0 引言

博格达山位于东天山地区，是构造运动较为显著的区域，该地区构造变形强烈，地貌反差大。在其南北向约30km范围内，海拔高度从5445m的博格达峰快速转变为仅有1000m左右的山前冲洪积平原地带(吴传勇等，2013；吴国栋等，2016)。前人研究发现该地区晚第四纪以来的平均垂直滑动速率在0.5~0.8mm/a(吴国栋等，2016；汪一鹏等，2000)，最新的GNSS观测数据显示博格达地区南北向的地壳缩短速率为3~5mm/a(李杰等，2006；Yang et al，2008；Wu et al，2023)。海拔高度的大幅度变化和较快的滑动速率数据都反映出该地区新构造运动的强度之大，然而根据地震资料显示(邓起东等，1999、2000；汪一鹏等，2000；沈军等，2007；杨晓平等，2008)，博格达地区的地震活动相比天山其他区域明显偏弱，自1965年发生过6.6级地震之后，再未发生过更大规模的地震，即使是中小地震，整体的活动水平也不高。目前对于博格达地区的研究大多集中在博格达山北麓的西部，研究发现位于西部的阜康断裂是一条具备发生强震可能的边界断裂(吴传勇等，2013)，晚第四纪以来有过最新活动(栾超群等，1998；尤惠川等，2002、2003；吴传勇等，2005)，而对于东部地区的博格达北缘断裂的古地震事件以及晚第四纪活动尚缺乏系统的认识。博格达北缘断裂作为博格达山北麓的主控构造，自晚第四纪以来是否曾发生过破裂至地表的强震事件、未来的强震危险性如何目前尚不清楚，需要对该断裂晚第四纪以来的变形特征和古地震活动数据开展定量研究。

博格达北缘断裂位于博格达山北麓的山前地带东部，构成了博格达山北麓与准噶尔盆地的边界构造，同时也是山体与山前第四纪冲积扇的地貌边界，西起碧流河镇以西的西泉沟，东抵博斯坦乡以东的干沟，全长120km左右(图 1)。本文依据已有的Google Earth遥感影像^①对博格达北缘断裂进行了初步解译，在木垒公路一带沿博格达北缘断裂开展了详细的野外调查与无人机摄影测量工作，确定了博格达北缘断裂的位置，并且通过探槽开挖与光释光测年工作，厘定了博格达北缘断裂的古地震事件序列、离逝时间等，为清晰认识博格达北缘断裂的运动特征提供基础数据，为分析判定博格达地区长期地震危险性提供了依据。

① https://earth.google.com/

1 博格达北缘断裂的构造地貌特征

博格达北缘断裂在遥感影像上线性特征明显(图 2)，主要分布于博格达山山体北麓，构成了山体与山前晚第四纪冲洪积扇的分界线。利用Google Earth影像^①与从地理空间数据云^②获取的30m分辨率数字高程数据分析发现，博格达北缘断裂西起西泉沟，向东一直延伸至干沟以东结束，长约120km，呈现出向北突起的弧形。断裂西段从西泉沟至白石头沟，整体走向为NWW，长约35km，由多段较短的次级断裂组成；从开垦河一直到木垒以东为断裂中段，整体走向为NEE，长约53km，沿线切过山前冲洪积扇；断裂东段为木垒至干沟以东，长约17km，整体走向为NWW，在野外考察中，发现断裂经过的地方于阶地上形成了多处清晰可见的陡坎。

② https://www.gscloud.cn/

木垒公路周边地带(图 3)主要沉积物类型为冲洪沉积物，据前人野外考察结果(陈立春，2011)，不同的地带分布着不同时期的冲洪积物，大型河谷的Ⅲ级及以上阶地上主要是上更新统早中期冲洪积沉积物，上更新统晚期冲洪积沉积物主要分布在河流Ⅱ级阶地以及山前广泛的平原上，构成了山前地貌面的主体，而Ⅰ级阶地上分布的主要是全新统洪积物，有一定的分选性和磨圆度。木垒探槽位于博格达北麓地区的Ⅱ期扇面上，根据地形高程的不同，将木垒探槽附近的扇面划分成为Ⅱ期洪积扇以及两个次级扇面Ⅱ′、Ⅱ″。次级扇面Ⅱ′、Ⅱ″仅在高程上与Ⅱ有不同，推测是后期地貌的侵蚀以及冲沟的存在使得Ⅱ期扇面被分割为若干个小块，在高度上出现了变化。

利用无人机获取了木垒公路的高精度数字高程数据，并跨断层陡坎进行了地形地貌测量，共测量了四条陡坎剖面，剖面位置见图 4(a)，其中，P1和P2是位于探槽东侧的地形剖面(图 4(b)、4(c))，测量到的陡坎高度分别为(5.68±0.85)m和(10.65±1.06)m，P3、P4为探槽西侧拉取的陡坎剖面(图 4(d)、4(e))，测量的陡坎高度为(8.53±0.85)m和(8.31±0.83)m。此处陡坎高度在5~10m，高度不一，变化较大，根据剖面数据与野外实地考察(图 4(f)、图 4(g))，发现垂直位错较小的陡坎大多位于扇面上的大型冲沟内，推测主要是冲沟侵蚀导致沟谷内地貌面更为年轻，相对经历的地震次数更少，进而形成的陡坎高度更小。

2 博格达北缘断裂的古地震研究

博格达北缘断裂晚第四纪活动现象明显，断裂穿过的晚第四纪冲积扇与河流阶地均发生不同程度的位错变形。为了全面了解博格达北缘断裂的断层性质以及古地震事件，在木垒公路附近的冲洪积扇上开挖了一个探槽，探槽具体位置见图 3、图 4(a)，通过对断错地层的分析确定了断裂的古地震事件，并在与古地震事件相关的地层中采集了光释光年代学样品进行定年，进而限定古地震事件的发震时代，获得了断裂详细的古地震活动历史。

2.1 木垒古地震探槽

木垒探槽位于木垒县博斯坦乡NW向约20km的公路旁，野外考察中发现，在该段发育断断续续的角度较缓的断层陡坎，但是部分陡坎由于受到侵蚀，未能保留原有的形态。沿博格达山北麓对博格达北缘断裂进行追索性地质地貌调查，发现断裂断错了山前最新一期洪积扇，表明断裂具有晚第四纪活动性。发育在冲洪积扇上的阶地往往会沉积较厚的砾石层与土层，既有利于断层的识别与位移量的获取，细粒物质的广泛发育也有利于采集年代测试样品(庞炜，2015)。因此，在木垒公路附近进行探槽的开挖是较好的选择，在该处由修筑道路遗留下的人工剖面的基础上，清理出了一个长约15m，深3~5m的古地震探槽剖面(图 5)，探槽壁的南西侧底部为风化较为强烈的油页岩，其上以及北东侧的第四纪沉积物主要为博格达山山坡风化、侵蚀、搬运、沉积的砾石和砂土，在探槽北东侧有光缆通过，位于最北东侧的断层下盘地层仅有部分被探槽揭露。

根据地层成分、颜色和成因，可将探槽揭露的沉积物划分为9个沉积单元，各沉积单元的岩性描述如下：

U1：油页岩基岩构造破碎蚀变带。基岩风化面呈紫红色，块状构造，构造破碎较为强烈，一部分岩石沿着节理面破碎，呈棱角状。

U2：青灰色的砾石层，大多分选性较好，磨圆度较好，也存在部分呈现角砾状的砾石。砾石粒径基本在4~20cm之间，差别较大，呈定向排列。

U3：土黄色砂土层，层理不明显，含有些许小砾石，在该层上部砂土中采集了光释光年代样品ML-OSL-03。

U4：土黄色的砾石层，分选性中等，磨圆度中等，具有水平层理，上部砾石粒径较大，在10~20cm之间，向下砾石逐渐转为细砾，远离断层的地方，磨圆度差的片石较多，靠近断层方向，特别是断层附近，具有磨圆的砾石含量稍多。砾石层中越靠近断层F₃的部分，砾石的定向排列越明显，在断层F₃附近发生牵引变形，该套地层在断层上下盘中均有出露。

U5：浅黄色粉土层，松散，厚度约为50cm，在该层上部粉土中采集了光释光年代样品ML-OSL-04。

U6：黄褐色的崩积楔，砾石和粉土层混杂堆积，砾石磨圆度较好，粒径在2~5cm之间，砾石间以粉土充填，由于有光缆通过，探槽剖面仅揭露出部分砾石，靠近断层的地方，砾石大小混杂，无层理，远离断层，砾石逐渐变为水平层理。

U7：浅褐色的砾石粉土混杂堆积层，较松散，厚约10cm，在该层中部采集了光释光年代样品ML-OSL-05。

U8：浅褐色的崩积楔，厚约20cm，在断层南西侧，远离断层，逐渐尖灭，地层局部夹杂有砾石，粒径大小不一，应为第二次古地震事件导致形成的。

U9：土黄色黄土层，松散。风积与冲积混杂堆积，局部混有少量砾石，砾石磨圆差，粒径一般在2cm以下，在黄土层底部采集了光释光年代样品ML-OSL-06。

2.2 木垒古地震事件解译

在探槽剖面中自SW向NE共识别出3条断层，分别标注为F₁~F₃。其中，断层F₁位于探槽壁的最南西侧，倾向SW，断层倾角约为60°，F₁断错了地层U1，基岩错动导致的岩石破碎块体落入形成的V形裂缝之中，断层呈逆断运动性质。

断层F₂倾向SW，倾角变化呈现下缓上陡，由40°向上变化为近乎直立，两侧地层岩性差异明显，南西侧为油页岩，北东侧为第四纪沉积物，呈现出逆断运动性质，地层U2中的砾石被扰动，靠近断裂的地方，砾石粒径较大，无明显层理，远离断裂的地方，砾石长轴方向呈NE向顺着地层定向排列。

断层F₃位于探槽的最北东侧，倾向SW，下部倾角为25°，向上角度变缓，仅20°，针对探槽揭露出来的这三条断裂，根据地层分析断层F₁、F₂形成的年代较老，并且断层活动未揭穿U2地层，也反映出这两条断裂晚第四纪以来活动性不强，因此本次研究解译分析的事件主要为与断层F₃有关的。

通过野外实地考察以及对于探槽剖面的初步分析发现博格达北缘断裂属于逆断裂，相关学者对于逆断裂的古地震识别标志进行过大量的总结(冯先岳，1997；《活动断裂研究》编委会等，1994；邓起东等，2008；冉勇康等，2012)，目前公认用于古地震识别的标志主要概括为：①不同地层层位被断错；②崩积楔等沉积标志。本研究针对木垒探槽，主要根据断错的地层与崩积楔来对古地震事件进行识别，本次在探槽壁上至少可识别出2次古地震事件，自老到新分别记为EP1和EP2。

事件EP1发生在U5沉积之后，此次事件形成了断层F₃，通过探槽剖面可以看出断层直接断错地层U4、U5，在断层下盘形成崩积楔U6，同时可以观察发现U4地层中的砾石在靠近断层的地方发生了牵引变形，相较远离断层处的砾石长轴的方向，两者形成了明显的差别，U5地层仅在下盘出现，上盘的对应地层遭到后期地层覆盖侵蚀未在剖面上被揭露，但是上伏崩积楔的存在可以作为该地层被断错的证据，所以该事件发生在地层U5沉积之后。崩积楔U6就是由断层快速活动而形成的坎前堆积，由于采样条件的限制，未在该层采集样品，只能根据地层U5顶部采集的样品ML-OSL-04的测年结果(20.79±1.24)ka以及U7地层中采集的样品ML-OSL-05的结果(14.55±0.76)ka来约束该次事件发生时期(表 1)，U5顶部采集到的样品可以标志EP1发生的最早年代，同时也是U6形成并接受沉积的年龄，根据古地震法认为该事件发生在距今(20.79±1.24)~(14.55±0.76)ka之间。

事件EP2发生在地层U7形成之后，断层F₃再次发生活动，该次古地震事件没有明显的崩积楔留下，推断是后期地层将崩积楔剥蚀覆盖导致。地层U7为一个厚约10cm的砾石粉土混杂堆积层，在该层的顶部采集了一个光释光年代学样品ML-OSL-05，该事件发生在地层U7形成之后，但是由于地层U8残留较少无法采样，因此在黄土层U9底部采集了一个年代学样品来作为该次事件的年龄限定，测年结果为距今(8.94±0.45)ka(表 1)，得出事件EP2的发生时间为距今(14.55±0.76)~(8.94±0.45)ka。

3 博格达北缘断裂晚第四纪滑动速率及强震危险性

博格达北缘断裂全长约120km，是一条南倾的低角度逆冲断裂，该条断裂全新世以来仍有较强的活动，在地貌面上造成了一系列的地质地貌现象。通过无人机获取的木垒公路高精度数字高程数据测量到的四条陡坎剖面，陡坎高度从小到大分别为(5.68±0.85)m、(8.31±0.83)m、(8.53±0.85)m和(10.65±1.06)m，其高度不一，变化较大。结合野外实地考察发现探槽NW侧的冲洪积扇扇面存在着多条冲沟，测量高度较低的陡坎大多位于冲沟之中，推测是沟谷内的地貌面由于受到冲沟侵蚀更为年轻，经历的地震次数更少，形成的陡坎高度也更低，SE侧的阶地面相对更为完整。本文采用测量获取的最高的陡坎高度，即(10.65±1.06)m作为该处累计的垂直位错量，以断层上升盘地层U3的光释光测年结果(即距今(36.24±1.88)ka)作为开始累积垂直位错的年代，利用滑动速率计算公式

$ v=\frac{s}{t} $

(1)

其中，v为断裂的垂直滑动速率，s为断裂的垂直位错量，t为产生垂直位错的对应时间，计算得出断裂最大垂直滑动速率为(0.29±0.03)mm/a。

博格达北缘断裂晚第四纪以来的垂直滑动速率为0.29mm/a左右，从探槽剖面可以判断该断裂至少8.94ka以来没有发生断错地表的强震事件，表明断裂最新一次古地震的离逝时间在8.94ka以上，利用断层滑动速率与离逝时间可以计算得到断裂目前累积的最小垂直位错量在2.59m左右。对于同震位移和震级的关系，前人通过大量的震例进行了统计拟合，即

$ M=a+b \lg D $

(2)

其中，M为地震震级，D为断裂垂直位错量，a、b为系数。不同地区、不同类型的断裂会有不同的统计结果，本文研究选取了《活动断裂研究》编委会(1993)总结的东亚地区逆断层经验公式中的a=6.94、b=1.30，Well等(1994)总结得到经验公式对应的a=6.69、b=0.74。利用地震震级与断裂位错量之间的关系式可知博格达北缘断裂具有发生7.0~7.5级地震的能力。

4 结论

本文通过野外断错地貌测量、遥感解译、古地震探槽开挖和光释光测年等技术手段对博格达北缘断裂古地震事件进行了相关研究，得出以下结论：

(1) 博格达北缘断裂是东天山博格达地区的一条区域性活动断裂，构成了博格达山北麓与准噶尔盆地的边界断裂，断裂经过的地方形成了高低不一的陡坎。断裂(36.24±1.88)ka以来垂直滑动速率为(0.29±0.03)mm/a，反映出博格达北缘断裂晚第四纪以来有过最新活动。

(2) 木垒探槽揭露博格达北缘断裂全新世以来有过2次古地震事件，事件EP1发生时间为距今(20.79±1.24)~(14.55±0.76)ka之间，事件EP2发生的时间在距今(14.55±0.76)~(8.94±0.45)ka之间，未来具有发生7.0~7.5级地震的可能，博格达北缘断裂的地震危险性值得关注。