三危山斷裂敦煌段古地震活動特征

劉興旺 袁道陽 姚 勝 鄒小波

1）甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，蘭州 730000

2）中國地震局蘭州巖土地震研究所，蘭州 730000

3）蘭州大學，地質科學與礦產資源學院，蘭州 730000

0 引言

古地震是活動斷裂研究的重要參數之一，指保存于地層記錄之中的史前大地震事件（冉勇康等，1999；鄧起東等，2008），其研究意義在于可突破儀器和歷史地震記錄時間較短的局限，使我們可以在更長的時間尺度上研究多個大地震的輪回，提高對活動斷裂長期地震行為的認識以及地震危險性評價研究（鄧起東等，2008）。位于敦煌附近的三危山斷裂是阿爾金斷裂帶向NW 擴展的重要分支斷裂（國家地震局“阿爾金活動斷裂帶”課題組，1992；Xiaoetal．，2011；Cunningham，2013；劉興旺等，2018；云龍等，2019），其可能發生的地震災害將直接影響敦煌、瓜州等城市的安全及莫高窟、陽關等歷史文化遺跡的保存。通過古地震研究認識三危山斷裂地震復發特征，對敦煌及其鄰區的地震危險性評價具有重要意義。

前人曾對三危山斷裂開展過少量古地震研究：云龍等（2016b）通過對斷裂東段3個探槽的分析，辨認出3次古地震事件，最早一次事件約發生在53ka前，第2次事件發生于距今約40ka時，最近的一次事件發生于距今7.42～2.47ka，但其對最近一次古地震事件的判定存在一定爭議；劉興旺等（2018）根據斷裂中、東段的3個探槽的分析及光釋光測年結果，確定斷裂在（40.3±5.2）～（42.1±3.9）ka有過1次古地震事件，斷裂為晚更新世斷裂。這些研究主要集中在斷裂中、東段，針對斷裂西段尚未開展古地震的研究，同時未涉及古地震的復發特征、可能的震級等方面的研究。

基于高分辨率衛星影像，我們發現在三危山斷裂西段，主斷裂已向前側盆地內部擴展。通過對最新的斷層陡坎進行探槽開挖和年代學研究，本文確定了斷裂古地震事件序列，討論了三危山斷裂地震復發特征及可能發生的地震震級。

1 構造背景

新生代以來，印度板塊與歐亞板塊發生碰撞并持續向NE推擠，導致青藏高原持續隆升并不斷向N擴展（Tapponnieretal．，2001），作為高原北邊界的阿爾金斷裂復活并存在多期強烈活動，在高原變形中起著重要的調節作用（Meyeretal．，1998；Tapponnieretal．，2001；Yinetal．，2002；徐錫偉等，2003；李海兵等，2006；Zhangetal．，2007）。阿爾金斷裂以強烈的左旋走滑為主要特征，沿斷裂兩側一系列山脈的隆升是其走滑及伴生的逆沖活動的重要表現形式，如其南側的祁連山、黨河南山及大雪山等（李海兵等，2006）。同樣，北側三危山的隆升也與阿爾金斷裂的走滑有直接關系，在敦煌西水溝發現的敦煌群逆沖于中更新世酒泉礫石層之上是阿爾金斷裂第四紀早期向盆地內部逆沖擴展的直接證據（鄭劍東，1991；潘家偉等，2015），三危山屬于阿爾金斷裂向NW 擴展的前緣地帶（Cunningham，2013）。三危山山體隆起的幅度規模遠遠小于南側的祁連山、大雪山等山脈，反映該地區作為青藏高原抬升的前緣地帶，起始活動的時間較晚，或作為分支斷裂，運動幅度和強度大為減弱，整體活動性不強。

三危山斷裂發育于三危山西北麓（圖1），分割了敦煌盆地和踏實盆地，地貌上構成了三危山斷塊隆起區與山前緩傾斜平原的分界線，具有對不同微地貌單元的控制作用，衛星影像線性特征明顯，多構成前第四紀地層與第四紀地層的分界線。該斷裂第四紀以來活動特征明顯，斷裂東段發生過1933年安西5 級地震（顧功敘，1983）。三危山斷裂東起雙塔水庫一帶，向SW經十工口子、蘆草溝、樹溝子，在敦煌經過西水溝后進入鳴沙山沙漠區，形跡不再清楚。斷裂整體走向N65°E，傾向以SE為主，傾角50°～70°，長約175km。斷裂活動以左旋走滑為主，兼有逆斷層特征，局部具正斷層特征。根據斷裂的幾何展布及斷錯地貌特征，三危山斷裂可分為3段：東段（雙塔水庫—十工口子），長約50km；中段（十工口子—樹溝子段），長約65km；西段（樹溝子—西水溝），長約60km，各段呈左階或右階排列（圖1）。斷裂沿線斷錯地貌主要為基巖陡坎、斷層溝槽以及沖溝、山脊左旋等，晚更新世以來斷裂的左旋滑動速率為0.28～0.33mm／a（云龍等，2016a）。

圖1 三危山斷裂地質構造簡圖Fig．1 Simple geologicalmap of the Sanweishan Fault．F1 阿爾金斷裂；F2 石包城斷裂；F3 巴兔山斷裂；F4 三危山斷裂；F5 鳴沙山斷裂；F6 黨河水庫斷裂；F7 陽關斷裂

如前文所述，對于三危山斷裂古地震的研究主要集中在中、東段，在斷裂西段并未找到合適的地點開展古地震研究（劉興旺等，2018）。在三危山斷裂西段的蚊子溝，谷內晚更新統晚期沖洪積堆積的礫石層未被斷錯（張裕明等，1989）；在榆樹溝，溝口沖洪積階地的熱釋光年齡約為40ka，其上未見斷裂活動的跡象（張裕明等，1989），表明斷裂該時間段以來無明顯活動。經衛星影像解譯，我們發現三危山斷裂在疙瘩井附近已擴展至盆地內部，形成分布于山前洪積扇上的斷層陡坎，該斷層陡坎的存在及活動特征可能反映了斷裂西段最新的地震活動。

2 三危山西段古地震事件

2.1 地貌特征及年代樣品測試

新發現的斷層陡坎距離三危山主斷層約2km，長約1.3km，我們將其命名為三危山斷裂敦煌段。斷層陡坎在衛星影像上線性特征明顯（圖2a），經衛星影像解譯和野外實地考察，本區可劃分為3級洪積扇面（圖2b）。A1為最新的仍在堆積的洪積扇，主要為現今河道，從衛星影像上可看到流水的痕跡，在衛星影像上顏色發白（圖2a）。A2洪積扇面的拔河高度約為1m，遠離三危山后高度逐漸降低，表面有細粒粉砂土沉積。A3洪積扇的拔河高度為2～3m，主要分布于斷層上盤，在衛星影像上的色調最深，呈青灰色（圖2）。斷層陡坎主要分布于A2和A3之間（圖2c），野外對斷層陡坎進行了差分GPS測量，2條測量剖面（P1和P2，位置如圖2b所示）揭示陡坎高度為（2.3±0.3）m和（2.1±0.4）m，平均高度為（2.2±0.5）m。在此陡坎上開挖了2個探槽（圖2b），探槽剖面揭示斷裂以低角度逆沖為主要特征，主要斷錯晚更新世地層，存在2次古地震事件。

圖2 三危山斷裂西段疙瘩井的斷錯地貌Fig．2 Fault landforms at the western segment of the Sanweishan Fault at Gedajing．a斷層陡坎衛星影像；b衛星影像解譯；c斷層陡坎野外照片；d斷層陡坎差分GPS測量

研究區主要為干旱—半干旱氣候，植被稀缺，有機碳沉積少，大多為沖洪積沉積物，可選取的測年物質主要為沉積物中的粉細砂，測年方法主要采取光釋光測年（OSL）。光釋光測年法最早在1985年提出（Huntleyetal．，1985），經過30多年的發展，測試技術和方法有了長足的進步和改善，測試精度不斷提高，已成為廣泛應用于考古、第四紀環境、活動構造及古地震研究中重要的測年手段（陳杰等，1999；王旭龍等，2005；楊傳成等，2007；張克旗等，2015）。本研究先后2次采集了光釋光樣品，第1次測試的樣品結果較為混亂無序，存在較多層位年代顛倒的情況（表1）。因此，又重新補采了部分樣品進行了測試（表2），用2次測試的結果綜合限定探槽內各層位的年代。

表1 三危山斷裂光釋光樣品測年數據Table 1 OSL dating results of the Sanweishan Fault

表2 三危山斷裂光釋光樣品測年數據（續）Table 2 OSL dating results of the Sanweishan Fault（continued）

2.2 探槽1（TC－1）

探槽1開挖處的陡坎高約1.2m，探槽長約11m、寬3m、深3m，探槽中主要揭露8套地層和5條逆斷層（圖3）。

圖3 探槽1南壁照片及解譯圖Fig．3 Photos and interpretation map in the south wall of trench 1．

U1：青灰色礫石層，夾砂層透鏡體，靠近斷層處有礫石層褶皺彎曲；

U2：淡紅色砂層，古地表，在斷層作用下發生褶皺變形，裂縫發育，充填細砂，取光釋光樣品SWSOSL－13和SWS－1，年齡分別為（66.5±7.3）ka和（76.7±8.3）ka；

U3：灰色砂層，含小礫石，只在斷層下盤出露，坎前堆積，取光釋光樣品SWSOSL－14和SWS－2，年齡為（34.1±3.6）ka和（76.2±10.5）ka；

U4：灰色礫石層，礫石為片巖、片麻巖，粒徑多為3～5cm，分選好，磨圓差，斷層上盤較薄，下盤稍厚；

U5：青灰色砂層，取光釋光樣品SWSOSL－15、SWSOSL－16和SWS－3，年齡分別為（52.4±6.6）ka、（45.5±4.6）ka和（61.8±9.5）ka；

U6：淡紅色砂礫石層，上盤為現今地表，含砂較多，取光釋光樣品SWSOSL－23和SWS－4，年齡為（36.7±4.1）ka和（56.0±6.0）ka；

U7：崩積楔，混雜堆積；

U8：青灰色地表砂土層，堆積于斷層下盤，在其底部采光釋光樣品SWSOSL－17和SWS－5，年齡為（40.1±4.8）ka和（33.0±6.1）ka。

探槽揭露5條逆斷層，斷層傾角約為35°，F1和F2發育于U1層中，只斷錯U1層。F5斷錯U2和U3層，斷距較小，為次級斷層。F3和F4為主斷層，斷錯至U6層，被U8層覆蓋。根據斷層和地層的切蓋關系、地層在斷層兩側沉積厚度的變化分析，該剖面記錄了2次古地震事件。較早的地震事件E2發生在U2層沉積之后，斷層的活動使得U1和U2層發生褶皺變形，為坎前堆積U3層提供了空間，之后沉積U4、U5及U6層。最新一次地震事件E1發生在U6層形成之后，形成混雜堆積的崩積楔U7，之后被最新沉積的地表粉砂土層U8覆蓋。U2層的高差為2.4m，而地表的斷層陡坎高度僅為1.2m，表明U3層坎前堆積作用明顯。

2.3 探槽2（TC－2）

探槽2開挖處的陡坎高約2.4m，探槽長約12m、寬3m、深3m，探槽中主要揭露9套地層和3條逆斷層（圖4）。

圖4 探槽2北壁照片及解譯圖Fig．4 Photos and interpretation map in the north wall of trench 2．

U1：灰白色礫石層，粒徑較大，直徑多為5～8cm，磨圓度較好，分選差；

U2：淡紅色砂礫石層，古地表，在斷層作用下發生褶皺變形，裂縫發育，充填細砂，取光釋光樣品SWS－7，年齡為（77.3±11.4）ka；

U3：青灰色砂層，較松散，褶皺變形，取光釋光樣品SWSOSL－18和SWS－6，年齡為（32.1±3.7）ka和（76.5±8.8）ka；

U4：灰色礫石層，礫石為片巖、片麻巖，粒徑多為3～5cm，分選好，磨圓差，斷層上盤較薄，下盤沉積厚，未見底層；

U5：青灰色礫石與厚約10cm的灰色砂、礫石互層，礫石磨圓較差，水平層理，近斷層處褶皺變形明顯；

U6：灰白色礫石層，粒徑多為3～5cm，松散，磨圓分選差；

U7：淺紅色地表砂礫石層，采光釋光樣品SWSOSL－19，其年齡為（57.3±5.2）ka；

U8：崩積楔，混雜堆積；

U9：青灰色砂土層，主要堆積于斷層陡坎前側，在其底部采光釋光樣品SWSOSL－20、SWS－8和SWS－9，其年齡分別為（28.1±2.9）ka、（35.1±3.7）ka和（14.4±1.5）ka。

探槽揭露3條逆斷層，斷層傾角約為30°，F1發育于U1層中，只斷錯U1層。F2斷錯至U5層，在U5層內以褶皺變形為主。F3斷錯至U7層，被U9層覆蓋。探槽主要揭露2次古地震事件。較早的地震事件E2發生在U2層沉積之后，斷層的活動使得U1和U2層發生褶皺變形，之后沉積U3—U6層，斷層下盤的沉積厚度普遍大于斷層上盤。最新一次地震事件E1發生在U7層形成之后，形成混雜堆積的崩積楔U8，之后被最新沉積的地表粉砂土層U9覆蓋。U2層在斷層下盤未出露，與探槽1內的U2層進行對比，兩者高差為2.4m，與地表斷層陡坎的高度基本一致，說明探槽中記錄的事件完整。

2.4 古地震年代限定

2個探槽的距離很近，所限定的古地震事件也很一致，地震發生的層位也可以進行對比。較早的E2事件斷錯淡紅色古地表U2，之后沉積或堆積U3細粒沉積。在U2層中采集了3個年代樣品，其中2個年代樣品的結果較為一致，我們選擇誤差范圍較小的（76.7±8.3）ka作為本層的形成年齡。在U3層中采集了4個樣品，其年代差別很大，2個樣品的測年結果約為76.4ka，另外2個樣品的結果約為33.5ka，對上、下層位的年代進行對比后，認為33.5ka的結果不太合理。同樣，我們選擇距今（76.5±8.8）ka作為U3層的形成年代。因此，E2地震事件發生的年代為距今（76.5±8.8）～（76.7±8.3）ka。

最新的事件E1同樣斷錯最新地表，被斷層下盤坎前堆積的最新細粒沉積物覆蓋。探槽1中U5層的年代位于2次地震之間，在U5中采集了3個樣品，年齡分別為（52.4±6.6）ka、（45.5±4.6）ka和（61.8±9.5）ka，差別較大，綜合考慮用三者的共同區間（55.8±3.3）ka代替U5的年齡。新地表U6（探槽2中為U7）有3個年齡結果，大致可分為56ka和36.7ka，考慮到U5的年代，56ka可能代表其早期形成年齡，36.7ka可能代表晚期發生地震事件之前的年齡?？睬岸逊e層有5個年代結果，考慮到地表層的結果，認為距今（35.1±3.7）ka可能代表了其最早的沉積年代。因此，綜合考慮后認為地震事件E1發生的年代為距今（35.1±3.7）～（36.7±4.1）ka。

3 討論

根據前人研究結果（圖5），三危山斷裂中段發生過一次古地震事件，其年代為距今（36.9±3.6）ka（或（40.3±5.2）ka）之前（劉興旺等，2018）；東段發生過的1次古地震事件的年代為距今（36.9±3.7）～（42.1±3.9）ka（云龍等，2016b；劉興旺等，2018）?？紤]到光釋光年代樣品測試誤差，這2次事件可能與西段新發現的年代為距今（35.1±3.7）～（36.7±4.1）ka的古地震為同一次事件，該次地震在三危山斷裂各段均有記錄，綜合年代結果分析，該次事件發生的年代約為距今（37±3.8）ka。對于更早的一次事件，中、東段探槽均未有揭露，根據西段探槽內揭露的2次地震可知，每次地震形成的垂直位移大致相同，判定地震的復發符合特征地震模式（Schwartzetal．，1984），根據前一次地震發生的年代，復發間隔可能接近40ka，其復發間隔遠大于青藏高原北緣其他活動斷裂的古地震復發間隔（羅浩等，2016；何文貴等，2018；Shaoetal．，2018；劉興旺等，2020）。然而，針對哈薩克斯坦境內天山北麓的Toraigyr斷層的研究表明，斷裂在距今3.15～3.6ka和（39.9±2.7）ka發生過2次地震事件，其間隔約為36.7ka（Grützneretal．，2017），與本研究的結果類似，表明斷裂具有超長的復發周期。根據探槽1中U2層自距今約（76.7±8.3）ka以來形成的垂直位錯約2.4m可得到斷裂的垂直滑動速率為（0.03±0.01）mm／a。U2層產生的縮短約為7.1m，相應的縮短速率為（0.09±0.01）mm／a，低斷裂滑動速率可能是古地震復發周期長的主要原因（張培震等，2008）。

圖5 三危山斷裂分段及古地震特征Fig．5 Characteristics of segmentation and paleoearthquakes in the Sanweishan Fault．

在三危山斷裂中段較早一期的古地表上發育多條張性裂縫，其內充填細砂，年齡約為（22.9±3.0）ka，推測可能代表了1次古地震事件發生的年代（劉興旺等，2018）。三危山斷裂東段在距今（56.5±4.8）ka之前也曾有過1次古地震事件（云龍等，2016b），但未見距今約（22.9±3.0）ka的地震記錄。上述2次事件在敦煌段的探槽中均未見記錄，表明三危山斷裂地震活動也可能存在分段性，有各段聯合活動和分段活動2種模式。聯合破裂可能復發間隔更長、震級更大，而分段活動的地震震級可能更小、復發間隔更短，要了解各分段斷裂活動的復發特征需要對其開展更為精細的研究。根據古地震探槽的研究，龍門山活動斷裂帶也具有類似的活動特征模式（冉勇康等，2018），北川－映秀斷裂中段與北段、江油－灌縣斷裂中段具有各自活動的特征，但也可能發生聯合破裂，產生如類似汶川8級地震規模的地震，這種情況則周期較長，全新世記錄僅有1次（冉勇康等，2018）。

在三危山斷裂西段山邊的主斷裂及附近區域未發現最新活動的特征（張裕明等，1989；劉興旺等，2018），斷裂表現出向盆地內部擴展的運動特點，若斷裂東、中段及敦煌段斷裂發生破裂，則破裂可能達到的長度為120km，根據地表破裂帶長度（SRL）與震級關系經驗公式（Wellsetal．，1994）（MW＝5.08＋1.16×log（SRL））推算的震級為7.5級。假如三危山斷裂中段65km發生破裂，推算的震級為7.2級；假如三危山斷裂東段50km發生破裂，推算的震級為7.1級。根據探槽1估算地震的同震位移為2.1m，利用最大位移（MD）與震級關系經驗公式（Wellsetal．，1994）（MW＝6.69＋0.74×log（MD））推算的震級為6.9級。需要指出的是，由于在斷裂沿線并未得到更多的同震位移數據，2.1m可能并不能代表地震的最大位移，因此MW6.9只能作為地震的最小參考震級。綜合考慮，三危山斷裂可能發生的地震的震級范圍為MW7.1～7.5。

根據斷裂的空間展布特征（圖1），新發現的斷裂西段盆地內部斷裂也可能向SW 與鳴沙山斷裂相連接，在該情況下可能會發生震級更大的地震。需要指出的是，無論地震復發符合哪種模式，三危山斷裂的地震離逝時間已經很長，其未來的地震危險性不容忽視，若發生與估算震級相當的地震，則將對距離斷裂較近的敦煌、瓜州城區以及莫高窟文化遺址造成較大的震害。

4 結論

三危山斷裂位于發育于三危山西北麓，長約175km，可分為東、中、西3段。本研究對斷裂西段進行了野外地質調查、古地震探槽分析及光釋光樣品測年，確定斷裂發生過2次古地震事件：事件E1發生的年代約為距今（35.1±3.7）～（36.7±4.1）ka；事件E2發生的年代約為距今（76.5±8.8）～（76.7±8.3）ka。斷裂晚更新世以來的垂直滑動速率為（0.03±0.01）mm／a，相應的縮短速率為（0.09±0.01）mm／a。

綜合前人研究結果，分析認為三危山斷裂古地震活動具有分段性特征，中、東段具有單獨破裂的可能性，也存在與敦煌段發生級聯破裂的可能性，根據已有的證據判斷級聯破裂的復發間隔約為40ka，復發周期較長。通過經驗公式計算得到三危山斷裂可能發生的震級范圍為MW7.1～7.5。無論是分段活動還是級聯破裂，三危山斷裂的地震離逝時間已經很長，在青藏高原持續擴展的前提下，其完全停止活動的可能性不大，未來的地震危險性值得關注。