2018年发生的5·12汶川大地震及其五年后发生的4·20芦山地震，给地球科学工作者带来了一系列需要深思和回答的重要科学问题：如对类似汶川地震震级的地震复发间隔时间是什么特征，是不是龙门山断裂带中北段每次大地震的震级强度都达到汶川地震的震级强度，龙门山断裂南段发生了7级左右的芦山地震，那么该断裂带会不会发生类似汶川地震震级的大地震，青川断裂晚第四纪是否发生过大地震事件等.

汶川地震发生后，不同学者从数值模拟、长期滑动速率等方面估算了该地震发震断裂大地震的复发时间间隔，认为汶川地震发震构造的大地震复发间隔在2000~6000年、约4000年左右和约3300年(张培震等，2008；Shen et al., 2009；Zhu and Zhang, 2013).另外，芦山地震后，也涌现了一些关于龙门山南段晚第四纪大地震活动的研究成果，如，Liu等(2014)根据断层规模估算大川—双石断裂具有7.7级左右地震的发震能力，陈立春等(2013)和Chen等(2014)通过地质地貌调查认为，龙门山断裂带南段的晚第四纪活动与发生汶川地震的中北段有差别，晚第四纪断裂的活动主要是大川—双石断裂和向盆地分散前展的构造，其发震能力弱于中北段.关于青川断裂，尽管有不少学者认为由于区域应力场的变化和岷山隆起对龙门山断裂带北东段的屏障作用，龙门山断裂带北段被遗弃，晚第四纪不再有新活动(邓起东等，1994；李传友等，2004；陈国光等，2007)，但也有学者在两个地点揭露出古地震事件，认为最新的事件发生在5120—3000 BC(Sun et al., 2015)，还有人认为它是汶川地震的破裂构造之一(Lin et al., 2012).已有研究为回答龙门山断裂带晚第四纪大地震活动特征提供了重要信息.然而，时至今日，尽管回答断裂带大地震活动特征的技术方法有明显的进步和创新，但探槽古地震研究仍然被认为是最直接地揭露晚第四纪大地震活动规律的技术路径.因此，本文通过系统总结近十年来探槽古地震研究的主要成果，全面分析龙门山断裂不同段落的晚第四纪的大地震活动性及其复发特征.

龙门山断裂带位于松潘陆块与扬子陆块构造结合部位，断裂发育于印支期的中国大陆主体拼合和秦岭造山带形成过程中，不仅继承了燕山期陆内构造活动的特性，随后又遭受了喜马拉雅期印-亚碰撞和青藏高原隆升带来的影响和改造作用，而最终定型(李智武等，2008).龙门山断裂带自晚三叠世以来自北西向南东推覆，构成的逆冲推覆构造带，具有前展式发育的特征(李勇等，2006；Burchfiel et al., 2008).龙门山断裂带主要由四条主要断裂组成：后山断裂(茂县—汶川断裂)、中央断裂(北川—映秀断裂)、前山断裂(江油—灌县断裂)和山前隐伏断裂，主要为逆冲兼右旋走滑运动性质.龙门山断裂带的单条断裂晚第四纪的垂直滑动速率≤1 mm·a^-1(马保起等，2005；Densmore et al., 2007)，右旋走滑速率约1 mm·a^-1(马保起等，2005)；跨龙门山区有限的地质与GPS资料推测其现今地壳缩短速率≤3 mm·a^-1(Shen et al., 2005；Meade，2007；Densmore et al., 2007；Burchfiel et al., 2008).

以北川—安县一线和卧龙—怀远一线为界，龙门山断裂带被分为北、中、南三段，它们在变形样式、演化历史、断层岩带的特征，以及前陆沉积等方面存在明显的不均一性(Chen et al., 1994; Kirby et al., 2002；李智武等，2008；Li et al., 2013；Pan et al., 2014).而在断裂新活动性和大地震破裂习性方面，三个段落也呈现出差异性(Ran et al., 2010, 2013, 2014；Densmore et al., 2007；陈立春等，2013；Wang et al., 2015).龙门山断裂带南段的大川—双石断裂(前山断裂)各个段落均存在历史强震记载或被揭露出古地震事件，然而不存在形成整条断裂贯通式的地表破裂.龙门山断裂带中段的活动形迹规模大且活动最为明显，该段的中央断裂和前山断裂在汶川地震中均发生破裂.龙门山断裂带北段的前山断裂晚第四纪活动不明显(李传友等，2004；陈立春等，2009)，北川—映秀断裂北段参与了汶川地震的破裂.青川断裂则以右旋走滑性质为主，几何结构连续，地貌上也表现出很好的线性槽谷地貌，具有良好的成熟度，经历过长期的活动历史(李传友等，2004；Sun et al., 2015；Lin et al., 2012)，但晚第四纪是否发生过断错地表的活动仍存在争议.

汶川地震后，沿龙门山断裂带的不同段落都曾不同程度地开展了古地震研究，沿北川—映秀断裂的中段和北段、江油—灌县断裂的中段和南段(也称为大川—双石断裂)，以及小鱼洞断裂都揭露出古地震遗迹，青川断裂带也有存在古地震现象的报道(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 龙门山断裂带古地震探槽分布图 白色小框为代表性的探槽位置，红线示意2008年汶川地震同震地表破裂带.黑细线为断裂；粗虚线表示分段位置，探槽位置：①映秀探槽；②桂溪凤凰村探槽；③白鹿探槽；④龙池岗探槽；⑤小鱼洞探槽；⑥青川关庄坪探槽；⑦坪溪桑树坪探槽；⑧太平探槽；⑨擂鼓探槽. Fig. 1 Paleoseismic trenching on the Longmen Shan fault zone White rectangles represent trenching sites, red lines denote surface ruptures produced by the 2008 Wenchuan earthquake. Black lines show fault and dashed thick ones represent segmentation boundaries of the Longmen Shan fault zone. Trenching sites at ① Yingxiu, ② Guixi Fenghuang village, ③ Bailu, ④ Longchigang, ⑤ Xiaoyudong, ⑥ Qingchuan Guanzhuangping, ⑦ Pingxi Sangshuping, ⑧ Taiping, ⑨ Leigu.

笔者曾沿北川—映秀断裂中段的映秀和擂鼓两地，通过探槽揭露出较好的古地震遗迹.其中映秀探槽开挖在岷江二级阶地上，共揭示了包括汶川地震在内的3次地震事件(Ran et al., 2013)，从图 2可见，3次事件都发生在层U2堆积以后，汶川地震前的一次事件发生在层U3堆积以后和层U4堆积之前，更老一次事件发生在U3和U2之间.地层样品的碳十四测年结果显示：汶川地震前一次事件早于U4晚于U3，年代限定为5940—3160 BP.更老事件稍晚于U2，事件发生年代稍晚于5920—5730 BP.尽管单个探槽上事件年代限制还存在较大的不确定性，但在擂鼓地点，探槽揭露了汶川地震和一次古地震事件，该次事件的年代限制在3300—2300 BP (Ran et al., 2010).对比两个探槽汶川地震前的事件和年代范围，可以认为是同一段落的同一事件，年代为3300—2300 BP.

图 2

Fig. 2

图 2 映秀探槽剖面图(Ran et al., 2013) U等表示地层单元，橘色线和黄色线分别示意地层界限和次级地层界限，红线示意断层, 绿点示意碳样，红框示意碳屑样品编号及测年结果. Fig. 2 The Yingxiu trench and its interpretation (Ran et al., 2013) U represents stratigraphic unit. Orange lines and yellow lines denote strata units and sub-units respectively. Red lines show fault. Green dots are charcoal samples. Red rectangles show the charcoal sampling labels and radiocarbon ages.

根据探槽剖面与地层的测年结果可知(图 2)，映秀探槽揭示的3次事件应发生在距今5920—5730 BP以来，对应的平均复发周期约为2960~2865年.同时，基于岷江二级阶地面被断层累积垂直位错8 m以及探槽剖面上U2地层约7.6 m的垂直位错量，可得到该断裂全新世中晚期的平均垂向位移速率约为0.88~0.91 mm·a^-1(图 3)，考虑到汶川地震中此处的垂直位错量为2.4±0.2 m，则对应的大地震平均复发间隔约为3000±350 a，而这一估算结果与前述根据探槽中事件地层年龄所限定的3次大地震事件的间隔基本一致，表明该段的大地震活动符合准周期复发的特点.

图 3

Fig. 3

图 3 映秀探槽约束的断层垂向滑动速率(Ran et al., 2013) Fig. 3 Vertical slip rate determined from Yingxiu trenching (Ran et al., 2013)

对于北川—映秀断裂的北段，在北川北的沙坝、陈家坝、邓家村、平通、桂溪凤凰村、南坝以北18 km的坪溪桑树坪等多处都曾开展过探槽古地震研究(史翔等，2009；冉勇康等，2012；Ran et al., 2014)，但揭露事件较清楚并且事件年代控制较好有两处，分别是桂溪凤凰村探槽与联合钻孔剖面以及坪溪桑树坪探槽.

桂溪凤凰村位于拔河约25 m的湔江三级阶地上，汶川地震的同震地表变形在此处主要表现为逆走滑作用，并且走滑量和垂直变形量基本相当，约为2.2~2.4 m.在村庄公路东约10 m处开挖的探槽中，揭示出断层陡坎前的生长地层、陡坎上方的不整合面和地层位移量限制等古地震活动标志，并可据此识别出汶川地震前还存在一次或两次事件(图 4)，结合跨断层的联合钻孔剖面进一步证实了存在包括汶川地震在内的3次事件(图 5；Ran et al., 2014).汶川地震的前一次事件和最老事件的发生时代分别被限制在665—1030 AD和8240—7785 BC(Ran et al., 2014).显然，这两次事件的发生年代与中段所揭露的两次事件是不对应的.

图 4

Fig. 4

图 4 桂溪探槽南壁剖面图(Ran et al., 2014) U等表示地层单元, 红线为断错裂缝, 黄色方块和五角形表示14C样品采集位置, 黑线引出的为样品标号和测年结果. Fig. 4 The Guixi trench and its interpretation (Ran et al., 2014) U represents stratigraphic unit, red lines show fissures or small offset, yellow rectangles and the pentagon denote 14C sampling sites, and the numbers are sampling labels and radiocarbon ages.

图 5

Fig. 5

图 5 桂溪钻孔柱状分析图(Ran et al., 2014) U等表示地层单元；Z6等为钻孔标号；红虚线为推测的断层位置；黄色条表示14C样品采集位置，引出的数字表示样品标号和测年结果. Fig. 5 The Guixi borehole and its interpretation (Ran et al., 2014) U and Z represent stratigraphic unit and borehole respectively, red dashed lines show speculated fault, yellow marks denote 14C sampling sites, and the numbers are sampling labels and radiocarbon ages.

南坝镇北东约18 km的坪溪桑树坪附近，由于汶川地震断层的逆冲走滑作用，在半山腰形成了一个反向陡坎地形.同震水平位移量约为2.4 m，垂直位移量约为1.9 m.开挖了由3个探槽组成的探槽组，揭露出汶川地震前的一次古地震事件，其发生年代被限制在770—955 AD(Ran et al., 2014)，与桂溪探槽限定的前汶川地震事件年代在同一时段内.根据历史地震记录，这次事件很可能发生在942 AD.

我们在江油—灌县断裂中段从南往北曾开挖过若干古地震探槽.其中白鹿镇中心学校附近的探槽较好地揭露了该段的古地震事件(Ran et al., 2010).

白鹿镇一带是汶川地震中江油—灌县断裂上同震地表垂直位移最大的地段，此处白鹿中心学校两教学楼之间的断层陡坎高度为1.7~2.0 m.位于白鹿中心学校南围墙外的探槽揭示断错变形地层(图 6)，以及结合断层陡坎高度、汶川地震同震位移量进行综合分析后可知，自探槽中U3地层堆积以来，即约7.7 ka BP以来共发生了包括汶川地震在内的大地震事件3次(Ran et al., 2010).

图 6

Fig. 6

图 6 白鹿中心学校南墙外探槽南壁(Ran et al., 2010) U等表示地层单元；红线为断层；黄色符号表示释光样品采集位置；蓝色方块表示14C样品采集位置；引出的数字为样品编号和测年结果. Fig. 6 The Bailu trench and its interpretation (Ran et al., 2010) U represents stratigraphic unit, red lines show fault, yellow and blue marks denote OSL and 14C sampling sites, and the numbers are sampling labels and radiocarbon ages.

位于学校操场靠北侧的探槽揭示，除汶川地震变形外，还可识别出至少两次古地震造成的相关堆积、地层变形及生长地层发育等现象.虽然由于地层内存在的许多煤屑对¹⁴C测年造成了较大干扰.不过，其中可信度较高的测年样品仍可大致限制古地震事件的年代.结果指示，汶川地震之前的两次事件都发生在约6730—6500 cal BP以来，其中倒数第二次事件的时代老于1170—960 cal BP.

龙门山断裂带南段活动的断层主要为大川—双石断裂.Densmore等(2007)在汶川地震前在双河青石坪附近槽谷内曾进行探槽开挖, 认为该断裂有过2次古地震, 最新一次事件发生在约930±40—860±40 BP.2008年汶川地震及2013年芦山地震之后，沿该断裂开挖的几个古地震探槽中，龙池岗探槽较好地揭露了大川—双石断裂大川至太平镇之间的古地震事件.

在龙池岗一带，大川—双石断裂表现为三叠纪须家河组砂岩逆冲到侏罗纪砾岩(夹砂岩)上，并对应地貌上发育的北东向线性槽谷，跨此槽谷开挖的探槽揭示近地表以挠曲变形为主(图 7)，并且生长地层显示可能存在3次变形事件(Wang et al., 2015).测年结果表明，最新古地震事件E1的年代范围为1350—1830 AD，可能存在的事件E2的年代范围为590—1210 AD，最老事件E3的年代范围为760—525 BC，平均复发间隔约1000~1300年.但沿大川—双石断裂带不同地段揭露的古地震事件的同震变形量基本都小于50 cm，而且，青石坪一带的事件在发生年代上也不能较好地与龙池岗对应.这意味着，虽然龙门山断裂带南段古地震复发的频率较高，但古地震震级强度应该明显小于龙门山断裂带中段(Wang et al., 2015, 陈立春等，2013).

图 7

Fig. 7

图 7 龙池岗探槽剖面及解译图(Wang et al., 2015) U等表示地层单元；黄色符号表示14C样品采集位置；引出的数字为样品编号和测年结果. Fig. 7 The Longchigang trench and its interpretation (Wang et al., 2015) U represents stratigraphic unit, yellow marks denote 14C sampling sites, and the numbers are sampling labels and radiocarbon ages.

在小鱼洞附近，汶川5·12地震的同震地表破裂以北西走向的逆左旋走滑变形为主.地震断层带位错河床、阶地、道路和建筑物等形成连续延伸的断层陡坎并伴随左旋位移.断坎的高度分布特征显示，在湔江及其支流的第二级阶地上，断层陡坎高度普遍呈倍数高于错动河床、一级阶地和道路、建筑物间的陡坎高度，指示了可能存在古地震事件.

位于罗元村二级阶地面上的公路在汶川地震中发生垂直位错1.1 m.该处垃圾堆放场(下盘)和建筑物场地(上盘)上的古地震探槽揭露，层U1和U2在断层两盘的位错为2.2 m左右，这一累积位移显示至少有两次事件存在.根据U2地层的测年结果，可认为前一次事件发生在距今3.1 ka左右(Ran et al., 2010)，显示这一事件与北川—映秀断裂中段的汶川地震前一次事件的发生年代相近，可能对应同一事件，并且该事件的同震位错变形量也与此次汶川地震相近，这显示了特征地震活动的特点(图 8).

图 8

Fig. 8

图 8 小鱼洞镇罗元村探槽剖面南壁(Ran et al., 2010) U等表示地层单元；红线为断层；蓝色符号表示释光样品采集位置；引出的数字为样品编号和测年结果. Fig. 8 Interpretation of the Xiaoyudong trench (Ran et al., 2010) U represents stratigraphic unit, red lines show fault, blue marks denote OSL (Optically stimulated luminescence) sampling sites, and the numbers are sampling labels and OSL ages.

青川断裂晚第四纪是否活动一直存在争议.一些学者认为，其发生断错地表活动的最晚年代在晚更新世早期(邓起东等，1994；李传友等，2004；陈国光等，2007)，而也有学者认为该断裂在全新世有过活动，并在都家坝和唐家庄探槽中揭露出古地震事件(Sun et al., 2015)，还有学者认为该断裂参与了汶川地震的破裂事件(Lin et al., 2012).

事实上青川断裂在青川县城以东的线性地貌非常明显，表现为很好的线性谷地或断层槽谷、断层垭口等.在关庄坪一带，断层切过山脊和乔庄河支流河谷，并在山坡上形成反向槽谷.跨该槽谷的探槽揭露了基岩断层和晚第四纪沉积层的构造变形信息(图 10)，并指示可能存在至少3次与古地震相关的构造变形事件.事件Ⅰ导致断层F₂张裂，东壁U2南盘陷落，西壁形成崩积楔Wa，且随后沉积的U3a底部见一层底砾.该事件应发生在U3沉积之前，U2沉积之后，根据探槽西壁层U3a底部的炭屑样品GZ020的年代结果，该事件应发生在3870±30a BP之前.事件Ⅱ在探槽中有很明显的表现，均表现为张性变形：东壁F₃拉张变形，形成崩积楔Wb；F₄拉张活动导致张裂带中楔入较多的砾石；明显的标志为层U5中的深灰色亚黏土层拉张断开，楔入后期沉积的砂砾堆积物.东壁层U5中的样品GZ12结果为1120±30a BP，层U6a-1中2个年代样品GZ54和GZ78的结果分别为1170±30a BP、730±30a BP，结合U6b-2中样品GZ009的结果700±30a BP来分析，GZ54的年代结果偏老，而GZ78和GZ009的年代结果应代表层U6的沉积年龄.由此推测，事件Ⅱ应该发生在(1120±30)—(730±30)a BP之间.事件Ⅲ为层U7顶部发育许多裂隙，尤其探槽东壁的东端明显(图 10).从层U7a获得的炭屑样品GZ71的年代结果240±30a BP来看，事件Ⅲ应发生在该时间之后，可能是汶川地震的作用结果.

图 10

Fig. 10

图 10 龙门山断裂带古地震数据综合图 红色实线分别表示2018年汶川地震和公元942年历史地震和公元前1199年事件(？), 绿色带箭头实线及灰色阴影表示古地震事件的年代约束范围，黑色问号示意年代上限或下限范围不确定, 红色问号示意该事件不确定. Fig. 10 Paleoseismic studies along the Longmen Shan fault zone Red lines represent 2018 Wenchuan, historical record 942 AD and 1199 BC (?) earthquakes, green lines with arrows and grey shadows show age constraints of paleoearthquakes, black "?" marks denote uncertainty of lower or upper constraint of ages, the red "?" mark indicates uncertainty of the paleoseismic event.

值得注意的是，无论是Sun等(2015)在都家坝和唐家坝探槽揭露的类似坡塌造成的局部推挤逆掩作用，还是关庄坪探槽揭露的张裂现象，似乎都没有显示出走滑断裂的典型错动特性，可能都不是青川断裂直接位错的结果，更像是对北川—映秀断裂右旋尾端拉张地震事件的响应.因为关庄坪探槽中古地震事件的年代与北川—映秀断裂北段的汶川和前汶川事件存在较好的对应关系.

图 9

Fig. 9

图 9 青川探槽剖面解译图 U等表示地层单元；红虚线为裂缝或小位移断层；红色符号表示14C样品采集位置；引出的数字为样品编号和测年结果. Fig. 9 Interpretation of the Qingchuan trench U represents stratigraphic unit, red dashed lines show fissures or small offset, red marks denote 14C sampling sites, and the numbers are sampling labels and radiocarbon ages.

在前面的叙述中可以清楚地发现龙门山断裂带晚第四纪大地震活动有以下特点：

(1) 据今为止，已发现的古地震事件主要集中在龙门山断裂带的北川—映秀断裂中段和北段、江油—灌县断裂的中段和南段和小鱼洞断裂上，并在青川断裂东段发现可能属于次生浅表构造变形的事件(图 10)，而其他段落目前尚未发现可靠的晚第四纪的古地震遗迹.

(2) 北川—映秀断裂的映秀与擂鼓两处探槽揭露，距今约6000年以来，共发生包括汶川地震的3次位移量相近的古地震事件，前两次分别发生在5920—5730 cal BP和3300—2300 cal BP，重复间隔平均约3000年.江油—灌县断裂的白鹿探槽揭示，在距今约7000年以来也发生过包括汶川地震的3次事件.小鱼洞断裂上的探槽仅揭露汶川地震前的一次古地震，发生在约3300—2300 cal BP，与北川—映秀断裂上的倒数第二次事件的时代相近.另外，部分研究者据考古资料认为(陈剑，2013)，汶川地震前的那次大地震事件的发生时间可能为公元前1099年(即距今约3100年)，并可能是三星堆文化结束的诱因.这一观点与古地震探槽揭露的倒数第二次事件年代是基本吻合的(图 10).

(3) 芦山地震发生在断裂带南段具有全新世活动的大川—双石断裂附近，震后调查未发现地表破裂带，但余震分布指示地震断层的长度约35 km，其东北端距离汶川地震的破裂起始点映秀一带约50 km.探槽揭示，在芦山地震与汶川地震之间的段落存在古地震遗迹，最晚事件距今不到千年，复发间隔约为1000~1300年(图 10)，但每次事件的同震位移量远小于中段和北段.

(4) 北川—映秀断裂北川以北的探槽、联合钻孔及定年结果显示，该段断裂上的汶川地震前一次事件发生在约770—955 AD和665—1030 AD，可能对应历史记载的942 AD地震.另外，该段上的桂溪凤凰村探槽还揭露了发生在约8240—7785 BC的一次事件(图 10).这些古地震数据显示，除汶川地震外，北川—映秀断裂北段在全新世期间的古地震活动与中段和南段可能不存在级联破裂的情况，即具有相对独立的地震复发特征，这也表明2008年的汶川地震活动属于一次罕见的巨大地震事件.

(5) 青川断裂多个探槽虽然也揭露出存在全新世浅表构造变形事件，但在位于与北川—映秀断裂交汇区以东的段落上都表现为拉张、正断作用或可能为坡塌造成的低角度推挤作用，而不是像北川—映秀断裂的逆走滑地表变形.推测可能是北川—映秀断裂右旋走滑导致的局部拉张作用的结果.

古地震研究的结果显示，龙门山断裂带大地震活动具有明显的分段性，其中北川—映秀断裂和江油—灌县断裂中段(包括小鱼洞断裂)是全新世以来最为活跃的段落，大地震原地复发具有约3000 a左右的准周期特征；北川—映秀断裂的北段已有探槽揭露出相对独立的破裂事件，并且古地震复发间隔时间不遵循准周期规律，除汶川地震以外，未揭露出全新世期间与中段和南段间存在级联破裂的证据.这可能意味着2008年汶川M8地震是龙门山断裂带上罕见的巨大地震事件.江油—灌县断裂南段大川—双石断裂的古地震复发频度高于北川—映秀断裂和江油—灌县断裂，但发生地震事件的强度可能明显弱于断裂带中段和北段.而青川断裂上探槽揭露的浅表构造变形事件可能不是断裂直接位错的遗迹，更像是被动响应北川—映秀断裂北段右旋作用的结果.

感谢张培震院士对该项研究长期以来的关心和帮助，早期的工作得到了陈杰研究员、杨会丽博士在释光测年方面的鼎力相助.台湾大学和中国地震局地质研究所的一些博士和硕士研究生参与了部分野外工作，在此致以衷心的感谢.