四川威遠地區(qū)地震活動與地質(zhì)條件的關(guān)系

可 以, 孫 瑋, 李澤奇, 鄧 賓, 汪玉貞, 何若瑋

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

四川盆地威遠背斜是盆地內(nèi)西南部海拔最高、規(guī)模最大的地表構(gòu)造，其深層燈影組氣田曾是中國最大的天然氣田。威遠背斜的地貌特征非常特殊，地表表現(xiàn)為長軸北東向的不對稱橢圓形大型穹窿構(gòu)造，在背斜核部出露最老地層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組，主體為上三疊統(tǒng)須家河組，兩翼最新地層為侏羅系(圖1)。該構(gòu)造在四川盆地西南地區(qū)地貌上表現(xiàn)為獨立的山地地貌，向西南與盆地邊界斷續(xù)相連，地表斷層發(fā)育。該構(gòu)造在歷史上雖有地震的發(fā)生，頻率不高而且震級不大,但近年來威遠地區(qū)地震頻率有明顯的增長。因此對其地震活動發(fā)生的地質(zhì)控制因素和構(gòu)造活動性需要有精細的研究，需要對深層構(gòu)造地質(zhì)特征，特別是發(fā)震斷層的特征有準確的刻畫，并對地震與其關(guān)系進行深入分析，以此對未來該區(qū)地震災(zāi)害做出有效的預(yù)測和預(yù)防，更好提高防震減災(zāi)的功效。

1 地表地貌及地震活動特征

威遠背斜位于四川盆地西南部，地表表現(xiàn)為長軸北東向的不對稱橢圓形大型穹窿構(gòu)造(東南邊界形態(tài)為線狀)[1-2]。利用GIS和地球物理資料可以發(fā)現(xiàn)，威遠背斜的地貌在盆地西南地區(qū)“一枝獨秀”，背斜構(gòu)造非常明顯，構(gòu)造與地貌正相關(guān)，為正向地貌，是四川盆地內(nèi)最容易識別的構(gòu)造地貌單元之一。而且其海拔高度也是龍泉山與華鎣山之間最高的，形態(tài)極其特殊，距盆緣又有一定的距離(圖2)。

威遠背斜的這種非常特殊的穹窿地貌從形態(tài)學(xué)來講形似半圓周，其北西翼更像是一個圓弧，而南東翼則為這個圓弧的弦；用封閉切線表示則為一個等腰三角形，東南翼為三角形的斜邊，邊長約61.2 km，兩個近等腰邊的長度分別為43.9 km和44.1 km(圖1)。其北西為龍泉山背斜，向東和南部則為平原地貌。

依據(jù)威遠地區(qū)自2009年至2020年有記錄的地震數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來自中國地震臺網(wǎng)CNEC，http://www.cenc.ac.cn/)，對研究區(qū)近年來地震特征及分布進行了研究，表明有以下特征(圖2)：

圖1 威遠背斜地質(zhì)圖及剖面線分布位置圖Fig.1 Geological map and profile distribution of Weiyuan anticline

a.地震震中的分布集中于威遠背斜南東翼的地貌邊界轉(zhuǎn)換處。

研究區(qū)所在地區(qū)2.0級以上地震發(fā)生較多，空間上地震中心的分布具有相對集中性，主要分布于威遠背斜東南翼，北部弧形邊界處基本沒有地震活動。除線性邊界發(fā)育外，背斜的東部和東南翼的中部是2個集中發(fā)育端，與地表斷層有一定的關(guān)系。

b.年地震次數(shù)有明顯的分異。

威遠地區(qū)在歷史早期地震發(fā)生頻率低，所發(fā)生的地震主要沿背斜周緣小型斷裂帶分布，且多為小型地震。近年來(自2014年起)威遠的地震發(fā)生頻率高且有逐年遞增趨勢，震級以里氏2.0～3.0為主。

c.震源深度集中于2～15 km。

地震活動大多發(fā)生于地下幾千米至幾十千米的地殼深處，其震源是非對稱剪切源[3]。威遠地震為多淺源地震，震源深度多集中于2～15 km，在2～5 km震源深度附近發(fā)生該地區(qū)近年來的地震峰值。在威遠背斜深部地震剖面對5 km震源投影發(fā)現(xiàn)，震源處于威遠背斜核部大型高角度斷層深部，在東南方向斷層處。主要發(fā)震位置投影向上延伸至威遠縣城一帶，與目前地震頻發(fā)的震中地理位置相同。根據(jù)國家地震數(shù)據(jù)共享中心及中國地震臺網(wǎng)的震源深度數(shù)據(jù)，繪制出不同地震震源深度的地震分布圖(圖2、圖3)，可以看出，地震多發(fā)生于2～15 km深度范圍，隨著深度的增加而減少。

2 深部地質(zhì)條件

2.1 深部基底

前人對研究區(qū)的基底特征做過很多研究[4-6]。從前述地球物理資料的解釋來看，研究區(qū)深部具有高重力異常等相關(guān)特征。羅志立[7-8]對其進行了解釋工作，并利用威遠背斜上鉆達基底的鉆井資料進一步解釋了基底特征。在威28井從深度為 3 640～3 730 m的前震旦系基底選取7個巖樣進行分析，定名為花崗巖或花崗閃長巖，屬造山帶和島弧區(qū)的火山巖；Rb-Sr法測得的全巖等時年齡為740.99 Ma，屬澄江期的產(chǎn)物[7]。根據(jù)前人研究可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的主體部分為花崗巖，結(jié)晶基底，基底堅硬，不易變形，控制了威遠背斜的主體發(fā)育。

從地震剖面上來看，威遠背斜深部的反射特征為雜亂-空白反射，但南部與之對應(yīng)的反射特征為平行反射，表明具有成層性。結(jié)合威遠西部露頭資料表明，除花崗巖直接與觀音崖組和燈影組這種基底接觸關(guān)系外(峨眉山洪椿坪)，還有一類包含蘇雄組在內(nèi)地層存在的基底，地層的巖性主要為碎屑巖，厚度可達1 km，這類基底在盆地內(nèi)也有[9]。因此，深部地球物理的資料解釋結(jié)合鉆探結(jié)果表明，威遠地區(qū)可能存在2類基底類型，一種是堅硬的巖漿巖結(jié)晶基底，一種是較軟的變質(zhì)碎屑巖基底，其交界就在威遠背斜的南部邊緣。

圖3 威遠背斜A-B測線深部地震剖面圖Fig.3 A-B deep geophysical seismic profile of Weiyuan anticline

2.2 發(fā)震斷層研究

總體上距活斷層越近地震發(fā)生的概率越高，表明活斷層與地震的關(guān)系較為明確[10-12]。

根據(jù)深部資料[13]，威遠地區(qū)基底埋藏深度在4～7 km，比較淺，從西至東基底深度逐漸變深，威遠地區(qū)為整個四川盆地最高部位?；讛嗔褞殛鶠?合川斷裂帶，斷裂帶為北東向展布，從犍為經(jīng)過威遠向大足延伸，但向東過威遠之后在內(nèi)江附近并不是很明顯，沒有向東繼續(xù)延伸。

主要證據(jù)有2個：一個是地球物理資料，從剖面上來看，該斷層在剖面上為空白反射帶，表明是一個斷裂帶，放大來看，背斜為南翼陡而北翼緩，主要為由南向北上沖，南翼為被動翼，該斷層兼具走滑和上沖的特征；同時，剖面上展示在基底處斷層以南為平行反射，反射特征明顯，而斷層以北為雜亂反射至空白反射，表明之間應(yīng)發(fā)育有一個構(gòu)造，最為可能的是斷層。另一個證據(jù)來自地震活動震中的分布，由前述的地震活動震中平面分布來看，都是發(fā)育于威遠背斜的南翼陡帶，其震中向下的投影主要落在目前剖面解釋的斷層部位(圖3)；而北部無地震活動也更進一步說明了發(fā)震斷層的傾向應(yīng)是向南，地表出露于新場一帶。

通過本次研究表明，威遠地區(qū)的主體斷層受基底的控制很明顯，大斷層基本上是沿著基底的分界(結(jié)晶基底和變質(zhì)基底)發(fā)育。基底的分異可能是斷裂發(fā)育的重要控制因素，因為結(jié)晶基底與變質(zhì)基底其實也是重要的巖性分界，雖然沉積蓋層將其“焊接”在了一起，但在應(yīng)力作用下很容易發(fā)生相對錯斷而形成斷裂。因為這種基底是拼接的，而不是一個統(tǒng)一、均勻的巖體，在強應(yīng)力條件下就非常容易發(fā)生錯斷。小的斷層主要是較大斷層錯斷時派生的斷層。這也是威遠-榮縣斷裂發(fā)育現(xiàn)今這個部位的可能原因。該斷層在地表發(fā)育于背斜的核部，高角度逆沖斷層，傾向南東，走向北東-南西，平行于背斜軸線，水平方向上縱穿威遠背斜核部地區(qū)(圖1、圖3)，垂直方向上由老到新切穿寒武系、二疊系、三疊系、侏羅系，在深部傾角變緩，切穿基底(圖3)。斷層在地表表現(xiàn)為新場-老場斷層。該斷層的走向為北東-南西向，為威遠構(gòu)造的控邊斷層。該斷層從深部向上發(fā)育，在新場一帶出露地表，地表斷層帶附近有天然氣泄露，氣味非常大，斷層所過的威遠河有大量氣泡冒出水面，都說明深部氣體沿斷層向上逸散[14]。

2.3 威遠背斜的形成與地震活動的關(guān)系

劉樹根等[15]在研究威遠氣藏形成時，發(fā)現(xiàn)威遠背斜的形成時間較晚。孫瑋[16]、J.Barbarand等[17]對威遠背斜地區(qū)及鄰區(qū)進行采樣及低溫?zé)崮甏鷮W(xué)分析，得到熱史模擬結(jié)果。根據(jù)其熱史模擬結(jié)果進行分析表明：①威遠背斜的隆升時間很晚，主要發(fā)育于40 Ma以來，快速隆升形成現(xiàn)今威遠背斜。②威遠背斜整體隆升的幅度事實上是差不多的，但在隆升的過程中翼部與核心部有較大的差異；威遠背斜在第一階段兩翼抬升得較快，核部隆升較慢，核部隆升高度低于翼部，特別是斷層發(fā)育的地區(qū)，早期隆升是較快的；但在第二階段威遠背斜的核部整體快速隆升至4 km，背斜主體隆升非?？?，核部快速拱起形成背斜構(gòu)造，說明威遠背斜的主體地貌主要是在第二階段形成的。③構(gòu)造由南向北發(fā)育，南部的擠壓力致使原來處于資陽-威遠大背斜的斜坡帶發(fā)生隆升，形成現(xiàn)今的威遠背斜。

青藏高原23 Ma B.P.以后發(fā)生的以主中央斷層強烈活動和以花崗巖侵入為標志的喜馬拉雅運動第二幕十分強烈，喜馬拉雅山崛起，遍布青藏高原的古近紀夷平面解體隆升，初步計算可能達到2 km的隆升幅度[18]。而這種運動向四川盆地傳遞的過程中，對四川盆地的隆升起了非常重要的作用。結(jié)合前面的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)，威遠背斜整體快速隆升了大約2 km(平均數(shù))，核部隆升較快。說明23 Ma B.P.以來受青藏高原隆升推擠的影響，研究區(qū)大幅度隆升[8]。

綜合前述的研究結(jié)果和內(nèi)容，總結(jié)威遠地區(qū)地貌特征及形成演化過程如下(圖4)：

a.古近紀之前地層受外力作用不強，未發(fā)生明顯的褶皺，綜合前人研究成果，其為資陽-威遠大背斜的南斜坡帶[14]。

b.古近紀-新近紀，威遠背斜開始發(fā)育，受基底的影響，目前的威遠背斜南緣為背斜的南邊界，同時在結(jié)晶基底與變質(zhì)基底“焊接”部位發(fā)育背斜的核部，威遠斷層也在深部形成并開始從深部向上錯斷地層。

c.新近紀以來，威遠背斜的核部快速隆升，使得核部應(yīng)力集中，威遠斷層向上延伸并突破地表，在核部發(fā)育一些高陡的節(jié)理帶。同時威遠地區(qū)核部碎屑巖地層被剝蝕，露出下伏的中下三疊統(tǒng)碳酸鹽巖地層；加之威遠河也開始形成，溶蝕作用進一步增強，核部侵蝕更為嚴重，最終形成了“背斜成谷”的地貌特征。

威遠地區(qū)歷史發(fā)震頻率較低，且均為小型地震，絕大多數(shù)震級不超過里氏4.0級；近年來地震活動雖增多，但也以里氏震級2.0～3.0為主。

圖4 威遠背斜斷層形成及地震誘發(fā)模式圖Fig.4 Fault formation and earthquake induced model of Weiyuan anticline

因此，威遠背斜的形成對應(yīng)其深部斷層的活化發(fā)育，該斷層從盆地邊緣一直向盆地內(nèi)延伸，至威遠東消失，早期就在2類基底的接觸帶形成，應(yīng)該是古斷層。至喜馬拉雅期向上延伸發(fā)展，至今仍為活動斷層并形成發(fā)震斷層。該斷層由于是古斷層的再活動，受上覆地層的影響，加之構(gòu)造應(yīng)力向盆地內(nèi)減弱，裂變徑跡數(shù)據(jù)表明主要的快速隆升期已過，目前活動幅度并不太大。結(jié)合前述研究區(qū)的地震數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)未發(fā)生超過6.5級的大地震，表明該斷層總體穩(wěn)定，依然會保持目前的情況，發(fā)生超過6.5級地震的可能性不大。

3 結(jié) 論

a.威遠地區(qū)古近紀之前地層受外力作用不強，未發(fā)生明顯的褶皺；古近紀-新近紀，威遠背斜開始發(fā)育，受基底的影響，目前的威遠背斜南緣為背斜的南邊界，同時在結(jié)晶基底與變質(zhì)基底“焊接”部位發(fā)育背斜的核部，威遠斷層也在深部形成并開始從深部向上錯斷地層；新近紀以來，受青藏高原隆升推擠的影響，威遠背斜兩翼抬升較慢，核部整體快速隆升形成背斜構(gòu)造，威遠斷層向上延伸并突破地表，在核部發(fā)育一些高陡的節(jié)理帶。

b.威遠地區(qū)為受不同基底控制的構(gòu)造，主體為巖漿巖結(jié)晶基底，而背斜南翼為變質(zhì)碎屑巖基底，基底拼接處發(fā)育古斷層，在新構(gòu)造運動時活化，成為現(xiàn)今地震活動的發(fā)震斷層。

c.威遠地區(qū)盡管地震次數(shù)較多，但沒有大的地震，頻繁的小震釋放了能量，有利于減少能量的進一步積聚，因此，該地區(qū)發(fā)育超過6.5級以上的地震概率不大。