中条山北麓山洪积扇上陡坎的gps观测

中条山北麓山洪积扇上陡坎的gps观测

中条山-千山断裂是山西省运城盆地以东、以南的边界断裂。运城盆地是山西地堑系断陷最深的盆地之一,地震勘探资料揭示盆地新生界厚度可达5000m以上,钻孔古地磁研究表明第四系厚度在400m以上。中条山高出运城盆地1500m以上,山地北坡陡峻,断层三角面发育。地貌特征表明,新生代以来中条山北麓断裂的垂直断距可能达到7000m以上。山西地堑系是我国著名历史地震活动带之一,有史以来记载了3次8级以上的大地震,但运城盆地无7级以上历史地震。最早的历史地震是公元前23世纪传说的蒲坂6级地震,然后是公元793年永济6级地震和1642年硝池一带的6级地震。古地震研究表明,中条山北麓断裂东段和西段在全新世没有活动,中段可能为全新世活动断层,但古地震间隔时间大于1.2万年,据此认为中条山北麓断裂的活动性很弱。近年来,我们在中条山北麓开展了构造地貌研究,发现中条山北麓中段山前洪积扇上发育全新世断层陡坎。通过对该陡坎形态特征和结构特征的研究,发现中条山北麓断裂全新世活动的确切证据。1中条山东北部断裂体系山西地堑系分布于鄂尔多斯断块东缘和南缘,呈NNE向延伸。该地堑系由一系列NE或近NE向断陷盆地构成,构造地貌上呈左行雁列,平面上呈S型展布。山西地堑系是鄂尔多斯断块周缘形成最晚的断陷系,其轮廓形成于上新世,第四纪继续发展演化,其中地堑系西南端的运城盆地在燕山运动后到第三纪初期以前一直处于相对稳定、遭受剥蚀的阶段,在喜马拉雅运动影响下,晚新生代以来发生了强烈的断裂活动,盆地下陷并开始接受大量沉积。中条山出露太古界变质岩系,上覆的寒武系至二叠系构成向南掀斜的山地主体(图1)。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可达7000余米。靠近中条山区域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山西地堑系运城盆地南缘,西起首阳,向东穿过韩阳、西姚温、李店、西坦朝、小李村、夏县、上柏范底及下柏范底等,全长约130km,走向NE至NEE,断层面倾向NW,倾角为60°~80°,为高角度正断层(图1)。以西姚温和磨河村为界,中条山北麓断裂可分为西段(韩阳段)、中段(解州段)和东段(夏县段)(图1)。西段走向为NE,长约20km;中段走向为NEE,长约80km;东段走向为NE,长约30km。2地表陡坎剖面数据分析在山西省永济市虞乡镇西南部,中条山北麓中段的洪积扇上发育一条近北西西向,南高北低的陡坎(图2),始于南梯村南,止于南郭沟村南,途经东坦朝村南、西坦朝村南、肖家堡村南和南郭村南,长约4.3km,与中条山北麓中段山前断层近似平行。该陡坎各处高度不一,总体高度3~13m,陡坎向两端逐渐消失。该断层陡坎切割了区内冲洪积扇。断层上升盘山前的老洪积扇形成洪积台地,冲沟下切。众冲沟于陡坎处撒开,在陡坎以北形成全新世新洪积扇。我们在对遥感图像的解译以及野外踏勘的基础上,选择3处较为典型的地貌面,沿近垂直于陡坎走向布置3条测线,分别为测线F(西坦朝村南)、测线G(五老峰)和测线K(石佛寺村北)。利用ProMark500差分GPS,沿着测线对该断层陡坎剖面进行测量,垂直精度可达0.05m。另外,根据1:5万DEM数据,沿近垂直于陡坎走向提取8条地形剖面数据。剖面测线分布见图2。将这11条剖面数据(表1)绘制成地形剖面图(图3)。表1和图3显示,从南郭沟村到南梯村各个测线剖面都显示出垂直位移量,并且陡坎高度从西至东逐渐降低。陡坎上下地面大多比较平直,坡度相差不大,在断层陡坎处出现坡折和高差。陡坎以上地面坡度大于陡坎以下地面坡度,反映断层陡坎形成以后,上升盘不断被剥蚀,坡面越来越陡,下降盘不断地接受堆积,坡面越来越缓。不同地点陡坎高度有差别,最大高度可达13m,最小高度只有3m。高度的差别主要与陡坎所在的地貌面的发育先后有关,早期的冲积扇面上发育的陡坎高度较大,如测线A,B,E,F,I和J所在陡坎的高度范围为9~13m;晚期冲积扇面上发育的陡坎较小,如测线C,D,G,H和K所在陡坎的高度范围为3~7m。这反映断层有多次活动,高陡坎是多次断层垂直活动叠加形成的。另外,断层下降盘冲沟的堆积作用也影响同一期洪积扇面上陡坎的高度,离开冲沟越远,堆积作用越弱,陡坎就高一些。3细砂地层沉积相我们在位于西坦朝村西南山前洪积扇的断层陡坎上开挖了探槽(图2),探槽剖面大致垂直于断裂走向,探槽深8m,平均宽约6m。探槽所在陡坎由于受黄家窑冲沟的侵蚀已经变得不明显。该探槽所揭露的地层单位由老到新依次如下(图4)。1)黄色粉砂,上部夹薄层砂砾石透镜体,砾石直径约1cm,磨圆较差。可见厚度约2m。2)灰白色砂砾石层,层厚约40cm。该层从下到上又可细分成4个微层:(1)灰白色粉砂层含少量细砾,质地较为均一;(2)灰白色砾石层夹少量粉砂,砾石分选较好,磨圆差,有一定成层性,直径1~2cm;(3)黄褐色粉砂夹砾石,砾石分选、磨圆差;(4)灰白色砾石层夹粉砂,分选、磨圆差。3)黄色粉砂,质地较为均一,结构密实,顶部见薄层砂砾石透镜体,砾石直径约0.5cm,分选、磨圆差。厚度约1m。4)灰白色砂砾石层,砾石直径大小不一,粒径约0.5~10cm,分选、磨圆差。厚度约50cm。5)黄色粉砂夹灰白色砂砾石透镜体,透镜体厚可达0.5m。黄色粉砂中含少量细砾,质地较疏松。厚度约1.5m。6)白色薄层细砂、黄色粉砂互层,可见厚度约90cm。该层被3条小断层错断形成复式地堑地垒构造。地层构造变形,向北倾斜,倾角约20°。顶部取碳屑样XTC-21,其14C年龄为16720uf0b170aBP。7)黄色粉砂,疏松,含少量砾石,厚度约1.5m。8)砾石粉砂层,由角砾、砂与褐色粉砂混合而成,厚度为0.2m。9)黄色粉砂,含细砾,厚度约0.5m。10)红褐色埋藏土砾石层,厚度为0.5m。砾石直径大小不一,最大20cm,最小约0.5cm,分选、磨圆较差。该层被F2错断。在该层上部红色埋藏土中取纯碳屑样XTC-03,其14C年龄为7700uf0b140aBP。11)浅黄色粉砂层,质纯,厚20cm。12)黄色粉砂、砂砾石楔状堆积体。中部砂砾石堆积楔底界将堆积楔分为上、下两部分。下部为竖向构造充填楔,为黄色粉砂中混杂一些砾石,与两侧地层界限清楚,高度约2m,为断层活动时,主断层F1与分支断层F2之间的块体向下运动,并破碎混杂而成。上部为横向崩积楔,靠近断层带厚度约1.6m,向北厚度约减小到30cm。底部的砾石楔为断层上升盘砾石层崩塌堆积而成,随后,上升盘粉砂层崩塌再堆积,最后,上升盘砾石层崩塌堆积形成充填砾石楔。值得注意的是,横向崩积楔中部含3个棕红色粉砂黏土团块,直径30cm左右,颜色为红褐色,岩性与层10很接近。13)黄褐色粉砂,地面明显起伏,北侧低,南侧高,顶面平缓,厚度在北侧可达2m,而在南侧仅为30cm。本层覆盖在层12之上,没有被断层错断。该层下部炭屑样品XTC-10的14C年龄为7020uf0b140aBP,上部取炭屑样品XTC-12,其14C年龄为3730uf0b140aBP。14)灰白色砂砾石层夹黄褐色土层。上部砾石直径较大,平均约10cm;下部砾石直径较小,平均约2~5cm。前者厚度可达1m,后者厚度约10cm。两个砾石层之间夹厚约0.2m的黄色粉砂层。15)黄褐色土层,下部夹有砾石,层厚约0.2m。在探槽底部,断层下降盘一系列小型断层错断了薄层细砂与粉砂的交互层,形成复式地堑地垒构造。这些小型正断层消失于上覆的黄色粉砂层中,没有错断上覆褐黄色粉砂层的中上部。考虑到错断砂层发生倾斜,而其上的砂砾石层近水平,说明在被错断的砂层堆积之后,上覆粉砂层中部堆积以前,断层发生过一次活动。根据炭屑样品测年结果,断层第一次活动时间在16720uf0b170aBP以后,7700uf0b140aBP之前,靠近16720uf0b170aBP。断层的第二次活动,形成了复合崩积楔(层12)。断层错断的最新地层为层11,被层13覆盖。根据层10的年龄7700uf0b140aBP和层13的年龄7020uf0b140~3730uf0b140aBP,推断断层活动的时间在7700uf0b140~7020uf0b140aBP之间。断层错断了层10的红色含砾粉砂层,在崩积楔中有层10崩塌块体,推测上升盘曾经有层10存在,后来被侵蚀殆尽。断层上升盘层13的底界高出层11顶面2.2m,估计断层垂直断距大于2.2m。根据两次断层活动的时间推算,断层活动的时间间隔为9020~9700a。4断层陡坎位置及活动时代山前洪积倾斜平原上与山地近平行的陡坎可能有如下成因:纵向河流侵蚀而成;山前湖泊侵蚀而成;断层错断而成。运城盆地靠近中条山山前一带发育盐湖、硝池、伍姓湖等现代湖泊,这些湖泊均位于陡坎以北。钻孔资料揭示,运城盐湖有很长的发育历史,是早更新世运城古湖的延续,不可能在湖区以南发育东西流向河流,从而排除了河流侵蚀作用形成陡坎的可能性。虽然从地貌部位不能排除陡坎为山前湖泊范围较大时,湖泊波浪侵蚀而成的可能性,但探槽中断层下降盘未揭示湖泊沉积,且断层两侧地层错断,有断层活动牵引现象,断层面平直,没有遭受侵蚀的迹象,证明该陡坎为断层成因。山前冲积扇上与山前断裂平行的陡坎多为断层陡坎,而且是山前断层新活动的证据。中条山北麓虞乡镇西南洪积扇上断层陡坎走向NW290°,其南侧的基岩山地与洪积平原的边界断层向山地凹进,两者之间的最大距离约1.5km,向东、西两侧,两条断层相接。探槽研究揭示,洪积扇上断层陡坎最新活动的时代为7700uf0b140~7020uf0b140aBP之间,断距大于2.2m。由于断层陡坎的最大高度为13m,应该是断层多次活动的结果。一般来说实地测量的陡坎高度并不是断层的真实垂直位移,因为陡坎形成后会受到自然和人工的改造。陡坎的高度通常小于断层的垂直位移,因为陡坎的顶部不断接受剥蚀而降低,陡坎下方不断接受堆积而增高。陡坎出现的年龄下限应该由断层上升盘最年轻洪积物的年龄来限定,但由于我们没能在该地点获得测年数据,因而无法直接确定断层陡坎开始发育的时间。在运城市南中条山北麓一级洪积台地表面覆盖的黄土地层底部获得14C年龄14490uf0b180aBP,推测虞乡洪积台地与这级洪积台地发育时代相当,由此估算断层垂直活动速率的最小值可能接近0.9mm/a。杨源源等通过对华山山前断裂中断的断层陡砍、洪积阶地等微地貌测量,得出6000~2000aBP期间的垂直滑动速率为1.485mm/a,并认为这一速率更能代表全新世中晚期的滑动速率。在虞乡镇西南洪积扇上断层陡坎以西的西姚温和李店,我们发现中条山北麓断裂错断了距今2030uf0b140aBP和2680uf0b140aBP的地层,在虞乡镇以东运城市南发现断层错断了距今3250uf0b140aBP的地层。在该段以南的中条山北麓基岩山地与洪积平原边界断层上,见到断层错断黑色埋藏土并通达地表。据此推断,洪积扇上陡坎断层的最新活动,并不是该段中条山北麓断裂的最新活动事件,断层的最新活动段可能又回到了基岩边界断层上,这与贺兰山东麓、太原盆地西缘以及大青山山前的断层最新活动均在洪积扇上陡坎处的情况不同。5洪积扇上断层陡坎晚更新世晚期以来校核活动虞乡镇西南中条山北麓山前洪积扇上,断层错断了洪积扇,形成连续性较好的断层陡坎。陡坎总体走向为NW290°,高度不一,总的规律是较老的地貌面上陡坎较高,最大高度13m,平均高度约10m;较新地貌面上陡坎高度较低,平均高度为5m。探槽研究揭示虞乡镇西南洪积扇上断层陡坎晚更新世晚期以来至少发生过两次古地震事件。断层第一次活动时间在16720uf