大凉山断裂带北段东支 ——竹马断裂晚第四纪活动性
【类型】期刊
【作者】孙浩越，何宏林，魏占玉，高伟（中国地震局地质研究所活动构造与火山重点实验室）
【作者单位】中国地震局地质研究所活动构造与火山重点实验室
【刊名】地震地质
【关键词】 大凉山断裂带；晚第四纪；活动性；滑动速率；古地震
【资助项】财政部重大专项（201108001）资助
【ISSN号】0253-4967
【页码】P440-454
【年份】2019
【期号】第2期
【期刊卷】1;|6;|7;|8;|2
【摘要】大凉山断裂带是川滇菱形活动块体东边界的重要组成部分,其活动习性和滑动速率对于了解青藏高原东南缘的块体运动和构造变形具有重要的理论意义,同时对于该地区地震危险性评价和地震中长期预测有着重要的应用价值。大凉山断裂带由6条分支断裂构成,竹马断裂是其北段的一条分支。文中在详细野外调查的基础上,通过典型构造地貌的高精度GPS测量和断错时间的约束,得出竹马断裂是一条以左旋走滑为主的全新世活动断裂,全新世以来的水平滑动速率为1.53.1mm/a;利用古地震探槽揭示出竹马断裂的2次古地震事件时间分别为（50.3±5.7）30ka BP和3017.4±1.2ka BP。考虑到断裂带北段还存在一条与竹马断裂平行的分支断裂——公益海断裂,大凉山断裂带北段的滑动速率与南段基本一致。鲜水河-小江断裂系中段在大凉山断裂带上分配的滑动速率与并行的安宁河断裂带和则木河断裂带也大体相当,断裂系中段的滑动速率之和与南北两段的速率大致吻合。大凉山断裂带的存在使断裂系在几何上成为一个完整的弧形构造,也弥补了中段滑动速率的亏损,使各段的滑动保持协调一致。此外,沿竹马断裂大量发育的冲洪积台地,根据沉积特征和测年结果,认为是新仙女木事件后末次冰消期的冰川融水形成的冰水堆积,类似的地貌面可能广泛分布于青藏高原东南缘。
【全文】 文献传递
大凉山断裂带北段东支
——竹马断裂晚第四纪活动性
0 引言
由于印度板块向北运动与欧亚板块发生强烈的陆－陆碰撞，青藏高原成为中国大陆新构造期间隆升最强烈的地区。近年来的GPS观测结果显示，青藏高原的地壳水平缩短速率从喜马拉雅地区的近40～50mm/a向北逐渐减小(Chen et al.，2000;Wang et al.，2001;Zhang et al.，2004;Gan et al.，2007)，该速率上的亏损主要转换为高原内部的构造块体沿大型走滑断裂带的向东挤出(Molnar et al.，1975;Tapponnier et al.，1977;Peltzer et al.，1996;Zhang et al.，2004)。
图1 研究区断裂分布图(修改自He et al.，2008a)
Fig.1 Spatial distribution of faults in the study area(after He et al.，2008a).
a鲜水河－小江断裂系中段活动断裂展布;红色线段表示大凉山断裂带，①竹马断裂，②公益海断裂，③越西断裂，④普雄断裂，⑤布拖断裂，⑥交际河断裂;白色线框指示图b位置;右上插图为青藏高原东部活动断裂分布图，红线为鲜水河－小江断裂系，黑框为图a范围;b大凉山断裂带北段及周边断裂分布图，底图来源于SRTM数据山影渲染图，①、②同图a
鲜水河－小江断裂系就是这样一条大型走滑断裂带，它发育于青藏高原东南缘，是川滇菱形块体的NE边界，由三大段落组成:南、北段结构相对简单的小江断裂带和鲜水河断裂带;中段结构复杂，呈纺锤状展布的西支安宁河断裂带和则木河断裂带，及东支大凉山断裂带(Zhang et al.，2004;邓起东等，2004;He et al.，2006，2008a)(图1)。青藏高原南东块体沿该弧形的断裂系以喜马拉雅碰撞带东构造节为中心作顺时针旋转(Armijo et al.，1986，1989;Wang et al.，1998;He et al.，2006，2008a)，并获得了GPS观测数据的支持(Chen et al.，2000;Wang et al.，2001;Burchfiel，2004;Shen et al.，2005;Gan et al.，2007;Wang et al.，2008)。鲜水河－小江断裂系中段西支的安宁河断裂带和则木河断裂带都是活动强烈的左旋走滑断裂带，在全新世都发生过多次7级以上的大地震(任金卫等，1994;Wang et al.，1998;宋方敏等，1998;He et al.，1999，2002，2006，2007，2008b;周荣军等，2001;Ran et al.，2008;Wang et al.，2013)，但是在中段东支的大凉山断裂带上却没有7级以上地震的记载。大凉山断裂带实际上是一条新生的断裂带，是青藏高原东南块体的顺时针旋转在鲜水河－小江断裂系中段引起的“裁弯取直”作用的结果，它的产生在几何结构上正好填补了该弧形断裂系中段安宁河断裂带和则木河断裂带形成的反向缺口，使整个断裂系成为一个与青藏高原东南块体顺时针旋转运动相一致的完整的弧形构造(He et al.，2008a)。那么，新生的大凉山断裂带的活动性如何?发生过破坏性大地震吗?自20世纪90年代初以来陆续有一些研究关注大凉山断裂带(唐荣昌等，1993;申旭辉等，2000;宋方敏等，2002;周荣军等，2003;韩渭宾等，2005;He et al.，2008a;魏占玉等，2012)，也获得一些重要的认识，但是仍然存在一些较大的不确定性，缺乏较为全面和较为准确的数据，特别是断裂带北段的几条分支断裂还缺乏较为准确的滑动速率和古地震的定量认识。
1 竹马断裂概况
大凉山断裂带由6条斜列的断裂构成(图1a)。竹马断裂是断裂带北段的东支断裂，北端在石棉县安顺场以北与鲜水河断裂带和安宁河断裂带交会，向南经石棉县城、迴隆乡、竹马延至越西县梅花乡附近。梅花乡以南，断层在地表的形迹不再明显。断裂总体走向NNW－SSE，全长近65km(图1b)。
断裂在石棉县城附近发育在早震旦纪的花岗岩和震旦纪地层中。广元堡和叶坪村附近，在断层的东盘和西盘分别发育2个石棉矿，二者相距约7km。Wang等(1998)认为，两处石棉矿实际为相同的一套辉长岩和超基性岩体被竹马断裂左旋位错所致(图2)，显示了竹马断裂形成以来的左旋走滑运动方式以及总的位错量。He等(2008a)沿竹马断裂将位错水系和地质体分别进行恢复，各自得出该断裂的左旋位错量在7km左右，由此认为其左旋走滑活动的起始时间应该晚于大渡河水系的形成年代，或该水系一级支流的形成年代。
图2 石棉附近地质简图
Fig.2 Geological map at Shimian County.
地质资料来源于石棉幅1︰20万地质图;红色实线表示断层
2 断裂活动性研究
竹马断裂在县城以南主要沿南桠河及竹马河河谷延伸，由于第四系地层和地貌不发育，故该断裂在晚第四纪以来是否活动的地表形迹并不清楚，其空间展布也缺少统一的认识。在对航、卫片进行细致解读和野外考察的基础上，文中选取了典型的构造地貌点进行研究，利用差分GPS测量仪器对断错地貌进行高精度测量，结合地层和地貌面的年代测定来限定断裂的滑动速率，以及通过探槽技术了解古地震历史，从而获得竹马断裂晚第四纪以来的活动性。本研究的测年样品均在中国地震局地质研究所光释光实验室测定完成。
2.1 竹马盆地
竹马盆地位于竹马垭口北侧，竹马河的上游，是一个受断层控制的断陷盆地。盆地整体呈三角形，竹马河流入盆地后流向发生变化，水动力迅速减弱，大量碎屑物质沉积下来，构成盆地的主体沉积。断裂从盆地的东北边缘切过，控制着基岩山与第四纪沉积物的界线，使得盆地边界呈现出很明显的线性特征。在盆地边缘，山间的支流在出山口发育一些老的冲洪积台地，主要分布在盆地的东北侧和西侧(图3)。
在盆地东侧的拉呷堡，台地被断层切过，使台地发生显著的左旋位错并留下了一条断层陡坎(图4)。在台地的两侧各有一条SW向的河流，台地的西北侧边界在断层以南的部分被错离河道后受到保护而不再受到流水侵蚀，而东南侧边界在断层以南的部分则被错入河道遭受流水的侵蚀而后退变缓，因此累积的左旋位错量在冲洪积扇体的北侧边界保存得更加完整。通过高精度差分GPS测量，测得扇体北侧的左旋位错量为(16±0.5)m，断层坎的最大垂直高度为(3.8±0.2)m(图4)。根据台地上覆的砂黏土层底部的光释光测年结果，其形成年代为(10.4±1.3)ka。据此可以获得断裂在该处全新世以来的平均左旋滑动速率约为1.5mm/a，垂直滑动速率约为0.4mm/a。
根据台地沉积物的物性特征可以看出，这些沉积物发育一定的层理，但是又夹杂大量的混杂堆积，既非典型的冲积成因，也非典型的洪积成因，而是二者的混合类型。Gasse等(1991)和郑绵平等(2012)在青藏高原不同地区根据碳酸盐、介形类、轮藻类的碳、氧稳定同位素值与微体古生物群落生态特征等提供的环境气候变化指标，认为大约为11 000～10 400a BP，青藏高原经历了一期干冷气候，并进一步指出该次冷事件与新仙女木事件密切相关;在10 000a BP之后，气温开始回升，与末次冰消期同步。这些研究证明新仙女木冷事件广泛地影响了整个青藏高原地区(Lister et al.，1991)。竹马盆地边缘发育的这些冲洪积台地的形成年代恰好紧随着新仙女木事件，再加上其沉积特征，可以认为这些台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积台地。由于新仙女木事件是一次影响全球的气候冷事件，整个青藏高原东南缘可能都广泛发育该事件后的冰水堆积。
2.2 陡坎子
陡坎子位于竹马河的中下游。通过对航片的解译和实地考察发现此处发育一个大型的冲洪积扇台地，扇体上发育一条深切约2m的冲沟，断层的活动使冲沟发生明显的左旋偏转(图5 a)。对洪积扇进行精细的测量后，得到冲沟的左旋位错量为(30±0.5)m(图5b)。
图3 竹马盆地地貌
Fig.3 The landforms at Zhuma Basin.
a竹马盆地SPOT5影像;b竹马盆地地貌解译图，红色实线代表断层，蓝色线条为水系;c竹马盆地剖面图
图4 拉呷堡实测地形及剖面
Fig.4 Measured topographic map and profiles at Laxiabao.
黑色实线为实测剖面位置，蓝色带箭头线条指示被位错台地边界
图5 陡坎子地貌及位错冲沟实测平面图
Fig.5 The landforms and measured plan of displaced gully at Doukanzi.
a陡坎子位错冲沟，蓝色箭头指示冲沟边界，镜向E;b位错冲沟实测地形，黄色黑点区域代表冲沟，红色实线代表断层，红色箭头指示断层运动方向，蓝色带箭头线条指示被位错台地边界
通过对冲沟壁的开挖和清理，可以看出组成洪积扇台地的物质主要以花岗岩风化的砾石和粗砂为主，分选性和磨圆度都很差，但略具层理，其沉积特征与洪积扇形成的位置及水动力环境有关。通过地层的断错关系，该剖面揭示了一条断层，倾向E，角度较缓，由于两侧缺乏对应地层，难以判断断层在垂直方向上的运动方式(图6)。由于扇体的物性特征，难以在断层两侧的地层中采集到适合的测年样品，因此利用在断层西侧的一套灰白色粗砂层中采集的光释光样品对断层最新活动时间进行限定(图6 c)。根据测年结果，该套粗砂层的沉积年龄为(9.9±0.9)ka，其形成年代与拉呷堡的洪积台地相当，沉积物特征也相近，应该都是形成于末次冰消期。由于冲沟的发育时间晚于扇体形成年代，且冲沟被断层活动错断，因此可确定断层在全新世以来在该段有过活动，同时结合实测的(30±0.5)m的累计位移量，也估算得断裂全新世以来的平均左旋滑动速率约为3.1mm/a。
2.3 脚基坪
在叶坪村的脚基坪附近，断层从基岩山山腰切过。由于断裂长期的活动，该处发育了一些与断裂活动相关的构造地貌，如山脊鞍部、断层槽谷等。这些构造地形地貌的发育使山体的坡度在此处变缓，形成了被山间冲沟分割的小型坪坝。此外，断层的水平走滑运动也使一系列冲沟位错从而发生左旋偏转，还有一些冲沟则被错开形成断头沟，通过位错地形的复原可推测出该处的左旋位错量约为450m(图7)。
2.4 石龙村－回隆村
在石龙村一带，断层切入突出的基岩山中，在不同地方发育槽谷、断层垭口和反向坎等断层地貌，形成了一条约2.5km长，数百米宽的断层槽谷地形(图8a)。在石龙村的山梁上，形成的槽谷宽约400m，槽谷两侧山坡上的基岩风化物在槽谷内堆积形成第四系并被开垦为耕地，使断层活动的痕迹被严重改造。往北还可见断层活动留下的垭口(图8b)和反向陡坎现象，位于回隆村的陡坎高达10m多(图8c)。在黑林子，南桠河的一条支流发生近于直角的拐弯，并将带来的碎屑物质堆积成台地，断层的活动在台地上留下了一个小型断层槽谷(图9a，b)。
图6 陡坎子断层剖面
Fig.6 The outcrop of Zhuma Fault at Doukanzi.
a陡坎子断层剖面素描图，u1灰白色含中砾粗砂细砾层，u2红褐色含粗砾细砾层，u3红褐色粗砂细砾层，u4灰白色含粗砂细砾层，u5红褐色含粗砂细砾层，u6灰白色含粗砾细砾层，u7红褐色、灰白色粗砂细砾层，u8灰白色含粗砾细砾层，u9深灰色含粗砾细砾层，u10褐色含粗砾细砾层，u11灰色含细砾粗砂层，u12红褐色、灰白色含粗砾细砾层，u13灰色含细砾粗砾层，u14表土层;b断层局部照片;c OSL样品采样位置
图7 脚基坪位错地形和水系复原
Fig.7 Restoration of offsets indicated by gullies at Jiaojiping.
上图为水系位错图，下图为水系复原图，地形等高线间距20m;红色实线代表断层，箭头指示断层运动方向，蓝色实线表示被位错冲沟，黄色黑点区域表示竹马河河道
图8 石龙构造地貌
Fig.8 The landforms of several sites at Shilong.
a石龙一带地形，等高距20m，红色实线代表断层;b黑林子断层垭口，镜向NW;c回隆村断层反向坎，红色实线代表断层，黑色箭头指示反向坎位置，镜向NW
为进一步确定断层的活动性，横跨黑林子的断层槽谷开挖了一个长约60m、宽6m、深6m的探槽。探槽揭示出了4条断层，其分布形态显示为典型的走滑断层花状构造(图9c)。揭示出来的地层一共有7层，除表层的耕作土层之外，其余地层都以砂和黏土为主，为花岗岩风化产物。断层F1近直立，是地层②和③的界限，在断层上的小型负地形上还堆积了楔形地层④，该断层没有断错其上的地层⑤、⑥和⑦;断层F2、F3和F4错断了层①、②、③和⑤，但是没有造成地层⑤的顶部以及地层⑥和⑦发生变形。所以，根据地层②、④和⑤中OSL样品的测年结果确定，竹马断层在(17.4±1.2)～(50.3±5.7)ka BP期间发生过2次断错事件，分别发生在(17.4±1.2)～＞30ka BP和30～(50.3±5.7)ka BP。
2.5 南桠河谷
竹马断层从回隆村往北延伸进入了南桠河河谷。从回隆村至石棉县城，河流两岸发育了一些台地，通过对影像的解译，根据这些台地的位置和展布形态，可以大致分为冲洪积扇和冲积阶地2类:发生在支流出山口，呈扇形的高台地为冲洪积扇;呈瘦长形态沿南桠河河谷展布，与南桠河支流无直接关系的为冲积阶地(图10a)。对这些台地进行详细考察后，发现在顺河村洪积扇上的一条河流发生了异常的左旋拐弯。由于河谷中适合耕作和居住的地方稀少，该洪积扇被改造为农田，人为改造严重，洪积扇上没有留下显著的断层活动痕迹。为了确定洪积扇是否受到断层活动的影响，利用高精度差分GPS从扇顶向扇缘测量了4条地形剖面。4条剖面的结果都显示出扇缘部分的地形相对于扇顶的地形有明显的抬升，说明洪积扇受到了构造活动的影响(图10b)。在顺河村以北，断层一直沿山前延伸，并在石棉城西横切突出的基岩山，使得山脊发生明显的左旋位错(图10c)。
3 讨论
图9 黑林子地形地貌及探槽剖面
Fig.9 The landforms and exposure of the trench at Heilinzi.
a黑林子断层槽谷实测地形，红色实线代表断层，黑框指示探槽位置;b黑林子断层槽谷，红色箭头指示断层位置，镜向N;c探槽剖面，①深灰色黏土细砾层，②灰色黏土细砾层，③红褐色黏土细砾层，④堆积楔，⑤和⑥红褐色黏土细砾层，含铁质侵染，⑦黑色黏土层，耕作层
断裂滑动速率是活动构造定量研究的最重要参数之一，不仅可以直接应用于活动构造的地震危险性预测和工程场地的地震安全性评价，可为地球动力学研究提供不可缺少的重要信息(张培震等，2008)。因此准确的滑动速率的获得就显得尤为重要。张培震等(2008)认为地貌面的位错应当从地貌面被废弃就开始积累，而地貌面的废弃年代应当为地貌面的暴露年龄。沿竹马断裂发育的洪积扇由于耕作活动和植被覆盖使得不可能测量其暴露年龄，因此采用洪积扇的沉积年龄作为地貌面的废弃年龄，这会使估测的滑动速率值比实际值小。此外由于光释光测年样品的需要，样品采集的层位也不在洪积扇的最表层，也使获得的年龄值偏大，也在一定程度上使滑动速率偏小。因此，我们在竹马盆地和陡坎子两处获得的左旋滑动速率估计值都应该是最小值，实际速率要比估计值大。魏占玉等(2012)对大凉山断裂带南段的交际河断裂和布拖断裂的断错地貌进行研究后，得出这2条断裂的左旋走滑速率为2.5～4.5mm/a。本文的目标断层——竹马断裂作为大凉山断裂带的北段分支之一，1.5～3.1mm/a的走滑速率要低于南段滑动速率，但考虑到除了竹马断裂外，该段另一条并行的晚更新世活动的公益海断裂也具有一定量的运动速率(图11)，因此认为大凉山断裂带南段和北段的滑动速率基本一致。最新的GPS观测结果显示大凉山断裂带上的左旋走滑速率为4mm/a(Shen et al.，2005)，与通过位错地貌获得的走滑速率相当。
图10 南桠河谷地形地貌
Fig.10 The landforms along the Nanyahe River.
a南桠河地貌解译图;b顺河村洪积扇实测地形剖面，剖面平面位置见图a;c城西山梁左旋位错，黑色箭头指示山脊线，红色箭头指示运动方向，镜向W
前人对鲜水河－小江断裂系中段的安宁河断裂带和则木河断裂带进行研究时发现，它们的滑动速率相对于北段的鲜水河断裂带和南段的小江断裂带存在明显的亏损:鲜水河断裂带和小江断裂带的滑动速率在10mm/a左右(宋方敏等，1998;周荣军等，2001)，而安宁河断裂带和则木河断裂带的滑动速率在3～8.5mm/a(任金卫等，1994;He et al.，2007，2008b;冉勇康等，2008)(图11)。研究结果显示，鲜水河－小江断裂系在大凉山断裂带上所分配的滑动速率不亚于安宁河断裂带和则木河断裂带，且断裂系中段的滑动速率之和与南北两段的速率大致吻合(图11)。由于大凉山断裂带是青藏高原东南块体顺时针旋转在弧形鲜水河－小江断裂系的中段裁弯取直的结果(He et al.，2008a)，它的存在不仅在几何结构上填补了安宁河断裂带和则木河断裂带形成的反向缺口，使整个断裂系成为一个完整的弧形构造，而且弥补了该段断裂在滑动速率上的亏损量，使断裂系各段的滑动保持协调一致。
此外，黑林子探槽揭示了竹马断裂2次断错事件，分别发生在(17.4±1.2)～＞30ka BP和30～(50.3±5.7)ka BP，也就是说在 17～50ka BP的34ka间发生了2次事件，而17ka BP以来没有发生破裂事件，显示的发震间隔可能在万年以上。前述竹马断裂的活动速率最小值为1.5mm/a，如果按万年地震复发间隔计算，一次地震的最大走滑同震位移量至少为15m。这个估计值远远超出了鲜水河－小江断裂系上历史地震记载的和古地震推测的量值，对于新生的大凉山断裂带上的分支断裂而言，发生超出鲜水河－小江断裂系其他断裂的发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，肯定存在没有在此探槽中记录到的地震事件，还需要更深入的古地震研究。
4 结论
通过对竹马断裂几个典型构造地貌点的野外调查和高精度GPS测量，结合地层和地貌面的测年、探槽手段得到如下认识:
(1)竹马断裂在全新世以来活动强烈，主要表现为左旋走滑活动，兼具一定的倾滑分量。利用冲洪积扇台地累积的位错量和相应的累计时间，约束竹马断裂全新世以来的水平滑动速率为1.5～3.1mm/a。考虑到公益海断裂的存在，大凉山断裂带北段的水平滑动速率与南段基本一致。结合GPS观测结果，大凉山断裂带的左旋滑动速率定为3～4mm/a较为合适。
图11 鲜水河－小江断裂系滑动速率分布图(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)鲜水河－小江断裂系在大凉山断裂带上所分配的滑动速率不亚于安宁河断裂带和则木河断裂带，且断裂系中段的滑动速率之和与南北两段的速率大致吻合。大凉山断裂带的存在不仅在几何结构上填补了安宁河断裂带和则木河断裂带形成的反向缺口，使整个断裂系成为一个完整的弧形构造，而且弥补了该段断裂在滑动速率上的亏损量，使断裂系各段的滑动保持协调一致。
(3)虽然在黑林子开挖的古地震探槽揭示了2次古地震事件，分别发生在(50.3±5.7)～30ka BP和30～(17.4±1.2)ka BP，但是明显存在事件漏记的现象，还需要更深入的古地震研究。
(4)沿竹马断裂大量发育的冲洪积台地，根据沉积特征和测年结果，认为是新仙女木事件后末次冰消期的冰川融水形成的冰水堆积，类似的地貌面可能广泛分布于青藏高原东南缘。
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LATE QUATERNARY ACTIVITY OF ZHUMA FAULT ON THE NORTH SEGMENT OF DALIANGSHAN FAULT ZONE