【类型】期刊

【作者】黄学猛，田坤，杜义，何仲太，雷惊昊，马保起，谢富仁（中国地震局地壳动力学重点实验室中国地震局地壳应力研究所；大陆构造与动力学国家重点实验室中国地质科学院地质研究所；造山带与地壳演化教育部重点实验室北京大学地球与空间科学学院；长江三峡勘探有限公司）

【作者单位】中国地震局地壳动力学重点实验室,中国地震局地壳应力研究所；大陆构造与动力学国家重点实验室,中国地质科学院地质研究所；造山带与地壳演化教育部重点实验室,北京大学地球与空间科学学院；长江三峡勘探有限公司

【刊名】北京大学学报(自然科学版)

【关键词】 玉树巴塘断裂；甘孜-玉树断裂；晚第四纪滑动速率；地震危险性

【资助项】中央级公益性科研院所基本科研业务专项(zdj2012-03)资助

【ISSN号】0479-8023

【页码】P65-78

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|4;|5

【摘要】玉树巴塘断裂是甘孜-玉树断裂带玉树段的一条主要的分支断裂,沿线发育第四纪巴塘盆地、波洛滩和当涌滩。通过遥感影像解译、野外构造地貌填图、断层剖面分析以及断错地貌面的光释光和14C年代测定,发现该断裂沿线河流阶地、洪积扇断错明显,是一条以左旋走滑为主,兼具逆冲分量的全新世活动断裂。该断裂最新活动时代为全新世晚期,距今2.72 ka。晚更新世晚期以来的左旋滑动速率为2.3~3.7 mm/a,垂直滑动速率为0.2~0.6 mm/a,该断裂在甘孜-玉树断裂带玉树段起着变形分解作用,吸收了玉树段内约1/3的走滑变形。研究结果可以解释甘孜-玉树断裂带内玉树断裂走滑速率偏小的构造现象,并为评价甘孜-玉树断裂带玉树段的地震危险性提供基础资料。

【全文】 文献传递



玉树巴塘断裂晚第四纪滑动速率及其构造意义

黄学猛1,2,3,† 田坤4 杜义1 何仲太1 雷惊昊1 马保起1 谢富仁1

1. 中国地震局地壳动力学重点实验室, 中国地震局地壳应力研究所, 北京100085; 2. 大陆构造与动力学国家重点实验室, 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037; 3. 造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;4. 长江三峡勘探有限公司, 武汉 430074; † E-mail: huangmeng00000@163.com

摘要：玉树巴塘断裂是甘孜-玉树断裂带玉树段的一条主要的分支断裂, 沿线发育第四纪巴塘盆地、波洛滩和当涌滩。通过遥感影像解译、野外构造地貌填图、断层剖面分析以及断错地貌面的光释光和14C年代测定, 发现该断裂沿线河流阶地、洪积扇断错明显, 是一条以左旋走滑为主, 兼具逆冲分量的全新世活动断裂。该断裂最新活动时代为全新世晚期, 距今2.72 ka。晚更新世晚期以来的左旋滑动速率为2.3~3.7 mm/a, 垂直滑动速率为0.2~0.6 mm/a, 该断裂在甘孜-玉树断裂带玉树段起着变形分解作用, 吸收了玉树段内约1/3的走滑变形。研究结果可以解释甘孜-玉树断裂带内玉树断裂走滑速率偏小的构造现象, 并为评价甘孜-玉树断裂带玉树段的地震危险性提供基础资料。

关键词：玉树巴塘断裂; 甘孜-玉树断裂; 晚第四纪滑动速率; 地震危险性

甘孜‒玉树断裂南东起甘孜, 往西北经玛尼干戈、邓柯、玉树, 至治多当江, 全长约500 km (图1), 往西北与风火山断裂相连, 往南东以左行左阶甘孜拉分盆地与鲜水河断裂相接, 三者共同协调巴颜喀拉地块与羌塘地块、川滇地块之间的相对运动。甘孜‒玉树断裂在遥感影像上线性特征清晰, 经历过多次历史大地震, 断裂沿线冲沟、山脊、洪积扇和冰碛垄左旋位错明显, 前人对其晚第四纪活动特征做过较多研究[1-7]。根据断裂几何结构和历史地震分布特征, 该断裂分为甘孜段、玛尼干戈段、邓柯段、玉树段和当江段[5-6]。根据地貌体的位错和位错起始时间的限定, 报道该断裂晚第四纪以来的左旋滑动速率为12±2 mm/a[2], 5.0~7.3 mm/a[3-4], 3.4~7.3 mm/a[5], 5~8 mm/a[7]和14±3 mm/a[8]。这些速率主要属于玉树段以外的其他断裂段, 学者们一直认为晚第四纪以来, 在2010年玉树Ms7.1地震发生之前玉树段没有明显的活动, 全新世不活动或者是地震空区。2010年甘孜-玉树断裂带玉树段发生Ms 7.1级地震, 许多学者对其破裂过程[9-12]、地震地表破裂特征[13-24]、地表形变特征[25-30]、应力变化特征[31]、古地震复发周期以及滑动速率[21]开展了广泛的研究。根据地表破裂特征、历史地震和古地震资料, 认为玉树断裂地震同震位错为1.5~2.0 m, 复发周期为450~680 a, 滑动速率为2~5 mm/a[21], 该速率明显小于甘孜-玉树断裂其他段。

为什么玉树断裂滑动速率相对较小, 是什么原因导致在2010年玉树Ms7.1级地震之前玉树段晚第四纪以来活动特征不明显或全新世不活动的“假象”？在断裂结构上, 玉树段相对于其他断裂段较为复杂, 发育多条分支断裂, 其中玉树巴塘断裂规模最大, 沿断裂发育巴塘盆地、波洛滩和当涌滩, 断裂线性特征明显(图1和2), 该断裂西端巴陇达2006年发生5.0, 5.4和5.6级群震型地震[32-33]。我们2011年对该断裂晚第四纪滑动速率进行了初步报道, 但是位错地貌体年代限定较差[34]。《青海省区域地质志》[35]将该断裂归为乌拉乌拉湖‒玉树断裂的分支断裂。遥感影像上该断裂在当涌以西线性延伸较差, 属于甘孜‒玉树断裂玉树段的分支断裂[36-38], 本文称为玉树巴塘断裂。

本文选择玉树巴塘断裂作为研究对象, 通过遥感影像解译、野外构造微地貌填图、断层相关沉积物的光释光(OSL)和14C年代限定, 研究该断裂晚第四纪活动特征和滑动速率, 探讨该断裂在甘孜‒玉树断裂带内玉树段变形分解中所起的作用, 以期对玉树段晚第四纪整体活动特征有更全面的认识。

1 断错地貌定量研究

玉树巴塘断裂属于甘孜-玉树断裂带玉树段内的一条重要分支断裂, 走向NWW, 倾角较陡, 从巴塘盆地南缘经过, 往西断续延至年吉错, 控制沿线第四系的展布(图2)。其中巴塘盆地南缘盆山高差千余米, 发育多级晚第四纪地貌面。该断裂断错地貌特征明显, 巴塘盆地南缘发育断层陡坎、地震鼓包、断塞塘等地震遗迹, 河流阶地、洪积扇、山脊、冲沟、冰碛垄左旋位错较为发育。下面对典型断错地貌观察点进行介绍。

1.1 下巴塘观察点

该观察点位于巴塘盆地南缘各曲河流出山口。各曲河出山后往西侧有大幅摆动, 发育多条古河道。西侧阶地错离河道, 保存较好; 东侧阶地错入河道, 侵蚀较强。在河流两侧发育两级不对称阶地, 其中T0和T1为堆积阶地, 主要分布在河流的西岸; T2主要分布在河流东侧, 构成巴塘盆地的主盆地面, 靠山一侧为基座阶地, 盆地一侧为堆积阶地(图3和4)。构造影像解译和野外调查发现, 该观察点发育两条分支断裂, 在河流两侧阶地面上发育两条NWW向近平行的断层陡坎(图3和5), 北侧一条断层陡坎连续性较强, 并且陡坎高度随阶地级别的增加而增加; 南侧一条断裂在阶地面上陡坎明显, 在山前地带, 断裂被坡积物覆盖。利用后差分GPS对该观察点断错微地貌特征进行精细测量, 获得该点的位错平面图和陡坎剖面图(图3(c)和(d)), 其中T0′阶地高约0.5 m, 前缘位错约3 m, 阶地面上纹沟左旋位错约3 m (图3(b)和(c), 图5(a)); T0阶地上发育断头沟、地震鼓包和断塞塘, 断层陡坎高约1.5 m, T0与T0′阶地坎位错约10 m (图3(c)和(d), 图5(b)和(c)); T1阶地上断层陡坎高约3 m, 断层南侧砾石发生褶皱变形(图3(d), 图5(d)和(e)), T1与T0阶地坎左旋位错约20 m图3(b)和(c)); T2阶地上断层发育地震鼓包, 断层陡坎高约6 m (图3(d)和图5(f))。我们通过构造剖面分析认为, 北侧分支断裂在地表表现为断层陡坎, 陡坎下方砾石层呈现明显的高角度定向排列(图4(a)和(b)), 砾石最大扁平面的下半球投影见图4(c), 总体显示倾向S, 倾角为70°~80°; 南侧分支断裂表现为基岩逆冲楔入T2阶地砾石层内(图4(d))。此外, 在基岩区还发育前第四纪断裂, 断面上的物质已固结钙化, 擦痕显示断裂早期活动性质为左旋走滑为主兼逆冲分量(图4 (a)和(e))。

1.2 扎达观察点

该观察点位于巴塘盆地南缘扎曲河流出山口, 发育不对称四级阶地(T0, T1, T2, T3) (图6和7)。T1阶地拔河高度为8 m, 为基座阶地, 基座之上覆盖厚约2 m的砾石层。T2阶地主要分布在河流西岸, 拔河高度为20~26 m, 阶地上砾石层厚约10 m, 阶地面较宽整, 与盆地面共生, 阶地后缘陡坎左旋位错约80 m, 前缘陡坎受河流侵蚀和修公路的人为影响, 改造较为严重, 水平位错不易恢复。T3阶地分布在河流出山口东岸, 为基座阶地, 阶地面上零星分布砾石, 拔河高度为50 m (图7(a))。河流东侧发育规模较大的洪积扇, 与西侧T2阶地后缘毗邻, 扇体后缘发育NWW向垄岗地貌, 扇面上纹沟呈左旋位错, 扇体中央干流左旋位错约60 m (图6)。阶地面与洪积扇上发育线性较好的断层陡坎(图8)。利用后差分GPS实地测量, 获得阶地位错平面图、阶地纵剖面图和阶地断层陡坎剖面图(图7)。T1阶地上断层陡坎高约2~3 m, T2阶地上断层陡坎高约6 m。

1.3 营房观察点

该观察点位于营房南河流出山口处, 发育三级阶地(T0, T1, T2), 为堆积阶地, 阶地面上发育NWW向断层陡坎, 阶地坎被左旋位错(图9)。河流东侧T0阶地面断层陡坎高约0.3 m, 阶地后缘坎左旋位错约3 m。T1阶地拔河高约3 m, 可能为最近一次历史地震形成, 阶地面宽约15~20 m, 断层陡坎高约1~2 m, 后缘阶地坎左旋位错约18 m。T2阶地拔河高度约10 m, 阶地面较为宽缓, 与盆地面共生, 断层陡坎高约6 m。河流西侧阶地前缘陡坎受河流侧向侵蚀严重, 左旋位错不易恢复, T1阶地后缘陡坎左旋位错为15 m, T2阶地断层陡坎高约6 m (图10(a)和(b))。

1.4 上巴塘观察点

巴塘盆地南侧冲沟较为发育, 山前地带发育一系列洪积扇。选择玉树机场南侧规模较大的洪积扇作为观察点。扇面上发育4条小纹沟, 受晚第四纪断裂活动的影响, 扇体与扇面上小冲沟呈左旋位错, 扇面上发育线性的断层陡坎(图10(c)和(d))。利用后差分GPS实地测量, 获得该观察点的位错平面图(图11(a))和断层陡坎剖面图(图11(b))。断层陡坎高约4 m, 扇面较为宽缓, 覆盖于主盆地面之上, 扇体边界不易识别, 不是很好的水平位错标志体。选择扇面上小冲沟作为位错标志体, 其中G1为现代纹沟, 左侧发育断头沟和古沟床, 左旋位错约20 m; G2为废弃纹沟, 左旋位错约20 m; G3位于扇体中央, 沟床较宽, 位错不明显; G4为废弃纹沟, 左旋位错约20 m (图11)。在G1与G2之间开挖探槽, 探槽剖面揭露出两条断裂(F1, F2), 其中F1断裂倾角较陡, 断裂带内砾石定向排列明显, 砾石层U2松散且混杂堆积; F2断裂倾角稍缓, 表现为砾石层U1逆冲至含砂砾石层U3与淤泥层U4之上。在两条断裂之间砾石层呈拱背形, 顶部发育张裂楔, 充填褐黄色砾石U5, 断裂带整体显示典型的具有挤压分量的走滑断裂正花状构造特征(图12)。

2 断错地貌面年代限定

本研究采用光释光(OSL)和14C方法测年, 分别由中国地震局地壳应力研究所光释光实验室和美国Beta实验室专业技术人员完成。其中光释光样品主要采自阶地二元结构内粉细砂层或砾石层内粉细砂夹层,14C样品为洪积扇内含碳淤泥层。

本文测定的地貌面为阶地T0′, T0, T1, T2和洪积扇, 具体描述如下。

T0′阶地样品采自下巴塘各曲出山口, 此处T0阶地二元结构明显, 样品采自粉细砂层(OSL-08, 表1), 取样深度为0.5 m, 测得年龄为距今2.72± 0.24 ka, 为全新世晚期。

T0阶地样品采自下巴塘各曲河出山口, 此处T0阶地二元结构明显, 样品采自粉细砂层(OSL-03, OSL-07, 图13, 表1), 取样深度为0.5 m, 测得年龄分别为距今4.27±0.38和5.56±0.79 ka, 为全新世中期。

T1阶地样品采自下巴塘各曲河出山口, 此处T1阶地二元结构明显, 样品采自粉细砂层(YS-02, YS-03, YS-04, 图13, 表1), 取样深度为0.5 m, 测得年龄分别为距今7.99±0.89, 8.56±0.87和8.82± 1.05 ka, 为全新世早期。

T2阶地样品采自下巴塘格曲河和扎达扎曲河。在扎曲东岸T2阶地, 在距阶地面1 m处砾石层内粉细砂夹层中取得样品(OSL-16, OSL-17, 图13, 表1), 经光释光测年, 获得年龄分别为距今27.65±3.33和22.55±2.01 ka, 为晚更新世晚期。在扎达河流下游T2阶地, 在距阶地面3 m处取得粉细砂样品(OSL-15, 图13, 表1), 经光释光测年获得年龄为距今24.21±2.17 ka, 为晚更新世晚期。

洪积扇样品采自上巴塘, 在距扇面0.8和1.0 m处取得泥炭样品(14C-01,14C-02, 图13, 表2), 经14C测年获得年龄为距今7555±55和9495±45 a。在距扇面1.2 m处取得粉细砂样品(OSL-01, 图13, 表 1), 经光释光测年获得年龄为距今6.89±0.57 ka, 为全新世中期。

说明: 光释光(OSL)样品由中国地震局地壳应力研究所光释光实验室测定。

说明: 14C样品由美国Beta实验室测定。

3 晚第四纪滑动速率

位错量和位错起始时间是限定滑动速率的两个重要参数。本文研究区位错量主要以洪积扇和阶地坎作为位错标志, 并且位于错离河道一侧, 保存较好, 其位错量通过遥感影像解译、实地皮尺测量和后差分GPS测量共同限定, 并且将位错量校正到断裂方向。阶地坎经常作为走滑断裂滑动速率的地貌标志[39-41], 同时也是滑动速率不确定性的一个关键因子。阶地坎的形成与河流演化密切相关, 形成于上阶地废弃与下阶地开始接受沉积之间, 其中上阶地面的废弃年龄代表阶地坎年龄的最大值, 下阶地初始沉积的年龄代表阶地坎年龄的最小值, 这两个年龄最接近阶地坎位错的起始时间。以上阶地的最小年龄值和下阶地的最大年龄值共同限定阶地坎的位错起始时间。

本文根据阶地面、阶地坎、洪积扇位错量以及相应位错年代限定平均滑动速率(表3)。据上述分析可知, T2阶地的垂直断错量为5.5~6.3 m, 水平位错量为60~80 m, 年代为距今22~27 ka, 以此估算的晚更新世晚期以来的平均垂直滑动速率为0.23~ 0.28 mm/a, 平均水平左旋滑动速率为 2.6~3.5 mm/a; T1阶地垂直断错量为3 m, 年代为距今7.9~8.8 ka, 平均垂直滑动速率为0.31~0.37 mm/a; T0阶地垂直断错量为2~3 m, 年代为距今4.3~5.5 ka, 平均垂直滑动速率为0.4~0.5 mm/a; T0′阶地垂直断错量为0.5 m, 前缘陡坎位错约3 m, 年代为距今2.72 ka, 平均垂直滑动速率大于0.18 mm/a, 水平滑动速率大于1.1 mm/a; T1/T0阶地坎左旋位错量约为20 m, 由T1阶地最小年龄与T0阶地最大年龄共同限定, 获得平均水平左旋滑动速率为2.3~3.6 mm/a; T0/T0′ 阶地坎左旋位错量约为10 m, 由T0阶地最小年龄与T0′阶地最大年龄共同限定, 获得平均水平左旋滑动速率为2.3~3.7 mm/a; 洪积扇的垂直位错量约为4.3 m, 左旋位错量约为20 m, 年代为距今6.9~ 9.5 ka, 以此估算的全新世早期以来的平均垂直滑动速率为0.45~0.63 mm/a, 左旋滑动速率为2.1~2.9 mm/a, 由于年代为洪积扇沉积年代, 早于断裂位错起始时间, 因此该速率值偏小。

综合分析, 玉树巴塘断裂最新活动时间为全新世晚期, 距今2.72 ka以后, 晚第四纪以来水平滑动速率为2.3~3.7 mm/a, 垂直滑动速率为0.2~0.6 mm/a (图14)。

4 讨论

4.1 变形分解特征

断裂滑动速率是分析断裂变形以及断裂两侧块体相对运动的重要参数。甘孜-玉树断裂作为鲜水河断裂西北的延伸部分, 共同协调巴颜喀拉地块与羌塘地块、川滇地块之间的相对运动。根据地貌体位错及位错起始年代的限定, 甘孜-玉树断裂晚第四纪以来的左旋滑动速率有5.0~7.3[3-4], 3.3~ 8.0[7], 3.4~7.3[5], 12±2[2]和14±3 mm/a[8]等结果, 其中12~ 14 mm/a的滑动速率是利用下阶地面的废弃年代作为阶地坎位错起始年代, 相对应的速率值会有所偏大[42]。横跨该断裂的GPS速度剖面表明, 该断裂滑动速率为6.6±1.5 mm/a[43]。综合分析, 甘孜-玉树断裂带晚第四纪以来7 mm/a的整体滑动速率可能较为接近实际情况。根据地表破裂特征、历史地震与古地震研究, 玉树断裂地震复发周期为450~680 a, 结合2010年玉树Ms7.1级地震的同震位错量1.5~2.0 m, 计算得到滑动速率为2~5 mm/a[21]。需要指出的是, 文献[21]在分析地震复发周期时, 将1738年玉树西北地震归为玉树断裂的历史地震, 而地震遗迹证据表明该历史地震发生于当江段, 玉树段在2010年玉树Ms 7.1级地震之前为地震空白区[3,6]。

玉树巴塘断裂作为玉树断裂最大的一条分支断裂, 控制着巴塘盆地的形成和发育以及沿线第四系地层的展布, 水平滑动速率为2.3~3.7 mm/a。玉树断裂、玉树巴塘断裂与甘孜-玉树断裂玉树段共同在相古地带共同构成三联点构造(图1和15), 玉树断裂与玉树巴塘断裂共同承担着甘孜-玉树断裂玉树段约7 mm/a的走滑变形, 其中玉树巴塘断裂分解了玉树段内约1/3的走滑变形(图15)。

4.2 发震能力

玉树巴塘断裂虽然没有记录较大的历史地震, 但是保存较好的地震地质遗迹, 表明该断裂发生过具有地表破裂的强震, 并且该断裂西端巴陇达一带2006年发生5.0, 5.4和5.6级群震型地震[32-33]。根据下巴塘观察点T0′阶地前缘陡坎3 m位错和T1阶地面上小纹沟3 m位错, 营房观察点T0阶地前缘3 m水平位错, 以及上巴塘洪积扇面上纹沟约3 m位错, 推测该断裂带最近一次地震的水平同震位错量约为3 m。前人对走滑断层震级与最大同震位错的关系进行总结, 获得不同的关系式[44-45]:

将3 m的同震位错带入式(1)和(2), 获得震级分别为7.45和7.48。

玉树巴塘断裂北侧的玉树断裂在2010年发生Ms 7.1 (Ms 6.9)级地震, 最大同震位错为1.8~3.2 m[13,20,23]。由于二者处于相似的构造位置, 构造类比分析认为玉树巴塘断裂具备发生7.0级地震的能力。综合而言, 玉树巴塘断裂具有发生7.0~7.5级地震的能力。

5 结论

玉树巴塘断裂断错地貌特征明显, 是一条以左旋走滑为主, 兼具逆冲分量的全新世活动断裂, 最新活动时代为全新世晚期, 距今2.72 ka以后。

根据阶地面与阶地坎位错量和阶地年代分析, 认为玉树巴塘断裂晚更新世晚期以来的垂直滑动速率为0.2~0.6 mm/a, 左旋滑动速率为2.3~3.7 mm/a, 运动学分析认为该断裂分解了甘孜-玉树断裂带玉树段内约1/3的走滑变形。

根据历史地震同震位错量与震级之间的经验关系以及构造类比分析, 推测该断裂具有发生7.0~7.5级地震的能力。

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Late Quaternary Slip Rate of the Yushu Batang Fault and Its Tectonic Significance

HUANG Xuemeng 1,2,3,†, TIAN Kun4, DU Yi 1, HE Zhongtai 1, LEI Jinghao1, MA Baoqi 1, XIE Furen 1

1. Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085; 2. State Key Laboratory for Continental Tectonics and Dynamics, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 3. The Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution (MOE), School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 4. Three Gorges Geotechnical Consutants Co. Ltd., Wuhan 430074; † E-mail: huangmeng00000@163.com

Abstract：The Yushu Batang Fault, which controls the development of Quaternary Batang Basin, Boluo tan Basin and Dangyong tan Basin along it, is a major branch fault of the Yushu segment within Ganzi-Yushu Fault system. Based on morphotectonic mapping, interpretation of remote sensing images, fault profile analysis, optically stimulated luminescence (OSL) and radiocarbon (14C) dating, it is found that a series of fluvial terraces and alluvial fans are systematically offset by the Yushu Batang Fault and this fault is a Holocene left-lateral strike-slip fault along with some reverse component. The time of the latest activity of this fault is after 2.72 ka. Average left-lateral slip rate of this fault is about 2.3-3.7 mm/a and vertical slip rate is about 0.2-0.6 mm/a since Late Pleistocene. The Yushu Batang Fault plays an important role in accommodating strike slip deformation in Yushu segment and partitioned about a third of the strike slip deformation within Yushu segment. This study provides insight into the reasons of why the slip rate of Yushu fault is relatively low compared with other segments within Ganzi-Yushu Fault system and these results are essential to the seismic hazard assessment in Yushu area.

Key words：Yushu Batang Fault; Ganzi-Yushu Fault; late Quaternary slip rate; seismic hazard assessment

doi： 10.13209/j.0479-8023.2014.172

中图分类号：P546

收稿日期：2013-11-07;

修回日期：2014-03-28; 网络出版日期: 2015-01-07

中央级公益性科研院所基本科研业务专项(ZDJ2012-03)资助