研究背景

1.开展防震减灾工作的现实需要

已有震例和大量研究表明，强震的发生与活动断层息息相关，活动断裂的研究是开展防震减灾工作的基础。贺兰山西麓断裂位于我国南北地震带的北段，也是阿拉善活动地块和华北活动地块之间的边界构造。该断裂展布于贺兰山西麓的洪积扇上，断裂全长近90千米，走向近南北，从阿拉善左旗穿城而过，向东距宁夏自治区首府银川市不足40千米（图1）。该断裂向西逆冲，断错了多级洪积台地，形成醒目的断层陡坎地貌，全新世曾发生过多次古地震事件，是一条可发生7级以上地震的全新世活动断裂。

然而，尽管该断裂具有较明显的逆冲特征，但其平直的地表形态和逆冲型断裂并不相符，加之探槽揭示了一些花状构造，个别正断层露头的存在，种种迹象表明其可能为走滑型断裂，或至少兼走滑运动性质。但是，该断裂走滑证据尚不充分，除断裂北段有一小背斜似乎具左旋特征外，并无其他确凿的走滑证据。可见，该断裂的构造变形方式复杂，有可能是一条不同寻常的特殊断裂，目前的工作尚不足以揭示其真实运动特征。另外，前人的研究只揭示了古地震事件，并未获得古地震复发周期和离逝时间等参数。

因此，不论考虑贺兰山西麓断裂的构造和地理位置的重要性，还是考虑断裂本身的特殊性和复杂性，该断裂在防震减灾工作中都应予以高度重视和密切关注，并深入开展相应的研究工作。

2.极其重要的理论研究价值

众所周知，贺兰山东麓为一条活跃的正断层，控制了银川断陷盆地的西边界，并发生了1739年平罗8级地震，显示着地壳的拉张伸展。而贺兰山西麓却表现为逆冲并可能兼有走滑，反应了地壳的挤压缩短。从贺兰山两侧断裂活动规模、持续时间以及对地貌的控制来看，贺兰山东麓断裂应具主导地位。两条断裂间距20～80千米，在如此小的范围内，同一山体的两侧却发育了两种性质截然不同的断裂构造。这种在同一山体的两侧，以正断层为主、逆冲断层为辅的组合模式极为罕见。另外，从更广的构造背景看，华北地块和阿拉善地块均以岩石圈的伸展变形为主要特征，其内发育一些兼有走滑的正断裂和系列断陷盆地，鲜有逆冲型断裂。可见，贺兰山西麓逆冲断裂的存在和以往诸多认识不符，可能是一类全新的构造现象。

若仅从引起贺兰山西麓断裂挤压变形的动力来源考虑，则有两种可能模型用于理解贺兰山西麓逆冲断裂的存在（图2）。其一：动力来自于贺兰山内部，即贺兰山的掀斜式隆升发展到特定阶段而在西麓引起的一种内部调整，可能由于贺兰山体向西侧的侧向挤压，也可能由于深部的抬升作用，引起贺兰山西麓的逆冲兼左旋走滑运动；其二：动力源来自贺兰山西侧阿拉善块体的挤压，挤压作用受到贺兰山的阻挡，并在贺兰山西麓断裂引起逆冲兼右旋走滑运动，而东麓仍保持正断层活动，而这种挤压作用可能和青藏高原向外推挤作用密切相关，可能是青藏高原远程效应的结果。

因此，对贺兰山西麓断裂的研究可能会从根本上改变人们以往的一些认识，不论是对贺兰山隆升模型的完善，还是研究对青藏高原的远程效应的响应，均具有非常重要的理论意义。

研究目标、研究内容、技术路线

1. 研究目标

本研究首先以确定该断裂的走滑性质为切入点，拟通过野外调查、大比例尺地质填图、微地貌测量、槽探及测年等手段，确定断裂的走滑性质、滑动速率和古地震复发周期及离逝时间，分析新老地层变形、断裂破裂样式、及地貌面变形等方面的特征，总结断裂晚第四纪构造变形特征和机制，构建贺兰山隆升模型，探讨该断裂对青藏高原推挤作用的响应。

2.研究内容

（1）贺兰山西麓断裂水平运动性质的研究

确定贺兰山西麓断裂的走滑属性是本项研究的首要任务。前人研究和多次野外考察表明，尽管贺兰山西麓断裂具有平直的几何形态，但其走滑现象似乎并不显著。前人研究认为该断裂具左旋走滑性质，但是该断裂之南与其斜列的三关口断裂被我们近期研究证实其为右旋走滑。另外，区域GPS速度场显示阿拉地块和鄂尔多斯地块之间存在明显的右旋走滑。因此，该断裂走滑性质的确定对分析该断裂的动力学背景，构建贺兰山隆升模型以及探讨青藏高原的远程效应具有重要意义。而且，后续研究的开展必须建立在对该断裂滑动属性的正确认识之上。

（2）贺兰山西麓断裂晚第四纪古地震研究

在地震分析预报中，基于地震目录进行统计分析是常用方法。但是由于板内强震复发的周期远大于有记载的历史地震时间，这种方法具有一定的局限性。活动断裂的古地震研究，则能增长地震目录的时间尺度，能揭示在万年尺度内强震复发的规律，可弥补历史地震目录和现代地震目录时间尺度上的不足。活动断裂上古地震的发生具有一定的间隔，一次古地震发生之后，由于断层错动，会在地表形成破裂带和断层陡坎，在两次地震之间，这些地表破裂的形迹和陡坎在各种自然界的外营力作用下发生演化，在适当的条件下会在断层附近保留相应的事件沉积物。古地震研究就是在断裂陡坎的合适位置，通过探槽开挖（图3），揭示断裂错动的事件层，并通过地层测年技术，来限定古地震发生的时间。如能获得断裂上多个古地震发生的时间，那么就能总结断裂带上强震发生的规律，根据古地震复发周期和离逝时间可对活动断裂的地震危险性做出中长期预测和评估。

（3）新老地层及不同地貌面变形特征的研究

一条复杂的断裂除断裂本身的错断变形外，对其附近的地层也会产生影响。如果仅从活动构造的角度研究贺兰山西麓断裂的活动特征，则在时间尺度上过短，所揭示的构造演化也不全面。断裂附近的老地层因为受到较长时期的构造作用，其变形幅度较明显，保留的构造变形信息也较多，反应了受到断裂影响的长期趋势；而新地层及地貌面的变形反应了断裂短期的作用结果，是断裂正在发生的构造变形作用的体现。通过对这两者的对比，可以分析断裂构造变形的方式，了解构造演化的过程，能更完整地反应断层两侧地层的构造变形特征。特别是对新生代地层变形的研究，可结合区域上前人建立的新生代地层时间标尺，探讨构造变形发生的大致时间。

（4）贺兰山西麓断裂晚第四纪滑动速率的研究

活动断裂的滑动速率，是进行地震危险性评价和探讨动力学背景的重要量化参数，其重要性不言而喻。贺兰山西麓断裂上发育醒目的断层陡坎，表明其不但具有水平运动，还兼有垂直运动。对垂直滑动速率的获取，主要通过选择多处发育多级台地、并被断裂错动的场点。不同台地累积了不同时期的断层位移，台地越高经历的断错次数越多，累积的位移也越大。通过差分GPS测量获得各级台地的陡坎位移，利用地层测年技术获得台地面近似形成年龄，由多个台地的位移和时间约束，获得断裂的平均垂直滑动速率。断裂的水平滑动速率的获取主要通过测绘跨断层冲沟的位错和台地面的形成年龄来限定。为减少速率估算的不确定性，在断裂的不同位置选择场点进行研究。

3.技术路线

根据研究现状和预期目标，在项目实施中，遵循“先易后难，由已知到未知”的原则。具体工作思路为：首先开展详细的航卫片解译工作，编制贺兰山西麓断裂的遥感解译分布图，为野外工作提供依据；之后，开展野外地质调查，并在关键部位开展大比例尺地质填图，查清断裂分布、运动属性，以及断层附近褶皱变形特征；选择典型场点进行槽探和微地貌测量，并进行地层年代样品测试，获得断裂活动时代、古地震期次及滑动速率；分析断裂和其附近褶皱间的关系，通过区域地层对比初步认识断裂的构造演化历史。最后，综合分析资料，查漏补缺，总结成果，实现项目目标。

在研究方法上，仍然采用航卫片解译、地质调查、大比例尺地质填图、槽探、微地貌测量技术、第四系测年技术等相对成熟而有效的活动构造研究方法和技术。

（1）高分辨率航卫片解译

由于所涉及地区人烟稀少、植被覆盖稀疏，在前期研究工作中要充分利用现代遥感资料优势。在研究中将对已经拥有的大比例尺航空照片和高分辨率的卫星影像等资料进行详细的构造解译，为现场野外工作提供依据。因此，航卫片解译的详细和准确程度对野外工作计划的制订和实施非常重要，是取得良好研究结果的开端。

（2）关键构造部位大比例地质填图

大比例尺地质填图是地质工作中最基础但也是最有效的研究方法。填图对象是关键地区的新生代地层和构造，基本不涉及前新生代地层和构造；注重对第四纪地质和地貌的研究和表述；不严格控制观测点，根据研究目标，灵活采用追索、穿越、稀疏相间、详略结合的方法；只对关键的重点地区进行填图，例如断裂附近新生代褶皱区、多条断裂相交的构造转换区、显示断裂走滑总位移的重要地层分界。

（3）槽探和地貌测量技术

槽探是一种传统的地质勘探手段，在研究断裂最新活动时代、性质、古地震期次以及同震位移等方面有独特的优势。在探槽开挖时力求“选位合理、工作细致、采样科学、事件可靠”。选择在断层结构单一、地层沉积稳定连续、具备采集样品的条件且经历多次古地震的断层陡坎上开挖探槽。探槽大小应满足研究要求，开挖后对探槽剖面进行数字摄像、拍照和拼接1m×1m的镶嵌照片图，并现场素描。地层划分和岩性描述力求客观翔实，古地震事件的分析要准确可靠，年代样品采集要系统并严格按照有关采样规范进行，应多采集备份样品。

地貌测量常和探槽相结合。在典型地段利用差分GPS、全站仪测量绘制大比例尺地形图，获得精确的断层断错位移，并采集年代样品。大范围的断层陡坎测量和水系错断位移可用高精度测距仪和皮尺配合测量，但必须多次测量，求其平均值。

（4）第四系年代测试技术

主要应用于对断裂活动性鉴定、地貌面的分期、古地震事件的限定、滑动速率的求取及其他构造事件时间的限定，对实现活动断裂的定量研究具重要意义。针对研究区山前洪积地层和地貌的特点，为获得可靠的年代数据采用多种测年手段联合对比的方法，尽可能减少样品采集中的不确定性因素，并选择最佳的适合该地区的测年样品和测年方法，来达到精确定年的目的。校正和分析已有的测年资料和测年结果的精度和可靠性，提高滑动速率计算的精度。本次研究中采用光释光测年方法（OSL）、14C定年方法、宇宙核素暴露测年法（图4）。根据以往研究经验，这三种方法相互补充，是较为适宜的测年方法。

成果总结与应用

本项研究取得以下几点新认识和新发现

（1）关于贺兰山西麓断裂运动性质的新认识

前人研究表明贺兰山西麓断裂是一条逆冲兼有左旋走滑性质的活动断裂。本次研究，通过对第三系地层褶皱和断裂的关系、冲沟的同步扭动、主断裂附伴次级节理等方面的详细研究工作，排除了该断裂左旋走滑的可能，获得了该断裂为右旋走滑的新认识。

（2）关于贺兰山西麓断裂全新世古地震的新认识

前人对贺兰山西麓断裂开展了古地震研究，但遗憾的是测年结果不理想。在一级阶地上开挖的探槽，所限定的古地震事件发生在全新世之前，其结果可能偏老。本次研究，在小苏海图紧邻前人探槽开挖新的探槽，并采集了14C样品和光释光样品。确定三次古地震事件，确定了贺兰山西麓断裂晚第四纪古地震复发周期接近5000年，离逝时间已接近复发周期，该断裂未来地震危险性值得关注。

（3）关于贺兰山西麓断裂对青藏高原远程响应时间的新认识

青藏高原隆升的远程效应对周边地区产生了显著影响，然而，关于周边地区响应青藏高原远程效应的时限问题，却多有争议。本项目通过对贺兰山西麓断裂附近的新生代地层变形和断裂活动的关系研究，结合前人最新确定的宁夏及邻区新生代地层的时代标尺，发现在上新世末青藏高原的扩展影响到贺兰山西麓地区，并引起了新生代地层的褶皱变形和断裂的右旋走滑运动，导致了贺兰山西麓也开始抬升。这一认识对研究和讨论本区域的大陆动力学问题具有重要意义，特别是为讨论青藏高原的扩展提供了一个新的证据。

本项目在验收时被专家评为优秀，所开挖古地震探槽已连续4年作为中国地震局地质研究所硕博士生野外实习的一个教学点，有关资料成果供师生教学使用。探槽研究结果选为地震行业标准（活断层探察 探槽）中的一个成功案例示范。项目在2017年获得宁夏回族自治区防震减灾优秀成果奖一等奖。在项目的资助下，项目负责人获得博士学位，项目的研究内容作为其博士论文的重要组成部分。