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古浪活动断裂带的古地震活动习性研究

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古浪 活动 断裂带 地震 习性 研究
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编号 85403·2000148 中国地震局兰州地震研究所硕士学位论文 古浪活动断裂带 的古地震活动习性研究 郑 文 俊 指导教师 袁道阳副研究员 中国地震局兰州地震研究所 刘百篪 研究员 中国地震局兰州地震研究所 申请学位级别 理学硕士 学科专业名称 构造地质学 研究方向活动构造及地貌年代学 论文提交日期 论文答辩日期 培养单位 中国地震局兰州地震研究所 学位授予单位 中国地震局兰州地震研究所 中文图书分类号: 编号: 85403·2000148 中国地震局兰州地震研究所硕士学位论文 古浪活动断裂带 的古地震活动习性研究 硕士研究生 郑 文 俊 指导教师袁道阳副研究员 中国地震局兰州地震研究所 刘百篪 研究员 中国地震局兰州地震研究所 申请学位级别 理学硕士 学科专业名称 构造地质学 研究方向活动构造及地貌年代学 论文提交日期 论文答辩日期 培养单位 中国地震局兰州地震研究所 学位授予单位 中国地震局兰州地震研究所 s F N 2003 要(摘 要 古浪活动断裂带位于祁连山东段,是北祁连山活动断裂带东段的重要组成部分,主要由皇城-双塔断裂和天桥沟-黄羊川断裂组成。皇城-双塔断裂西起皇城以西的鸡冠山,东至古浪县双塔,长约141公里,由东、中、西三段组成,其中西、中两段全新世不活动,东段冬青顶段全新世以来有过明显的构造活动,活动性质主要表现为逆冲性质,a。天桥沟-黄羊川断裂西起红腰岘,东至夹皮沟,全长约86公里,以关家台为界分为东西两段,全新世以来均有过明显的构造活动,经探槽揭露和大比例尺测图,a,a。 在本次研究中,通过沿断裂带的追踪考察,在认真分析前人研究成果的基础上,在皇城-双塔断裂冬青顶段上,开挖了三个大型探槽,经综合对比发现该段断裂的近一万五千年以来共发生过3次古地震事件和1次历史地震事件,年代分别是:事件Ⅰ 15930±1160a 事件Ⅱ 9460±700 a 事件Ⅲ 5000±500 a 事件Ⅳ(历史地震)应是1927年古浪8级大地震。这4次地震事件在时空分布上具有明显的准周期复发特征。这4次地震事件中,前两次仅在水峡口一带发生破裂,而后两次为全段破裂,特别是1927年古浪8级地震在该段上形成两条破裂带,破裂长度分别是23公里和28公里。 沿天桥沟-黄羊川断裂开挖6处古地震探槽,发现该断层近万年以来有7次古地震事件和1次历史地震事件,其年代分别为:事件Ⅰ 10552±534 a 事件Ⅱ 9038±39 a 事件910±438 a 事件847±185 a 事件Ⅴ 3562±190 a 事件Ⅵ 2434±137 a 事件Ⅶ 1505±253 a 事件Ⅷ(历史地震)就是1927年古浪8级大地震。其中天桥沟段在近万年以来发生过4次古地震事件和1次历史地震事件(事件Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ),黄羊川段近万年以来共发生过5次古地震事件和1次历史地震事件(事件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ),考虑到探槽的布置方式,认为事件的完整性是可以接受的。考虑全断裂,8次地震事件在时空分布上相对较均匀,具有明显的准周期复发特征,其破裂形式有3次为全段破裂,2次为西段单独破裂,3次为东段单独破裂,破裂长度各不相同,表明该断裂具有明显的分级破裂特性,特别是1927年古浪8级地震在该断裂上形成了长约75公里的地表破裂带。 利用本次古地震研究的结果及区域上前人的研究资料,通过区域对比分析,综合其归一化值,参照已有模型的建模过程,建立了古浪大震区及周边地区的强震复发间隔概率分布模型,并将其应用于古浪大震区及祁连山中东地区未来可能强震地点的预测,认为:老虎山-毛毛山断裂的毛毛山金强河段是未来一段时间内发生强震可能最大的地点,而古浪活动断裂带本身在未来一段时间内发生强震的可能性不大。 关键词:活动断裂 古地震 强震复发 古浪 - i - in t.. It is of in of t. is on is 41on of a to is 6on By on a a on In on s we on By 5000a. 5930±1160a 9460±700a 5000±500a 927. on of of in 927 of 3km 8We on By 0000a. 0552±534 a (, 9038±39 a (, 6910±438 a ( 4847±185 a (V), 3562±190 a (), 2434±137 a (), 1505±253 a () 927. Ⅱ,Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ) Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅷ). By of be of 0552±534a 9038±39a 927. of 927 is 5on in s in by on to of t. We of is in of 录 目 录 摘要…………………………………………………………………………………………ⅰ ………………………………………………………………………………1章 绪言……………………………………………………………………………………1 §内外古地震研究的历史、现状及发展趋势……………………………………1 §浪活动断裂带前人的工作基础和不足………………………………………2 §题的依据及拟解决的关键科学问题…………………………………………2 §要研究内容……………………………………………………………………3 §………………………………………………4 第2章 古地震研究的方法和原则…………………………………………………………6 §设、开挖与记录……………………………6 §…………………………………7 §地震事件时间确定的方法及原则……………………………………………9 §地震完整性的恢复及判定…………………………………………………10 第3章 古浪活动断裂带概述及晚第四纪地层层序的建立………………………………11 §浪活动断裂带概述……………………………………………………………11 城……………………………………………………………11 桥沟………………………………………………………13 §第四纪地层序列………………………………………………………………13 第四纪地层特征………………………………………………………………13 …………………………………………………………16 §……………………………………………………………………17 第4章 皇城-双塔断裂冬青顶段的古地震活动习性……………………………………18 §……………………………………18 §……………………18 流沟滩探槽剖面………………………………………………………………19 家新庄探槽剖面………………………………………………………………21 §城……………………………26 §……………………………………………………………………27 第4章 天桥沟-黄羊川断裂(古浪断裂)的古地震活动习性…………………………28 §桥沟-黄羊川断裂(古浪断裂)的新活动特征……………………………28 §桥沟-黄羊川断裂(古浪断裂)的古地震探槽记录与分析…………………28 - 胡家阳山右扎沟断层剖面………………………………………………………28 塔小石沟探槽剖面……………………………………………………………32 家台探槽剖面…………………………………………………………………35 石沟探槽剖面…………………………………………………………………38 进村探槽剖面…………………………………………………………………40 桥沟杨家湾探槽剖面…………………………………………………………42 §桥沟浪断裂)的古地震事件对比…………………………45 §桥沟………47 …………………48 …………………………………………………48 ………………………………………………………………50 ……………………………………………………………………50 §章小结…………………………………………………………………………51 第6章 古浪活动断裂带强震复发模式……………………………………………………52 §震复发行为及复发模式的主要理论认识……………………………………52 征地震与大地震原地复发的物理机制………………………………………52 震原地复发的一些理论模型…………………………………………………54 震原地复发的一些概率模型…………………………………………………58 §浪活动断裂带的古地震分布特征……………………………………………59 城…………………………………59 桥浪断裂)的古地震分布特征……………………………61 §域古地震复发行为初步研究…………………………………………………63 §裂带强震复发模式模型建立…………………………………………………64 模的思路及数据准备…………………………………………………………65 型的建立………………………………………………………………………66 §……………………68 来可能强震的发震概率………………………………………………………68 ………………………………………………………69 §章小结…………………………………………………………………………70 第7章 结语…………………………………………………………………………………72 §文的主要结论及认识………………………………………………………72 §得的主要进展和成果………………………………………………………73 §在的问题和不足…………………………………………………………73 参考文献……………………………………………………………………………………74 后记…………………………………………………………………………………………81 - 前 言 第1章 前 言 §内外古地震研究的历史、现状及发展趋势 从20世纪70年代末至今,我国古地震研究大体经历了三个阶段[1]。首先,从20世纪70年代末至80年代初是古地震研究的初步阶段,主要是对一些间接古地震遗迹的识别,如古滑坡、古砂土液化和古裂缝等[2,3]。到20世纪80年代中晚期已注意到利用探槽方法直接从断层上获取古地震位错的证据,但该阶段研究的目的多限于揭露断层的活动遗迹,通常探槽规模不大,剖面记录也不是太详细。第三阶段是20世纪90年代以来,古地震研究有了较大的进展,主要是研究精度的提高和针对性更加明确,相继在不同活动构造区的断裂带上选择一些地点有针对性地开展了大探槽、三维探槽和组合探槽等的研究[4,5,6,7],尤其是“九·五”期间对区域古地震、古地震完整性、逆断裂古地震等开展了深入的研究[8,9],获得了大量的新资料和新认识。此阶段所获得的最重要的研究结果有海原断裂古地震的分段复发规律和宁夏南部地区的区域古地震图像等。这些研究对于认识大陆内部强震复发规律具有重要意义,但它们只是根据对一条断裂和一个较小范围内的研究而获得的,是否具有普遍意义还有待于在更多的断裂上和更大的区域内进行验证。 总体看来,国内外对古地震事件和大震复发间隔的研究已从起步阶段开始逐渐走向成熟。主要表现在古地震的研究技术、定年技术和对大震复发行为的认识等方面都取得了重大进展[1]。其中在古地震遗迹探测技术(主要指探槽技术)方面确立了多台阶探槽、组合探槽和三维探槽等技术,并经过多年的积累已建立了一套较为公认的古地震识别标志;在古地震的定年技术方面,形成了包括放射性方法和相对年代方法两大类,二十多种现行的第四纪年代学方法。此外,为尽量减小古地震事件年代的不确定性,还提出了断层窗(法或逐次限定法等[10];在应用方面已形成了一套相对完整的将古地震研究结果用于地震危险性评价的理论和方法[11但需要说明的是,这些研究主要都是基于强震的准周期原地重复模型,而越来越多的古地震资料表明,强震重复模型可能不是唯一的,强震活动在时间上和空间上的分布具不均匀性[21,22],在时间上有丛集期和平静期,空间上有从一个地区向另一个地区或从一条断裂带的某段向另一段迁移的特征。强震丛集行为的发现对古地震研究提出了新的挑战,需要我们在更大的时空范围内,揭示古地震的复发行为。因此,古地震研究的未来发展方向,除了提高单条断裂古地震研究的精度,降低古地震研究中的不确定性外,已经从针对一条断裂带的古地震研究和原地重复的地震危险性预测发展为进行区域古地震研究和以区域强震复发模型为基础的地震危险性分析[23]。因此,对一条断裂带或对一定区域内古地震活动习性的精细研究- 1 - 中国地震局兰州地震研究所硕士学位论文 是当前国际国内活动断裂研究的前缘方向之一。 §古浪活动断裂带前人的工作基础与不足 古浪活动断裂带是北祁连山活动断裂带东段的重要组成部分,主要包括皇城-双塔断裂和天挢沟-黄羊川断裂(又称古浪断裂)两条不同性质的活动断裂带。其中皇城-双塔断裂西起皇城以西鸡冠山,东至古浪县双塔,长约141公里,平面展布呈波状,总体走向逆断为主。该断裂晚第四纪期间新活动明显,是1927年古浪8级地震的主要发震断裂之一[24,25,26]。天桥沟—黄羊川断裂西起红腰岘,东至夹皮沟,长约86公里,总体走向,具逆左旋走滑特性。根据断裂几何展布特征,以关家台左阶拉分区为界,可以分为东西两段[27,28,29]。沿断裂带发育了多级断层陡坎、断塞塘、断错冲洪积阶地等,并保存有部分历史地震破裂的形迹。 “八·五”、“九·五”期间对上述两条断裂开展过1∶5万地质填图和综合研究,对断裂的几何特征、滑动速率、历史地震破裂带等都进行了系统深入的研究并取得了许多重要进展[27,28]。尤其是对1927年古浪8级地震地表破裂带的展布形态、发震构造和发震机制有了更加明确的认识[26]。 同时,沿断裂带的探槽开挖初步揭露了多次全新世古地震事件[27,28,30]。其中,皇城-少还有一次以上的古地震事件。而天桥沟-黄羊川断裂晚更新世晚期至全新世早期,即在距今75907,28,30]。可见古地震事件在时间分布上均具不均匀性,具体表现在各次古地震的间隔时间不一致[27,28,30]。由于当时受探槽数量所限,上述结果很可能存在古地震事件的不完整性。 §量研究表明,强震活动并非都是特征性或准周期性的,还具有时间上的丛集性和空间上的分段性和迁移性。沿祁连山—1]、2,33]、6]、4]、1954年山丹71/4级地震[35]6]等就具有典型的区域性丛集和沿断裂带迁移的特征。那么,该地区的古地震活动是否也具有区域丛集的特征呢?区域强震的丛集性是否代表了地震的发生规律?每次丛集之间的间隔有多长?丛集间隔与单条断裂上的地震复发间隔有什么关系?断裂的分段破裂及迁移活动与断裂段的相互作用之间的关系如何?这些问题无论对于区域地震危险性预测还是对于研究地震复发的理论模型都是十分重要的基础。 - 2 - 第1章 前 言 由于地震复发间隔远大于人类历史地震记录的时间,而历史记载的地震资料又十分有限,仪器记录地震资料也因时间短暂而不能真实地反映断裂长期的地震活动行为,因此,只有从地质记录中寻找已发生地震的遗迹,延长历史地震记录的时间,探寻强震发生的规律,这正是古地震研究的主要内容。即通过研究保存在第四纪地层中的位错及其它与地震有关的地质、地貌证据来识别发生在有历史记载之前古地震的存在标志以及确定其发生年代、频率与强度。古地震研究弥补了历史地震记录的短暂性和局限性,使得我们能够在几个地震重复周期的时间段上来认识断裂长期活动习性和估算未来地震可能发生时间,为地震危险性预测提供基础资料[10,127,37从而建立和检验地震重复模型,如特征地震模式[41,43]和丛集模型(44]等。 近几年来,我国率先已对青藏高原东北缘宁夏境内几条断裂的区域古地震复发行为进行了研究[9,45,46],首次揭示了海原断裂带的分级破裂特征和该区域的古地震活动图像。那么整个青藏高原东北缘古地震活动又是一种什么图像?是整个区域的丛集,还是更次一级小区域范围内的丛集?上述问题需要通过对该区主要活动断裂带古地震活动习性的精细研究来回答。其中,古浪活动断裂带应该是研究的重点之一。 前已述及,古浪活动断裂带包括以左旋走滑为主的天桥沟—黄羊川断裂和以逆断为主的皇城—双塔断裂,它们在深部都可以归并到一组滑脱带上,共同形成巨大的古浪推覆体构造,构造组合形式既有典型性,更具特殊性。我们正是针对古浪活动断裂带古地震研究的薄弱环节,选定“古浪活动断裂带的古地震活动习性研究”为论文的重点。拟通过对单条断裂上尽可能多的古地震探槽揭露,来达到认识古浪断裂带本身及北祁连山地区区域古地震活动特征的目的。 §可能完整地揭露古浪活动断裂带上单条断裂的古地震事件是本论文的主要研究内容,进而获得本区区域古地震活动图像和强震复发特性,建立强震复发模式,判定未来的强震危险区。总体研究思路为:以古浪活动断裂带(天桥沟—黄羊川断裂和皇城—双塔断裂带)为研究对象,针对研究程度不同和活动强度不等的断裂段,开展野外和室内、宏观和微观、实际观测和理论分析相结合的研究,以定量和精细为原则,以先进技术为手段,研究该断裂带的古地震活动期次,重建本区的古地震活动图像,探讨古地震复发习性,尝试讨论古地震活动的完整性,从而建立本区强震复发模式,为强震危险性预测提供可靠依据。 论文的具体研究内容包括: (1)沿断裂带晚第四纪(尤其是近万年以来)地层沉积环境和微地貌年代的研究。在前人研究的基础上,对本区的冲沟和河流阶地进行对比研究,建立研究区晚第四纪地层- 3 - 中国地震局兰州地震研究所硕士学位论文 序列柱状图,为古地震探槽布设和标志层的对比奠定基础。 (2)典型断错微地貌的深入研究。选择断错地貌典型,并有古地震剖面出露的地段开展大比例尺测图,获得它们对古地震位错事件分期和断裂活动习性的配套指示作用。 (3)探槽的古地震期次识别和位错量研究。依据目前较为成熟的探槽古地震识别标志,判定探槽揭露的古地震期次,采集控制古地震事件的年代样品,恢复被断错标志层的位移历史和位错事件的位移量。 (4)古浪活动断裂带古地震复发行为和完整性研究。在单条断裂古地震研究的基础上,进行综合对比分析,对多个探槽采用逐次限定的分析方法确定断裂带古地震活动的完整图像,探讨本区古地震的复发行为,建立强震复发模式及复发模型等。 (5)古浪大震区未来地震危险性的判定。在以上研究的基础上,综合判定研究区未来地震危险性。 §国际相比,当前我国活动断裂带古地震研究的主要差距表现在以往的研究精细化和定量化不够;研究地点的基础地质工作不够扎实,有相当数量的探槽在开挖时很少考虑探槽所在地的地貌、地质环境及可能保存的古破裂遗迹、采样可能性和断层位移量等因素;此外探槽布设也缺乏系统性,往往忽视组合探槽,即信息互补的问题,缺乏在开挖探槽的同时,结合其它手段揭露古地震位移分布、事件的破裂长度和分段等信息的意识;年代测定的高新技术和科学性不足。 本论文将针对目前存在的问题,有的放矢地开展野外和室内工作,以提高研究结果的科学性和准确性,尽可能地减少古地震事件的不确定性。古地震研究的不确定性主要是指古地震事件的发生时间、复发间隔和位错量等的不确定性。可以由样品采集不科学、古地震遗迹保存不好、工作精细程度不够和测年技术本身不完善等引起。为了尽可能克服上述问题,研究中我们拟采取的技术路线和研究方法如下: (1)首先对研究区进行微地貌和第四纪(尤其是晚第四纪)地层及沉积环境的研究。包括在重点地段进行大比例尺测图,建立起可供对比的晚第四纪地层层序,为开展古地震期次、年代的对比奠定基础。 (2)充分论证探槽开挖地点,综合考虑探槽在揭露事件期次、事件位移量、破裂的空间分布(破裂分段)等方面的作用以及采集年代样品的可能性。力求控制断裂带古地震的时、空、强分布特征,恢复研究区万年以来的古地震活动历史。 (3)认真记录和分析每一个探槽剖面,科学、合理地采集古地震事件年代的样品。采用网格控制法,细致描述和实地记录剖面信息,用沉积环境学、微地貌学、构造学的知识综合判断可能存在的古地震遗迹、被断错的标志地层及事件的位移量。采集足够的确- 4 - 第1章 前 言 定古地震事件的标志地层的年代样品,其中以14(4)结合微地貌、多探槽等揭露的古地震事件及位移量、样品分析得到的标志地层年代等,采用逐次限定方法[10]或断层窗及其它统计方法,综合分析并恢复研究区的古地震活动历史及断层活动习性。 (5)在以上研究的基础上,尝试讨论古地震事件的完整性,建立本区强震的复发模式等。 综合上述论文研究的基本思路,本论文研究的技术路线流程为: 晚第四纪地层序列的建立 地震危险性的判定 断裂各段未来强震概率强震复发模式研究古地震复发行为的研究活动构造特征及断裂古地震研究 资料的收集与整理 - 5 - 中国地震局兰州地震研究所硕士学位论文 第2章 古地震研究的方法和原则 沿活动断裂带开展古地震研究,需要选择好合适地点,运用探槽技术完整地揭露和识别保存在地层中的破裂特征,恢复过去已发生强震的历史。 §设、开挖与记录 探槽是向地表以下开挖沟槽来揭示三维土体物质的一种勘探方法,由于它具有真实、少干扰、可以直接取样、经济、效果好等优点,因此近年来被广大地震地质、活动构造研究者广泛采用,尤其在古地震研究中发挥了极其重要的作用。关于探槽技术,一些学者做过详细的研究[7,23,47其理论与方法已经比较成熟,关键是在具体实施时需要地貌学、地震地质学、沉积学、土壤学、古气候学、历史学等各种知识的综合判断,以期选择最合适的地点,最大限度地揭露、识别和获取古地震信息。 揭露古地震事件的探槽技术,其过程包括探槽地点的选择、布设、开挖与记录,基本原则是:最大限度地从地质记录中揭露和获取古地震信息(包括事件的期次和位移量),并采集到能够准确地限定古地震发生时间的测年样品。 在探槽施工前,必须对该地点附近的地层、构造背景和晚更新世以来的地貌演化历史作透彻的了解。探槽位置要尽量选在断层陡坎前缘,有一定的沉积物覆盖,并尽量避开河流冲刷的影响或人为改造的影响。 探槽布设的总体原则要有利于最有可能地发现断层的位置,以及最有效地确定断层作用事件的年龄、位移量和指向等。因此,探槽的布设需要注意:探槽的长轴尽可能与所要检验的地层—构造特征或是其它线性构造垂直;开挖地点应包括一层晚第四纪沉积覆盖层;尽可能布置在年龄明显不同或岩性突然变化的第四纪沉积物中;要尽可能穿过由断层形成以后堆积的局部沉积物,这样易于获得测年的有机物质;充分利用流经断层的古冲沟沉积物等等。 另外,探槽位置的选择也取决于希望观察到的古地震的次数。如果目的是为揭露最新的一两次地震事件,探槽可布设在地表堆积有最新沉积物的断层地段;如果想要揭露多次地震事件的累积变形,则要在断层作用、沉积物堆积和被侵蚀过程相对平衡,从老到新地层保存相对完整的地段[1,7]。再者,为了尽可能揭露完整,只要条件允许,就应该多布设或开挖组合探槽,其形态和样式可因地制宜。 探槽一般采用挂网的方式进行记录,典型的网格为1×1㎡一格,重点部位可根据需要建立更大比例尺的网格,记录可由人工或是仪器来完成。本论文在野外工作过程中,主要采用1×1㎡的网格,由人工按1︰25的比例尺进行记录,部分重要地段用照相机- 6 - 6第2章 古地震研究的方法和原则 进行拍照记录。探槽记录的内容包括:基本地层单元及地层单元中岩性的描述;土壤层及特征描述;地层单元之间的边界、沉积地层与土壤层的界线、构造界线(断层、裂缝、褶皱变形和液化等)等接触界线。探槽记录是对保存在地层中的古地震变形遗迹的观察和识别,直接关系到对过去地震历史认识的正确与否,因此,在记录过程中,必须注意以下几点:⑴确定基本地层单元划分时,要更强调变形系列、沉积和沉积间断,而不是单纯以岩性的变化作为分层标志;⑵古土壤层是地层中指示过去地面的重要标志,古土壤发育的程度则指示地面稳定的时间长短,古土壤剖面与地层单元的互层常常是理解沉积序列与构造事件及它们相关时代问题的关键标志;⑶识别断层尤其是隐伏断层与地层单元的关系是古地震探槽技术的关键所在,需要十分仔细观察物质结构、硬度变化或沿断层的碎屑排列以及裂缝、空洞、充填楔、碎石相对断层富集等;⑷记录完成后,要进行多次的反复观察和修正,在此基础上,再分析古地震变形的类型、期次和变形时间的序列,确定事件层,采集年代样品,尝试恢复古地震事件的变形过程[1,7]。 §动断裂古地震识别的一些标志和方法 正断层发育于张性的地质环境中,在其地质演化过程中主要形成有:断层陡坎地貌、复合陡坎的坡折数、坎前堆积、埋藏古土壤等直接识别标志以及一些间接识别标志。而逆断层多发育于压性或是压扭性环境中,其地貌形态主要也是断层陡坎,识别古地震事件的直接标志也是复合陡坎坡折数,在探槽古地震研究中,主要
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