大涼山斷裂帶北段東支——竹馬斷裂晚第四紀(jì)活動性

孫浩越 何宏林 魏占玉 高 偉

(中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 100029)

0 引言

由于印度板塊向北運(yùn)動與歐亞板塊發(fā)生強(qiáng)烈的陸－陸碰撞，青藏高原成為中國大陸新構(gòu)造期間隆升最強(qiáng)烈的地區(qū)。近年來的GPS觀測結(jié)果顯示，青藏高原的地殼水平縮短速率從喜馬拉雅地區(qū)的近40～50mm/a向北逐漸減小(Chen et al.，2000;Wang et al.，2001;Zhang et al.，2004;Gan et al.，2007)，該速率上的虧損主要轉(zhuǎn)換為高原內(nèi)部的構(gòu)造塊體沿大型走滑斷裂帶的向東擠出(Molnar et al.，1975;Tapponnier et al.，1977;Peltzer et al.，1996;Zhang et al.，2004)。

圖1 研究區(qū)斷裂分布圖(修改自He et al.，2008a)Fig.1 Spatial distribution of faults in the study area(after He et al.，2008a).

鮮水河－小江斷裂系就是這樣一條大型走滑斷裂帶，它發(fā)育于青藏高原東南緣，是川滇菱形塊體的NE邊界，由三大段落組成:南、北段結(jié)構(gòu)相對簡單的小江斷裂帶和鮮水河斷裂帶;中段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈紡錘狀展布的西支安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶，及東支大涼山斷裂帶(Zhang et al.，2004;鄧起東等，2004;He et al.，2006，2008a)(圖1)。青藏高原南東塊體沿該弧形的斷裂系以喜馬拉雅碰撞帶東構(gòu)造節(jié)為中心作順時針旋轉(zhuǎn)(Armijo et al.，1986，1989;Wang et al.，1998;He et al.，2006，2008a)，并獲得了GPS觀測數(shù)據(jù)的支持(Chen et al.，2000;Wang et al.，2001;Burchfiel，2004;Shen et al.，2005;Gan et al.，2007;Wang et al.，2008)。鮮水河－小江斷裂系中段西支的安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶都是活動強(qiáng)烈的左旋走滑斷裂帶，在全新世都發(fā)生過多次7級以上的大地震(任金衛(wèi)等，1994;Wang et al.，1998;宋方敏等，1998;He et al.，1999，2002，2006，2007，2008b;周榮軍等，2001;Ran et al.，2008;Wang et al.，2013)，但是在中段東支的大涼山斷裂帶上卻沒有7級以上地震的記載。大涼山斷裂帶實(shí)際上是一條新生的斷裂帶，是青藏高原東南塊體的順時針旋轉(zhuǎn)在鮮水河－小江斷裂系中段引起的“裁彎取直”作用的結(jié)果，它的產(chǎn)生在幾何結(jié)構(gòu)上正好填補(bǔ)了該弧形斷裂系中段安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶形成的反向缺口，使整個斷裂系成為一個與青藏高原東南塊體順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相一致的完整的弧形構(gòu)造(He et al.，2008a)。那么，新生的大涼山斷裂帶的活動性如何?發(fā)生過破壞性大地震嗎?自20世紀(jì)90年代初以來陸續(xù)有一些研究關(guān)注大涼山斷裂帶(唐榮昌等，1993;申旭輝等，2000;宋方敏等，2002;周榮軍等，2003;韓渭賓等，2005;He et al.，2008a;魏占玉等，2012)，也獲得一些重要的認(rèn)識，但是仍然存在一些較大的不確定性，缺乏較為全面和較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，特別是斷裂帶北段的幾條分支斷裂還缺乏較為準(zhǔn)確的滑動速率和古地震的定量認(rèn)識。

1 竹馬斷裂概況

大涼山斷裂帶由6條斜列的斷裂構(gòu)成(圖1a)。竹馬斷裂是斷裂帶北段的東支斷裂，北端在石棉縣安順場以北與鮮水河斷裂帶和安寧河斷裂帶交會，向南經(jīng)石棉縣城、迴隆鄉(xiāng)、竹馬延至越西縣梅花鄉(xiāng)附近。梅花鄉(xiāng)以南，斷層在地表的形跡不再明顯。斷裂總體走向NNW－SSE，全長近65km(圖1b)。

斷裂在石棉縣城附近發(fā)育在早震旦紀(jì)的花崗巖和震旦紀(jì)地層中。廣元堡和葉坪村附近，在斷層的東盤和西盤分別發(fā)育2個石棉礦，二者相距約7km。Wang等(1998)認(rèn)為，兩處石棉礦實(shí)際為相同的一套輝長巖和超基性巖體被竹馬斷裂左旋位錯所致(圖2)，顯示了竹馬斷裂形成以來的左旋走滑運(yùn)動方式以及總的位錯量。He等(2008a)沿竹馬斷裂將位錯水系和地質(zhì)體分別進(jìn)行恢復(fù)，各自得出該斷裂的左旋位錯量在7km左右，由此認(rèn)為其左旋走滑活動的起始時間應(yīng)該晚于大渡河水系的形成年代，或該水系一級支流的形成年代。

圖2 石棉附近地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological map at Shimian County.

2 斷裂活動性研究

竹馬斷裂在縣城以南主要沿南椏河及竹馬河河谷延伸，由于第四系地層和地貌不發(fā)育，故該斷裂在晚第四紀(jì)以來是否活動的地表形跡并不清楚，其空間展布也缺少統(tǒng)一的認(rèn)識。在對航、衛(wèi)片進(jìn)行細(xì)致解讀和野外考察的基礎(chǔ)上，文中選取了典型的構(gòu)造地貌點(diǎn)進(jìn)行研究，利用差分GPS測量儀器對斷錯地貌進(jìn)行高精度測量，結(jié)合地層和地貌面的年代測定來限定斷裂的滑動速率，以及通過探槽技術(shù)了解古地震歷史，從而獲得竹馬斷裂晚第四紀(jì)以來的活動性。本研究的測年樣品均在中國地震局地質(zhì)研究所光釋光實(shí)驗(yàn)室測定完成。

2.1 竹馬盆地

竹馬盆地位于竹馬埡口北側(cè)，竹馬河的上游，是一個受斷層控制的斷陷盆地。盆地整體呈三角形，竹馬河流入盆地后流向發(fā)生變化，水動力迅速減弱，大量碎屑物質(zhì)沉積下來，構(gòu)成盆地的主體沉積。斷裂從盆地的東北邊緣切過，控制著基巖山與第四紀(jì)沉積物的界線，使得盆地邊界呈現(xiàn)出很明顯的線性特征。在盆地邊緣，山間的支流在出山口發(fā)育一些老的沖洪積臺地，主要分布在盆地的東北側(cè)和西側(cè)(圖3)。

在盆地東側(cè)的拉呷堡，臺地被斷層切過，使臺地發(fā)生顯著的左旋位錯并留下了一條斷層陡坎(圖4)。在臺地的兩側(cè)各有一條SW向的河流，臺地的西北側(cè)邊界在斷層以南的部分被錯離河道后受到保護(hù)而不再受到流水侵蝕，而東南側(cè)邊界在斷層以南的部分則被錯入河道遭受流水的侵蝕而后退變緩，因此累積的左旋位錯量在沖洪積扇體的北側(cè)邊界保存得更加完整。通過高精度差分GPS測量，測得扇體北側(cè)的左旋位錯量為(16±0.5)m，斷層坎的最大垂直高度為(3.8±0.2)m(圖4)。根據(jù)臺地上覆的砂黏土層底部的光釋光測年結(jié)果，其形成年代為(10.4±1.3)ka。據(jù)此可以獲得斷裂在該處全新世以來的平均左旋滑動速率約為1.5mm/a，垂直滑動速率約為0.4mm/a。

根據(jù)臺地沉積物的物性特征可以看出，這些沉積物發(fā)育一定的層理，但是又夾雜大量的混雜堆積，既非典型的沖積成因，也非典型的洪積成因，而是二者的混合類型。Gasse等(1991)和鄭綿平等(2012)在青藏高原不同地區(qū)根據(jù)碳酸鹽、介形類、輪藻類的碳、氧穩(wěn)定同位素值與微體古生物群落生態(tài)特征等提供的環(huán)境氣候變化指標(biāo)，認(rèn)為大約為11 000～10 400a BP，青藏高原經(jīng)歷了一期干冷氣候，并進(jìn)一步指出該次冷事件與新仙女木事件密切相關(guān);在10 000a BP之后，氣溫開始回升，與末次冰消期同步。這些研究證明新仙女木冷事件廣泛地影響了整個青藏高原地區(qū)(Lister et al.，1991)。竹馬盆地邊緣發(fā)育的這些沖洪積臺地的形成年代恰好緊隨著新仙女木事件，再加上其沉積特征，可以認(rèn)為這些臺地是新仙女木事件后，末次冰消期的冰川融水形成的冰水堆積臺地。由于新仙女木事件是一次影響全球的氣候冷事件，整個青藏高原東南緣可能都廣泛發(fā)育該事件后的冰水堆積。

2.2 陡坎子

陡坎子位于竹馬河的中下游。通過對航片的解譯和實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)此處發(fā)育一個大型的沖洪積扇臺地，扇體上發(fā)育一條深切約2m的沖溝，斷層的活動使沖溝發(fā)生明顯的左旋偏轉(zhuǎn)(圖5 a)。對洪積扇進(jìn)行精細(xì)的測量后，得到?jīng)_溝的左旋位錯量為(30±0.5)m(圖5b)。

圖3 竹馬盆地地貌Fig.3 The landforms at Zhuma Basin.

圖4 拉呷堡實(shí)測地形及剖面Fig.4 Measured topographic map and profiles at Laxiabao.

圖5 陡坎子地貌及位錯沖溝實(shí)測平面圖Fig.5 The landforms and measured plan of displaced gully at Doukanzi.

通過對沖溝壁的開挖和清理，可以看出組成洪積扇臺地的物質(zhì)主要以花崗巖風(fēng)化的礫石和粗砂為主，分選性和磨圓度都很差，但略具層理，其沉積特征與洪積扇形成的位置及水動力環(huán)境有關(guān)。通過地層的斷錯關(guān)系，該剖面揭示了一條斷層，傾向E，角度較緩，由于兩側(cè)缺乏對應(yīng)地層，難以判斷斷層在垂直方向上的運(yùn)動方式(圖6)。由于扇體的物性特征，難以在斷層兩側(cè)的地層中采集到適合的測年樣品，因此利用在斷層西側(cè)的一套灰白色粗砂層中采集的光釋光樣品對斷層最新活動時間進(jìn)行限定(圖6 c)。根據(jù)測年結(jié)果，該套粗砂層的沉積年齡為(9.9±0.9)ka，其形成年代與拉呷堡的洪積臺地相當(dāng)，沉積物特征也相近，應(yīng)該都是形成于末次冰消期。由于沖溝的發(fā)育時間晚于扇體形成年代，且沖溝被斷層活動錯斷，因此可確定斷層在全新世以來在該段有過活動，同時結(jié)合實(shí)測的(30±0.5)m的累計(jì)位移量，也估算得斷裂全新世以來的平均左旋滑動速率約為3.1mm/a。

2.3 腳基坪

在葉坪村的腳基坪附近，斷層從基巖山山腰切過。由于斷裂長期的活動，該處發(fā)育了一些與斷裂活動相關(guān)的構(gòu)造地貌，如山脊鞍部、斷層槽谷等。這些構(gòu)造地形地貌的發(fā)育使山體的坡度在此處變緩，形成了被山間沖溝分割的小型坪壩。此外，斷層的水平走滑運(yùn)動也使一系列沖溝位錯從而發(fā)生左旋偏轉(zhuǎn)，還有一些沖溝則被錯開形成斷頭溝，通過位錯地形的復(fù)原可推測出該處的左旋位錯量約為450m(圖7)。

2.4 石龍村－回隆村

在石龍村一帶，斷層切入突出的基巖山中，在不同地方發(fā)育槽谷、斷層埡口和反向坎等斷層地貌，形成了一條約2.5km長，數(shù)百米寬的斷層槽谷地形(圖8a)。在石龍村的山梁上，形成的槽谷寬約400m，槽谷兩側(cè)山坡上的基巖風(fēng)化物在槽谷內(nèi)堆積形成第四系并被開墾為耕地，使斷層活動的痕跡被嚴(yán)重改造。往北還可見斷層活動留下的埡口(圖8b)和反向陡坎現(xiàn)象，位于回隆村的陡坎高達(dá)10m多(圖8c)。在黑林子，南椏河的一條支流發(fā)生近于直角的拐彎，并將帶來的碎屑物質(zhì)堆積成臺地，斷層的活動在臺地上留下了一個小型斷層槽谷(圖9a，b)。

圖6 陡坎子斷層剖面Fig.6 The outcrop of Zhuma Fault at Doukanzi.

圖7 腳基坪位錯地形和水系復(fù)原Fig.7 Restoration of offsets indicated by gullies at Jiaojiping.

圖8 石龍構(gòu)造地貌Fig.8 The landforms of several sites at Shilong.

為進(jìn)一步確定斷層的活動性，橫跨黑林子的斷層槽谷開挖了一個長約60m、寬6m、深6m的探槽。探槽揭示出了4條斷層，其分布形態(tài)顯示為典型的走滑斷層花狀構(gòu)造(圖9c)。揭示出來的地層一共有7層，除表層的耕作土層之外，其余地層都以砂和黏土為主，為花崗巖風(fēng)化產(chǎn)物。斷層F1近直立，是地層②和③的界限，在斷層上的小型負(fù)地形上還堆積了楔形地層④，該斷層沒有斷錯其上的地層⑤、⑥和⑦;斷層F2、F3和F4錯斷了層①、②、③和⑤，但是沒有造成地層⑤的頂部以及地層⑥和⑦發(fā)生變形。所以，根據(jù)地層②、④和⑤中OSL樣品的測年結(jié)果確定，竹馬斷層在(17.4±1.2)～(50.3±5.7)ka BP期間發(fā)生過2次斷錯事件，分別發(fā)生在(17.4±1.2)～＞30ka BP和30～(50.3±5.7)ka BP。

2.5 南椏河谷

竹馬斷層從回隆村往北延伸進(jìn)入了南椏河河谷。從回隆村至石棉縣城，河流兩岸發(fā)育了一些臺地，通過對影像的解譯，根據(jù)這些臺地的位置和展布形態(tài)，可以大致分為沖洪積扇和沖積階地2類:發(fā)生在支流出山口，呈扇形的高臺地為沖洪積扇;呈瘦長形態(tài)沿南椏河河谷展布，與南椏河支流無直接關(guān)系的為沖積階地(圖10a)。對這些臺地進(jìn)行詳細(xì)考察后，發(fā)現(xiàn)在順河村洪積扇上的一條河流發(fā)生了異常的左旋拐彎。由于河谷中適合耕作和居住的地方稀少，該洪積扇被改造為農(nóng)田，人為改造嚴(yán)重，洪積扇上沒有留下顯著的斷層活動痕跡。為了確定洪積扇是否受到斷層活動的影響，利用高精度差分GPS從扇頂向扇緣測量了4條地形剖面。4條剖面的結(jié)果都顯示出扇緣部分的地形相對于扇頂?shù)牡匦斡忻黠@的抬升，說明洪積扇受到了構(gòu)造活動的影響(圖10b)。在順河村以北，斷層一直沿山前延伸，并在石棉城西橫切突出的基巖山，使得山脊發(fā)生明顯的左旋位錯(圖10c)。

3 討論

圖9 黑林子地形地貌及探槽剖面Fig.9 The landforms and exposure of the trench at Heilinzi.

斷裂滑動速率是活動構(gòu)造定量研究的最重要參數(shù)之一，不僅可以直接應(yīng)用于活動構(gòu)造的地震危險(xiǎn)性預(yù)測和工程場地的地震安全性評價(jià)，可為地球動力學(xué)研究提供不可缺少的重要信息(張培震等，2008)。因此準(zhǔn)確的滑動速率的獲得就顯得尤為重要。張培震等(2008)認(rèn)為地貌面的位錯應(yīng)當(dāng)從地貌面被廢棄就開始積累，而地貌面的廢棄年代應(yīng)當(dāng)為地貌面的暴露年齡。沿竹馬斷裂發(fā)育的洪積扇由于耕作活動和植被覆蓋使得不可能測量其暴露年齡，因此采用洪積扇的沉積年齡作為地貌面的廢棄年齡，這會使估測的滑動速率值比實(shí)際值小。此外由于光釋光測年樣品的需要，樣品采集的層位也不在洪積扇的最表層，也使獲得的年齡值偏大，也在一定程度上使滑動速率偏小。因此，我們在竹馬盆地和陡坎子兩處獲得的左旋滑動速率估計(jì)值都應(yīng)該是最小值，實(shí)際速率要比估計(jì)值大。魏占玉等(2012)對大涼山斷裂帶南段的交際河斷裂和布拖斷裂的斷錯地貌進(jìn)行研究后，得出這2條斷裂的左旋走滑速率為2.5～4.5mm/a。本文的目標(biāo)斷層——竹馬斷裂作為大涼山斷裂帶的北段分支之一，1.5～3.1mm/a的走滑速率要低于南段滑動速率，但考慮到除了竹馬斷裂外，該段另一條并行的晚更新世活動的公益海斷裂也具有一定量的運(yùn)動速率(圖11)，因此認(rèn)為大涼山斷裂帶南段和北段的滑動速率基本一致。最新的GPS觀測結(jié)果顯示大涼山斷裂帶上的左旋走滑速率為4mm/a(Shen et al.，2005)，與通過位錯地貌獲得的走滑速率相當(dāng)。

圖10 南椏河谷地形地貌Fig.10 The landforms along the Nanyahe River.

前人對鮮水河－小江斷裂系中段的安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，它們的滑動速率相對于北段的鮮水河斷裂帶和南段的小江斷裂帶存在明顯的虧損:鮮水河斷裂帶和小江斷裂帶的滑動速率在10mm/a左右(宋方敏等，1998;周榮軍等，2001)，而安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶的滑動速率在3～8.5mm/a(任金衛(wèi)等，1994;He et al.，2007，2008b;冉勇康等，2008)(圖11)。研究結(jié)果顯示，鮮水河－小江斷裂系在大涼山斷裂帶上所分配的滑動速率不亞于安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶，且斷裂系中段的滑動速率之和與南北兩段的速率大致吻合(圖11)。由于大涼山斷裂帶是青藏高原東南塊體順時針旋轉(zhuǎn)在弧形鮮水河－小江斷裂系的中段裁彎取直的結(jié)果(He et al.，2008a)，它的存在不僅在幾何結(jié)構(gòu)上填補(bǔ)了安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶形成的反向缺口，使整個斷裂系成為一個完整的弧形構(gòu)造，而且彌補(bǔ)了該段斷裂在滑動速率上的虧損量，使斷裂系各段的滑動保持協(xié)調(diào)一致。

此外，黑林子探槽揭示了竹馬斷裂2次斷錯事件，分別發(fā)生在(17.4±1.2)～＞30ka BP和30～(50.3±5.7)ka BP，也就是說在 17～50ka BP的34ka間發(fā)生了2次事件，而17ka BP以來沒有發(fā)生破裂事件，顯示的發(fā)震間隔可能在萬年以上。前述竹馬斷裂的活動速率最小值為1.5mm/a，如果按萬年地震復(fù)發(fā)間隔計(jì)算，一次地震的最大走滑同震位移量至少為15m。這個估計(jì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鮮水河－小江斷裂系上歷史地震記載的和古地震推測的量值，對于新生的大涼山斷裂帶上的分支斷裂而言，發(fā)生超出鮮水河－小江斷裂系其他斷裂的發(fā)震能力的可能性不高。因此黑林子探槽揭示的地震事件不完整，肯定存在沒有在此探槽中記錄到的地震事件，還需要更深入的古地震研究。

4 結(jié)論

通過對竹馬斷裂幾個典型構(gòu)造地貌點(diǎn)的野外調(diào)查和高精度GPS測量，結(jié)合地層和地貌面的測年、探槽手段得到如下認(rèn)識:

(1)竹馬斷裂在全新世以來活動強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為左旋走滑活動，兼具一定的傾滑分量。利用沖洪積扇臺地累積的位錯量和相應(yīng)的累計(jì)時間，約束竹馬斷裂全新世以來的水平滑動速率為1.5～3.1mm/a?？紤]到公益海斷裂的存在，大涼山斷裂帶北段的水平滑動速率與南段基本一致。結(jié)合GPS觀測結(jié)果，大涼山斷裂帶的左旋滑動速率定為3～4mm/a較為合適。

圖11 鮮水河－小江斷裂系滑動速率分布圖(修改自魏占玉等，2012)Fig.11 Distribution map of slip rates along the Xianshuihe-Xiaojiang Fault system(after Wei et al.，2012).

(2)鮮水河－小江斷裂系在大涼山斷裂帶上所分配的滑動速率不亞于安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶，且斷裂系中段的滑動速率之和與南北兩段的速率大致吻合。大涼山斷裂帶的存在不僅在幾何結(jié)構(gòu)上填補(bǔ)了安寧河斷裂帶和則木河斷裂帶形成的反向缺口，使整個斷裂系成為一個完整的弧形構(gòu)造，而且彌補(bǔ)了該段斷裂在滑動速率上的虧損量，使斷裂系各段的滑動保持協(xié)調(diào)一致。

(3)雖然在黑林子開挖的古地震探槽揭示了2次古地震事件，分別發(fā)生在(50.3±5.7)～30ka BP和30～(17.4±1.2)ka BP，但是明顯存在事件漏記的現(xiàn)象，還需要更深入的古地震研究。

(4)沿竹馬斷裂大量發(fā)育的沖洪積臺地，根據(jù)沉積特征和測年結(jié)果，認(rèn)為是新仙女木事件后末次冰消期的冰川融水形成的冰水堆積，類似的地貌面可能廣泛分布于青藏高原東南緣。