引言

受青藏高原东北缘持续的隆升和扩展作用，祁连山中东段发育了一系列大型活动断裂（带），包括以左旋走滑为主的祁连-海原断裂带及其南、北两侧展布的马雅雪山断裂和天桥沟-黄羊川断裂等（图1）。天桥沟-黄羊川断裂与东部罐罐岭断裂、香山-天景山断裂相连，与祁连-海原断裂带一道，构成了青藏高原东北缘向北东方向凸出的弧形断裂系。该弧形断裂系晚第四纪以来整体表现为活动性强，地震活动频度高、强度大的特点，长期以来都是研究的热点。学者们围绕弧形断裂系断裂的晚第四纪活动（高伟，2018；刘金瑞等，2018；姚文倩，2019；唐清等，2020）、地震危险性（王永成等，2001；蒋锋云等，2021；朱琳等，2022）、GPS/InSAR数据反演断裂运动学参数（李延川，2016；郝明等，2017；孙赫等，2017；乔鑫等，2019）等方面开展了细致地研究，取得了诸多成果。相比而言，天祝一带弧形断裂系南部展布的马雅雪山断裂研究程度还较低，缺乏对断裂活动性参数的定量研究，其最新构造活动特征及其与区域主干活动断裂之间的关系等尚不清楚。马雅雪山断裂全长约150 km，总体表现为天祝盆地与南部山体、丘陵的界限，天祝县城以西断裂线清晰，在下十八村至炭窑沟村一带断裂沿线表现为槽谷地貌，在金强河南岸的马营沟及小黑刺沟一带可见断裂错断阶地形成的线性断层陡坎，显示出断裂在晚第四纪有一定的活动。马雅雪山断裂沿线分布多个村镇，中部天祝县城为重要的经济交通要道，连霍高速、兰新铁路以及新建的兰张高铁在天祝县城附近并行穿越马雅雪山断裂。因此，有必要对断裂的晚第四纪活动特征开展研究。本文基于高精度地形地貌测量、阶地地貌面定年，对马雅雪山断裂西部金强河段马营沟及小黑刺沟进行了调查，获得了断裂最近强震活动时代及晚更新世晚期以来的滑动速率，对断裂的变形模式、运动学特征进行了初步探讨。

图 1  马雅雪山断裂金强河段周边地貌及断裂展布

Figure 1.  Landforms and fault distribution around the Jinqianghe segment of the Maya Snow Mountain fault

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1.   区域构造背景

青藏高原东北缘是印度-欧亚板块碰撞向北东方向扩展的最前缘，是我国大陆地震活动最为频繁、地壳形变最为强烈的地区之一。在高原隆升和向北东方向挤压扩展过程中，由于鄂尔多斯和阿拉善刚性块体的阻挡，高原东北部物质不断向东有限挤出，造就了一系列大型的活动断裂带（高伟，2018）。沿祁连山展布的近900 km长的祁连-海原断裂带便是青藏高原东北缘扩展前缘最主要的边界断裂带。

祁连-海原断裂带在青藏高原东北缘的构造变形中发挥了非常重要的作用，起着协调该地区晚新生代以来的大部分构造变形的作用，不仅控制了该地区的几何和构造格局，而且在调节东北缘地壳物质相对于阿拉善地块的向东运动中发挥了重要作用（张会平等，2012；刘雷等，2022）。该断裂带在天祝一带主要表现为北西西向展布的金强河断裂、毛毛山断裂及老虎山断裂，在天祝盆地南侧还发育向南凸出呈弧形展布的马雅雪山断裂（图1）。

金强河断裂、毛毛山断裂、老虎山断裂是形成历史悠久并长期活动的深大断裂，形成于加里东期，早期以挤压逆冲活动为主，大约在中更新世晚期其力学性质转变为以左旋走滑为主兼具倾滑运动的特征（袁道阳等，1998）。上述断裂晚第四纪以来活动强烈，现代弱震密集成带，曾发生过1888年景泰6.5级、1990年松山6.2级和2000年景泰5.9级地震（牛继荣等，2005）。马雅雪山断裂的形成、发展与北部相邻的金强河断裂、毛毛山断裂、老虎山断裂相同，断裂早期以垂直差异运动为主，并具向东逐渐增强的特点，地貌上表现为自西向东盆地规模逐渐增大；第四纪以来，断裂西部的活动强于东部（牛继荣等，2005）。马雅雪山断裂形成历史悠久，构造复杂而强烈，对沉积建造、岩浆活动和变质作用均有明显的控制作用。

2.   断错地貌特征

马雅雪山断裂金强河段位于断裂西部，展布于金强河南岸，总体呈北西西向展布，与北侧的金强河断裂隔岸相望。断裂沿线迹线清晰，在跨越沟谷时，可见断裂错断阶地形成的线性陡坎，以马营沟及小黑刺沟两处最为典型（图2）。为揭示断裂的断错地貌特征，本文对马营沟及小黑刺沟沟口的断层陡坎进行了调查。

图 2  沟口断层陡坎地貌

Figure 2.  Fault scarp at the mouth of Maying river and Xiaoheici river

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2.1   马营沟

马营沟西发育T2、T3两级阶地，北西向阶地陡坎如图2（a）、图3中红色箭头所示，非常清晰。由于陡坎北侧约1 km处为金强河，河流流向与陡坎走向大致平行，因此首先要确定该陡坎是河流作用形成的阶地后缘坎还是断层活动形成的断层坎。马营沟所在的区域为祁连山国家级自然保护区，陡坎两侧为多个铁丝网圈定的牧场，且陡坎规模较大，通过跨陡坎开挖探槽直接揭示断层的方式难以实现。因此，我们尝试通过分析地貌面的地表形貌特征来判定陡坎的成因。

图 3  马营沟西DSM及典型部位地形剖面测量

Figure 3.  DSM of Maying river west and topographic profile measurements at typical positions

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为清晰展示马营沟西陡坎两侧的地表形貌特征，采用大疆M600 Pro无人机搭载AS-300 HL激光雷达测量系统对陡坎沿线进行地形地貌数据采集。为验证数据精度，野外RTK实测了多个点位的经纬度、高程数据，各点与相同位置的LiDAR点云数据对比发现，高程误差小于10 cm，满足数据精度要求。数据采集结束，经RTK基站数据转换、POS点云解算、地表植被点云剔除、地面点云生成数字地表高程模型（DSM）等操作完成陡坎沿线DSM的提取（图3）。基于此数据对陡坎两侧地貌面进行地形剖面测量（图4）。

图 4  马营沟西地形剖面

Figure 4.  Topographic profiles of Maying river west

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如果陡坎为（金强河）阶地后缘坎，那么陡坎北侧的低地貌面肯定较南侧的高地貌面年轻，形貌特征很可能会表现出差异，且如果陡坎北侧地貌面为金强河形成，其形貌特征应表现出与现代河漫滩类似的地貌，即自上游往下游地势应缓缓降低。从马营沟现代河漫滩上的地形剖面a-a'可以看出，自南向北，地势缓缓降低，趋势线呈现出明显的线性特征，但陡坎北侧的地形剖面b-b'线性特征并不明显，在剖面中间的位置地势自西向东有明显的落差，达1.38 m。这表明陡坎北侧地貌面应为马营沟阶地，1.38 m高的地形陡坎应为阶地面上次一级的阶地后缘坎。

如果陡坎为断层坎，那么同一级地貌面在陡坎两侧应表现出相似的地貌特征。陡坎南侧地貌面尽管经过一定的人为改造，中部有一沟渠、东部有一方形围墙建筑，但宏观地貌特征未受改变。从地形剖面c-c'和d-d'可以看出，剖面东西两侧地势有着明显的落差，分别为1.37 m和1.33 m，形貌特征与陡坎北侧地貌面类似，陡坎两侧1 m等高距的高线也表现出了类似的特征，等高线在中部有明显的转折，由此可推知陡坎南北两侧为同一级地貌面，同时也可确定北西向陡坎为断层陡坎。

陡坎垂直高度采用Thompson等（2002）提出的模式计算，即基于DSM数据，在拟测陡坎高度的位置垂直陡坎走向作一条地形剖面，通过对陡坎两侧地形剖面的线性拟合，测量两侧拟合线在断层陡坎处高差的最大值和最小值，从而得到陡坎高度（最大值和最小值的平均值）及其误差（最大值或最小值与平均值的差值），这种方法所得的陡坎高度可真实代表断层在地表的垂向位移（俞晶星，2013；Zheng等，2013；黄伟亮等，2018）。由图4可见，T2阶地陡坎垂直高度如地形剖面e-e'（陡坎高度为（4.63±0.17） m）、f-f '（陡坎高度为（4.93±0.01） m）、g-g'（陡坎高度为（5.14±0.08） m）所测定，约5 m；T3阶地陡坎高度据地形剖面h-h'所测定，为（15.56±0.82） m。

2.2   小黑刺沟

小黑刺沟位于马营沟西约8 km处，在与金强河交汇附近，沟西侧发育T1、T2、T3三级阶地。T1阶地规模较小，跨断裂未见明显位错，T2、T3阶地陡坎如图2（b）、图5中红色箭头所示，非常清晰，断错地貌特征与马营沟西类似，应为断层活动形成的断层陡坎。

图 5  小黑刺沟西DSM及典型部位地形剖面测量

Figure 5.  DSM of Xiaoheici river west and topographic profile measurements at typical positions

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为测定陡坎垂直高度，利用大疆精灵4RTK对小黑刺沟西陡坎沿线进行了无人机航拍，无人机飞行高度、飞行速度、航向重叠率、旁向重叠率、拍摄角度分别为100 m、6 m/s、80%、60%、−90°。丁锐等（2022）对比了大疆精灵4RTK与非RTK模式结合地面控制点生成的高程数据后发现，两者存在约0.85 m的系统误差，减去该误差后，两者95%以上的点垂向误差<0.05 m。这意味着，基于大疆精灵4RTK无人机航拍照片获取的DSM在垂向上能满足精度要求。

基于航拍照片生成的DSM（图5）对陡坎高度进行了厘定。从图6中地形剖面i-i'（陡坎高度（3.94±0.19） m）和j-j'（陡坎高度（4.02±0.2） m）可以看出，T2阶地陡坎垂直高度约4 m，与马营沟西T2阶地陡坎垂直高度（约5 m）接近，表明小黑刺沟西与马营沟西T2阶地为同一时期形成地貌面。小黑刺沟T3阶地陡坎高度如地形剖面k-k'（陡坎高度（20±0.52） m）和l-l'（陡坎高度（18.97±0.76） m）所测定，约20 m，略大于马营沟西T3阶地陡坎高度（15.56±0.82） m。

图 6  小黑刺沟西地形剖面

Figure 6.  Topographic profiles of Xiaoheici river west

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3.   滑动速率确定

断层滑动速率是指断层两盘的相对运动在某一时间段内的平均速度（任治坤等，2014），是断裂带上应变积累速率的表现之一，不仅可以直接应用于活动构造的地震危险性预测和工程场地的地震安全性评价，还可以为地球动力学研究提供不可缺少的重要信息（张培震等，2008），经常被直接应用于断裂带的地震危险性概率评价，对于评价断裂所在位置的地壳运动和变形模型具有重要理论意义（魏占玉等，2012）。

目前断层滑动主要是利用地貌面的总位移量与累积时间的比值来获得，地貌面的位移一般由阶地位错量或代表阶地位错的冲沟、阶地陡坎的位错来获得，位错累积时间一般由地质体实测年龄获得（任治坤等，2014）。河流阶地陡坎的阶地面年代和位错常常被用来确定断裂的长期和平均滑动速率（张培震等，2008）。

阶地陡坎位错可以通过高精度地形地貌数据获取，阶地面年代可通过测定阶地砾石上覆风尘物质底部的年龄间接获取。河漫滩脱离河水淹没的环境出露为阶地，风尘就开始在阶地上稳定堆积，各级阶地风尘开始堆积的年代（如风成黄土的底界年龄）大致可代表该级阶地的形成时代（潘保田等，2007）。

研究区地处青藏高原、黄土高原、内蒙古高原的交汇部位，位于黄土高原边缘，盆地、山间河谷多被风成砂、黄土所覆盖。阶地砾石上覆多为风成黄土，这为阶地年龄的厘定提供了良好的材料。野外调查发现，马营沟及小黑刺沟阶地砾石上覆风成粉砂、亚砂土，可进行光释光年代样品采集以确定阶地的年代。

马营沟西阶地采样剖面如图7（a）～图7（c）所示，具体采样位置如图3所示。其中图7（a）、图7（b）采样剖面位于断层陡坎南、北两侧，目的是确定T2阶地的年代，以及从年代的角度进一步验证陡坎两侧是否为同一期地貌面；图7（c）采样剖面目的是测定T3阶地的年代。

图 7  阶地采样剖面照片及地质剖面图

Figure 7.  Location of sample collection and corresponding geological profiles

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上述采样剖面的地层描述具体如下：

（1）图7（a）采样剖面：层①，灰色砂砾石层，磨圆好，分选一般，砾径多集中5～8 cm，有水平韵律；层②，棕黄色风成粉砂、亚砂土层；层③，棕灰色松散土层，顶部植被根系发育。在层②底部采集光释光样OSL-MY-3，测年结果为（7.33±0.58） ka BP。

（2）图7（b）采样剖面：层①，灰色砂砾石层，磨圆好；层②，棕黄色风成粉砂、亚砂土层；层③，薄层棕灰色松散土层。在层②底部采集光释光样OSL-MY-4，测年结果为（8.06±0.67） ka BP。

（3）图7（c）采样剖面：层①，砾石层，有磨圆，砾径多集中在6～10 cm，仅局部出露；层②，棕黄色风成黄土状亚砂土层，质纯；层③，薄层松散土层，富含植物根系。在层②底部采集光释光样OSL-MY-5，测年结果为（34.56±3.02） ka BP。

小黑刺沟沟口采样剖面如图7（d）、图7（e）所示，具体采样位置如图5所示。图7（d）、图7（e）采样剖面分别用以测定T2阶地、T1阶地的年代，另外为对比交汇部位金强河与小黑刺沟T1阶地的年代，对金强河T1阶地也进行了光释光年代样品采集，采样剖面如图7（f）所示，采样位置如图5所示。上述采样剖面地层描述具体如下：

（1）图7（d）采样剖面：层①，灰色砂砾石层，分选一般，磨圆次棱角状，砾径多集中在5～6 cm；层②，棕黄色风成粉砂、亚砂土层，质纯；层③，棕灰色松散土层，顶部植物根系发育。在层②底部采集光释光样OSL-MY-6，测年结果为（9.25±0.81） ka BP。

（2）图7（e）采样剖面：层①，灰色砂砾石层，有磨圆，分选一般，砾径多集中在3～5 cm，少数可达10 cm；层②，黄白至浅棕灰色风成亚砂土层，质纯，近地表处植物根系发育。在层②底部采集光释光样OSL-MY-7，测年结果为（3.43±0.27） ka BP。

（3）图7（f）采样剖面：层①，灰绿色砂砾石层，棱角状，分选一般，砾径多集中在2～3 cm；层②，棕黄色含砾细砂层；层③，薄层灰绿色砂砾石层，棱角状，砾径多在1～2 cm；层④，灰黄色风成含砾松散粉砂质土层。在层④底部采集光释光样OSL-MY-8，测年结果为（0.5±0.04） ka BP。

采样剖面中的光释光样品由应急管理部国家自然灾害防治研究院测试完成，具体的测试参数及年龄如表1所示。

表 1  样品光释光测试参数及年龄

Table 1.  OSL dating results of the samples

样品编号	埋深/m	U/(μg·g−1)	Th/(μg·g−1)	K/%	含水量/%	环境剂量率/(Gy·ka−1)	等效剂量/Gy	年代/(ka BP)
OSL-MY-3	0.87	2.67±0.06	14.4±0.19	2.14±0.02	2.05	4.87±0.36	35.64±1.05	7.33±0.58
OSL-MY-4	0.49	2.75±0.05	14.8±0.38	2±0.01	6.31	4.59±0.32	37.02±1.68	8.06±0.67
OSL-MY-5	0.53	2.71±0.06	14±0.36	1.9±0.01	3.59	4.54±0.33	156.74±7.78	34.56±3.02
OSL-MY-6	0.55	2.56±0.02	14.7±0.28	2.23±0.02	5.05	4.8±0.34	44.43±2.28	9.25±0.81
OSL-MY-7	0.6	3.21±0.03	17±0.19	2.32±0.02	5.13	5.33±0.38	18.29±0.57	3.43±0.27
OSL-MY-8	0.45	2.49±0.03	14.1±0.27	2.02±0.02	2.57	4.66±0.34	2.34±0.09	0.5±0.04

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马营沟和小黑刺沟作为金强河、庄浪河的支流，向下游最终都汇入黄河，因此，马营沟、小黑刺沟包括金强河阶地的形成都受控于黄河下切形成的侵蚀基准面的降低。另外，该区断裂活动导致的差异升降也是阶地形成的一个重要因素。

从上述采样剖面可见，马营沟西断层陡坎两侧T2阶地（图7（a）、图7（b））的地层结构（自下而上均为砾石、风成粉砂和松散土层）、年龄（OSL-MY-3：（7.33±0.58） ka BP、OSL-MY-4：（8.06±0.67） ka BP）几近一致，进一步佐证了断层陡坎两侧为同一级地貌面。小黑刺沟西T2阶地（图7（d））的地层（自下而上也表现为砾石、风成粉砂和松散土层）、年龄（OSL-MY-6：（9.25±0.81） ka BP）与马营沟西T2阶地对比表明两者应形成于同一时期，考虑到光释光测年误差，取上述3个年龄的均值（（8.21±0.4） ka BP）作为T2阶地的年龄，即T2阶地形成于全新世早期。地形地貌测量结果表明，马营沟西及小黑刺沟西T2阶地陡坎垂直位错分别为4.63～5.14 m及3.94～4.02 m，由此，可计算出马营沟及小黑刺沟T2阶地形成（全新世早期）以来，断裂垂直滑动速率为0.48～0.63 mm/a。

马营沟西T3阶地（图7（c））的实测年龄为（34.56±3.02） ka BP，表明其形成于晚更新世晚期。根据地形地貌测量的结果，马营沟西T3阶地垂直位错为（15.56±0.82） m、小黑刺沟T3阶地垂直位错为18.97～20 m。若以（34.56±3.02） ka BP作为T3阶地的年龄，则可计算出马营沟及小黑刺沟一带T3阶地形成（晚更新世晚期）以来的垂直滑动速率为0.45～0.58 mm/a。由此可见，该地区断裂晚更新世晚期与全新世早期以来的垂直滑动速率值几近一致，表明马雅雪山断裂在金强河一带自晚更新世晚期以来保持了相似的活动水平。综合晚更新世晚期及全新世早期以来的数值，限定出断裂晚更新世晚期以来的垂直滑动速率为0.45～0.63 mm/a。

小黑刺沟西T1阶地实测年龄为（3.43±0.27） ka BP，表明其形成于全新世晚期。该级地貌面跨断裂未见明显位错，由此依据T2及T1阶地的年代，限定出断裂最近强震活动发生在8.21～3.43 ka BP。另外采样剖面还揭示，小黑刺沟T1阶地的年龄（（3.43±0.27） ka BP）要显著老于金强河T1阶地的年龄（（0.5±0.04） ka BP），表明金强河的下切能力更强，阶地的发育与支流有显著差异。

4.   结论

马雅雪山断裂长期以来研究报道较少，其最新活动特征及断裂活动参数尚不清楚，制约着地震危险性的评估。本次工作，通过对马雅雪山断裂西部金强河段马营沟及小黑刺沟2处断层陡坎的地貌面测量及阶地年代测定，厘定了马雅雪山断裂金强河段的最近强震活动时代及晚第四纪滑动速率。研究结果表明，马雅雪山断裂金强河段晚更新世晚期以来活动显著，最近强震活动发生在8.21～3.43 ka BP，晚更新世晚期以来的垂直滑动速率为0.45～0.63 mm/a。

马雅雪山断裂活动可能受控于祁连-海原断裂带。祁连-海原断裂带是青藏高原东北缘一条重要的活动断裂带，调节着该地区的大部分构造变形。传统观点普遍认为祁连-海原断裂带自西向东由托莱山断裂、冷龙岭断裂、金强河断裂、毛毛山断裂、老虎山断裂、海原断裂等组成（刘静等，2013；郭鹏等，2017；姚文倩，2019）。从断裂几何展布可见（图1（b）），马雅雪山断裂呈向南凸出的弧形状展布，北西端可能延伸至冷龙岭断裂、金强河断裂的交汇部位；北东端可能交于老虎山断裂，宏观上马雅雪山断裂可能也是祁连海原断裂带的一部分，起着调节天祝一带祁连-海原断裂带的构造变形，至少在西部的金强河段表现出了晚第四纪显著活动的特征，断裂今后的危险性应予以重视。

致谢 本研究野外工作得到了天祝藏族自治县地震局的大力支持，审稿专家提出了宝贵的修改意见，在此一并表示感谢！