认识正断层

1.从一条“伤疤”说起

俯瞰我们美丽的地球，不难发现，在非洲大陆上有一条横贯大陆的“伤疤”，这就是著名的东非大裂谷，被称为“地球的伤疤”，从约旦河顺着红海向南一直延伸到非洲大陆南端的莫桑比克，全长约6000km（图1）。裂谷宽度几十到上百公里，深度几百米到两千米。裂谷带在在维多利亚湖两侧分为成东西两支，东非大裂谷内有风景秀美的景色，沿着东非大裂谷分布着众多的火山和湖泊，著名的伦盖伊火山就位于裂谷带内，其喷发出的富含矿物质的火山灰造就了草木旺盛的塞伦盖蒂草原，成为众多野生动物的繁衍地，生活了70多种大型哺乳动物和500多种鸟类，被联合国教科文组织列入世界文化与自然遗产名录。此外30多个大大小小的湖泊分布在裂谷带内，像一串明珠分布在裂谷内，世界第二大深湖坦噶尼喀湖就是受裂谷断裂的控制，湖长度是宽度的10倍，最深处1470米，湖两岸就是裂谷带两侧的断层崖。可以看出，火山、湖泊以及多样的生态景观和动植物种群分布，离不开东非大裂谷这条地球的伤疤，因此东非大裂谷是地球留给我们的自然遗产，吸引了世界各地的科学家和游客。

图1 从太空俯瞰东非大裂谷

2.什么是正断层

像东非大裂谷那样恢弘壮观的景象是什么造成的？这里就要谈到断层了，断层，顾名思义是某个物体受到力后被错断了，在物体内形成破裂面，广义上的破裂可以指我们见到的各种各样的破裂。地质意义上的断层指不仅存在破裂面，而且破裂面两边的物体有明显的相对滑动。按照断层面两侧物体运动方式，自然界中的断层断层有三种基本类型，分别是正断层、逆断层和走滑断层（图2）。

图2三种基本断层类型

自然界中的这三种断层会衍生出复杂多样的断层系统，而且尺度差异非常大，小到岩层的错断,大到横跨大洋的洋中脊。而我们要谈到的就是形成东非大裂谷这种地貌的断层：正断层。认识什么是正断层，它具有哪些性质，产生正断层的原因。在此基础上我们可以学着如何识别正断层，进一步了解正断层和地震的关系以及正断层对人类生产生活的影响。

概念：断层面的上部叫断层的上盘，下部叫断层下盘。正断层指断层面上盘相对于断层下盘向下滑动。断层面与水平面的夹角称为断层面的倾角，断层面的倾斜方向称为断层面的倾向。自然界中正断层的组合可以有多种，最简单的情况是，当多条平行的正断层向相反方向倾斜时，断层上盘下降形成负地形，这种沟壑状的地形称为地堑，断层下盘相对于地堑呈现为正地形，称之为地垒（图3）。自然界中的正断层可以有复杂的组合，断层面可以是弯曲的铲形，断层面两盘可以在断层滑动过程中发生旋转。

图3 地堑、地垒以及不同形状的断层面

3.哪里会有正断层

正断层是物体受到拉张作用时产生的，地球表面如果出现拉张环境就可以出现正断层。地球外层的岩石圈是由多个板块构成的，当两个板块向着相反方向运动时，两个板块之间就会出现拉张环境，在这种环境下会出现正断层。东非大裂谷就是两个分离板块的边界，随着时间的推移，非洲大陆会被撕裂开。实际上，地球表面存在比东非大裂谷更长的“伤疤”，它就是横跨大洋的大洋裂谷系，在海底绵延上万公里，洋底裂谷系上世纪中期才被发现，代表着两个板块分离的边界，它的发现为板块构造革命提供了有力的证据。

除了在板块边界可以产生规模宏大的正断层裂谷外，有些情况下虽然没有明显的伸展，但地壳物质在重力作用下也会形成正断层，而且我们更容易观察到。在美国犹他州大峡谷国家公园内，科罗拉多河东南岸的地层内发育有条带状相间排列的地堑和地垒，形成这种现象的原因就是重力作用产生的伸展。因为河流下切地层，使得河岸附近的岩石没有了侧向支撑，同时该地区近水平的地层内有一层容易变形的的软弱层，软弱层上面盖了坚硬的地层，上面的坚硬地层会向北西方向慢慢滑动，在滑动过程中地层被拉断，出现一系列平行的正断层控制的地堑和地垒。除了地表可以看得到的正断层外，有的正断层被埋藏在地下，地质学家可以通过钻孔或者用地震波探测的方式来识别深部的断层以及计算断层两盘的滑动量。

4.正断层塑造的地貌

自然界中很多地貌与正断层相关，形成壮观的地貌差异，有的成为著名的自然景观。除了前面提到的东非大裂谷和大洋裂谷系，世界范围内还有很多正断层塑造的地貌。与正断层相关的地貌既可以是大面积的分布，例如著名的“死谷”所在的美国西部地区的岭地区，也可以是撕裂地壳的大规模线性裂谷，著名的东非大裂谷就是其一。

图4 美国犹他州大峡谷公园内地层发育的正断层

图6 美国盆岭地区伸展模型（上）和东非大裂谷伸展模型（下）对比

但是，断层的活动会产生地震，给人类生命财产安全带来威胁，成为地质灾害。自然界中的3种断层的运动都会产生地震，2008年的汶川地震是逆断层运动产生的地震，造成了大量的人员伤亡和财产损失，正断层产生的地震同样威胁着人类的生产生活。我国历史上几个著名的大地震都与正断层的活动有关系，像1303年洪洞8级地震，1556年陕西华县8.2级地震、1695年临汾8级大地震、1739年宁夏平罗8.0级地震，1556年的华县地震发生在人口稠密区，导致了83万人的死亡，是目前世界已知死亡人数最多的地震，为古今中外罕见。这些大地震发生的位置正好一系列正断层控制地堑内，包括南侧的渭河地堑，东侧的山西地堑，西侧的银川地堑以及北侧河套地堑（图7），地质学家将这些地堑起了个名字叫做“环鄂尔多斯周缘地堑系统”，这些地堑围成一个环形，环形内部的鄂尔多斯高原十分稳定，基本没有地震，地震主要发生在地堑内，构成了一个的环形地震带，这在世界上独具特色。

            图7 鄂尔多斯高原周围的环形断裂带，红点表示发生过7级以上的历史大地震

现代正断层的活动被很好地记记录和测量，用于科学分析以及地震预测，2016年10月意大利中部地区发生了6.6级的地震，该地震是正断层滑动引起的，一次地震引起的垂直位移可达2米（图8A），震级越高，断层滑动的距离就越大。如果多次地震，会形成显著的地貌差异。在河套盆地西侧的狼山山前正断层发育了壮观的断层崖，这是断层多次活动、长期累积的结果（图8B），随着科学技术的提高，科学家通过断层活动产生的地貌现象以及沉积物的年龄，来估算地震复发周期等活动特性，在比较容易发生地震的区域通常布置了检测地震活动的仪器用于地震危险性评价，另外，在地震易发区建筑物要达到相应的抗震等级来抵御地震的破坏。

         图8 一次地震产生的位错（A）以及多次地震活动产生的正断层崖地貌（B）

6.结束语

正断层既可以塑造出美丽的自然景观，也会给人类带来灾害，只有进一步认识正断层的“脾气”，才能避免断层造成的地质灾害。虽然预测地震仍是的世界性难题，但随着观测预防水平的提高，人类已经对断层的活动有了深入了解，相信在不远的将来，人类对正断层引起的地震有更清晰地认识。

中国地质调查项目“造山带关键构造调查与试点填图”（编号：DD20160201）资助。