺(tái)(納赤臺(tái))地方屋頂?shù)敉?，土崖崩，其?0km的不凍泉地面裂縫長3m，寬1cm。小橋地方河中截流，土壩震裂，震后有新泉出現(xiàn)。巴隆(屬都蘭)人皆有感，3間質(zhì)量較差的房屋墻壁破裂，哈土河岸有少量土石傾入河中，陡坡上石頭滾落。大柴旦：人驚逃戶外，電廠汽輪機(jī)因地震故障停電，職工禮堂墻壁有細(xì)小裂縫。德令哈：大部分人有感，職工禮堂部分倒塌(震中情況不詳)?！?/p>

通過查閱縣志和地震目錄分析認(rèn)為，1962年5月21日地震的震級(jí)可能為6.8～7.0級(jí)，但這2份資料中都沒有對(duì)震中情況的細(xì)致描述。綜合上述地震記錄及阿木尼克山山前地震地表破裂帶的展布情況，認(rèn)為該段地震破裂帶可能與1962年5月21日6.8級(jí)地震有關(guān)(圖11)：

(1)課題組在1962年6.8級(jí)地震微觀震中(37.1°N，96.0°E)周邊利用遙感解譯、地質(zhì)考察、無人機(jī)航拍等手段均未發(fā)現(xiàn)斷裂最新活動(dòng)的跡象，也未發(fā)現(xiàn)地震觸發(fā)的滑坡、崩塌等現(xiàn)象。

(2)在阿木尼克山山前發(fā)現(xiàn)的地表破裂長約22km，斷錯(cuò)或變形地貌清晰，保存較好，探槽揭露出最新活動(dòng)的斷層“通天”，顯示斷層的活動(dòng)時(shí)代很新。

(3)通過震級(jí)與地表破裂的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系、同震位移與震級(jí)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，計(jì)算得到形成22km長地表破裂的地震的平均震級(jí)為6.79，形成2.3m的同震位移量的地震的平均震級(jí)為7.03(表1)，所得結(jié)果與1962年5月21日6.8級(jí)地震的強(qiáng)度吻合。

當(dāng)然，由于探槽中斷錯(cuò)或覆蓋地層樣品的測年結(jié)果只能揭示斷層最新的活動(dòng)時(shí)代為全新世中期以來，不能完全排除阿木尼克山山前所發(fā)現(xiàn)的地震地表破裂帶是其他史前地震或古地震事件產(chǎn)物的可能性。

表1 根據(jù)各類經(jīng)驗(yàn)關(guān)系得到的破裂長度和同震位移Table1 The rupture length and coseismic displacement of earthquakes derived by applying different empirical relations

4 主要認(rèn)識(shí)

(1)遙感影像表明，柴達(dá)木盆地北緣斷裂在阿木尼克附近線性特征明顯、斷錯(cuò)地貌清晰。通過野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)斷裂沿線發(fā)育斷層陡坎、地震鼓梁、反向陡坎、斷層三角面、水系扭錯(cuò)等現(xiàn)象，沖溝最新位錯(cuò)量達(dá)2.3m，形成長約22km、走向?yàn)?N30°～40°W的地表破裂。探槽揭露有斷層“通天”，顯示最新活動(dòng)時(shí)間很新。

(2)據(jù)中國地震目錄(顧功敘等，1983)及都蘭縣縣志(都蘭縣縣志編纂委員會(huì)，2001)等相關(guān)文獻(xiàn)描述，該地區(qū)歷史上的最強(qiáng)地震為1962年5月21日北霍布遜湖6.8級(jí)地震。而該地震的微觀震中附近幾十千米范圍內(nèi)，僅在阿木尼山前發(fā)現(xiàn)與之震級(jí)對(duì)應(yīng)的地表破裂帶，因此認(rèn)為該段地震破裂帶可能與1962年5月21日6.8級(jí)地震有關(guān)，但不能完全排該地震地表破裂帶是其他史前地震或古地震事件產(chǎn)物的可能性。

致謝本文所用釋光年齡由中國科學(xué)院青海鹽湖研究所鹽湖化學(xué)分析測試中心測試；蘭州大學(xué)袁道陽研究員、陜西省地震局馮希杰研究員在室內(nèi)及野外對(duì)本文工作給予了指導(dǎo)；審稿專家提出了寶貴意見和建議。在此一并表示感謝！