田庄断裂位于太原断陷盆地中部，据物探资料显示，断裂全长35 km，由2条断层组成，北侧断层倾向SE，南侧断层倾向NW，断裂西段走向近EW，中段及东段走向为NEE-NE。国内学者对太原盆地的活动断裂作过不同程度的研究，但关注的焦点多集中在盆地边界的交城断裂和太谷断裂上^[1-2]，对田庄断裂的研究多为初步性的探讨^[3-6]。为厘定太原盆地中部潜在的发震断层，本文基于复杂的地质构造及地震活动背景，综合研究区浅层地震勘探及钻孔联合剖面，结合¹⁴C测年、光释光测年等探测手段，确定田庄断裂全段的空间展布和几何结构特征，并进行活动性分段，厘定田庄断裂的上断点埋深，确定断裂最新活动时代及活动速率，给出断裂的地震危险性概率分析结果，估计田庄断裂不同区段的最大潜在震级及发震概率。

1 田庄断裂带构造特征及地震活动背景 1.1 区域地质构造特征

由盆地新构造分区(图 1)可以看出，田庄断裂横贯太原盆地中部，为盆地次级构造单元的分界线，断裂以北为太原轻微凹陷，第四系地层厚度为100~400 m，新生界地层厚度为100~1 000 m；断裂以南为清徐凹陷，新生界地层厚度为400~3 800 m，第四系地层厚度为100~550 m。断裂两侧构造格局及活动特征呈现南北分异，基底构造形态呈现EW向不对称性，两盘第四系地层厚度垂直差异为100~250 m，新生界地层厚度垂直差异为100~2 200 m，最大差异位于清徐县王吴村附近。由盆地NS向地质剖面(图 2)可知，北格镇附近断裂两盘新生界地层的底界垂直断距达2 300 m，同时可见在晋祠以南，以田庄断裂为界将交城断裂分为北段和中段^[2]。由于田庄断裂对太原盆地NS向构造格局的控制作用，交城断裂北段与中段在第四纪的活动特征具有一定的差异性，表现为断裂以北新近系及第四系地层的底界相对平缓，而在断裂以南明显向W倾，断裂南北两盘差异运动强烈。太原盆地中部的新构造环境格局及活动特征可能是由交城断裂和田庄断裂共同控制，断裂两侧构造格局的差异说明田庄断裂对盆地中部的新生界地层沉积及新构造运动演化具有控制作用，开展田庄断裂的空间展布及活动性研究对深入认识太原盆地新构造演化过程及研究盆地内地震构造环境和地震危险性分析具有十分重要的科学意义。

1.2 地震活动背景

田庄断裂两侧5 km范围内曾发生7次M≥4.7地震，最大为1102年6.5级地震。1970年以来，田庄断裂两侧共发生震群活动5次，其中规模最大的为1976~1977年北格M_L3.7震群，由图 3可以看出，该震群长轴走向NEE-NE，长度约12 km，短轴走向NNW，长度约9 km，震群沿田庄断裂中段展布，长轴方位与田庄断裂走向一致，表明北格震群不是发生在新构造活动最强的交城断裂，而是发生在盆地内活动性较弱的田庄断裂附近。图 4为两条与田庄断裂近垂直的震源深度剖面，其具体位置见图 3。剖面显示，震源深度集中分布在7~13 km，底界大致呈倾向S的铲形，与田庄断裂的产状基本一致。表 1为田庄断裂两侧部分M_L≥3.0地震的震源机制解参数^[7]，由表可知，大多数地震为右旋正走滑及右旋走滑型，小部分为左旋正走滑型；盆地中部西段、中段及东段的震源机制解存在着较为明显的差异，西段与交城断裂和田庄断裂的活动特征及产状吻合，而中段及东段与田庄断裂的活动特征及产状吻合。震源机制解显示，盆地中部的地震活动受田庄断裂及交城断裂共同控制，不能忽视田庄断裂的潜在发震影响。

2 田庄断裂活动性探测及分段研究

浅层地震勘探是探测城市活断层最主要的方法之一^[8-9]，基于浅层地震、钻孔剖面及地层测年方法厘定田庄断裂的上断点埋深及最新活动年代，并进行断裂的几何及活动性分段。

2.1 田庄断裂浅层地震探测

研究区共布设12条浅层地震测线，同时收集5条前人测线数据(图 1)，浅层地震勘探结果见表 2，本文仅选取部分剖面作重点介绍：

1) TZ1测线：图 5(a)可观测到2条断层，其中断层Fp1的上断点位于剖面桩号1 050 m处，各界面出现有规律的错断，断层下盘最深的强反射界面出现在双程走时1 000 ms的TN界面，界面以下则几乎没有可追踪解释的反射波同相轴，反映该界面上下为两套具有不同沉积特征的地层。断层上盘多个界面出现牵引特征，双程走时1 500 ms仍存在可辨识的反射界面，与断层北侧对比明显，反映断层两盘明显不同的构造特征。由图 5(b)可知，断面下盘新近系地层的底TN界面埋深约为900 m，下伏地层为二叠系地层，而上盘的TN界面埋深约为3 000 m，两盘的TN界面断距达2 100 m，表明断裂上盘的断陷幅度远大于下盘，下盘相对上盘抬升，沉积厚度变薄，断层向上延伸错断了T02界面。在Fp1左侧双程走时1 200 ms处发育有分支断层Fp2，与Fp1构成“Y”形，并向上延伸错断了TN3界面。

2) TZ3测线：图 6(a)可观测到3条断层，Fp4的上断点在剖面桩号383 m处，界面反射波同相轴错断，部分界面在断面附近亦有似牵引现象，断层向上错断T02界面。在剖面桩号135 m处解释为Fp5的上断点，断点层向上延伸错断了T04界面，表现为扰动型错断，断距较小。在Fp5下部发育一分支断层Fp6，规模不大，仅错断TN2界面，为新近系内部断层。由图 6(b)可知，Fp5断层下盘新近系地层底部的TN界面埋深约900 m，下伏地层为二叠系地层，而Fp4上盘的TN界面埋深约为3 200 m，两盘的TN界面断距达2 300 m，上盘地层界面明显多于下盘，各界面总体上呈南深北浅的展布形态，且界面越深南北差异越大，断层上盘断陷幅度大于下盘，下盘相对抬升，沉积厚度变薄。

3) TC4-2测线：反射时间剖面及断点特征可参见文献[6]，共观测到Fp7、Fp8两个断层。由图 7可知，Fp7断层下盘的TN界面埋深约为350 m，下伏地层为三叠系地层，上盘新近系底部的埋深约为2 000 m，两盘的TN界面断距达1 650 m，上盘地层明显多于下盘，且地层界面总体上呈南深北浅的展布形态，表明断层上盘断陷幅度远大于下盘，断层下盘相对抬升，沉积厚度变薄。

4) TZ6测线：图 8(a)可观测到Fp9断层，上断点位于剖面桩号690 m处，剖面中各界面均出现有规律错断，断层南盘(上盘)丰富的反射波组可以识别到双程走时1 000 ms，断层北盘(下盘)则仅识别到360 ms的TN界面，断层两侧地层的沉积特征差异明显，反映出断层两侧明显不同的构造特征。由图 8(b)可知，Fp9断层下盘新近系地层底部的TN界面埋深约为250 m，下伏地层为三叠系地层，上盘的新近系地层的底部埋深约为1 600 m，两盘的TN界面断距达1 350 m，上盘地层界面明显多于下盘，地层界面总体上呈南深北浅的展布形态，表明断层上盘断陷幅度远大于下盘，断层下盘相对抬升，沉积厚度变薄。

图 9为基于浅层地震勘探得到的上断点位置绘出的田庄断裂分布，由图可知，田庄断裂全长31.4 km，其北支断裂为主断裂，向下延伸并错断中生界基岩地层，而南支断裂为次生断裂，仅在田庄断裂西段西端和中-东段转折部位错断了中生界基岩地层，其余部位大多仅错断至TN界面，并在局部表现为间断不连续。

2.2 田庄断裂活动速率厘定

钻孔探测技术是城市活断层探测的一种重要手段^[10-11]，通过在断裂中段及中-东段转折部位实施钻孔联合剖面对断裂活动速率进行厘定。钻孔剖面显示，剖面附近第四系地层由深到浅均表现为湖相沉积向河湖相沉积、河相冲积过渡，岩性均为粉质粘土、粉土及粉细砂，第四系地层在水平方向由北向南呈现粉质粘土逐渐加厚、粉细砂逐渐变薄的特征。

2.2.1 钻孔联合剖面Ⅰ

剖面位于断裂中段，地层特征及钻孔剖面详见文献[6]，各层底界埋深及沉积旋回数量见表 3，其沉积旋回可分为4段：1)90~70 m，旋回数量增多，环境变化频繁，由湖相沉积向河湖相沉积转变；2)70~60 m，旋回数量减少，环境变化稳定，河湖相沉积；3)60~35 m，旋回数量增多，环境变化趋于频繁，河湖相沉积；4)35~0 m，旋回数量减少，环境趋于稳定，河相沉积。其中，在40~60 m及75~90 m区间沉积旋回数量处于大值，沉积环境变化趋势最为明显，反映该时期新构造运动及古气候环境变化强烈。区域地质资料表明，太原盆地在晚更新世初期以河相沉积为主，胡小猛等^[12]认为，70 ka BP之后因出现盆地下沉而发育湖相沉积地层，晚更新世0.13 Ma BP以来湖盆受构造因素的影响远高于气候变迁的影响。剖面中40~50 m区间的B3、B4界面发生错断，断层上盘为灰绿色粉土、粉质粘土，下盘为褐黄色粉土夹粉质粘土，其沉积特征与胡小猛等^[12]的结论相吻合。测年结果同样揭示Q_p³中晚期太原盆地仍发育湖相沉积地层，表现为断层上盘湖相沉积较厚、下盘浅部未见湖相沉积层的特征。剖面的反射波同相轴在深度53~55 m处错位明显，与40~60 m区间沉积环境的强烈变化相呼应，同时与B4、B5错断界面相吻合。根据断层两盘的地层特征、沉积韵律及沉积旋回差异推测地层的垂直断距，并结合年龄测试结果计算垂直滑动速率，结果表明，Q_p³以来田庄断裂中段最大断距为2.9 m，最大滑动速率为0.041 5 mm/a，平均滑动速率为0.026 9 mm/a，活动性规律为弱(0.025 4 mm/a)-强(0.041 5 mm/a)-弱(0.019 4 mm/a)。

2.2.2 钻孔联合剖面Ⅱ

剖面位于断裂中-东段转折部位，沿TZ6测线剖面桩号690 m处跨断层布设7个钻孔(图 10)，采集¹⁴C测年样品3个。剖面中存在5个可靠的标志界面：1)B1(Q_p^3-5)，在上盘为黄褐色粉质粘土、粉土及粉砂，在下盘为黄褐色粉土、粉质粘土；2)B2(Q_p^3-4)，在上盘为青灰色粉土、粉砂，在下盘为青灰色粉质粘土、粉细砂；3)B3(Q_p^3-3)，在上盘为黄褐色粉土、粉质粘土夹粉砂，在下盘为青灰色-黄褐色粉质粘土夹粉细砂；4)B4(Q_p^3-2)，在上盘为黄褐色粉土、粉砂，在下盘为黄褐色粉质粘土，未见粉土及粉砂；5)B5(Q_p^3-1)，在上盘为粉质粘土、粉土及粉砂，上部褐黄色，下部灰褐色，在下盘上部为黄褐色粉质粘土，下部为褐黄色粉砂夹粉质粘土、粉土。各层底界埋深及沉积旋回具体见表 4。

该剖面沉积旋回变化可分为3段：1)80~60 m，旋回数量增多，沉积环境变化频繁，由湖相沉积向河湖相沉积转变；2)60~30 m，旋回数量先减少后增多，环境变化由频繁趋于稳定再到频繁，河湖相沉积；3)30~0 m，旋回数量减少，沉积环境趋于稳定，河相堆积。其中，在30~40 m及50~60 m处沉积旋回数量处于最大值，环境变化趋势最为明显，反映该时期新构造运动及古气候环境变化强烈。剖面中断层下盘发育较厚的河相粉细砂，上盘发育较厚的湖相沉积青灰色粉质粘土，37~40 m的湖相沉积地层发生错断，证实了晚更新世中期以来因盆地下沉而发育的湖相沉积地层，故将湖相沉积层的盖层底界37.4 m定为断层的上断点埋深。反射波同相轴在50~55 m处错位明显，与50~60 m区间强烈变化的沉积环境相呼应，同时与B3、B4界面错断的第四系地层相吻合。分析认为，晚更新世以来田庄断裂中-东段转折部位最大断距为2.7 m，最大滑动速率为0.046 1 mm/a，平均滑动速率为0.029 8 mm/a，活动性为弱(0.027 4 mm/a)-强(0.046 1 mm/a)-弱(0.022 7 mm/a)。

2.3 田庄断裂活动性分段

综合浅层地震结果、小震活动差异、断裂走向、组合关系差异、地层岩性及沉积特征差异对田庄断裂进行几何学及活动性分段分析，具体结果见表 5。

3 地震潜势估计及地震危险性概率分析 3.1 最大潜在地震估计

地震震级大小与地震活动断层的破裂尺度参数有关^[13]，对于第四系覆盖层较厚的地区，活动构造变形与基底的地震活动断层不相连，地表破裂长度在多数情况下小于震源地下破裂长度^[14]。地震破裂是沿着断层面倾向的，破裂由深部起始点向上，经基岩区往地表方向传播，其传播路径经历了震源破裂-基岩破裂-松散覆盖层破裂3个区段。由于基岩破裂尺度是介于地表破裂和震源破裂之间的，不受新生界松散覆盖层的影响，对于盆地内无地表破裂的隐伏活断层来说，基岩破裂是对震源破裂尺度更确切的逼近估计。本文将田庄北支断裂的基岩破裂长度作为震源破裂尺度，并引入龙锋等^[15]建立的华北地区面波震级-震源破裂长度关系式进行最大潜在地震估计，结果见表 6。

由表 6可知，田庄断裂中段具备发生最大潜在地震M_S6.0的条件，与断裂中段历史上发生的6次M≥4.7破坏性地震及多次震群活动现象相吻合，考虑到3个区段同时发生贯穿性破裂的可能性，断裂全段的最大潜在地震震级为M_S6.6。综合太原盆地的地震构造背景及地震活动水平分析认为，相比发生全段破裂，田庄断裂发生分段破裂的概率更高。

3.2 最大潜在地震发震概率评估

活动断裂的最大潜在地震年平均发生率ν可由该潜在地震的地震矩累计率与地震矩M₀的比值获得，即

$ \nu = {{\dot M}_0}/{M_0} $

(1)

在估算弱活动断层的发震概率时，通常使用泊松分布模型^[16]：

$ {f_{{\rm{exp }}}}(t) = \nu {{\rm{e}}^{ - \nu t}} $

(2)

式中，f_exp(t)为泊松模型的概率密度函数，ν为年平均发生率。对于泊松模型有：

$ P = 1 - {{\rm{e}}^{ - \nu t}} $

(3)

由田庄断裂各段最大潜在地震的年发生率ν求得的最大潜在地震发震概率见表 7。

4 结论

1) 田庄断裂附近现今M_L≥3.0地震的震源机制解分析结果表明，太原盆地中部的地震活动受田庄断裂及交城断裂共同控制，不能忽视田庄断裂的潜在发震规模。

2) 根据浅层地震勘探结果、小震活动特征、断裂走向及其组合关系差异、两盘地层差异和几何不连续点，将田庄断裂按照几何及活动性分为3个区段。

3) 综合浅层地震、钻孔剖面及年代学定年方法厘定田庄断裂准确的上断点位置，确定了断裂最新活动年代及第四纪滑动速率。结果表明，田庄断裂中段最新活动年代为晚更新世晚期，西段及东段最新活动年代为中更新世。测年结果同时揭示，晚更新世中晚期太原盆地仍发育湖相沉积地层，表现为田庄断裂上盘湖相沉积地层较厚，下盘浅部未见湖相沉积层。

4) 根据浅层地震揭示的中生界基岩地层破裂长度，基于地震矩方法对田庄断裂进行地震危险性概率分析，确定了断裂最大潜在地震的震级及发震概率，给出断裂全段未来50 a、100 a、200 a的危险性分析结果。

5) 对于缺乏历史强震记录又难以获得地表破裂尺度参数的盆地内隐伏活动断裂来说，基岩破裂尺度是对震源破裂尺度的一种逼近估计，能够较好地反映隐伏断层的发震能力，对于研究盆地内潜在发震断层的活动性及破裂规模具有重要意义。