西南天山柯坪推覆系晚更新世古地震及其分段性地貌響應(yīng)

李 安

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

以往的古地震研究主要以單條斷層或者某一斷層段落為研究對象，研究它的復(fù)發(fā)和破裂規(guī)律。其中蘊(yùn)含一個(gè)潛在假設(shè)：各個(gè)斷層或斷層段落之間相對獨(dú)立。但是近年來越來越多的大地震研究結(jié)果表明，相鄰的斷層，各個(gè)斷層段落以及同一塊體的邊界斷層之間有著一定的相關(guān)性。一些學(xué)者研究單條走滑斷層的破裂行為，如在海原斷裂帶上，多個(gè)地點(diǎn)探槽開挖以及歷史地震資料通過逐次限定方法，揭示出海原斷裂帶3個(gè)段落地震破裂行為具有一定的響應(yīng)關(guān)系，具體表現(xiàn)為單段破裂、雙段破裂和全段破裂模式。在川西安寧河斷裂與則木河斷裂的古地震響應(yīng)關(guān)系的研究中，古地震破裂行為表現(xiàn)為安寧河斷裂很可能為級聯(lián)破裂模式，同時(shí)則木河斷裂上的大地震都在安寧河斷裂上找到了相對應(yīng)的響應(yīng)古地震事件；相反地，在安寧河上的破裂，則木河斷裂沒有相應(yīng)的事件。

在逆斷層系統(tǒng)中似乎有類似的特點(diǎn)。例如，2008年汶川MS8.0地震，造成了北川—映秀和江油—灌縣2條斷層級聯(lián)破裂，并且同時(shí)龍門山中段和北段級聯(lián)破裂。龍門山古地震的研究表明該區(qū)域之前也存在類似汶川地震的事件。相對于走滑斷層的級聯(lián)破裂形式，多排逆斷層推覆系統(tǒng)中走向和垂向雙方向上都可能發(fā)生級聯(lián)破裂的情況顯得更加復(fù)雜。如何較準(zhǔn)確地描述逆斷層系統(tǒng)中古地震破裂行為的特點(diǎn)是一個(gè)重要的科學(xué)問題。

在中國大陸地區(qū)，最為主要的逆斷層分布在西北天山地區(qū)。由于潮濕的海洋季風(fēng)無法企及，在深入大陸內(nèi)部的中國西北地區(qū)多以干旱和半干旱氣候?yàn)橹?。天山造山帶正是位于此類地區(qū)，在這些地區(qū)植被很少，且地貌侵蝕改造較少，一直是地質(zhì)構(gòu)造變形的運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何學(xué)研究的理想地區(qū)。但同時(shí)可信度高的14C測年樣品的匱乏一直制約了活動(dòng)構(gòu)造研究中對時(shí)間參數(shù)的分析，尤其是古地震事件時(shí)間和復(fù)發(fā)周期的研究。怎樣解決古地震事件的定年問題成為獲得天山地區(qū)逆斷層的古地震破裂規(guī)律的關(guān)鍵技術(shù)問題。最近興起的宇宙成因核素定年方法為干旱和半干旱地區(qū)的古地震研究開啟了新的思路。宇宙成因核素年代學(xué)方法用于干旱區(qū)地貌年齡的測定，其明顯的優(yōu)勢在于樣品物質(zhì)來源豐富，漂礫、河流礫石和粗砂均可用于測年。同時(shí)根據(jù)地區(qū)巖石元素組成選擇不同的核素進(jìn)行測定。干旱區(qū)地貌面常使用10Be元素進(jìn)行暴露年齡的測定，并具有很高的可信度。前人曾經(jīng)嘗試?yán)枚嗉壍孛裁嬗钪婧怂亟y(tǒng)計(jì)年齡結(jié)果分析古地震復(fù)發(fā)規(guī)律，并得到與14C測定的結(jié)果基本相一致，不過由于受限于當(dāng)時(shí)的10Be測量手段的局限，對古地震研究較為粗略。如果利用傳統(tǒng)探槽技術(shù)對古地震事件進(jìn)行精確控制，再通過地貌面變形分析配合多級地貌面的10Be年齡，應(yīng)該可以較好地解決干旱地區(qū)古地震研究方面的短板。由此獲得的可信度更高的古地震研究結(jié)果作為補(bǔ)充，對地區(qū)的地震危險(xiǎn)性分析提供資料。

大量的地質(zhì)和地震研究發(fā)現(xiàn)，斷層的破裂過程在一次獨(dú)立的地震中并非沿著整條斷裂全部破裂，而是僅僅破裂其中的一部分。如果一條斷層長期以來活動(dòng)強(qiáng)度和破裂端點(diǎn)的位置比較穩(wěn)定，那么這條斷層就具有明顯的分段特征。了解這種斷層的分段特征對它的地震危險(xiǎn)性的判斷具有重要意義。對于逆斷層的分段，一直以來研究都較為薄弱。斷層彎曲、分叉和橫向構(gòu)造是逆斷層走向上最為常見的端點(diǎn)，但它們被破裂貫通的頻次很高。所以如果沒有歷史大地震記錄的破裂長度和段落邊界，僅依靠構(gòu)造不連續(xù)端點(diǎn)作為段落邊界，和僅通過古地震探槽和古地震陡坎的高度和形態(tài)特征獲得古地震的破裂長度，都難以確定逆斷層的分段特點(diǎn)。按照構(gòu)造地貌學(xué)的原理，構(gòu)造活動(dòng)會(huì)對地貌的演化造成一定的影響，所以一旦存在古地震的破裂分段規(guī)律，肯定會(huì)在地表破裂帶附近的地貌面留下有影響的記錄。各個(gè)不同段落的破裂行為的差異特點(diǎn)會(huì)對位于這個(gè)段落中的地貌面參數(shù)發(fā)生改變。如果可以排除導(dǎo)致地貌面參數(shù)改變的其他原因，也就可以將其與古地震的破裂行為建立聯(lián)系，從而作為古地震破裂分段的一項(xiàng)證據(jù)。結(jié)合實(shí)際的古地震陡坎分布和高度等特征，加強(qiáng)對古地震破裂長度的控制，提高古地震的研究程度。

本文對西南天山柯坪推覆系晚更新世以來的古地震進(jìn)行研究，利用宇宙成因核素測年得到的地貌面年齡對古地震事件時(shí)間進(jìn)行限定，并利用地貌面陡坎模擬的平均斷層滑動(dòng)速率對古地震事件的位移量進(jìn)行對比分析。此外還對柯坪推覆系中第一排的柯坪塔格山前斷裂陡坎和沖洪積扇形態(tài)進(jìn)行了分析，系統(tǒng)地討論了柯坪推覆系中各排的古地震規(guī)律和在整個(gè)系統(tǒng)中各排古地震之間的響應(yīng)關(guān)系。主要的結(jié)論如下：

（1）柯坪推覆系東段的前兩排山前斷裂具有較為明顯的同時(shí)期破裂和總位移量大致相等的特點(diǎn)。從柯坪推覆系東段整體上看，既具有較為相似的3m左右的位移量，又具有較穩(wěn)定的5ka左右的復(fù)發(fā)間隔，古地震更符合理想的復(fù)發(fā)模型。東段第三排的卡拉布克塔格山前斷裂第四紀(jì)以來不再活動(dòng)。

（2）柯坪推覆系西段的三排山前斷裂目前都在活動(dòng)，但活動(dòng)性從南向北逐漸遞減。第一排西柯坪塔格山前斷裂活動(dòng)性最強(qiáng)，第三排托克塔格山前斷裂活動(dòng)性最弱。各排之間的古地震單次位移量差異較大，且由于時(shí)間控制力度不夠，沒見明顯的各排間變形的相關(guān)性。

（3）利用10Be深度剖面和混合樣品測年方法能在侵蝕速率較小的干旱地區(qū)獲得較理想的地貌面測年結(jié)果，利用上下兩級地貌面年齡可以對古地震發(fā)生時(shí)間進(jìn)行界定。界定的精度由兩級地貌面形成時(shí)間間隔長短和兩級地貌面之間發(fā)生的古地震次數(shù)控制，且位移量和復(fù)發(fā)間隔與滑動(dòng)速率相匹配。利用10Be年代學(xué)、地貌面形變和古地震探槽3者結(jié)合方法得到的古地震復(fù)發(fā)間隔具有較高的可信度。

（4）通過詳細(xì)的陡坎填圖和沖洪積扇形態(tài)分析，我們發(fā)現(xiàn)斷層陡坎的分段與沖洪積扇形態(tài)的分段非常一致。在柯坪塔格山前斷裂存在兩個(gè)段落邊界：一個(gè)為皮羌斷裂，另一個(gè)在距離柯坪岔口約30km處，該處的東側(cè)褶皺山向前突出約1km。兩個(gè)邊界將整個(gè)第一排柯坪塔格山前斷層分為3段，皮羌斷裂以西為西柯坪塔格段，皮羌斷裂以東為東柯坪塔格段，最東端30km為柯坪岔口段。西柯坪塔格段內(nèi)的最高陡坎位置在五間房附近，最新地貌面上的陡坎高度約1.5～2m，累計(jì)陡坎高度約4m，陡坎向兩側(cè)高度逐漸減低。在該段內(nèi)沖洪積扇形態(tài)表現(xiàn)為高構(gòu)造活動(dòng)區(qū)特點(diǎn)，即沖洪積扇剖面為直線型、沖洪積扇寬長比＞1、扇體展開角很大等特點(diǎn)。利用古地震探槽和地貌測量獲得的斷層滑動(dòng)速率為1.45（＋1.68／－0.44）mm／a。東柯坪塔格段內(nèi)的最高陡坎位置在三岔口附近，最新地貌面上的陡坎高度約1～1.5m，累計(jì)陡坎高度約3m，陡坎也向兩側(cè)高度逐漸減低，在該段內(nèi)的沖洪積扇形態(tài)表現(xiàn)為低構(gòu)造活動(dòng)區(qū)特點(diǎn)，即沖洪積扇剖面多為下凹性、沖洪積扇寬長比＜1、扇體展開角小等特點(diǎn)。利用古地震探槽和地貌測量獲得的斷層滑動(dòng)速率約0.31（＋0.21／－0.18）mm／a。柯坪岔口段內(nèi)未發(fā)育任何古地震斷層陡坎，沖洪積扇形態(tài)表現(xiàn)為無構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的特點(diǎn)，即流域?qū)掗L比和沖洪積扇寬長比均＞1、流域和沖洪積扇坡度較小、剖面為下凹形等。

（5）在東柯坪塔格段內(nèi)的滿古特?cái)嗔押腿砜诟浇鸟薨檸Х植娌]有明顯阻礙古地震破裂的能力，并不能作為永久性邊界。這兩個(gè)構(gòu)造部位對晚更新世的活動(dòng)并不具有控制作用。

（6）級聯(lián)破裂和古地震規(guī)律的差異。推覆系東段第三排第四紀(jì)以來不活動(dòng)，而前兩排具有明顯的同時(shí)期破裂的現(xiàn)象，并且同一時(shí)期內(nèi)的前兩排古地震事件的總位移量都保持在3m左右，可能存在前后排同時(shí)破裂的情況。在西段三排中，第一排西柯坪塔格斷裂的構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)，每次事件的位移量可以達(dá)到3m左右，復(fù)發(fā)間隔約為4ka；第二排奧茲塔格斷裂具有最短的復(fù)發(fā)間隔約2ka，但每次事件的位移量僅1m左右；第三排托克塔格斷裂活動(dòng)性最弱，近7ka以來僅發(fā)生一次約2m左右位移量的古地震事件，沒有明顯同期破裂的現(xiàn)象。造成這種東西段古地震規(guī)律差異的原因可能與構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)弱程度相關(guān)。西段斷層的滑動(dòng)速率明顯高于東段各條斷裂的滑動(dòng)速率。較高的斷層滑動(dòng)速率是更快地震釋放的表現(xiàn)，所以西段不容易積累發(fā)生多條斷裂級聯(lián)破裂的能量；而斷層滑動(dòng)速率較低的東段則正好相反，當(dāng)兩條斷層都集中了大量能量時(shí)，其中一條斷層破裂，可能誘發(fā)另一條斷層在相近時(shí)間內(nèi)也發(fā)生破裂，甚至發(fā)生同時(shí)破裂。

古地震；沖洪積扇；宇宙成因核素測年；斷裂分段；柯坪推覆系；西南天山