許建紅　惠旭輝　何斯淵

摘要：

全新世以來(lái)，距今越近，華山山前斷裂中段的垂直活動(dòng)速率越大，甚至出現(xiàn)跳躍式的增長(zhǎng)。重新梳理該斷裂帶40多處斷層陡坎測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這種不合理應(yīng)與1556年華縣8級(jí)地震有關(guān)。通過(guò)減掉1556年華縣大地震的同震位移量，消除了這次大震的同震位移對(duì)活動(dòng)速率計(jì)算值的放大作用，而且不同時(shí)期地貌陡坎的計(jì)算結(jié)果均表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性，說(shuō)明這種處理是必要和有效的。最后，應(yīng)用上述處理方法得到了華山山前斷裂中段全新世以來(lái)較為可靠的平均垂直活動(dòng)速率為（156±02） mm/a。

關(guān)鍵詞：華山山前斷裂；全新世垂直活動(dòng)速率；正斷層

中圖分類號(hào)：P31572文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2016）03-0359-06

0引言

斷層活動(dòng)速率是指某一時(shí)段活動(dòng)斷裂兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平均速率，反映了一條斷裂應(yīng)變能釋放的平均速率以及長(zhǎng)期平均活動(dòng)水平，可用于比較不同斷裂的活動(dòng)水平?；顒?dòng)速率還與同震位移一起用于估計(jì)強(qiáng)震或大地震的平均復(fù)發(fā)間隔，進(jìn)而估計(jì)最晚地震的離逝率與潛在地震的發(fā)生概率。因此，活動(dòng)速率是斷層活動(dòng)性研究及斷層地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)（鄧起東，聞學(xué)澤，2008）。美、日等國(guó)的地質(zhì)學(xué)家分別從20世紀(jì)60年代末至70年代中期開(kāi)始，通過(guò)斷錯(cuò)地貌測(cè)量與相應(yīng)地貌面沉積物年代測(cè)試來(lái)估計(jì)活動(dòng)斷裂的平均活動(dòng)速率（鄧起東，聞學(xué)澤，2008），現(xiàn)今也有通過(guò)其它手段（劉智榮等，2013；周海濤等，2013）獲取斷層的活動(dòng)速率。我國(guó)從80年代開(kāi)始將活動(dòng)斷裂的平均活動(dòng)速率研究作為中國(guó)活動(dòng)構(gòu)造定量研究的重要內(nèi)容（鄧起東，聞學(xué)澤，2008）。

針對(duì)華山山前斷裂中段全新世以來(lái)的平均垂直活動(dòng)速率，很多學(xué)者（李祥根，冉勇康，1983；張安良等，1989；李永善，1992；楊源源等，2012）進(jìn)行過(guò)研究，但發(fā)現(xiàn)所取研究時(shí)間段越短，即距今時(shí)間越近，計(jì)算出該段的活動(dòng)速率越大。其中，距今10 000年以來(lái)，斷裂的平均垂直活動(dòng)速率為1～2 mm/a（李祥根，冉勇康，1983）；距今6 000年以來(lái)，前人計(jì)算的結(jié)果分別為06～20 mm/a（張安良等，1989）、24 mm/a（李永善，1992）、1485 mm/a（楊源源等，2012）等；距今2 700年以來(lái)，張安良等（1989）計(jì)算的結(jié)果為05～23 mm/a，距今2 000年以來(lái)，楊源源等（2012）計(jì)算的結(jié)果為373 mm/a；而距今710年（被錯(cuò)斷的最新一期地貌面年齡）以來(lái)，《西安地裂及渭河盆地活斷層研究》（李永善，1992）表51中計(jì)算出的活動(dòng)速率顯示，其平均值高達(dá)478 mm/a。同一條斷裂，自全新世以來(lái)，只是選取的距今時(shí)間段不同而計(jì)算出的活動(dòng)速率也不同，且差距很大；而且距今越近，計(jì)算出的活動(dòng)速率越大，甚至出現(xiàn)跳躍式的增長(zhǎng)，說(shuō)明這種不合理與距今較近的大地震活動(dòng)有關(guān)，該地震應(yīng)是1556年華縣8級(jí)大地震。

本文以李永善（1992）對(duì)斷裂帶渭南塬前及華

山山前40多處斷層陡坎及其地貌面年代所做的系統(tǒng)性工作的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)此不合理的現(xiàn)象做出解釋，并給出華山山前斷裂中段全新世以來(lái)的平均垂直活動(dòng)速率。

1全新世以來(lái)的斷錯(cuò)地貌

華山山前斷裂是渭河盆地南界斷裂的東段，東起潼關(guān)，西止于藍(lán)田流峪口。它在華縣以東呈東西走向，經(jīng)潼關(guān)向東可繼續(xù)延至靈寶附近，與北東向的三門峽—靈寶斷裂相交；而在華縣以西則向南西方向延伸至秦嶺山前，與秦嶺北緣斷裂相接，平面上呈舒緩波狀，長(zhǎng)約100 km（國(guó)家地震局“鄂爾多斯周緣活動(dòng)斷裂系”課題組，1988），如圖1所示。傾向NW、N，傾角60°～70°，為一典型正斷層。華山山前斷裂中段從華縣石堤峪口至華陰杜峪口，走向NEE-EW，長(zhǎng)約40 km。

1556年華縣8級(jí)地震破壞嚴(yán)重，人口死亡數(shù)量是地震史上有記載以來(lái)最多的一次（賀明靜，1986），極震區(qū)（Ⅸ度及其以上烈度區(qū)）范圍包括今陜西渭南、華縣、華陰和山西永濟(jì)四縣（王景明，1980），長(zhǎng)軸方向總體呈NEE向。多數(shù)研究者認(rèn)為，這次大震發(fā)生在華山山前斷裂帶上或與該斷裂相關(guān)（郭增建，1957；韓恒悅等，1987；雷姚琪，張安良，1985；國(guó)家地震局“鄂爾多斯周緣斷裂系”課題組，1988；張安良等，1989；李永善，1992；環(huán)文林等，2003；原廷宏，馮希杰，2010；楊源源等，2012），只有個(gè)別研究者（王景明，1980；侯建軍，1985）提出了不同看法。根據(jù)野外考證（李永善，1992），沿渭南塬前及華山山前赤水河至杜峪等峪口的最新階地（一般相當(dāng)于T0～T1′）或最新洪積扇地形面，該期地貌面形成于元—明代，普遍存在2～4 m高的斷層陡坎，與歷史地震的極震區(qū)位置、長(zhǎng)軸方向（原廷宏，馮希杰，2010）和烈度等震線特征對(duì)比，它們只可能是1556年華縣大地震的產(chǎn)物，該地表破裂帶全長(zhǎng)約50 km，其中主要地表破裂位于華山山前斷裂中段，即華縣石堤峪口—華陰杜峪口。

華山山前斷裂中段全新世以來(lái)的斷裂活動(dòng)在很多沖溝溝口及斷裂帶上都可以觀察到。在野外地質(zhì)剖面上可以看到清晰的正斷層垂直錯(cuò)斷晚更新世至全新世地層。在較大的峪口，全新世或晚更新世以來(lái)的數(shù)級(jí)階地、洪積扇或多級(jí)侵蝕臺(tái)面均被斷層垂直錯(cuò)斷，形成階梯式斷層陡坎。陡坎的高度與所在階地年齡成正比，其中有的漫灘階地也被錯(cuò)斷。在多數(shù)峪口附近，可以看到斷層多期活動(dòng)在下降盤形成洪積扇疊加地貌，其中以杜峪口最為典型，以洪積扇的疊置關(guān)系可以劃分出了3～4期洪積扇活動(dòng)，考古發(fā)現(xiàn)杜峪口這3期洪積礫石層的頂部分別含有以紅色陶片為主的仰韶文化（5 000～7 500 a），以灰色陶片為主的龍山文化（4 000～5 000 a）及含元代瓷片的元代文化（620～710 a）。在龍山期洪積扇上還發(fā)育較低一級(jí)侵蝕臺(tái)面，應(yīng)為周秦期的地貌面，反映了華山山前斷裂中段全新世以來(lái)主要有4期活動(dòng)（李永善，1992）。

2平均活動(dòng)速率計(jì)算存在的問(wèn)題分析

李永善（1992）對(duì)渭南塬前及華山山前斷裂上40余處廣泛分布的各種類型的斷層陡坎進(jìn)行了野外跨斷層測(cè)量及斷層陡坎形成年代的考古樣分析，取得了迄今為止最為系統(tǒng)、詳細(xì)的華山山前斷裂中段主要斷層陡坎的測(cè)量結(jié)果。其中斷層陡坎的測(cè)量，為了減小誤差，作了如下校正：一是跨斷層陡坎進(jìn)行長(zhǎng)尺度測(cè)量，以恢復(fù)上、下原始地形面的形態(tài)，減少人工影響；二是延伸上、下原始地形面至斷層出露處或斷層陡坎中點(diǎn)處的高度作為垂直位移，以減少上升盤的剝蝕和下降盤的堆積所引起的誤差（卞菊梅，1995）。其中地貌面年代的確定利用了在斷裂帶附近地層中豐富的文物碎片，對(duì)比了考古文物與地層、地貌面形成年代之間的關(guān)系，并作了少量14C樣予以驗(yàn)證（李永善， 1992）。因此，本文將直接引用《西安地裂及渭河盆地活斷層研究》（李永善，1992）中表51和圖521中的數(shù)據(jù)，只做梳理，不做任何修改。

表1給出了不同時(shí)期地貌面的陡坎高度和地貌面年齡的平均值，并計(jì)算出了相應(yīng)的垂直活動(dòng)速率。該數(shù)據(jù)與《西安地裂與渭河盆地活斷層研究》（李永善，1992）圖521中的數(shù)據(jù)是一致的，其中平均陡坎高度118、1011、73及325 m是平均分布時(shí)限內(nèi)位移的加權(quán)平均值，筆者推測(cè)權(quán)重可能與《西安地裂及渭河盆地活斷層研究》（李永善，1992）表51中的可信度有關(guān)。若按常用方法，用陡坎高度除以地貌面年齡來(lái)計(jì)算，距今6 500年來(lái)，斷裂的平均垂直活動(dòng)速率為182 mm/a，即坐標(biāo)軸0點(diǎn)至該位移-時(shí)間點(diǎn)斜線的斜率tan（θ4）；距今4 500年以來(lái)為225 mm/a，即tan（θ3）；距今2 600年以來(lái)為281 mm/a，即tan（θ2）；距今680年以來(lái)為478 mm/a，即tan（θ1），這樣才能得到圖2中的平均斜率（平均位移速率）K≈29 mm/a。

從根據(jù)不同時(shí)期的地貌面計(jì)算出的垂直平均活動(dòng)速率可以看出，478 mm/a（680 a）>281 mm/a（2 600 a）>225 mm/a（4 500 a）>182 mm/a（6 500 a），可見(jiàn)距今越近、計(jì)算出的垂直活動(dòng)速率越大，甚至出現(xiàn)跳躍式的增長(zhǎng)。從圖2也可以看出，tan（θ1）>tan（θ2）>tan（θ3）>tan（θ4），同樣說(shuō)明距今越近，這種方法所導(dǎo)致的計(jì)算出的活動(dòng)速率越大。

分析出現(xiàn)該不合理現(xiàn)象的原因，發(fā)現(xiàn)前人在計(jì)算該斷裂中段平均垂直活動(dòng)速率時(shí)習(xí)慣性地采用陡坎高度除以地貌面年齡的方法，忽略了離逝時(shí)間很短（距今約450 a）的1556年華縣大地震對(duì)垂直活動(dòng)速率的放大作用。也就是說(shuō)，1556年的華縣8級(jí)地震使之前的斷層陡坎高度又平均增加了325 m，但前人計(jì)算時(shí)并沒(méi)有在時(shí)間項(xiàng)上也增加一個(gè)可以形成325 m陡坎的時(shí)間（或稱復(fù)發(fā)周期）。

以下按不同時(shí)期地貌面的平均值來(lái)計(jì)算活動(dòng)速率，并說(shuō)明上述問(wèn)題：

（1）（680±200） a BP的地貌面。在1556年華縣大地震中被錯(cuò)斷，形成平均高度為（325±05） m的陡坎。實(shí)際上應(yīng)該用單次地震事件的陡坎高度除以大震復(fù)發(fā)周期，才能反映斷裂帶較為真實(shí)的平均垂直活動(dòng)速率，即325 m/2 000 a≈163 mm/a（華山山前斷裂帶大震的復(fù)發(fā)周期約為2000 a）。筆者認(rèn)為形成如此規(guī)模的陡坎（或地震）不僅需要足夠長(zhǎng)的積累時(shí)間（復(fù)發(fā)周期），還與1556年的華縣大地震這種突發(fā)事件恰好被680 a BP這一期非常年輕的地貌面記錄到了有關(guān)。

（2）（4 500±500） a BP的地貌面，平均垂直位移量為（1011±18） m，應(yīng)為斷層多次活動(dòng)的結(jié)果。計(jì)算斷裂帶平均垂直活動(dòng)速率較為合理的方法是我們可以用680 a BP到4 500 a BP的平均活動(dòng)速率來(lái)代表斷裂帶4 500 a BP以來(lái)的平均活動(dòng)速率，體現(xiàn)在計(jì)算方法上就是對(duì)位移和時(shí)間項(xiàng)同時(shí)進(jìn)行處理，即（1011-325） m/（4 500-680）a≈180 mm/a。上述方法的本質(zhì)是計(jì)算兩點(diǎn)之間的斜率，在實(shí)際應(yīng)用中需要知道的參數(shù)較多?？紤]到325 m對(duì)位移項(xiàng)的影響為32%，680 a對(duì)時(shí)間項(xiàng)的影響僅為 15%，且4 500 a BP年齡本身就存在±500 a的誤差，因而本文也可以忽略時(shí)間項(xiàng)的影響，只對(duì)位移項(xiàng)進(jìn)行校正，即用陡坎的平均高度1011 m減去1556年華縣大地震錯(cuò)斷的平均垂直位移325 m，這樣斷裂帶4 500 a BP以來(lái)的平均垂直活動(dòng)速率為（1011-325） m/4 500 a≈152 mm/a。以下計(jì)算出于同樣的考慮。

（3）（2 600±500） a BP的地貌面，位移校正結(jié)果為（73-325）m/2 600 a≈156 mm/a。

（4）（6 500±500） a BP的地貌面，考慮到其距今時(shí)間足夠長(zhǎng)，對(duì)1556年華縣大地震的同震位移具有一定的“稀釋”作用，且該時(shí)期的陡坎侵蝕破壞也較為嚴(yán)重，所以不再對(duì)其進(jìn)行校正，直接計(jì)算得出斷裂帶6 500 a BP以來(lái)的平均活動(dòng)速率為118 m/6 500 a≈182 mm/a。

從以上初步的計(jì)算可以看出處理后的結(jié)果保持了非常好的穩(wěn)定性。另外，通過(guò)對(duì)不同時(shí)期地貌面錯(cuò)斷數(shù)據(jù)，即（325 m，068 ka）、（73 m，26 ka）、（1011 m，45 ka）和（118 m，65 ka）這4組數(shù)進(jìn)行線性回歸（圖2），結(jié)果表明斷裂帶陡坎高度與地貌面年齡之間存在很強(qiáng)的線性相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R2≈096），回歸曲線的斜率約為147，也與上述結(jié)果比較接近，說(shuō)明這種處理是有效的和必要的。

3斷裂帶中段全新世垂直活動(dòng)速率

通過(guò)前文的分析，可以看出直接用陡坎高度除以地貌面年齡的方法來(lái)計(jì)算華山山前斷裂帶中段全新世以來(lái)的垂直活動(dòng)速率會(huì)嚴(yán)重偏離事實(shí)，因?yàn)殡x逝時(shí)間很短的1556年華縣大地震所產(chǎn)生的垂直位移直接增加了之前陡坎的高度，但在時(shí)間項(xiàng)上忽視了該位移增加量所需要的時(shí)間。下文采用（4 500±500） a BP的地貌面陡坎數(shù)據(jù)，并使用校正位移的方法計(jì)算斷裂帶中段全新世以來(lái)的平均活動(dòng)速率主要基于以下考慮：

（1）同震位移可由野外實(shí)際測(cè)量得到，而復(fù)發(fā)周期則是由同震位移除以活動(dòng)速率或采用其它方法計(jì)算得到的，因此采用校正位移的方法。

（2）4 500 a BP左右的地貌面陡坎數(shù)據(jù)相對(duì)最多、最全面，在斷裂帶上分布也較為均勻。

（3）4 500 a BP時(shí)間相對(duì)足夠長(zhǎng)，足以包含2次（或2次以上）地震的發(fā)生，且剔除1556年華縣大地震后，可認(rèn)為在該段時(shí)間上地震的分布是相對(duì)均勻的。

（4）利用同一點(diǎn)或距離最近點(diǎn)的元明期地貌面錯(cuò)斷數(shù)據(jù)來(lái)表示該點(diǎn)1556年華縣大地震的同震位移并用于位移校正。

（5）計(jì)算中去掉了位移量過(guò)大的3個(gè)值和過(guò)小的1個(gè)值，這樣參數(shù)便集中地分布于某一置信區(qū)間內(nèi)，并保證了結(jié)果的可靠性。

具體計(jì)算如表2所示，計(jì)算結(jié)果表明斷裂帶在4 500 a BP以來(lái)平均垂直活動(dòng)速率為（156±02） mm/a，與線性回歸結(jié)果147 mm/a比較接近，該值可以用來(lái)代表斷裂帶中段全新世以來(lái)的平均垂直活動(dòng)速率。

4討論和結(jié)論

通過(guò)對(duì)華山山前斷裂帶中段不同時(shí)期地貌面錯(cuò)斷形成的陡坎數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)如果直接采用陡坎高度除以地貌面年齡的簡(jiǎn)單辦法來(lái)計(jì)算斷裂帶的垂直活動(dòng)速率，會(huì)導(dǎo)致距今越近、計(jì)算出的活動(dòng)速率越大，甚至?xí)霈F(xiàn)跳躍式增長(zhǎng)的不合理現(xiàn)象。產(chǎn)生這一問(wèn)題的根本原因是陡坎高度在1556年華縣大地震中被再次增加了，但時(shí)間項(xiàng)上沒(méi)有考慮陡坎高度產(chǎn)生這一增量所需的時(shí)間（這一時(shí)間應(yīng)與復(fù)發(fā)周期有關(guān)）。

在不同時(shí)期地貌面斷錯(cuò)數(shù)據(jù)樣本足夠多的情況下，采用線性回歸仍是最佳的辦法，但數(shù)據(jù)較少時(shí)，對(duì)于離逝時(shí)間較短的發(fā)震構(gòu)造，計(jì)算其活動(dòng)速率時(shí)必須要考慮最近的一次大震對(duì)計(jì)算是否會(huì)產(chǎn)生影響，并對(duì)這種影響進(jìn)行合理的處理。活動(dòng)速率S=（O1-O2）/（T1-T2），其中O1、O2為不同時(shí)期地貌面的位錯(cuò)量；T1、T2為相應(yīng)的地貌面年齡。以下2種情形可對(duì)該公式進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：（1）當(dāng)O1>>O2、T1>>T2時(shí)，公式可簡(jiǎn)化為S≈O1/T1，對(duì)應(yīng)實(shí)際應(yīng)用，即可直接用較老且較大的位錯(cuò)量除以它的地貌面年齡來(lái)近似代表斷裂的活動(dòng)速率；（2）當(dāng)O1>O2、T1>>T2時(shí)，公式可簡(jiǎn)化為S≈（O1-O2）/T1，對(duì)應(yīng)實(shí)際應(yīng)用，即當(dāng)T2較小，對(duì)時(shí)間項(xiàng)的影響也較小時(shí)，可以用該簡(jiǎn)化公式來(lái)近似計(jì)算斷裂的活動(dòng)速率。

對(duì)于華山山前斷裂帶中段，利用680 a BP和4 500 a BP兩期地貌陡坎來(lái)計(jì)算斷裂的垂直活動(dòng)速率時(shí)，680 a對(duì)于時(shí)間項(xiàng)的影響僅為15%，且4 500 a BP年齡本身就存在±500 a的誤差，而325 m對(duì)位移項(xiàng)的影響為32%，可以使用簡(jiǎn)化公式S≈（O1-O2）/T1。即通過(guò)減掉1556年華縣大地震的位移量，消除了這次大震的同震位移對(duì)活動(dòng)速率計(jì)算值的影響，不同時(shí)期地貌面的計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性，計(jì)算得到的華山山前斷裂中段全新世以來(lái)較為可靠的平均垂直活動(dòng)速率為（156±02） mm/a，這一結(jié)果與通過(guò)對(duì)不同時(shí)期地貌面錯(cuò)斷數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得到的147 mm/a比較接近，說(shuō)明該方法是必要和有效的。

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Abstract

There exit the unreasonableness that the vertical slip rate of the Huashan Frontal Fault jumpily becomes higher since Holocene when the period is shorter from present.Through reviewing the measuring results of more than 40 fault scarps of the Huashan Frontal Fault，we found that these unreasonable results are close related to the latest earthquake，Huaxian 8earthquake in 1556.Subtracting the coseismic displacement of the Huaxian 8earthquake in 1556，we eliminated its amplification effect on the calculated value of activity slip velocity.The calculated result of fault scarps in different periods show steady，which indicates that this processed method is necessary and effective.Finally，we applied this processed method to get a more reliable average value of vertical activity velocity of about 156 mm/a in the middle section of Huashan Frontal Fault zone since Holocene.

Key words：Huashan Frontal Fault Zone；Holocene vertical slip rate；normal fault