張秀麗 熊建國(guó)* 張培震2， 劉晴日 姚 勇 鐘岳志 張會(huì)平 李有利

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2)中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東省地球動(dòng)力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510275 3)北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871 4)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

0 引言

滑動(dòng)速率反映了斷層的活動(dòng)方式和強(qiáng)度，是活動(dòng)構(gòu)造定量研究的主要參數(shù)，通常以累積位移除以相應(yīng)的年齡獲得(鄧起東等，1973； 張培震等，2008)。斷錯(cuò)地貌面被用來(lái)約束斷層活動(dòng)的幅度(Nicoletal.，2005； 張培震等，2008； 司蘇沛等，2014)，第四紀(jì)測(cè)年方法可以有效限定地貌面的形成年齡(Andersetal.，1989； Cerlingetal.，1994； Andersonetal.，1996； Lietal.，2009)。過(guò)去幾十年，以河流階地、 洪積扇等地貌面為載體開(kāi)展的斷層滑動(dòng)速率研究已取得了重要進(jìn)展(Siehetal.，1984； Zhangetal.，2007)。

對(duì)斷層滑動(dòng)速率認(rèn)識(shí)的缺乏，阻礙了對(duì)其活動(dòng)歷史、 變形模式和斷塊之間相互作用的理解，也影響了對(duì)地震危險(xiǎn)性的評(píng)估。然而，約束斷層滑動(dòng)速率主要面臨以下3個(gè)問(wèn)題： 1)地貌面的選取。地表過(guò)程導(dǎo)致錯(cuò)斷特征不顯著(申屠炳明等，1991)、 沿?cái)鄬臃植嫉牡谒募o(jì)地層出露少(鄭立龍等，2019)、 植被覆蓋和人類活動(dòng)影響(楊曉平等，2015)阻礙了可測(cè)地貌面的選取。2)地貌面錯(cuò)斷幅度的獲取。斷層上升盤長(zhǎng)期遭受侵蝕(Wallace，1977； 申屠炳明等，1991)、 下降盤接受堆積(李光濤等，2020)、 老斷層再活動(dòng)導(dǎo)致次級(jí)斷層陡坎之間發(fā)生疊加或重合(申屠炳明等，1991)使獲取的斷距偏離真實(shí)值。3)年代學(xué)的局限性。14C 測(cè)年方法簡(jiǎn)單、 快速且精準(zhǔn)度高(Nicoletal.，2006； Bayliss，2009； Xiongetal.，2017)，但對(duì)定年的含碳物質(zhì)要求較高(Newnhametal.，2007)，測(cè)年范圍局限于約50ka以來(lái)(Libbyetal.，1949)； 宇宙成因核素的測(cè)年區(qū)間相對(duì)廣泛(1～1000ka)，但采樣工序繁瑣且對(duì)沉積相關(guān)的地表過(guò)程要求苛刻(王建等，2000)； 光釋光(OSL)測(cè)年的精度受多種因素影響(陳杰等，1999)，但其測(cè)年物質(zhì)容易選取、 實(shí)驗(yàn)流程速度快，且能夠獲得的最老年齡>200ka(張家富等，2007； Lietal.，2014)，拓寬了活動(dòng)斷層研究時(shí)代的下限(Aitken, 1998； Xiongetal.，2017)。

晚更新世以來(lái)，山西地塹系南部中條山北麓斷層十分活躍，有學(xué)者已針對(duì)其長(zhǎng)時(shí)間尺度的滑動(dòng)速率開(kāi)展了初步研究(Xiongetal.，2018)，但缺乏中更新世晚期以來(lái)的數(shù)據(jù)，且短時(shí)間尺度上的研究未包含所有伴隨主斷層活動(dòng)的破裂(Lüetal.，2014； 司蘇沛等，2014)。運(yùn)城盆地鹽池東南小李村河發(fā)育的河流階地清晰、 完整地記錄了中條山北麓斷層在中更新世晚期以來(lái)的活動(dòng)。通過(guò)高精度DEM影像和第四紀(jì)年代學(xué)，本文厘定了小李村河4級(jí)階地(T4—T1)的廢棄時(shí)代以及不同地貌面形成以來(lái)中條山北麓斷層的垂直滑動(dòng)速率，最后討論了其變化特征。

1 地質(zhì)背景

山西地塹系位于華北克拉通中部，是由太行山和呂梁山圍限的一系列新生代斷陷盆地、 構(gòu)造隆起帶和活動(dòng)斷層共同組成的“S”形大陸裂谷系(鄧起東等，1973； 楊景春，1983； 程紹平等，2002)。該地塹系的地質(zhì)及地貌演化受斷塊之間長(zhǎng)時(shí)間的相互構(gòu)造作用影響。中生代燕山運(yùn)動(dòng)—漸新世早期，山西地塊整體處于隆升剝蝕狀態(tài)； 漸新世以來(lái)，地殼活動(dòng)強(qiáng)烈，華北平原伸展構(gòu)造大規(guī)模發(fā)育，開(kāi)始發(fā)育縱貫山西中部的地塹； 晚中新世以來(lái)山西地塹系在各主要邊界斷層活動(dòng)的影響下持續(xù)發(fā)展，并形成現(xiàn)今輪廓(張?jiān)罉虻龋?006)； 更新世期間其內(nèi)發(fā)育了大規(guī)模湖泊，構(gòu)造活動(dòng)和氣候變化導(dǎo)致湖泊退縮和消亡，河流廣泛發(fā)育并形成山麓傾斜平原、 沖積平原和河流階地等地貌(易錦俊，2008)。

圖 1 中條山-運(yùn)城盆地地貌和構(gòu)造分布圖Fig. 1 Geomorphologic and tectonic map of the Zhongtiao Shan-Yuncheng Graben.a 中條山-運(yùn)城盆地地貌和斷層分布(Li et al.，1998)； b 中條山北麓斷層、 鹽湖南岸斷層和鹽湖北岸斷層展布特征。鹽湖鉆孔 (李肖楊等，2020)、 Pz3鉆孔(曾金艷等，2020)、 P3鉆孔(Wang et al.，2002)的位置用白色五角星表示； 研究區(qū)用四邊形表示

運(yùn)城盆地位于山西地塹系南部，被黃河、 峨嵋?guī)X和中條山所圍限，內(nèi)部發(fā)育鳴條崗地壘，是斷陷最深的盆地之一(圖1a)(Lietal.，1998)。盆地基底為太古界—元古界結(jié)晶變質(zhì)巖，蓋層為古生界—中生界沉積巖，普遍缺失奧陶系、 志留系、 泥盆系、 三疊系和侏羅系。新生代以來(lái)，運(yùn)城盆地的主要沉降中心位于鹽湖地區(qū)(圖1b)(李有利等，1994； 程紹平等，2002)。一系列鉆孔揭示了新近紀(jì)晚期以來(lái)運(yùn)城盆地的沉積歷史。例如，P3鉆孔(Wangetal.，2002)和SG-1鉆孔(Yanetal.，2020)分別揭示了7.1Ma和9.1Ma以來(lái)的沉積。中更新世(距今0.78Ma)以來(lái)，P3鉆孔和SG-1鉆孔的沉積厚度分別為254m和197.5m； 0.7Ma以來(lái)，鹽湖鉆孔記錄的沉積物厚約200m(李肖楊等，2020)。這些鉆孔數(shù)據(jù)表明，中更新世以來(lái)運(yùn)城盆地的廣大地區(qū)沉積速率穩(wěn)定?；谀甏鷮W(xué)和沉積學(xué)指標(biāo)，建立了中更新世晚期以來(lái)鹽湖鉆孔完整的沉積序列(李肖楊等，2020)。鹽湖南部的3個(gè)淺地震勘探剖面表現(xiàn)出相似的沉積歷史，更重要的是，鹽湖東部6個(gè)聯(lián)合鉆孔揭示跨越鹽湖南岸斷層具有相似的沉積記錄(曾金艷等，2020)，且可與鹽湖鉆孔對(duì)比(李肖楊等，2020)。其中，最具代表性的Pz3鉆孔(曾金艷等，2020)地層序列的沉積學(xué)特征和年代學(xué)結(jié)果與鹽湖鉆孔(李肖楊等，2020)非常相似(圖 2)，在50m深度附近均為一套紅褐色粉砂質(zhì)黏土地層，被認(rèn)為對(duì)應(yīng)黃土-古土壤地層的S2(李肖楊等，2020)。這些結(jié)果表明鹽湖自中更新世晚期以來(lái)的沉積速率相對(duì)穩(wěn)定。

中條山北麓斷層晚第四紀(jì)以來(lái)非?；钴S(程紹平等，2002； Lüetal.，2014)。該斷層全長(zhǎng)約135km，為一高角度正斷層，根據(jù)走向變化可劃分為韓陽(yáng)段、 解州段和夏縣段(程紹平等，2002)?；跇?gòu)造地貌(田建梅等，2013)、 古地震探槽(Lüetal.，2014； 司蘇沛等，2014； 王怡然等，2015)、 遙感影像解譯(郭春杉等，2019)和河流地貌形態(tài)(慈洪娟等，2016)等研究發(fā)現(xiàn)其3個(gè)分段在晚更新世以來(lái)均存在活動(dòng)。已有工作表明，唐縣夷平面及其相關(guān)沉積記錄了該斷層的垂直滑動(dòng)速率自(3.12±0.1)Ma和(2.58±0.1)Ma以來(lái)分別為(0.25±0.01)mm/a和(0.27±0.01)mm/a(Xiongetal.，2018)； 探槽研究得到該斷層自(24.7±0.2)ka以來(lái)的垂直滑動(dòng)速率為(0.75±0.05)mm/a(司蘇沛等，2014)。

鹽湖被近平行的鹽湖南岸斷層和鹽湖北岸斷層圍限(閆紀(jì)元，2021)。鹽湖北岸斷層未錯(cuò)斷早更新世以來(lái)的地層(郭春杉等，2019)。鹽湖南岸斷層的淺層地震勘探和鉆孔年代學(xué)結(jié)果表明該斷層錯(cuò)斷中更新世地層9.6m(郭春杉等，2019)。3個(gè)淺地震勘探剖面揭示鹽湖南岸斷層在晚更新世以來(lái)的總斷距約為(7±3)m，聯(lián)合鉆孔的年代學(xué)揭示其在距今126～56ka的活動(dòng)導(dǎo)致了3.5m的斷距(曾金艷等，2020)。

2 研究方法

利用地貌面在斷層帶兩側(cè)的總斷距和廢棄年齡可約束斷層的滑動(dòng)速率。小李村河在中條山北麓斷層帶發(fā)育了多級(jí)階地，并被斷層錯(cuò)斷。結(jié)合野外觀察和遙感影像解譯等方法識(shí)別出小李村河階地的分布規(guī)律和沉積學(xué)特征； 利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)獲取研究區(qū)的高精度DEM，得到各級(jí)階地面的海拔高程及垂直斷層方向上的地貌縱剖面； 采集各地貌面頂部的光釋光年代學(xué)樣品，并厘定其形成時(shí)代。

2.1 地貌分級(jí)與斷層識(shí)別

地貌分級(jí)由下面5個(gè)步驟獲得： 1)在野外識(shí)別階地形態(tài)，并勾勒于Google Earth衛(wèi)星圖上； 2)統(tǒng)計(jì)每級(jí)階地的沉積物特征，包括顏色、 厚度、 粒徑、 分選度、 磨圓度和層理特征等并分層； 3)使用激光測(cè)距儀測(cè)量階地的拔河高度和沉積地層的厚度； 4)根據(jù)海拔高度和沉積結(jié)構(gòu)在Google Earth衛(wèi)星圖上對(duì)階地進(jìn)行分級(jí)； 5)繪制河流階地橫剖面圖和縱剖面圖。

斷層的展布和分布特征反映了中條山北麓斷層的活動(dòng)性。斷層識(shí)別方法包括： 在Google Earth衛(wèi)星圖上識(shí)別、 標(biāo)記線性地表陡坎； 野外觀察地層天然露頭和人工探槽，對(duì)地層不連續(xù)、 礫石定向排列和斷層陡坎等現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別。

2.2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量簡(jiǎn)單快速且成本低廉，已被廣泛應(yīng)用于活動(dòng)構(gòu)造研究中(Xiongetal.，2017； Liuetal.，2021)。本文圍繞中條山北麓斷層和小李村河階地開(kāi)展無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量工作。我們使用大疆PHANTOM 4 PRO型號(hào)的無(wú)人機(jī)，配有2000萬(wàn)像素的1英寸大底索尼Exmor R CMOS傳感器，并配有一個(gè)衛(wèi)星定位模塊(GPS/GLONASS)。進(jìn)行影像采集前根據(jù)“均勻分布，不共線”的原則，在計(jì)劃飛行區(qū)域內(nèi)布設(shè)了15個(gè)控制點(diǎn)和2個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)。使用Trimble GEO7X手持GPS確定每個(gè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)，精度優(yōu)于5cm(圖 3)。根據(jù)研究區(qū)的地形特征，將航拍高度設(shè)置為218m。在Agisoft PhotoScan 1.4軟件中排列影像、 添加控制點(diǎn)、 創(chuàng)建密點(diǎn)云、 創(chuàng)建格網(wǎng)，得到由237幀照片拼接而成的0.593km2的正射影像，地面分辨率達(dá)到5.52cm/pix，并最終導(dǎo)出水平和垂直精度分別為0.4m和0.3m的DEM影像(圖 3)。

圖 3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)獲取小李村河斷錯(cuò)地貌的DEMFig. 3 The DEM of the Xiaolicun River landform by the UAV photogrammetry technology.a 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲得的覆蓋研究區(qū)的區(qū)域合成圖像； b 無(wú)人機(jī)攝影相機(jī)的位置； c 15個(gè)地面控制點(diǎn)及相關(guān)的水平誤差和垂直誤差DEM分辨率，每個(gè)地面控制點(diǎn)的誤差以向量表示； d 使用Agisoft PhotoScan 1.4軟件生成的數(shù)字高程DEM模型航空?qǐng)D像。A1—A2和B1—B2、 B3—B4、 B5—B6分別為小李村河階地橫剖面(圖5)和縱剖面(圖6)

2.3 年代學(xué)方法

階地頂部細(xì)粒物質(zhì)的沉積年代更接近河流下切的時(shí)間，往往用來(lái)代表河流階地的廢棄年代(Xiongetal.，2017； Liuetal.，2021)。本文采用AMS14C 年代學(xué)和光釋光年代學(xué)方法厘定河流階地的形成年代。前者的技術(shù)方法非常成熟，已被廣泛運(yùn)用于活動(dòng)斷層研究中(Lüetal.，2014； 司蘇沛等，2014)，本文不再贅述，只簡(jiǎn)要闡述光釋光年代學(xué)方法。在野外采樣過(guò)程中，用圓柱形鋼管(長(zhǎng)25cm，半徑為5cm)采集階地頂面附近新鮮面的年代學(xué)樣品。在T3—T1階地下部的離石黃土基座、 T4—T2階地頂部附近黏土層和T1階地中部粉砂質(zhì)黏土透鏡體中共采集9個(gè)光釋光年代學(xué)樣品。在經(jīng)實(shí)驗(yàn)室處理前用不透明黑色塑料袋對(duì)裝有樣品的鋼管進(jìn)行密封。在開(kāi)展釋光實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照傳統(tǒng)的樣品前處理流程(Aitken，1998； 李冬雪等，2021)進(jìn)行處理。

圖 4 斷層分布與小李村河階地、 洪積扇的年代樣品位置Fig. 4 Fault distribution and locations of dating samples for terraces and alluvial fan of the Xiaolicun River.黃色菱形為本文光釋光樣品的取樣點(diǎn)，藍(lán)色菱形為AMS 14C 樣品的取樣點(diǎn)(Lü et al.，2014； 司蘇沛等，2014)

圖 5 小李村河階地橫剖面結(jié)構(gòu)Fig. 5 Cross-section of the Xiaolicun River terraces.

3 結(jié)果

3.1 階地分布

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)小李村河共發(fā)育4級(jí)階地，從高到低依次為T4—T1，均為基座階地?；隙逊e了中更新世晚期以來(lái)的河流沉積物，T4—T1階地西北側(cè)廣泛分布最新的洪積扇(圖 3—5)。下面對(duì)各階地、 黃土基座以及洪積扇的沉積學(xué)特征進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

T4階地南部以太古界花崗片麻巖為基座，基座之上及其西北側(cè)出露中更新統(tǒng)砂礫石沉積(圖4a，b)。礫石粒徑為1～20cm，分選中等—較差，為次棱角狀—次圓狀，在粉砂質(zhì)黏土層中發(fā)育平行層理和斜層理，黃色粉砂質(zhì)黏土層含大量層狀鈣結(jié)核，使地層略微發(fā)白。T3—T1階地下部以棕黃色黃土為基座，發(fā)育垂直節(jié)理，并受到小李村河侵蝕形成波狀起伏的頂界，我們認(rèn)為這套地層不同于馬蘭黃土，可能為中更新統(tǒng)離石黃土(圖4c，5)。

T3階地上部為黃色粉砂質(zhì)黏土與灰黑色砂礫石互層，礫石粒徑為1～20cm，分選差，以次棱角為主要特征。T2階地在小李村河西南岸和東北岸發(fā)育，西南岸T2階地上部灰黑色砂礫石層中夾2層厚0.8～1.5m黃色粉砂質(zhì)黏土，礫石粒徑為1～10cm，分選中等—較差，為次棱角狀—次圓狀； 東北岸T2階地上部灰黑色砂礫石層中夾多個(gè)層狀和透鏡狀黃色粉砂質(zhì)黏土，礫石粒徑為1～10cm，分選較差，為次棱角狀。T1階地上部堆積了灰黑色礫石層，其間夾多個(gè)透鏡狀黃色粉砂質(zhì)黏土層，礫石粒徑為1～40cm，分選差，為次棱角狀。

洪積扇以黃色粉砂質(zhì)黏土與灰黑色砂礫石互層為特征，夾粉砂質(zhì)黏土透鏡體，礫石粒徑為1～20cm，分選差，為次棱角狀，平行層理和斜層理在T3—T1階地和洪積扇的粉砂質(zhì)黏土中均有發(fā)育(圖4d，e)。

3.2 斷層展布與分布

跨越中條山北麓斷層帶的小李村河階地和洪積扇露頭共揭示了2條主斷層(F1、 F2)和伴隨主斷層活動(dòng)形成的29條破裂或分支斷層(圖 4，6)。F1沿著T4階地西北側(cè)陡坎分布，F(xiàn)2分隔了T3階地和最新的洪積扇。伴隨F1、 F2活動(dòng)形成的破裂展布于T4、 T3階地和洪積扇中。T4階地內(nèi)西南側(cè)2條破裂延伸至階地面，其西北側(cè)的6條破裂均錯(cuò)斷至階地上部的黃色粉砂質(zhì)黏土層及以上的灰黑色礫石層。F1和F2之間的1條分支斷層錯(cuò)斷了T3階地下部的灰褐色礫石層和黃土基座。洪積扇內(nèi)發(fā)育伴隨F2活動(dòng)形成的多條破裂，并組成地塹、 半地塹的構(gòu)造樣式。

圖 6 小李村河階地和洪積扇的縱剖面結(jié)構(gòu)Fig. 6 Longitudinal-section of the terraces and alluvial fan of the Xiaolicun River.

3.3 年代學(xué)

本文以9個(gè)光釋光年代結(jié)果(表1)和13個(gè)AMS14C 年代結(jié)果(Lüetal.，2014； 司蘇沛等，2014)共同約束了小李村河流地貌的年代。T4階地2個(gè)光釋光年齡相近且其新老符合地層上下關(guān)系(圖4a，5，6)，取較年輕的年齡(214.3±13.9)ka作為該階地廢棄年代。T3—T1階地底部黃土基座的2個(gè)光釋光年齡均證明了野外對(duì)其為離石黃土的判斷。T3階地2個(gè)樣品取自同一地層，其年齡結(jié)果在誤差范圍內(nèi)(圖4c，5，6)，取(118.5±6.4)ka作為T3階地的廢棄年代。T2階地的2個(gè)光釋光年齡非常接近，且與地層上下關(guān)系一致，該階地的廢棄年代為(59.6±2.4)ka(圖4c，5)。T1階地的樣品取自礫石層中部的粉砂質(zhì)黏土透鏡體，因此其年齡應(yīng)老于階地頂部河流沉積物的年齡，在這里取(10.9±0.5)ka近似代表階地的廢棄年齡。但階地頂部的河流沉積物年齡可能略早于階地頂面的廢棄時(shí)代(Xiongetal.，2017)，因此本文所確定的階地廢棄年齡都可能被輕微高估。AMS14C 年代學(xué)結(jié)果表明斷層F2以北的洪積扇出露地層約沉積于距今35ka以來(lái)，小李村河在距今1ka前后下切，使得洪積扇地層出露。整體上，本文的年代學(xué)結(jié)果與階地序列一致，說(shuō)明測(cè)年方法和結(jié)果可靠。

表 1 小李村河階地的光釋光年齡Table1 Optical stimulated luminescence ages for terraces of the Xiaolicun River

表 2 中條山北麓斷層北盤(下降盤)沉積物的AMS 14C 年齡Table2 AMS 14C ages of sediments in the north wall(hanging wall)of the north Zhongtiao Shan Fault

4 滑動(dòng)速率的約束與討論

4.1 小李村河地貌演化與中條山北麓斷層活動(dòng)的關(guān)系

T4基座為太古界花崗片麻巖，中條山北麓斷層曾在其西北邊緣活動(dòng)導(dǎo)致其抬升，同時(shí)控制了斷層兩盤的沉積物發(fā)育(圖4a，4b，6)。中更新世晚期，小李村河在山前堆積一套灰黑色砂礫石與棕黃色粉砂質(zhì)黏土的互層沉積，斷層活動(dòng)導(dǎo)致這套沉積的中下部被斷錯(cuò)。距今約214ka起小李村河開(kāi)始下切，T4階地被廢棄并形成，主斷層F1開(kāi)始活動(dòng)，并形成了T4東南的2條破裂。F1持續(xù)活動(dòng)使T4階地整體抬升，并最終形成高大的洪積臺(tái)地。

距今214～160ka時(shí)，主斷層F1斷續(xù)活動(dòng)使小李村河持續(xù)下切。此外，在倒數(shù)第2次冰期(距今190～128ka)，強(qiáng)烈的冬季風(fēng)將更多粉塵輸送至中條山山前，并堆積一套離石黃土(圖4c，5，6)。小李村河侵蝕了部分離石黃土，并在其上堆積砂礫石碎屑和粉砂質(zhì)黏土。F1的活動(dòng)導(dǎo)致其西北側(cè)的離石黃土及其上部砂礫石和粉砂質(zhì)黏土層被斷錯(cuò)。

距今約120ka起小李村河開(kāi)始下切并形成T3階地。由于T3階地面未被錯(cuò)斷，推測(cè)F1停止活動(dòng)(圖 4)； F2開(kāi)始活動(dòng)，使位于該斷層下盤的T3、 T4整體隆升。小李村河下切至離石黃土，并堆積透鏡體狀的粉砂質(zhì)黏土層和礫石層。

約60ka以來(lái)F2持續(xù)活動(dòng)(Lüetal.，2014)，在其西北側(cè)洪積扇地層中形成了一系列破裂并組成小規(guī)模地塹或半地塹(圖4d，6)。同時(shí)導(dǎo)致小李村河在F2下盤侵蝕下切，并在F2上盤堆積了砂礫石和粉砂質(zhì)黏土。距今約10ka至今，小李村河下切形成T1，并導(dǎo)致T3—T1基座(即離石黃土)出露。F2持續(xù)活動(dòng)使得T4—T1整體處于抬升狀態(tài)，F(xiàn)2上盤繼續(xù)接受山麓堆積，并形成現(xiàn)今的洪積扇。全新世期間，F(xiàn)2發(fā)生了3次古地震事件(Lüetal.，2014)，形成了眾多分布在洪積扇全新世地層中的破裂。中條山北麓斷層帶的活動(dòng)，使斷層帶上盤對(duì)應(yīng)的4級(jí)階地和離石黃土的地貌面和地層被后期的沉積物掩埋。

4.2 中更新世晚期以來(lái)的滑動(dòng)速率約束

為了厘定中條山北麓斷層帶的垂直活動(dòng)幅度，并減小河流堆積過(guò)程對(duì)地貌面高度的影響，本文以高差較大的T4、 T3及其在鹽湖鉆孔中對(duì)應(yīng)的地層限定斷層的滑動(dòng)速率，并結(jié)合鹽湖鉆孔揭示2個(gè)地貌面在盆地中對(duì)應(yīng)的海拔高程，共同限定斷層滑動(dòng)速率。

首先，厘定鹽湖沉積在不同時(shí)期的厚度。Pz3鉆孔上部近60m為鹽湖南岸斷層上盤最后2次氣候旋回中的沉積記錄(曾金艷等，2020)。該鉆孔揭示在倒數(shù)第2次間冰期(距今245～190ka)、 倒數(shù)第2次冰期(距今190～128ka)、 末次間冰期(距今128～73ka)和末次冰期(距今73～11ka)的沉積物堆積厚度分別約為21m、 10m、 13m和7.7m。鹽湖南岸Pz3鉆孔和北岸鹽湖鉆孔(李肖楊等，2020)揭示了相似的沉積物厚度和光釋光年齡，表明鹽湖的沉積速率相對(duì)穩(wěn)定，且T4、 T3廢棄以來(lái)不受鹽湖北岸斷層活動(dòng)影響(郭春杉等，2019)。

基于曾金艷等(2020)對(duì)Pz3鉆孔的沉積學(xué)和年代學(xué)研究，本文重新解釋并約束了對(duì)應(yīng)中國(guó)黃土序列第2層古土壤S2(距今245～190ka)的層位12，其頂、 底界埋藏深度分別為(45.0±1)m、 (52.7±1)m(圖 2)。采用線性插值計(jì)算對(duì)應(yīng)T4廢棄年代((214.3±13.9)ka)的沉積地層的埋藏深度。同理，本文利用Pz3鉆孔揭露的沉積層9堆積時(shí)期(107.6～126.6ka)的平均沉積速率((0.193±0.031)mm/a)推算了對(duì)應(yīng)T3廢棄年代(距今(118.5±6.4)ka)沉積地層的埋藏深度為37.3m。

中條山北麓斷層和鹽湖南岸斷層的持續(xù)活動(dòng)使位于上盤對(duì)應(yīng)T4、 T3廢棄時(shí)期的沉積地層被新沉積物覆蓋。本文根據(jù)Pz3鉆孔所揭示對(duì)應(yīng)T4、 T3廢棄時(shí)期的埋藏層位(曾金艷等，2020)，推測(cè)氣候因素引起了沉積速率的變化，從而導(dǎo)致沉積地層的埋藏深度誤差分別達(dá)到3.8m和1.5m。以中條山北麓斷層帶最西北的破裂所在的洪積扇地表海拔為參考點(diǎn)(374.5m)，通過(guò)DEM測(cè)量得到T4、 T3地貌面的海拔高度，并將Pz3鉆孔的2個(gè)埋藏深度轉(zhuǎn)換為在參考點(diǎn)位置的海拔高度。假設(shè)中更新世晚期以來(lái)不同時(shí)期小李村河洪積扇的坡降是近似的，現(xiàn)今洪積扇在水平距離105.2m的坡降為31.7m，按比例推算T4、 T3到參考點(diǎn)的坡降分別為13.6m和1.5m。

結(jié)合T4、 T3的拔河高度和埋藏深度，減去地表坡降、 鹽湖南岸斷層活動(dòng)形成的垂直斷距，并考慮由氣候影響沉積速率變化造成的沉積厚度誤差后，獲得T4、 T3廢棄以來(lái)在中條山北麓斷層帶兩側(cè)的垂直斷距分別為(67.1±6.7)m和(40.4±3.2)m，最終獲得其相應(yīng)的垂直滑動(dòng)速率分別為(0.31±0.05)mm/a和(0.34±0.04)mm/a(表3，圖 7)。

表 3 中條山北麓斷層滑動(dòng)速率的約束Table3 Constraints on the slip rates of the northern Zhongtiaoshan Fault

將本文結(jié)果與已發(fā)表的中條山北麓斷層滑動(dòng)速率結(jié)果進(jìn)行比較(圖 8)，發(fā)現(xiàn)該斷層在中更新世晚期以來(lái)的滑動(dòng)速率相比上新世晚期和早更新世以來(lái)更大，類似的現(xiàn)象在天山前陸(Luetal.，2019)和祁連山北緣(Zhengetal.，2010； Hetzeletal.，2019)都已被觀察到。這意味著中條山北麓斷層在中更新世晚期以來(lái)活動(dòng)加速，究其原因，不排除由于斷層本身的活動(dòng)規(guī)律導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)期的平均速率低于短期內(nèi)的速率。然而，針對(duì)不同時(shí)間尺度的斷層滑動(dòng)速率的研究表明，斷層動(dòng)力學(xué)特征及表現(xiàn)形式在演化過(guò)程中十分復(fù)雜(Mouslopoulouetal.，2009)。因此，未來(lái)引入更精細(xì)的測(cè)年手段并進(jìn)行更深入細(xì)致的研究對(duì)于有效揭示斷層的活動(dòng)特征十分必要。

圖 7 中條山北麓斷層垂直斷距的獲取Fig. 7 Acquisition of vertical displacements of the north Zhongtiao Shan Fault.紅色圓圈代表Pz3鉆孔的光釋光年齡取樣點(diǎn)(曾金艷等，2020)； 灰色陰影為T3、 T4階地對(duì)應(yīng)的沉積地層

圖 8 晚新生代以來(lái)中條山北麓斷層的滑動(dòng)速率變化Fig. 8 Variation of the slip rates of the north Zhongtiao Shan Fault since the Late Cenozoic.

5 結(jié)論

本文對(duì)中條山北麓小李村河開(kāi)展了地貌學(xué)和年代學(xué)研究。通過(guò)野外觀察和無(wú)人機(jī)攝影圖像識(shí)別出4級(jí)階地和中條山北麓斷層的2條主斷層以及一系列破裂； 利用光釋光和AMS14C 年代學(xué)厘定了T4—T1的形成時(shí)代； 以Pz3鉆孔沉積物和S2-1頂、 底界約束的地層為框架，得到了對(duì)應(yīng)T4和T3廢棄時(shí)代的地層深度； 通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)生成的高精度DEM影像獲取了地貌面的海拔高程?？鄢陆岛望}湖南岸斷層活動(dòng)的斷距，以及氣候變化影響和按平均速率推算導(dǎo)致的誤差后，約束T4和T3廢棄以來(lái)中條山北麓斷層的垂直滑動(dòng)速率分別為(0.34±0.04)mm/a、 (0.31±0.05)mm/a。中條山北麓斷層在中更新世晚期以來(lái)的活動(dòng)速率比長(zhǎng)時(shí)間尺度的結(jié)果更大。

致謝光釋光年代樣品測(cè)試由北京光釋光實(shí)驗(yàn)室科技有限公司完成； 梁浩博士提供了鹽湖鉆孔數(shù)據(jù)； 薛吉鎖、 侯文強(qiáng)、 辛偉林博士和胡秀博士在野外工作中提供了幫助； 李傳友和任治坤研究員對(duì)本研究提出了建議； 尹功明研究員給出了有關(guān)年代學(xué)方法的建議。在此一并表示感謝！