青川断裂晚第四纪活动性及其对区域构造运动模式的约束

孙浩越

(中国地震局地质研究所，北京100029)



青川断裂晚第四纪活动性及其对区域构造运动模式的约束

孙浩越

(中国地震局地质研究所，北京100029)

印度板块与欧亚板块的碰撞造成了青藏高原的隆升和高原内部活动块体的向东运动。由于相对刚性的四川盆地的阻挡，巴颜喀拉块体与其发生了挤压碰撞，并使得中生代的古龙门山构造带复活，发生逆冲推覆运动。虽然龙门山断裂带表现出来的滑动速率非常低，不到1 mm/a，但是却先后于2008年和2013年在断裂带的中段和南西段产生了汶川MS8.0地震和芦山MS7.0地震，显示了断裂带非常强的发震能力。这两个地震的相继发生使地学界关注的焦点集中到了尚未发生地震的龙门山断裂带北东段上。汶川地震对周边断裂造成的静态库仑应力扰动的计算结果表明，汶川地震在断裂带的北东段上激发了1.8×104Pa的静态库仑应力增量，使该断裂段未来破裂地震的发生时间提前了230年，意味着该断裂段可能具有较高的地震危险性。

相较于岷山隆起，龙门山断裂带北东段过去的地震活动明显较少，似乎表明断裂带中段上的滑动变形主要向北东方向传递到了岷山隆起及其边界断裂上，使得断裂带的北东段被屏蔽而不再活动。但是，汶川地震产生的地表破裂并未联接或终止于岷山隆起，反而越过了岷山隆起向北东发展，终止在断裂带北东段的青川断裂南侧。汶川地震重新定位的余震分布也显示，地下的破裂已经发展到了青川断裂上。那么，龙门山断裂带的北东段究竟是不是活动的，是否具有发生强震的能力？ 到目前为止，对断裂带北东段的活动性仍存在较大争议。一些研究结果表明，龙门山断裂带北东段在晚更新世之前曾活动过，但晚更新世以来活动已经停止； 而一些研究则表明，北东段的青川断裂全新世仍在活动。除了对断裂段的活动性存在很大争议外，已经开展的研究工作对断裂的滑动速率、破裂地震活动历史、强震复发行为等参数的研究还十分薄弱。而这些活动性参数却是认识断裂活动特征，评价区域地震危险性，了解区域地壳变形机制和构造演化至关重要的基础资料。

此外，对现代地震的地表破裂观测表明，断裂的同震位移沿断裂带并非均匀分布，而传统的地质研究方法常常选取几个典型地质点来进行活动参数研究，难以代表断裂的整体活动特征，而且断裂活动是活动块体间的相对运动在其边界的表现形式，因此，活动块体内部的变形特征不能仅仅通过对断裂带的研究来认识，传统研究手段对我们认识活动块体内部的运动、变形特征和运动机制存在一定的局限性。近年来得到长足发展的基于数字高程模型(DEM)的数值地貌参数研究方法，能在很大程度上弥补这一不足。

为解决上述问题，厘定龙门山断裂带北东段的晚第四纪活动性、运动模式、滑动速率、古地震活动历史、强震破裂行为、最新事件的离逝时间等活动性参数，本文选取了该断裂段上最为重要的一条断裂青川断裂作为目标断层，以断裂及周边区域为重点研究区，开展了地质地貌的定量研究以及数值构造地貌的分析工作，并取得了如下认识：

(1) 通过对覆盖青川断裂的高分辨率航空照片和卫星影像的综合遥感解译以及详细的实地调查验证，结合构造地貌和地质证据，确定断裂南起平武，向北东经青川、勉县进入汉中盆地后隐伏，全长超过200 km，整体走向NE，倾向NW。断裂具有非常长的活动历史，几何结构非常连贯，不存在明显的阶区等分段特征，具有较高的成熟度。

(2) 青川断裂的线性特征非常明显，线性地貌如断层槽谷、线性挤压脊等发育良好，说明断裂带的走滑运动作用显著。沿断裂带发育的不同规模、等级的冲沟或者河流发生系统性的右旋位错，其中水系等级最高的嘉陵江的右旋位错量达到18 km，其余较低等级的水系的右旋位错量则从数百米到数千米不等，确定了断裂的运动性质以右旋走滑为主。结合区域隆升历史研究成果，我们估计青川断裂自中新世晚期以来的平均右旋滑动速率为～1.5 mm/a。此外，利用被右旋断错的河流阶地上累积的断错量和前人对阶地的区域性测年结果，本文将青川断裂晚第四纪的平均右旋走滑速率限定在～0.7 mm/a。

(3) 青川断裂在嘉陵江以南的段落广泛发育挤压脊，而在嘉陵江以北则连续发育断层三角面，指示断裂带在南西段和北东段的构造应力环境和运动方式存在差异。在野外观测中发现，基岩断层面上的擦痕的侧伏角由南西向北东逐渐从接近于0°变化为约45°，显示断裂的正断运动分量向北东有逐渐增加的趋势。

(4) 在对断裂进行详细调查的基础上，选取了两个断层槽谷作为古地震探槽研究场所，开展了青川断裂的全新世活动性和古地震研究。通过对探槽揭示的地层和构造的细致分析，在两个探槽中都鉴别出了古地震事件。利用放射性碳测年技术建立了探槽沉积物的地层层序，并将两个探槽中的古地震事件的时间分别限定在5120～3820 BC和4115～3000 BC。这两个探槽中识别出的古地震事件的发生时间相近，而且青川断裂具有成熟的几何结构，连续性好，因此，判断它们应为同一次古地震事件，也是青川断裂最新的一次破裂事件。因此，该事件的发震时间被限定在4115～3820 BC，意味着离逝时间超过6000年，与GPS观测到的较慢的应变速率相符。由于断裂成熟的几何结构，该古地震事件很可能破裂了整条断裂(～200 km)，利用地震震级与破裂长度经验关系估测，这次地震的震级可能为MW7.6～7.9。因此，青川断裂的强震破裂行为具有震级大、发震间隔长的特征。

(5) 青川断裂最新一次地震事件的离逝时间约为6000年，根据GPS和地质观测到的断裂右旋滑动速率，估计青川断裂上已经累积了约4.2～9 m的滑动量，与震级约为MW7.3～7.5地震矩能量相当。再考虑到汶川地震使龙门山断裂带北东段静态库仑应力增加，进而使断裂可能的发震时间提前了～230年，推断该区域在未来的地震危险性较高。

(6) 本文利用分辨率为90 m的SRTM-3的DEM作为数据源，提取了龙门山北段的区域水系陡峭指数； 利用ALOS卫星立体像对提取的高精度DEM作为数据源，沿断裂提取了断层上盘小型汇水盆地的陡峭指数、断层两盘小型汇水盆地的面积高度积分值两个参数。龙门山北段的水系陡峭指数在青川断裂西侧的岷山地区最高，并向东逐渐降低； 断层上盘的小型汇水盆地的陡峭指数也呈现出沿青川断裂向北东逐渐降低的趋势； 断层上盘汇水盆地的面积高度积分值也呈现出相同的现象，但是，断层下盘的面积高度积分值却相对稳定。综合各项构造地貌参数分析，青川断裂上盘的碧口地块的隆升速率呈现出从西向东逐渐降低的特点，反映来自西侧的挤压力迫使地块发生变形隆升并沿青川断裂向东滑动，而断裂下盘的地块运动则相对稳定一致，没有显著的差异。因此，地质地貌显示的青川断裂从南西向北东运动方式的差异，可能是断裂上盘地块缩短变形导致差异性垂向运动的结果。

(7) 论文还利用龙门山北段主要断裂的几何结构和已知的滑动速率，估算了巴颜喀拉块体沿东昆仑断裂的滑动在这些断裂上的分解量。结果显示仅凭龙日坝、岷江和虎牙3条断裂不足以完全吸收东昆仑断裂的滑动速率，而加上青川断裂上根据现今GPS速率估算的分解量，正好能使之达到平衡。因此，龙门山断裂带北东段起到了吸收协调巴颜喀拉块体沿东昆仑断裂运动的作用。巴颜喀拉块体向东运动的斜向推挤，使青川断裂呈现出以右旋走滑运动为主，上盘地块发生差异性垂向运动的运动方式。龙门山北段各断裂上分配到的滑动速率之和与东昆仑断裂的滑动速率之间的吻合，则意味着巴颜喀拉块体或者青藏高原向东扩展的影响不超过龙门山断裂带北东段。换言之，龙门山断裂带北东段是巴颜喀拉块体向东运动的终止构造。

关键词青藏高原东缘； 龙门山断裂带； 青川断裂； 晚第四纪活动性； 古地震历史； 构造地貌； 构造运动模式

(作者电子信箱，孙浩越：sunhaoyue0312@sina.com)

中图分类号：P315.2；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.06.006