沉积速率摇摆匹配法限定古地震事件日历年龄

尹金辉 陈 杰 卢演俦 郑勇刚

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

沉积速率摇摆匹配法限定古地震事件日历年龄

尹金辉 陈 杰 卢演俦 郑勇刚

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

尝试运用沉积速率摇摆匹配方法来获得淤泥质泥炭系列样品的日历年龄，并与单个14C年代、时序已知系列14C年代的日历年龄进行对比。结果表明:在采样厚度较小的情况下，沉积速率摇摆匹配方法可以获得较小的日历年龄区间，具有一定的优越性;在采样数量足够多的情况下，系列14C年代贝叶斯校正也可以获得理想的日历年龄区间。综合不同方法获得的结果，推测发生在海原断裂带石卡关沟的古地震事件最大概率日历年龄区间为1,340～1,114cal a BP(2σ)。

海原断裂 古地震事件 贝叶斯分析 沉积速率摇摆匹配

0 引言

测定古地震事件发生年代是地震地质研究的重要内容之一，对于认识和评估研究区域的断层活动性、地震活动历史、地震危险性等都具有重要意义(Sieh et al.，1984;Crone et al.，1987;闻学泽等，1996)。尽管当前可用于活动构造和古地震事件年代测定的方法和技术有十几种(卢演俦，1994;Noller et al.，2000)，然而，一方面受各种方法的适用性和测年准确度、精确度的影响，另一方面受古地震事件地质记录的限制，直接而精确和准确测定古地震事件发生的年代仍比较困难。通常采用间接方法来确定，以获得尽可能接近真实的古地震事件年代。最近十多年来，放射性碳(14C)考古和地质年龄测定技术又获得了长足进展，发展了时序已知的系列样品的高精度14C测年新技术(Christen et al.，1995;仇士华等，1997;郭之虞，1999)。对于树木、纹泥等可以准确地分辨出任意2个样品的日历年龄间隔的测年样品，时序间隔已知系列样品贝叶斯校正可获得10～20a的高分辨率日历年代误差(Atwater etal.，1991;Walter etal.，2006)。然而，在地震地质研究中，采集到有几十年完整木头的测年样品，是件可遇不可求的事情，遇到最多的样品是泥炭沉积物，因此提高泥炭样品的日历年龄精度对限定地质事件年龄具有重要的现实意义。当野外剖面上地层层位关系清楚时，若能高密度采集一系列可供14C测年的样品，即各样品的采样间距和先后次序己知，按照各样品的采样间距和先后次序，使用贝叶斯方法(Bayesian approach)或摇摆匹配拟合(Wiggle-matching dating，WMD)对系列样品的14C年龄进行树轮校正，同样可以使样品的日历年代误差缩小，从而提高古地震事件日历年龄精度(尹金辉等，2007)。在中国地学相关学科的年代学研究中尚未见有关泥炭沉积物沉积速率摇摆匹配方法的研究报道，有待作初步的探索。

海原断裂带是中国大陆一条引人注目的第四纪左旋走滑活动断裂，地震活动十分频繁，在地表形成了清晰的线性断层陡坎和断塞塘。1920年海原8.5级地震破裂实测结果表明，海原石卡关沟左旋水平位移最大错距达10.2m，为整个海原地震地表破裂带水平位移量最大地段，地震主破裂沿此段发生(国家地震局地质研究所等，1990;张培震等，2003)。石卡关沟断层陡坎前发育2个比较明显的断塞塘，形成泥炭和碳质淤泥堆积物，是开展全新世古地震事件系列样品14C测年，运用贝叶斯分析方法确定古地震发生的精确日历年龄研究的一个理想地点。

1 石卡关沟探槽

横跨石卡关沟断层陡坎和断塞塘，开挖了1条长约8.0m、宽约1.5m和深约3.0m的探槽。该探槽东侧剖面如图1所示，揭露出2条断层(F1和F2)。F1是主断裂，走向310°，倾向SW，倾角60°～80°。

图1 石卡关沟探槽东壁古地震剖面和系列14C样品取样位置Fig.1 Paleoearthquake profile in themiddle segment of Huaiyuan Fault nearby Haiyuan County and the radiocarbon sample sites.

该探槽剖面至少记录了2次古地震事件，早一期地震断层F1与新产生的断层F2组成一个微型地堑，随后演化为断塞塘，其最上部堆积了厚20～30cm的淤泥质泥炭⑦。第2次古地震发生在断塞塘淤泥质泥炭层⑦沉积之后和含砾石黏土团块的崩积粉砂层⑧堆积以前。这次地震致使微型地堑(即断塞塘)内堆积层发生弯曲和柔皱变形，并在微型地堑西侧F2附近产生1条切穿淤泥质泥炭层⑦的张裂隙，接着覆盖上含砾石黏土团块的崩积粉砂层⑧，形成地震断层崩积楔C，同时砂砾石充填了淤泥质泥炭层⑦中的张裂缝(图1)。因而可以判断，第2次古地震事件年龄应当非常接近层⑦顶部地层的沉积年龄。为准确和精确地确定这一事件的年龄，我们对淤泥质泥炭层⑦采集了系列14C样品(图1)，自上而下采集4个样品，取样厚度为2cm，样品的间隔为5cm，各个样品的具体采集位置见图1右下角。

2 淤泥质泥炭样品14C测定结果

不同粒级泥炭有机组分14C年龄对比结果表明，60～180μm粒级有机质测定的14C年龄结果可靠性大(周卫健等，2001)，因而，筛选出剖面a上淤泥质泥炭样品中＜180目的含黏土有机质组分，测量出各组分的常规14C年龄(郑勇刚等，2005)，使用Oxcal 3.10程序计算出单个样品的2σ日历年龄范围，结果见表1。

3 贝叶斯法确定石卡关沟古地震事件日历年龄

从表1可见，各个样品实测的14C年龄转换成日历年龄时，不仅可能出现1个实测14C年龄值对应于2个概率不同的日历年龄时段，而且各个14C年龄转换后的日历年龄的误差明显地扩大了，样品实测的14C年龄误差为50a(表1第3列)，而转换成日历年龄的误差几乎都达约100a，扩大了约2倍 (表1第4列)。这就增加了14C年龄校正结果解释的不确定性(McCormac et al.，1993)。此外，从统计学的角度来看，一个沉积层(即众数)采集1个样品(即抽样)具有很大的随机性，判断其代表被取样的沉积层(众数)的概率非常重要。不解决上述问题，即使我们实现了单个样品的高精度测年，也难以获得高精度的地层年代，更难以得到地质灾害事件的高分辨率和高精度的年龄。为了克服由于14C年龄校正过程引起日历年龄误差变大和单一样品年龄的不确定性，满足高分辨率和高精度的考古和地质事件测年需要，运用系列样品摇摆匹配法就是试图达到这一目标的途径之一(Ferguson et al.，1966)。1991年Buck提出运用贝叶斯统计学方法来解决系列14C年龄的日历年龄校正问题，克服非贝叶斯摇摆匹配日历年龄校正过程中包含的主观因素，讨论了贝叶斯方法应用于与考古事件有关的14C测年结果的日历年龄校正(Buck et al.，1991，1992，1994)。

如前所述，石卡关沟剖面记录的第2次地震发生在淤泥质泥炭沉积之后，淤泥质泥炭层顶部样品的沉积年龄应当十分接近古地震发生年龄，最大时滞应不会超过100a。这样，淤泥质泥炭顶部样品的2σ日历年龄区间可以代表地震年代。依据淤泥质泥炭层a序列样品中各个样品的地层位置(自上而下，图1)d1＜d2＜L＜dm确定各个样品的日历年龄顺序θ1＜θ2＜L＜θm和相应的14C年龄，构建时序已知系列14C年龄的贝叶斯分析模型，使用Oxcal 3.10程序，经马尔科夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo，MCMC)贝叶斯分析出各14C样品的日历年龄区间(Christen，1994)。图2为系列14C年龄贝叶斯分析结果，图右侧为各个样品的日历年龄先验概率分布(空心部分)和后验概率分布(黑色实体部分)，图左侧列出了从底部到顶部4个样品的一致性指数。底部04HYS86样品的一致性指数值＜60%，说明此样品14C测定值不符合系列限度条件(Bronk，1995)，舍弃后，用剩下样品重新进行贝叶斯分析，日历年龄分布结果如图3所示。此次系列整体一致性指数(A=103.2%)和单个样品的一致性指数都＞60%，表明这些样品组成最佳系列，获得的单个样品日历年龄的后验分布与先验分布一致性比较高，计算的日历年龄结果也比较可靠，由04HYS90样品日历年龄确定古地震事件的日历年龄区间为1340～1140cal,a BP。

图2 剖面a上系列样品14C年龄贝叶斯分析后日历年龄分布Fig.2 The calendar date distrubtion estimated by Bayesian analysis of a series of radiocarbon ages from Section a.

图3 剔除底部样品后剖面a上系列样品14C年龄贝叶斯分析后日历年龄分布Fig.3 The calendar date distrubtion estimated by Bayesian analysis of a series of radiocarbon ages from Section a excluding the bottom one.

4 摇摆匹配法确定石卡关沟古地震事件日历年龄

对于淤泥质泥炭或泥炭的系列样品还可以使用沉积速率摇摆匹配方法获得系列样品的日历年龄，从而确定古地震事件等的日历年龄。如果淤泥质泥炭或泥炭的沉积速率保持恒定，那么样品之间的距离间隔也近似于样品之间的日历年间隔，这样，从淤泥质泥炭或泥炭地层中采集一系列小间隔的样品，并按其沉积的先后顺序将其14C年代连接起来，组成近似于一小段树轮曲线，然后与标准的14C年龄校正曲线进行匹配拟合，从而求出各样品的最佳日历年龄(Van et al.，1989;Blaauw et al.，2003)。在此，我们对石卡关沟a剖面系列样品的14C测年结果运用这一方法作尝试性处理。

从表1可见，石卡关沟剖面a中系列淤泥质泥炭层厚30cm，样品04HYS90、04HYS88和04HYS87的14C年龄分别为(1310±50)、(1490±50)和(1650±50)a BP，而它们的埋藏深度分别为170，175，180cm。图4为这个系列样品14C年龄测定值的沉积速率摇摆匹配分析结果，经沉积速率摇摆匹配确定样品04HYS90的日历年龄为(1184±70)cal a BP(2σ)，比系列样品确定的日历年龄1340～1140 cal a BP误差区间减小许多，古地震年龄接近于04HYS90样品日历年龄(1184±70)cal a BP(2σ)，即公元766±35年，此时，摇摆匹配模拟的最佳泥炭沉积速率为 0.5mm/a(α =35a/cm)。

图4 沉积速率摇摆匹配分析剖面a系列样品的日历年龄Fig.4 The calendar range estimated by depth-age wigglematching of radiocarbon ages from Section a.

5 讨论和结论

上文采用单个样品、时序已知系列样品和沉积速率摇摆匹配方法分别确定了泥炭剖面a上14C样品的日历年龄，对比结果表明，剖面a上14C年龄的测量误差为50a(1σ)，单个样品校正后的日历年龄区间为220～280a(2σ)，比14C年龄误差要大2倍多;时序已知系列样品校正后的样品日历年龄区间为200～260a(2σ)，比对应的14C年龄误差也要大2～3倍，与单个样品获得的日历年龄区间基本相同，并没有明显地提高日历年龄的精度和分辨率。这说明，除非系列样品的日历年代值有明显地重叠，否则时序已知系列样品贝叶斯方法并不能对年代精度有任何的改善。因此，上述结果为今后进一步开展泥炭样品的高精度日历年龄研究提供了初步认识，要获得高精度地质事件日历年龄区间的理想条件是在一个剖面上能够采集足够多14C样品(如5～6个)，每个样品取样厚度为0.5～2cm，采样间隔为0.5～1cm，满足上述条件的泥炭层厚度至少为3cm，如果泥炭沉积速率以每cm 10～50a计算，泥炭层代表的时间间隔最大约为150a，这样，可利用贝叶斯方法从统计角度对一组包含上下地层信息的样品推理出一个高精度地质事件日历年龄。

沉积速率的摇摆匹配获得的样品日历年龄区间为140a(2σ)，与其他2种方法相比，获得的日历年龄区间至少缩小30%，因而，沉积速率摇摆匹配法在确定单个样品以及事件的样品日历年龄区间上具有一定的优越性，还可以模拟出该沉积层的最佳沉积速率参数。

由剖面a顶部单个样品04HYS90的14C年龄确定古地震事件年龄日历年龄区间为1,310～1,080cal a BP，由系列样品校正日历年龄结果确定这次地震发生在1,340～1,140cal a BP(2σ)，即 (1,240±100)cal a BP(2σ)，沉积速率摇摆匹配方法获得地震发生在 (1,184±70)cal a BP(2σ)，因而，综合上述不同方法确定这次地震最大发生概率日历年龄区间为 1,340～1,114cal a BP(2σ)。

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THE CALENDAR DATE OF PALEO-EARTHQUAKE EVENT ESTIMATED BY DEPTH-AGEW IGGLE MATCH

YIN Jin-hui CHEN Jie LU Yan-chou ZHENG Yong-gang
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

This paper presents a comparison of the calendar range of individual paleoearthquake calculated by conventional calibration，Bayesian analysis of series of peat samples as well as depth-age wiggle matching.The results suggest that:

(1)The Bayesian analysis provides an excellentmeans to enhance chronological resolution when applied to a series of radiocarbon dates from sections with clear stratigraphic relationships.Such application can assess systematic errors when combined with independent chronological information，and determine the optimum chronological information for specific events and contexts.

(2)The calendar ranges of series of samples collected from the same peat but different sampling thickness were compared with that of depth-age wiggle matching.The result shows that the chronological resolution by depth-agewigglematching for the peat samplewith thickness less than 2cm could achieve less than 100a.Therefore，the condition to obtain a high resolution calendar age is to have 5 ～6 sampleswith 0.5 ～2cm sampling thickness each and the interval of samples is0.5 ～1cm.

(3)The calendar range of paleoearthquakes constrained by the Markov chain Monte Carlo(MCMC)Bayesian analysismodel，which constructs the order of samples according to their position in the strata with series of radiocarbon dates，was compared with calendar range by the conventional method.The results show that Bayesian analysis could obtain high-precision calendar dates for closely spaced samples.

(4)Therefore，the calendar interval of the paleoearthquake event on the middle segment of Huaiyuan Faultwas inferred as 1340～1114cal,a BP (2σ)by the above systematical comparsion.

Haiyuan Fault，paleoearthquake event，Bayesian analysis，depth-age wigglematch

P597

A

0253-4967(2011)02-0383-08

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.011

2009-10-19收稿，2010-11-17改回。

中国地震局地质研究所基本科研业务专项(DF-IGCEA0607115)和地震科学联合基金(A07026)共同资助。

尹金辉，男，1969年生，2006年在中国地震局地质研究所获得构造地质学专业博士学位，副研究员，主要从事地质灾害事件与第四纪地质年代学研究工作，电话:62009015，E-mail:yjhdzs@ies.ac.cn。