沉積速率搖擺匹配法限定古地震事件日歷年齡

尹金輝 陳 杰 盧演儔 鄭勇剛

(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)

沉積速率搖擺匹配法限定古地震事件日歷年齡

尹金輝 陳 杰 盧演儔 鄭勇剛

(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)

嘗試運用沉積速率搖擺匹配方法來獲得淤泥質泥炭系列樣品的日歷年齡，并與單個14C年代、時序已知系列14C年代的日歷年齡進行對比。結果表明:在采樣厚度較小的情況下，沉積速率搖擺匹配方法可以獲得較小的日歷年齡區間，具有一定的優越性;在采樣數量足夠多的情況下，系列14C年代貝葉斯校正也可以獲得理想的日歷年齡區間。綜合不同方法獲得的結果，推測發生在海原斷裂帶石卡關溝的古地震事件最大概率日歷年齡區間為1,340～1,114cal a BP(2σ)。

海原斷裂 古地震事件 貝葉斯分析 沉積速率搖擺匹配

0 引言

測定古地震事件發生年代是地震地質研究的重要內容之一，對于認識和評估研究區域的斷層活動性、地震活動歷史、地震危險性等都具有重要意義(Sieh et al.，1984;Crone et al.，1987;聞學澤等，1996)。盡管當前可用于活動構造和古地震事件年代測定的方法和技術有十幾種(盧演儔，1994;Noller et al.，2000)，然而，一方面受各種方法的適用性和測年準確度、精確度的影響，另一方面受古地震事件地質記錄的限制，直接而精確和準確測定古地震事件發生的年代仍比較困難。通常采用間接方法來確定，以獲得盡可能接近真實的古地震事件年代。最近十多年來，放射性碳(14C)考古和地質年齡測定技術又獲得了長足進展，發展了時序已知的系列樣品的高精度14C測年新技術(Christen et al.，1995;仇士華等，1997;郭之虞，1999)。對于樹木、紋泥等可以準確地分辨出任意2個樣品的日歷年齡間隔的測年樣品，時序間隔已知系列樣品貝葉斯校正可獲得10～20a的高分辨率日歷年代誤差(Atwater etal.，1991;Walter etal.，2006)。然而，在地震地質研究中，采集到有幾十年完整木頭的測年樣品，是件可遇不可求的事情，遇到最多的樣品是泥炭沉積物，因此提高泥炭樣品的日歷年齡精度對限定地質事件年齡具有重要的現實意義。當野外剖面上地層層位關系清楚時，若能高密度采集一系列可供14C測年的樣品，即各樣品的采樣間距和先后次序己知，按照各樣品的采樣間距和先后次序，使用貝葉斯方法(Bayesian approach)或搖擺匹配擬合(Wiggle-matching dating，WMD)對系列樣品的14C年齡進行樹輪校正，同樣可以使樣品的日歷年代誤差縮小，從而提高古地震事件日歷年齡精度(尹金輝等，2007)。在中國地學相關學科的年代學研究中尚未見有關泥炭沉積物沉積速率搖擺匹配方法的研究報道，有待作初步的探索。

海原斷裂帶是中國大陸一條引人注目的第四紀左旋走滑活動斷裂，地震活動十分頻繁，在地表形成了清晰的線性斷層陡坎和斷塞塘。1920年海原8.5級地震破裂實測結果表明，海原石卡關溝左旋水平位移最大錯距達10.2m，為整個海原地震地表破裂帶水平位移量最大地段，地震主破裂沿此段發生(國家地震局地質研究所等，1990;張培震等，2003)。石卡關溝斷層陡坎前發育2個比較明顯的斷塞塘，形成泥炭和碳質淤泥堆積物，是開展全新世古地震事件系列樣品14C測年，運用貝葉斯分析方法確定古地震發生的精確日歷年齡研究的一個理想地點。

1 石卡關溝探槽

橫跨石卡關溝斷層陡坎和斷塞塘，開挖了1條長約8.0m、寬約1.5m和深約3.0m的探槽。該探槽東側剖面如圖1所示，揭露出2條斷層(F1和F2)。F1是主斷裂，走向310°，傾向SW，傾角60°～80°。

圖1 石卡關溝探槽東壁古地震剖面和系列14C樣品取樣位置Fig.1 Paleoearthquake profile in themiddle segment of Huaiyuan Fault nearby Haiyuan County and the radiocarbon sample sites.

該探槽剖面至少記錄了2次古地震事件，早一期地震斷層F1與新產生的斷層F2組成一個微型地塹，隨后演化為斷塞塘，其最上部堆積了厚20～30cm的淤泥質泥炭⑦。第2次古地震發生在斷塞塘淤泥質泥炭層⑦沉積之后和含礫石黏土團塊的崩積粉砂層⑧堆積以前。這次地震致使微型地塹(即斷塞塘)內堆積層發生彎曲和柔皺變形，并在微型地塹西側F2附近產生1條切穿淤泥質泥炭層⑦的張裂隙，接著覆蓋上含礫石黏土團塊的崩積粉砂層⑧，形成地震斷層崩積楔C，同時砂礫石充填了淤泥質泥炭層⑦中的張裂縫(圖1)。因而可以判斷，第2次古地震事件年齡應當非常接近層⑦頂部地層的沉積年齡。為準確和精確地確定這一事件的年齡，我們對淤泥質泥炭層⑦采集了系列14C樣品(圖1)，自上而下采集4個樣品，取樣厚度為2cm，樣品的間隔為5cm，各個樣品的具體采集位置見圖1右下角。

2 淤泥質泥炭樣品14C測定結果

不同粒級泥炭有機組分14C年齡對比結果表明，60～180μm粒級有機質測定的14C年齡結果可靠性大(周衛健等，2001)，因而，篩選出剖面a上淤泥質泥炭樣品中＜180目的含黏土有機質組分，測量出各組分的常規14C年齡(鄭勇剛等，2005)，使用Oxcal 3.10程序計算出單個樣品的2σ日歷年齡范圍，結果見表1。

3 貝葉斯法確定石卡關溝古地震事件日歷年齡

從表1可見，各個樣品實測的14C年齡轉換成日歷年齡時，不僅可能出現1個實測14C年齡值對應于2個概率不同的日歷年齡時段，而且各個14C年齡轉換后的日歷年齡的誤差明顯地擴大了，樣品實測的14C年齡誤差為50a(表1第3列)，而轉換成日歷年齡的誤差幾乎都達約100a，擴大了約2倍 (表1第4列)。這就增加了14C年齡校正結果解釋的不確定性(McCormac et al.，1993)。此外，從統計學的角度來看，一個沉積層(即眾數)采集1個樣品(即抽樣)具有很大的隨機性，判斷其代表被取樣的沉積層(眾數)的概率非常重要。不解決上述問題，即使我們實現了單個樣品的高精度測年，也難以獲得高精度的地層年代，更難以得到地質災害事件的高分辨率和高精度的年齡。為了克服由于14C年齡校正過程引起日歷年齡誤差變大和單一樣品年齡的不確定性，滿足高分辨率和高精度的考古和地質事件測年需要，運用系列樣品搖擺匹配法就是試圖達到這一目標的途徑之一(Ferguson et al.，1966)。1991年Buck提出運用貝葉斯統計學方法來解決系列14C年齡的日歷年齡校正問題，克服非貝葉斯搖擺匹配日歷年齡校正過程中包含的主觀因素，討論了貝葉斯方法應用于與考古事件有關的14C測年結果的日歷年齡校正(Buck et al.，1991，1992，1994)。

如前所述，石卡關溝剖面記錄的第2次地震發生在淤泥質泥炭沉積之后，淤泥質泥炭層頂部樣品的沉積年齡應當十分接近古地震發生年齡，最大時滯應不會超過100a。這樣，淤泥質泥炭頂部樣品的2σ日歷年齡區間可以代表地震年代。依據淤泥質泥炭層a序列樣品中各個樣品的地層位置(自上而下，圖1)d1＜d2＜L＜dm確定各個樣品的日歷年齡順序θ1＜θ2＜L＜θm和相應的14C年齡，構建時序已知系列14C年齡的貝葉斯分析模型，使用Oxcal 3.10程序，經馬爾科夫鏈蒙特卡羅(Markov Chain Monte Carlo，MCMC)貝葉斯分析出各14C樣品的日歷年齡區間(Christen，1994)。圖2為系列14C年齡貝葉斯分析結果，圖右側為各個樣品的日歷年齡先驗概率分布(空心部分)和后驗概率分布(黑色實體部分)，圖左側列出了從底部到頂部4個樣品的一致性指數。底部04HYS86樣品的一致性指數值＜60%，說明此樣品14C測定值不符合系列限度條件(Bronk，1995)，舍棄后，用剩下樣品重新進行貝葉斯分析，日歷年齡分布結果如圖3所示。此次系列整體一致性指數(A=103.2%)和單個樣品的一致性指數都＞60%，表明這些樣品組成最佳系列，獲得的單個樣品日歷年齡的后驗分布與先驗分布一致性比較高，計算的日歷年齡結果也比較可靠，由04HYS90樣品日歷年齡確定古地震事件的日歷年齡區間為1340～1140cal,a BP。

圖2 剖面a上系列樣品14C年齡貝葉斯分析后日歷年齡分布Fig.2 The calendar date distrubtion estimated by Bayesian analysis of a series of radiocarbon ages from Section a.

圖3 剔除底部樣品后剖面a上系列樣品14C年齡貝葉斯分析后日歷年齡分布Fig.3 The calendar date distrubtion estimated by Bayesian analysis of a series of radiocarbon ages from Section a excluding the bottom one.

4 搖擺匹配法確定石卡關溝古地震事件日歷年齡

對于淤泥質泥炭或泥炭的系列樣品還可以使用沉積速率搖擺匹配方法獲得系列樣品的日歷年齡，從而確定古地震事件等的日歷年齡。如果淤泥質泥炭或泥炭的沉積速率保持恒定，那么樣品之間的距離間隔也近似于樣品之間的日歷年間隔，這樣，從淤泥質泥炭或泥炭地層中采集一系列小間隔的樣品，并按其沉積的先后順序將其14C年代連接起來，組成近似于一小段樹輪曲線，然后與標準的14C年齡校正曲線進行匹配擬合，從而求出各樣品的最佳日歷年齡(Van et al.，1989;Blaauw et al.，2003)。在此，我們對石卡關溝a剖面系列樣品的14C測年結果運用這一方法作嘗試性處理。

從表1可見，石卡關溝剖面a中系列淤泥質泥炭層厚30cm，樣品04HYS90、04HYS88和04HYS87的14C年齡分別為(1310±50)、(1490±50)和(1650±50)a BP，而它們的埋藏深度分別為170，175，180cm。圖4為這個系列樣品14C年齡測定值的沉積速率搖擺匹配分析結果，經沉積速率搖擺匹配確定樣品04HYS90的日歷年齡為(1184±70)cal a BP(2σ)，比系列樣品確定的日歷年齡1340～1140 cal a BP誤差區間減小許多，古地震年齡接近于04HYS90樣品日歷年齡(1184±70)cal a BP(2σ)，即公元766±35年，此時，搖擺匹配模擬的最佳泥炭沉積速率為 0.5mm/a(α =35a/cm)。

圖4 沉積速率搖擺匹配分析剖面a系列樣品的日歷年齡Fig.4 The calendar range estimated by depth-age wigglematching of radiocarbon ages from Section a.

5 討論和結論

上文采用單個樣品、時序已知系列樣品和沉積速率搖擺匹配方法分別確定了泥炭剖面a上14C樣品的日歷年齡，對比結果表明，剖面a上14C年齡的測量誤差為50a(1σ)，單個樣品校正后的日歷年齡區間為220～280a(2σ)，比14C年齡誤差要大2倍多;時序已知系列樣品校正后的樣品日歷年齡區間為200～260a(2σ)，比對應的14C年齡誤差也要大2～3倍，與單個樣品獲得的日歷年齡區間基本相同，并沒有明顯地提高日歷年齡的精度和分辨率。這說明，除非系列樣品的日歷年代值有明顯地重疊，否則時序已知系列樣品貝葉斯方法并不能對年代精度有任何的改善。因此，上述結果為今后進一步開展泥炭樣品的高精度日歷年齡研究提供了初步認識，要獲得高精度地質事件日歷年齡區間的理想條件是在一個剖面上能夠采集足夠多14C樣品(如5～6個)，每個樣品取樣厚度為0.5～2cm，采樣間隔為0.5～1cm，滿足上述條件的泥炭層厚度至少為3cm，如果泥炭沉積速率以每cm 10～50a計算，泥炭層代表的時間間隔最大約為150a，這樣，可利用貝葉斯方法從統計角度對一組包含上下地層信息的樣品推理出一個高精度地質事件日歷年齡。

沉積速率的搖擺匹配獲得的樣品日歷年齡區間為140a(2σ)，與其他2種方法相比，獲得的日歷年齡區間至少縮小30%，因而，沉積速率搖擺匹配法在確定單個樣品以及事件的樣品日歷年齡區間上具有一定的優越性，還可以模擬出該沉積層的最佳沉積速率參數。

由剖面a頂部單個樣品04HYS90的14C年齡確定古地震事件年齡日歷年齡區間為1,310～1,080cal a BP，由系列樣品校正日歷年齡結果確定這次地震發生在1,340～1,140cal a BP(2σ)，即 (1,240±100)cal a BP(2σ)，沉積速率搖擺匹配方法獲得地震發生在 (1,184±70)cal a BP(2σ)，因而，綜合上述不同方法確定這次地震最大發生概率日歷年齡區間為 1,340～1,114cal a BP(2σ)。

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THE CALENDAR DATE OF PALEO-EARTHQUAKE EVENT ESTIMATED BY DEPTH-AGEW IGGLE MATCH

YIN Jin-hui CHEN Jie LU Yan-chou ZHENG Yong-gang
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

This paper presents a comparison of the calendar range of individual paleoearthquake calculated by conventional calibration，Bayesian analysis of series of peat samples as well as depth-age wiggle matching.The results suggest that:

(1)The Bayesian analysis provides an excellentmeans to enhance chronological resolution when applied to a series of radiocarbon dates from sections with clear stratigraphic relationships.Such application can assess systematic errors when combined with independent chronological information，and determine the optimum chronological information for specific events and contexts.

(2)The calendar ranges of series of samples collected from the same peat but different sampling thickness were compared with that of depth-age wiggle matching.The result shows that the chronological resolution by depth-agewigglematching for the peat samplewith thickness less than 2cm could achieve less than 100a.Therefore，the condition to obtain a high resolution calendar age is to have 5 ～6 sampleswith 0.5 ～2cm sampling thickness each and the interval of samples is0.5 ～1cm.

(3)The calendar range of paleoearthquakes constrained by the Markov chain Monte Carlo(MCMC)Bayesian analysismodel，which constructs the order of samples according to their position in the strata with series of radiocarbon dates，was compared with calendar range by the conventional method.The results show that Bayesian analysis could obtain high-precision calendar dates for closely spaced samples.

(4)Therefore，the calendar interval of the paleoearthquake event on the middle segment of Huaiyuan Faultwas inferred as 1340～1114cal,a BP (2σ)by the above systematical comparsion.

Haiyuan Fault，paleoearthquake event，Bayesian analysis，depth-age wigglematch

P597

A

0253-4967(2011)02-0383-08

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.011

2009-10-19收稿，2010-11-17改回。

中國地震局地質研究所基本科研業務專項(DF-IGCEA0607115)和地震科學聯合基金(A07026)共同資助。

尹金輝，男，1969年生，2006年在中國地震局地質研究所獲得構造地質學專業博士學位，副研究員，主要從事地質災害事件與第四紀地質年代學研究工作，電話:62009015，E-mail:yjhdzs@ies.ac.cn。