基于无人机航测影像研究新民堡断裂晚第四纪构造变形及1785年惠回堡地震机制

Late Quaternary Tectonic Deformation of the Xinminpu Fault and Mechanism of 1785 Huihuibao Earthquake Based on Unmanned Aerial Images

摘要

新民堡断裂是河西走廊西段酒西盆地内部最北侧的一条逆断裂-褶皱带，全新世晚期仍然活动，断错地貌清晰.利用高精度无人机SfM摄影测量方法与断错地貌精细解译，从构造地貌学角度厘定了新民堡断裂累积位错值和1785年惠回堡地震的同震地表位错.根据高分辨率地形地貌数据共测量统计了90组断层陡坎位错值，结合累积位移概率分布曲线，得到7次位错丛集峰值，推测新民堡断裂晚第四纪大致发生过7次古地震事件，符合丛集地震特征，最新两期位移量峰值0.9 m、1.5 m分别对应1785年地震及距今3.8±0.3 ka的古地震事件.根据其平均同震位错值0.9 m，核定1785年惠回堡地震震级约为6.6级，与历史地震考证结果吻合.结合铲式断层模型进一步厘定了新民堡断裂全新世以来的垂直滑动速率约为0.1±0.02 mm/a，水平缩短速率约为0.18±0.06 mm/a.综合分析表明，1785年惠回堡地震为发生在新民堡断裂上的一次逆断裂-褶皱型地震，与河西走廊内部发生的2003年甘肃民乐-山丹6.1、5.8级地震和2002年玉门Ms5.9地震的发震机制类似，表明河西走廊盆地内部具有挤压逆冲-褶皱型的发震机制，未来需加强对此类地震构造带的进一步研究和震灾防御.

Abstract

The Xinminpu fault is the northernmost reverse fault-fold belt in the Jiuxi Basin which is at the western of Hexi Corridor, still active in the Late Holocene and its offset geomorphology is clear. In this paper, cumulative offset of Xinminpu fault and co-seismic surface offset of the 1785 Huihuibao Earthquake are determined from tectonic geomorphology by high-precision unmanned aerial vehicle SfM photogrammetry and fine interpretation of offset geomorphology. Based on high-resolution topographic and geomorphologic data, a total of 90 groups of fault scarp offset were measured and counted, and combined with cumulative offset probability distribution plot, seven offset clusters were obtained, and it is inferred that about seven paleoseismic events occurred in Late Quaternary of Xinminpu fault, with quasi-periodic recurrence characteristics, and that the latest two peak offset of 0.9 and 1.5 m corresponded to the earthquake in 1785 and a paleoseismic event at 3.8±0.3 ka ago, respectively. Based on average coseismic offset of 0.9 m, the magnitude of the 1785 Huihuibao earthquake is about M6.6, which is consistent with historical seismic results. Combined with the listric fault model, the vertical slip rate of Xinminpu fault since Holocene was determined as 0.1±0.02 mm/a, and the horizontal shortening rate was about 0.18±0.06 mm/a. Comprehensive analysis shows that the 1785 Huihuibao earthquake was an inverse fault-fold type earthquake on Xinminpu fault, which is similar to the seismogenic mechanism of the 2003 Ms6.1, Ms5.8 Minle-Shandan earthquake in Gansu Province and the 2002 Yumen Ms5.9 earthquake that occurred in the central of the Hexi Corridor, indicating that it has a reverse fault-folding type seismic mechanism in the basin of Hexi Corridor, and further research and seismic defense for this type of seismic tectonic belts should be strengthened in the future.

Graphical abstract

关键词

新民堡断裂 / 惠回堡地震 / 无人机影像 / 位移丛集 / 地球物理学.

Key words

Xinminpu fault / Huihuibao earthquake / unmanned aerial image / offset clustering / geophysics

0 引言

祁连山-河西走廊位于青藏高原东北部边缘，是高原向北东方向挤压扩展的前缘部位，也是其现今构造变形和地震活动最为强烈的地区之一，历史及现今发生了一系列7级左右及以上的大地震，如1920年海原8½级、1927年古浪8级、1932年昌马7.6级、1609年红崖堡7¼级和2022年门源6.9级等地震（图1）（Tapponnier et al.，2001；郑文俊等，2004；Zhang et al.，2007；Li et al.，2009；刘兴旺等，2014；罗浩等，2016；Wen et al.，2023；袁道阳等，2023；计昊旻等，2024）.上述地震主要发生在祁连山内部或河西走廊南缘盆山交界地带的大型活动块体边界断裂带上，造成了重大人员伤亡和财产损失.然而，作为河西地区城镇和人口较为集中的地带以及“一带一路”重要节点的丝绸之路经济带的重要通道，河西走廊盆地内部也发育了多条规模较大的活动构造带，包括酒西盆地内部的玉门-北大河断裂、白杨河断裂、新民堡断裂和阴洼山断裂，以及酒泉-张掖盆地的嘉峪关断裂、榆木山北缘断裂、榆木山东缘断裂、民乐-永昌断裂和武威盆地内部的武威盆地南缘断裂等，这些断裂同样具有发生中强以上地震的能力和潜在风险，如发生在新民堡断裂上的1785年惠回堡6¾级地震和沿民乐-永昌断裂发生的2003年民乐-山丹6.1级和5.8级地震等（闵伟等，2002；何文贵等，2004， 2010；郑文俊等，2005；Zhang et al.，2023）.

前人对河西走廊西段酒西盆地内部的新民堡断裂和1785年惠回堡6¾级地震，分别从历史地震考证、断裂最新活动性、滑动速率、古地震事件等方面对断裂晚第四纪构造活动及1785年惠回堡地震的发震构造进行过初步研究（陈柏林等，2006，2008；何文贵等，2010；刘兴旺等，2021），但对新民堡断裂晚第四纪构造变形样式和古地震事件完整性、1785年惠回堡地震的同震位错和发震机制等研究尚欠深入.尤其是目前探槽开挖受到多种条件制约，因此，通过古地震探槽研究获得较完整的古地震事件序列存在较大难度.一种新的研究趋势是利用高分辨率的影像数据进行断错微地貌测量（水平断错冲沟或垂直断层陡坎等），能够揭示精细化的断层活动习性、历史地震及古地震事件等，已取得了良好效果（郭长辉等，2018；Bi et al.， 2018； Ma et al.， 2022； 游子成等，2023；袁道阳等，2023； Bao et al.，2024；Wang et al.， 2024；王子君等，2024），是历史地震和古地震研究的有益补充，尤其是对高分辨率地形剖面变形形态特征的精细化分析，可以更完整地揭示断裂带的变形样式，避免受限于探槽数量、规模和年代样品等导致在揭示构造活动样式和古地震事件时的局限性.

本文拟在系统收集整理前人已有研究成果的基础上，基于无人机航测影像资料的详细解译和统计分析，获得新民堡断裂沿线不同断错地貌陡坎的单次和多次地震事件的累积位错分布特征，尤其是最新一次地震地表破裂事件的同震位错，用于厘定1785年惠回堡地震震级等基本参数，进一步揭示其古地震活动习性；进而通过跨断层的构造变形样式分析，讨论酒西盆地内部新民堡断裂的构造变形模式及1785年惠回堡地震机制.

1 地质构造背景

酒西盆地位于河西走廊最西端，是青藏地块、塔里木地块和阿拉善地块的交汇部位，西止于阿尔金断裂，北边界为宽滩山断裂、黑山断裂，东至嘉峪关断裂、文殊山断裂，南为旱峡-大黄沟断裂和玉门-北大河断裂，整体呈不规则梯形，盆地沉积演化和构造变形主要受阿尔金断裂东端走滑活动和北祁连山逆冲断裂的挤压作用控制（图2）（刘兴旺，2017），晚新生代以来，经历了多期次强烈的构造活动，形成NWW向的逆断裂和褶皱变形（袁道阳，2003）.因此，在酒西盆地边缘及内部发育了多条晚第四纪活动断裂及其伴生的活动褶皱，如玉门-北大河断裂、白杨河断裂、新民堡断裂、阴洼山断裂等，及与之相伴生的玉门老君庙背斜、白杨河背斜（袁道阳，2003；刘兴旺，2017）以及本文拟研究的新民堡背斜，这3排活动逆断裂-褶皱带的规模自南向北逐渐变小，具有前展式扩展和反冲特征（图2）.这些活动断裂及活动褶皱在协调吸收祁连山向北东挤压扩展及阿尔金断裂尾端左旋走滑与构造转换中都起到了重要的作用（Hetzel et al.，2013）.

1.1　酒西盆地活动构造概述

综合前人研究成果，酒西盆地内部的多条活动断裂以逆断裂-褶皱变形及逆掩推覆为主，且均发生在盆地深部6~9 km处的滑脱面以上，收敛于祁连山北缘主断裂带（刘兴旺等，2017；黄兴富等，2018）.其中玉门-北大河断裂位于酒西盆地南缘，是祁连山北缘断裂（西段为旱峡-大黄沟断裂）向酒西盆地内部扩展形成的第1排全新世活动的逆断裂-褶皱带.西起青草湾，向东经青头山，至马草滩一带，全长可达130 km，走向NWW，倾向S，其西段表现为隐伏断裂为主，在上盘发育由新近系地层组成的具有不对称褶皱构造特点的盲逆断层-褶皱带即老君庙背斜，东段断裂出露地表，断错山前冲洪积扇，倾角约为20°~30°.老君庙背斜属于酒西盆地南部山前隆起带中的背斜构造，背斜南缓北陡，北翼的内层表现为向转折端运动，与一般的纵弯褶皱层间运动方向相反（陈柏林等，2008）.玉门断裂垂直滑动速率约为0.25 mm/a（闵伟等，2002；李安等，2016），水平缩短速率约为1.25 mm/a（刘睿，2020）.

白杨河断裂位于酒西盆地中部，断裂长约20 km，倾向北，倾角约30°，之前的研究认为是一条隐伏断裂，其活动造成了上覆白杨河阶地的褶皱变形（陈杰等，1998）.李安等（2016）通过探槽开挖发现白杨河背斜是酒西盆地内新生的逆断裂-褶皱带，符合断弯褶皱模型，并存在膝折带迁移，是酒西盆地边界断层无法完全吸收青藏高原向北扩展的变形量所产生的次级反冲构造.断裂北侧的白杨河背斜在形态上与老君庙背斜、石油沟背斜相反，为一南翼陡、北翼缓的宽缓不对称断裂扩展褶皱（刘兴旺，2017）.白杨河断裂的长期平均隆升速率约为0.21 mm/a，全新世以来隆升速率约0.36~0.5 mm/a，断裂活动强度不断增强（李安等，2016；刘睿，2020）.

阴洼山断裂位于酒西盆地中心偏北的阴洼山东侧并向南东延伸至酒西盆地内部洪积扇上，总体走向315°，长约25 km，倾向NW，倾角约55°，为一条高角度右旋走滑兼逆冲断层，全新世以来活动.据断层陡坎及阶地年代得到长期滑动速率约为0.08±0.02 mm/a（刘兴旺等，2021）.

1.2　新民堡断裂晚第四纪构造活动特征

新民堡断裂东起新民堡，西经骟马城、清泉村、东地、火烧沟直至九塘沟等地，断裂以逆冲性质为主，长约20 km，走向约300°，近地表倾角约30°，倾向SW.地貌上表现为南高北低的断层陡坎，且陡坎形态多为复合陡坎，断层剖面露头可见断层直通地表，形成前缘翘起的新断层陡坎，表明断层在全新世晚期有地震活动.例如，在清泉村西侧，较老地貌面上形成的断层陡坎高约6~7 m，老陡坎前侧叠加新的小陡坎，高度约为1.5 m左右（图3a），部分段保留新鲜的陡坎自由面，高度均小于1 m，推测可能为1785年新民堡6¾级地震形成的地表破裂带（图3b）.前人对新民堡断裂的古地震活动已有部分研究成果，闵伟等（2002）根据探槽剖面和地貌特征，认为断裂最新活动导致了756年酒泉7级地震的发生；陈柏林等（2006）认为断裂在距今4.4 ka和1.2 ka有过2次地震活动，最新的活动也应该与756年酒泉地震有关.然而，刘兴旺等（2021）在火烧沟村北探槽研究认为新民堡断裂2次古地震事件的时间为230 a和3.8±0.3 ka，即最新活动与1785年惠回堡地震有关，且其构造活动具有特征地震模式.

笔者结合卫星影像解译及实地踏勘发现，新民堡断裂构造活动新，且活动现象典型.前人在火烧沟东侧及新民堡村附近发现多个断层剖面，并获取关键地层年代，为结合地形地貌数据研究断裂活动性提供了基础.

例如，在新民堡村东侧可见一条低角度逆冲断层剖面，主断裂产状为210°∠30°（图4）.剖面揭示了新近纪中新统、上新统的地层沿断层逆冲推覆至晚更新世砾石层之上，其上方不整合覆盖了晚更新世晚期的松散砾石层U1，同样被断错并形成~1 m的地表断裂陡坎.断层下盘砾石层U2在靠近断层处被牵引转向，砾石发生定向排列，断裂上盘砖红色泥岩同样形成明显的牵引变形.陈柏林等（2006）在该剖面采集的热释光样品年代结果显示，该断裂在晚更新世晚期以来具缓倾角挤压逆掩作用.

刘兴旺等（2021）在火烧沟村北自由面保留较好的新陡坎处开挖探槽揭示了3条低角度逆掩断层f1、f2、f3，主要是新近系中新统的砖红色泥岩逆冲错断了全新世地层（图5）.其中剖面底部断层f1产状为210∠30°，地层U1、U2沿断层f1共同逆冲断错U3、U4的坡洪积砾石层及砂土层，断层f2同样断错了U4地层，但均未断错地表的U5地层，因此两个断层可能揭示了同一次古地震事件，据刘兴旺等（2021）释光年代认为此事件发生在3.8±0.2 ka以来.而f3断层断错了地表U5砂土层，将中新统砖红色地层沿近水平面逆冲推覆，至近地表转变为高倾角逆冲，并在地表形成约0.5 m的断层陡坎，揭示了一次年轻的历史地震事件.据史料考证，认为这次地震事件对应1785年惠回堡地震（刘兴旺等，2021）.

2 研究方法

笔者基于高分辨率卫星影像对新民堡断裂的构造地貌解译，选取断裂西段断层陡坎地貌较为典型且保存较为完整的区域进行无人机航拍作业，航测区域全长约6 km、宽约1.5 km.首先利用机载实时动态差分系统（RTK， real time kinematic）替代地面控制点，以提高航拍照片的定位精度.根据新民堡断裂的地形地貌特征，设置好合适的起飞高度和较高的影像重叠率，以提高地形地貌数据的分辨率.之后利用SfM摄影测量技术按照事先规划的航线进行无人机自动航测任务.将高度重叠的5 000余张无人机照片导入Photoscan软件中进行精准对齐，生成高质量的密集点云数据，实现高分辨率的DEM数据及高质量正射影像生成，精度可达0.1 m.

利用ArcGis平台对高质量DEM影像进行表面分析，得到对应的山体阴影，沿断裂迹线的洪积台地陡坎会在山体阴影图中呈现出明显的断错微地貌.通过精确识别断层陡坎获取新民堡断裂的水平分布特征，并用红线标出断层迹线（图6），跨断层迹线两侧拉取完整的地形剖面线，结合山体坡度角将剖面恢复对齐至水平，由此测量得到单次或多次地震事件累积形成的断裂陡坎高度，并结合野外考察确认垂直位移测量值的可靠性.结合地形剖面线、不同冲积扇形态及相互切割关系等微地貌特征，对航测区域进行精细地貌填图，划分出不同的地貌单元，为分析不同时期断裂活动特征及变形过程提供依据.

3 新民堡断裂基于航测影像的断错微地貌研究

3.1　航测影像解译

活动断裂带的多期构造活动会被断裂沿线的地表变形以及地貌位移直观地表现出来，通过断层带上地貌的变化及其在水平和垂直方向上的位移精细测量，可以深入分析断层的活动习性.根据高分辨率地形数据，解译新民堡断裂断错地貌发现，断裂控制高台地发生了褶皱变形，并在背斜后翼形成反冲断层陡坎，符合逆断层-褶皱型构造变形特征.笔者沿断裂迹线逐个利用软件切地形剖面，以获取地表变形形态并测量陡坎高度，由于累积位移丛集概率曲线是以统计学方法来研究其位移的丛集现象，共获取了90组断层陡坎地形剖面及其单次和多次累积垂直位错量，测量位错点为影像中的白色圆点（图6）.其中，西段复合陡坎现象较为明显，且统计位错量更方便，因此西段测量点更加密集.选取其中4个较为典型的陡坎剖面（图7），P1和P2剖面显示了新民堡断裂陡坎的扩展特征，即新陡坎发育在老陡坎前缘，并将老陡坎高度不断累加，由P1、P2剖面分别得到了6.7 m、5.4 m、2.9 m和7.8 m、5.7 m、1.9 m、0.6 m的陡坎高度，揭示了新民堡断裂具有多期次活动特征.P3、P4剖面中陡坎高度分别为4.1 m和2.8±0.3 m，难以细分出单次事件陡坎，可能反映其为多次地震沿同一断层重复活动的结果.统计过程中发现最新的断层陡坎往往分布在现代河漫滩且保留较好，表明最新活动事件较为年轻，离逝时间较短.

3.2　累积位移概率分布特征

在同一时段内形成的地貌面，往往会因多次相同的地震事件而发生位错，从而导致统计的位移量产生丛集，即经历等次地震事件的断层陡坎和地貌，往往具有近似相同的累积位移量，这一丛集现象为估计断层上的古地震数量提供了一种可行的方法（Klinger et al.，2011； Bi et al.，2018； Wang et al.，2024）.为了有效地聚类分析累积位移，需要使用概率和统计方法来识别与等次事件相关的位移量，本研究使用了高斯概率分布函数（Gaussian probability distribution function， PDF），一种广泛用于识别不同地震陡坎的方法.高斯概率分布函数对经历等次事件的断错地貌的位移量进行分组，并结合Zielke et al. （2010）提出的方法，将这些单独的PDF相加来构建累积位移概率分布（cumulative offset probability distribution，COPD）曲线.COPD曲线图一般包含多个峰值，每个峰值代表数据中出现频率最高的值，对应一个不同的地震事件.其中第1个峰值代表最新一次地震造成的平均同震位移，其他峰值代表经历多期次地震事件产生的累积位移（Zielke et al.，2010； Klinger et al.，2011），这些峰值的中心值即被称为“COPD值”，不同峰值间的差值则代表这一时期所发生的地震事件累积位移.

结合无人机航测影像，笔者对新民堡断裂的位移进行详细的统计分析，并将位移量按照沿断裂的距离做出散点图，得到位错量沿断裂的分布图像，并利用以上方法，生成COPD曲线（图8）.通过垂直位移的COPD曲线得到多个明显的峰值，其中最主要的7个峰值分别位于0.9 m、1.5 m、2.3 m、2.9 m、3.7 m、5.3 m和6.7 m，代表该断裂大致发生过7次大地震，每个峰值都对应多个陡坎剖面的位错量数据支撑（图8）.可以发现每个峰值大致呈几何倍数趋势增长，前5个峰值间位移量增量约为0.7 m左右，且波动范围较小，后3个峰值间的位移量增量约为1.5 m左右.一方面很可能多期次地震事件累积形成的断裂陡坎保存不完整导致大位移量数据缺失，存在多个高位移量峰值的遗漏；另一方面也有可能反映早期新民堡断裂构造活动较为强烈，古地震震级较大.参考前人在新民堡断裂开挖探槽揭露的断错地层（闵伟等，2002；刘兴旺等，2021），可以更详尽地了解该断层的古地震和历史地震的活动特性.刘兴旺等（2021）在对酒西盆地古地震研究中认为新民堡断裂2次古地震事件的时间为230 a和3.8±0.3 ka，符合特征地震模式，复发周期约3.5 ka，这2次古地震事件可以与COPD中得到的前两个峰值0.9 m和1.5 m相对应，同时趋于均匀的峰值增量现象反映了新民堡断裂的活动特征符合丛集地震模式.综合本研究及前人古地震探槽研究结果，根据断层陡坎统计获得的丛集峰值0.9 m为其最新位错，应为1785年惠回堡地震的同震位错.

另一方面，曲线中峰值揭示的古地震事件次数多于前人探槽剖面揭露的次数，反映探槽开挖可能会受到探槽数量、规模与年代样品的限制，导致在判断古地震事件时难免会有遗漏，而利用高精度影像测量位错生成的COPD曲线可以通过丛集现象生成的多个峰值较为完整地分析出古地震次数，但需要参考探槽剖面及年代结果来讨论具体的古地震事件及时间，因此研究活动断裂与古地震时应将上述两种方法结合起来，互相印证、补充，从而完整、精确地获取断裂活动期次及模式.

4 1785年地震破裂带震级讨论

史料记载，公元1785年4月18日，在甘肃玉门的惠回堡、白杨河、火烧沟、赤金堡一带发生了强烈地震.国家地震局兰州地震研究所（1985）将震中定在惠回堡一带，即39.9°N、98.0°E，震级6½级，烈度Ⅷ级.何文贵等（2010）根据史料考证，将震中定在39.9°N、97.9°E，震级6¾级，震中烈度Ⅸ级，其重破坏区位于玉门惠回堡至赤金堡之间，偏于火烧沟一带，并认为新民堡断裂和阴洼山断裂为其发震构造.

根据Wells and Coppersmith（1994）总结的青藏地区逆断层震级与同震位移的关系式M=6.64+0.13 log（AD）（M为震级；AD为Average displacement，平均同震位移），由COPD曲线揭示的第1个位移量丛集峰值0.9 m作为平均同震位移，从而估算出惠回堡地震震级约为6.6级.而根据逆断层震级与破裂带长度的关系式M=5+1.22 log（SRL）（SRL， Surface rupture length，地表破裂带长度），由约20 km的破裂带长度得到惠回堡地震震级约为6.6级.综合垂直位移量分析及破裂带长度，认为1785年惠回堡地震震级约为6.6级左右，该结果与何文贵等（2010）通过史料考证的结果基本一致，证明结合高精度影像研究微地貌特征具有可靠性.

5 断裂构造变形模式及1785年惠回堡地震机制探讨

笔者在野外调查和地貌填图的基础上，结合高精度无人机航测影像，提取多个高台地上具有多期断裂陡坎的地形剖面，发现新民堡断裂表现为逆断层-褶皱变形，且褶皱变形形态符合铲式断层模型（图9）.从而根据发生褶皱变形阶地/台地的地形剖面中褶皱形态及几何参数，反演新民堡断层在地表深部的几何学与运动学特征，从而结合变形台面的热年代学结果，分别计算断层自不同台面形成以来的长期垂直滑动速率和水平缩短速率.

5.1　断层深部几何特征

据地形剖面显示（图9），新民堡断裂上盘褶皱大多具有较陡的前翼、近水平褶皱枢纽和缓倾角后翼.不对称背斜清晰的几何形状与祁连山山前较大规模的河流阶地褶皱变形形态相似，符合铲式断层通过翼旋转变形的特征，表明存在一条近地表较陡、深部变缓的铲式断层（武登云等，2023）.应用Hu et al.（2015）提出的铲式断层几何模型，可以从剖面上不对称褶皱的形状推导出逆冲断层的地下几何形状.首先对断裂东段的地形剖面P7进行几何学分析，将整个地形轮廓旋转6.5°，使参考线变为水平线（图9），在剖面地形轮廓上可以清楚地看到台面褶皱变形形态.在推导垂直距离和水平距离以及断层倾角时将忽略这一微小的旋转，以便进行以下分析.其中倾角代表了天然断层倾角，即不向后倾斜.剖面褶皱的宽度由褶皱前缘（d1）、轴向顶端（d2）和后缘（d3）的水平范围确定，剖面褶皱宽度为180 m.在褶皱的轴向顶部，变形阶地T4高于基准面的隆起高度h1为21±2 m，而褶皱后缘的隆起高度h2为13±1 m（图9）.考虑到断层开始活动后沉积在陡坡底部和更上游的沉积物，因此获取隆升量需要参考基准水平参考线.使用沿断层面均匀滑动的假设（Thompson et al.，2002；Hu et al.，2015），断层深部和浅部之间的断层倾角变化可以使用以下公式由h1和h2的值确定：

\frac{h\mathrm{1}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{1}}=\frac{h\mathrm{2}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{2}} .

结合野外观测及前人研究（时振梁等，1982），断层浅部倾角α1为30°±5°，由此得到剖面深部角度α2为18°±4°（图9）.铲式断层段上端和下端拐点的深度H1、H2可以用以下公式计算（Hu et al.，2015）：

H\mathrm{1}=(\frac{d\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+d\mathrm{2})\times \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{1}\times \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{1},

H\mathrm{2}=[\left(\frac{d\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+d\mathrm{2}\right)\times \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{1}+\frac{d\mathrm{3}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\alpha \mathrm{1}-\alpha \mathrm{2}\right)}\times (\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{2}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{1})]\times \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{2} .

由以上公式可得，H1为37 m，H2为57 m，从而获取整个断裂在地表深部滑脱面的形态及参数.用下列公式（Hu et al.，2015）可以分析确定新民堡断裂自该台面形成以来的总滑移量S为42±5 m.

S=\frac{h\mathrm{1}-h\mathrm{2}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{2}} .

结合上述断裂活动几何参数和台地年代结果，就可以进一步计算并分析断裂在不同时期的滑动速率.该断裂东段阶地的褶皱变形形态较为理想（图9中P7），但缺少年代结果来计算滑动速率，而在火烧沟东侧刘兴旺等（2019）已获得其不同阶地的年代，因此在西段前人采样点所在的T2、T3阶地分别切地形剖面P5、P6，运用同样的模型和方法来解译不同阶地的褶皱变形特征.由此得到这两个剖面的垂直隆升高度h1分别为12±1 m、16±2 m，对应阶地恰好由新到老，这一现象反映在每一级阶地形成之后，次一级阶地形成之前还会有古地震事件的发生，可作为识别地震多期活动的地质证据.根据地形剖面的几何学特征得到断裂在铲式滑脱面下方的地表深部角度转变为27°和20°，因此深部角度平均为20°左右，并计算出总滑动位移量分别为24±3 m和32±3 m，而T2剖面推演深部角度较大可能是人为活动导致阶地形态不完整.通过不同剖面推演出的深部滑脱面形态及参数等相对一致，认为新民堡逆冲推覆体是在同一滑脱面之上受断裂控制逆冲断错地表.

5.2　断层运动学特征

根据影像中的T2、T3阶地地形剖面得到的垂直隆升量h1分别为12±1 m、16±2 m，并参考前人在T2和T3阶地的年代结果（刘兴旺等，2019）分别为：102.3±3.5 ka、171.8±4.5 ka，可以计算出由剖面P5、P6得到的垂直滑动速率，分别为0.12±0.01 mm/a、0.09±0.01 mm/a，因此新民堡断裂的长期垂直滑动速率约为0.1±0.02 mm/a.此结果与刘兴旺等（2019）利用差分GPS测得的阶地陡坎高度12.6±0.6 m、17.7±0.6 m及计算得到的断错滑动速率0.11±0.02 mm/a和0.1±0.01 mm/a基本吻合.结合前人对玉门-北大河断裂、白杨河断裂和阴洼山断裂等滑动速率的研究结果（陈柏林等，2008；李安等，2016；刘兴旺等，2020）发现，酒西盆地内部多条断裂均以较低的滑动速率为特征，表现出了区域上断裂活动的协调性和一致性（刘兴旺等，2019）.

新民堡断裂的水平缩短速率同样可以运用断层几何学来推导，结合褶皱变形形态和几何参数，计算逆冲推覆体在断裂活动控制下产生的水平缩短量及缩短速率.假设褶皱变形过程中的横截面积被保留，则根据面积守恒，地壳缩短面积Y与地表褶皱面积X应该相同，用以下两个公式分别表示X和Y：

X=\frac{h\mathrm{1}d\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+h\mathrm{1}d\mathrm{2}+h\mathrm{2}d\mathrm{3}+\frac{\left(h\mathrm{1}-h\mathrm{2}\right)d\mathrm{3}}{\mathrm{2}}，

Y=D^{\mathrm{2}}\times \frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha \mathrm{2}}{\mathrm{2}}+H\mathrm{3}\times D .

据公式求出缩短量D分别为20±5 m、27±6 m，用阶地年龄计算得到自T2、T3阶地形成以来缩短速率分别为0.2±0.05 mm/a、0.16±0.04 mm/a，因此新民堡断裂长期水平缩短速率约为0.18±0.06 mm/a.计算过程中综合考虑了褶皱形态与变形参数，使结果更加精确.此结果同样与刘兴旺等（2019）利用垂直滑动速率与断层倾角计算得到的缩短速率约为0.18 mm/a一致，揭示了新民堡断裂的低角度逆冲作用导致褶皱变形对缩短速率的影响较小.而滑动速率和缩短速率结果显示断裂活动性全新世以来逐渐增强，而位移丛集峰值相对较为稳定，单次地震的规模及震级变化较小，由此认为地震复发周期正在逐渐缩短，可能与逆断层-褶皱型地震转换机制有关，导致未来发生地震的危险性较大.

5.3　1785年惠回堡地震机制分析

根据黄兴富等（2018）跨酒西盆地的深地震反射剖面结果，祁连山与酒西盆地结合部位的地壳整体发生了缩短变形，但内部并非统一连续，而是以地壳深部14~24 km处的一滑脱带为界，上、下地壳的变形发生明显解耦.滑脱带之上的地壳以有规律的南倾北冲逆断为主要变形样式，而下地壳以错断Moho面为变形标志指示地壳发生了复杂的缩短变形.变形强度同样存在差异，上地壳自南而北变形逐渐减弱，下地壳变形强度则自南而北逐渐增强（黄兴富等，2018）.同时，其研究发现上地壳内部大约7 km以浅存在一连续的反射同向轴可能为上地壳内部滑脱层的反射特征，是酒西盆地内部多条逆断裂-褶皱带向深部的构造延伸.因此随着下地壳缩短变形到一定程度，强烈的挤压缩短应力逐渐传递至滑脱带上部，使上地壳被动地发生缩短变形，并由南向北持续拓展，形成酒西盆地内部的多条逆冲断裂.1785年惠回堡地震就是在这一区域挤压应力背景下，酒西盆地北部前缘逆冲断裂-新民堡断裂最新活动的结果，是一次逆断裂-褶皱性地震.与河西走廊内部发生的发震构造为民乐-永昌隐伏断裂的2003年甘肃民乐-山丹6.1、5.8级地震（郑文俊等，2005；Zou et al.， 2021）和发震构造为旱峡-大黄沟断裂与玉门断裂的2002年玉门Ms5.9地震相似，这两次地震均为晚第四纪活动的盲逆冲断裂-褶皱带上发生的逆断裂-褶皱型地震（何文贵等，2004；陈柏林等，2008）.

6 结论

新民堡断裂是酒西盆地内部最北侧的一条逆断层-褶皱带，探槽及地质剖面表明断裂全新世以来活动明显，最新一次地震活动事件为1785年惠回堡6¾级地震.本研究基于无人机航拍影像解译和地貌填图，测量了沿断裂带保存较好的90组陡坎位错量，分析累积位移概率分布曲线得到7组垂直位错量峰值，分别为0.9 m、1.5 m、2.3 m、2.9 m、3.7 m、5.3 m和6.7 m，表明新民堡断裂发生过至少7次古地震事件，较新的位移丛集峰值间约0.7 m的均匀增量表明新民堡断裂地震活动符合丛集地震模式.其中，最新的0.9 m丛集位错值应为1785年的平均同震位错，根据地表同震破裂长度及最新的陡坎位移量计算得到1785年惠回堡地震震级约为6.6级.

根据发生褶皱变形的阶地地形剖面，进一步分析了新民堡断裂的深部几何学与运动学特征，运用铲式断层模型推演出断裂在地表下的倾角约为20°，并计算得出断裂垂直滑动速率约为0.1±0.02 mm/a，水平缩短速率约为0.18±0.06 mm/a，揭示了受低角度逆冲断裂的控制，断裂滑动位移量主要被地层缩短及褶皱变形吸收.

1785年惠回堡地震为发生在新民堡断裂上的逆断裂-褶皱型地震，与2003年甘肃民乐-山丹6.1、5.8级地震和2002年玉门Ms5.9地震发震具有类似的发震机制，表明河西走廊盆地内部具有挤压逆冲-褶皱型的发震机制，未来的强震预测和震灾防御需要加强对此类地震的进一步研究.

参考文献

[1] Bao, G. D., Ren, Z. K., Ha, G. H., et al., 2024. New Evidence of Late Quaternary Tectonic Activity along the Eastern Margin of the Qaidam Basin. Tectonics, 43(1): e2023TC007906. https://doi.org/10.1029/2023tc007906

[2] Bi, H. Y., Zheng, W. J., Ge, W. P., et al., 2018. Constraining the Distribution of Vertical Slip on the South Heli Shan Fault (Northeastern Tibet) from High-Resolution Topographic Data. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123(3): 2484-2501. https://doi.org/10.1002/2017jb014901

[3] Chen, B.L., Wang, C.Y., Cui, L.L., et al., 2008. Developing Model of Thrust Fault System in Western Part of Northern Qilian Mountains Margin-Hexi Corridor Basin during Late Quaternary. Earth Science Frontiers, 15(6): 260-277 (in Chinese with English abstract).

[4] Chen, B.L., Wang, C.Y., Liu, J.M., et al., 2006. The Activity of the Xinminbao Fault from the Late Pleistocene to Holocene. Acta Geoscientica Sinica, 27(6): 515-524 (in Chinese with English abstract).

[5] Chen, J., Lu, Y.C., Ding, G.Y., 1998. The Latest Quaternary Tectonic Deformation of Terraces of Jiuxi Basin in West Qilianshan Mountains. China Earthquake Engineering Journal, 20(1): 28-36 (in Chinese with English abstract).

[6] Guo, C.H., Li, A., Liu, R., et al., 2018. A Preliminary Research on the Right-Lateral Strike-Slip Characteristics and the Structural Significance of the Northern Kuantanshan Faults, Hexi Corrider, Based on High-Resolution Imagery. Seismology and Geology, 40(4): 784-800 (in Chinese with English abstract).

[7] He, W.G., Lei, Z.S., Yuan, D.Y., et al., 2010. Disaster Characteristics of Huihuipu Earthquake in 1785 in Yumen, Gansu Province, and Discussion on Its Seismogenic Structure. Northwestern Seismological Journal, 32(1): 47-53 (in Chinese with English abstract).

[8] He, W.G., Zheng, W.J., Zhao, G.K., et al., 2004. Study on the Seismogenic Structure of the Yumen, Gansu Province M_S 5.9 Earthquake of December 14, 2002. Seismology and Geology, 26(4): 688-697 (in Chinese with English abstract).

[9] Hetzel, R., 2013. Active Faulting, Mountain Growth, and Erosion at the Margins of the Tibetan Plateau Constrained by In Situ-Produced Cosmogenic Nuclides. Tectonophysics, 582: 1-24. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2012.10.027

[10] Hu, X. F., Pan, B. T., Kirby, E., et al., 2015. Rates and Kinematics of Active Shortening along the Eastern Qilian Shan, China, Inferred from Deformed Fluvial Terraces. Tectonics, 34(12): 2478-2493. https://doi.org/10.1002/2015tc003978

[11] Huang, X.F., Gao, R., Guo, X.Y., et al., 2018. Deep Crustal Structure beneath the Junction of the Qilian Shan and Jiuxi Basin in the Northeastern Margin of the Tibetan Plateau and Its Tectonic Implications. Chinese Journal of Geophysics, 61(9): 3640-3650 (in Chinese with English abstract).

[12] Ji, H. M., Ren, Z. K., Liu, J. R., 2024.Review of Structural Deformation in the Upper Crust of the Southeastern Margin of the Tibetan Plateau since the Late Cenozoic. Earth Science, 49(2): 480-499 (in Chinese with English abstract).

[13] Klinger, Y., Etchebes, M., Tapponnier, P., et al., 2011. Characteristic Slip for Five Great Earthquakes along the Fuyun Fault in China. Nature Geoscience, 4(6): 389-392. https://doi.org/10.1038/ngeo1158

[14] Lanzhou Institute of Seismology, State Earthquake Administration,1985. Catalogue of Strong Earthquakes in Shaanxi, Gansu, Ningxia and Qinghai Provinces (Regions): 1177-1982 AD. Shaanxi Science & Technology Press, Xi’an(in Chinese).

[15] Li, A., Wang, X.X., Zhang, S.M., et al., 2016. The Structural Deformation of Baiyanghe Thrust Fault-Fold Belt in Jiuxi Basin. Bulletin of the Institute of Crustal Dynamics, (2): 1-11(in Chinese with English abstract).

[16] Li, C. Y., Zhang, P. Z., Yin, J. H., et al., 2009. Late Quaternary Left-Lateral Slip Rate of the Haiyuan Fault, Northeastern Margin of the Tibetan Plateau. Tectonics, 28(5):TC5010.1-TC5010.26. https://doi.org/10.1029/2008tc002302

[17] Liu, R., 2021. Tectonic Deformation and Faults Interaction since Late Quaternary in the West End of Hexi Corridor (Dissertation). Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing (in Chinese with English abstract).

[18] Liu, X. W., 2017. Characteristics of Active Tectonics and the Deformation Pattern of the Jiuxi Basin at the Western Qilian Shan (Dissertation). Lanzhou University, Lanzhou (in Chinese with English abstract).

[19] Liu, X.W., Yuan, D.Y., He, W.G., 2014. Preliminary Study of Palaeo-Earthquakes on the Fodongmiao-Hongyazi Fault in the North Margin of Qilian Mountain. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 9(3): 411-419 (in Chinese with English abstract).

[20] Liu, X.W., Yuan, D.Y., He, W.G., et al., 2021. Research Progress on Paleoearthquake in Jiuxi Basin Located in the Western Hexi Corridor. China Earthquake Engineering Journal, 43(1): 1-10 (in Chinese with English abstract).

[21] Liu, X.W., Yuan, D.Y., Su, Q., et al., 2019. Study on Late Quaternary Slip Rates of Two Faults within Jiuxi Basin. Journal of Seismological Research, 42(1): 112-119 (in Chinese with English abstract).

[22] Liu, X.W., Yuan, D.Y., Su, Q., et al., 2020. Paleoearthquake Characteristics along the Baiyanghe Fault in Jiuxi Basin. China Earthquake Engineering Journal, 42(1): 90-97 (in Chinese with English abstract).

[23] Luo, H., He, W.G., Yuan, D.Y., et al., 2016. New Insight on Paleoearthquake Activity along Changma Fault Zone. China Earthquake Engineering Journal, 38(4): 632-637, 668(in Chinese with English abstract).

[24] Ma, J., Zhou, B. G., Wang, M. M., et al., 2022. Surface Rupture and Slip Distribution along the Zheduotang Fault in the Kangding Section of the Xianshuihe Fault Zone. Lithosphere, 2021(Special 2): 6500707. https://doi.org/10.2113/2022/6500707

[25] Min, W., Zhang, P.Z., He, W.G., et al., 2002. Research on the Active Faults and Paleoearthquakes in the Western Jiuquan Basin. Seismology and Geology, 24(1): 35-44 (in Chinese with English abstract).

[26] Shi, Z. L., Huan, W. L., Xie, Y. D., 1982. Active Faults and Earthquakes in the Western Part of Hexi Corridor. In: Seismological Society of China Seismological Geology Committee, ed., Active Faults in China. Seismological Press, Beijing (in Chinese).

[27] Tapponnier, P., Xu, Z. Q., Roger, F., et al., 2001. Oblique Stepwise Rise and Growth of the Tibet Plateau. Science, 294(5547): 1671-1677. https://doi.org/10.1126/science.105978

[28] Thompson, S. C., Weldon, R. J., Rubin, C. M., et al., 2002. Late Quaternary Slip Rates across the Central Tien Shan, Kyrgyzstan, Central Asia. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 107(B9): 2203. https://doi.org/10.1029/2001jb000596

[29] Wang, L., Xie, H., Yuan, D. Y., et al., 2024. Investigating Paleoseismicity Using High-Resolution Airborne LiDAR Data: A Case Study of the Huangxianggou Fault in the Northeastern Tibetan Plateau. Journal of Structural Geology, 180: 105063. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2024.10506

[30] Wang, Z. J., Yao, W. Q., Liu, J., et al., 2024. Application of Tectonic Geomorphology Method for Constraining the Slip Rate Uncertainty and Implication of Strike-Slip Faults: An Example from the Haiyuan Fault Zone. Earth Science, 49(2): 759-780 (in Chinese with English abstract).

[31] Wells, D. L., Coppersmith, K. J., 1994. New Empirical Relationships among Magnitude, Rupture Length, Rupture Width, Rupture Area, and Surface Displacement. The Bulletin of the Seismological Society of America, 84(4): 974-1002. https://doi.org/10.1785/BSSA0840040974

[32] Wen, Y. M., Yuan, D. Y., Xie, H., et al., 2023. Typical Fine Structure and Seismogenic Mechanism Analysis of the Surface Rupture of the 2022 Menyuan Mw 6.7 Earthquake. Remote Sensing, 15(18): 4375. https://doi.org/10.3390/rs15184375

[33] Wu, D.Y., Ren, Z.K., Lü, H.H., et al., 2023. Geomorphic Constraints on Listric Thrust Faulting: Implications for Active Deformation of Bayan Anticline in Youludusi Basin, East Tianshan, China. Earth Science, 48(4): 1389-1404 (in Chinese with English abstract).

[34] Xu, Q., Hetzel, R., Hampel, A., et al., 2021. Slip Rate of the Danghe Nan Shan Thrust Fault from ¹⁰Be Exposure Dating of Folded River Terraces: Implications for the Strain Distribution in Northern Tibet. Tectonics, 40(4): e2020TC006584. https://doi.org/10.1029/2020TC006584

[35] You, Z.C., Bi, H.Y., Zheng, W.J., et al., 2023. Fine Characteristics of Earthquake Surface Rupture Zone Based on High-Resolution Remote Sensing Image: A Case Study of Litang Fault. Seismology and Geology, 45(5): 1057-1073 (in Chinese with English abstract).

[36] Yuan, D. Y., 2003. Tectonic Deformation Features and Space-Time Evolution in Northeastern Margin of the Qinghai-Tibetan Plateau since the Late Cenozoic Time (Dissertation). China Earthquake Administration, Beijing (in Chinese with English abstract).

[37] Yuan, D.Y., Xie, H., Su, R.H., et al., 2023. Characteristics of Co-Seismic Surface Rupture Zone of Menyuan M_S6.9 Earthquake in Qinghai Province on January 8, 2022 and Seismogenic Mechanism. Chinese Journal of Geophysics, 66(1): 229-244 (in Chinese with English abstract).

[38] Zhang, P. Z., Molnar, P., Xu, X. W., 2007. Late Quaternary and Present-Day Rates of Slip along the Altyn Tagh Fault, Northern Margin of the Tibetan Plateau. Tectonics, 26(5): TC5010. https://doi.org/10.1029/2006tc002014

[39] Zhang, X. B., Zhang, P. H., He, M. X., et al., 2023. Crustal Electrical Structure of the Wuwei Basin, Lower Yangtze Region of China, and Its Geological Implications. Journal of Earth Science, 34(6): 1744-1757. https://doi.org/10.1007/s12583-022-1682-5

[40] Zheng, W.J., He, W.G., Zhao, G.K., et al., 2005. Discussion on the Causative Structure and Mechanism of the 2003 Minle-Shandan, Gansu, M6.1, M5.8 Earthquakes. Journal of Seismological Research, 28(2): 133-140 (in Chinese with English abstract).

[41] Zheng, W.J., Yuan, D.Y., Zhang, D.L., et al., 2004. Rupture Property in the Gulang M_S 8.0 Earthquake, 1927 and Numerical Simulation of Rupture Mechanism. Earthquake Research in China, 20(4): 31-41 (in Chinese with English abstract).

[42] Zielke, O., Arrowsmith, J. R., Ludwig, L. G., et al., 2010. Slip in the 1857 and Earlier Large Earthquakes along the Carrizo Plain, San Andreas Fault. Science, 327(5969): 1119-1122. https://doi.org/10.1126/science.1182781

[43] Zou, X. B., Yuan, D. Y., Shao, Y. X., et al., 2021. The 2003 Ms6.1 Minle Earthquake: An Earthquake in the Minle-Yongchang Reverse Fault-Related Fold Belt in the Hexi Corridor, NW China. Frontiers in Earth Science, 9: 649268. https://doi.org/10.3389/feart.2021.649268

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