雷啟云

研究背景

1.開展防震減災(zāi)工作的現(xiàn)實(shí)需要

已有震例和大量研究表明，強(qiáng)震的發(fā)生與活動(dòng)斷層息息相關(guān)，活動(dòng)斷裂的研究是開展防震減災(zāi)工作的基礎(chǔ)。賀蘭山西麓斷裂位于我國(guó)南北地震帶的北段，也是阿拉善活動(dòng)地塊和華北活動(dòng)地塊之間的邊界構(gòu)造。該斷裂展布于賀蘭山西麓的洪積扇上，斷裂全長(zhǎng)近90千米，走向近南北，從阿拉善左旗穿城而過，向東距寧夏自治區(qū)首府銀川市不足40千米（圖1）。該斷裂向西逆沖，斷錯(cuò)了多級(jí)洪積臺(tái)地，形成醒目的斷層陡坎地貌，全新世曾發(fā)生過多次古地震事件，是一條可發(fā)生7級(jí)以上地震的全新世活動(dòng)斷裂。

然而，盡管該斷裂具有較明顯的逆沖特征，但其平直的地表形態(tài)和逆沖型斷裂并不相符，加之探槽揭示了一些花狀構(gòu)造，個(gè)別正斷層露頭的存在，種種跡象表明其可能為走滑型斷裂，或至少兼走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。但是，該斷裂走滑證據(jù)尚不充分，除斷裂北段有一小背斜似乎具左旋特征外，并無其他確鑿的走滑證據(jù)?？梢?，該斷裂的構(gòu)造變形方式復(fù)雜，有可能是一條不同尋常的特殊斷裂，目前的工作尚不足以揭示其真實(shí)運(yùn)動(dòng)特征。另外，前人的研究只揭示了古地震事件，并未獲得古地震復(fù)發(fā)周期和離逝時(shí)間等參數(shù)。

因此，不論考慮賀蘭山西麓斷裂的構(gòu)造和地理位置的重要性，還是考慮斷裂本身的特殊性和復(fù)雜性，該斷裂在防震減災(zāi)工作中都應(yīng)予以高度重視和密切關(guān)注，并深入開展相應(yīng)的研究工作。

圖1　賀蘭山及鄰區(qū)活動(dòng)斷裂分布圖

2.極其重要的理論研究?jī)r(jià)值

眾所周知，賀蘭山東麓為一條活躍的正斷層，控制了銀川斷陷盆地的西邊界，并發(fā)生了1739年平羅8級(jí)地震，顯示著地殼的拉張伸展。而賀蘭山西麓卻表現(xiàn)為逆沖并可能兼有走滑，反應(yīng)了地殼的擠壓縮短。從賀蘭山兩側(cè)斷裂活動(dòng)規(guī)模、持續(xù)時(shí)間以及對(duì)地貌的控制來看，賀蘭山東麓斷裂應(yīng)具主導(dǎo)地位。兩條斷裂間距20～80千米，在如此小的范圍內(nèi)，同一山體的兩側(cè)卻發(fā)育了兩種性質(zhì)截然不同的斷裂構(gòu)造。這種在同一山體的兩側(cè)，以正斷層為主、逆沖斷層為輔的組合模式極為罕見。另外，從更廣的構(gòu)造背景看，華北地塊和阿拉善地塊均以巖石圈的伸展變形為主要特征，其內(nèi)發(fā)育一些兼有走滑的正斷裂和系列斷陷盆地，鮮有逆沖型斷裂?？梢姡R蘭山西麓逆沖斷裂的存在和以往諸多認(rèn)識(shí)不符，可能是一類全新的構(gòu)造現(xiàn)象。

若僅從引起賀蘭山西麓斷裂擠壓變形的動(dòng)力來源考慮，則有兩種可能模型用于理解賀蘭山西麓逆沖斷裂的存在（圖2）。其一：動(dòng)力來自于賀蘭山內(nèi)部，即賀蘭山的掀斜式隆升發(fā)展到特定階段而在西麓引起的一種內(nèi)部調(diào)整，可能由于賀蘭山體向西側(cè)的側(cè)向擠壓，也可能由于深部的抬升作用，引起賀蘭山西麓的逆沖兼左旋走滑運(yùn)動(dòng)；其二：動(dòng)力源來自賀蘭山西側(cè)阿拉善塊體的擠壓，擠壓作用受到賀蘭山的阻擋，并在賀蘭山西麓斷裂引起逆沖兼右旋走滑運(yùn)動(dòng)，而東麓仍保持正斷層活動(dòng)，而這種擠壓作用可能和青藏高原向外推擠作用密切相關(guān)，可能是青藏高原遠(yuǎn)程效應(yīng)的結(jié)果。

因此，對(duì)賀蘭山西麓斷裂的研究可能會(huì)從根本上改變?nèi)藗円酝囊恍┱J(rèn)識(shí)，不論是對(duì)賀蘭山隆升模型的完善，還是研究對(duì)青藏高原的遠(yuǎn)程效應(yīng)的響應(yīng)，均具有非常重要的理論意義。

研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線

1. 研究目標(biāo)

本研究首先以確定該斷裂的走滑性質(zhì)為切入點(diǎn)，擬通過野外調(diào)查、大比例尺地質(zhì)填圖、微地貌測(cè)量、槽探及測(cè)年等手段，確定斷裂的走滑性質(zhì)、滑動(dòng)速率和古地震復(fù)發(fā)周期及離逝時(shí)間，分析新老地層變形、斷裂破裂樣式、及地貌面變形等方面的特征，總結(jié)斷裂晚第四紀(jì)構(gòu)造變形特征和機(jī)制，構(gòu)建賀蘭山隆升模型，探討該斷裂對(duì)青藏高原推擠作用的響應(yīng)。

圖2　賀蘭山西麓逆沖擠壓的兩種可能動(dòng)力學(xué)模型

圖3　古地震探槽機(jī)械開挖

2.研究?jī)?nèi)容

（1）賀蘭山西麓斷裂水平運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的研究

確定賀蘭山西麓斷裂的走滑屬性是本項(xiàng)研究的首要任務(wù)。前人研究和多次野外考察表明，盡管賀蘭山西麓斷裂具有平直的幾何形態(tài)，但其走滑現(xiàn)象似乎并不顯著。前人研究認(rèn)為該斷裂具左旋走滑性質(zhì)，但是該斷裂之南與其斜列的三關(guān)口斷裂被我們近期研究證實(shí)其為右旋走滑。另外，區(qū)域GPS速度場(chǎng)顯示阿拉地塊和鄂爾多斯地塊之間存在明顯的右旋走滑。因此，該斷裂走滑性質(zhì)的確定對(duì)分析該斷裂的動(dòng)力學(xué)背景，構(gòu)建賀蘭山隆升模型以及探討青藏高原的遠(yuǎn)程效應(yīng)具有重要意義。而且，后續(xù)研究的開展必須建立在對(duì)該斷裂滑動(dòng)屬性的正確認(rèn)識(shí)之上。

（2）賀蘭山西麓斷裂晚第四紀(jì)古地震研究

在地震分析預(yù)報(bào)中，基于地震目錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析是常用方法。但是由于板內(nèi)強(qiáng)震復(fù)發(fā)的周期遠(yuǎn)大于有記載的歷史地震時(shí)間，這種方法具有一定的局限性?；顒?dòng)斷裂的古地震研究，則能增長(zhǎng)地震目錄的時(shí)間尺度，能揭示在萬年尺度內(nèi)強(qiáng)震復(fù)發(fā)的規(guī)律，可彌補(bǔ)歷史地震目錄和現(xiàn)代地震目錄時(shí)間尺度上的不足?；顒?dòng)斷裂上古地震的發(fā)生具有一定的間隔，一次古地震發(fā)生之后，由于斷層錯(cuò)動(dòng)，會(huì)在地表形成破裂帶和斷層陡坎，在兩次地震之間，這些地表破裂的形跡和陡坎在各種自然界的外營(yíng)力作用下發(fā)生演化，在適當(dāng)?shù)臈l件下會(huì)在斷層附近保留相應(yīng)的事件沉積物。古地震研究就是在斷裂陡坎的合適位置，通過探槽開挖（圖3），揭示斷裂錯(cuò)動(dòng)的事件層，并通過地層測(cè)年技術(shù)，來限定古地震發(fā)生的時(shí)間。如能獲得斷裂上多個(gè)古地震發(fā)生的時(shí)間，那么就能總結(jié)斷裂帶上強(qiáng)震發(fā)生的規(guī)律，根據(jù)古地震復(fù)發(fā)周期和離逝時(shí)間可對(duì)活動(dòng)斷裂的地震危險(xiǎn)性做出中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)和評(píng)估。

（3）新老地層及不同地貌面變形特征的研究

一條復(fù)雜的斷裂除斷裂本身的錯(cuò)斷變形外，對(duì)其附近的地層也會(huì)產(chǎn)生影響。如果僅從活動(dòng)構(gòu)造的角度研究賀蘭山西麓斷裂的活動(dòng)特征，則在時(shí)間尺度上過短，所揭示的構(gòu)造演化也不全面。斷裂附近的老地層因?yàn)槭艿捷^長(zhǎng)時(shí)期的構(gòu)造作用，其變形幅度較明顯，保留的構(gòu)造變形信息也較多，反應(yīng)了受到斷裂影響的長(zhǎng)期趨勢(shì)；而新地層及地貌面的變形反應(yīng)了斷裂短期的作用結(jié)果，是斷裂正在發(fā)生的構(gòu)造變形作用的體現(xiàn)。通過對(duì)這兩者的對(duì)比，可以分析斷裂構(gòu)造變形的方式，了解構(gòu)造演化的過程，能更完整地反應(yīng)斷層兩側(cè)地層的構(gòu)造變形特征。特別是對(duì)新生代地層變形的研究，可結(jié)合區(qū)域上前人建立的新生代地層時(shí)間標(biāo)尺，探討構(gòu)造變形發(fā)生的大致時(shí)間。

（4）賀蘭山西麓斷裂晚第四紀(jì)滑動(dòng)速率的研究

活動(dòng)斷裂的滑動(dòng)速率，是進(jìn)行地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和探討動(dòng)力學(xué)背景的重要量化參數(shù)，其重要性不言而喻。賀蘭山西麓斷裂上發(fā)育醒目的斷層陡坎，表明其不但具有水平運(yùn)動(dòng)，還兼有垂直運(yùn)動(dòng)。對(duì)垂直滑動(dòng)速率的獲取，主要通過選擇多處發(fā)育多級(jí)臺(tái)地、并被斷裂錯(cuò)動(dòng)的場(chǎng)點(diǎn)。不同臺(tái)地累積了不同時(shí)期的斷層位移，臺(tái)地越高經(jīng)歷的斷錯(cuò)次數(shù)越多，累積的位移也越大。通過差分GPS測(cè)量獲得各級(jí)臺(tái)地的陡坎位移，利用地層測(cè)年技術(shù)獲得臺(tái)地面近似形成年齡，由多個(gè)臺(tái)地的位移和時(shí)間約束，獲得斷裂的平均垂直滑動(dòng)速率。斷裂的水平滑動(dòng)速率的獲取主要通過測(cè)繪跨斷層沖溝的位錯(cuò)和臺(tái)地面的形成年齡來限定。為減少速率估算的不確定性，在斷裂的不同位置選擇場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行研究。

3.技術(shù)路線

根據(jù)研究現(xiàn)狀和預(yù)期目標(biāo)，在項(xiàng)目實(shí)施中，遵循“先易后難，由已知到未知”的原則。具體工作思路為：首先開展詳細(xì)的航衛(wèi)片解譯工作，編制賀蘭山西麓斷裂的遙感解譯分布圖，為野外工作提供依據(jù)；之后，開展野外地質(zhì)調(diào)查，并在關(guān)鍵部位開展大比例尺地質(zhì)填圖，查清斷裂分布、運(yùn)動(dòng)屬性，以及斷層附近褶皺變形特征；選擇典型場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行槽探和微地貌測(cè)量，并進(jìn)行地層年代樣品測(cè)試，獲得斷裂活動(dòng)時(shí)代、古地震期次及滑動(dòng)速率；分析斷裂和其附近褶皺間的關(guān)系，通過區(qū)域地層對(duì)比初步認(rèn)識(shí)斷裂的構(gòu)造演化歷史。最后，綜合分析資料，查漏補(bǔ)缺，總結(jié)成果，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)。

在研究方法上，仍然采用航衛(wèi)片解譯、地質(zhì)調(diào)查、大比例尺地質(zhì)填圖、槽探、微地貌測(cè)量技術(shù)、第四系測(cè)年技術(shù)等相對(duì)成熟而有效的活動(dòng)構(gòu)造研究方法和技術(shù)。

（1）高分辨率航衛(wèi)片解譯

由于所涉及地區(qū)人煙稀少、植被覆蓋稀疏，在前期研究工作中要充分利用現(xiàn)代遙感資料優(yōu)勢(shì)。在研究中將對(duì)已經(jīng)擁有的大比例尺航空照片和高分辨率的衛(wèi)星影像等資料進(jìn)行詳細(xì)的構(gòu)造解譯，為現(xiàn)場(chǎng)野外工作提供依據(jù)。因此，航衛(wèi)片解譯的詳細(xì)和準(zhǔn)確程度對(duì)野外工作計(jì)劃的制訂和實(shí)施非常重要，是取得良好研究結(jié)果的開端。

（2）關(guān)鍵構(gòu)造部位大比例地質(zhì)填圖

大比例尺地質(zhì)填圖是地質(zhì)工作中最基礎(chǔ)但也是最有效的研究方法。填圖對(duì)象是關(guān)鍵地區(qū)的新生代地層和構(gòu)造，基本不涉及前新生代地層和構(gòu)造；注重對(duì)第四紀(jì)地質(zhì)和地貌的研究和表述；不嚴(yán)格控制觀測(cè)點(diǎn)，根據(jù)研究目標(biāo)，靈活采用追索、穿越、稀疏相間、詳略結(jié)合的方法；只對(duì)關(guān)鍵的重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行填圖，例如斷裂附近新生代褶皺區(qū)、多條斷裂相交的構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū)、顯示斷裂走滑總位移的重要地層分界。

（3）槽探和地貌測(cè)量技術(shù)

槽探是一種傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探手段，在研究斷裂最新活動(dòng)時(shí)代、性質(zhì)、古地震期次以及同震位移等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在探槽開挖時(shí)力求“選位合理、工作細(xì)致、采樣科學(xué)、事件可靠”。選擇在斷層結(jié)構(gòu)單一、地層沉積穩(wěn)定連續(xù)、具備采集樣品的條件且經(jīng)歷多次古地震的斷層陡坎上開挖探槽。探槽大小應(yīng)滿足研究要求，開挖后對(duì)探槽剖面進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z像、拍照和拼接1m×1m的鑲嵌照片圖，并現(xiàn)場(chǎng)素描。地層劃分和巖性描述力求客觀翔實(shí)，古地震事件的分析要準(zhǔn)確可靠，年代樣品采集要系統(tǒng)并嚴(yán)格按照有關(guān)采樣規(guī)范進(jìn)行，應(yīng)多采集備份樣品。

地貌測(cè)量常和探槽相結(jié)合。在典型地段利用差分GPS、全站儀測(cè)量繪制大比例尺地形圖，獲得精確的斷層斷錯(cuò)位移，并采集年代樣品。大范圍的斷層陡坎測(cè)量和水系錯(cuò)斷位移可用高精度測(cè)距儀和皮尺配合測(cè)量，但必須多次測(cè)量，求其平均值。

（4）第四系年代測(cè)試技術(shù)

主要應(yīng)用于對(duì)斷裂活動(dòng)性鑒定、地貌面的分期、古地震事件的限定、滑動(dòng)速率的求取及其他構(gòu)造事件時(shí)間的限定，對(duì)實(shí)現(xiàn)活動(dòng)斷裂的定量研究具重要意義。針對(duì)研究區(qū)山前洪積地層和地貌的特點(diǎn)，為獲得可靠的年代數(shù)據(jù)采用多種測(cè)年手段聯(lián)合對(duì)比的方法，盡可能減少樣品采集中的不確定性因素，并選擇最佳的適合該地區(qū)的測(cè)年樣品和測(cè)年方法，來達(dá)到精確定年的目的。校正和分析已有的測(cè)年資料和測(cè)年結(jié)果的精度和可靠性，提高滑動(dòng)速率計(jì)算的精度。本次研究中采用光釋光測(cè)年方法（OSL）、14C定年方法、宇宙核素暴露測(cè)年法（圖4）。根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)，這三種方法相互補(bǔ)充，是較為適宜的測(cè)年方法。

圖4?。╝）古地震探槽光釋光樣品采集；（b）古地震探槽內(nèi)收集碳樣；（c）宇宙核素樣品采集

成果總結(jié)與應(yīng)用

本項(xiàng)研究取得以下幾點(diǎn)新認(rèn)識(shí)和新發(fā)現(xiàn)

（1）關(guān)于賀蘭山西麓斷裂運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的新認(rèn)識(shí)

前人研究表明賀蘭山西麓斷裂是一條逆沖兼有左旋走滑性質(zhì)的活動(dòng)斷裂。本次研究，通過對(duì)第三系地層褶皺和斷裂的關(guān)系、沖溝的同步扭動(dòng)、主斷裂附伴次級(jí)節(jié)理等方面的詳細(xì)研究工作，排除了該斷裂左旋走滑的可能，獲得了該斷裂為右旋走滑的新認(rèn)識(shí)。

（2）關(guān)于賀蘭山西麓斷裂全新世古地震的新認(rèn)識(shí)

前人對(duì)賀蘭山西麓斷裂開展了古地震研究，但遺憾的是測(cè)年結(jié)果不理想。在一級(jí)階地上開挖的探槽，所限定的古地震事件發(fā)生在全新世之前，其結(jié)果可能偏老。本次研究，在小蘇海圖緊鄰前人探槽開挖新的探槽，并采集了14C樣品和光釋光樣品。確定三次古地震事件，確定了賀蘭山西麓斷裂晚第四紀(jì)古地震復(fù)發(fā)周期接近5000年，離逝時(shí)間已接近復(fù)發(fā)周期，該斷裂未來地震危險(xiǎn)性值得關(guān)注。

（3）關(guān)于賀蘭山西麓斷裂對(duì)青藏高原遠(yuǎn)程響應(yīng)時(shí)間的新認(rèn)識(shí)

青藏高原隆升的遠(yuǎn)程效應(yīng)對(duì)周邊地區(qū)產(chǎn)生了顯著影響，然而，關(guān)于周邊地區(qū)響應(yīng)青藏高原遠(yuǎn)程效應(yīng)的時(shí)限問題，卻多有爭(zhēng)議。本項(xiàng)目通過對(duì)賀蘭山西麓斷裂附近的新生代地層變形和斷裂活動(dòng)的關(guān)系研究，結(jié)合前人最新確定的寧夏及鄰區(qū)新生代地層的時(shí)代標(biāo)尺，發(fā)現(xiàn)在上新世末青藏高原的擴(kuò)展影響到賀蘭山西麓地區(qū)，并引起了新生代地層的褶皺變形和斷裂的右旋走滑運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了賀蘭山西麓也開始抬升。這一認(rèn)識(shí)對(duì)研究和討論本區(qū)域的大陸動(dòng)力學(xué)問題具有重要意義，特別是為討論青藏高原的擴(kuò)展提供了一個(gè)新的證據(jù)。

本項(xiàng)目在驗(yàn)收時(shí)被專家評(píng)為優(yōu)秀，所開挖古地震探槽已連續(xù)4年作為中國(guó)地震局地質(zhì)研究所碩博士生野外實(shí)習(xí)的一個(gè)教學(xué)點(diǎn)，有關(guān)資料成果供師生教學(xué)使用。探槽研究結(jié)果選為地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（活斷層探察 探槽）中的一個(gè)成功案例示范。項(xiàng)目在2017年獲得寧夏回族自治區(qū)防震減災(zāi)優(yōu)秀成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。在項(xiàng)目的資助下，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲得博士學(xué)位，項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容作為其博士論文的重要組成部分。