華山山前斷裂中段全新世垂直活動速率的重新厘定

許建紅　惠旭輝　何斯淵

摘要：

全新世以來，距今越近，華山山前斷裂中段的垂直活動速率越大，甚至出現跳躍式的增長。重新梳理該斷裂帶40多處斷層陡坎測量結果，發現這種不合理應與1556年華縣8級地震有關。通過減掉1556年華縣大地震的同震位移量，消除了這次大震的同震位移對活動速率計算值的放大作用，而且不同時期地貌陡坎的計算結果均表現出了很好的穩定性，說明這種處理是必要和有效的。最后，應用上述處理方法得到了華山山前斷裂中段全新世以來較為可靠的平均垂直活動速率為（156±02） mm/a。

關鍵詞：華山山前斷裂；全新世垂直活動速率；正斷層

中圖分類號：P31572文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2016）03-0359-06

0引言

斷層活動速率是指某一時段活動斷裂兩盤相對運動的平均速率，反映了一條斷裂應變能釋放的平均速率以及長期平均活動水平，可用于比較不同斷裂的活動水平?；顒铀俾蔬€與同震位移一起用于估計強震或大地震的平均復發間隔，進而估計最晚地震的離逝率與潛在地震的發生概率。因此，活動速率是斷層活動性研究及斷層地震危險性評價的一個重要參數（鄧起東，聞學澤，2008）。美、日等國的地質學家分別從20世紀60年代末至70年代中期開始，通過斷錯地貌測量與相應地貌面沉積物年代測試來估計活動斷裂的平均活動速率（鄧起東，聞學澤，2008），現今也有通過其它手段（劉智榮等，2013；周海濤等，2013）獲取斷層的活動速率。我國從80年代開始將活動斷裂的平均活動速率研究作為中國活動構造定量研究的重要內容（鄧起東，聞學澤，2008）。

針對華山山前斷裂中段全新世以來的平均垂直活動速率，很多學者（李祥根，冉勇康，1983；張安良等，1989；李永善，1992；楊源源等，2012）進行過研究，但發現所取研究時間段越短，即距今時間越近，計算出該段的活動速率越大。其中，距今10 000年以來，斷裂的平均垂直活動速率為1～2 mm/a（李祥根，冉勇康，1983）；距今6 000年以來，前人計算的結果分別為06～20 mm/a（張安良等，1989）、24 mm/a（李永善，1992）、1485 mm/a（楊源源等，2012）等；距今2 700年以來，張安良等（1989）計算的結果為05～23 mm/a，距今2 000年以來，楊源源等（2012）計算的結果為373 mm/a；而距今710年（被錯斷的最新一期地貌面年齡）以來，《西安地裂及渭河盆地活斷層研究》（李永善，1992）表51中計算出的活動速率顯示，其平均值高達478 mm/a。同一條斷裂，自全新世以來，只是選取的距今時間段不同而計算出的活動速率也不同，且差距很大；而且距今越近，計算出的活動速率越大，甚至出現跳躍式的增長，說明這種不合理與距今較近的大地震活動有關，該地震應是1556年華縣8級大地震。

本文以李永善（1992）對斷裂帶渭南塬前及華

山山前40多處斷層陡坎及其地貌面年代所做的系統性工作的數據為基礎，對此不合理的現象做出解釋，并給出華山山前斷裂中段全新世以來的平均垂直活動速率。

1全新世以來的斷錯地貌

華山山前斷裂是渭河盆地南界斷裂的東段，東起潼關，西止于藍田流峪口。它在華縣以東呈東西走向，經潼關向東可繼續延至靈寶附近，與北東向的三門峽—靈寶斷裂相交；而在華縣以西則向南西方向延伸至秦嶺山前，與秦嶺北緣斷裂相接，平面上呈舒緩波狀，長約100 km（國家地震局“鄂爾多斯周緣活動斷裂系”課題組，1988），如圖1所示。傾向NW、N，傾角60°～70°，為一典型正斷層。華山山前斷裂中段從華縣石堤峪口至華陰杜峪口，走向NEE-EW，長約40 km。

1556年華縣8級地震破壞嚴重，人口死亡數量是地震史上有記載以來最多的一次（賀明靜，1986），極震區（Ⅸ度及其以上烈度區）范圍包括今陜西渭南、華縣、華陰和山西永濟四縣（王景明，1980），長軸方向總體呈NEE向。多數研究者認為，這次大震發生在華山山前斷裂帶上或與該斷裂相關（郭增建，1957；韓恒悅等，1987；雷姚琪，張安良，1985；國家地震局“鄂爾多斯周緣斷裂系”課題組，1988；張安良等，1989；李永善，1992；環文林等，2003；原廷宏，馮希杰，2010；楊源源等，2012），只有個別研究者（王景明，1980；侯建軍，1985）提出了不同看法。根據野外考證（李永善，1992），沿渭南塬前及華山山前赤水河至杜峪等峪口的最新階地（一般相當于T0～T1′）或最新洪積扇地形面，該期地貌面形成于元—明代，普遍存在2～4 m高的斷層陡坎，與歷史地震的極震區位置、長軸方向（原廷宏，馮希杰，2010）和烈度等震線特征對比，它們只可能是1556年華縣大地震的產物，該地表破裂帶全長約50 km，其中主要地表破裂位于華山山前斷裂中段，即華縣石堤峪口—華陰杜峪口。

華山山前斷裂中段全新世以來的斷裂活動在很多沖溝溝口及斷裂帶上都可以觀察到。在野外地質剖面上可以看到清晰的正斷層垂直錯斷晚更新世至全新世地層。在較大的峪口，全新世或晚更新世以來的數級階地、洪積扇或多級侵蝕臺面均被斷層垂直錯斷，形成階梯式斷層陡坎。陡坎的高度與所在階地年齡成正比，其中有的漫灘階地也被錯斷。在多數峪口附近，可以看到斷層多期活動在下降盤形成洪積扇疊加地貌，其中以杜峪口最為典型，以洪積扇的疊置關系可以劃分出了3～4期洪積扇活動，考古發現杜峪口這3期洪積礫石層的頂部分別含有以紅色陶片為主的仰韶文化（5 000～7 500 a），以灰色陶片為主的龍山文化（4 000～5 000 a）及含元代瓷片的元代文化（620～710 a）。在龍山期洪積扇上還發育較低一級侵蝕臺面，應為周秦期的地貌面，反映了華山山前斷裂中段全新世以來主要有4期活動（李永善，1992）。

2平均活動速率計算存在的問題分析

李永善（1992）對渭南塬前及華山山前斷裂上40余處廣泛分布的各種類型的斷層陡坎進行了野外跨斷層測量及斷層陡坎形成年代的考古樣分析，取得了迄今為止最為系統、詳細的華山山前斷裂中段主要斷層陡坎的測量結果。其中斷層陡坎的測量，為了減小誤差，作了如下校正：一是跨斷層陡坎進行長尺度測量，以恢復上、下原始地形面的形態，減少人工影響；二是延伸上、下原始地形面至斷層出露處或斷層陡坎中點處的高度作為垂直位移，以減少上升盤的剝蝕和下降盤的堆積所引起的誤差（卞菊梅，1995）。其中地貌面年代的確定利用了在斷裂帶附近地層中豐富的文物碎片，對比了考古文物與地層、地貌面形成年代之間的關系，并作了少量14C樣予以驗證（李永善， 1992）。因此，本文將直接引用《西安地裂及渭河盆地活斷層研究》（李永善，1992）中表51和圖521中的數據，只做梳理，不做任何修改。

表1給出了不同時期地貌面的陡坎高度和地貌面年齡的平均值，并計算出了相應的垂直活動速率。該數據與《西安地裂與渭河盆地活斷層研究》（李永善，1992）圖521中的數據是一致的，其中平均陡坎高度118、1011、73及325 m是平均分布時限內位移的加權平均值，筆者推測權重可能與《西安地裂及渭河盆地活斷層研究》（李永善，1992）表51中的可信度有關。若按常用方法，用陡坎高度除以地貌面年齡來計算，距今6 500年來，斷裂的平均垂直活動速率為182 mm/a，即坐標軸0點至該位移-時間點斜線的斜率tan（θ4）；距今4 500年以來為225 mm/a，即tan（θ3）；距今2 600年以來為281 mm/a，即tan（θ2）；距今680年以來為478 mm/a，即tan（θ1），這樣才能得到圖2中的平均斜率（平均位移速率）K≈29 mm/a。

從根據不同時期的地貌面計算出的垂直平均活動速率可以看出，478 mm/a（680 a）>281 mm/a（2 600 a）>225 mm/a（4 500 a）>182 mm/a（6 500 a），可見距今越近、計算出的垂直活動速率越大，甚至出現跳躍式的增長。從圖2也可以看出，tan（θ1）>tan（θ2）>tan（θ3）>tan（θ4），同樣說明距今越近，這種方法所導致的計算出的活動速率越大。

分析出現該不合理現象的原因，發現前人在計算該斷裂中段平均垂直活動速率時習慣性地采用陡坎高度除以地貌面年齡的方法，忽略了離逝時間很短（距今約450 a）的1556年華縣大地震對垂直活動速率的放大作用。也就是說，1556年的華縣8級地震使之前的斷層陡坎高度又平均增加了325 m，但前人計算時并沒有在時間項上也增加一個可以形成325 m陡坎的時間（或稱復發周期）。

以下按不同時期地貌面的平均值來計算活動速率，并說明上述問題：

（1）（680±200） a BP的地貌面。在1556年華縣大地震中被錯斷，形成平均高度為（325±05） m的陡坎。實際上應該用單次地震事件的陡坎高度除以大震復發周期，才能反映斷裂帶較為真實的平均垂直活動速率，即325 m/2 000 a≈163 mm/a（華山山前斷裂帶大震的復發周期約為2000 a）。筆者認為形成如此規模的陡坎（或地震）不僅需要足夠長的積累時間（復發周期），還與1556年的華縣大地震這種突發事件恰好被680 a BP這一期非常年輕的地貌面記錄到了有關。

（2）（4 500±500） a BP的地貌面，平均垂直位移量為（1011±18） m，應為斷層多次活動的結果。計算斷裂帶平均垂直活動速率較為合理的方法是我們可以用680 a BP到4 500 a BP的平均活動速率來代表斷裂帶4 500 a BP以來的平均活動速率，體現在計算方法上就是對位移和時間項同時進行處理，即（1011-325） m/（4 500-680）a≈180 mm/a。上述方法的本質是計算兩點之間的斜率，在實際應用中需要知道的參數較多?？紤]到325 m對位移項的影響為32%，680 a對時間項的影響僅為 15%，且4 500 a BP年齡本身就存在±500 a的誤差，因而本文也可以忽略時間項的影響，只對位移項進行校正，即用陡坎的平均高度1011 m減去1556年華縣大地震錯斷的平均垂直位移325 m，這樣斷裂帶4 500 a BP以來的平均垂直活動速率為（1011-325） m/4 500 a≈152 mm/a。以下計算出于同樣的考慮。

（3）（2 600±500） a BP的地貌面，位移校正結果為（73-325）m/2 600 a≈156 mm/a。

（4）（6 500±500） a BP的地貌面，考慮到其距今時間足夠長，對1556年華縣大地震的同震位移具有一定的“稀釋”作用，且該時期的陡坎侵蝕破壞也較為嚴重，所以不再對其進行校正，直接計算得出斷裂帶6 500 a BP以來的平均活動速率為118 m/6 500 a≈182 mm/a。

從以上初步的計算可以看出處理后的結果保持了非常好的穩定性。另外，通過對不同時期地貌面錯斷數據，即（325 m，068 ka）、（73 m，26 ka）、（1011 m，45 ka）和（118 m，65 ka）這4組數進行線性回歸（圖2），結果表明斷裂帶陡坎高度與地貌面年齡之間存在很強的線性相關性（相關系數R2≈096），回歸曲線的斜率約為147，也與上述結果比較接近，說明這種處理是有效的和必要的。

3斷裂帶中段全新世垂直活動速率

通過前文的分析，可以看出直接用陡坎高度除以地貌面年齡的方法來計算華山山前斷裂帶中段全新世以來的垂直活動速率會嚴重偏離事實，因為離逝時間很短的1556年華縣大地震所產生的垂直位移直接增加了之前陡坎的高度，但在時間項上忽視了該位移增加量所需要的時間。下文采用（4 500±500） a BP的地貌面陡坎數據，并使用校正位移的方法計算斷裂帶中段全新世以來的平均活動速率主要基于以下考慮：

（1）同震位移可由野外實際測量得到，而復發周期則是由同震位移除以活動速率或采用其它方法計算得到的，因此采用校正位移的方法。

（2）4 500 a BP左右的地貌面陡坎數據相對最多、最全面，在斷裂帶上分布也較為均勻。

（3）4 500 a BP時間相對足夠長，足以包含2次（或2次以上）地震的發生，且剔除1556年華縣大地震后，可認為在該段時間上地震的分布是相對均勻的。

（4）利用同一點或距離最近點的元明期地貌面錯斷數據來表示該點1556年華縣大地震的同震位移并用于位移校正。

（5）計算中去掉了位移量過大的3個值和過小的1個值，這樣參數便集中地分布于某一置信區間內，并保證了結果的可靠性。

具體計算如表2所示，計算結果表明斷裂帶在4 500 a BP以來平均垂直活動速率為（156±02） mm/a，與線性回歸結果147 mm/a比較接近，該值可以用來代表斷裂帶中段全新世以來的平均垂直活動速率。

4討論和結論

通過對華山山前斷裂帶中段不同時期地貌面錯斷形成的陡坎數據進行分析計算，發現如果直接采用陡坎高度除以地貌面年齡的簡單辦法來計算斷裂帶的垂直活動速率，會導致距今越近、計算出的活動速率越大，甚至會出現跳躍式增長的不合理現象。產生這一問題的根本原因是陡坎高度在1556年華縣大地震中被再次增加了，但時間項上沒有考慮陡坎高度產生這一增量所需的時間（這一時間應與復發周期有關）。

在不同時期地貌面斷錯數據樣本足夠多的情況下，采用線性回歸仍是最佳的辦法，但數據較少時，對于離逝時間較短的發震構造，計算其活動速率時必須要考慮最近的一次大震對計算是否會產生影響，并對這種影響進行合理的處理?；顒铀俾蔛=（O1-O2）/（T1-T2），其中O1、O2為不同時期地貌面的位錯量；T1、T2為相應的地貌面年齡。以下2種情形可對該公式進行適當簡化：（1）當O1>>O2、T1>>T2時，公式可簡化為S≈O1/T1，對應實際應用，即可直接用較老且較大的位錯量除以它的地貌面年齡來近似代表斷裂的活動速率；（2）當O1>O2、T1>>T2時，公式可簡化為S≈（O1-O2）/T1，對應實際應用，即當T2較小，對時間項的影響也較小時，可以用該簡化公式來近似計算斷裂的活動速率。

對于華山山前斷裂帶中段，利用680 a BP和4 500 a BP兩期地貌陡坎來計算斷裂的垂直活動速率時，680 a對于時間項的影響僅為15%，且4 500 a BP年齡本身就存在±500 a的誤差，而325 m對位移項的影響為32%，可以使用簡化公式S≈（O1-O2）/T1。即通過減掉1556年華縣大地震的位移量，消除了這次大震的同震位移對活動速率計算值的影響，不同時期地貌面的計算結果表現出了很好的穩定性，計算得到的華山山前斷裂中段全新世以來較為可靠的平均垂直活動速率為（156±02） mm/a，這一結果與通過對不同時期地貌面錯斷數據進行線性回歸得到的147 mm/a比較接近，說明該方法是必要和有效的。

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Abstract

There exit the unreasonableness that the vertical slip rate of the Huashan Frontal Fault jumpily becomes higher since Holocene when the period is shorter from present.Through reviewing the measuring results of more than 40 fault scarps of the Huashan Frontal Fault，we found that these unreasonable results are close related to the latest earthquake，Huaxian 8earthquake in 1556.Subtracting the coseismic displacement of the Huaxian 8earthquake in 1556，we eliminated its amplification effect on the calculated value of activity slip velocity.The calculated result of fault scarps in different periods show steady，which indicates that this processed method is necessary and effective.Finally，we applied this processed method to get a more reliable average value of vertical activity velocity of about 156 mm/a in the middle section of Huashan Frontal Fault zone since Holocene.

Key words：Huashan Frontal Fault Zone；Holocene vertical slip rate；normal fault