四川疊溪松坪溝斷層的厘定*

趙其華 鄭秀紅 何文秀 彭社琴

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))/成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059,中國)(②四川省自然資源勘察設(shè)計集團有限公司,成都 610051,中國)

0 引 言

北京時間1933年8月25日15時50分30秒,四川茂縣北部的疊溪鎮(zhèn)發(fā)生了MS7.5級大地震,使千年疊溪古鎮(zhèn)完全埋葬于地下,并引發(fā)了滑坡、崩塌、堵江、潰壩等災(zāi)害,造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。對于此次地震的震源機制,一種代表性的觀點認為是在近東西向的構(gòu)造應(yīng)力場作用下,NW向松坪溝斷層發(fā)生左旋錯動,從而引發(fā)地震(四川省地震局,1983)。

客觀認識地震的發(fā)震構(gòu)造,對地震趨勢預(yù)測以及斷裂沿線工程建設(shè)場地的安全性評價極為重要(錢洪等,1999b)。最早,李坪等(1979)結(jié)合震害分布、建筑物傾倒方向及震感特征,提出沿松坪溝存在一條走向NW、以水平錯動為主的斷層,即疊溪地震的發(fā)震斷層。但由于崩坡積物的掩蓋,作者并未見到斷層露頭。隨后,唐榮昌等(1983)根據(jù)斷層露頭,認為松坪溝斷層發(fā)育在墨石寨、松坪鄉(xiāng)、觀音崖一帶,沿松坪溝斷續(xù)分布,斷面產(chǎn)狀松坪鄉(xiāng)以北為N55°W/NE∠65°,以南為N52°W/SW∠80°,為一隱伏逆斷層。這一結(jié)論在《四川省志·地震志》(1998)一書中也有記載。王新民(1986)通過衛(wèi)星圖像解譯并結(jié)合斷層露頭,認為松坪鄉(xiāng)至墨石寨存在一條走向NW、傾NE、以壓性為主的逆斷層。黃祖智等(2002)根據(jù)斷層錯斷第四紀湖相沉積物,認為松坪溝斷層為全新世活動斷裂。

與以上觀點不同,Ren et al.(2018)通過階地位錯分析和斷層露頭測年結(jié)果,認為松坪溝斷層為一走向NW、傾SW的正斷層。此外,可能由于地震崩坡積物的掩蓋,部分學(xué)者(Chen et al.,1994; 鄧起東等,1994; 趙小麟等,1994; 錢洪等,1999a,1999b)在對松坪溝進行實地調(diào)查時,未發(fā)現(xiàn)斷層露頭和地表破裂,否定了松坪溝斷層的存在。

以上研究表明,目前學(xué)者們對于松坪溝斷層的存在、發(fā)育分布以及活動性存在一定分歧。因此,本文通過對松坪溝中下游(松坪溝溝口至墨石寨)進行野外地質(zhì)調(diào)查和地球物理探測,證實了松坪溝斷層的存在; 結(jié)合前人研究成果,對松坪溝斷層的具體空間展布位置進行了厘定; 通過流域地貌參數(shù)分析,探討了松坪溝斷層的活動性。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于岷江上游四川省茂縣松坪溝流域,地處青藏高原東緣川西北高原東部、青藏高原與四川盆地的過渡地帶(王蘭生等,2007)。受印支期與燕山期褶皺變形和斷裂構(gòu)造作用,區(qū)內(nèi)發(fā)育由一系列緊密線狀弧形同斜倒轉(zhuǎn)褶皺及相伴生的逆沖斷層組成的較場弧形構(gòu)造帶(四川省地震局,1983)(圖1)。松坪溝位于較場弧形構(gòu)造西翼,主溝長約40km,地貌上屬于構(gòu)造侵蝕的中高山地貌,河谷形態(tài)呈“V”字型。上游溝谷稍寬,岸坡較緩,兩岸巖性以三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zw)變質(zhì)砂巖夾千枚巖、灰?guī)r、板巖為主; 下游溝谷狹窄,岸坡陡峻,巖性以三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)變質(zhì)砂巖夾千枚巖、板巖為主(圖1)。左岸巖層傾向與坡向一致,易發(fā)生順層滑坡; 右岸巖層傾向與坡向相反,易發(fā)生崩塌。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況圖

研究區(qū)新構(gòu)造運動活動強烈,主要表現(xiàn)為地殼間歇性抬升和斷層活動,受斷層活動影響,全新世以來地震活動頻繁。其中:震中位于研究區(qū)且5級以上的地震至少有4次,包括1713年MS7.0疊溪地震(烈度Ⅸ)、1933年MS7.5疊溪地震(烈度Ⅹ)、1934年MS5.5疊溪地震(烈度Ⅶ)、1952年MS5.5疊溪地震(烈度Ⅵ)。對研究區(qū)影響最大的是1933年疊溪地震。

1933年疊溪地震震中位于疊溪——下木石壩一帶(32°N,103.7°E),最大烈度為Ⅹ。地震震害(滑坡、崩塌、地裂縫和被毀村寨遺址)主要沿溝谷分布,大多數(shù)分布在松坪溝流域,沿松坪溝形成一條寬數(shù)十至數(shù)百米,長30km的地震形變帶,且形變帶內(nèi)震害規(guī)模和密集程度從南東向北西逐漸減弱(唐榮昌等,1983)(圖1)。

2 松坪溝斷層證據(jù)

2.1 地表調(diào)查

筆者在沿松坪溝中下游(松坪溝溝口至墨石寨)進行野外地質(zhì)調(diào)查時,發(fā)現(xiàn)了一系列斷裂活動的地質(zhì)與地貌證據(jù),包括3處斷層露頭和1處線性地貌(圖2)。

圖2 研究區(qū)遙感影像(來自91衛(wèi)圖)

2.1.1 斷層露頭點D1(32°3′1″N,103°40′E)

該斷層露頭位于金槍巖隧道北出口附近(圖2和圖3)。主斷面產(chǎn)狀N65°W/SW∠72°,破碎帶寬約0.5～1.5m,主要為湖相沉積物質(zhì),呈片狀、角礫狀結(jié)構(gòu)(圖3a)。斷層SW盤為三疊系雜谷腦組(T2z)中-厚層狀變質(zhì)砂巖夾千枚巖,巖層產(chǎn)狀N57°W/SW∠30°; NE盤為淡黃色薄-中層泥質(zhì)夾青灰色粉砂質(zhì)湖相沉積物,呈半成巖狀態(tài),層理近水平向,層厚5～40cm,粉砂質(zhì)夾層厚度約10cm(圖3b),上覆為崩坡積物; 三疊系雜谷腦組變質(zhì)砂巖逆沖于第四系湖相沉積層之上,為一逆斷層。次級斷面產(chǎn)狀分別為N60°W/SW∠72°、N50°W/NE∠60°,破碎帶寬約20～50cm,可見菱形塊體,結(jié)構(gòu)松弛(圖3b)。

圖3 金槍巖隧道北出口斷層露頭(D1)

另外,在斷層主斷面處還發(fā)育一軸向為310°的牽引褶皺(圖3a),結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場,其應(yīng)該是在EW向應(yīng)力場作用下,斷層兩盤發(fā)生左旋運動形成的。由此推斷,該斷層具有左旋走滑兼逆沖性質(zhì)。

2.1.2 斷層露頭點D2(32.106°N,103.62°E)

該斷層露頭位于水磨溝與松坪溝交匯處,水磨溝左岸(圖2)。斷面整體平直,產(chǎn)狀N75°W/SW∠56°,破碎帶可見寬度13.5m,主要由粒徑小于2cm的斷層角礫、巖粉及夾雜其中的構(gòu)造透鏡體(巖塊)組成,局部可見糜棱巖化(圖4)。向主溝方向,由于地震崩坡積物覆蓋,未見破碎帶邊界,推測該斷層破碎帶可能起始于河谷中部,甚至靠近松坪溝右岸。

圖4 水磨溝溝口斷層露頭(D2)照片

2.1.3 斷層露頭點D3(32.178°N,103.508°E)

該斷層露頭位于墨石寨,松坪溝左支溝溝口處(圖2)。其破碎帶可見寬度約30m(圖5a),主要由片狀構(gòu)造巖組成,局部可見深灰色糜棱巖化條帶(圖5b),片理化、糜棱巖化強烈,局部形成巖粉。坡面上部植被較茂密,下部裸露,且未見完整基巖出露(圖5a),由此推測,該斷層破碎帶實際寬度大于30m。

圖5 墨石寨斷層露頭(D3)、物探測線位置及AMT電阻率剖面圖

2.1.4 線性地貌(32.052°N,103.665°E)

通過遙感影像和現(xiàn)場調(diào)查,在松坪溝溝口至游客中心對面可見明顯的線性地貌(圖2和圖6a),全長1.4km,連貫性較好,整體走向N30°W,海拔2250～2500m,相對高差250m,高差從南東向北西方向逐漸減小,為斷層活動形成的地貌標志——斷層崖。斷層崖較為陡峻,坡度70°～85°(圖6b)。

2.2 地球物理探測

為了進一步驗證斷層的存在,選用抗干擾能力強的天然場音頻大地電磁法(AMT),沿松坪溝布置了5條物探測線,從溝口往上游依次為L1、L2-1、L2-4、L2和L3測線(圖2)。測線范圍內(nèi)地層巖性為三疊系新都橋組(T3xd)、侏倭組(T3zw)和雜谷腦組(T2z)變質(zhì)砂巖夾千枚巖、板巖(圖1),其電阻率差異不大。根據(jù)研究區(qū)物性測試結(jié)果(四川省自然資源勘察設(shè)計集團有限公司,2017),較完整巖體與破碎、軟弱或含水巖體之間存在一定的電性差異。斷層構(gòu)造帶一般較為破碎,還可能富含有水,其電阻率較低,在電阻率反演剖面上常表現(xiàn)為電阻率等值線發(fā)生扭曲、突變,呈現(xiàn)低電阻率凹陷等特征。

L1測線位于松坪溝溝口,物探結(jié)果(圖6c)顯示,沿布線120～400m之間存在垂向低阻區(qū)(ρ<70 Ω·m),并在測線端點處可見斷層崖,因此,推測該處存在斷層,斷層傾向SW,傾角約80°。

L2-1測線位于兩河口,物探結(jié)果(圖7a)顯示,沿布線700～950m之間存在明顯的低阻區(qū)(ρ<156 Ω·m),且向下延伸至最大勘測深度,推測該處存在傾向SW,傾角約80°的斷層。值得注意的是,該低阻區(qū)分布于松坪溝右支溝(滾水溝),而主溝一側(cè)并無異常,說明斷層向滾水溝延伸。

圖7 研究區(qū)物探測線位置及AMT電阻率剖面圖

L2-4測線位于樺子林附近,物探結(jié)果(圖7b)顯示,沿布線200～450m之間存在明顯的條帶狀低阻區(qū)(ρ<500 Ω·m),且向下延伸至最大勘測深度,推測該處存在斷層,斷層傾向NE,傾角約70°。

L2測線位于松坪鄉(xiāng),物探結(jié)果(圖7c)顯示,沿布線330～570m之間存在等值線向下凹陷的低電阻區(qū)(ρ<300 Ω·m),且向下延伸至最大勘測深度,推測該處存在斷層,斷層傾向NE,傾角約70°。

L3測線位于墨石寨,物探結(jié)果(圖5c)顯示,沿布線800～960m之間存在明顯的條帶狀低阻區(qū)(ρ<160Ω·m),且向下延伸至最大勘測深度,并在測線附近發(fā)現(xiàn)了斷層露頭(圖5a、圖5b),推測該處存在斷層,斷層傾向NE,傾角約55°。

綜上所述,研究區(qū)布置的5條物探剖面上均存在明顯的低阻帶,進一步證實了松坪溝斷層的存在。

3 松坪溝斷層空間發(fā)育位置的確定

對于松坪溝斷層的空間展布情況,最早唐榮昌等(1983)通過現(xiàn)場調(diào)查,認為其發(fā)育在墨石寨、松坪鄉(xiāng)、觀音崖一帶,整體走向NW,大致沿松坪溝斷續(xù)分布,長約30km。王新民(1986)通過遙感影像判釋和斷層露頭,認為松坪鄉(xiāng)-墨石寨段存在一條走向NW、傾向NE的逆斷層; 而白臘寨-公棚海子段衛(wèi)星圖像上雖線性色帶明顯,但由于該段多被崩坡積掩蓋,未能證實是否是斷層。

此次調(diào)查中,作者在公棚海子附近發(fā)現(xiàn)了斷層露頭(圖2中D2),進一步證實了白臘寨-公棚海子段(娃兒堡)存在斷層,其走向NW,傾向SW,傾角約56°。同時,作者在墨石寨也發(fā)現(xiàn)了斷層露頭(圖2中D3),結(jié)合該處L3測線物探結(jié)果(圖5c),斷層傾向NE,傾角約55°,與前人現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致(四川省地震局,1983; 唐榮昌等,1983)。此外,墨石寨下游的L2-4和L2測線電阻率剖面(圖7a、圖7c)中低阻帶的傾向與L3測線相同,由此可以推斷,斷層自墨石寨經(jīng)松坪鄉(xiāng)延伸至樺子林附近,整體走向NW,傾向NE,傾角55°～70°。

而L1(圖6c)和L2-1(圖7a)測線物探結(jié)果顯示的斷層傾向SW,傾角約80°,其與斷層露頭點D1處主斷面產(chǎn)狀基本一致(圖3),并結(jié)合溝口至游客中心對面的線性地貌(圖6a),證實了在松坪溝溝口-滾水溝溝口段存在斷層,總體走向NW,傾向SW,傾角70°～80°。

綜上所述,松坪溝斷層整體順松坪溝發(fā)育,且發(fā)育在三段走向NW的溝谷(墨石寨-樺子林、娃兒堡-白臘寨村和滾水溝溝口-松坪溝溝口)。從地貌上看,這三段溝谷之間由兩段走向近SN的溝段連接(圖2)。若斷層沿整個松坪溝貫通,則三段走向NW的溝谷之間應(yīng)該表現(xiàn)為比較平順連接,而不會是大角度的轉(zhuǎn)折; 同時,結(jié)合前人研究成果及現(xiàn)場調(diào)查,在近SN向溝段中均未見到斷層跡象,且兩河口處L2-1測線電阻率剖面中低阻區(qū)偏向支溝滾水溝一側(cè),而在主溝兩河口-白臘寨村之間并無異常。由此證明松坪溝斷層未沿SN向溝谷貫通,而是呈三段斜列式展布(圖8):墨石寨-樺子林段(傾向NE,傾角約55°～70°,長約8.5km,為NW段)、娃兒堡-白臘寨村段(傾向SW,傾角約56°,長約5.5km,為中間段)和滾水溝溝口-松坪溝溝口(段傾向SW,傾角約70°～80°,長約4km,為SE段)。

圖8 研究區(qū)水系分布圖

值得注意的是,限于調(diào)查范圍,本文只針對松坪溝斷層在松坪溝溝口至墨石寨段的發(fā)育情況進行分析,而斷層的發(fā)育范圍可能不止于此。

4 松坪溝斷層的活動性分析

已有研究表明,松坪溝斷層為一以左旋水平錯動為主的逆斷層(王新民等,1933; 李坪等,1979; 四川省地震局,1983; 唐榮昌等,1983)。斷層露頭點D1處,三疊系雜谷腦組變質(zhì)砂巖逆沖于第四系湖相沉積層之上(圖3a),以及主斷面處的牽引構(gòu)造(圖3a),進一步證實了松坪溝斷層為一左旋走滑運動為主、兼逆沖性質(zhì)的斷層。同時,據(jù)王蘭生等(2005)研究,該研究區(qū)湖相沉積物形成時間距今約兩萬年,松坪溝斷層切穿該地層,表明其在湖相沉積物形成之后有過活動,即松坪溝斷層在距今兩萬年以來有過活動。

此外,由于水系對構(gòu)造運動的反應(yīng)極為敏感(唐然等,2021),因此,本文結(jié)合松坪溝流域ASTER GDEM數(shù)據(jù)(30m精度),利用ArcGIS 10.2軟件,提取了谷底寬度與谷肩高度之比(VF)、面積高程積分值(HI)和河長坡降指數(shù)(SL)等地貌參數(shù),并對其進行定量分析。初步探討了松坪溝斷層的活動強度。

4.1 谷底寬度與谷肩高度之比(VF)

谷底寬度與谷肩高度之比是Bull et al.(1977)提出的描述河谷形態(tài)的地貌學(xué)指標,用來表征構(gòu)造活動的強弱。V型河谷(VF<1)反映構(gòu)造活動強烈,而U型谷(VF>1)則表明構(gòu)造較為穩(wěn)定。作者在研究區(qū)10個支流的出山口上游1.5km處和干流中下游段,共選取15個典型剖面,并計算其VF值(剖面位置及其VF值見圖8)。計算得出VF值為0.12～0.3,說明研究區(qū)構(gòu)造活動強烈,河谷形態(tài)以V型為主。

4.2 面積高程積分(HI)

面積高程積分是Strahler(1952)提出的定量描述流域內(nèi)高程的分布,表征未被侵蝕部分體積的參數(shù),可反映區(qū)域構(gòu)造活動差異(蔣鈺峰等,2019)?？紤]到研究區(qū)流域數(shù)目較少,本文選用積分曲線法。利用測高法工具(Hypsometry Tools)在ArcGIS中提取研究區(qū)10個子流域的面積高程積分曲線(圖9),并求出相應(yīng)的HI值(流域范圍及其HI值見圖8)。

圖9 研究區(qū)各支流面積-高程積分曲線

計算結(jié)果顯示,研究區(qū)HI值為0.49～0.63,依據(jù)W.D.Davis地貌侵蝕旋回理論(Pike et al.,1971),在地貌發(fā)育上處于幼年期晚期(HI>0.6)和壯年期(0.35

4.3 河長坡降指標(SL)

河長坡降指標是Hack(1973)提出的定量描述河流縱剖面坡度變化的參數(shù),可近似由河流縱剖面局部段的坡度與離河流源頭的距離的乘積來計算。常用于探討中-小時空尺度的構(gòu)造強度和巖性差異等問題(趙洪壯等,2010)。本文基于DEM高程數(shù)據(jù),提取出松坪溝干流的河流縱剖面,以500m作為一個河段,計算各河段的SL值,并利用均衡坡降指標K值對其標準化,得到標準化河長坡降指標(SL/K)(圖10)。

圖10 松坪溝河流Hack剖面曲線與標準化坡降指標

圖10顯示,研究區(qū)Hack剖面整體呈“上凸”形,在松坪溝下游(樺子林至溝口段)曲線急劇下降,SL/K值出現(xiàn)異常高峰值,特別是在與斷層大角度相交的近南北向河段(樺子林-娃兒堡和白臘寨村-兩河口)尤為明顯?？紤]到研究區(qū)巖性變化不大(圖1),且樺子林-娃兒堡河段與白臘寨村-兩河口河段支流不多(圖8),河流在流經(jīng)與斷層走向一致的北西向河谷區(qū)時,SL/K值又相應(yīng)減小,由此可以斷定河長坡降指標的變化是構(gòu)造活動引起,且進一步證明了松坪溝斷層在南北向溝段并未貫通。同時,也反映出松坪溝斷層在下游(娃兒堡-白臘寨村和滾水溝溝口-松坪溝溝口)的活動較上游(墨石寨-樺子林)強烈,這與1933年疊溪地震震害向松坪溝上游逐漸減弱有很好的一致性(圖1)。

5 結(jié) 論

本文通過對松坪溝中下游(松坪溝溝口至墨石寨)進行詳細的野外地質(zhì)調(diào)查和地球物理探測,證實了松坪溝斷層的存在,并結(jié)合前人研究成果,對其具體空間展布位置進行了厘定,最后利用地貌參數(shù)對斷層的活動強度進行了初步分析。所得結(jié)論如下:

(1)松坪溝斷層整體走向NW,沿松坪溝呈三段斜列式展布:墨石寨-樺子林段(傾向NE,傾角約55°～70°,長約8.5km,為NW段)、娃兒堡-白臘寨村段(傾向SW,傾角約56°,長約5.5km,為中間段)和滾水溝溝口-松坪溝溝口(段傾向SW,傾角約70°～80°,長約4km,為SE段)。

(2)結(jié)合前人研究成果及本次現(xiàn)場調(diào)查,進一步證明了松坪溝斷層為一左旋走滑運動為主、兼逆沖性質(zhì)的斷層,且斷層在距今兩萬年以來有過活動,為全新世活動斷裂。

(3)地貌分析結(jié)果表明,研究區(qū)地貌發(fā)育上處于幼年期晚期和壯年期; 構(gòu)造活動強烈,河谷形態(tài)以V型為主; 松坪溝上下游構(gòu)造活動強度存在明顯差異,斷層中間段和SE段的活動性較NW段強烈。

致 謝本次研究中,四川省自然資源勘察設(shè)計集團有限公司提供了物理探測資料; 孫文卿博士、滿僑僑、鄧慶、王旭、徐煜等碩士參與了現(xiàn)場調(diào)查工作; 在此表示衷心感謝!