鄒俊杰 周永勝何宏林※ 耿 爽趙家豪

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)中國地質大學（北京），北京100083

引言

地震是一種突發(fā)的、劇烈的地殼運動形式，是在區(qū)域構造應力作用下，應變在活動斷層上逐漸累積達到極限狀態(tài)后失穩(wěn)、破裂、滑動的結果。隨著人類社會城鎮(zhèn)化越來越高，強震所帶來的自然災害對人類生活的威脅、給社會造成的損失越來越大[1]。古地震學研究的目的就是通過研究在現(xiàn)代儀器和歷史記錄之前保存在地質現(xiàn)象中的地震事件，使我們能夠在更長時間尺度、多個地震輪回的時段上研究大地震歷史，認識活動斷裂的長期地震行為，并合理評估未來地震的危險性，減少地震災害損失[2]。當前，探槽技術在活動構造中得到了廣泛的應用并取得了一系列豐碩的成果，成為古地震研究的主要手段[3]。但是，古地震探槽技術無法在基巖區(qū)開展研究工作，這一定程度上限制了古地震研究的時間和空間范圍[4]。

基巖斷層面是斷層在長期活動中位錯累積的產(chǎn)物[5]，其具有抗侵蝕能力強、不存在沉積序列缺失的優(yōu)勢。因此，它可以更大程度地記錄到斷層面上所經(jīng)歷的古地震事件，成為基巖區(qū)提取古地震信息的良好對象。當斷層的滑動速率小于下盤的侵蝕速率和上盤的沉積速率時，基巖斷層坎會被破壞、埋藏，難以出露；當斷層的滑動速率大于下盤的侵蝕速率和上盤的沉積速率時，基巖斷層坎會出露、并得以保存古地震信息（圖1）。國內外已有大量的研究，報道了從基巖斷層面上提取古地震信息（地震期次、同震位移量和地震年代）、恢復斷裂古地震歷史的成功案例，如：Zreda和Noll[6]對美國盆嶺省的研究、Mitchell等[7]對以色列正斷層坎的研究、Benedetti等[8]對希臘裂谷系的研究、Giaccio等[9]對意大利正斷層系的研究以及鄒俊杰等[10-11]對中國山西地塹系的研究。

圖1 基巖斷層面出露的條件（改自Reicherter等[12]）Fig.1 Conditionsfor exposureof bedrock fault surfaces （Modified from Reicherter et al.[12]）

值此基巖斷層面古地震研究蓬勃發(fā)展的關鍵時刻，本文總結歸納了幾種當前從基巖斷層面上恢復古地震歷史的主要方法，指出了現(xiàn)階段基巖斷層面古地震研究在選點上應注意的問題，提出了今后宜重點加強工作的若干建議，以期能對今后基巖斷層面的古地震研究工作起到積極的推動作用。

1 基本原理與影響因素

基巖斷層面，在周期性的地震事件的作用下會分段地暴露于地表面，從而在基巖斷層的下盤表面，形成在物理化學性質上具有差異性的分段。沿斷層面高度方向上，先暴露的斷層面分段位于斷層面的上部，后暴露的斷層面分段位于斷層面的下部。兩個相鄰的分段中，先期暴露于地表的斷層面分段會比后期抬出地表的斷層面分段多經(jīng)歷一個地震周期的侵蝕風化時間，通常在數(shù)百年至上千年，因此，兩個分段在暴露時間、形貌特征、硬度指標、核素濃度等一系列物理和化學指標上均會表現(xiàn)出明顯的差異[6-9]。選擇合適的方法，將這些分段差異特征加以識別和量化，可以有效地恢復基巖斷層面的地震活動歷史。通過識別斷層面某一物理化學特征的分段數(shù)量、分段高度和暴露時間，可以識別斷層表面經(jīng)歷的地震事件的期次、同震位移量和地震發(fā)生時間，從而恢復基巖斷層的地震活動歷史，這就是以基巖斷層面為研究對象提取基巖區(qū)古地震信息的基本原理[10-11]。

能否從基巖斷層面上成功提取古地震信息，主要受控于兩大方面的影響因素：①作為古地震信息承載體的基巖斷層面，保存是否自然完整。由于基巖斷層坎出露地表后，會受到一系列地表過程和人為因素的改造和影響，這些非構造因素會使得斷層面遭到破壞，難以承載古地震信息，從而無法開展古地地震研究工作。因此，選擇一個合適的基巖斷層面為研究對象，對于開展古地震研究工作十分必要。②所選用的古地震研究方法本身的適用情形和限制條件。任何一種研究方法都有其適用條件和影響因素，基巖斷層面古地震研究的每一種方法都有其優(yōu)勢、不確定性和適用條件。

2 主要研究方法

當前，從基巖斷層面上提取古地震信息，主要依據(jù)斷層在地震事件作用下分段出露的特征，通過識別斷層面某一特征指標的分段數(shù)量、分段高度和暴露時間，恢復基巖斷層的活動歷史（圖2a）。目前廣泛運用的研究方法主要有5種：

（1）基于陸基LiDAR掃描獲取斷層面高精度數(shù)據(jù)，通過形貌參數(shù)分析獲取古地震事件期次和同震位移量的形貌測量分析法（圖2b）。該方法使用陸基LiDAR掃描獲取高密度點云數(shù)據(jù)，通過剔除噪點、置平數(shù)據(jù)和生成規(guī)則的高精度DEM后，采用形貌參數(shù)對斷層表面形貌特征進行量化，識別出斷層表面不同期次的風化條帶和古地震事件。這種方法主要適用于斷層表面保存較好、沿高度方向上具有差異侵蝕風化特征的斷層面，其優(yōu)勢在于是非接觸式無損測量、快捷方便省時省力，但是也存在測量儀器昂貴、掃描過程易受外界干擾、掃描范圍存在盲區(qū)和無法獲得古地震年代的問題[11]。

（2）通過采集基巖斷層面上的巖石樣品，測定斷層面在地震事件作用下的分段暴露期次、位移量和時間的宇宙成因核素測年法（圖2c）。該方法在基巖斷層面上，從底到頂連續(xù)地采集巖石樣品，通過測定不同高度上巖石樣品的核素濃度，結合采樣點的核素產(chǎn)率，獲得斷層表面核素濃度的分段特征、分段高度和分段暴露年齡。這種方法需要考慮基巖斷層面的巖性，不同巖性的基巖斷層面需要采用不同核素進行暴露定年，目前使用最多的是針對碳酸巖斷層面的36Cl暴露測年，也有針對含石英礦物的斷層面的10Be暴露測年[8]。其優(yōu)勢在于不僅能夠獲得古地震事件的期次和同震位移量，還可以測定地震事件的年代，但是需要采集大量巖石樣品測試、模擬算法復雜、耗時耗力。

（3）根據(jù)光釋光衰退深度差異曲線，進行斷層面古地震事件和同震位移量恢復的光釋光衰退深度判別法（圖2d）。該方法在基巖斷層面上連續(xù)切割塊狀巖石樣品，測定不同高度處巖石樣品的光釋光衰退深度差異，通過構建光釋光信號衰退深度與斷層高度曲線對斷層表面進行分段，從而識別古地震事件和同震位移量。該方法目前只在含有石英礦物的花崗巖中開展過研究，是光釋光技術在基巖斷層面上提取古地震信息的新嘗試，但是需要投入大量的人力物力，識別的同震位移量的精度同時受制于表面和深度樣品分辨率，無法獲得地震事件的年代。

（4）通過施密特錘在基巖斷層面上采集系列回彈值，根據(jù)回彈值的大小和離散程度反映的風化層的厚度，進行古地震歷史恢復的施密特錘回彈值測量法（圖2e）。該方法需要從基巖斷層面的底部到頂部，使用施密特回彈儀進行單點的連續(xù)敲擊并記錄回彈的數(shù)值，由于斷層面上先期暴露的部分受侵蝕風化的影響大、回彈值小而分散，后期暴露的部分受侵蝕風化的影響小、回彈值大而集中，因此，可以用于斷層表面的分段和地震事件的識別。該方法在理論上可以適用于具有表面風化厚度差異的斷層面，并且已經(jīng)成功運用于碳酸巖斷層面。這種方法反映了斷層表面受暴露時間的不同而形成的巖石強度的差異，雖然是一種接觸式的一維測量方法，但是工具輕巧便攜、處理流程簡單成熟，同樣存在無法獲得地震事件年代的問題。

（5）通過分析基巖斷層面上地球化學元素，特別是稀土元素和釔元素序列，識別古地震事件期次和同震位移量的地球化學元素峰值識別法（圖2f）。該方法需要從基巖斷層面上采集序列巖石樣品，測定稀土元素和釔元素的濃度，通過識別稀土元素和釔元素異常高的分值條帶，確定下盤的基巖斷層面和上盤的松散沉積物的接觸界線，從而劃分斷層表面的分段邊界，恢復基巖斷層面古地震活動歷史。該方法在理論上可以適用于地震周期長、同震位移量大的斷層面，目前已經(jīng)在碳酸巖斷層上取得了良好的成果。但這種方法需要采集大量巖石樣品進行化學實驗，卻無法獲得斷層面的暴露年齡，不適用于具有地震叢集特征的基巖斷層面，可以作為一種斷層面古地震識別的輔助判別方法。此外，通過野外目視解譯基巖斷層面的風化條帶[13]，測量斷層面上侵蝕坑的深度[5]，照片融合拼貼分析[9]以及地衣生長大小的量化分析[14]，也可以識別出基巖斷層面在高度上的條帶狀差異，恢復基巖斷層面的出露歷史，提取基巖斷層面的古地震信息。

圖2 基巖斷層面古地震研究方法的模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of study methods about paleo-earthquake identification on bedrock fault scarp

3 適合開展古地震研究的基巖斷層面的特征

基于上述介紹的形貌學、年代學和其他物理化學指標重建基巖區(qū)斷層的古地震歷史的時間、震級和強度是完全可能的，但需要選擇合適的研究地點。由于基巖斷層坎出露地表后，會受到一系列地表過程和人為因素的改造，這些非構造因素的作用使得斷層坎被埋藏或者破壞（圖3）。因此，只有選擇出保存完好且具有構造（地震活動）指示意義的基巖斷層面，才有可能成功地從基巖斷層面上提取古地震信息[19]。

圖3 基巖斷層坎的3種出露和保存情況Fig.3 Three typesof exhumation and preservation of bedrock fault surfaces

本文總結了前人在美國東部Hebgen湖的基巖正斷層面[6]、以色列的Nehaf基巖正斷層坎[7]、希臘[8]和意大利[9]裂谷系的基巖斷層面的研究，結合本人在山西地塹系的羅云山山前斷裂[10]和交城斷裂[11]開展的工作，并根據(jù)古地震學先驅McCalplin[3]提出的開展古地震研究的目的和野外選點注意事項，總結歸納出適合提取古地震信息的基巖斷層面的6個特征。一般來說，理想的基巖斷層面應具有以下6個特征（圖4）：

圖4 適合開展古地震研究的基巖斷層面的特征（改自Bubeck等[19]）Fig.4 Characteristicsof bedrock fault surfacessuitablefor paleo-earthquake study （Modified from Bubeck et al.[19]）

（1）自然性。自然性是指基巖斷層表面應該是自然的，并且排除了在選定的研究地點存在人工挖掘斷層表面的可能性[3]。為此，選擇的基巖露頭最好遠離農(nóng)田、大壩等人為建筑，盡可能排除人類活動的干擾。

（2）可見性?？梢娦允侵笖鄬勇额^沒有被崩積物和沖積物掩埋、充分暴露，能夠為古地震學家發(fā)現(xiàn)識別，成為古地震研究的良好對象。為此，研究地點通常應選擇遠離上盤沖積扇和下盤崩塌區(qū)等地方，以防止基巖斷層面被全部或部分掩埋[19]。

（3）構造性。構造性意味著選定的基巖斷層表面必須被斷層活動挖出，并盡量減少地貌過程的影響。為此，選址應遠離受侵蝕過程影響的區(qū)域，以確保上盤坡度的穩(wěn)定，排除斷層面由于溝谷侵蝕剝露的可能性[19]。

（4）完好性。完好性是指斷層崖通常會因巖崩和凍融作用而被侵蝕、后退甚至破壞，因此，只有保存完好的部分才能作為古地震學研究的良好指標。實踐中，通常選擇基巖斷層下部完整的部分進行研究，避開斷層陡坡頂部的破碎帶和剝蝕坡[10-11]。

（5）獲得性。在某些情況下，雖然斷層陡崖保存完好，但由于地質環(huán)境惡劣或受國家政策保護，接觸式的測量方法（如，宇宙成因核素測年）難以開展。為此，在研究正式實施前，需要考察當?shù)氐牡刭|條件并了解相關政策[3]。

（6）代表性。代表性是指獲得的古地震歷史盡可能完整，斷層的滑動速率盡可能準確，這就要求地表的斷層變形集中在所研究的基巖斷層面露頭上。為此，研究點選擇應遠離轉換斜坡和分支斷層[6-9]。

上述6個基巖斷層面的典型特征，可以作為在基巖區(qū)選擇合適的古地震研究點的原則。

4 建議與展望

近幾十年來，在基巖斷層面的古地震研究中，雖然不斷有新方法的出現(xiàn)、新指標的產(chǎn)生和新技術的引入，對于已有模型也在不斷完善，但是依然存在一些問題和不足有待解決和改進：

（1）斷裂系的整體性和系統(tǒng)性關注不足。從全球范圍的研究成果看，目前的研究主要集中在美國的盆嶺省、意大利的阿卑斯山脈、以色列和希臘的地塹系中的某一條斷層[6-9]。這是因為過去一段時期內，基巖區(qū)古地震研究尚處于起步階段，國內外研究學者主要專注于基巖斷層面古地震研究的技術方法的開創(chuàng)與發(fā)展，大量的研究工作都聚焦在以某一基巖斷層露頭為試驗點，探索古地震識別方法和鑒定技術的適用性和可行性上。在目前階段，這些研究方法已經(jīng)通過大量的實例研究，證實了其可行性和適用性[10-11]。因此，在今后的研究中，需要更加重視這些方法的綜合運用，揚長避短，更加注重斷裂系的整體性和系統(tǒng)性的研究，適時地將研究目標由單條斷裂的實驗性探索轉向整個斷裂系的系統(tǒng)性研究。為此，有必要選擇一個歷史地震資料豐富、基巖斷層面廣泛出露的活動斷裂系（如，中國的山西地塹系）開展研究，給出斷裂系內主要基巖斷裂帶的古地震活動時空分布，使得基巖斷層面古地震的研究工作更具整體性，動力機制的解釋更具合理性，推動基巖斷層面古地震研究向更大的時空尺度邁進。

（2）目標斷層局限于斷陷盆地帶內的基巖正斷層，對其他構造背景下的基巖正斷層面鮮有關注?？v觀國內外研究成果，目前研究區(qū)域內大的構造背景仍以斷陷盆地為主，而事實上正斷層的產(chǎn)生背景并不局限于此。在拉張型區(qū)域應力條件下，如走滑斷層的尾端和轉折處以及逆斷層褶皺軸部地帶都會形成一系列正斷層，其中有些就發(fā)育在基巖區(qū)。這些構造區(qū)的基巖正斷層活動歷史和特征與地塹系內的正斷層是否存在差異，在對這些區(qū)域構造背景不同的基巖正斷層的研究中，又會對現(xiàn)有的研究方法產(chǎn)生哪些積極的反饋，是今后研究中一個值得思考的方向。

（3）一方面，雖然當前已有許多研究方法用于基巖斷層面的古地震研究，但是這些方法本身仍然需要不斷的優(yōu)化和改進。以宇宙成因核素測年方法為例，當前的測試方法主要是針對碳酸巖和含石英礦物的基巖斷層面[6,8]，尚無對于其他巖性的基巖斷層面開展定年工作報道，這一定程度上限制了可用于開展古地震年代測定的對象和范圍。因此，需要針對斷層面的不同巖性，發(fā)展出相應的測年方法，給予地震事件的年代學框架。另一方面，需要積極引入新的古地震識別方法到基巖斷層面研究領域中，以豐富和完善基巖區(qū)古地震研究體系。當前，快速發(fā)展的高光譜技術和基于Structure from Motion（Sf M）技術的三維圖像處理技術[11-12]，可能為從基巖斷層面上快速獲取元素分布特征和精細形貌結果提供新途徑。

（4）斷層表面的剝蝕作用和出露后所經(jīng)歷的地表過程，極有可能“抹殺”斷層面上記錄的地震信息，這對任何一種基巖斷層面古地震的識別手段都會造成不利影響。在一些地表過程活躍區(qū)，地表過程會嚴重干擾斷層面的出露與保存。因此，在開展基巖斷層面古地震研究之前，建議采用本文總結的良好的基巖斷層面研究點具有的6個特征對研究點進行甄選，從而快速準確地從研究區(qū)選擇出適合開展古地震研究的基巖斷層面工作點。

5 結語

綜上，基巖區(qū)斷層的古地震研究，拓寬了古地震研究的空間范圍和時間尺度，與松散沉積物區(qū)的探槽技術結合，有利于給出斷裂更加完整的古地震序列和活動歷史，從而對區(qū)域地震危險性給出更為合理的評價。在具體的工作中，需要多方法相結合、多源數(shù)據(jù)相融合，及時地優(yōu)化已有方法、適時地引入新技術，特別要重視對研究點的甄選，注重斷裂系的整體性和系統(tǒng)性，推動基巖斷層面古地震研究向更大的時空尺度邁進。