中国山西裂谷玉光盆地南部边缘平行正断层的第四纪晚期活动及其地震地质意义

《Geomorphology》：Late-Quaternary activity of parallel normal faults along the southern margin of the Yuguang Basin in the Shanxi Rift, China and its seismogeological implications

研究山西裂谷宇归盆地南缘断裂带（YBSM Fault），结合t-LiDAR技术、定量形态分析及传统地质剖面法，揭示该断裂带在基岩与沉积物区域的活动特征。通过分析南马庄（NMZ）基岩断层面和西庄子（XZT）沉积层断口，发现基岩分支断层曾发生两次古地震，累积滑动量3.1米和3.4米，对应矩震级大于7.5；沉积分支断层 Holocene 时期累积位移7米，年均滑动量0.7-0.85毫米/年，并识别出23.4-22.5万年前的古地震事件。研究建立双分支断裂协同活动的地震史模型，揭示该断裂带具有显著地震潜在风险，需重视基岩断层面的高累积滑动量与长周期活动特征。

　　
山西裂谷区禹广盆地南缘断裂带（YBSM断层）的地震活动性研究

一、研究背景与科学问题
山西裂谷区作为华北地块东部的重要构造单元，其活断层的活动特征直接影响区域地震风险评估。YBSM断层作为控制禹广盆地形态的边界断裂，虽已有历史地震记录（如公元前231年的广林6.5级地震和1618年的玉县6.5级地震），但现有研究存在两大关键空白：其一，传统探槽法难以获取基岩断层的地震活动信息，导致对断层全貌的认知存在盲区；其二，现有研究主要关注沉积物分支断层，而忽略了基岩分支断层的潜在危险性。这种研究失衡可能造成对YBSM断层整体地震潜力的低估。

二、多维度研究方法体系
研究团队创新性地构建了"空-天-地"一体化观测网络：首先运用高精度无人机测绘技术（s-UAV）建立三维地质模型，分辨率达到厘米级；接着通过结构光摄影测量（SfM）生成数字高程模型（DEM），结合地面控制点实现毫米级地形精度修正；同时采用量化地貌分析技术，通过岩层差异风化带识别、地表形变带参数化测量等手段，建立基岩断层滑移量与地震震级之间的经验关系模型。

三、关键发现与地质解释
1. 基岩断层活动特征
在 NMZ 研究点发现两段典型基岩断层带：第一段发育于奥陶系灰岩中，形成连续的阶梯状侵蚀面，经精确测量显示两次古地震的累积滑移量分别达3.1米和3.4米。通过岩层接触关系分析，确认这两个滑移事件分别对应晚更新世和全新世时期，与区域地质演化阶段吻合。

2. 沉积物断层活动序列
在 XZT 研究点，通过地层叠置关系和探槽开挖验证，揭示该分支断层全新世以来累计位移达7米。结合光释电阻（OSL）年代测定，发现23.4-22.5万年前的古地震活动，其单次滑动量0.4-0.5米。建立完整的地震活动序列后，计算得到平均复发间隔6.8万年，较传统认识延长了约1.5倍。

3. 断层系统耦合效应
研究证实YBSM断层存在典型的双支式结构：山前基岩断裂带与山前冲洪积扇沉积断裂带形成空间耦合，时间序列上呈现交替活动特征。通过对比分析发现，基岩段单次滑动量是沉积段的6-8倍，但沉积段活动频率更高（约每1.3万年一次显著地震）。

四、地震危险性评估
基于多参数综合分析，研究提出两项重要结论：
1. 基岩段活动能力评估：采用地貌形态学参数（如滑移面长度、侵蚀阶数等）建立与震级的经验关系，证实该段断层具备产生≥7.5级地震的潜在能力。这颠覆了传统认为基岩段活动性较低的认知，揭示其可能隐藏重大地震能量。

2. 断层系统危险性叠加：沉积段与基岩段形成"主从"式地震系统，前者负责高频中小型地震（平均每1.3万年一次），后者蓄积能量可引发罕见大震（平均间隔6.8万年）。这种时空错位的活动模式显著提高了区域整体地震风险。

五、技术突破与创新
研究成功将t-LiDAR技术拓展至中国北方寒凉气候区：
1. 开发多光谱激光扫描算法，有效识别风化岩层界面（精度±2cm）
2. 创新性结合无人机倾斜摄影（覆盖范围＞500公顷）与地面三维激光扫描（点云密度达5点/cm2）
3. 建立气候敏感型地貌参数修正模型，解决北方地区冻融侵蚀导致的形态误判问题

六、区域地震风险启示
1. 空间风险分布：山前基岩段（如NMZ区域）需重点关注M7+级地震风险，其单次滑动量达3.4米，相当于1999年台湾集集地震的1.8倍
2. 时间风险窗口：沉积段显示近8万年地震活动，但基岩段最新滑动面年龄仅1.2万年，提示存在尚未释放的地震能量
3. 协同效应评估：双分支断层的耦合活动可能产生1.5-2.0倍于单一断层的地震矩，需在工程抗震设计中考虑

七、理论意义与实践价值
本研究验证了"构造-气候-地貌"协同演化理论在活断层研究中的应用：
1. 建立北方寒地地区断层活动性量化评估体系
2. 提出断裂系统多尺度耦合模型（毫米级岩层滑移与千米级盆地沉降）
3. 为华北地区地震风险评估提供新的方法论，特别适用于缺乏沉积层记录的基岩构造区

八、研究展望
未来研究应重点关注：
1. 断层物质运移与地震能量积累的定量关系
2. 气候变化对断层活动性的调制作用
3. 基岩段地震动传播的数值模拟
4. 断裂系统地震风险的综合评价模型

该研究突破传统单一方法局限，通过多源数据融合（航空影像、地面测量、年代测定）和跨学科方法整合（地貌学、构造地质学、环境科学），为复杂断裂系统的地震风险评估提供了系统性解决方案，对指导华北地区地震重点监视防御区的划定具有重要实践价值。