青藏高原中部五道梁-曲麻萊斷裂系西段晚第四紀(jì)滑動(dòng)速率厘定1

羅 浩 郭廣海 張 斌 王 繼 緱亞森 徐 偉 高戰(zhàn)武

1）中國(guó)地震災(zāi)害防御中心，北京 100029

2）中國(guó)石油天然氣股份有限公司西藏銷售分公司，拉薩，850000

引言

印度板塊與歐亞板塊碰撞后持續(xù)的北向推擠和俯沖作用導(dǎo)致了青藏高原的隆升，并形成不同活動(dòng)性質(zhì)的大型斷裂（Tapponnier 等，2001；Xu 等，2009；Luo 等，2019；羅浩等，2020）?？筛鶕?jù)大型走滑斷裂和逆斷裂將青藏高原劃分為多個(gè)活動(dòng)塊體（Deng 等，2003），其中，位于青藏高原中部的巴顏喀拉塊體邊界斷裂帶大震頻發(fā)，1997 年以來(lái)曾發(fā)生大于7 級(jí)的地震8 次，2001 年昆侖山口8.1 級(jí)地震為近年來(lái)我國(guó)大陸發(fā)生的最大地震（Xu 等，2002），2008 年汶川8.0 級(jí)地震和2010 年玉樹(shù)7.1 級(jí)地震造成了巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失（Xu 等，2009；Lin 等，2011），最近一次強(qiáng)震為2021 年5 月22 日瑪多縣7.4 級(jí)地震。

絕大部分7 級(jí)以上地震雖發(fā)生在活動(dòng)塊體邊界，但位于活動(dòng)塊體內(nèi)部的次級(jí)活動(dòng)斷裂也有發(fā)生7 級(jí)以上地震的可能（鄧起東等，2003）。五道梁-曲麻萊斷裂系位于巴顏喀拉塊體內(nèi)部，由2 條近平行的斷裂組成，在斷裂西段稱為五道梁南山南緣斷裂和五道梁南山北緣斷裂。由于該斷裂系地處青藏高原腹地，關(guān)于其晚更新世以來(lái)活動(dòng)特征的研究較少。由Google earth 影像解譯和青藏公路兩側(cè)的五道梁南山斷裂系野外考察可知，該斷裂系所處地區(qū)發(fā)育多排斷層陡坎。通過(guò)開(kāi)展斷錯(cuò)地貌分析、光釋光樣品采集和測(cè)試等工作，限定了斷裂系滑動(dòng)速率等參數(shù)，討論了研究區(qū)晚更新世以來(lái)可能的大震活動(dòng)特征，為研究區(qū)晚更新世以來(lái)斷裂活動(dòng)性研究提供參考。

1 研究區(qū)構(gòu)造概況

已有學(xué)者將青藏高原劃分為5 個(gè)活動(dòng)塊體，巴顏喀拉塊體位于青藏高原中部，由南側(cè)馬爾蓋查卡?玉樹(shù)?鮮水河斷裂、北側(cè)東昆侖斷裂、東側(cè)龍門山?岷山斷裂系和西側(cè)阿爾金斷裂西南段所圍限（鄧起東等，2003），整體表現(xiàn)為南東向的擠出（Zhang 等，2004）。與巴顏喀拉塊體幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性相匹配，塊體邊界大地震具有不同類型。巴顏喀拉塊體南、北兩側(cè)邊界斷裂以發(fā)生走滑型地震為主（Van Der Woerd 等，2000；Zhang 等2016，2018；Huang 等，2019）；東部邊界構(gòu)造帶上以發(fā)生擠壓型地震為主（Liu 等，2009；Xu 等，2009）；西側(cè)邊界為阿爾金斷裂西段拉張區(qū)，以發(fā)生正走滑型地震為主（Xu 等，2013；徐錫偉等，2017）。

五道梁-曲麻萊斷裂系是巴顏喀拉塊體中部1 條重要構(gòu)造帶，總體走向NWW，向東轉(zhuǎn)為NW 向。該構(gòu)造帶西起可可西里湖南側(cè)，向東經(jīng)五道梁、曲麻萊至清水河后進(jìn)入四川省石渠縣境內(nèi)，全長(zhǎng)約800 km（圖1）。斷裂帶形成于燕山期，新生代活動(dòng)顯著，切錯(cuò)了沿帶分布的新生代盆地。在曲麻萊、清水河等地可見(jiàn)上三疊統(tǒng)地層逆沖于第三系紅層之上。地貌上發(fā)育斷層崖、埡口和斷層谷，可見(jiàn)泉水沿?cái)嗔殉示€性分布。研究區(qū)內(nèi)五道梁-曲麻萊斷裂系2 條分支斷裂分別位于五道梁南山兩側(cè)，斷錯(cuò)了一系列洪積扇和河流階地。

圖1 五道梁南山及其周緣地區(qū)活動(dòng)斷層分布圖Fig. 1 Active faults map of the Wudaoliang and its adjacent regions

2 五道梁南山北緣斷裂

通過(guò)Google Earth 影像解譯，得到研究區(qū)內(nèi)五道梁南山北緣斷裂分布，如圖2 所示。該斷裂總體走向N80°W～N85°W，由東、西2 支次級(jí)斷層組成，以逆沖變形為主。在五道梁鎮(zhèn)南側(cè)構(gòu)成一小型階區(qū)，階區(qū)距寬約2.5 km。階區(qū)東側(cè)主要發(fā)育沿五道梁南山北緣展布的斷裂，階區(qū)西側(cè)洪積扇上發(fā)育2 條近似平行的斷裂，相距約600 m。

圖2 五道梁南山北緣斷裂分布圖Fig. 2 Faults along Northern margin fault of Wudaoliang southern mountain

在階區(qū)西側(cè)2 條近似平行的次級(jí)斷裂上各選擇1 個(gè)典型地貌進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍，獲取正射圖像和高精度DEM，如圖3（a）、3（b）所示，分辨率為20 cm。北側(cè)次級(jí)斷裂研究點(diǎn)位于二級(jí)洪積扇上，野外考察發(fā)現(xiàn)斷層陡坎受后期侵蝕作業(yè)在小范圍內(nèi)發(fā)生明顯彎曲，自由面新鮮，陡坎下部?jī)?nèi)凹，如圖3（c）所示。該地區(qū)位于可可西里腹地，植被以高原草甸為主。陡坎中上部地層植被根系發(fā)育，具有極強(qiáng)的水土保持能力，陡坎下部地層相對(duì)易受風(fēng)掏蝕作用。因此，該地區(qū)陡坎退化以中上部地層失穩(wěn)、重力垮塌為主，形成目前的陡坎發(fā)育特點(diǎn)，如圖3（c）所示。

基于高精度DEM 數(shù)據(jù)，垂直于斷裂提取2 條地形剖面（圖3（b））。剖面A?A′揭示該次級(jí)斷裂陡坎高度為3.6 m，如圖4（a）所示。剖面B?B′揭示斷層陡坎高度為3.8 m，如圖4（b）所示。人工清理的剖面揭示該洪積扇頂部以粉砂含粗礫沉積為主（圖3（d）），選擇光釋光測(cè)年方法作為地貌面定年手段，在據(jù)地表70 cm 的位置采集了光釋光樣品，并獲得其年齡為（14.38±1.52）ka，可推斷洪積扇的形成時(shí)代應(yīng)為（14.38±1.52）ka。根據(jù)采樣剖面沉積序列可知該洪積扇形成于玉木冰期之后，玉木冰期結(jié)束時(shí)代約為14 ka。因此將該洪積扇的形成時(shí)代定為（14.38±1.52）ka 較合適。結(jié)合2 條剖面獲得的陡坎高度，可知該次級(jí)斷裂垂直滑動(dòng)速率為（0.27±0.03）mm/a。

圖3 五道梁南山北緣斷裂北側(cè)次級(jí)斷裂斷錯(cuò)地貌特征Fig. 3 Displaced platform of northern secondary fault of the northern margin fault

圖4 五道梁南山北緣北側(cè)次級(jí)斷裂陡坎剖面Fig. 4 Scarp profiles of northern secondary fault of the northern margin fault

南側(cè)陡坎研究點(diǎn)位于一級(jí)洪積扇上，北緣斷裂在該洪積扇上形成明顯的線性陡坎（圖5），由長(zhǎng)度數(shù)十米至數(shù)百米的多個(gè)次級(jí)段落組成，單個(gè)段落走向100°左右，呈右階排列，階距數(shù)米至數(shù)十米?；贒EM 數(shù)據(jù)（分辨率為6 cm）獲取2 條垂直于陡坎的地形剖面，2 條剖面均顯示斷層陡坎的高度約為2.5 m（圖6）。

圖5 五道梁南山北緣南側(cè)斷裂斷錯(cuò)地貌Fig. 5 Displaced platform of southern secondary fault of the northern margin fault

圖6 五道梁南山北緣南側(cè)斷裂陡坎剖面Fig. 6 Topographic profiles of southern secondary fault of the northern margin fault

《青藏鐵路昆侖山口-桑雄段活動(dòng)斷層鑒定報(bào)告》顯示，某熱釋光樣品位于粉砂層中下部，年齡為（4.2±0.36）ka。該年齡應(yīng)略小于洪積扇形成年齡，基于此計(jì)算的滑動(dòng)速率可能偏大。結(jié)合陡坎高度得到南側(cè)次級(jí)斷裂垂直滑動(dòng)速率為（0.60±0.05）mm/a。北側(cè)次級(jí)斷裂在一級(jí)洪積扇上形成了斷層陡坎，可認(rèn)為2條次級(jí)斷裂在晚更新世以來(lái)同時(shí)活動(dòng)。因此，五道梁南山北緣斷裂滑動(dòng)速率應(yīng)為2 條次級(jí)斷裂速率的疊加，為（0.86±0.09）mm/a。

3 五道梁南山南緣斷裂

五道梁南山南緣斷裂位于五道梁南山南緣，西起貢冒日瑪山東麓，向東穿過(guò)青藏公路，沿五道梁山南緣止于白日榨加以東，總體走向N85°W，全長(zhǎng)>200 km，是五道梁南山南緣邊界斷裂。該斷裂北傾，具有逆斷層活動(dòng)性質(zhì)，主要表現(xiàn)為上三疊統(tǒng)深灰色板巖逆沖到漸新統(tǒng)紫紅色砂泥巖和第四系地層之上，斷裂控制了兩側(cè)的基本地貌格局，成為五道梁南山與其南部盆地之間的天然分界線，斷裂帶沿線可見(jiàn)斷層三角面等斷錯(cuò)地貌。

研究區(qū)內(nèi)五道梁南山南緣斷裂由幾條次級(jí)斷層右階排列組成，最大階區(qū)寬度可達(dá)1.5 km（圖7）。在青藏公路兩側(cè)保存有1 條十分清晰的斷層陡坎，總體走向近EW，斷錯(cuò)了公路兩側(cè)一、二級(jí)洪積扇（圖8）。兩級(jí)洪積扇面上覆蓋良好的草皮，較好地保存了原有斷層陡坎形狀（圖9）。垂直于斷層陡坎發(fā)育的小沖溝未見(jiàn)明顯左旋錯(cuò)動(dòng)。利用無(wú)人機(jī)對(duì)五道梁南山南緣斷裂兩級(jí)洪積扇斷錯(cuò)地貌進(jìn)行測(cè)量，得到該區(qū)域高精度DEM，分辨率為10 cm（圖8）?；贒EM 數(shù)據(jù)獲得了兩級(jí)洪積扇上垂直于斷層陡坎的4 條地形剖面，可知二級(jí)洪積扇上的陡坎高度為（3.3±0.1）m，一級(jí)洪積扇上的陡坎高度為（1.7±0.1）m（圖10）。在一級(jí)洪積扇粉砂沉積中下部采集了光釋光樣品，采樣深度為50 cm，獲得該洪積扇最小形成年代為距今（3.88±0.78）ka，該年齡略小于一級(jí)洪積扇形成時(shí)代。中國(guó)地震局工程地震研究中心曾采用熱釋光測(cè)年方法獲得二級(jí)洪積扇形成年代為（12.3±1.05）ka2中國(guó)地震局工程地震研究中心，2002. 青藏鐵路昆侖山口—桑雄、羊八井—拉薩地段活動(dòng)斷層鑒定報(bào)告。結(jié)合斷錯(cuò)地貌面形成時(shí)代和陡坎高度得到全新世中期以來(lái)斷裂垂直滑動(dòng)速率為（0.49±0.12）mm/a，晚更新世晚期以來(lái)斷裂垂直滑動(dòng)速率為（0.27±0.03）mm/a，平均滑動(dòng)速率為（0.43±0.19）mm/a。

圖7 五道梁南山南緣斷裂地表破裂帶分布圖Fig. 7 Faults along southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

圖8 五道梁南山南緣斷裂實(shí)測(cè)地貌特征Fig. 8 Displaced landform of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

圖9 五道梁南山南緣斷裂兩級(jí)洪積扇上地貌斷錯(cuò)特征Fig. 9 Displaced diluvial fans of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

圖10 五道梁南山南緣斷裂在兩級(jí)洪積扇上形成的陡坎縱剖面Fig. 10 Topographic profiles of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

4 討論

4.1 斷裂活動(dòng)特征

研究區(qū)五道梁南山南北兩側(cè)地貌近似，發(fā)育兩級(jí)洪積扇，一級(jí)洪積扇形成于全新世中期，二級(jí)洪積扇形成于晚更新世。兩側(cè)一級(jí)洪積扇上的陡坎高度分別為2.5、（1.7±0.1）m，二級(jí)洪積扇上陡坎高度分別為（3.7±0.1）（3.3±0.1）m?？梢?jiàn)五道梁南山兩側(cè)斷裂一、二級(jí)洪積扇上陡坎高度近似呈倍數(shù)關(guān)系，說(shuō)明二級(jí)洪積扇面上的陡坎可能為2 次或多次古地震事件疊加形成的復(fù)合陡坎。

在青藏高原地區(qū)，一般6.5 級(jí)以上的地震引發(fā)地表破裂（徐錫偉等，2017）。鄧起東等（1992）曾對(duì)中國(guó)及東亞地區(qū)地震地表破裂參數(shù)與震級(jí)的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在青藏高原逆斷裂活動(dòng)地區(qū)，垂直同震位移（D）與地震震級(jí)（M）的關(guān)系為：

如果認(rèn)為一級(jí)洪積扇上的陡坎由1 次古地震事件形成，推測(cè)五道梁南山兩側(cè)斷裂的最新地震活動(dòng)震級(jí)為7.2～7.4 級(jí)。如果認(rèn)為二級(jí)洪積扇上的陡坎由2 次古地震事件形成，則2 次古地震復(fù)發(fā)間隔為兩級(jí)洪積扇形成時(shí)代之差，可達(dá)8 000 余年。垂直滑動(dòng)速率全新世中期以來(lái)未明顯升高，可能由以下原因引起：（1）一級(jí)階地記錄的地質(zhì)時(shí)代時(shí)間較短，未能完整覆蓋古地震復(fù)發(fā)間隔，根據(jù)一級(jí)洪積扇斷錯(cuò)地貌獲取的滑動(dòng)速率偏大，晚更新世以來(lái)滑動(dòng)速率可能近似一致；（2）獲取的一級(jí)階地形成時(shí)代年齡偏小。

如果一級(jí)洪積扇上的陡坎由2 次古地震事件形成，則斷裂系最新地震活動(dòng)推測(cè)震級(jí)為6.9～7.1 級(jí)，全新世中期以來(lái)斷裂系大震復(fù)發(fā)周期可能為2 000～3 000 年，垂直滑動(dòng)速率具有增高的趨勢(shì)。

無(wú)論一級(jí)洪積扇上的陡坎是由1 次還是2 次古地震事件形成，五道梁南山斷裂系大震復(fù)發(fā)周期均較長(zhǎng)，說(shuō)明巴顏喀拉塊體內(nèi)部活動(dòng)斷層變形速率雖較低，仍可觸發(fā)長(zhǎng)復(fù)發(fā)間隔7 級(jí)以上強(qiáng)震。

4.2 區(qū)域構(gòu)造變形特征

五道梁南山北緣斷裂形成于38.2～31.0 Ma（朱利東，2004），切割深度>60 km，為巖石圈深斷裂帶

（謝成良等，2012）。五道梁南山南緣斷裂為北緣斷裂分支斷裂，共同組成y 字形斷裂系，控制五道梁南山的隆起。基于影像解譯，沿五道梁南山南緣和北緣斷裂未發(fā)現(xiàn)沖溝或階地，顯示出連續(xù)的左旋走滑特征，斷裂雖存在一定的左旋走滑分量，可能是因?yàn)閿嗔严祷顒?dòng)較弱，左旋位移受后期侵蝕而消失。該斷裂系位于巴顏喀拉塊體內(nèi)部，在其西側(cè)未形成明顯的拉分盆地，因此可認(rèn)為斷裂系西段以逆沖活動(dòng)為主。位于巴顏喀拉塊體南、北邊界的東昆侖斷裂和甘孜?玉樹(shù)斷裂以左旋走滑為主，說(shuō)明青藏高原側(cè)向擠出主要集中于構(gòu)成活動(dòng)塊體邊界的大型斷裂帶，而位于其內(nèi)部的次級(jí)斷裂承擔(dān)了青藏高原近南、北向縮短分量，未大規(guī)模承擔(dān)高原側(cè)向擠出活動(dòng)。

五道梁南山斷裂系擠壓速率可按下式計(jì)算：

其中：θ表示斷層傾角；V表示垂直滑動(dòng)速率；H表示水平擠壓速率。開(kāi)挖探槽揭示了五道梁南山北緣斷裂近地表傾角平均為60°3中國(guó)地震局工程地震研究中心，2002. 青藏鐵路昆侖山口—桑雄、羊八井—拉薩地段活動(dòng)斷層鑒定報(bào)告，大地電磁測(cè)深剖面揭示該斷裂傾角同樣約為60°（謝成良等，2012）。本研究未獲得南緣斷裂傾角，參照北緣斷裂傾角60°進(jìn)行計(jì)算?；讷@得的2 條斷裂垂直速率，可判斷南、北緣斷裂縮短速率分別為（0.25±0.11）（0.50±0.05）mm/a，五道梁南山斷裂系吸收青藏高原南、北向總縮短速率為（0.75±0.16）mm/a。

5 結(jié)論

（1）基于高分辨率衛(wèi)星影像解譯，發(fā)現(xiàn)五道梁-曲麻萊斷裂系西段由2 支次級(jí)斷裂組成，分別位于五道梁南山南、北兩側(cè)，以逆斷層活動(dòng)為主。五道梁南山北緣斷裂為主斷裂，與南緣斷裂組成y 字形斷裂系，共同控制了五道梁南山的隆起。

（2）五道梁-曲麻萊斷裂系西段以逆沖活動(dòng)為主，結(jié)合洪積扇斷錯(cuò)地貌分析和光釋光測(cè)年結(jié)果，可知五道梁南山南、北緣斷裂縮短速率分別為（0.25±0.11）（0.50±0.05）mm/a，。

（3）基于經(jīng)驗(yàn)公式和斷錯(cuò)地貌推測(cè)可知，南、北緣斷裂可能曾發(fā)生7.2～7.4 級(jí)地震，大震復(fù)發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)8 000 余年；如果一級(jí)洪積扇上的陡坎由2 次古地震事件形成，則斷裂系最新地震活動(dòng)推測(cè)震級(jí)為6.9～7.1 級(jí)，全新世中期以來(lái)斷裂系大震復(fù)發(fā)周期可能為2 000～3 000 年，滑動(dòng)速率可能具有升高趨勢(shì)。