渭河盆地自始新世开始发育,第四纪时期接受了大范围的黄土堆积,造成大部分地区的地表和近地表被晚更新世的黄土披盖,中更新世的地层被深埋于地下,因此中更新世黄土地层中的断裂活动迹象很难被直接找到,导致中更新世直观反映断裂活动的图件和研究资料相对较少。西安市活断层项目组工作人员对渭河盆地内部的临潼—长安断裂进行了长期的野外考察,期间在白鹿塬高家沟观测到自早中更新世以来从下到上被断裂活动错开的黄土—古土壤序列。

笔者利用界限清楚而完整的黄土—古土壤序列及其可参考的年代标尺,通过沿断裂带上古土壤层的错距讨论中更新世时期临潼—长安断裂在白鹿塬高家沟内的活动情况。再结合已有的资料,将白鹿塬中更新世期间断裂的活动与晚更新世以来断裂的活动以及断裂的空间差异大小进行对比,以期为该区域的地震危险性评价提供基础资料和可靠证据。

笔者通过对渭河盆地内部的临潼—长安断裂进行长期的野外考察,在白鹿塬观测到自早中更新世以来从下到上被断裂活动错开的黄土—古土壤序列。两套黄土—古土壤序列均位于白鹿塬内部的高家沟,两剖面野外出露完好,地层界线清晰(图1),L₁、S₁、S₂、S₃、S₅、L₇和L₉地层特征明显。L₁地层由颜色不同的3层组成:上层和下层呈灰黄色,富含大孔隙和团块状结构; 中层厚约0.4 m,颜色呈浅灰褐色,略微发红,成壤化明显。S₁地层为黑褐色亚粘土,十分醒目。S₂地层由两层颜色相差较大的古土壤夹一层黄土复合而成,上层古土壤呈红褐色,含丰富的铁锰胶膜和部分钙膜; 下层古土壤呈黄褐色,因含过多的钙膜斑点而发白; 两层古土壤中间夹层有厚约0.7 m的黄土层。 S₃地层厚约2 m,由两层颜色相似的古土壤夹一层黄土复合而成,上下两层古土壤均呈黄褐色,铁锰胶膜发育,两层古土壤中间夹一薄层棕黄色亚粘土。S₅地层厚约4 m,由3层古土壤夹两层黄土复合而成,较醒目,最上层古土壤与上覆黄土界限清楚,颜色最深,呈红褐色,下两层古土壤颜色浅于第一层,呈黄褐色,两薄层黄土夹于3层古土壤之间,颜色较浅,在地层底部均匀分布着厚约0.2 m的钙质结核层。L₇地层厚约3.5 m,由3层组成,上下层呈褐黄色,中间夹一层厚约0.5 m颗粒较细的浅黄褐色弱发育古土壤。 L₉地层较厚,约9 m,由浅黄色土层中夹两条褐黄色条带组成。

综合上述分析认为:(1)白鹿塬与其它地区黄土剖面有相似的特点,有3个明显的标志层S₁、S₅和L₉。S₁地层是从地面向下的第一层,颜色褐红,十分醒目。S₅由3层古土壤复合而成,在古土壤中沉积最厚。L₉地层颗粒较粗,在黄土层中沉积最厚;(2)白鹿塬与其它黄土—古土壤序列稍有区别的地层分别是S₂、S₃、L₇和 L₉。S₂地层由两层颜色稍有差异的古土壤中间夹一层黄土组成,上层古土壤呈红褐色,铁锰胶膜发育,下层古土壤呈黄褐色,含大量的钙膜斑点。S₃地层由两层颜色相近的古土壤中间夹一层黄土组成。L₇地层由两层颜色稍浅的黄土中间夹一层弱发育古土壤组成。L₉地层由浅棕黄色土层中夹两条褐黄色条带复合而成。由于受临潼—长安断裂活动的影响,高家沟内从L₉ 到L₁的地层均被错断。因所研究的高家沟两个断层剖面均为垃圾场建设时开挖的新鲜露头,地层界限比较清楚,断层错距能够被准确地判断与测量。较好的客观环境为本文的研究工作提供了方便。

图1 白鹿塬高家沟的黄土—古土壤序列
Fig.1 Loess-paleosol sequence in Gaojiagou,Bailuyuan

高家沟两个断层剖面位置及临潼—长安断裂展布如图2所示,图中黑色实心圆点为高家沟两个剖面的位置,F₁、F₂为临潼—长安断裂的两个分支。临潼—长安断裂位于西安拗陷与骊山凸起的交界部位,在航磁和重力资料上显示为一个明显的异常带(李永善,1991)。断层总体走向N35°～45°E,局部偏转为N65°～70°E走向,倾向NW,倾角60°～70°,为正倾滑断层。该断裂主要由两条分支断层(F₁、F₂)和两条分叉断层组成(冯希杰等,2006; 李晓妮等,2008; 师亚芹等,2008)。北东段狭窄(带宽仅为1～4 km),西南段相对较宽(带宽约6～12 km),整个断裂带的形态犹如一把大扫帚自东北向西南展开。

图2 断层剖面位置及临潼—长安断裂的展布
Fig.2 Location of fault section and stretch of Lintong-Chang'an Fault

高家沟剖面1位于西安市高家沟垃圾处理厂的南侧,地理坐标为(109.108 276°N,34.246 123°E),剖面1揭露地层为中更新世的黄土—古土壤序列,分布连续且稳定。由于断层的活动,该剖面L₅到S₃的地层均被此断层错断(图3a),S₅地层顶部错距约为0.8 m,S₄地层底部错距约为0.7 m,顶部错距为0.3 m,在S₃地层中错距不明显。断层断面走向40°,倾向北西,倾角75°,上盘下降,下盘上升,为正断层,断层面上有垂直擦痕和磨光镜面。顺着断层面发育一条比较醒目的裂缝,裂缝从下往上穿过L₅到S₃地层,通往L₃地层中。根据自下往上断距逐渐变小,以及临潼—长安断裂由深部发展而来的特征,推测S₅地层以下地层错距应大于0.8 m。

高家沟断层剖面2位于剖面1南西约200 m处,地理坐标为(34.244 950°N,109.108 047°E),断层走向45°,倾向北西,倾角68°,为正断层。该断层上下贯通性较好,自S₈至S₅地层均被连续错断(图3b),S₈、S₇、S₆ 和S₅地层底部的错距分别为0.8 m、0.65 m、0.55 m和0.5 m,自下往上,断距在逐渐变小,说明中更新世以来该断层处于持续的活动状态中。在断层的东边,有一条较长、较宽、较醒目的裂缝从地层底部向上穿过L₉到S₅,通往L₅地层中。由于L₅及以上地层被杂草覆盖,不易观察,因此裂缝是否通往更新的地层目前还不能确定。但是根据附近其它断层剖面的资料推断,该处断层应该穿透了L₅地层。再与剖面1联系起来推测剖面2中L₅地层以上的地层错距,因为同一条断层在200 m的范围内不可能有选择的进行切错,而是在断层所经之处都有错断,据此推测剖面2中L₅以上的地层被小幅度错断。

图3 高家沟两剖面断层(a)剖面1(镜头向南);(b)剖面2(镜头向北)
Fig.3 Fault of two section in Gaojiagou(a)Section one(mirrored to S); (b)Section two(mirrored to N)

对于晚更新世以来的断层错距,冯希杰等(2006)做过详细研究,此处应用其研究中临潼—长安断裂F₁断层晚更新世以来错距的部分结果,与本文中更新世的错距大小进行对比,可获得对白鹿塬段F₁断层活动在时空上较为整体的认识。冯希杰等(2006)的研究资料显示大桥沟剖面S₃,S₂和S₁地层的断层错距均为6 m,江家沟剖面S₁和L_1S地层的断层错距均为1.1 m,牛角尖S₁断层的错距为5.7 m,L_1S的断层错距为0.7 m,这3个剖面与高家沟两剖面均位于临潼—长安断裂F₁断层上的白鹿塬段(图3a)。

表1 地层年龄及断层错距
Tab.1 Stratum age and fault dislocation

通过以上分析,笔者做出了从S₉到L₁地层的断层错距(表1)。由表1可知,S₉到L₁地层错距均在0.2～6 m,以其时代长远和错距大小相比,中更新世以来临潼—长安断裂的F₁断层在白鹿塬段错距整体偏小。用最大的断层错距6 m除以最小的年龄8万年,得到F₁断层在白鹿塬段的最大平均滑动速率约为0.075 mm/a。

通过以上高家沟两断层剖面与白鹿塬段F₁断层上的其它3个剖面断层错距的整体分析与对比,将临潼—长安断裂的F₁断层在白鹿塬段中更新世以来的活动特征总结如下:

(1)自早中更新世以来,F₁断层在白鹿塬段一直有活动。从断层剖面(图3)和表1均可看出,断裂活动错断了黄土—古土壤地层序列的S₈～L₁地层,并在多处形成了断层面及构造裂缝,反映自早中更新世以来,临潼—长安断裂的F₁断层在白鹿塬一直有活动。

(2)早中更新世以来,F₁断层在白鹿塬段错距不大,且活动速率较低。从表1可看出,早中更新世的地层年龄约为468～788 ka,古土壤层的错距范围为0.4～0.8 m; 晚中更新世的地层年龄约为185～422 ka,古土壤层的错距范围为0.2～6 m; 晚更新世的地层年龄约为10～127 ka,古土壤层的错距范围为0.5～6 m,且最大的平均滑动速率仅为0.075 mm/a,以上数值均反映早中更新世以来,F₁断层在白鹿塬段的错距整体偏小,平均活动速率亦较小。

(3)F₁断层在白鹿塬段的活动在空间上具有差异性。L_1S地层在牛角尖断距为0.7 m,在江家沟断距却为1.1 m; S₁地层在江家沟断距为1.1 m,在大桥沟断距却为6 m; S₁地层在大桥沟断距为6 m,S₈地层在高家沟断距只有0.8 m。这些数据显示在不同剖面断距也不同,反映F₁断层在白鹿塬段的错距具有空间上的差异性。

(4)高家沟垃圾处理场附近现今断裂活动程度较弱。虽然临潼—长安断裂的活动错断了白鹿塬高家沟剖面1的L₅～S₃地层和剖面2的S₉～S₅地层,然而通过对地形图的分析和野外观察看出,两断层的上覆地形面均比较平整,没有出现断层陡坎,也不存在明显的高度差,反映了高家沟垃圾处理场现今断裂活动程度较弱,活动力度不足以改变上覆地形原有的形状。

白鹿塬南临浐河,北挨灞河,是夹于两河之间的黄土台塬。总体地形轮廓是中间高,四周低,从中间塬面向四周呈阶梯状倾斜下降,一般高程约为460～760 m,最大相对高差约300 m。白鹿塬这种阶梯状地形面的普遍发育,反映了自上新世以来白鹿塬间歇性抬升并形成的过程。

白鹿塬上的高家沟剖面,黄土—古土壤发育连续,相互叠覆,交替出现,断层明显,记录了约90多万年以来该区黄土发育的历史和主要的地质—气候—断裂活动事件。白鹿塬上S₂和S₃地层均由两层古土壤中间夹一薄层黄土复合而成,L₇地层由两层黄土中间夹一层弱发育古土壤组成,这三层可能比其它区域能够更详细地指示地层形成时的气候环境信息。

由于临潼—长安断裂的F₁断层的活动,白鹿塬上的S₉～L₁地层全部被错断,错距均在0.2～6 m之间,表明自早中更新世以来,白鹿塬段一直有断层活动。不同剖面显示不同的断层错距反映F₁断层在白鹿塬段的活动在空间上具有差异性。

高家沟剖面是距今为止在临潼—长安断裂上获得的错断最老的黄土—古土壤断层序列。对高家沟剖面的进一步认识可为该区域的潜在地震危险性评价及黄土地层学研究提供参考。