龙门山推覆构造带中段山前断裂晚第四纪活动的地质与地球物理证据

任俊杰，徐锡伟，孙鑫喆，谭锡斌，李 康，康文君，刘保金

1中国地震局地质研究所 国家活动断层研究中心，北京 100029

2中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京 100085

3中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002

龙门山推覆构造带中段山前断裂晚第四纪活动的地质与地球物理证据

任俊杰1，2，徐锡伟1＊，孙鑫喆1，谭锡斌1，李 康1，康文君1，刘保金3

1中国地震局地质研究所 国家活动断层研究中心，北京 100029

2中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京 100085

3中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002

龙门山逆冲推覆构造带中段山前断裂的存在和最新活动时代一直是个争论的问题.石油地震探测资料和浅层地震剖面揭示该断裂的存在，并断错了第四系；野外调查表明，龙门山中段山前存在明显的线性地貌特征，山前断裂断错晚了更新世晚期的洪积台地；探槽剖面揭示距今约1500a之前在山前断裂上曾发生过一次地表破裂型事件，而该断裂未来具备发生强震的潜势.断错地貌的差分GPS测量和年代学分析显示山前断裂晚第四纪垂直滑动速率大于0.36mm/a，其与龙门山中段主干断裂活动强度相当，说明龙门山山前断裂在龙门山逆冲推覆构造带的变形中也承担着重要的作用.该研究不仅能为成都平原的地震危险性评价提供基础资料，也有助于全面理解青藏高原东缘的隆升机制.

龙门山中段，山前断裂，断错地貌，探槽，青藏高原东缘

1 引 言

龙门山逆冲推覆构造带位于四川盆地西缘，是青藏高原与华南地块的边界构造带，也是青藏高原东缘动力学和隆升机制研究的重要场所[1－4].已有研究认为，龙门山逆冲推覆构造带全长约500km，由三条具有强烈发震能力的主干断裂（汶川—茂县断裂、映秀—北川断裂和彭灌断裂）、山前隐伏断裂及相应的推覆体组成，总体呈NE向展布.已建立的青藏高原东缘的构造模型也把龙门山断裂的三条主干断裂作为吸收青藏高原缩短和隆升变形的主体，而认为山前断裂活动弱，不会发生大的破坏性地震[2－3，5－11].

龙门山山前断裂为龙门山与成都平原的边界构造，大致以江油和都江堰为界可分为三段[12－13].南段主要为大邑断裂，为全新世活动的盲断层，表现为全新世地层的褶皱变形[14－15]；北段构造地貌研究表明，晚第四纪以来活动迹象不明显[16－18]；中段自都江堰至绵竹遵道镇，向东在遵道镇与彭灌断裂相连，向西与大邑断裂左阶斜列（图1c）.目前，由于研究程度不高，龙门山中段山前断裂是否存在及其活动性有不同的观点：石油物探资料分析表明，山前存在断裂构造，被称为关口断裂[19]；人工地震勘探资料分析认为龙门山山前断裂主要展布于成都盆地内，表现为断展褶皱（fault－propagation folds）或断弯褶皱（fault－bend folds）[20]；还有一些研究者认为龙门山山前断裂的活动主要表现为成都平原内与龙门山推覆构造带平行的、呈左阶雁列分布的隐伏断裂或盲断层[1，13，21－22]，因山前较厚的沉积覆盖其最新活动不易直接出露地表[23]，但伴有中小地震活动[24]；正式出版的地质图上则把山前断裂作为一个岩性不整合界面[25].天然地震的波速成像结果表明[26－27]，山前断裂与龙门山主断裂具有相似的深部构造背景.但这些观点主要基于地球物理资料解译和沉积地层分析，缺少野外地质调查和高分辨率的浅层地震勘探证据.

2008年汶川8.0级地震沿龙门山推覆构造带中段两条近平行的映秀—北川断裂和彭灌断裂产生了以逆冲挤压为主兼有右旋走滑分量的斜滑型同震地表破裂带（图1b），长度约240km[28－33]；同震地表破裂带陡坎类型组合特征显示出汶川8.0级地震是有多个断层段发生级联破裂的结果[33].地震前后在三条主干断裂上就断层活动性、古地震、深部地球物理特征等方面进 行了深入研究[1－2，5－6，34－39]，但缺少对龙门山山前断裂中段的研究；成都平原第四纪等厚线也表明，山前断裂明显控制着成都平原的第四纪沉积，且中段的第四纪沉积厚度大于北段和南段[20－21]，这与龙门山中段第四纪构造隆起作用强于北段和南段相一致，表明龙门山中段山前断裂可能具有较强的活动性.另外，龙门山中段山前地带为人口和工业密集区，其地震危险性评价也急需对山前断裂的晚第四纪活动性进行厘定.

本文基于遥感影像解译，通过对龙门山中段盆山分界地带的构造地貌详细调查，发现了龙门山山前断裂存在的地质证据；通过断错地貌的高精度测量和年代测试等获得了反映断裂晚第四纪活动性的定量参数，同时结合浅层地震勘探和已有石油地震勘探资料分析了龙门山山前中段的深、浅部特征.这一研究不仅为成都平原的地震危险性评价提供了基础资料，而且有助于全面理解龙门山推覆构造带的变形特征、青藏高原东缘的隆升过程和变形机制等.

2 山前断裂的构造地貌特征

在龙门山中段遵道以北彭灌断裂位于盆山分界处，遵道以南进入山地，经莹华、白鹿，至通济场、磁丰一带；中间被自蒲阳、隆丰至洛水一带的基岩山地与四川盆地相隔（图1c）.山前地带线性特征明显，主要表现为基岩山地和山前洪积扇组成的台地接触（图1c）.山地为一大型褶皱，走向与龙门山主断裂带平行（图1c），表明该段山前可能经历了与主断裂相一致的挤压作用.

图1 研究区地质构造特征和活动断层分布图Fig.1 Tectonic characteristics and distribution of active faults in the study area

在什邡市山前洛水镇西侧的白莲村、下院村、公墓寺、土门镇、马跪村一带，线性特征尤为显著（图2）.沿山前发育一系列横向冲沟（图2b），表明山前曾经历过较强的抬升作用.在土门镇以北的山前线性特征表现为基岩山地，岩性主要为侏罗系上统莲花口组（J3l）砾岩、砂岩、砂质泥岩.另外，在荞田坝至马跪村，山前存在一系列的残丘，残丘与基岩山地间发育断层谷（图2b、3e）.野外调查表明，这些残丘主要是由早、中更新世的砂砾石组成的洪积台地被后期冲沟侵蚀形成的.残丘之间的沟谷数大于其山前横向冲沟数，表明该处断层可能存在一定的走滑运动；而洪积残丘高出下降盘第四系沉积40～50m，其前缘可能存在有断层（图2b）.在洛水镇以南，线性特征表现为洪积台地前缘陡坎（图2、3）.洪积台地主要由冲洪积相的砂砾石层组成，可见水平层理和多个明显的沉积韵律层（图3d）.

图2 洛水镇山前的Landsat ETM＋影像（a）和线性地貌特征（b）粗红线为汶川地震地表破裂带，细红线为山前断裂，紫色区域为山前洪积台地.位置见图1c.Fig.2 Landsat ETM＋imagery（a）and linear characteristics along the range front of the Longmen Shan at Luoshui town Thick red lines show coseismic surface rupture of the 2008 Wenchuan earthquake and thin red lines are the range front fault.Purple areas indicate fluvial terraces.Figure location is shown in Fig.1c.

图3 洛水镇山前断错地貌特征Fig.3 Displaced landforms along the range front of the Longmen Shan at Luoshui town

在洛水镇西侧的公墓寺村和下院村一带，山前洪积台地（FT2）保留较好（图3a、c、图4）.横向冲沟切割山前洪积台地，在出山口附近形成现今洪积扇（f1），而公墓寺村和下院村庄坐落于石亭江的现今洪积扇（FT1）上（图4）.野外调查发现，除了洪积台地前缘陡坎外，在台地中部还存在一个小陡坎，在下院村两侧洪积台地上均可见该陡坎（图3a、b），而在公墓寺村仅局部保留，其它已被人类破坏（图5b）.山前洪积台地保存较好地点的差分GPS测量表明，下院村洪积台地宽100～120m，现今主要为猕猴桃果园，洪积台地高11.8m（图4、5a）；公墓寺洪积台地面宽20～30m，现多为农田，洪积台地高为9.2m（图5b）；公墓寺北的洪积台地面逐渐变窄，一般宽约10～15m左右，现多为墓地，陡坎下为石灰窑，洪积台地高为9.8m（图3d、5c）.洪积台地上的小陡坎高1.2～2.3m（图5）.

图4 公墓寺山前地貌特征Fig.4 Geomorphic features along the range front of the Longmen Shan at Gongmusi village

图5 横跨公墓寺山前的洪积台地陡坎的地形剖面（测线位置见图4b）Fig.5 Topographic survey profiles across the range front near Gongmusi village

3 公墓寺探槽地质剖面

洛水西侧山前洪积台地坎前现为一条灌溉引水渠和一条乡级公路（图4、5），因此无法在陡坎前缘开挖探槽.公墓寺西侧的洪积台地面平坦，地层保留相对完整.探槽借助公墓寺水库施工进行了开挖清理（图3c、4、5b）.探槽长28m，深8m，探槽横跨小陡坎至山前，前缘至水渠.

探槽剖面自下而上揭示了从沼泽相—河流相—人类活动层的沉积序列（图6）.层（7）中砾石层的磨圆度为次棱角状至次圆状，最大砾径达1m，一般10～15cm，其间被红褐色砂层充填，属河流相沉积；砾石主要岩性为砂岩和砾岩.这与石亭江磨圆度和岩性不同，表明该套沉积物来自近源的山前横向冲沟，而非其北侧的石亭江.在层（21）和（13）中均发现有大量的瓦片和砖屑，表明层（4）以来的地层均属新近人类活动的产物.小陡坎应为断层f活动的结果，它断错了沼泽相（8）与河流相地层（6）、（7），上升盘可见层（8），但其上的河流相地层（9）—（12）与（6）和（7）可能属同期异相沉积.在层（12）的顶面可见一系列的砂土液化和张裂缝，表明层（12）经历过较为强烈的逆冲挤压变形.层（9）和（10）可见断层活动造成的拖曳变形；靠近断层，可见下降盘的砾石呈定向排列.地貌上的陡坎应为在先存陡坎上的人工陡坎.层（12）和层（6）之间高差为1.2m，而层（8）顶面高差1.3m（图6b），这说明造成小陡坎的断层f为一次地震活动形成的新生断层，其同震垂直位移为1.3m.陡坎形成后坎前形成下部由混杂堆积的砂土、向上过渡为坡积层和古土壤层（4）的崩积楔（20）.而断层下部由于被开挖水库堆石所掩盖，难以揭示断层下部特征.

图6 公墓寺探槽南壁照片（a）及探槽剖面（b）Fig.6 Photographs（a）and log（b）of south wall of Gongmusi trench

另外，沼泽相沉积（8）的顶部的木炭样品AMS测年结果为28740±150a，而层（6）和（12）上部的TL的年龄分别为34.20±2.91ka和29.58±2.51ka，由于冲洪积相样品可能在沉积过程中未被完全晒退而造成结果偏老[40]，综合判断该洪积台地形成于距今～28ka稍晚，这与龙门山中段第二级河流阶地的研究结果一致[20，32，41].另外，层（4）和（13）中木炭的AMS测年结果分布为1500±40a和930±40a，证明造成小陡坎的地震事件应发生在距今1500a至28ka之间.

在探槽北壁，上部砾石层大部分被挖掉，并被后期开挖的土石所掩盖，但在保留部分可见后侧的断裂f出露（图7）.断层上盘为坡积相红棕色含砾砂土层（1）和沼泽相黄绿色砂质粘土层（2），在层（1）中混有黄绿色砂质粘土层，表明沼泽相沉积（2）与坡积相（1）之间为过渡关系.下降盘可见上盘对应的沼泽相沉积，其下部为一套纯净的细砂层（2），其上河流相砂砾石层，而这套沼泽相沉积对应于探槽南壁的层（8）（图6）.断层带宽约5～10cm，带内砾石层定向排列，靠近断层面可见挤压作用形成的泥质条带（图7）.

图7 探槽北壁底部出露的断层剖面Fig.7 Fault section of north wall in the Gongmusi trench

4 山前断裂的深浅反射地震剖面

为了分析中段山前断裂的深部构造特征，我们收集了研究区石油部门的深地震反射剖面.龙门山中段横跨山前有两条石油深地震反射剖面（L1和L2，位置见图1b）.从图8可以看出，以山前断裂为界，具有东西两侧明显不同的反射波组特征.在山前断裂以西的龙门山褶皱带内，构造变形强烈，地层倾角较陡，冲断层非常发育，在剖面上呈叠瓦状展布，并在断层两侧形成了一系列的牵引褶皱；在山前断裂以东的成都平原区内，构造变形相对较弱，地层产状平缓.山前断裂位于龙门山前从地层褶皱强烈变形至地层平缓的过渡带上，剖面中表现为一条倾向NW的逆冲断层，它向上断错了三叠纪（T）、侏罗纪（J）和白垩纪（K）地层；向下与彭灌断裂一起收敛于深度～20km的龙门山滑脱面上.

图8 横跨龙门山中段山前的石油地震反射剖面揭示的山前断裂1）Fig.8 Petroleum seismic reflection across the Longmen Shan front

由于石油地震勘探的工作参数主要针对于较深的目标层而设计，使得断裂的浅部特征，特别是白垩系和第四系内部的构造特征没能很好地反映，无法判断断裂的近地表特征及活动性[19].为了了解其近地表的地质构造特征，在隆丰镇西横跨山前布设了一条长4263m的浅层地震剖面（图1c中的测线LF）.浅层地震测线位于横跨山前的彭州至小鱼洞的柏油路上.为了减小道路上各种车辆、行人以及道路两旁居民点产生的强烈干扰，本次探测采用可控震源信号相关、以及多次垂直叠加和水平叠加相结合的工作方法.数据采集使用道间距3m、0m的最小偏移距、280道接收、30次垂直叠加和20次水平叠加的方法.

由图9可以看出，剖面揭示了双程走时500ms以上浅部地层中反射剖面的形态.在剖面桩号2424m左右，可看到一个由浅到深的反射特征分界线，根据剖面特征可以判定它应是龙门山山前断裂在浅层地震剖面上的反映.在断裂上盘，所有的地层反射自北西向南东倾伏，反射能量较弱，地层倾角较陡，从地表出露的地层岩性来看，该套反射应来自侏罗纪地层内部.断裂下盘的地层反射界面产状较为平缓，可以认为浅层地震剖面上的TK反射波为白垩纪地层的底界，TQ为第四系底界.TK之下为侏罗纪地层，TK－TQ为白垩纪至第三纪地层，TQ之上为第四系，剖面中可以看到白垩纪地层的变形较强，而第四系地层也存在一定变形.根据倾斜反射和近水平反射分界线确定的断层面以及地震波组到时和地震波速度资料，可计算得到该断裂的上断点埋深约为20m.另据四川省区域调查研究院在剖面附近的钻孔资料2）揭示，第四系埋深为34.8m.综合表明山前断裂在第四纪以来有过活动.

图9 隆丰西浅层地震反射叠加时间剖面图（测线位置见图1c）Fig.9 Interpretation of stack section of shallow seismic reflection survey across the front fault of Longmen Shan in west Longfeng town.Location shown in Fig.1c

5 历史地震活动与古地震

根据中国历史强震目录[42－43]，四川盆地区最早一次地震记录是在公元前26年的宜宾一带；但从四川及周边的历史强震M－T 图可以看出（图10），大致以公元1460年为界，前后强震频率发生了显著变化，表明龙门山及周边地区强震记录在公元1460年以来可能是完整的，而1460年之前的强震记录存在明显的漏记现象.而发生在山前断裂距今～1500a之前的事件难以对应于那一次历史地震.

图10 龙门山及周边地区强震M－T图（地震目录据文献[42－43]）Fig.10 M－T map of strong earthquakes in Longmen Shan and its adjacent regions

2008年汶川8级地震沿映秀—北川断裂和灌县—江油断裂发生的同震地表破裂[29]，而盆地内隐伏断裂也有一定的变形，主要表现为水渠跌水、地表挠曲变形、喷砂和地裂缝等，垂直位移20～25cm[9，19]，说明发生在主断裂上的大地震通过深部构造触发了山前隐伏断裂的活动.Lin等[44]在北川—映秀断裂上的擂鼓、映秀等地探槽的考古学和14C样品测年结果表明，中央断裂带约在唐宋晚期（～800cal AD）左右曾发生过与汶川8级地震相当的事件；Liu等[35]在擂鼓同一个探槽内的OSL和AMS－14C测年结果显示映秀—北川断裂上一次事件发生在距今2.1～1.1ka.这表明映秀—北川断裂与山前断裂中段存在发生同震破裂的可能，但需更详细的工作来验证.

假如龙门山山前断裂揭示的古地震事件是山前断裂的单独破裂，把公墓寺探槽的垂直位移1.3m作为古地震事件的最大同震垂直位移，由逆断层上同震位移量与震级的统计关系[45－46]得到这次古地震震级为～7级.虽然龙门山山前断裂历史上缺少大震记录，但公墓寺探槽和构造地貌研究表明，龙门山山前断裂是一条晚第四纪活动断裂，具有发生强震的构造条件.山前高约10m的陡坎表明存在多次原地复发的逆冲事件.另外，山前地带人口和工业密集，且考虑到其大于1500a的离逝时间，其未来强震危险性值得重视.

6 山前断裂晚第四纪活动的构造意义

石油地震勘探揭示了山前断裂的存在，而浅层地震勘探证明该断裂第四纪以来有过活动的历史.什邡市洛水镇山前洪积台地的砾石岩性和磨圆度表明它不是来自于石亭江，而是其后山横向冲沟的沉积；而洪积台地前缘陡坎与石亭江主河道近垂直，说明洪积台地形成原因不是由于石亭江的下切侵蚀，而是山前构造活动的结果.

横跨洛水镇西山前的地形剖面测量表明，洪积台地高出下降盘现今洪积扇10.2±1.4m，而测年结果表明该洪积台地形成于距今～28ka，可得到山前断裂晚第四纪垂直活动速率为0.36±0.05mm/a.该值是山前断裂垂直滑动速率的最小值，因为层（1）下降盘的洪积台地顶面已被现今的洪积扇所覆盖，所以洪积台地的高度应代表山前洪积台地被断错的最小值；（2）洪积台地的年龄应是顶部沉积物离开水面的年龄，而～28ka为下部沉积物的年龄，较实际年龄偏老.地震地质研究结果表明，映秀—北川断裂晚第四纪垂直滑动速率为～0.4mm/a[41]或～0.54mm/a[20]，彭灌断裂晚第四纪平均垂直速率为～0.2mm/a[41]，反映出山前断裂的活动并不比主干断裂带弱.

另外，山前断裂南段大邑断裂晚第四纪平均垂直滑动速率为0.13～0.24mm/a[20]，北段晚第四纪活动微弱，这也与龙门山断裂中段活动明显高于南段和北段相一致.

因此，龙门山断裂带除了由三条主干断裂和山前隐伏断裂组成[1，9，13]，还应包括山前断裂.它们在剖面上呈叠瓦状向成都盆地逆冲推覆，断裂倾角在地表约为50°～70°，随深度的增加其倾角逐渐变缓，大约在地下20km深度附近这些断裂合并为一条近于水平的滑脱面[5－6，29]（图11）.龙门山与四川盆地之间约4000m的地形高差是由于青藏高原和强硬的四川盆地的挤压碰撞，引起沿着龙门山逆冲构造带的构造缩短变形转化为龙门山的隆升作用.龙门山中段的变形主要但并不仅仅集中于龙门山三条主干断裂，山前断裂在龙门山构造变形吸收过程中也承担着重要的作用（图11）.龙门山中段山前向南东的基岩凸起可能是龙门山推覆构造带前展式向盆地发展的产物，山前断裂的活动可能是这种前展式运动的结果.

图11 龙门山逆冲推覆带构造模式图（据文献[5，9]修改）Fig.11 Tectonic model of the Longmen thrust nappe zone（modified from Ref.[5，9]）

7 结 论

龙门山中段山前断裂断错地貌清晰，断错了形成于晚更新世晚期山前洪积台地.石油地震勘探资料揭示了山前断裂的存在，而浅层地震探测表明山前断裂断错了第四系.探槽和年代学结果进一步表明，在距今～1500a之前曾发生过一次地表破裂型地震，同震垂直位错量为1.3m，仅考虑单独破裂相当于～7级地震.考虑到其大于1500a的离逝时间，其未来的强震危险性值得重视.

龙门山中段山前断裂是逆冲作用为主的晚第四纪活动断裂，其晚第四纪垂直滑动速率大于0.36mm/a，这与龙门山断裂带上的映秀—北川断裂和彭灌断裂的活动强度相当，表明龙门山中段的变形并不仅仅集中于龙门山三条主干断裂上，山前断裂在龙门山推覆构造带变形的吸收过程中也承担着重要的作用.龙门山中段山前的基岩凸起可能是龙门山推覆构造带前展式向盆地发展的产物，山前断裂的活动可能是这种前展式运动的结果.

致 谢 两位评审专家对本文的完善和提高提出了宝贵的修改建议，张世民研究员和刘光勋研究员在成文过程中提供了很大的帮助，在此一并表示感谢.

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Geological and geophysical evidences of late Quaternary activity of the range－front fault along the mid－segment of the Longmen Shan thrust belt

REN Jun－Jie1，2，XU Xi－Wei1＊，SUN Xin－Zhe1，TAN Xi－Bin1，LI Kang1，KANG Wen－Jun1，LIU Bao－Jin3
1 National Center for Active Fault Studies，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
2 Key Laboratory of Crustal Dynamics，Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing100085，China
3 Center of Geophysical Exploration，China Earthquake Administration，Zhengzhou450002，China

The existence and the latest active time of the range－front fault along the mid－segment of the Longmen Shan thrust belts are controversial for a long period.Petroleum seismic reflection and high－resolution shallow seismic reflection profile discovered the existence of the range－front fault which offset the Quaternary strata.Based on detailed field observation，we found that there is an obvious linear feature along the mid－segment of the Longmen Shan front and the range－frontfault that displaced the late Quaternary alluvial terrace.Trench log indicates that a surfacerupture event occurred before～1500a along the range－front fault.Differential GPS surveying and dating of alluvial terrace show that the range－front fault during late Quaternary had a vertical slip rate bigger than 0.36mm/a，approximately equivalent to that along the main faults of the Longmen Shan thrust belts，which demonstrates that the range－front fault also took an important role in accommodating the deformation of the Longmen Shan thrust zone.This study not only provides the fundamental data for seismic hazard assessment of the Chengdu Plain，but is helpful for the overall understanding of uplift mechanism of east Tibet.

Mid－segment of the Longmenshan thrust belt，Range－front fault，Faulted land form，Trench，Eastern Tibet

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.014

P546

2011－07－18，2011－11－09收修定稿

国家自然科学基金（40821160550、41102134）和中国地震局地壳应力研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项（ZDJ2010－4）共同资助.

任俊杰，男，1979年生，中国地震局地质研究所在职博士.主要从事活动构造、构造地貌与地震危险性分析等方面的研究.E－mail：renjunjie＠gmail.com

＊通讯作者 徐锡伟，男，1962年生，研究员，主要从事活动构造学研究及其在减轻地震灾害中的应用.E－mail：xiweixu＠vip.sina.com

任俊杰，徐锡伟，孙鑫喆等.龙门山推覆构造带中段山前断裂晚第四纪活动的地质与地球物理证据.地球物理学报，2012，55（6）：1929－1941，

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.014.

Ren J J，Xu X W，Sun X Z，et al.Geological and geophysical evidences of late Quaternary activity of the range－front fault along the mid－segment of the Longmen Shan thrust belt.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（6）：1929－1941，doi：10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.014.

1）贾东.国家汶川大地震四川盆地活动构造地球物理分析（附图册）（内部资料），2008.

2）成都理工大学深部地球物理研究所，成都市地震活断层分析研究报告（内部资料），2009.

（本文编辑 胡素芳）