0.   引言

新生代以来，在印度-欧亚板块陆陆碰撞体系、西太平洋-印度尼西亚板块俯冲消减体系两大动力系统的作用下，华北克拉通的稳定性遭到破坏(Wu et al.，2005；朱日祥等，2011；He，2015)，华北板块内部地震多发(张培震等，2003；林向东等，2017；尹晓菲等，2020)。其中，华北平原是构造变形最为复杂、受地震灾害最为严重的地区之一。对于华北平原内部断裂活动性和大地震发震机制的研究有利于探索板内地震的发震规律、减轻地震灾害对人民的生产生活造成的损失。

有历史记载以来，华北平原共发生8级地震1次、7级地震8次、6级地震25次。其中，7级以上地震包括：1679年三河-平谷M 8.0地震(江娃利，1999；冉勇康等，1997；毛昌伟等，2010)，1830年磁县M 7.5地震(江娃利等，1994；江娃利和张英礼，1996；张路等，2020)，1937年菏泽M 7.0地震(赵宪超和黄保起，1981；赵宪超和许坤福，1984；李建华，1988；王华林和耿杰，1995)，1966年邢台M 7.2地震(刘万琴，1983；徐杰等，1988；左兆荣等，1995；赵希俊等，1997；解用明等，2006)，1969年渤海M 7.4地震(魏光兴，1980；黄雪香和丁鉴海，1990；徐杰等，2001；苗庆杰等，2010)。以及1976年唐山M 7.8地震和滦县M 7.1地震(Nábělek et al., 1987；Shedlock et al., 1987；宋惠珍等，1998；Guo and Zhao, 2019)。

1937年8月1日4时30分(北京时间)，山东省菏泽西南解元集发生7.0级地震(35°12′N，115°18′E)，14个小时后(当日下午18时41分)，在该次地震震中北东方向约16 km的小留村又发生了6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震(35°23′N，115°23′E)，此次地震造成人员伤亡16051人，房屋倒塌320061间，给人民的生产、生活造成了极大的伤害(李善邦和賈連亨，1940；李群，1987；李建华，1988；胡长和，1991；赵宪超，1991；王瑞田等，1994；王华林和耿杰，1995)。该次地震也是20世纪华北平原发生的一系列大地震的开端(李善邦和賈連亨，1940)。然而，由于该次地震发生时地震学家未能第一时间进入地震现场进行考察，目前对于该次地震的发震机制尚有疑惑(李群，1987；胡长和，1991)。该次地震发生于聊城-兰考断裂南段，作为区域内的深大断裂，聊城-兰考断裂的活动性怎么样？是否为该次地震的发震构造？或者与地震的发生有什么关系？

向宏发等(2000)在考察聊城-兰考断裂南段的郝桥钻孔联合剖面时认为，聊城-兰考隐伏断裂南段错断了晚更新世地层，并向上影响到全新世早期地层。李涛等(2022)认为聊城-兰考断裂南段构造样式为伸展走滑断裂尾端“马尾扇”结构，其最新活动时代为中更新世中—晚期。因此，目前对于聊城-兰考断裂南段的活动性尚存在较大争议。

聊城-兰考断裂为隐伏断裂，在地表没有出露痕迹，很难通过地貌确定断层的位置以及断层的活动性参数。此次研究采用浅层地震勘探、钻探和第四纪年代学相结合的方法，分析聊城-兰考隐伏断裂南段的活动时代、古地震序列和同震位错等活动性参数，并结合1937年菏泽地震的研究资料探讨该次地震的发震机制，以及聊城-兰考断裂在该次地震发生过程中所扮演的角色。研究结果对华北块体内部地震活动特征具有新的启示，可为该地区城乡规划、铁路设计和防震减灾工程建设提供地质依据。

1.   区域地质概况

华北活动地块(Ⅰ级活动块体)以山西地堑断裂带和郯庐断裂带为界，可分为鄂尔多斯块体、华北平原和鲁东-黄海块体3个Ⅱ级活动地块(图 1a)。华北平原是由张家口-渤海断裂带、山西断裂带、秦岭-大别山断裂带和郯庐断裂带共同围限的区域。新生代早期，在强烈的拉张和断陷作用下，华北平原形成一系列北北东向的断层和地堑(Ye et al., 1985；Ma and Wu, 1987)。上新世断陷作用停止，新生代晚期华北平原整体下沉，并沿早期北北东向断裂形成一系列右旋走滑断裂(Chen and Nábelek，1988；张培震等，2003；尹晓菲等，2020)。

图  1  区域地震构造图

a—华北块体及其邻区地震构造图(地震及断层数据邓起东，2007；黑色箭头为GPS观测的地块运动速率，相对于稳定的西欧和西伯利亚地盾的运动，张培震等，2003)；b—华北平原中南部地震构造图(地震及断层数据邓起东, 2007, 第四系等深线向宏发等，2000)；c—钻孔及物探资料分布位置(深地震反射剖面徐翰，2018)

Figure  1.  Regional seismotectonic map

(a) Seismotectonic map of the North China block and its adjacent areas (Fault and seismic data are from Deng, 2007, black arrows are GPS-derived rates of block motion, movements relative to the stable Western European and Siberian shields are modified from Zhang et al., 2003); (b) Seismic map of the south-central part of the North China Plain (Seismic and fault data are modified from Deng et al., 2007, and Quaternary isobaths from Xiang et al., 2000); (c) Distribution of drilling profiles and shallow seismic detection lines (Deep seismic reflection profile from Xu, 2018)

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聊城-兰考断裂走向北北东(图 1b)，倾向北西，倾角50°~75°，是华北平原中南部的一条重要的隐伏断裂(向宏发等，2000；张建伟等，2010)。该断裂位于鲁西隆起西部，是鲁西隆起和华北地台坳陷的分界线，也是东濮凹陷和莘县凹陷的控凹断裂，断裂南起河南兰考，向东北经鄄城、菏泽范县到山东聊城以北，全长约270 km(向宏发等，2000；于平等，2003)。断裂西盘第四系厚度约为300~400 m，东盘厚度小于200 m，东西盘第四系厚度差大于100 m，表现出东升西降的正断层活动特征(向宏发等，2000)。断裂中部被磁县-大名断裂分为南、北两段，断裂北段控制着莘县凹陷的发育，断裂南段和黄河断裂、长垣断裂一起控制着东濮凹陷的形成和发育。聊城-兰考断裂周围分布着平行和垂直于断裂的隐伏断裂，宏观上形成了北北东、北东、北西西、北西走向为主的构造格局。长恒断裂、黄河断裂、曹县断裂、巨野断裂走向皆为北北东向，与聊城-兰考断裂近平行。东明-成武断裂、菏泽断裂、郓城断裂、磁县-大名断裂走向北西西，与聊城-兰考断裂近垂直或大角度相交(图 1b)。

2.   研究方法

2.1   浅层地震勘探

此次研究在聊城-兰考断裂的南段布设了2条浅层地震反射剖面——ZF-1和ZF-2(图 1c)。其中，浅层地震测线ZF-1布设于兰考县郭庄边002县道上，测线长度为5276 m。浅层地震测线ZF-2布设在兰考县坝城寺村北侧200 m，韩西寨村至虎羊寨村乡村道路上，测线长度为4436 m。数据采集工作设备为S-land地震勘探系统与可控震源，配套检波器采用S-Geophone(SG)数字检波器，采样率为0.5 ms，采样长度为2500 ms，道距为4 m，炮间距为12 m，每炮180道接收，满覆盖30次。激发方式采用美国莫茨M18/612型车载可控震源。该震源的最大振动出力为180 kN，振动频率范围为6~150 Hz。通过浅层地震反射剖面特征，可以识别断裂的位置、上断点埋深和倾向，进而为钻孔联合剖面的钻孔布设提供依据(何正勤等, 2001, 2007；刘保金等，2008；Liang et al., 2018)。

2.2   钻孔联合剖面

钻孔施工采用逐步加密法，即先跨断裂实施2个间隔较大的钻孔，若根据标志层能确定断层在2孔之间，则在2孔间继续加密钻孔，以此类推(雷启云等，2011)。此次钻孔采用文登200型液压钻机，开孔直径为110 mm；钻机取出岩芯后，采用1 m长的硬铁皮半圆管承装1 m的岩芯，并沿着铁皮壁将岩芯对半切开，保持岩芯的内部结构完整清晰；最后将岩芯按顺序放入1 m×5岩芯盒。采芯率要求：黏土和粉砂采芯率不低于90%，中—细砂应达到80%，松散粗砂不低于40%，钻进回次不大于2 m；不遗漏层厚大于或等于0.2 m的地层单元；对岩芯柱进行完整拍照，并根据钻孔岩芯反映的岩性、颜色、物质组成、沉积结构和接触面形态等确定基本编录单元，进行要素图文描述。

2.3   第四纪测年分析

为获得断裂的最新活动时间、滑动速率和古地震序列等参数，从钻孔岩芯中分别采集了光释光(OSL)和碳十四(¹⁴C)测年样品。其中OSL测年是通过将不锈钢管插入取芯筒底部进行取样，并用黑色塑料袋将两边出口封住、保证样品不见光，样品的测试工作在应急管理部国家自然灾害防治研究院完成。¹⁴C测年样品取自岩芯中含碳量多的部分，用小刀取出并装在密封袋中，测试工作在美国Beta实验室完成。

3.   研究结果

3.1   浅层地震反射探测结果和钻孔布设

ZF-2地震时间反射剖面的信噪比较高，能较好地揭示出地层连续且呈由西至东逐渐抬升的趋势。剖面共识别出6个有效波组，分别记为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆。在时间1350 ms附近(埋深约1285~1435 m)存在一个明显的强反射层，推测为基岩基底反射界面(图 2a)。

图  2  坝城寺浅层地震反射剖面解译结果与钻孔布设

T₁—T₆—有效波组；ZK1—ZK4—钻孔；红色线为解译断层F，绿色虚线为扰动同相轴连线L，断层F上断点地表投影位于里程984 m处，L顶端点在地表的投影位于里程1060 m处
a—坝城寺浅层地震反射剖面；b—坝城寺钻孔(ZK1—ZK5)平面分布图

Figure  2.  Interpretation results of shallow seismic reflection profile and borehole layout at Bachengsi

(a) Interpreted results of shallow seismic reflection profile at Bachengsi; (b) Plan distribution of boreholes at Bachengsi (ZK1-ZK5)
T1-T6 represent effective wave groups; ZK1-ZK4 represent boreholes; The red line represents interpreted Fault F, and the green dashed line represents the disturbed line L. The surface projection of the upper breakpoint on Fault F is located at 984 m. The projection of the top point of L on the surface is located at 1060 m.

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从横向上看，反射波同相轴整体较为连续，在里程984 m附近存在明显的断层F，基岩面直至浅部地层145 m均发生明显错断，具有较为明显的正断层性质，断层浅部倾角较陡，至深部倾角变缓，断层西侧为下降盘，东侧为上升盘(图 2a)。在200 ms以上，反射波同相轴仍存在同步的西侧相对下降的扰动，但同相轴并未被错开。将这些同步绕曲的同相轴坡折点相连形成线段L(图 2a中绿色虚线)，倾角较断层F略缓，上端点地表投影在里程1060 m附近。由于100 ms以上地震反射波同相轴较少且不清晰，较难判断该分支断层的上端点的埋深。

根据浅层地震反射剖面解译结果，设计钻孔ZK1位于线段L地表投影点(里程1060 m)的东侧40 m处(里程1100 m)，钻孔ZK2位于断层F上断点在地表投影点(里程984 m)的西侧50 m处(里程934 m)，钻孔深度设计为150 m(图 2a)。根据野外实地情况、施工条件以及钻孔地层初步对比情况，共实施了5个钻孔(其中4个钻孔深度为150 m，1个钻孔深度为140 m)，从西到东依次为ZK2、ZK4、ZK3、ZK5、ZK1，钻孔间间距分别为65 m、21 m、31 m和54 m，剖面总长度为171 m(图 2b)。

3.2   样品测年结果和地层对比

7个¹⁴C样品和4个OSL样品采自坝城寺钻孔中，样品信息和测年结果见表 1、表 2。利用Origin软件对测出的地层年龄和深度进行线性拟合，结果如图 3所示。拟合结果可分为两段，0~86.0 m深度范围内(约21 ka以来)地层年龄和深度符合关系式：y=(253.69±16.56)x+(924.72±681.36)，由此可计算出该段的平均沉积速率为(3.94±0.26)mm/a。102.9~145.4 m深度范围内(约59~128 ka)地层年龄和深度符合关系式：y=(1470.67±259.91)x+(-95061.92±30190.73)，由此可计算出该段的平均沉积速率为(0.68±0.12)mm/a。由此可见，坝城寺剖面地层的沉积速率存在明显的变化，在晚更新世早中期地层的沉积速率较慢，而在晚更新世晚期—全新世地层的沉积速率明显增加。

表  1  ¹⁴C样品测年结果

Table  1.  Test results of ¹⁴C samples

取样钻孔	埋深/m	年龄/a
ZK2	6.0	2750±30
ZK4	16.8	4110±30
ZK4	38.4	12270±40
ZK4	52.0	14500±40
ZK4	69.6	18800±60
ZK5	77.4	19980±70
ZK4	86.0	21150±70

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表  2  光释光(OSL)样品测试结果

Table  2.  Test results of OSL samples

取样钻孔	埋深/m	U/(μg/g)	Th/(μg/g)	K/%	环境剂量率(Gy/ka)	等效剂量(Gy)	年龄/ka
ZK5	102.9	0.771±0.03	3.68±0.04	2.26±0.02	2.32±0.09	137.11±5.51	59.22±3.37
ZK4	115.4	2.650±0.11	13.10±0.03	1.92±0.02	2.96±0.11	207.12±9.19	69.97±4.08
ZK4	131.8	1.570±0.01	10.30±0.21	2.22±0.01	2.81±0.11	258.33±13.31	92.09±5.91
ZK4	145.4	2.530±0.01	12.00±0.20	1.75±0.02	2.55±0.09	328.40±12.97	128.73±6.84

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图  3  坝城寺钻孔样品地层年龄-深度关系

Figure  3.  Diagram showing the relationship between the age and depth of strata samples from the Bachengsi borehole

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根据钻孔现场编录的地层特征，绘制了坝城寺钻孔联合剖面图(图 4)，并在每个钻孔岩性柱右侧绘制了对应的粒度柱，沉积物粒度的变化规律能够很好地辅助地层对比(张世民等，2007；Liang et al., 2018)。钻孔剖面揭示沉积物主要为黄河沉积物，粒度较细，多为细砂、粉砂和黏土，含少量的中砂、粗砂和砾石等粗颗粒。一般细—粉砂呈灰黄色，黏土层呈紫红色、灰绿色、蓝绿色等，标志层较易识别。从坝城寺钻孔联合剖面的地层对比中，可识别出了16套标志层和3条断层Fa、Fb和Fc，其特征如下。

图  4  坝城寺钻孔联合剖面图

B1—B16为标志层；岩芯柱左侧数字为地层埋深，红色数字为断层的垂直落差

Figure  4.  Combined cross-section of boreholes in Bachengsi

B1-B16 represent marker layers, with the depth of the strata indicated on the left side of the core column, and the vertical displacement of the fault is indicated by the red numbers.

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(1) 标志层B1：为一套灰黑色炭质黏土层，在所有钻孔中都有出现(图 4，图 5a，表 3)。在钻孔ZK2中深度为5.7~6.7 m，厚约1.0 m。在6.0 m处取的¹⁴C样品所得年龄为2750±30 a；在钻孔ZK4中深度为6.75~7.20 m，厚约0.45 m；在钻孔ZK3中深度为6.70~7.25 m，厚约0.45 m；在钻孔ZK5中深度为6.3~6.6 m，厚约0.3 m；在钻孔ZK1中深度为5.55~6.50 m，厚约0.95 m。该标志层底界深度基本一致且未被断层所错断。

图  5  钻孔ZK4中B1—B8标志层的岩芯特征

a—标志层B1；b—标志层B2；c—标志层B3；d—标志层B4；e—标志层B5；f—标志层B6；g—标志层B7；h—标志层B8

Figure  5.  Photographs of marker layers B1 to B8 in ZK4

(a) Photograph of marker layer B1; (b)Photograph of marker layer B2; (c)Photograph of marker layer B3; (d)Photograph of marker layer B4; (e)Photograph of marker layer B5; (f)Photograph of marker layer B6; (g)Photograph of marker layer B7; (h)Photograph of marker layer B8

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表  3  标志层错断位移

Table  3.  The displacement information of the mark layers

标志层	岩芯特征	埋深/m	Fa位移/m	Fb位移/m	Fc位移/m	总位移/m
B1	灰黑色炭质黏土层	7.2	/	/	/	/
B2	砖红色—橘黄色粉细砂层	20.5	/	/	/	/
B3	青灰—灰黄色巨厚细砂层的底界面	38.9	1.25±0.20	/	/	1.25±0.20
B4	灰黑色炭质黏土层	54.65	1.05±0.20	/	/	1.05±0.10
B5	紫红色黏土层	58.35	1.2±0.1	/	/	1.2±0.1
B6	灰黑—深灰色炭质黏土层	65.55	1.65±0.10	1.2±0.1	/	2.8±0.2
B8	蓝灰—黄灰色黏土层	73.5	1.5±0.2	/	/	/
B9	灰绿色黏土层	81.5	2.25±0.20	1.2±0.2	/	3.95±0.20
B10	紫红色色黏土层	90.5	2.25±0.20	1.35±0.20	/	4.25±0.20
B13	紫红色含蓝灰色网纹黏土层	105.9	2.0±0.2	1.2±0.2	2.1±0.2	6.2±0.3
B14	灰绿色黏土层	124.5	/	/	1.95±0.20	/
B15	灰黄色细砂层	132.7	3.7±0.2	3.7±0.2	2.9±0.2	6.6±0.3
B16	紫红色黏土层	141.2	3.4±0.3	3.4±0.3	6.6±0.2	10.0±0.4

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(2) 标志层B2：为一套砖红色—橘黄色粉细砂层，在所有钻孔中都有出现，为厚层细砂层的顶部沉积(图 4，图 5b，表 3)。在钻孔ZK2中深度为17.5~20.5 m，厚约3.0 m；在钻孔ZK4中深度为17.3~20.5 m，厚约3.2 m；在钻孔ZK3中深度为17.40~20.75 m，厚约3.35 m；在钻孔ZK5中深度为17.0~21.1 m，厚约4.1 m；在钻孔ZK1中深度为17.3~22.0 m，厚约4.7 m。该层在剖面中从西到东厚度略有增加，未发现断层错断。在ZK4的16.8 m处取得的¹⁴C样品所测年龄为4110±30 a，说明该层沉积年龄为全新世中期。

(3) 标志层B3：为剖面内同一套青灰—灰黄色巨厚细砂层的底界面(图 4，图 5c)。该细砂层在钻孔ZK2中深度为20.5~38.9 m，厚约18.9 m；在钻孔ZK4中深度为20.50~38.45 m，厚约17.95 m；在钻孔ZK3中深度为20.75~37.00 m，厚约16.25 m；在钻孔ZK5中深度为21.1~36.0 m，厚约14.9 m；在钻孔ZK1中深度为22.00~36.85 m，厚约14.85 m。该层底界面在钻孔ZK2、ZK4中位于38.9 m和38.45 m深度，在钻孔ZK3、ZK5和ZK1中分别位于37.0 m、36.0 m和36.75 m深度，在断层Fa两侧存在1.25±0.2 m的垂直落差。在ZK4的38.4 m处取的¹⁴C样品所得年龄为12270±40 a，说明该界面为全系统与上更新统的分界面。

(4) 标志层B4：为剖面内的一套灰黑色炭质黏土层(图 4，图 5d，表 3)。该层在钻孔ZK2中深度为53.30~53.65 m，厚约0.35 m；在钻孔ZK4中深度为53.60~54.65 m，厚约1.05 m；在钻孔ZK3中深度为52.9~53.6 m，厚约0.7 m；在钻孔ZK5中深度为52.0~52.2 m，厚约0.2 m；在钻孔ZK1中深度为51.55~52.00 m，厚约0.45 m。该底界面在断层Fa两侧的垂直落差为1.05±0.20 m。在ZK4中该层之上的38.4 m处取得的¹⁴C样品所测年龄为14500±40 a。

(5) 标志层B5：为剖面内的一套紫红色黏土层(图 4，图 5e，表 3)。该层在钻孔ZK2中深度为57.0~58.3 m，厚约1.3 m；在钻孔ZK4中深度为57.70~58.35 m，厚约0.65 m；在钻孔ZK3中深度为56.50~57.15 m，厚约0.65 m；在ZK5中深度为55.6~57.3 m，厚约1.7 m；在钻孔ZK1中深度为55.6~56.5 m，厚约0.9 m。该顶、底界面在断层Fa两侧的垂直落差皆为1.2±0.1 m。

(6) 标志层B6：为剖面内的一套灰黑—深灰色炭质黏土层(图 4，图 5f，表 3)。该层在钻孔ZK2中的深度为64.2~65.1 m，厚约0.9 m；在钻孔ZK4中的深度为65.00~65.55 m，厚约0.55 m；在钻孔ZK3中的深度为63.4~63.9 m，厚约0. 5 m；在钻孔ZK5中的深度为64.0~64.4 m，厚约0.4 m；在钻孔ZK1中深度为62.8~63.2 m，厚约0.4 m。该顶、底界面在断层Fa两侧的垂直落差为1.65±0.10 m，在断层Fb两侧的垂直落差为1.2±0.1 m。

(7) 标志层B7：为深灰绿色黏土层(图 4，图 5g，表 3)。该层在钻孔ZK2中深度为71.75~72.05 m，厚约0.3 m；在钻孔钻孔ZK4中深度为72.55~73.20 m，厚约0.65 m；该层由于断层活动出现了反向倾斜。在标志层B6与B7之间，钻孔ZK4的69.6 m处取得的¹⁴C样品所测年龄为18800± 60 a。

(8) 标志层B8：为蓝灰—黄灰色黏土层，该层颜色较为特殊(图 4，图 5h，表 3)。在钻孔ZK4中深度为73.50~73.85 m，厚约0.35 m；在钻孔ZK3中深度为72.0~72.6 m，厚约0.6 m；在钻孔ZK5中深度为72.60~73.25 m，厚约0.65 m；该层顶、底界面在断层Fa两侧的垂直落差约为1.5±0.2 m。

(9) 标志层B9：剖面内为一套灰绿色黏土层(图 4，图 6a，表 3)。该层在钻孔ZK4、ZK3、ZK5、ZK1中的深度分别为80.65~81.50 m、78.4~ 79.0 m、76.7~77.8 m和76.9~77.6，厚度分别约为0.85 m、0.6 m、1.1 m和0.7 m。该顶、底界面在断层Fa两侧的垂直落差为2.25±0.20 m，在断层Fb两侧的垂直落差为1.2±0.2 m。在钻孔ZK5的77.4 m处取得的¹⁴C样品所测年龄为19980± 70 a。

图  6  钻孔ZK4中标志层B9、B10、B13、B15和B16的岩芯特征

a—标志层B9；b—标志层B10；c—标志层B13；d—标志层B15；e—标志层B16

Figure  6.  Photographs of marker layer B9, B10, B13, B15 and B16 in BCS-ZK4

(a)Photograph of marker layer B9; (b)Photograph of marker layer B10; (c)Photograph of marker layer B13; (d)Photograph of marker layer B15; (e)Photograph of marker layer B16

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(10) 标志层B10：剖面内为一套紫红色黏土层(图 4，图 6b，表 3)。该层在钻孔ZK2、ZK4、ZK3和ZK5中的深度分别为88.65~89.55 m、89.25~ 90.50 m、87.20~88.25 m和85.85~86.25 m，厚度分别约为0.9 m、1.25 m、0.95 m和0.4 m；在钻孔ZK1中深度可能为85.7 m。该层岩性变化较快，含一些紫红色黏土团块和夹层，较难确定其顶底界面。该顶、底界面在断层Fa两侧的垂直落差为2.25±0.20 m，在断层Fb两侧的垂直落差为1.35±0.20 m。在钻孔ZK4中，该层之上的86.0 m处取得的¹⁴C样品所测年龄为21150±70 a。

(11) 标志层B11：为钻孔ZK5和ZK1中一套灰黄色粉砂层。该层上、下皆为黏土层，在粒度柱上比较突出(图 4)。在钻孔ZK5中深度为87.8~88.5 m，厚约0.7 m；在钻孔ZK1中深度为88.10~ 88.55 m，厚约0.45 m。该层在2个钻孔中埋深一致，没有被断层错断。

(12) 标志层B12：为钻孔ZK5和ZK1中一套灰绿色含钙结核黏土层(图 4，表 3)。该层颜色较特殊、较易于识别。在钻孔ZK5中深度为90.7~93.0 m，厚约2.3 m；在钻孔ZK1中深度为90.9~ 92.6 m，厚约1.7 m。该层未被断层Fc错断。

(13) 标志层B13：剖面内为一套紫红色含蓝灰色网纹黏土层(图 4，图 6c，表 3)。该层在钻孔ZK2、ZK4、ZK3、ZK5和ZK1中的深度分别为100.50~103.15 m、102.3~105.9 m、101.3~103.9 m、100.0~102.8 m和98.55~100.7 0 m，厚度分别约为2.65 m、3.6 m、2.6 m、2.8 m和2.15 m。该层被断层Fa、Fb和Fc错断，顶、底界面在断层两侧的垂直落差分别为2.0±0.2 m、1.2±0.1 m和2.1±0.2 m。在钻孔ZK5中，该层之下的102.9 m处取得的OSL样品所测年龄为59220±3370 a。

(14) 标志层B14：为钻孔ZK3、ZK5和ZK1中的一套灰绿色黏土层(图 4，表 3)。该层在3个钻孔中的深度分别为122.00~122.65 m、120.05~121.00 m和119.4~120.0 m，厚度分别约为0.65 m、0.95 m和0.6 m。该层被断层Fc错断，顶、底界面在断层两侧的垂直落差为1.95±0.20 m。

(15) 标志层B15：剖面内为一套灰黄色细砂层(图 4，图 6d，表 3)。该层在钻孔ZK2、ZK4、ZK3、ZK5和ZK1中深度分别为128.55~131.75 m，128.7~132.7 m、127.0~129.0 m、124.10~126.15 m和123.6~125.8 m，厚度分别约为3.2 m、4.0 m、2.0 m、2.05 m和2.2 m。该层被断层Fa、Fb和Fc错断，顶、底界面在断层Fa、Fb两侧的垂直落差为3.7±0.2 m，在断层Fc两侧的垂直落差为2.9±0.2 m。在钻孔ZK4中的131.8 m处取得的OSL样品所测年龄为92090±5910 a。

(16) 标志层B16：剖面内为一套紫红色黏土层(图 4，图 6e，表 3)。该层在钻孔ZK2、ZK4、ZK3、ZK5和ZK1中深度分别为137.2~139.2 m、139.0~141.2 m、136.0~137.8 m、129.6~131.1 m和128.6~129.7 m，厚度分别约为2.0 m、2.2 m、1.8 m、1.5 m和1.1 m。该层被断层Fa、Fb和Fc错断。顶、底界面在断层Fa、Fb两侧的垂直落差为3.4±0.3 m，在断层Fc两侧的垂直落差为6.6±0.2 m。在钻孔ZK4中，该层145.5 m处取得的OSL样品所测年龄为128730±6840 a，说明该层接近上更新统的底界。

4.   讨论

4.1   聊城-兰考断裂活动性、古地震分析及滑动速率计算

坝城寺联合钻孔剖面解译出的3条断层Fa、Fb和Fc皆为向西倾的正断层(图 4)。其中，断层Fa位于钻孔ZK4与ZK3之间，倾角大于75°，大约在130 m左右终止于倾角更缓的断层Fb上(倾角大约为54°)，二者组成了一个“Y”字型的结构。同时，断层Fc倾角约为45°，推测其位于150 m深度以下，将与合并后的断层Fb相交，二者也形成一个“Y”字型的结构。因此，坝城寺钻孔揭示聊城-兰考断裂的浅部结构为“复合Y”字型结构。

断层Fa错断了标志层B3及其以下地层。其中标志层B3—B5在Fa两侧的垂直落差分别为1.25±0.20 m、1.05±0.10 m和1.2±0.1 m；标志层B6和B8在Fa两侧的垂直落差分别为1.65±0.10 m和1.5±0.2 m；标志层B9、B10、B13在Fa两侧的垂直落差分别为2.25±0.20 m、2.25±0.20 m和2.0±0.2 m；标志层B15、B16在断层Fa两侧的垂直落差皆为3.7±0.2 m和3.4±0.3 m。标志层B3之上为一套厚度约为18 m的巨厚细砂层，断层Fa错断了该层的底界(深度为38.9 m)，而砂层顶界面和标志层B2则保持了很好的水平性。根据测年结果，标志层B3的底界面为全新统与上更新统的分界面。这说明断层Fa为全新世早期活动断层，而全新世中期以来断裂垂直差异活动已不明显。

标志层B4和标志层B5在钻孔ZK5和ZK1之间近水平展布，说明断层Fb并未错断标志层B4和标志层B5。而标志层B6及其以下地层，皆被断层Fb错断。其中标志层B6、B9、B10、B13在断层Fb两侧的垂直落差分别为1.2±0.1 m、1.2±0.2 m、1.35±0.20 m和1.2±0.1 m；标志层B15、B16在断层Fb两侧的垂直落差分别为3.7±0.2 m和3.4±0.3 m。钻孔ZK5在深度75.7 m处揭露断层Fb，断层的上盘为紫红色黏土层，下盘为灰绿色黏土层，断面较清晰，断层面倾角约为35°(图 7a)。钻孔ZK3在深度109.4 m处穿过Fb断层面，断层上盘为紫红色黏土层，下盘为灰棕色黏土层，两侧地层在颜色上有明显的差异(图 7b)。断层面倾角约为60°，断层迹线较清晰。垂直岩芯的横切面上，紫红色黏土与灰棕色黏土的含量约为30%和70%，分界线为断层面，较清晰。钻孔ZK4在深度145.5 m处穿过Fb断层面，该处发育一斜面，上盘为灰黄色粉砂层，下盘为灰绿色黏土层，并逐渐过渡为棕黄色黏土层，断层面上发育红色的断层泥，断层倾角较缓，约35°(图 7c)。断层Fb错断了标志层B6，而未错断标志层B5，说明断层Fb的上断点位于56.5~62.8 m之间；同时，标志层B6上的粉砂层顶界面在断层两侧仍有1.1 m的落差，因此，可将断层Fb的上断点进一步约束到56.5~58.2 m。在钻孔ZK4深度69.6 m取得的样品的¹⁴C测年结果为18800±60 a，因此，判断断层Fb为晚更新世晚期活动断层。

图  7  聊城-兰考断裂在坝城寺钻孔中出露特征

a—钻孔ZK5 75.7 m深度处断层Fb出露; b—钻孔ZK3 109.4 m深度处断层Fb出露; c—钻孔ZK4 145.5 m深度处断层Fb出露; d—钻孔ZK5 108.8 m深度处断层Fc出露; e—钻孔ZK3 137.8 m深度处断层Fc出露

Figure  7.  The outcrops of the Liaocheng-Lankao fault revealed by the Bachengsi boreholes

(a) ZK5 reveals fault Fb at 75.7 m; (b) ZK3 reveals fault Fb at 109.4 m; (c) ZK4 reveals fault Fb at 145.5 m; (d) ZK5 reveals fault Fc at 108.8 m; (e) ZK3 reveals fault Fc at 137.8 m

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标志层B10、B11、B12在钻孔ZK5和ZK1之间皆为近水平分布，未被断层Fc所错断。而标志层B13及其以下地层被Fc所错断。其中，标志层B13—B15在断层Fc两侧的垂直落差为2.1±0.2 m、1.95±0.20 m和2.9±0.2 m。标志层B16在断层Fc两侧的垂直落差为6.5±0.2 m。钻孔ZK5在深度108.8 m处揭露断层Fc，将该处岩芯切开，可以看到紫红色黏土层和深灰色黏土层的分界面非常清晰、平直(图 7d)。钻孔ZK3在深度137.8 m处揭露断层Fc，断层上盘为紫红色黏土层，下盘为灰黄色粉砂层，沿断面发育一倾角约为55°的斜裂缝(图 7e)。断层Fc错断了标志层B13，而被标志层B12覆盖，由此推断，断层Fc的上断点埋深为92.6~98.55 m，最新活动时间为21550±70~59220± 3370 a，为晚更新世中—晚期活动断层。

断层Fa的垂直落差大致可以分为3个阶段：标志层B3、B4、B5的1.25±0.20 m、1.05±0.10 m、1.2±0.1 m(均值为1.2±0.2 m)，标志层B6、B8的1.65±0.10 m、1.5±0.2 m(均值为1.6±0.2 m)和标志层B9、B10、B13的2.25±0.20 m、2.25±0.20 m、2.0±0.2 m(均值为2.2±0.2 m)，说明断层Fa可能发生了3次古地震事件。断层Fb的垂直落差在标志层B6—B13上表现较为一致，皆为1.2±0.2~1.35±0.20 m(可信值为1.2±0.2 m)，说明断层Fb仅发生了1次古地震事件。由于标志层B15、B16在断层Fa和Fb两侧的垂直落差大致为标志层B13在断层Fa和Fb两侧落差之和，因此认为断层Fa和Fb在该处合并为一条断层。断层Fc在标志层B13、B14和B15中的垂直落差为2.1±0.2 m、1.95±0.20 m、2.9±0.2 m，而在标志层B16中的垂直落差为6.6±0.2 m，推测可能为断层Fc引发多次地震事件所致。因此，文章识别出聊城-兰考断裂南段共发生过4次古地震事件。

(1) 事件一：为断层Fc活动，发生在标志层B16沉积之后，标志层B15沉积之前，错断了标志层B16，垂直错距约为3.7±0.2 m。事件发生时间为距今12873±6840~92090±5910 a，为晚更新世早期，可能为1~2次地震事件所致。

(2) 事件二：为断层Fc和Fa活动，断层Fc错断了标志层B13及其以下地层，垂直落差为2.1± 0.2~2.9±0.2 m。断层Fa活动，错断了标志层B9及其以下地层，垂直错距约为0.6±0.2 m。因此，此次事件发生的时间应在标志层B9沉积之后，标志层B8沉积之前，即18800±60~19980±70 a。

(3) 事件三：为断层Fb和Fa活动，错断了标志层B6及其以下地层，断层Fb垂直错距为1.2± 0.2 m，断层Fa垂直错距约为0.4±0.2 m，此次事件发生时间为18800±60~14500±40 a，为晚更新世晚期。

(4) 事件四：断层Fa活动，错断了标志层B3及其以下地层，垂直落差为1.2±0.2 m，事件发生时间为12270±40~4110±30 a，为全新世早期。

综合以上分析认为，聊城-兰考断裂南段的上断点埋深约为38.5~20.5 m，其由Fa、Fb和Fc共3条断层组成；晚更新早期，断层活动主要集中在倾角较缓的Fc断层上，晚更新世晚期，断层活动往倾角更陡的断层Fb和Fa转移；单次地震所形成的垂直落差约为1.2±0.2~3.7±0.2 m。坝城寺钻孔联合剖面揭露出的4次古地震事件中只有1次事件发生在晚更新世早期(85~120 ka)，垂直落差为3.7±0.2 m，由此计算的断层晚更新世早期的平均垂直滑动速率约为0.1±0.05 mm/a。3次地震事件发生于晚更新世晚期—全新世中期(4~21 ka)，垂直落差总和约为5.95±0.30 m，由此计算断层晚更新世晚期—全新世中期的平均滑动速率为0.35±0.04 mm/a。由此可见，晚更新世以来，东濮凹陷的沉积作用与聊城-兰考断裂南段的活动性存在较好的正相关耦合关系。

4.2   1937年菏泽7.0级地震

1937年菏泽发生7.0级地震，但当时现场考察难度较大。胡长和(1991)综合多份现场调查报告(李善邦和賈連亨，1940；李群，1987)绘出了菏泽7.0级(图 8中绿色虚线)和6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震的地震等烈度线(图 8中蓝色虚线)。菏泽7.0级地震极震区烈度为Ⅸ度，极震区呈不对称蝶状，北西向和北东向两共轭长轴交点位于震中解元集附近，两长轴长度皆约为20 km，面积约为140 km²；7.0级地震Ⅷ度区环Ⅸ度区分布，其形状同为不对称蝶形，北东向长轴长约为32 km，北西向长轴长约为36 km，面积约为440 km²。6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震极震区烈度为Ⅷ度，极震区为一北东向不规则的长圆形，北东向长轴长约为22 km，北西向短轴长约为9 km，面积约为135 km²；该烈度区内可能存在2次地震的叠加效应。

图  8  1937年菏泽7.0级和6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震等震线和地裂缝分布图(烈度线胡长和，1991；地裂缝分布赵宪超，1991)

图中70°~80°为地应力的方位角

Figure  8.  Map showing intensity lines and ground fissure distribution of the 1937 Heze M 7.0 and M 6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$ earthquakes (intensity lines from Hu, 1991; ground fissure distribution from Zhao, 1991)

The direction of the ground stress is indicated by 70°-80° in the figure.

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大地震地表破裂的分布对判别地震的发震断层有较强的指示作用(哈广浩和吴中海，2021；常祖峰等，2022；梁宽等，2022)。1937年菏泽7.0级和6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震形成了一个“Z”字型的地裂缝带(赵宪超，1991)。根据地裂缝带的展布方向可以分为3段：东南段(A段)、中间段(B段)和西北段(C段)(图 8中灰黑色线段)。

东南段(A段)为北西西走向，从成武北开始，向北西方向经定陶北的姚庄、何楼南至马岭岗南，长约60 km；裂缝带宽约几米至数百米；单条裂缝一般长十几米，宽为2~3 cm，呈斜裂状分布；A段地裂缝带显示强烈挤压和左旋走滑特征。中间段(B段)为北东走向，从马岭岗西南开始，向北东方向经解元集东、至小留北东，长约19.6 km；裂缝带宽1~2 km，单条地裂缝最宽为1.3 m，长2.3 km；B段地裂缝呈地堑状且规模较大，沿地裂缝形成多个串珠状排列的喷砂冒水点，是2次地震形成的主要裂缝带；其中骡车王庄东北东向地裂缝长约1.5 km，将菏泽至东明的公路右旋错断了约40 cm，这表明B段地裂缝具有拉张和右旋走滑特征。西北段(C段)为北西西走向，从小留向北西西方向延伸，经过李村，跨越黄河至郎中，长约29.3 km；东明县芳园乡黄庄至铁庄间北东向的黄河大堤被北西西向的地裂缝切断，两盘垂直落差约为1.2 m，并且具有左旋走滑特征，表明C段地裂缝具有张裂性质和左旋走滑特征。

将震中区附近已探明的断裂与地震等烈度线以及地表裂缝相对比发现(图 8)：①7.0级地震等震线北西向长轴和A段地表裂缝带大体沿东明-成武断裂分布；②7.0级地震等震线北东向长轴、6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震等震线长轴和B段地表裂缝带，与小留-解元集断裂的位置和走向几乎一致。郭增建和姜秀娥(1965)根据国际多个地震台记录的2次地震的16个P波初动符号，反演了2次地震的震源机制解，显示其都以走滑为主。其中，7.0级地震节面A走向为42°，倾角为80°，节面B走向为132°，倾角为82°，分别与小宋-解元集断裂和东明-成武断裂走向相近(王华林和耿杰，1995)。因此，根据1937年菏泽7.0级和6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震等震线的几何特征、地裂缝的分布位置和运动特征认为此次地震的发震构造很可能为北北东走向的小留-解元集断裂和北西西走向的东明-成武断裂。

4.3   菏泽地震发震机制

区域控震构造是指对区域内地震起到控制和约束作用的断裂或者断裂带；发震构造是指直接引起地震的断层，往往规模小于区域控震构造，并与其呈一定夹角或处于其特殊部位(李天祒和王光弟，1981)。从构造体系来看，区域控震构造是体系中的主干断裂，而发震构造可以是派生断裂、或者与主干断裂相交的其他体系的成分，也可以是区域控震构造本身。从地应力状态来看，区域控震构造是控制地应力集中和变化的破裂性结构面，而发震构造则是地应力释放的通道，即地应力可以通过派生断裂进行释放，也可以通过主干断裂释放；当地震发生在主断裂本身时，这条断裂既是区域控震构造又是发震构造。

横跨东濮凹陷的深地震反射剖面显示(图 9)，东濮凹陷呈“两凹夹一凸”结构。聊城-兰考断裂为东濮凹陷的东边界断裂，分割了东濮凹陷与鲁西隆起(康海亮等，2021)。在聊城-兰考断裂往东约7~8 km处可见与其近平行、同为倾向西的小留-解元集断裂。石炭—二叠系(C—P)在聊城-兰考断裂两侧的垂直落差约为3.8~4.0 km，在小留-解元集断裂两侧的垂直落差约为0.7 km。这说明聊城-兰考断裂在规模和运动幅度上均远大于小留-解元集断裂。

图  9  深地震反射剖面及其解译结果(剖面位置见图 1；徐翰，2018)

Figure  9.  Deep seismic reflection profile and its interpretation results (profile location refer to Fig. 1; Xu, 2018)

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1937年菏泽7.0级和6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震等震线和地裂缝分布图(图 8)表明，该次地震震中区位于聊城-兰考断裂以东约10 km、并与其呈约15°夹角、沿小留-解元集断裂分布。华北平原现今构造应力场的主压应力方向为北东东—南西西向(70°~80°；胡幸平和崔效锋，2013；Hu et al., 2017)。作为区域内深大断裂的聊城-兰考断裂对菏泽地震的影响表现为：①聊城-兰考断裂和东濮凹陷是多次构造活动所形成的复杂构造带，在区域应力场作用下活动强烈，易沿固有的断裂形成滑动，并在分支断裂的特殊构造部位形成局部应力集中的闭锁地段；②聊城-兰考断裂由一系列的密集成网的断裂系组成，当邻区分支断裂产生位移时，聊城-兰考断裂可提供累积变形的空间，为应力的释放和断层的活动提供让位空间；③聊城-兰考断裂带有明显的深部活动背景，当区域应力增加过程中附加有深部热液活动时，很容易破坏原有的应力平衡，成为大震的激发因素；④当应力释放时，聊城-兰考断裂这一破碎结构体又成为减震带，使地震动在穿过断裂带时快速衰减。

因此，1937年菏泽7.0级和6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震的发震机制：①在北东东—南西西向区域主压应力作用的控制下，内黄凸起作逆时针旋转，对其西北和东南边界施加派生的挤压作用，致使北西向的东明-成武断裂发生左旋压扭性运动，其旁侧的聊城-兰考断裂可以提供让位空间；②在区域应力的作用下，北北东向的聊城-兰考断裂产生了右旋的滑动，牵动了北东走向的小留-解元集断裂，并在与北西西向断裂交汇的解元集、小留一带形成闭锁地段；③随着区域应力的持续增加，以及外围地震的发生，在闭锁地段形成地震空区，区域应力场逐渐接近临界平衡状态，这时聊城-兰考断裂内的深部调整活动很可能成为大地震发生的激发因素；④北西西向的东明-成武断裂与北东向的小留-解元集断裂同时作双向错断时，导致7.0级地震发生；⑤7.0级地震发生后，小留-解元集断裂北东方向上的闭锁段提前释放应力，进而形成了6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震；⑥强震发生后，地震能量沿着发震断裂方向传播，形成北东方向的极震区，当通过附近的聊城-兰考断裂时，烈度衰减十分显著。

由此可见，小留-解元集断裂和东明-成武断裂为1937年菏泽7.0级和6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震的发震构造，但聊城-兰考断裂对于该地区地震的发生有着很好的控制和约束作用，为区域控震构造。同时，坝城寺钻孔和郝桥钻孔(向宏发等，2000)剖面揭示出聊城-兰考断裂为全新世早期活动断裂，并且晚更新世以来发生了多次错断到地表的地震事件，说明聊城-兰考断裂也可能作为发震断裂、发生破坏性的大地震事件。

5.   结论

(1) 坝城寺钻孔联合剖面特征揭示出聊城-兰考断裂由3条向西倾的正断层Fa、Fb和Fc组成，上断点埋深为38.5~20.5 m，为全新世早期活动断裂；同时，联合剖面揭示出该断裂晚更新世以来发生了4次古地震事件，单次地震事件的同震垂直位错介于1.2±0.2~3.7±0.2 m。

(2) 根据地层垂直落差和形成年代得出，聊城-兰考断裂晚更新世早期的平均垂直滑动速率约为0.1±0.05 mm/a，晚更新世晚期—全新世中期的平均滑动速率为0.35±0.04 mm/a。

(3) 1937年菏泽7.0级和6${\raise0.7ex\hbox{$3$} \!\mathord{\left/{\vphantom {3 4}}\right.}\!\lower0.7ex\hbox{$4$}}$级地震等震线长轴方向以及形成的地表破裂与小留-解元集断裂和东明-成武断裂的位置和走向相吻合，说明北北东走向的小留-解元集断裂和北西西走向的东明-成武断裂为该地震的发震断裂。聊城-兰考断裂作为区域的深大断裂，对应力的积累、地震的激发都起着控制和约束作用，为区域大地震的控震断裂；同时，聊城-兰考断裂也可以作为发震断裂、发生破坏性的大地震事件。