楊曉東 陳 杰 李 濤 李文巧 劉浪濤 楊會麗
1)中國地震局地質(zhì)研究所,地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029
2)中國地震局第二監(jiān)測中心,西安 710054
近100多年來,發(fā)生在活動褶皺和逆斷層帶上的一些中強(qiáng)地震,并不受地表已知活動斷裂的控制,也未形成相應(yīng)的地表破裂,如1902年新疆阿圖什 8?級地震(陳杰等,1992,1997,2001)、1906年新疆瑪納斯M7.7地震(張培震等,1994)、1983年美國加州Coalinga M6.5地震(Stein et al.,1984)、1944 年阿根廷圣胡安(San Juan)MS7.4 地震(Ragona et al.,2006)、1968年新西蘭的Inangahua MS7.1地震(Lensen et al.,1971)和1994年美國加州Northridge M6.7地震(Shaw et al.,1999;Guzofski et al.,2007)等。其特征為震源深部的發(fā)震斷裂位移向上快速衰減,在近地表處漸趨于零,不引起或只形成很小的地表破裂及斷錯位移,地震時的地表變形以褶皺隆起為主(Stein et al.,1989)。雖然這類地震中的個別震例可對應(yīng)已知的地表活動斷裂,而更多的地震卻發(fā)生在活動的褶皺構(gòu)造之下,是由位于褶皺構(gòu)造之下深達(dá)數(shù)十km處的隱伏逆斷裂位移而形成的。Stein等(1989)將此類地震稱為“褶皺地震”(folding earthquake)。如何研究和評價這類發(fā)生在擠壓構(gòu)造區(qū)活動褶皺和逆斷裂帶的褶皺地震的地震危險性和危害性,是一重要的課題。
在活動褶皺生長過程中,如果地層的初始長度保持恒定,為了調(diào)節(jié)褶皺不同部位的應(yīng)變差異而往往形成一些變形級別從屬于褶皺變形的次生、無根的斷裂構(gòu)造,即所謂調(diào)節(jié)褶皺變形的褶皺相關(guān)斷層構(gòu)造(Yeats,1986;Mitra,2002;Burbank et al.,2011)。由彎滑褶皺作用使地面順層滑動而形成的彎滑斷層即屬于這類斷層(Rockwell et al.,1981;Yeats,1986)。在彎曲滑動褶皺作用過程中,巖層彎曲,其上層相對于下層朝背斜樞紐而遠(yuǎn)離向斜樞紐滑動,褶皺樞紐處滑動量為零(Yeats,1986;彭斯震等,1994;Sanz et al.,2008),在褶皺正常翼發(fā)育彎滑逆斷層,在倒轉(zhuǎn)翼發(fā)育彎滑正斷層。彎滑斷層因平行層面往往很難從野外露頭識別,但當(dāng)斷層錯斷上覆近水平地層或地貌面在地表形成斷層陡坎時(Yeats,1986;Ishiyama et al.,2004,Kelsey et al.,2008),就會形成階梯狀的斷錯地貌而很容易被識別(陳杰,1990)。顯然,彎滑斷層陡坎是研究隱伏逆斷層或“褶皺地震”的一個窗口和新途徑,但迄今為止,有關(guān)彎滑斷層陡坎的研究實(shí)例卻很少(Yeats et al.,1981,1986;Rockwell et al.,1984;朱海之等,1990;陳杰,1990;Ishiyama et al.,2004;Ragona et al.,2006;Kelsey et al.,2008;Burbank et al.,2011;李濤等,2011)。
通過對高分辨率Google Earth遙感影像解譯和野外調(diào)查,在塔里木西緣明堯勒背斜南、北兩翼均發(fā)現(xiàn)了彎滑斷層錯斷晚第四紀(jì)河流階地形成的斷層陡坎。這些彎滑斷層陡坎具體發(fā)育在活動褶皺的什么部位,具有怎樣的分布規(guī)律,變形特征和變形速率如何?通過大比例尺構(gòu)造填圖、槽探、高精度差分GPS測量,初步獲得了這些活動彎滑斷層陡坎的位移參數(shù)及其分布規(guī)律,并對這些問題進(jìn)行了初步討論。
明堯勒背斜位于塔里木西緣西南天山前陸沖斷帶喀什-阿圖什逆斷裂-褶皺帶的最西端,帕米爾前緣逆沖推覆體北側(cè)(圖1)。背斜走向近EW,略呈向南凸出的弧形,東西長約40km,南北寬約10km,為一北陡南緩的寬緩不對稱箱狀背斜(陳杰等,2005;王昌盛等,2005)。
背斜由中新統(tǒng)烏恰群砂泥巖(N1)、上新統(tǒng)阿圖什組砂巖及砂礫巖(N2)和更新統(tǒng)西域組礫巖()組成。近SE流向的喀浪勾律克河斜穿明堯勒背斜以及近EW向克孜勒蘇河斜切背斜南翼時,形成多級河流基座階地(圖1)。伴隨背斜生長,這些河流階地發(fā)生了顯著變形,形成階地面掀斜、褶皺陡坎、彎滑斷層陡坎等構(gòu)造(陳杰等,2005;Scharer et al.,2006;李濤,2012),陳杰等(2005)曾報道在背斜北翼活動軸面附近喀浪勾律克河?xùn)|岸高階地上發(fā)現(xiàn)了活動彎滑斷層陡坎。在1/5萬活動褶皺填圖中,在明堯勒背斜兩翼活動軸面b、d和i(圖1)附近的河流階地面上發(fā)現(xiàn)了4處活動彎滑斷層陡坎(圖1A,B,C,D框)。
NW-SE流向的克孜勒蘇河在明堯勒背斜南翼形成4級基座階地。階地基座為上新統(tǒng)阿圖什組(N2)砂巖及砂礫巖,之上的階地堆積物以沖、洪積礫石為主,含少量砂質(zhì)透鏡體(圖2)。河流階地面被數(shù)條流向南的沖溝所切蝕。馮先岳等(1994)曾將這些沖溝自東向西依次命名為三道溝、四道溝和五道溝,其中四道溝和五道溝呈“Y”字形(圖2)。階地基座露頭實(shí)測地層傾角自南向北在軸面i附近發(fā)生明顯變化,由~14°突變?yōu)椤?7°。由于軸面i的持續(xù)活動,不同時期形成的河流階地面均發(fā)生了構(gòu)造變形,沿該軸面形成1個走向近EW、長約3km、高18~35m、最大坡度角17°~35°的褶皺陡坎(圖2)(陳杰等,2005;李濤,2012)。
圖1 塔里木西緣明堯勒背斜發(fā)育的彎滑斷層陡坎(改自陳杰等,2005;李濤,2012)Fig.1 Flexural slip fault scarps in Mingyaole anticline,west of Tarim(Adapted after CHEN Jie et al.,2005,LI Tao,2012 for the lower chart).
在該褶皺陡坎以北的較陡阿圖什組等斜巖區(qū),T4和T3河流階地面上發(fā)育了6條與下伏基巖地層走向平行排列、坡向N(與階地面坡向相反)的反向陡坎(圖1a、圖2),形似“搓板”狀的地貌。該陡坎帶分布在距軸面i 50~140m的范圍內(nèi),總體寬約90m,陡坎呈近等間距(18m)排列。
陳杰(1990)曾在北天山的獨(dú)山子背斜發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象,這是由于褶皺軸面i(圖1,2)的持續(xù)活動,為了調(diào)節(jié)該軸面兩側(cè)地層不同部位褶皺變形的應(yīng)變差異而在軸面以北形成的6條彎滑斷層(圖2,自南向北依次命名為F1、F2、F3、F4、F5和F6)。主要證據(jù)如下:
圖2 明堯勒背斜南翼克孜勒蘇河北岸地質(zhì)地貌圖Fig.2 Geological and geomorphic map of the south limb of Mingyaole anticline,north of Kezilesu River.
圖3 明堯勒背斜南翼彎滑斷層F3露頭(鏡向SE)Fig.3 Outcrop of the flexural slip fault F3at the south limb of Mingyaole anticline(view to southeast).
(1)在橫切這些陡坎的沖溝壁上,沿陡坎均可見T3階地基座被斷錯,使得T3階地基座面表現(xiàn)為南高北低的臺階狀地貌。例如,在四道溝東支溝壁之上可見如圖5所示的陡坎F3斷層露頭(圖3)。近水平T3階地砂礫石堆積角度不整合在下伏由阿圖什組(N2)砂泥巖組成的基座上,地層產(chǎn)狀為170°∠48°。由于彎滑斷層沿基座層面的順層滑動,錯斷階地面形成反向斷層陡坎F3,并在陡坎前堆積了細(xì)粒的斷塞塘沉積。斷層兩盤地面垂直斷距(VS)(2.8±0.1)m,斷層傾滑位移(DS)(3.7±0.2)m,垂直位移(VD)(2.7±0.1)m,水平位移(HD)(2.5±0.5)m(表 1)。
(2)在四道溝西支溝,活動軸面i以北阿圖什組地層中可見彎滑斷層F4剖面,斷層產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致,為175°∠51°。斷層面上發(fā)育數(shù)條清晰的擦痕,擦痕側(cè)伏向與地層走向265°一致;側(cè)伏角分別是87°,84°,84°,86°,表明該斷層為順層滑動的純逆彎滑斷層。
(3)在四道溝和五道溝之間橫跨陡坎F3開挖的探槽T1剖面(圖4)揭示了該陡坎為彎滑斷層陡坎。F3a和F3b為F3的分支斷層,沿斷層面向下與F3相交。F3、F3a和F3b產(chǎn)狀分別為170°∠48°、170°∠21°和170°∠20°。探槽共揭示出2次古地震事件:第1次事件為F3活動斷錯河流階地堆積A形成反向坎,在坎前堆積了B和C;第2次事件為F3再次活動,錯斷了B和C,并形成斷層F3a和F3b,之后堆積了D。F3最近一次活動的垂直位移為0.9m,傾滑位移為1.2m。
表1 明堯勒背斜活動彎滑斷層的相關(guān)參數(shù)Table1 Parameters of the active flexural-slip faults in Mingyaole anticline
圖4 橫跨彎滑斷層陡坎F3的探槽T1西壁剖面(鏡向W)Fig.4 Geological section of trench T1(view to west).
利用實(shí)測的彎滑斷層陡坎地形剖面和斷層產(chǎn)狀,計算獲得了各活動彎滑斷層的地表垂直斷距、斷坎最大坡度、上、下盤階地面坡度、斷層傾滑位移、垂直位移、水平位移等參數(shù)(計算方法見楊曉東,2013)。
背斜活動軸面i向東延伸至喀浪勾律克河?xùn)|岸,在該軸面以北的陡傾等斜巖區(qū)阿圖什組主要由中厚層砂巖、粉砂巖組成,相鄰巖層間力學(xué)性質(zhì)差異較小。該處T7階地上發(fā)育8條近平行排列的彎滑斷層陡坎(圖1b,圖6,自南向北依次為 SF1、SF2、SF3、SF4、SF5、SF6、SF7和SF8),斷層帶總寬度約540m,斷層與下伏地層產(chǎn)狀一致,走向69°~75°,傾角52°~60°。該斷坎帶分布在距軸面260~810m的范圍內(nèi)。斷坎間距大致可分為2組,一組斷坎間距約為103m,另一組斷坎間距約為58m,斷坎以寬間距與窄間距交替產(chǎn)出(表1,圖6,圖5實(shí)測剖面P2)。斷坎坡向N(與階地面坡向相反),坎高0.3~2.5m,長40~350m(表1)。
與明堯勒背斜南翼克孜勒蘇河北岸的彎滑斷層類似,這8條彎滑斷層是由于軸面i的持續(xù)活動,為調(diào)節(jié)該軸面兩側(cè)不同部位褶皺變形的應(yīng)變差異而形成。
圖5 橫跨彎滑斷層陡坎實(shí)測地形剖面(剖面位置見圖4,8,9,10)Fig.5 Surveyed topographic profiles of the flexural slip fault scarps.
在明堯勒背斜北翼近核部,主要為烏恰群下部的厚層塊狀砂巖夾粉砂巖層,地層產(chǎn)狀變化復(fù)雜,走向99°~125°,由北向南,地層傾角在軸面d以北為42°~47°,在軸面d以南突變?yōu)?8°~20°;再向南在軸面e以南突變?yōu)?°~10°。由于背斜的持續(xù)活動,此處喀浪勾律克河?xùn)|岸河流階地面T7發(fā)生向N的反向掀斜,與河流流向相反(陳杰等,2005;Scharer et al.,2006),階地面總體N傾,坡度高達(dá)8.1°~9.2°(圖5地形剖面P3)。在T7階地面上褶皺軸面e以南的18°~20°等斜巖區(qū),發(fā)育3條活動彎滑斷層陡坎,自北向南依次為CF1、CF2和CF3(圖1c,圖7,實(shí)測剖面見圖5中P3)。值得注意的是,這3條斷層陡坎在平面上相互間并不平行排列,而是呈向W收斂,向E撒開狀展布,總體上與軸線e的展布一致,反映了背斜核部向SEE的傾伏。斷坎坡向S,最大坡度26.4°,坎高1.2~5.6m,長80~145m(表1)。斷坎帶總體寬約110m,分布在距軸線e 90~200m的范圍內(nèi),斷坎間近等間距,間距約53m。
圖6 明堯勒背斜南翼喀浪勾律克河谷及東岸階地上的彎滑斷層陡坎空間展布圖Fig.6 Overview map of flexural slip fault scarps at the south limb of Mingyaole anticline,east of Kalanggouluke River.
在明堯勒背斜北翼,喀浪勾律克河兩岸河流階地均發(fā)生了向北的反向掀斜,階地越老掀斜角度越大(陳杰等,2005;Scharer et al.,2006)。阿圖什組地層產(chǎn)狀在活動軸面b以北的等斜巖區(qū)為25°~35°,在軸面b以南突變?yōu)?4°~89°。此處的阿圖什組主要為厚層塊狀中粗粒砂巖夾薄層細(xì)礫巖,層厚0.3~3m。在軸面b以南的陡傾等斜巖區(qū),不同時代河流階地上均發(fā)育了活動彎滑斷層陡坎(圖1d,圖8)。
河?xùn)|岸高階地T3拔河高度約65m。該階地面上發(fā)育4條反向的彎滑斷層陡坎(自北向南依次為NF1、NF2、NF3和NF4,見圖5中P4)。該斷層帶總體寬120m,分布在距軸面b 220~340m的范圍內(nèi)。彎滑斷層NF1—NF3坎間距分別是11m、10m,等距產(chǎn)出,而NF3與NF4間距約86m,是NF1—NF3坎間距的8倍左右;斷層產(chǎn)狀與下伏基巖地層一致,斷坎坡向S(與階地面坡向相反,階地面坡向N,坡度1.6°),最大坡度2.2°~17.6°,坎高0.5°~2.5m,長40~180m(表 1)。
圖7 明堯勒背斜北翼近核部喀浪勾律克河?xùn)|岸T7階地上的彎滑斷層陡坎空間展布圖Fig.7 Overview map of flexural slip fault scarps on terrace T7near the core,at the north limb of Mingyaole anticline,east of Kalanggouluke River.
圖8 明堯勒背斜北翼喀浪勾律克河兩岸的彎滑斷層陡坎空間展布圖Fig.8 Overview map of flexural slip fault scarps at the valley of Kalanggouluke River,at the north limb of Mingyaole anticline.
河西岸發(fā)育T1和T2階地,低階地T1拔河高度8~15m,T2階地拔河高度23~29m。T1階地面上發(fā)育4條反向的彎滑斷層陡坎(自北向南依次為NF8、NF9、NF10和NF11),斷坎規(guī)模遠(yuǎn)小于東岸。該斷坎帶總體寬370m,分布在距軸面b 850~1220m的范圍內(nèi),斷層陡坎NF5、NF8—NF10幾乎是等間距排列的,間距為83~92m,NF10與NF11間距為185m,約是NF8—NF10等間距的2倍。斷坎走向與下伏基巖地層一致,坡向S,坡度1.8°~10.3°,坎高0.6~1.5m,長60~470m(表1)。T2階地面上發(fā)育3條反向的彎滑斷層陡坎(自北向南依次為NF5、NF6和NF7;見圖5中P5),斷坎規(guī)模大于T1階地。該斷坎帶總體寬90m,分布在距軸面b 700~790m的范圍內(nèi),斷坎間距相對較小,為32~47m,斷層產(chǎn)狀與下伏基巖地層一致,斷坎坡向S(與階地面坡向相反,階地面坡向N,坡度2.5°),坡度2.6°~11.2°,坎高0.1~1.1m,長120~840m(表1)。其中NF5斷坎在T1和T2階地均發(fā)育,但在T2階地上的規(guī)模大一些。
Sanz等(2008)認(rèn)為,當(dāng)發(fā)生褶皺的相鄰地層力學(xué)性質(zhì)差異較大時(r>2;r=E1/E2,E表示地層的變形模量),大量的褶皺變形被軟弱層(力學(xué)性質(zhì)較弱的地層)所吸收,彎滑作用發(fā)育較弱,不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的彎滑斷層;當(dāng)相鄰地層力學(xué)性質(zhì)差異較小時(0.5<r<2),彎滑作用強(qiáng)烈,層間剪應(yīng)力大于內(nèi)聚力和摩擦強(qiáng)度而產(chǎn)生彎滑斷層。利用有限元方法模擬不對稱背斜褶皺過程中沿同一層面兩翼不同部位的彎滑斷層變形過程(圖9),Sanz等(2008)發(fā)現(xiàn),彎滑斷層最先在地層陡傾一翼的中部形成。每一翼中部彎滑斷層形成最早且滑動量最大,彎滑斷層隨后向兩側(cè)傳播,其滑動量向兩側(cè)衰減直到為零,呈正弦波形。彎滑斷層在地層陡傾翼的最大滑動量大于地層較緩翼的最大滑動量。
圖9 沿褶皺層面順層滑動的演化和空間變化(改自Sanz et al.,2008)Fig.9 Evolution and spatial variation of slip along bottom bedding surface(after Sanz et al.,2008).
明堯勒背斜活動彎滑斷層陡坎僅發(fā)育在現(xiàn)今仍在活動的褶皺軸面b、e和i附近的較陡等斜巖區(qū)(圖1),地層傾角分別為 74°~89°、18°~20°和 45°~60°,翼間角分別為 147°、168°和128°。這可能是由于在這3個軸面附近的地層以力學(xué)性質(zhì)近似的中-厚層砂巖、粉砂巖層為主,幾乎不含力學(xué)性質(zhì)較弱的泥質(zhì)巖層,這與Sanz等(2008)的模擬結(jié)果是一致的。
從表1可以看出,明堯勒背斜的活動彎滑斷層陡坎寬90~1000m,主要發(fā)育在距活動軸面50~1200m寬范圍內(nèi)。彎滑斷層的產(chǎn)出位置主要受下伏地層巖石力學(xué)性質(zhì)控制(Sanz et al.,2008)。當(dāng)下伏巖石力學(xué)性質(zhì)近似的基巖地層以等厚或者層厚倍數(shù)關(guān)系變化時,彎滑斷層陡坎也以等間距或者間距倍數(shù)關(guān)系產(chǎn)出。例如,位于背斜南翼T3階地上的彎滑斷層陡坎F1—F6以約18m的等間距產(chǎn)出;東南翼T7階地上SF1—SF7是以103m和58m的寬、窄等間距交替產(chǎn)出;北翼核部T7階地上CF1—CF3以約54m的等間距產(chǎn)出。
在背斜北翼軸面b附近,除NF5在T1、T2階地面上均有發(fā)育外,彎滑斷層陡坎發(fā)育的位置、斷坎間距均不同,這可能反映了彎滑斷層的活動具有重復(fù)性和新生性,其中高階地面T3的彎滑斷層NF1—NF3以約11m的等間距產(chǎn)出,而NF3與NF4的間距85m約是前者的8倍;T2階地上NF5—NF7以約40m的等間距產(chǎn)出;T1階地上NF8—NF10以約97m的等間距產(chǎn)出,NF11與NF10的間距185m約是前者的2倍。
橫跨斷坎的槽探和實(shí)測地形剖面表明,部分彎滑斷層陡坎是多次斷層滑動事件形成的,具有重復(fù)活動的特點(diǎn)。
總體而言,發(fā)育在活動軸面b、e和i附近的彎滑斷層滑動量大、斷層坎高,隨著離軸線的距離加大逐漸變小。例如,明勒背斜南翼克孜勒蘇河北岸河流階地的彎滑斷層F3—F6,斷層傾滑位移、垂直位移和水平位移、基座垂直斷距表現(xiàn)出隨著遠(yuǎn)離活動軸面依次遞減的規(guī)律。因?yàn)镕3最靠近活動軸面i,地層曲率最大,彎滑斷層的滑動量也最大。背斜南翼SF1—SF8總體也表現(xiàn)出隨著遠(yuǎn)離活動軸面彎滑斷層陡坎高度依次減小的趨勢。
明堯勒背斜南翼克孜勒蘇河北岸河流階地(下文簡稱A)發(fā)育的6條緊密排列的彎滑斷層陡坎中,F(xiàn)3、F4、F5和F6斷層兩盤基座垂直斷距大于階地面垂直斷距(表1),表明彎滑斷層在該階地面形成前已在活動,具有原地重復(fù)活動的特點(diǎn)。該處T3階地面形成以來單條彎滑斷層的地表最大水平縮短量為2.5m,最大垂直位移為2.7m。Thompson等(2013)采用階地面深度剖面(Depth profile)法宇宙成因核素10Be測年獲得T3階地面的暴露年齡為(8.0±1.1)ka,由此估算該階地面形成以來彎滑斷層吸收的縮短速率為0.31mm/a,最大抬升速率為0.34mm/a。
明堯勒背斜南翼喀浪勾律克河?xùn)|岸T7階地(下文簡稱B)形成以來彎滑斷層的地表最大水平縮短量為1.5m,最大垂直位移為2.6m,比背斜同一軸面西側(cè)A處的偏小。主要原因是B處活動軸面附近階地遭受嚴(yán)重侵蝕,致使最靠近活動軸面的彎滑斷層陡坎被剝蝕殆盡。此外,在A處,彎滑斷層陡坎緊密排列,斷層帶寬度僅90m左右,強(qiáng)烈變形被局部較小區(qū)域所吸收。在B處,斷坎帶寬度約540m,是A處的6倍,同一軸面的活動變形在B處被較大區(qū)域所吸收,部分層面的滑動量不足以在階地面形成斷層陡坎。當(dāng)然,也不排除A處彎滑作用比B處的要強(qiáng)。
背斜北翼活動軸面b附近發(fā)育的彎滑斷層陡坎情況也類似,但總的變形量要略大于背斜南翼的彎滑斷層,這是由于背斜北翼地層較南翼陡造成的。此外,發(fā)育在不同河流階地上的斷坎規(guī)模不同,在背斜北翼軸面b附近,明堯勒背斜北翼喀浪勾律克河兩岸不同河流階地上(下文簡稱D)共發(fā)育11條彎滑斷層反向陡坎,階地越老彎滑斷層陡坎規(guī)模越大。其中,T3階地形成以來,彎滑斷層水平縮短(2.2±0.4)m,垂直抬升(5.1±0.4)m;T2階地形成以來,彎滑斷層水平縮短(0.7±0.3)m,垂直抬升(2.3±0.3)m,T1階地形成以來,彎滑斷層水平縮短(1.2±0.3)m,垂直抬升(3.2±0.3)m。各階地垂直抬升約是水平縮短的2~3倍。T2階地上的部分彎滑斷層陡坎已被剝蝕破壞,導(dǎo)致彎滑斷層變形量略小于T1階地。
上述彎滑斷層陡坎均由向形軸面的活動形成(圖1),與此不同的是,背斜核部軸面e附近發(fā)育的彎滑斷層陡坎是由背形軸面活動產(chǎn)生。在階地面T7形成以來彎滑斷層的水平縮短為(8.3±0.7)m,垂直抬升為(7.9±0.7)m。彎滑斷層陡坎兩側(cè)的階地面均發(fā)生強(qiáng)烈的向N反向掀斜,坡度高達(dá)8.1°~9.2°(圖5地形剖面P3)。斷坎總的縮短量與背斜南翼A處類似,但要大于北翼的總縮短量。
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