怀安盆地北缘断裂中段晚第四纪活动性研究

日期:2019.12.24 阅读数:9

【类型】期刊

【作者】陈文彬,宋毅盛,李小军,潘华,李金臣(中国地震局地球物理研究所)

【作者单位】中国地震局地球物理研究所

【刊名】地球学报

【关键词】 怀安盆地;断裂活动性;滑动速率;古地震;第四纪

【资助项】国家重点研发计划"300 m级特高坝抗震安全评价与控制关键技术"项目"坝址地震动输入研究"专题(2017YFC0404901);地震行业科研专项"中国地震活断层探察——华北构造区"项目...

【ISSN号】1006-3021

【页码】P827-835

【年份】2019

【期号】第6期

【期刊卷】1;|6;|7;|8;|4;|5;|2

【摘要】怀安盆地位于河北省张家口,是晋冀蒙盆岭构造区的活动构造盆地之一,在其北缘发育了控制盆地的怀安盆地北缘断裂.为了研究断裂的活动性,在断裂中段开挖了3个探槽,TC-1位于一条冲沟的一级洪积扇上,TC-2位于二级洪积扇上,TC-3位于另一条冲沟的一级洪积扇上.TC-1揭示断裂没有断错厚度约12 m的覆盖层;TC-2揭示出由多条次级断层组成的断裂,断裂断错了大部分层位,且位错量随深度加大;TC-3剖面特征与TC-2相似.通过对探槽剖面进行详细的分析、测绘、描述和取样测年,得到了有关断裂的活动性的参数.分析表明,怀安盆地北缘断裂中段的最新活动时代为晚更新世晚期,晚更新世的平均滑动速率为0.12 mm/a.TC-2和TC-3探槽显示断裂曾有过多次活动,并可识别出至少3次地表破裂型的古地震事件,其中最后2次分别发生于距今约40000 a和距今约28000 a,平均同震垂直位移为1.3 m,断裂的平均地震重复间隔约为11 ka.断裂具有发生7级地震的能力,末次地表破裂型地震的离逝时间已超过20 ka,对其危险性应予以重视.

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怀安盆地北缘断裂中段晚第四纪活动性研究

怀安盆地北缘断裂中段晚第四纪活动性研究

陈文彬,宋毅盛*,李小军,潘 华,李金臣

中国地震局地球物理研究所,北京 100081

摘 要:怀安盆地位于河北省张家口,是晋冀蒙盆岭构造区的活动构造盆地之一,在其北缘发育了控制盆地的怀安盆地北缘断裂。为了研究断裂的活动性,在断裂中段开挖了3个探槽,TC-1位于一条冲沟的一级洪积扇上,TC-2位于二级洪积扇上,TC-3位于另一条冲沟的一级洪积扇上。TC-1揭示断裂没有断错厚度约12 m的覆盖层; TC-2揭示出由多条次级断层组成的断裂,断裂断错了大部分层位,且位错量随深度加大; TC-3剖面特征与TC-2相似。通过对探槽剖面进行详细的分析、测绘、描述和取样测年,得到了有关断裂的活动性的参数。分析表明,怀安盆地北缘断裂中段的最新活动时代为晚更新世晚期,晚更新世的平均滑动速率为0.12 mm/a。TC-2和TC-3探槽显示断裂曾有过多次活动,并可识别出至少3次地表破裂型的古地震事件,其中最后2次分别发生于距今约40 000 a和距今约28 000 a,平均同震垂直位移为1.3 m,断裂的平均地震重复间隔约为11 ka。断裂具有发生7级地震的能力,末次地表破裂型地震的离逝时间已超过20 ka,对其危险性应予以重视。

关键词:怀安盆地; 断裂活动性; 滑动速率; 古地震; 第四纪

中图分类号:P542; P315.2

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2019.071001

www.cagsbulletin.com

本文由国家重点研发计划“300 m级特高坝抗震安全评价与控制关键技术”项目“坝址地震动输入研究”专题(编号: 2017YFC0404901)和地震行业科研专项“中国地震活断层探察——华北构造区”项目(编号: 200908001)联合资助。

收稿日期: 2019-03-28;改回日期:2019-06-26; 网络首发日期: 2019-07-12。

责任编辑:张改侠。

第一作者简介: 陈文彬,男,1964年生。博士,副研究员。主要从事活动构造、工程地震、新构造等方面的研究。E-mail: chwb1965@163.com。

*通讯作者: 宋毅盛,男,1976年生。硕士,高级工程师。主要从事活动构造、工程地震、新构造等方面的研究。E-mail: yish_song@163.com。

Research on Quaternary Activity of the Middle Segment of Northern Margin Fault of Huai’an Basin,Hebei Province

CHEN Wen-bin,SONG Yi-sheng*,LI Xiao-jun,PAN Hua,LI Jin-chen
Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081

Abstract:Located in Zhangjiakou area of Hebei Province,Huai’an basin is one of the active basins that lie in Shanxi–Hebei–Mongolia Basin-Range tectonic area.On the northern margin of the basin there is an active fault,named northern margin fault of Huai’an basin,which has been controlling the basin’s development.To study the activity of the middle segment of the fault the authors excavated three trenches.The first trench (TC-1) was excavated on the lowest pluvial fan of a gully,the second (TC-2) on the second pluvial fan,and the third (TC-3)on the lowest pluvial fan of another gully.TC-1 shows that the overburden layers (about 12 m thick) covering the fault are not offset by the fault.TC-2 reveals that the fault is composed of several secondary faults which offset most layers.The displacement increases with the depth.TC-3 shows similar features to TC-2.Through surveying,mapping,sampling and dating about the trenches,some activity parameters of the fault was obtained.The latest active period of the fault segment was Late Pleistocene.The average slip rate during the Late Pleistocene was about 0.12 mm/a.At least 3 paleoearthquakes were recognized at TC-2 and TC-3,and the last two took place about 40 ka BP and 28 ka BP respectively with an average coseismic displacement of 1.3 m.The average earthquake recurrence period was about 11 ka.The fault segment has the ability to generate MS 7 earthquake,and close attention should be paid to its earthquake risk since the last producing-surface-rupture earthquake has elapsed for more than 20 ka.

Key words:Huai’an basin; fault activity; slip rate; paleoearthquake; Quaternary

怀安盆地位于晋冀蒙三省(区)交界处,是晋冀蒙盆岭构造区活动断陷盆地之一。方仲景等(1994)对怀安盆地考察中在盆地北缘发现了第四纪活动断层,称其为怀安盆地北缘断裂,认为该断裂具有明显的分段性,其东段活动性最强,为全新世活动断层,中段活动性中等,为晚更新世晚期活动断层,西段活动性较弱,仅在晚更新世早期—中更新世有过活动,整个断裂活动性有自西南向东北迁移萎缩的趋势。徐锡伟等(2002)也指出该断裂带马市口以西段断错地貌不很明显,仅错断中更新统,被上更新统覆盖,而马市口以东段在卫片上影像清晰,最新活动时代为晚更新世至全新世(周月玲和尤惠川,2010; 中国地震局地球物理研究所,2014; 周江林等,2015)。在邓起东(2007)主编的全国活动构造图中将该断裂作为晚更新世—全新世断裂。2010—2012年,作者参加了地震行业科研专项“中国地震活断层探察——华北构造区”项目,承担了怀安盆地北缘断裂中、西段(东洋河以西)的1:5万地质填图工作,对目标断裂的分布、活动性开展了系统调查,对目标区的地貌和第四纪地层进行了详细划分和对比,在此基础上选择断裂活动性较强的中段进行了探槽开挖,获得了更为详实的资料,对该断裂段的活动性有了进一步认识。

1 地质地貌概况

怀安盆地北缘断裂位于太行—五台山断块隆起区北部与燕山—阴山隆起区南部的交接部位,称晋冀蒙盆岭构造区。该区为山西裂谷右旋走滑运动在其北端东侧形成的一个NE向次级张性构造区(徐锡伟等,2002)。区内NE–NEE向断裂新近纪至第四纪以来的张性活动将本区地壳切割成大小不同的长条形块体,形成半地堑状盆地和半地垒状山岭,构成典型的盆岭构造。

怀安盆地(或称柴沟堡盆地)总体走向近东西,盆地为北断南超的半地堑式构造盆地,北界由活动断裂控制,南界不受断裂控制。据钻孔资料(河北省地质矿产局第三地质大队,1983),盆地基底为白垩纪或太古宇的地层,底部沉积为一套早更新世泥河湾组湖相沉积,第四纪最大厚度300余m。盆地以北为中低山,由太古宇马市口组深变质的暗色麻粒岩组成,海拔高度为 950~1 739.5 m,相对高度为400~600 m。山势陡峻,山高坡陡,坡度一般在20°左右,有的达50°~60°以上。由东向西山势由陡峻变为和缓,东部山脊多呈尖棱状、锯齿状,河谷多呈“V”形; 西部地形变缓,山脊变为圆滑,河谷开阔。这一地貌形态差异反映出控制盆地边界的怀安盆地北缘断裂的活动性由东向西变弱。

怀安盆地北缘断裂走向自东至西由北北东变为北东东,其细部几何结构较为复杂,局部走向有北北东向、北东向、北东东向和北西向等等,而且同一断裂段的走向还发生弧形转弯,如羊窖沟附近。从复杂的几何结构和本区构造及演化史来看,怀安—万全盆地北缘断裂演化历史不长,而是从第四纪早更新世(或新近纪晚期)以来,是在山西裂谷向北东的逐步发展引起的北西—南东向的拉张作用下,利用先存的不同方向断裂(主要形成于燕山期),组合贯通,最终发展成控制盆地北缘的边界断裂。

怀安盆地北缘断裂在东洋河和马市口两处呈明显的不连续,据此将其分为东段、中段和西段(图1)。本文重点研究中段的活动性。

2 探槽剖面分析

怀安盆地北缘断裂中段东起东洋河,向西经西赵家窑、盘道门、西坪山,止于双落沟村西,长约14 km,走向近东西,倾向南,正断层性质。此段断层地貌清楚,北侧为中山,最高海拔1 739.5 m,南侧为盆地,海拔1 000 m左右,断层处在两者的地貌分界线上,并呈较好的线性,偶见基岩陡坎地貌,在个别小冲沟中可见跌水现象,但未见有明确的断错微地貌现象。

断裂一般发育在冲沟口一级(Fan1)和二级(Fan2)洪积扇的扇顶部位,这两级洪积扇覆盖在断层之上,断层呈隐伏状态,洪积扇及阶地连续、正常,在较大冲沟之间、第三级洪积扇(Fan3)分布区段切割较深的冲沟中可见断层,一般断错第四纪堆积物的中、下部层位。

为了进一步定量化研究断裂的运动学特征,作者选择在该断裂地貌表现最为明显、活动性较强、同时晚第四纪地层发育较齐全的西赵家窑村至东洋河之间开挖了3个跨断层地质探槽,分别为TC-1、TC-2和TC-3(图2)。其中TC-1和TC-2位于东洋河河口西约1.3 km处一条较大的冲沟(图2中g1所示)沟口,TC-1探槽于冲沟一级洪积扇(Fan1)上,TC-2探槽位于冲沟西侧二级洪积扇(Fan2)的边部; TC-3位于东洋河河口西约 1.8 km处另一较大冲沟(图 2中g2所示)一级洪积扇西缘。

2.1 TC-1探槽

图1 怀安盆地北缘断裂分布图
Fig.1 Distribution of northern margin fault of Huai’an basin

图2 怀安盆地北缘断裂东洋河—西赵家窑段分布图
Fig.2 Distribution of northern margin fault of Huai’an basin between Dongyanghe and Xizhoujiayao

图3所示的TC-1探槽没有揭示出的断层,但探槽北端下部揭露出了断层北盘的花岗岩,对比TC-2探槽可判明断层的位置就位于花岗岩南侧。剖面可见,断层上覆了厚约12 m的第四系,均未被断错。上覆第四系可分为 3层: 层①为含砾砂土;层②为灰黑色含砂古土壤层,取得 14C样品HUAIAN-C-03、HUAIAN-C-04,测试结果分别为(5 930±40) a和(6 120±50) a,时代为全新世中期。层③为灰色砂砾层,砾石次棱角状为主,分选差-中等,显示向南缓倾的层理,为一级洪积扇早期的堆积物,其时代应为全新世早期至晚更新世晚期。说明断裂全新世中期以来断裂没有发生地表断错。

2.2 TC-2探槽

TC-2探槽位于冲沟西侧的二级洪积扇上,揭示出清晰的断层(图4)。断裂在剖面上由多条分支断层组成,其中f1为第四系与基岩之间的主边界断层,倾向S,倾角70°; f1和f2较平直,倾角较稳定,断距大; f3至f6为一组断层,下部倾角较大,近于垂直或反倾向北(f6),向上反倾向北,其中 f3向上分叉为 3支,断距也较大,总体构成向上撒开、向下收敛的花状构造。除最上部的地层(层1)外,断裂断错了层2及其以下的地层。

(1)剖面地层岩性

剖面所揭示的第四纪地层从上到下可分为6层,每层又可划分出多个次层; 其中,层2至层6表现出下粗上细(由砂砾石至砂质黏土)的旋回性特点。各层及次层岩性描述如下:

层1为近地表的洪积、风积、坡积及人工堆积等多成因的砂砾石、黄土的组合,可分7个次层:

1-1: 灰色砂砾石。

1-2: 黄土状土,有人工堆积痕迹。

图3 东洋河河口西1.3 km处TC-1探槽剖面
Fig.3 Profile TC-1 at 1.3 km west of the mouth of Dongyang river

①-含砾砂土; ②-灰黑色含砂古土壤层; ③-灰色砂砾石; ④-花岗岩
①-gravel sand; ②-grey black sandy paleosoil; ③-grey sand gravel; ④-granite

图4 东洋河河口西1.3 km处TC-2探槽剖面
Fig.4 Profile TC-2 at 1.3 km west of the mouth of Dongyang river

1-3: 黄褐色砂土,为坡积砂砾土及风成黄土,该层向北延伸(剖面图外)底部有古土壤,属全新世中期古土壤(S0); 该层时代为全新世中期。

1-4: 洪积砂砾石,砾石棱角状,分选差,显示近水平粗略层理。

1-5: 风成黄土,质均匀,无层理,厚度变化大,靠近底部的14C测年结果为(20 270±80) a(样品编号HUAIAN-C-05),属晚更新世晚期。

1-6: 砂砾土,砾石棱角状,砾径多在1 cm左右,分选中等,与1-5风成黄土呈过渡关系。

1-7: 含砾砂土,以黄土状土为主,约占 70%;砾石棱角状,砾径多在10 cm左右,大者大于25 cm,混杂于砂与黄土状土之中; 该层为一套近地快速堆积物。

层2为砂砾石层夹砂质黏土层:

2-1: 灰黄-灰褐色砂砾石,分选差,无明显层理,局部有砂透镜体,砾石多次棱角状,砾径以2~10 cm为主,大者可达1 m。该层中ESR测年结果为(38±3.8) ka(样品编号 HA-34)。

2-2: 灰白-灰黄色砂质黏土透镜体,厚0~0.3 m。该层中ESR测年结果为(36±5) ka(样品编号 HA-33)。

2-3: 灰黄-灰褐色砂砾石,分选差-中等,显示不连续层理,砾石多次棱角状,砾径以 2~10 cm为主。

2-4: 灰白-灰黄色砂质黏土透镜体,厚0~0.2 m。

2-5: 灰色砂砾石,分选差。

3-1: 灰白-灰黄色细粉砂及砂质黏土,厚0~1.5 m;该层中取得2个14C样品(均为单体的木炭碎屑),测年结果分别为>43 500 a (样品编号HUAIAN-C-07)和(42 280±400) a (样品编号 HUAIAN-C-08),HUAIAN-C-07样品可能为更早时期形成的木炭经后期搬运后沉积于该层中,因此年龄偏老,HUAIAN-C-08可更好的代表该层的年代,即42 ka左右,为晚更新世中晚期。

3-2: 灰黄色砂砾石,分选差-中等,显示较好层理,砾石多次棱角状,砾径以2~10 cm为主。

4-1: 灰白-灰黄色砂质黏土夹砂层,厚0~2 m。

4-2: 灰黄色砂砾石,分选差-中等,显示较好层理,砾石多次棱角状,砾径以 5~10 cm 为主,层厚不稳定,向下游增厚,向上游尖灭。

5-1: 灰白-灰黄色砂质黏土,为一透镜体,向下游尖灭,厚0~2 m; 该层中取一ESR样品(样品编号HA-32),经测试,年龄为(97±13) ka,为晚更新世早期。

5-2: 灰黄色砂砾石,分选差-中等,显示较好层理,砾石多次棱角状,砾径以 2~10 cm 为主,个别可达0.8 m。

6: 灰褐色砾石层夹砂层及黏土层,分选中等,层理较好。

7: 花岗岩。

(2)断层位错量和断层滑动速率

①断层位错量

表1为断裂各分支断层对不同层位的垂向位错量。需说明以下几点: ①由于各分支断层的倾角不同,还有f6的倾向与其它断层相反,同一断层上、下倾角也有变化(如 f2-2),因此,所有量取的位错量均为垂向位错量。②从剖面上量取的各断层对层5-1的直接位错量的和为5.75 m,但由剖面可见,层5-1地层明显向南倾斜,说明断层活动不仅造成层5-1的直接断错,还使该层产生掀斜,因此各断层对该层的累计位错量需考虑掀斜因素; 从断层带北盘(f1北侧)至断层带南盘(f6南侧)之间层5-1的落差为13 m,考虑地层沉积时的原始坡角(取为3°),得出层3-1的累计位错量为11.8 m。③层2-2和层2-4也应被f2-2断错,但由于层2-2和层2-4在f2-2北盘缺失(应被后期侵蚀),因此f2-2对层2-2和层2-4的断错量根据f2-1和f3-1对3-1顶面断错量的比值推断为0.3 m(取f2-2对层2-2和层2-4的断错量的一半)。

由表1可见断裂位错量具有两个明显的特点。一是各地层总的位错量随层位的向下逐次加大,反映了断裂活动的多期性; 二是同一层位(如层 5)在各分支断层点上的位错量由北向南增大,反映断层活动有由北向南迁移的趋势,层 5形成以来主要的位错量发生在断裂南部的一组分支断层(f3至 f6)上。

②断层滑动速率

根据剖面中层 5-1的位错量(11.8 m)和该层的年龄(97 ka)可得出断裂的滑动速率为 0.12 mm/a,该值大致代表了断裂晚更新世以来的平均滑动速率。

(3)古地震事件①事件的识别

剖面上可识别出 3次可靠的古地震事件。由图4可见,f3-1分别断错层2之2-2和2-4两黏土夹层0.65 m和0.7 m,断错层3-1黏土层顶面1.3 m,层3-1黏土层错动量恰好是层2-2和层2-4两黏土夹层错动量的2倍。由此可以合理推断,层2-2和层 2-4的断错由一次事件造成,层 3-1的断错由2次事件造成,也就是说,末次事件(记为事件A)造成层 2及其以下的地层发生断错,倒数第二次事件(记为事件B)断错层3及其以下的地层,但没有断错层 2(至少没有断错层 2-1至层 2-4)。由表1可见,层4-1顶面的总位错量为3.5 m,层3-1的总位错量为2.65 m,说明层4-1形成之后、层3-1形成之前也有一次古地震事件(事件C)。

另外,层5-1的总位错量远大于层4-1的位错量,说明层5-1形成之后、层4-1形成之前还应有多次古地震事件。但由于缺少可靠的标志,难以识别出具体的一个个事件来。

②事件的年代

事件A断错了层2,层2中有2个ESR测年结果,其中在层 2-1砂砾石(其中较细粒的中细砂)的测年结果为(38 000±3 800) a,在层2-2砂质黏土中的测年结果为(36 000±5 000) a,因此,末次事件的年代应小于(36 000±5 000) a; 同时,末次事件没有断错层 1,在靠近层 1-5底部的 14C测年结果为(20 270±80) a。末次事件的年代应介于(20 270±80) a和(36 000±5 000) a之间,取中间值28 000 a作为事件 A 的年代,误差范围取为±8 000 a,即(28 000±8 000) a。

表1 TC-2探槽各分支断层对不同层位的垂向位错量/m
Table 1 Vertical dislocation amounts of branched faults in TC-2 trough in different layers/m

注: *根据f2-1和f3-1对3-1顶面断错量的比值推断的位错量,取f2-2对层2-2和层2-4的断错量的一半; **考虑断层活动对层f3-1造成的掀斜作用和地层原始自然倾斜,层5-1的总位错量取为11.8 m。

断层 层2-2顶面 层2-4顶面 层3-1顶面 层4-1顶面 层5-1顶面 层6顶面f1 0.32 0.85 2.8 f2-1 1.10 1.20 f2-2 0.30* 0.30* 0.65 0.65 0.95 5.0 f3-1 0.65 0.70 1.30 1.05 1.25 f3-3 0.20 0.20 0.40 f4 0.20 0.20 0.20 f5-1 0.20 0.20 0.30 0.20 0.40 f5-2 0.20 0.20 f6 0.30>2.5累计 1.15 1.20 2.65 3.82 11.8(5.75~13)** >10.3

事件B断错了层3,层3顶部的3-1砂质黏土中 HUAIAN-C-08号样品的14C测年结果为(42 280±400) a; 事件B未断错层2-1至2-4,其中层2-2中的ESR测年(36 000±5 000) a,因此事件年代应小于(36 000±5 000) a。考虑到HUAIAN-C-08号样品靠近事件B断错层位的顶部,将事件B的年代确定为 40 000 a,其误差范围取为±2 000 a,即(40 000±2 000) a。

事件 C,由于没有获得有效的测年数据,其事件年代尚不能确定。

③同震位移

根据表1及古地震分析,TC-2剖面图中层2-2顶面的位错量为1.15 m,代表最新一次事件的同震位移,层 3-1顶面的位错量为 2.65 m,代表最新和次新 2次事件的同震位移,层4-1顶面的位错量为3.82 m,代表3次事件的同震位移,每次事件的平均位错量约为1.3 m。

2.3 TC-3探槽

位于东洋河河口西约1.8 km处另一较大冲沟西侧一级洪积扇上的采砂坑内,开挖深度约 30 m,经过对采砂坑西壁清理揭示出断层(图5)。在采砂坑内该断层点向东约 15 m,即开挖出了基岩断面,倾向170°,倾角 70°左右,并在坑内形成一个高陡坎,表明图5所示的断裂即为怀安盆地北缘断裂的主断裂。

(1)剖面地层岩性

剖面所揭示的第四纪地层从上到下可分为5层,其中层1和层4又可划分出2~3个次层。各层及次层岩性描述如下:

层1为近地表的洪积、风积成因的砂砾石、古土壤和黄土的组合,可分3个次层:

1-1: 灰色砂砾石,发育良好的近水平层理,厚3~4 m。

1-2: 黄褐色古土壤,夹砂砾石薄层及透镜体,厚 3~4 m; 在其底部 14C测年(样品野外编号HUAIAN-C-12)结果为(8 430±40) a,属全新世早期。

1-3: 风成黄土,质均匀,无层理,厚度3 m左右;该层可与TC-2中的1-5层位对比,属晚更新世晚期。

2: 灰黄-灰褐色砂砾石,分选差,显示一定层理,局部有砂透镜体,砾石多次棱角状,砾径以2~10 cm为主,大者可达1 m,厚2~3 m。

3: 灰黄色砂砾石,分选差-中等,显示较好层理,砾石多次棱角状,砾径以 2~10 cm为主。顶部有一层灰白-灰黄色细粉砂及砂质黏土,其中取得1个14C样品(碳屑,样品编号HUAIAN-C-11),测年值为(41 310±410) a,可与TC-2中的层3对比。

4-1: 灰白-灰黄色砂质黏土夹砂层,厚 2 m 左右。

图5 东洋河河口西1.8 km处TC-3探槽剖面图
Fig.5 Profile TC-3 at 1.8 km west of the mouth of Dongyang river

4-2: 灰黄色砂砾石,分选差-中等,显示较好层理,砾石多次棱角状,砾径以 5~10 cm 为主,层厚不稳定,向下游增厚,向上游尖灭。

5-1: 灰褐-黄褐色砂质黏土,富含有机质,厚1.0 m左右。该层中取得1个14C样品(碳屑,样品编号HUAIAN-C-9),测年值为>43 500 a。与TC-2剖面相比,该层层位与TC-2中的层5-1相当,时代应为晚更新世早期。

5-2: 灰色砂砾石,砾石多为次棱角状,砾径以2~10 cm为主,分选差-中等,显示较好层理。

(2)断层位错量

TC-3探槽中断裂由3条近垂直的断层组成,均表现出南盘下降,其中 f1断距较小,略倾向 N,断错了层3底部及以下地层,层3中上层及以上地层未见错动,其中层5顶面的断错量约为0.5 m; f2略倾向 S,断距较大,断错了层 2及以下地层,其中层3顶面的断错量约为2 m,层4顶面断错量约为2.5 m,层5顶面约为2.5 m; f3断层近于垂直,断错了层5以下地层,但没有断错层4及以上地层。由于断层活动还使 3条断层之间的地层发生掀斜,考虑掀斜造成的位移量,3条断层两盘各地层总的垂向位移量估计为: 层3顶面,2 m; 层4顶面,3 m; 层5顶面,>4 m(f3对层5的断错量不明)。

与 TC-2探槽剖面相比,该剖面中各地层的位错量大体相当,是对TC-2剖面的印证。

(3)古地震事件

断裂对层2以下地层的断错量随地层层位向下而增大,反映出断裂多次、粘滑式断错的特点。TC-3大致能识别出3次地震事件。最老一次事件的标志是f3断错层5,但没有断错层4-2; 次新事件的标志是f1与f2左侧分支断错了层3下部,但没有断错层2; 最新事件的标示是f2右侧分支断错层2,但没有断错层1。TC-3探槽所反映的情况与TC-2相似。

3 讨论与结论

3.1 关于地貌单元和第四纪地层的定年

地貌单元和第四纪地层的定年直接关系到分析结果的可靠性。本文通过高精度卫片分析和野外调查,对山前洪积扇及河流阶地进行了对比和划分,采集、测试了多个年代样品,并与古气候历史进行对比,进而对不同地貌单元的时代进行了划分。

怀安盆地北部山前洪积扇广泛发育,可分为Fan1、Fan2和 Fan3等 3级,时代分别为全新世、晚更新世晚期和晚更新世早期。

三级洪积扇(Fan3)主要分布于山前盆地后缘一带,单个洪积扇短而宽,呈倒三角形,因水流切割,扇面一般保存不好,呈较破碎的梁峁状。Fan3与Fan2的相对高差在扇顶部位为5 m左右,向下游逐渐减小,并被Fan2等新洪积扇覆盖。其表面常加积较厚的风成黄土。在杏沟Fan洪积扇剖面上进行了ESR年代样品采集与测试,测试结果分别为(102±13) ka (样品编号 HA-10)、(79±10) ka(样品编号HA-11)和(67±8) ka(样品编号HA-12)。根据测年结果、洪积扇的分布特点、沉积物特征和与其它洪积扇对比情况判断,其形成时代为晚更新世早期。

二级洪积扇(Fan2)分布最广,从近山脚的 Fan3前缘至盆地中心地带的西洋河河谷之间广泛分布,扇面较平坦,多被辟为耕地。Fan2与北部的 Fan3洪积扇之间边界落差并不明显,在东洋河村一带,Fan2洪积扇与洋河 T2阶地逐渐交汇为一体,开挖揭露的 Fan2洪积扇剖面显示,洪积物主要为次棱角状砂砾石层。在东洋河村北探槽中对应Fan2洪积扇的地层进行的年代测试结果表明,其从下到上测年结果依次为>43 500 a (样品编号HUAIAN-C-07)、(42 280±400) a (样 品 编 号 HUAIAN-C-08)、(36±5) ka (样品编号 HA-33)、(38±3.8) ka (样品编号HA-34)、(20 270±80) a (样品编号 HUAIAN-C-05)等。根据以上测年结果,Fan2的形成年代为晚更新世晚期。

Fan2顶部常覆盖有一层黄土,厚度可达5 m。在TC-2探槽剖面上该套黄土层靠近底部的14C测年结果为(20 270±80) a (样品编号 HUAIAN-C-05)。这一结果与古气候中的LGM(末次冰期冰盛期)恰好对应,目前LGM出现的年代多采用21 ka BP (王绍武和闻新宇,2011; 倪志云等,2011; 肖华国等,1998)或26.5—19.0 ka BP (Clark et al.,2009)。这一对应关系也为 Fan2形成时代提供了气候方面的佐证,同时,该黄土层在TC-2和TC-3探槽剖面中均有发育,为剖面中地层的年代确定提供了依据。

一级洪积扇(Fan1)分布面积较小,一般呈条带状发育于冲沟两侧,由冲沟低阶地堆积物构成。剖面上Fan1洪积扇上部发育了一层或两次层古土壤。在断裂东端附近相应古土壤中 14C(样品编号HUAIAN-C-01)测试结果为(4 630±40) a。在 TC-1剖面取得14C样品HUAIAN-C-03、HUAIAN-C-04,测试结果分别为(5 930±40) a 和(6 120±50) a,在TC-2剖面古土壤底部的14C测结果为(8 430±40) a,因此Fan1的形成时代为全新世。Fan1上部地层中发育的古土壤,相当于中国北方黄土—古土壤系列中的全新世古土壤层(S0)(温金梅,2010),与中国全新世大暖期的时代(施雅风等,1992; 王书兵等,1999; 范淑贤等,2007)相当。该古土壤层在TC-1和TC-3剖面中均有发育,也为剖面中地层的年代确定提供了参照。

3.2 断裂的活动性时代

TC-1、TC-2和TC-3中断层均未断错全新世地层,特别是TC-1和TC-3清晰显示出覆盖于断层之上、厚度大于10 m的地层在断层两侧连续完整,未被断层断错。在TC-2和TC-3中断层断错了第四系下部层位,断错的最新地层为TC-2和TC-3中的层2,时代属晚更新世晚期。因此可以确定断裂的最新活动时代为晚更新世晚期。这一结论与前人的认识(方仲景等,1994; 徐锡伟等,2002; 邓起东,2007)基本一致。

3.3 断层滑动速率

根据 TC-2探槽得到的断裂晚更新世以来的平均滑动速率为0.12 mm/a,同时TC-3中相同层位的位错量可与 TC-2对比,因此怀安盆地北缘断裂中段晚更新世以来平均滑动速率为 0.12 mm/a。这一速率与前人在本地区相关断裂的滑动速率大体相当,如张家口断裂西段(>0.1 mm/a)、洗马林断裂(0.1 mm/a)和万全盆地北缘断裂(0.08 mm/a)(徐锡伟等,2002; 周月玲和尤惠川,2010; 周江林等,2015)。

3.4 古地震及同震位移

根据TC-2和TC-2剖面分析结果,断裂上发生过多次产生地表破裂型的古地震事件,其中最后两次事件分别发生于距今约40 ka和距今约28 ka。

关于同震位移,根据TC-2探槽,层3-1顶面的位移量为2.65 m,代表了断裂上最后2次古地震(事件A和事件B)的同震位移之和,平均单次事件的同震位移1.3 m; 事件C的位错量应为层4-1位移量(3.82 m)和层3-1位移量(2.65 m)之差,为1.17 m。TC-3探槽中与TC-2对应的层3-1顶面的位错量约为2 m,比TC-2中的略小。鉴于TC-3剖面中层3-1及其上覆地层在断裂北盘出露不够完整,与 TC-2探槽中的事件难以对比。

3.5 断裂的地震危险性

关于该断裂可能的地震震级,根据 Wells and Coppersmith(1994)的震级与平均同震位移的统计关系MW=6.78+0.65lg AD(MW为矩震级,AD为平均同震位移),以 1.3 m 作为平均同震位移,可得出MW=6.9。根据邓起东等(1992)给出了震级与断裂长度之间的经验关系式M=6.11+0.86lgL(L为断层长度,取 14 km),可得出 M=7.1。二者结果接近,由此估计该断裂段发生地表破裂型地震的震级为7级。

断裂晚更新世以来平均滑动速率 0.12 mm/a,假定断裂每次地震产生的同震位移相同,均为1.3 m(如前所述,这一值与断裂的规模及地震震级是匹配的),可估算出平均地震重复间隔为 11 ka。根据 TC-2剖面分析结果,末次古地震事件的发生已距今 20 ka前,已超过平均重复间隔,因此该断裂段具备发生地表破裂型地震的现实可能性,应对其危险性引起重视。

致谢:本文得到了中国地震局地质研究所邓起东院士、徐锡伟研究员、汪一鹏研究员、“中国地震活断层探察-华北构造区”项目组和本文审稿专家的指导和帮助,文中14C样品和ESR样品分别由Beta Analytic Inc实验室(美国)和中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室测试,作者对以上帮助和支持表示衷心感谢。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China (No.2017YFC0404901),and Special Research Fund for Seismology (No.200908001).

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