王怡然　李有利　闫冬冬　吕胜华　司苏沛

（北京大学，城市与环境学院地表过程重点实验室，北京　100871）

中条山北麓断裂中南段全新世地震事件的初步研究

王怡然李有利*闫冬冬吕胜华司苏沛

（北京大学，城市与环境学院地表过程重点实验室，北京100871）

通过对中条山北麓断裂进行探槽研究，揭露了全新世以来，断裂中段和南段的3次古地震事件，包括1次发生在8 570～8 010a BP、贯通断裂中段和南段的8级以上特大地震，以及4 800～6 010a BP和2 110～320a BP发生的2次7级左右的大地震，地震复发间隔约为3 500a。研究表明，中条山北麓断裂的南段和中段在全新世发生过多次活动，活动性较强。

中条山北麓断裂古地震探槽研究活动断层全新世

0　引言

山西地堑系是华北重要的地震带，由一系列NNE、NE和NEE走向的地堑盆地构成。中条山是山西地堑系南部运城盆地的南侧和东侧界山，其北麓断裂对运城盆地地貌与新生代地质演化起到了关键性的作用。

历史上，以中条山北麓断裂为主控断裂的运城盆地无M≥7历史地震记载，仅有3次6级地震发生，包括公元前23世纪传说时期舜都蒲坂（今永济）6级地震，公元793年永济6级地震和1642年硝池一带的6级地震（徐锡伟等，1992；苏宗正等1993，2001；兰青龙等，1995）。之前的古地震研究认为，中条山北麓断裂总体活动性水平低，地震重复间隔长，南段和北段活动性最弱，北段最新活动时间距今5×104a以上，重复间隔＞5×104a；南段最新活动时间距今7 000年，重复间隔1.2×104a（徐锡伟等，1992；苏宗正等1993，2001；兰青龙等，1995；程绍平等，2002）。然而，我们的最新野外调查和探槽研究结果表明，断裂的北、中、南段在全新世都发生过不止一次强震。因此，未来中条山北麓断裂有发生超过历史记录的强震的危险。为了更好地了解此断裂的性质，更准确地评估其地震危险性和进行长期预测，对不同探槽揭示出的古地震事件进行了对比研究，对中条山北麓断裂中南段全新世发生的地震事件进行了较深入的讨论。

1　构造背景

山西地堑系位于鄂尔多斯断块东缘和南缘，EW向阴山构造带和秦岭构造带之间。该地堑系由一系列NE或近NE向构造隆起和盆地构成，呈NNE向展布（王乃睴等，1996）。运城盆地位于其最南端，是山西地堑系断陷最深的盆地之一（王强等，2000）。

运城盆地为南深北浅的半地堑式盆地，物探资料揭示南部新生界厚度达7 000余米，第四纪沉积厚度为700m（张世民，2000）。盆地南部和东部由中条山限定，山体在东北部为NE－SW走向，到西部转为NEE或近EW走向。中条山山地主体向南掀斜，出露太古界变质岩系，上覆寒武系—二叠系。靠近中条山是盆地下沉最强烈的地区，目前仍发育湖泊洼地。

中条山北麓断裂位于运城盆地南缘，西起首阳，向东经韩阳、西姚温、李店、西坦朝、小李村、夏县、柏范底等，全长约130km，走向NE—NEE（图1），断层面倾向NW，倾角为60°～80°，为高角度正断层。根据断层走向的几何不连续性，以西姚温和磨河村附近的断裂走向转折点为界将其分为夏县段（北段，走向NE）、解州段（中段，走向NEE）和韩阳段（南段，走向NE）（程绍平等，2002）。

图1　山西中条山北麓地质简图（修改自程绍平等，2002）Fig．1　Tectonic sketch of the northern Zhongtiao Mountains（after CHENG Shan-ping et al．，2002）．

2　研究方法

2.1古地震事件的识别

古地震是发生在历史地震记录以前的地震事件，其识别主要通过辨认地震造成的主要（断层地表破裂、崩积楔、不连续地层和构造河流阶地等）和次生（喷沙冒水、滑坡等）的地貌和沉积学证据。由于中小型地震难以产生或保存地表证据，通常只有大地震（6.5级以上）或特大地震（7.8级以上）才能被识别（邓起东等，2008；McCalplin，2009）。

开挖穿越活动断裂的探槽是研究古地震最有效和最重要的方法。利用探槽剖面上断层的错断变形及相关沉积学标志，可识别古地震事件及确定其位移量，同时采集年龄样品（冉勇康等，1999；冉勇康，2001；邓起东等，2008；McCalplin，2009；杨景春等，2011）。本次研究通过地质地貌调查，在确定被断错的地貌部位和断层露头地点的基础上，选择开挖了2个探槽（探槽位置见图1）。

研究表明，一个探槽很难完整揭露一个活动断裂段上的古地震事件。而同一断裂段上不同部位的多个探槽则有可能将某一时段内的古地震历史完整地揭露出来。多个探槽所揭露的事件不一定是独立的，它们有可能是同一事件。通过对所有事件的综合分析，逐次限定，能够区分出不同的事件（毛凤英等，1995）。

逐次限定法假定一个断层段上开挖的若干探槽所揭露的事件次数不完全一样，但在不同的探槽内总有一些事件的年龄接近。通过逐次限定，可把那些在时间上只确定了上限或下限年龄，或确定了上、下限年龄的事件，限制在一定的时间范围内，以较好地确定古地震事件的年代（毛凤英等，1995；冉勇康等，1999）。这一方法在诸多古地震研究中得到广泛应用（杜鹏等，2009；郭慧等，2012）。

2.2年代样品的采集与测试

为了限定古地震事件发生的时间，在每个探槽的不同地层都采集了炭样。探槽TC－1采集到并得到年代数据的样品有11个，探槽TC－2中采集并得到年代数据的样品有8个。这些样品分别送到了美国BETA实验室和北京大学加速器质谱实验室进行测试。实验得出的测试年龄根据INTCAL09数据库数据进行置信水平为0.95的校正（Reimer et al．，2009）。

2.3古地震震级的估计

在古地震研究中，一般认为震级与地震地表破裂长度（L）及同震位错量（D）之间存在关系，并在不同震级条件下采用以下公式进行回归分析以得到经验关系：

邓起东等（1992）收集统计了东亚地区地震地表破裂资料进行回归分析，认为M，L，D之间存在相互关系，且它们两两间的相互关系也是互相影响的，因此对式（3）进行二元回归更符合实际情况，得出了东亚地区不同分区的函数关系式。

其中，本研究所在的华北地区正走滑断层的关系式为

3　探槽及古地震事件研究

本研究主要包括断层中段和南段的2个探槽，探槽内采集年龄样品及测试结果如表1。

3.1探槽1（西姚温探槽）

探槽1位于南段（韩阳段）。南段地势南高北低、东高西低，断裂走向N30°E，长约20km，由多条次级断层左阶斜列组成。山前断层三角面形态清晰，呈现自东北向西南三角面越来越不发育的趋势。冲沟阶地和跌水发育比较明显。中条山北麓断裂南段冲沟深切山前黄土台地，全新世晚期冲洪积扇较少，仅在东北段西姚温及其附近发育。野外断层天然露头大多为更新世老断层，仅在西姚温附近冲沟沟口发现全新世黑垆土被明显断错，确定该处为全新世断层天然露头并开挖探槽1（位置见图1，TC－1）。

表1　采集的14C样品数据Table 1　14C age data

该探槽揭露出7个地层单位（图2），分别为

①可见厚度约0.5m的深棕黄色粉砂层；

②平均厚度约0.3m的白色粗角砾层；

③棕黄色粉砂含粗角砾透镜体层；

④古地震形成的崩积楔，其最厚部为0.5m，内含杂乱的大砾石；

⑤厚度1～2m的黑色－棕黄色粉砂层，内含中、小砾石组成的透镜体b；

⑥总厚度1.5～2m，内含红色细砾层透镜体a的黑色－黄色砂砾石层；

⑦厚度2～3.5m的黄色粉砂层。

地层中有丰富的炭样，经测试得到了较完整的年代序列（表1，图2）。

在探槽中发现了3条断层（图2）。其中F1错断最新地层为层⑥底部，断距0.1～0.2m，由于断距较小，应为某一次地震活动的派生断层而非主断层；F2错断最新地层为层⑦，错断透镜体b、层⑤和⑥的断距均约1m；F3错断的最新地层为层⑥中的透镜体a，断距0.5m，层③底部断距约1．5m。由于F3错断各地层的断距不同，并在层⑤下形成了崩积楔④，可以判断在地层①～⑥形成的过程中，F3发生至少2次活动。根据断层错断地层年龄以及断距的关系，探槽揭示了3次古地震事件：

最早1次活动发生在F3断层。由于层③断距1.5m，透镜体a断距为0.5m，可知在层③形成后，层⑤形成之前发生过断距为1m的断层垂直活动，并形成了崩积楔④。时间在10 570～8010a BP。

图2　西姚温探槽剖面Fig．2　Log of the Xiyaowen trench across the fault．

第2次活动发生在F3断层。在层⑥堆积过程中，透镜体a形成后，活动时间可能在6670～6550 a BP前后，断距0.5m，并引发了F1的断距为0.2m的活动。

最后1次活动发生在F2断层。发生在层⑦的堆积过程中，断距为1m。活动时间为2110～320 a BP之间。

3.2探槽2（李店探槽）

李店探槽，处于中条山北麓断裂中段（解州段）西部。探槽紧靠山地与平原交界处，位于出中条山冲沟冲积扇的扇顶部位（图1，TC－2）。永济市南李店村南采砂坑壁有断层错断山麓洪积扇堆积物的露头，在此露头的基础上，在断层沿线开挖了探槽。

探槽2剖面主要揭示了13个地层单位，分别为：

①灰白色巨砾、粗砾。以0.1～0.2m粒径为主，有少量巨砾直径0.6～0.8m，有一定的层序性。可见层厚为2.2m；

②黄色粉砂层。土质均一，质地较坚硬。厚度为0.7m；

③灰色巨砾。砾石直径最大0.6m，大小混杂，无层理，厚度为2.6m；

④三角形崩积楔，巨砾的混杂堆积，靠近断层处厚度约0.8m；

⑤黄色粉砂层，披盖在层④之上，层中掺有少许直径0.1m的砾石。厚度为0.5～1.2m；

⑥深棕色粉砂，有人类活动迹象。土质偏湿，有菌丝体，并发掘到庙底沟二期陶片。厚度约为0.4m；

⑦灰棕色砂砾层，在断层上升盘与层⑨连成一体，下盘厚度约0.3m；

⑧灰色粗砾层，在断层上升盘分布仅限断面附近，而在下降盘分布较广，厚度约0.8m；

⑨灰棕色砂砾层，断层下降盘的粉砂含量明显多于上升盘，厚度约0.3m；

⑩灰褐色巨砾层，砾石大小混杂，最大砾径0.8m，地层厚度0.8～1.5m；

⑪崩积楔。砾石和粉砂的混杂堆积，靠近断层处厚度约0.6m；

⑫黄色含砾粉砂层，砾石最大直径0.3m，下降盘厚度约2m；

⑬褐色粉砂层，顶部为现代坡面砾石，厚度约1m。

剖面揭露了主断层F和一条次生的反向断层。主断层F错断了层①～⑩，及层⑫的底部。堆积了层④、层⑪两个崩积楔。反向断层错断了层③～⑦及层⑧底部。其中，层②、③的累积垂直断距约2.8m，层⑥～⑨的累积垂直断距约1.8m，层⑩、⑫的断距约1.2m。通过分析以上地层错断情况，判断剖面揭示了3次古地震事件：

第1次古地震事件发生在层③堆积后，层⑤堆积前，形成了崩积楔④。层③内14C样品年龄为11 300～11 190a，层⑤内没采集到年龄样品，层⑥底部14C样品年龄为8040～7 930a，因此推断此次事件的发生时间在7 930～11 300a BP。由于层③断距约为2.8m，层③以上地层断距为1.8m，故此次事件的断距应为1m。

第2次古地震事件，主断层的活动引起反向断层活动，根据反向断层错断地层情况，此次事件应发生在层⑧形成过程中，即4800～6010a BP。由于层⑧断距1.8m，其以上地层断距1.2m，判断此次活动产生断距0.6m。

第3次古地震事件错断了层⑪及层⑫的底部，形成崩积楔⑪。事件的发生时间在2 680a BP之后，断距为1.2m。

4　讨论

4.1全新世古地震的时空关系

据上述探槽分析，探槽1揭露了3次古地震事件：发生于10 570～8 010a BP，断距约1m的事件；发生于6670～6 550a BP前后，断距约0.7m的事件；发生于2 110～320a BP，断距约1m的事件。探槽2揭露了3次古地震事件：事件1发生于7 930～11 300a BP，断距约1m；事件2发生于4 800～6 010a BP，断距约0.6m；事件3发生于2 680a BP之后，断距为1.2m。

同时，之前在西坦朝和小李村地区的探槽研究（田建梅等，2013；司苏沛等，2014）中发现，西坦朝探槽（图1，XTC）揭露了19 980a BP之后的1次事件以及8 570～7 780a BP之间的1次断距＞2.2m的事件，小李村西探槽（图1，XLC）揭露了1次8 980～7 340a BP之间断距约为1.8m的事件。

虽然受地貌部位、堆积环境的限制，单一探槽很可能无法完整地揭露古地震事件历史，准确限定古地震事件的年代，但将这4个探槽的事件综合起来使用逐次限定法进行比对，就能得到中条山北麓断裂中南段的活动历史，并较准确地确定出几次古地震事件的发震时间和影响范围（图4）：

图4　中条山北麓断裂古地震时空关系图Fig．4　Synthesis of the palaeoearthquakes detected in TC－1，2，3．

事件1发生在8 570～8 010a BP，在西姚温和李店地区产生了1m的断距，西坦朝地区产生了超过2.2m的断距，小李村地区产生了1.8m的断距。此次事件在4个探槽内都有揭露，最大断距在2.2m以上，可知在8 570～8 010a前，中条山北麓断裂曾发生过1次特大地震事件，影响范围至少包括断裂的中段和南段，地表破裂长度约95km。

事件2发生在4 800～6 010a BP，在西姚温和李店探槽内揭露，在西姚温地区产生了0.7m的断距，在李店产生了0.6m的断距；影响范围应包括整个南段断裂及中段的西端至少到李店附近的区域，地表破裂长度7～30km。

事件3发生在2 110～320a BP，在西姚温和李店探槽内揭露。西姚温产生了1m，李店产生了1.2m的断距，影响范围应与事件2类似，地表破裂为7～30km。事件3的发生时间本地区已有历史记录，在这一时间范围内，永济地区（包括断层南段和中段西端）在公元793年发生过1次6级地震，很有可能与事件3相对应。

4.2震级估计

利用华北地区正走滑断层的统计关系式（邓起东等，1992）：

对于事件1（8 570～8 010a BP），已知地震产生了约95km的破裂长度，形成了＞2.2m的垂直位错。得到M＞8.22。因此，此次发生在8 570～8 010a BP间的古地震的震级至少为8级。

对于事件2（4 800～6 010a BP），已知地震产生了7～30km的破裂长度，形成了约0.7m的垂直位错。得到M＝6.59～7.22。

对于事件3（2 110～320a BP），已知地震产生了7～30km的破裂长度，形成了约1.2m的垂直位错。得到M＝6.82～7.46。

4.3地震的重复间隔

事件1，2，3均在西姚温及李店探槽中揭露，2次地震之间的发震间隔：2 000～3 800a和2 700～5 700a，估计中条山北麓断裂南段及中段西端断层的地震重复间隔平均为3 500a。

5　结论

（1）中条山北麓断裂是一条由多条断层组成的全新世活动断裂带，其中断裂带南段和中段在全新世发生过多次活动，从现有的研究结果来看，中条山北麓断裂南段的活动性并不弱，甚至存在比中段更强的可能性。

（2）通过对中条山北麓断裂南段和中段2个地点的探槽研究，并结合之前的研究结果，使用逐次限定法对探槽研究结果进行对比，共准确揭露了3次古地震事件，分别发生于8 570～8 010a BP，4 800～6 010a BP，和2 110～320a BP。发生在8 570～8 010a BP期间的活动造成的地表破裂贯穿了中条山北麓断裂的南段和中段，破裂带长度约95km，最大垂直位移＞2.2m，震级估计为8级以上；4 800～6 010a BP及2 110～320a BP的活动造成南段和中段西端的地表破裂，震级约为7级。

（3）中条山北麓断裂南段及中段西端断层的地震重复间隔平均约为3 500a。

致谢14C年代样品由美国Beta实验室和北京大学加速器质谱实验室测定，表示衷心感谢。

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Abstract

Shanxi Graben System（SGS）is a NNE-trending tectonic system located in the eastern and southern edges of Ordos Block and between Yinshan tectonic zone and Qinling tectonic zone．Composited with a series of NNE－，NE-trending graben basins，SGS is an important seismic zone in North China．Yuncheng Basin locates in the southern end of SGS，and is the deepest basin of the system．It is a half-graben with a shallow northern part and a deep southern part．As the south and east boundary of Yuncheng Basin，the North Zhongtiaoshan Fault Zone（NZFZ）played a key role in the development of the topology and tectonics setting of Yuncheng Basin．NZFZ is a normal fault zone，NE-to NEE-trending and 130km long．This fault zone can be divided into 3 segments：the south，the middle，and the north segment，and there are no historical M≥7，but only 3 M＝6 have taken place．Previous study suggests that the tectonic activity in this area is low and the earthquake interval is relatively long；seismic activity in the north and south segments is the weakest：the earthquake recurrence interval in the north segment is＞50ka and it has not been active for＞50ka，the interval of the south segment is～12ka and its last movement is about 7ka ago．Our work tells a different story：based on thorough fieldwork，satellite imagery analysis，and trench investigation，we found that there have been multiple earthquake events taking place in all of the 3 segments during Holocene．This study includes two trenches that locate in the south and middle segments of NZFZ，each of them renders 3 paleo-earthquake events：a 10 570～8 010a BP event，an around 6 670～6 550a BP event，and a 2 110～320a BP event in TC－1；a 7 930～11 300a BP event，a 4 800～6 010a BP event，and a 2 680a BP event in TC－2．Through comparing these events with other 2 trenches in the middle segment of NZFZ（a XTC trench that renders a 19 980a BP event and a 8 570～7 780a BP event with＞2.2m vertical displacement；a XLC trench that renders a 8 980～7 340a BP event with～1.8m vertical displacement），we identified：a 8 570～8 010a BP event which broke through both middle and south segment of NZFZ with a largest known vertical displacement of＞2.2m and 95km surface rupture，a 4 800～6 010a BP and a 2 110～320 a BP event with 7～30km surface ruptures and largest known vertical displacements of 0.7m and 1.2m，respectively．The recurrence interval of these events is about 3 500a．Calculated with empirical formula of normal fault in North China，the magnitude of the 8 570～8 010a BP earthquake should be at least 8.0，and the magnitudes of the 4 800～6 010a BP and 2 110～320a BP events are both≈7.0．These findings suggest that，as a Holocene active fault zone which made up with multiple faults，the middle and south segments of NZFZ have shown strong seismic activity and have triggered multiple earthquake events during the Holocene．Contrary to previous study，the activity of south segment might not be the weakest，and it is possible that the south segment is more seismic active than the middle segment．

HOLOCENE PALEOSEISMOLOGY OF THE MIDDLE AND SOUTH SEGMENTS OF THE NORTH ZHONGTIAOSHAN FAULT ZONE，SHANXI

WANG Yi-ranLI You-liYAN Dong-dongLÜ Sheng-huaSI Su-pei
（College of Urban and Environmental Science，Peking University，Beijing100871，China）

north Zhongtiaoshan Fault zone，paleoearthquake，trenching investigation，active fault，Holocene

P315.2

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0001－12

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．001

王怡然，女，1988年生，北京大学地理学专业（地貌学与环境演变）在读硕士研究生，主要研究方向为构造地貌与古地震，电话：15901036436，E－mail：yiranwangyr＠gmail．com。

2013－11－05收稿，2014－06－29改回。

国家自然科学基金（41271019）和中国地震局地震行业科研专项（200908001）共同资助。

李有利，男，教授，E－mail：liyouli＠pku．edu．cn。