任治坤 張竹琪 陳 濤 王偉濤

1)中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2)中國地震局地殼運動監(jiān)測工程研究中心，北京 100036

0 引言

活動構造研究中最主要的內容之一就是斷層滑動速率的確定，滑動速率是量化斷層活動性的重要參數(shù)，可以為地震危險性評價、震災防御和建筑物設防級別等提供參考。斷層滑動速率還是研究地殼變形的重要參數(shù)之一，比如對青藏高原的研究，研究者根據(jù)各自得到的不同的斷層滑動速率，提出了不同的變形模式:在主要邊界斷層上獲得低滑動速率的研究者大多支持連續(xù)變形模式(Molnar et al.，1975;England et al.，1988;Zhang et al.，2004);而在主要邊界斷層上獲得較高滑動速率的研究者大多支持剛性塊體變形模式(Peltzer et al.，1988;Tapponnier et al.，2001a)。早期研究顯示，青藏高原地區(qū)主要活動斷裂上的滑動速率達到20～30 mm/a(Peltzer et al.，1989;van der Woerd et al.，2002;Mériaux et al.，2004，2005)，從而認為青藏高原應以剛性塊體變形模式為主，應變主要被塊體邊界斷裂所吸收。近期基于階地演化與斷裂位錯分析，對前人的研究結果進行了重新分析表明，青藏高原主要大型活動斷裂的滑動速率一般不超過10mm/a(Cowgill，2007;Zhang et al.，2007;張培震等，2008;Gold et al.，2009)，從而支持青藏高原應以連續(xù)變形模式為主，邊界斷裂只吸收了部分應變。由此可見，斷層滑動速率對于區(qū)域構造格局的認識有本質影響。

近年來，隨著各種測年技術的發(fā)展，例如:常規(guī)14C測年、加速質譜儀14C測年(AMS)、熱釋光、光釋光以及宇宙成因核素等，測年精度有了極大提高，測年最小年限可以達到千年甚至百年。由于全新世地質體經(jīng)歷時間較短，保存較為完好，為野外測量與識別提供了方便，從而使得在活斷層調查中利用全新世地質體獲取滑動速率的應用越來越廣泛。全新世地質體所經(jīng)歷時間較短，累積位錯量與其對應年代的準確度會對滑動速率的計算有明顯影響，較小的年齡誤差就會造成較大的滑動速率偏差。走滑斷裂滑動速率受側向位移影響很大，在滑動速率計算中更應謹慎處理。在走滑斷裂滑動速率的計算中，地質體實測年齡與實際累積位錯時間不匹配會使速率計算結果產(chǎn)生不確定性，其來源主要有2個:1)累積位移時間是否與所測地質體年代相符合;2)地質體位移形成過程中所受到的侵蝕。本文從全新世年輕地質體(1ka甚至0.1ka)的角度出發(fā)，針對利用全新世地質體測定斷層滑動速率的方法中的不確定性進行探討，并對側向位移的影響進行量化分析。

1 斷層滑動速率獲取的手段

斷層滑動速率指的是斷層兩盤相對運動在某一時間段內的平均速度(丁國瑜，1982，1993;Wallace，1987;鄧起東等，2002;張培震等，2008)，是斷裂帶上應變累積速率的表現(xiàn)之一，經(jīng)常被作為斷裂地震危險性評價的重要參考(Molnar，1979;聞學澤，1991，1993;Field，2007)。目前斷層滑動速率主要是利用主要地貌面的總位移量與累積時間的比值來獲得，地貌面的位移量一般由階地位錯量或者代表階地位錯的沖溝、階地陡坎的位錯來獲得(隨著野外測量技術的發(fā)展，標志物距離的測量誤差可以忽略，主要問題來源在于不同人對位錯標志物的認定存在較大差異，由位錯量測量誤差以及標志物認定差異而導致的滑動速率偏差不在本文討論范圍之內);位錯累積時間一般由地質體實測年齡獲得。階地演化分析表明，利用對應階地的位錯及其上下限年代即可獲得對應的滑動速率(Cowgill，2007;Zhang et al.，2007;張培震等，2008;Gold et al.，2009)。上述方法需要確定斷層位錯的起始時間，在接近萬年甚至更長時間尺度上所得結果會較為準確，但是對千年甚至百年尺度的地質體來說，隨著時間尺度的減小，所獲取的滑動速率受側向位移的影響會逐漸增大。因此，利用全新世地質體獲取斷層滑動速率的方法需要仔細分析側向位移所帶來的不確定性。

假設斷裂真實滑動速率不變，那么可以根據(jù)以下公式計算滑動速率:

式(1)中:Rc為斷層滑動速率，D為位錯量，T為地質體發(fā)生位錯的年齡。從式(1)可見，所計算的滑動速率與樣品采集時地質體的年齡相關，如果地質體年齡與位錯量不匹配，則會造成滑動速率偏離實際情況。通常情況下，地質體的年齡與其位錯間的匹配性并沒有得到應有的重視。

2 斷層滑動速率不確定性分析

利用河流階地位錯來獲得滑動速率是活動構造研究中非常普遍的情況，對于走滑型斷裂來說尤其重要。如圖1所示，T0/T1階地陡坎在持續(xù)接受河流侵蝕、沖刷，因此，其位錯較難保存。但是，當最后一次地震事件距今很近的情況下，河流還未將T0/T1階地陡坎侵蝕掉，或者強震復發(fā)周期很短，每次地震事件以后，河流均難以將同震位錯量完全侵蝕掉，從而在T0/T1階地陡坎上保留下位錯證據(jù)(Cowgill，2007)。如果野外考察不仔細進行分析，那么，利用這一最新階地陡坎位錯與年齡來計算滑動速率，將會得到錯誤結果。因此，只有盡量選取階地陡坎位錯形成后未遭受河流侵蝕作用的累積位錯量及其對應年齡，才能獲得較為準確的滑動速率結果。

圖1 走滑斷裂帶河流階地與位錯演化示意圖Fig.1 Block diagrams showing plausible sequence of terrace offsets by strike-slip faulting.

在階地發(fā)育較好的地點，由于老階地陡坎均在其Ⅰ級階地(T1')時期接受河流沖刷，實際累積位錯量會被侵蝕、沖刷掉一部分，但是在階地成為Ⅱ級(T2')及其以上的高級階地以后，由于其與河床之間分布了Ⅰ級階地，高階地陡坎不再接受到河流侵蝕沖刷，保存的位錯量更能代表強震累積位錯量(圖1)。因此利用高級階地面自從Ⅱ級階地形成(比其年輕的Ⅰ級階地已經(jīng)離水)以后再累積的位錯量與對應時間計算可得實際滑動速率值，即利用高－低階地累積位錯量之差與其對應階地年齡差(差值法)來計算滑動速率，在每級階地拔河高度近似呈等差分布，且側向位移較恒定的理想狀況下，可以從一定程度上減少上述2種因素對滑動速率的影響。在各級階地拔河高度不呈等差分布情況下，可以利用各級階地年齡及其相應拔河高度對T2以后位移累積時間進行推算，本文對此情況進行簡單的理論分析。根據(jù)階地演化模式分析可知，側向侵蝕主要發(fā)生在T1階地時期，在T2階地形成后，即不再接受側向侵蝕，則可以根據(jù)T1和T2階地拔河高度、年齡推算T2階地不接受側向侵蝕的年齡。

假設滑動速率為R，側向侵蝕速率為E，T1階地年齡為TT1，拔河高度為HT1(圖2)，野外測量累積位移量為DT1，實際累積位移量為DT1c;T2階地年齡為TT2，拔河高度為HT2，野外測量累積位移量為DT2，實際累積位移量為DT2c;以此類推，Tn階地年齡為TTn，拔河高度為HTn，野外測量累積位移量為DTn，實際累積位移量為DTnc;則Tn階地上接收側向侵蝕年齡為

實際累積位移量為

滑動速率計算公式即為

在式(4)中，要解2個未知數(shù)E與R，需要已知3組階地位錯量、年齡和拔河高度等數(shù)據(jù)。如果所計算的側向侵蝕速率E大于平均滑動速率R，則說明在T1階地上較難累積位錯;如果野外實際測量T1階地上保留了部分位錯，則說明為最近地震事件同震位錯，或者實際情況與本文介紹的階地形成模式不符，不能利用式(2)～(4)計算滑動速率及側向侵蝕速率。如阿爾金斷裂阿克塞野外點，其T1階地拔河高度為3m，階地年齡為2.2ka，T2階地拔河高度為5m，階地年齡為6.5ka，而T2'階地拔河高度為8m，階地年齡為9ka，但是階地陡坎T2/T1位錯量達145m，階地陡坎T2'/T2位錯量為 165m(圖 2)(Mériaux et al.，2005)。由此可見，其階地年齡、拔河高度及位錯量數(shù)據(jù)之間不匹配，此類位錯點不適用上述計算方法。此時可通過差值法，即高級階地與低級階地對應位錯與年齡差值相除，即用式(5)來計算滑動速率(Ren et al.，2013):

圖2 阿克塞老城以東多級河流階地被阿爾金斷裂斷錯圖Fig.2 Terrace levels displaced by the Altyn Tagh Fault，east to the old Aksay city.

Cowgill(2007)提出，計算走滑斷層滑動速率應該利用高低階地位錯差值與高Ⅰ級階地的廢棄年齡來計算。沿阿爾金斷裂車臣河，他利用此方法計算得到的滑動速率為 (9.4±2.3)mm/a。這一方法大大改進了前人利用對應階地年齡與位錯所得到的超大滑動速率值(Mériaux et al.，2004，2005)。但是，往往階地位錯累積時間并不一定對應其廢棄年齡，而可能代表自T1'以來的年齡，因此其中T1'所經(jīng)歷時間也被錯誤地包含在滑動速率計算中。累積位錯的側向侵蝕以及單次地震事件的影響均未剔除。為了剔除這些因素的影響，這里介紹了一種差值法。這一計算方法中，側向侵蝕的影響能夠被全部或者部分剔除，從而降低這些因素對滑動速率的影響(表1)(Ren et al.，2013)。但是，由于一些地點拔河高度和T1階地年代等信息未知，因此，僅僅在昆侖斷裂帶上，利用式(2)～(4)進行了滑動速率計算，其他點則采取了最簡單的高低階地年齡與位錯差值法計算滑動速率。

表1 差值法計算所得滑動速率與傳統(tǒng)方法所得最大和最小滑動速率Table 1 Comparison of maximum and minimum fault slip rate calculated by differential method with that from other methods

在阿克塞舊城區(qū)以東發(fā)育多級階地(圖2)，Mériaux等(2005)曾經(jīng)在此處開展工作，對多級階地位錯與年代進行測量，最終利用多級階地位錯計算了滑動速率，結果為18.3～22.3mm/a(表1)。但是野外實地考察發(fā)現(xiàn)，該處階地只在沖溝一側保存，在另外一側并未保存，即所得階地位錯量并非真實階地位錯量，而是階地陡坎后緣與現(xiàn)今沖溝壁之間的相對距離。并且從Ⅰ級階地T1所在位置分析可知，該階地可能并非形成階地后被斷錯，而很可能是沖溝斷錯之后形成。因此，利用Ⅰ級階地年齡與沖溝位錯來計算滑動速率所得結果會偏大。利用本文提出的差值法重新計算得到，阿爾金斷裂在阿克塞舊城區(qū)滑動速率為8.0 mm/a(表1)，其他點速率為4.7～5.1mm/a，低于Mériaux等(2005)的計算結果。而本文計算結果與前人獲得的低地質滑動速率相一致(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，1992)，也為前人通過現(xiàn)今GPS觀測提出的低縮短速率和滑動速率(Bendick et al.，2000;Shen et al.，2001;Wallace et al.，2004;Zhang et al.，2004)提供了長地質時期上的低滑動速率證據(jù);這一速率也與古地震研究得到的1ka復發(fā)周期結果相一致(Washburn et al.，2001，2003)。沿昆侖斷裂，重新計算得到的滑動速率為7.99～8.77mm/a，也與前人的結果一致(Table 1)(Zhang et al.，2004;Shen et al.，2005;Lin et al.，2008)。昆侖斷裂上古地震研究得到的復發(fā)周期為1ka左右(Guo et al.，2006，2007;Kirby et al.，2007;Lin et al.，2008)，與本文新計算結果一致。

3 結論

利用年輕地質體獲取斷層活動速率是全新世活動斷裂研究的重要手段。但是，由于測年結果表現(xiàn)的是到現(xiàn)在為止地質體所經(jīng)歷的時間，而地質體實測年齡又包含了地質體接受側向侵蝕的時間，所以并不能準確代表位錯累積時間。利用地質體實測年齡計算滑動速率值獲得的是長期平均值，地質體累積位錯所經(jīng)歷時間的準確與否是滑動速率準確與否的關鍵。

走滑斷裂上河流階地演化與斷層位錯分析表明，在考慮側向侵蝕的情況下，利用本文提出的算法可以通過多級階地的位錯量、年齡及拔河高度等數(shù)據(jù)同時計算斷層滑動速率與側向侵蝕速率，這可以在一定程度上減少側向侵蝕因素對走滑斷裂滑動速率的影響，提高所獲滑動速率的可靠程度。在所計算的側向侵蝕速率遠大于滑動速率的情況下，在Ⅰ級階地上不累積位錯。如果野外實際調查發(fā)現(xiàn)在Ⅰ級階地上保留了位錯，則說明該處實際位錯累積模式與本文提出的模式不符，不適合式(2)～(4)中的算法。這時可以利用高－低階地累積位錯量之差與對應階地年齡差(差值法)來來計算斷層滑動速率，也可以在一定程度上提高所計算滑動速率的準確度。