1 引言

地震是地球内部结构失衡、应力突然释放并产生巨大能量的灾变事件。现代地震及其触发的滑坡、泥石流和海啸等通常会给人类带来巨大灾害，例如2008年5月12日的汶川大地震和2011年3月11日的日本大地震，给人类造成的巨大损失至今怵目惊心。而保存于地层中的古地震记录(震积岩) 则为研究地震演化规律和沉积盆地的构造背景提供了物质记录(乔秀夫等，2006；杜远生，2011)。

青藏高原是自晚元古代以来经过多洋盆、多地体、多岛弧的多俯冲、多碰撞造山作用形成的巨型造山拼贴体(许志琴等，2006)。与青藏高原的碰撞造山过程相伴的地震作用贯穿始终，理论上，不同构造活动背景下形成的古地震事件应该在地层中留有很多的记录。

国外比较成功的实例有：Mohindra and Bagati (1996)在印度Kaurik-Chango断裂附近发现了自更新世以来8层地震成因的软沉积物变形；Singh and Jain (2007)在喜马拉雅南麓发现了距今9万至2.6万年间的古地震记录；Mugnier et al.(2011)对加得满都盆地的震积岩进行了较系统的研究，根据地震成因的软沉积物变形强度，结合探槽揭露的断层位移量分析，识别出一次8.6级以上的地震记录；Ghosh et al.(2012)在小喜马拉雅古元古代地层中识别出了一系列地震成因的软沉积物变形；Rana et al.(2013)在中喜马拉雅的一个湖相地层中发现了20~11ka之间的软沉积物变形。

国内从沉积学角度对青藏高原及其周缘古地震记录的研究才刚刚起步，公开发表的成果较少。在青藏高原东缘的龙门山开展过相应研究的成果主要有：(1)张斌等(2011)在青藏高原东缘的岷江上游及其支流河谷中的晚第四纪古堰塞湖地层中发现了大量地震触发的软沉积物变形；(2)乔秀夫等(2012)对龙门山自晚三叠世以来的软沉积物变形进行了系统的研究，通过古地震事件与沉积事件结合分析，提出了龙门山地区在印支期的构造运动过程模式。对青藏高原北缘的古地震记录的相关研究成果主要有：(1) 玉门旱峡志留系剖面中的震积岩的发现(Du et al., 2001；图 1①); (2) 酒西盆地下白垩统中发现的震积岩(张琴等，2003；图 1②); (3) 玉门红柳峡下白垩统中发现的软沉积物变形(李海兵和杨经绥，2004；图 1③)；(4) 柴达木盆地西南缘乌南油田新近系中发现的震积岩(杨剑萍等，2008；图 1④); (5) 柴达木盆地西南缘古近系中发现的震积岩(石亚军等，2009；图 1⑤)。其中只有旱峡剖面和红柳峡剖面中的震积岩发现于地表露头，其余3项均发现于钻孔岩心。说明后期构造叠加以及风化剥蚀作用对震积岩的破坏程度异常强烈。

笔者于2011年、2012年对青藏高原东北缘进行野外地质调查期间，在祁连山地区多个时代的地层中发现了古地震记录(震积岩)，本文对其中5个代表性剖面的震积岩进行了描述与讨论(图 1⑥~⑩)。

2 地质背景

印度板块与亚洲板块碰撞以来，青藏高原东北部有三条大型左行走滑断裂活化，即: (1) 阿尔金左行走滑断裂、(2) 东昆仑左行走滑断裂和(3) 海源左行走滑断裂。其中，阿尔金左行走滑断裂形成于印支期，在中生代强烈活动，为本区最为重要的断裂。阿尔金断裂切割了青藏高原北部的不同构造单元，并控制青藏高原北部的地貌特征及基本的构造格架。受上述三条左行走滑断裂控制，本区整体表现为由一系列NWW-SEE走向的推覆和走滑断裂组成的挤压转换盆-岭构造地貌域，自南向北主要山脉有东昆仑山、柴北缘山、党河南山、大雪山、祁连山等，主要的山间盆地有柴达木盆地、党河盆地、昌马盆地等。其中酒泉盆地为祁连山的新生代前陆盆地，长度约1000km，宽20~80km，西以阿尔金走滑断裂为界，南以北祁连北缘逆冲推覆带与祁连山连接(许志琴等, 2006, 2007, 2011；Tapponnier et al., 2001；李海兵和杨经绥, 2004; 李海兵等，2006；孙知明等，2012)。本文涉及到的主要构造及地貌单元位置见图 1。

3 青藏高原东北缘软沉积物变形特征与成因解释

2011年、2012年作者对青藏高原东北缘进行野外地质调查期间，发现古地震记录的地点、层位和软沉积物变形的类型有：(1) 甘肃靖远县宝积山上三叠统中的液化卷曲与液化泄水构造(图 1⑥、图 2A、图 3)；(2) 靖远县糜滩乡白垩系中的负载和球-枕构造(图 1⑦、图 2B、图 4)；(3) 玉门昌马白垩系中的液化卷曲与底辟构造(图 1⑧、图 5、图 6)；(4) 玉门赤金堡上更新统液化卷曲变形(图 1⑨、图 7、图 8)；(5) 酒泉瓷窑口全新统滑塌变形、枕状构造与层间微断层(图 1⑩)、图 9、图 10)。

①甘肃省地质局第二区域地质测量队第三分队.1972. 1︰5万昌马幅地质图

①甘肃省地质局第二区域地质测量队第四连.1972. 1︰20万玉门镇幅地质图

3.1 宝积山上三叠统中的液化变形(图 1⑥)

宝积山位于甘肃省靖远县平川区，区内古生代和中生代地层出露条件较好。上三叠统南营尔群为巨厚的砂岩与页岩交互相(T₃)，属湖泊沼泽相含煤建造，总厚度近千米。其中最具特征的是含有3套200~260m厚的灰绿色砂岩、细砂岩与粉红色页岩(谢万华和谷祖刚，1988；阎同生，2006)。T₃与下伏二叠系灰岩为平行不整合接触，与上覆侏罗系板碎屑岩为角度不整合接触。海原断裂带为本区最主要的构造，自北西向南东方向斜穿本区主要地层单元。

软沉积物变形观测点位于上三叠统北东向展布与北西向展布的转折端附近，距靖远县城直线距离约32km，GPS坐标为：36°46′18.21″北和104°55′9.66″东(图 1⑥、图 2A)。

在第一套灰绿色砂岩与粉砂岩的上部，有1层厚约60cm的湖相砂岩有卷曲变形，在地表露头沿走向追索数百米，发现该层砂岩非常连续且液化变形普遍发育，但液化类型简单，以液化逃逸构造和液化卷曲变形为主(图 3a, b)，有少量枕状或碟状构造(图 3c)。该变形层上下的砂岩均为正常沉积(正常层)，有正常沉积的平行层理、交错层理和斜层理(图 3a, c)。

变形层砂岩的粒度均匀，粒径一般小于0.2mm，变形层与其上下岩层的粒度相近(图 3a)。变形层内部的变形不均匀，通常上部变形严重，下部逐渐过渡为正常沉积。但局部的变形异常强烈，整层发生强烈的卷曲(图 3b)。变形层的顶面有明显的被截切的痕迹，说明该层砂质沉积物沉积-变形后，又经过暴露侵蚀，与上覆正常层之间存在着沉积间断(图 3a, c)。

触发未固结的砂质沉积物产生液化变形的可能机制有二：一是上覆沉积物过重引发沉积物中的水在重力承压下向上逃逸；另一原因就是强地震的剪切力诱发软沉积物液化，进而形成复杂多变的变形构造。根据变形构造层面普遍存在截切侵蚀的现象可以判断，在该层变形之前，上覆沉积物的厚度很小，因上覆沉积物过重而触发液化作用的可能性不大。特别需要指出的是该变形层范围非常之大，一般的重力因素不可能产生如此广泛的液化变形。因此推断触发本层沉积物产生普遍液化的最可能机制是强烈的古地震。该变形点与海原断裂带的直线距离非常接近(6km左右)，从空间距离方面提供了软沉积物变形与海原地震断裂有成因关系的佐证。

3.2 靖远县糜滩乡下白垩统中的液化负载及球-枕构造(图 1⑦)

变形观测点位于靖远NNW向约10km处黄河北岸的冲沟中，GPS坐标为：36°35′26.33″北，104°40′7.62″东(图 1⑦、图 2B)。观测点附近的岩性为下白垩统河口群紫红色砂岩夹粘土，含钙质结核。绝大部分白垩系岩层被更新统砂砾岩和黄土覆盖，白垩系露头仅在冲沟中和公路旁可见，有发育完好、规模巨大的斜层理。重力负载和球-枕构造发现于一近南北向的冲沟两侧(图 4)。

如图 4a所示，剖面位置由上部的细砂岩和下部的粉砂岩夹黄土两套岩石构成，上部细砂岩厚1.5m，胶结较好，下部弱固结粉砂岩和砂质粘土的厚度约为1.3~1.5m (图 4a)。上部细砂岩的底面见有向下突出的负载构造(图 4b)；下部砂质粘土层中，有三角形砂岩的块体嵌入(图 4c)，另有多个细砂岩构成的椭球体，球体的长轴在30~40cm左右，短轴一般20cm左右(图 4c-g)，有些球体之间还依稀相连(图 4e)。

负载构造是上覆较粗粒沉积物向下陷落至下伏较细沉积物中的一种构造，当负载构造脱离母岩层, 在重力作用下沉入下伏相对较软的岩层中时，则形成球-枕构造(乔秀夫和李海兵, 2008, 2009)。负载与球-枕构造往往共生并已被成功地模拟并解释为地震触发成因(Owen, 1996；乔秀夫和李海兵，2008；乔秀夫等，2012)。靖远县糜滩乡下白垩统中的负载及球-枕构造恰好为地震成因的负载→球-枕构造演化系列提供了一个极好的例证。而观测点北东方向30km左右的海原断裂带(包括次级分支断裂) 则是白垩纪时诱发地震的主要断裂。

3.3 昌马盆地下白垩统中的液化变形(图 1⑧)

下白垩统新民堡群在昌马盆地中有多处出露，通常分为两个亚群(K₁xn¹和K₁xn²)。主要岩性为紫红色和黄绿色相间的砂岩、泥岩、砂质泥岩夹石膏(图 5中的Gp)。大部分露头风化严重，较好的软沉积物变形发现于玉门至昌马公路两侧新民堡下亚群中(图 5中的红色五星)，该处GPS参考坐标为：39°54′19.00″北和96°43′55.70″东，主要的变形有数层液化卷曲变形、液化脉和底辟。图 6中所示为公路北侧露头所见软沉积物变形，有两个层位的软沉积物变形特别发育(图 6b，c)。其中，图 6c可进一步识别出三组不同的软沉积物变形，即图 6c中的①(液化底辟)、③(卷曲变形)、⑤(重力负载)，分别为三个不同期次的古地震事件所形成。

昌马盆地位于阿尔金断裂的北东端，西距阿尔金主断裂仅数十千米。盆地南缘与北缘均为向南逆冲的断裂。很明显，昌马盆地的形成与阿尔金断裂的左行走滑运动密切相关。据物探资料，侏罗纪、白垩纪时，昌马盆地在南北向的拉伸作用下, 形成了一系列近东西向、北西西向的同沉积正断层(王胜利等，2001)。新民堡群中的软沉积物变形的发现，可认为是这些同沉积断层存在的直接证据。

3.4 玉门赤金堡更新统中的液化变形(图 1⑨)

玉门赤金堡更新统中的液化变形发现于赤金堡乡北西5km左右、石油河与新修高速公路交汇处，GPS坐标为：40°3′10.50″北，97°23′11.60″东(图 2⑧、图 7)。

该点主要为上更新统的河湖相砂质粘土。变形以液化底辟为主，平面上呈波状分布，由底辟组成的“波峰“高10~20cm左右，“波长”约50~60cm (图 8)。液化变形层整体非常平直，砂质含量明显大于其上下粘土层。说明液化变形不仅受地震能量的控制，还受沉积物的成分和粒度控制，纯粘土层很难发生液化。

3.5 酒泉磁窑口村全新统液化卷曲、滑塌构造与微断层(图 1中的位置⑩)

磁窑口村全新统的地震记录发现于该村南500m左右一个南北向冲沟中，GPS坐标为：39°28′23.50″北，98°31′52.10″东。观测点附近为古近系始新统和新近系砂砾岩(图 9)。观测点南侧即为著名的祁连山，北侧有一被洪水冲毁的小型残留堤坝，堤坝被毁前存蓄的水体构成了一个极小的湖泊环境，虽然存在时间可能极短，但其中充填的沉积物则保存了丰富的地震记录(图 10)。

图 10a为观测点全景照片，照片右上侧为古近系始新统紫红色含砾砂岩夹灰绿色粉砂岩，岩层倾向近正西，倾角约20°~30°。照片的主要部分为坝体前湖泊环境形成的尚未固结的松散堆积物，主要成分为砂土和松散砾石，夹部分黄土。在图 10中的b点见一微型正断层(图 10b)，在c点见规模很小但典型的滑塌堆积(图 10c)，d点为两条微型层间逆断层(图 10d)，e点则为曲卷变形和枕状层(图 10e)。

3.5.1 软沉积物变形特征及成因

如图 10b, c所示，滑塌变形发育于一层厚度20cm左右的细砂土层的上部(厚约5cm)。滑塌变形主要表现为发育大量的小型低角度逆冲断层，断层面呈舒缓波状，倾向南，倾角10°左右。这些滑塌变形的构造特征与国内外已确认的典型的滑塌变形十分相似，(Alsop and Shmuel, 2011; 吕洪波等，2011；Mastrogiacomo et al., 2012)。

该层细砂土为洪水期后相对静水环境下，从水体中逐渐沉淀所形成。砂土层之下为洪水期的砾石层和粗砂层。细砂土层沉淀之后，在小型外力扰动下，水体上游(南侧) 尚未固结的砂土向下游方向(北侧) 滑动，便形成了这种滑塌构造。

触发滑塌变形的外力既可以是地震，也可以是洪水引发的浊流，或者是地形因素导致的重力流。如果是洪水引发，在那样小的水体环境下，形成及保留滑塌变形的可能性几乎不存在。滑塌变形所处的细砂层产状平直，单纯的重力作用很难形成如此标准和滑塌变形。变形点位于酒泉盆地与祁连山交界的逆冲断裂带上，其下面恰好有一条隐伏断裂经过，历史上有多次地震记录。另外，b点和d点同沉积断裂的存在，基本可以确定滑塌变形的触发机制为小型地震。

e点的卷曲变形和枕状构造出露于剖面最底层，只有一个完整的枕状构造出露，该枕状构造长40cm，高约10cm，外形似卷心菜。综合上述各种变形构造的成因，初步认为该枕状构造也是在地震作用下形成的。

3.5.2 F1-F3微型断层的特征及变形时序的恢复

从图 10a可见，该变形点发育的F1、F2和F3三条小型断层基本为同沉积逆断层。其中，F2和F3仅局限于同一层内，为小型逆冲断层，断层倾向南，倾角分别为42°和30°，可以认为是同一地震事件的产物(图 10d)。F1切割F2和F3所在层位，但没有切穿其上覆砂砾岩层，其形成时间应晚于F2和F3。F1形成之后，上覆岩层再次遭受侵蚀，滑塌层之上大量的凹槽即为侵蚀作用的产物。

综合以上分析，可得到本观测点各种变形的发生顺序如下：①枕状变形(图 10e)；②滑塌变形(图 10c)；③层间逆断层(F2, F3)(图 10d)；④层间逆断层(F1)(图 10b)。4个变形分别为4次地震事件的产物。

4 讨论 4.1 软沉积物变形的地震触发机制问题

不同成因触发的液化作用可以生成相似的变形。变形机制的模拟实验结果已经证明：不是所有的软沉积物变形都是地震成因，变形与触发机制之间不存在简单的对应关系。软沉积物变形的原因与沉积物性质、驱动力的大小等多种因素有关。必须综合分析各种地震事件沉积的各种岩相特征、在横向上的分布范围与纵向上的重复性，以及区域的构造背景等，找到地震形成的唯一性构造(比如同沉积断裂和褶皱)，才能确定软沉积物变形是否为地震成因(杜远生，2011)。这也是近年来国际上Owen (1996)等大多数地震事件沉积领域的专家特别强调震积岩的判识标准的原因。

在确定本文所述的软沉积物变形的触发机制时，作者考虑了各种可能的非地震触发因素。例如，靖远T3中的液化构造，考虑到了液化是大面积发生，并且发生层位就在当时的沉积界面附近，不存在超常规的重力触发作用，才判定其为地震成因。昌马K1地层中的软沉积物变形由多层不同规模的的次级变形，在变形层之间的正常层没有任何变形现象，因而可以排除是后期构造因素想起的变形。昌马盆地距离阿尔金断裂和南北两条大的逆冲断裂十分接近，结合构造环境因素判定其触发机制为地震。酒泉磁窑口第四系中的变形构造则是由一组典型的滑塌和液化构造以及同沉积微型断裂构成，变形点又恰好位于活动断裂带之上，这组变形很容易判定为地震成因。赤金堡更新统中的液化变形比较简单，有人怀疑其为冻融成因，而变形层在野外严格水平分布，岩层的成分比较均一，基本可以排除冰或雪的冻融成因。靖远糜滩下白垩统中的负载与球-枕构造，构成球-枕的成分精确度较其围岩粗，与其上部的砂岩相似。但这组构造没有进行岩石学的详细研究，不能十分肯定为地震成因。

4.2 古地震记录与区域断裂构造的关系--海原断裂的初始时间讨论

国内外对青藏高原东北缘的古地震纪录进行的研究仍处于刚刚起步阶段，针对区域性、长周期的古地震规律的研究还很少。在此笔者就震积岩在判别大的断裂构造活动时限以及长周期古地震活动规律上的应用做简要讨论，期望会有更多的学者加入到对青藏高原的地震事件沉积的研究中来。

区域性大型的断裂构造不仅规模大，而且持续活动时间长(千万年或上亿年)，影响范围广。特别是对至今还在活动的深大断裂经常伴有大地震等灾害发生，因此对大型断的研究一直是地质学的热点。常规的古地震研究方法一般只涉及过去几千年到几万内大地震的发生规律(冉勇康和邓起东，1999；刘静等，2007)。而通过研究各地质时代内沉积岩中保存的古地震记录，可为研究一个地区的长周期地震活动规律提供构造背景资料。

从本文中报道的发现和已经收集到资料看，青藏高原东北缘的古地震相当活跃，在志留纪至第四纪地层中几乎均留有丰富的古地震纪录(Du et al., 2001；张琴等，2003；李海兵和杨经绥，2004; 杨剑萍等，2008；石亚军等，2009)。在青藏高原北缘东段的祁连山-河西走廊-海原-六盘山-宝鸡构造带上, 1920年至1932年的短短12年内, 曾发生3次7.6级以上的大地震(傅征祥等，2001)。1920年间发生的海原8.5级大地震，造成27万人死亡。因此，对海原断裂带的研究一直是地学和地震学的热点，相关文献200余篇(邓起东和杨虎，2011)。但大部分文献是讨论新构造与现代地震的活动规律，涉及海原断裂的初始时间问题的文献很少(Burchfiel et al., 1991)，涉及到的最早时间为早白垩世(孙知明等，2001)。

根据作者在上三叠统砂岩中发现的大量地震成因液化变形，作者认为海原断裂带的初始时间很可能在晚三叠世。海原断裂在三叠纪的活动恰好与青藏高原东缘龙门山的印支期造山地震一致，表明祁连山与龙门山的造山作用均受制于印度板块的活动，时间上是相同的。

5 结论

综合以上分析，可得出如下初步结论：

(1) 青藏高原东北缘的祁连山地区古地震活动相当强烈，根据笔者的实际调查资料和前人成果，从志留纪至第四纪，仅侏罗纪地层中尚未发现明显的震积岩，其他各时代地层中均有丰富的古地震纪录(图 1)。

(2) 古地震记录与断裂构造的活动关系非常密切，所有古地震纪录附近均有区域性断裂。

(3) 古地震记录是确定区域长周期地震活动规律的有效研究手段，可有效地应用于区域地质构造背景的恢复。靖远宝积山上三叠统中大量古地震纪录的发现表明，海原断裂带的初始活动时间很可能在晚三叠世。

致谢 野外工作及本文写作过程中得到了乔秀夫先生的指导与有益的建议，作者深表感谢。参加野外工作的还有中国地质大学(北京) 的博士研究生郭荣涛，中国石油勘探开发研究院的博士研究生郝彬，特此致谢。