黃河中下游活動斷層分布及其對古河道變遷的影響1

李 峰 張杰漢 盧 巍 張 攀 占偉偉 田勤儉

（中國地震災害防御中心, 北京 100029）

引言

眾所周知，黃河是中華民族的母親河，在我國5 000 多年文明史上，黃河流域有3 000 多年是全國政治、經濟、文化中心。黃河流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東九省區，在山東省墾利縣注入渤海，干流全長5 464 km，落差4 480 m，流域面積接近80 萬平方千米，流域內2019 年人口總量為3.24 億，是國家重要的人口經濟帶，構成了我國重要的生態屏障。同時，黃河流域橫跨世界上最年輕的青藏高原、正在堆積的黃土高原和人口密集的華北平原，地質構造活躍，是我國地質環境最復雜、生態環境最脆弱的地區之一（彭建兵等，2020），也是全球最脆弱的流域系統之一。黃河流域重大災害分布廣、類型多、突發性強, 且災害往往成鏈、致災后果嚴重，如上游的巨型滑坡、中游的水土災害和下游的巨型洪災，據統計，黃河中游地質災害約占全國地質災害的1/3（彭建兵等，2016），下游歷史上曾發生1 500 多次決口事件, 以及至少26 次大型改道事件（Wang 等，2011），嚴重影響人類發展空間及生存軌跡，制約城鎮發展和國土規劃。

黃河流域也是我國遭受地震災害最為嚴重的流域，8 級以上地震占全國近1/3，7 級以上地震超過全國1/7。中國歷史上死亡人數最多的4 次地震有3 次發生在黃河流域，如1556 年陜西華縣發生8?級地震，死亡人數超過83 萬，是世界有史以來死亡人口最多的一次大地震，101 個縣（分布于陜、甘、寧、晉、豫5 省，約28 萬平方千米）遭受了地震破壞；1937 年8 月山東菏澤發生7 級地震，破壞區涉及魯、豫、冀、蘇4 省44 個縣，普遍發生地裂，涌黑水及沙，倒塌房屋32 000 余間，死亡390 余人（蘭恒星等，2022）。黃河流域上游土壤侵蝕嚴重，中下游河道含沙量過高，在地震活動影響下，極易發生次生災害，不僅帶來巨大的生命和財產損失，而且對流域的河道和水利工程設施造成嚴重破壞。已有研究成果中，對沿黃河地區地震誘發地質災害的研究主要集中在上游的新構造活躍區（潘保田等，1996；彭建兵等，2004），中下游致災因子的研究大多集中在氣候變遷與泥沙淤積的影響（王涌泉，2007；張金良等，2018），尤其是懸河突出河段的堤防潰決風險（王開拓，2018）。

黃河中下游的防洪工程體系是我國黃淮海平原的生態安全保障，也是保障我國“黃河流域生態保護和高質量發展”戰略安全的重要依托，由于修筑于不同時期的防洪工程質量參差不齊，加上歷史堵口使用的料物腐爛及生物破壞等，存在堤基管涌及堤身滑塌等眾多險點隱患，均與堤基的地質條件密切相關。考慮到活動斷層是地震災害的元兇《活動斷層探測》（GB/T 36072-2018）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2018），當地震發生時斷層沿線的建構筑物破壞、人員傷亡最為嚴重，是威脅黃河堤防工程體系和沿岸城市地質安全的關鍵危險源，因此有必要加強對黃河沿岸活動斷層分布特征的研究。

近年來，隨著沿黃河中下游地區一系列活動斷層探測項目的開展，對部分與黃河相交斷裂的活動性取得了新認識，發現了一些新的活動斷層，進一步明確了這些斷層的展布位置與活動特征，對認識區域地震危險性、識別沿黃河中下游的地震危險源有重要影響，同時也進一步揭示了歷史上黃河河道變遷可能受到這些斷裂活動的控制。

1 黃河中下游地區的活動斷層分布特征

黃河中下游地區主要經過鄂爾多斯塊體、華北盆地和魯西隆起3 個新構造單元（鄧起東，1985），圖1展示了本區活動斷層的分布情況，其中主要活動斷層的特征參如表1 所示。

表1 黃河中下游主要活動斷層一覽表Table 1 The list of active faults along middle and lower reaches of the Yellow River

續表1

圖1 黃河中下游區域地震構造圖Fig. 1 Seismotectonic map of the middle and lower reaches of the Yellow River

黃河中游河段自內蒙古托克托縣河口鎮至河南洛陽市孟津縣，途經區域除晉陜峽谷屬于鄂爾多斯塊體內部的構造穩定區外，在北部起點附近，與位于鄂爾多斯塊體北部的河套盆地南邊界斷裂鄂爾多斯北緣斷裂（F1）相交，附近還發育有構成河套盆地東邊界的和林格爾斷裂，2 條斷裂均為晚更新世活動斷層（鄧起東等，1985；徐錫偉等，2015）。

黃河中游南段與鄂爾多斯塊體東南部的汾渭地塹系相交，其以峨嵋臺地、中條山隆起為界，自北向南分為臨汾盆地、運城盆地和靈寶-三門峽盆地，過黃河以西后歸并入渭河盆地。其中構成臨汾盆地北邊界的韓城斷裂（F2）、南邊界峨嵋臺地北緣斷裂（F3）和構成運城盆地南邊界的中條山北麓斷裂（F5）、構成靈寶-三門峽盆地南邊界的華山山前斷裂（F6）為全新世活動斷層，構成運城盆地北邊界的雙泉-臨猗斷裂（F4）和構成靈寶-三門峽盆地東南邊界的溫塘斷裂（F7）為晚更新世活動斷層。

自孟津縣以下的黃河下游穿過了華北盆地內部以新鄉-商丘斷裂（F10）、聊城-蘭考斷裂（F12）等為界的多個次級新構造單元。新鄉-商丘斷裂新發現了多個晚更新世活動段，聊城-蘭考斷裂為全新世-晚更新世活動斷層，附近在黃河南岸發育的開封斷裂（F11）、東明-成武斷裂（F13）也是晚更新世活動斷層。此外，位于黃河北岸、構成太行山隆起南邊界的盤古寺-新鄉斷裂（F8）和構成太行山隆起東南邊界的湯東斷裂（F9），以及位于黃河三角洲地區的無棣-益都斷裂（F14）和埕南斷裂（F15）等均為晚更新世活動斷層。

2 黃河中下游活動斷層探測進展

在黃河中游北段的河套盆地，已完成呼和浩特、包頭的城市活斷層探測，其目標區均位于盆地北部。對盆地南部邊界斷裂的研究中，僅有目前正在開展的鄂爾多斯市達拉特旗城市活斷層項目，已發現鄂爾多斯北緣斷裂（F1）由多條晚更新世活動的分支斷層組成，其東段在托克托縣附近橫穿黃河，在深、淺地震反射剖面上呈“Y”字形分布，是一條規模較大的盆地邊界斷裂，單支斷裂的同震垂直位移量約2～2.5 m。另外，正在實施中的內蒙古地震風險普查項目對構成河套盆地東邊界的和林格爾斷裂布置了活動性鑒定工作，以往資料認為該斷裂未穿過黃河。

黃河中游南段與汾渭地塹系的3 個次級活動盆地相交，各盆地的邊界斷裂均具有較高的地震危險性。其中，構成臨汾盆地北邊界的韓城斷裂（F2）、南邊界峨嵋臺地北緣斷裂（F3），構成運城盆地南邊界的中條山北麓斷裂（F5），構成靈寶-三門峽盆地南邊界的華山山前斷裂（F6）在2011-2015 年開展過1:5 萬活動斷層填圖，研究程度和斷層定位精度較高，均具有全新世活動段和7.5 級以上發震能力。例如，扈桂讓等（2017）確定了韓城斷裂從禹門口一帶的基巖山地與洪積扇地層后緣之間通過，斷錯最新時間為6.0～12.4 ka，平均復發周期為7.84 ka，最新垂直滑動速率為0.06～0.13 mm/a；司蘇沛等（2014）通過探槽揭示中條山北麓斷裂在距今3 萬年以來發生過9 次以上古地震事件，平均活動時間間隔為3 300 a，平均最小斷距約為1.9 m，最小垂直活動速率為0.6 mm/a。此外，三門峽城市活斷層項目明確了溫塘斷裂（F7）晚更新世活動的可靠證據。本區其他斷裂研究程度有限，但近年來在附近開展的陜西渭南、山西運城、河南三門峽等城市活斷層探測項目，不斷發現有新的盆地內部隱伏活動斷層，預期今后對這些活動盆地內部的發震構造還會有新的認識。從目前資料看，韓城斷裂、雙泉-臨猗斷裂與黃河相交，峨嵋臺地北緣斷裂、中條山北麓斷裂、溫塘斷裂在延伸方向上均直抵黃河，溫塘斷裂可能是1815 年山西平陸6?級地震的發震構造，鄰近的華山山前斷裂是1556 年陜西華縣8?級地震的發震構造（張安良等，1989），需要考慮上述斷裂在發生中強以上地震時對黃河堤防穩定性可能產生的威脅。

黃河下游的河南段，隨著焦作、新鄉、鄭州、開封、鶴壁、濮陽等城市活斷層探測項目及相關研究課題的工作進展，認識變化最顯著的是關于新鄉-商丘斷裂（F10）的活動時代，以往資料均認為該斷裂為早-中更新世斷裂，近年來通過“河南省地震構造探查工程”發現了可靠的晚更新世活動證據。新鄉-商丘斷裂是南華北盆地與北華北（渤海灣）盆地、魯西隆起的分界線，西起新鄉，東經蘭考向商丘一帶延伸，總體為近NWW 向展布，長約250 km，斷裂以北構造線為NE-NNE 向，以南為NW-NWW 向，該斷裂分段發育，傾向多變，具有走滑性質（許立青等，2013；王志鑠等，2018），是一條形成時間早、切割深度大、長期活動的斷裂（侯江飛等，2021）。斷裂自西向東分為延津段、封丘段、蘭考-民權段、商丘段和永城段，張揚等（2021）通過淺層人工地震和鉆孔探測確定該斷裂延津段最新活動時代為晚更新世早期，永城段最新活動時代為晚更新世早、中期。

在新鄉-商丘斷裂以南，開封斷裂帶距離黃河南岸約20 km，鉆孔聯合剖面揭示開封斷裂（F11）東支的上斷點埋深27～35 m，最新活動時間為晚更新世。在新鄉-商丘斷裂以北，分布有走向NE、基本與黃河平行展布或斜交的聊城-蘭考斷裂（F12），以及與NW 走向的新鄉-商丘斷裂平行展布的東明-成武斷裂（F13）等，由于這些斷裂展布于豫東、魯西之間，以往開展的系統性探測不多，可靠的斷層活動性鑒定成果較少。其中，聊城-蘭考斷裂是1937 年菏澤7 級地震的發震構造，范縣-東明一帶相對研究程度較高（向宏發等，2000），具有全新世活動特征；河南境內最新探測成果認為聊城-蘭考斷裂南段的構造樣式為伸展走滑斷裂尾端“馬尾扇”結構，其最新活動時代是中更新世中晚期，晚更新世以來不活動，可能屬于斷裂尾端效應。從水系發育特征看，黃河在1855 年銅瓦廂決口后的流向與新鄉-商丘斷裂平行，而現代黃河干流的流向在蘭考以北由近東西折向北東，可能受到聊城-蘭考斷裂新活動的影響。

在新鄉-商丘斷裂以北，黃河北岸的太行山東南緣距離黃河約30 km，是有歷史記載以來最早的黃河故道經過地區，發育近東西走向的盤古寺-新鄉斷裂（F8）和北東走向的湯東斷裂（F9），具備中強以上地震的發震能力。“河南省地震構造探查工程”最新工作根據物探剖面、地質標準孔和地層剖面出露特征，確定盤谷寺-新鄉斷裂分為3 段，并改變了前人對東、西2 段活動時代的認識。該斷裂西段最新活動時代為中更新世，具有向盆地遷移發育的特征；中段最新活動時代為晚更新世早期；東段活動性稍復雜，經歷了正斷-逆沖-正斷的運動過程演變，其最新活動時代為晚更新世早期，且向兩端活動性逐漸降低，1587 年修武東6 級地震可能與該斷裂有關。在盤古寺-新鄉斷裂東段以北，北東走向的湯陰地塹南段是由湯東斷裂和湯西斷裂共同控制的地塹構造，而湯陰地塹北段是由湯東斷裂所控制的“半地塹”構造（韓慕康等，1980）；近年來探測成果表明（劉保金等，2012），湯東斷裂分為斜列的東、西2 支，為晚更新世活動斷層，鶴壁城市活斷層項目聯合應用地質雷達和淺層人工地震方法，結合沉積速率推測湯東斷裂西支的最新活動時代為22～24 ka。

在下游的黃河三角洲地區，第四系沉積較厚，以往地震地質工作基礎薄弱。在濱州城市活斷層探測中，采用淺層地震勘探和鉆孔聯合剖面探測相結合的方法，獲得近東西走向的埕南斷裂（F15）及其南側與之平行的陵縣-陽信斷裂等錯斷晚更新世地層的證據。埕南斷裂上斷點埋深44.3～46.4 m，斷距0.8～1.2 m，最大潛在地震為6.5 級，改變了濱北地區地震活動性弱的既有認識。但對于該地區NW 走向的無棣-益都斷裂（F14），雖然其南段在臨朐東南附近為活動斷層（王華林等，1989），但在穿過黃河干流附近段是否仍具有晚更新世活動性，仍有待進一步確認。

3 黃河中下游河道變遷與活動斷層的關系

黃河中游流經河套盆地、鄂爾多斯斷塊隆起、汾渭盆地、豫西隆起至華北盆地，三大盆地構成的侵蝕基準面呈階梯狀下降，盆地普遍發育活動斷層。有理由推測，這些斷裂的長期活動導致史前黃河流域自河套古湖至三門古湖之間的侵蝕基準面下降（程紹平等，2002），是黃河形成、貫通的重要因素。

根據影像解譯和歷史研究，黃河下游的流向與周邊沉積特征受構造活動的制約（許立青等，2013），西漢時期至宋元時期黃河沿鄭州滎陽桃花峪經新鄉、濮陽市進入河北，基本沿太行山東麓斷裂帶展布；1234-1855 年，黃河奪淮，從東壩頭經商丘、夏邑、碭山、肖縣進入徐州地區，基本沿新鄉-商丘斷裂帶展布，清朝開始改行現行河道，沿聊城-蘭考斷裂帶展布。由此推測歷史上的黃河改道可能與斷裂活動及周邊斷塊差異性升降有關。

由圖2 可以看出，歷史上黃河下游河道的變遷與新構造時期不同活動斷層控制的沉降凹陷有直接關聯。最早有記載的禹河故道（早于公元前602 年，據Wang 等，2011）沿著太行山東南緣的湯陰地塹、臨清凹陷、冀中凹陷發育，經過現代白洋淀的位置由海河口入海，基本與濟源-邢臺-保定-唐山新生地震斷裂帶走向重合，沿線除了發育盤古寺-新鄉斷裂、湯東斷裂、海河斷裂以外，近年來還在雄安新區附近發現了牛東斷裂等晚更新世活動斷層，不排除今后在這一區域還會發現新的活動斷層。此后黃河向東擺動，北宋故道流經臨清凹陷、黃驊凹陷，漢唐故道由濟陽凹陷入海，上述3 組黃河北流的故道之間有滄縣凸起和埕寧凸起相隔。

圖2 黃河中下游河道變遷與新構造單元分布關系示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the relationship between channel change and Neotectonic unit in the middle and lower reaches of the Yellow River

挽近時期黃河河道向東南擺動，經由內黃凸起以南的開封凹陷、東濮凹陷和濟陽凹陷，明顯受到聊城-蘭考斷裂等全新世活動斷層的控制。向東由于受魯西隆起的阻隔，歷史上黃河南流、奪淮入海的金元故道、明清故道，又受到北西走向的新鄉-商丘斷裂和近東西走向的開封斷裂等控制的一系列凹陷影響，不排除今后在這一區域也會繼續發現新的活動斷層。

4 黃河中下游活動斷層探測工作現狀分析

近年來，在中國地震局和內蒙古、山西、陜西、河南、山東各省區地方政府的大力支持下，沿黃河中下游開展了一系列活動斷層探測工作，在該地區取得了較多新的認識、厘定了部分活動斷層的準確位置與分段活動特征，其成果對客觀、科學開展區域潛在震源區劃分、地震危險性評價以及黃河中下游沿岸的地震危險源識別具有重要意義，為城市及國土規劃提供了可靠依據。

但是，目前的工作成果由于受到探測投入和施工條件限制，對于平原隱伏區的活動斷層認識仍存在不確定性，例如晉、陜交界盆地的雙泉-臨猗斷裂與黃河相交位置尚未查明，豫、魯交界地區黃河沿岸的聊城-蘭考斷裂分段活動特征尚未開展全面探測，黃河南流故道經過皖北、蘇北地區的北西向斷裂可能也存在一些活動段，黃河北流故道沿線的北華北盆地在以往探測較少的厚沉積區仍可能存在未知活動斷層；另外，沿黃河地區有些遙感線性影像特征顯著的斷裂尚未開展可靠的活動性鑒定，如構成濟源凹陷西邊界的封門口-五指嶺斷裂等。

圖3 展示了目前已開展1:50 000 活動斷層填圖或城市活動斷層探測的目標區范圍，并按照上述分析嘗試提出了今后需要加強探測的優先目標區。其中，黃河下游歷史故道經過的地區，大多位于尚未開展過活動斷層探測的空白區域，例如魯西地區的德州、聊城、菏澤與豫東地區的商丘。針對此類問題，有必要通過加強跨省或跨地區的政策協調，推動開展相關工作規劃與探測。

圖3 黃河中下游活動斷層探測目標區范圍Fig. 3 Target area of active fault detection in the middle and lower reaches of the Yellow River

5 結論及討論

近年來，黃河中下游沿岸活動斷層探測工作厘定了一系列活動斷層的準確位置與分段活動特征，其中與現代黃河河道相交的斷層中，位于黃河中游的韓城斷裂和位于黃河下游的聊城-蘭考斷裂為全新世活動，具有發生7.0～7.5 級地震的危險性；位于黃河中游的鄂爾多斯北緣斷裂、雙泉-臨猗斷裂、溫塘斷裂和位于黃河下游的新鄉-商丘斷裂為晚更新世活動，具有發生6.0～6.5 級地震的危險性。另外，鄰近黃河河道的中條山北麓斷裂、華山山前斷裂、盤古寺-新鄉斷裂、湯東斷裂、開封斷裂、東明-成武斷裂、無棣-益都斷裂、埕南斷裂等活動斷層的地震危險性也可能對黃河堤防工程的安全造成一定影響。上述斷裂的長期活動并控制周邊沉降盆地發育，明顯影響了歷史時期黃河流向與河道的變遷。考慮到這些斷裂活動可能誘發嚴重的地震地質災害，是威脅黃河堤防工程體系和沿岸城市地質安全的關鍵危險源，加上其中部分斷裂存在活動特征或位置的不確定性，建議有針對性地加強相關探測工作規劃。

從已有工作經驗看，黃河中下游經過多個新構造區，不同新構造區的活動斷層分布特征不同，研究方法也有差異。針對中游南段汾渭地塹系的各盆地邊界裸露斷層，可以采用活動斷層大比例尺填圖的手段，結合探槽開挖和年代學測試確定其活動特征；但針對鄂爾多斯周緣活動盆地內部和黃河下游平原區發育的隱伏斷層，由于斷層上斷點埋藏較深，需要利用淺層高分辨率人工地震勘探與鉆孔聯合地質剖面相結合的技術方法，探測斷層位置及其上斷點埋深，在淺覆蓋區還可結合地質雷達等手段進行綜合探測。

另外，由新發現存在活動斷層段的新鄉-商丘斷裂的深、淺構造特征看，受區域應力場和基底構造影響，位于厚沉積區的大型走滑斷裂因其分段雁列式平面展布特征，難以通過局部簡單的淺部地質或物探手段開展全面的活動性鑒定，導致其地震危險性容易被低估。因此針對厚沉積區隱伏活動斷層，需要加強探測方法研究，尤其是通過沉積特征分析和深、淺構造聯合反演，必要時可以利用密集臺陣等新技術加強二、三維聯合地震勘探。

致謝 感謝內蒙古自治區地震局、山西省地震局、陜西省地震局、河南省地震局、山東省地震局和中國地震局第一監測中心等單位領導和技術專家的大力協助，感謝審稿專家提出寶貴意見和建議。