晚第四纪以来巴塘断裂的活动特征及滑动速率

黄伟亮 张家乐 项 闻 杨虔灏

1)长安大学,地质工程与测绘学院,西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,西安 710054 2)铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿,安庆 246000 3)核工业金华勘测设计院有限公司,金华 321000

0 引言

川西及其邻区地处青藏高原东南缘,是川滇、巴颜喀拉和华南三大活动地块的交接部位,位于中国南北地震带的南段,是中国现今构造活动最活跃的地区之一(徐锡伟等,2003)。新生代以来,随着印度板块与欧亚板块的碰撞推挤作用,青藏高原东南缘发生了显著的构造隆升和强震活动(Tapponnieretal.,1977; Molnaretal.,1993; Zhangetal.,2004)。该地区的岩石圈被一系列长度及力学性质不同的活动断裂带切割成多个活动块体,其中,川滇块体便是川西地区构造活动最为显著的区域之一(徐锡伟等,2003; Zhang,2013)(图1)。现有的地壳运动速度场表明,川滇块体以东喜马拉雅构造结为中心发生顺时针旋转运动,在运动过程中,块体的边界断层成为吸收和调节变形的主要构造之一,而明确和限定这些断层的活动性质及活动速率是理解现今川滇块体变形方式和变形过程的关键,也是科学评估川西地区强震风险分布的重要环节(Wang Yetal.,2008; Wang Hetal.,2017; 闻学泽,2018; 徐锡伟等,2018)。

图1 青藏高原东南缘构造地貌与川滇块体周缘的断层分布图

川滇块体的边界由一系列大型走滑活动断裂带构成,其东部边界主要有鲜水河-安宁河-则木河断裂带、小江断裂带及大凉山等次级断裂带,形成较狭窄且连续的走滑断层变形带,总长度>1100km。川滇块体的西边界主要由金沙江断裂带和红河断裂带构成。其中,金沙江断裂带是一条主要由20多条大致平行的次级断层形成的宽30～200km的复杂断裂带(图1中的蓝色矩形),且断裂带大多分布在高山峡谷地区,地理环境恶劣。相比于研究成果众多的川滇块体东边界,金沙江断裂带的研究程度仍然较低。尽管近年来通过更加密集和细致的GNSS观测网络揭示了该地区现今的构造变形速率(Zhengetal.,2017),但对于准确获取单条活动断层的变形特征及变形速率仍显不足,尤其是对晚第四纪以来断层的运动方式及变形速率的认识还存在一定分歧(李煜航等,2014; Lietal.,2020)。

巴塘断裂是川滇块体西边界金沙江断裂带内一条NE向的主干断裂,其斜切了金沙江断裂带,并将金沙江断裂分成北段和中段,现今主要以右旋走滑运动为主。该断裂及周边曾发生过多次历史强震,其中影响较大的有1722年巴塘6.0级地震、1870年巴塘7级地震、1923年巴塘附近6级地震和1989年发生的2次6.6级地震。前人针对该断裂的变形速率和变形方式开展过部分研究,但由于地质速率的获取受到传统人工地貌位错测量手段和断错沉积物年代不确定性的限制,可能具有较大误差; 而利用地壳形变模型反演所得到的滑动速率并非真实的观测值,存在一定的局限性。因此,本文对巴塘断裂晚第四纪的滑动速率开展了相关研究工作,以期更为客观地评价其在川滇块体变形过程中起到的作用。

本文通过野外地质调查、无人机地形测绘、第四纪年代学等方法,对巴塘断裂的活动方式、变形特点及断错地貌面的年代进行了研究,并选定黄草坪和巴塘县城2个断错地貌明显的区域对巴塘断裂的晚第四纪活动速率进行了限定,进而讨论了巴塘断裂在川滇块体西边界形变中所起的作用。

1 区域构造背景

青藏高原东南缘三江地区的主体属古特提斯造山带(泥盆纪—中三叠世),距今约55Ma以来受到了印度与欧亚大陆的碰撞而引起强烈的陆内变形,形成了大规模的NNW—近SN向走滑断裂系和褶皱带(钟大赉等,2000; 张波等,2009)。该区域于晚古生代—中生代早期显示出复杂的转换会聚运动,具有弧-盆系结构特征(许志琴等,1991; 王立全等,1999),发育的多条大型深部断裂控制着三江地带的构造活动,构造线整体表现为近SN向展布发育的特征。

晚新生代以来,随着高原物质的向E扩展,藏东块体沿金沙江断裂逆冲推覆到川滇块体之上,形成了宽30km的中咱推覆体,表现为古生代岩石逆冲叠覆于古近纪红层之上(潘桂棠,1986)。同时,深部地震层析成像及人工源地震剖面表明,自川滇块体西边界开始向E,莫霍面深度逐渐减小,整个川滇块体的下地壳低速异常广泛分布,呈现低速特征(黄周传等,2021)。近年来,大量深部地球物理探测资料表明,在青藏高原东南缘中、下地壳明显存在2个低阻、高导通道(翁雪飞等,2022),其中一条从川滇块体北部沿金沙江-红河断裂系延伸至滇缅地块,并在空间位置上与大型走滑断裂重叠,这表明壳内低速带和地表的剪切变形可能相互关联,并反映出中下地壳的流动挤出作用可能是现今导致川西地区地壳形变的驱动力(Baoetal.,2015)。

此外,依据现今GPS速度场分布及变化情况可看出,在川滇块体以西GPS的运动方向为E向,跨过金沙江断裂带运动方向基本转为SE—SSE向,显示地壳在金沙江断裂带周边区域向SSE顺时针旋转(Wangetal.,2020)。同时,金沙江断裂带的主压应变从北向南由近EW向逐步转变为近SN向,也表现出顺时针旋转的特征。而利用速度场计算得到的主应变率结果表明,金沙江断裂与巴塘断裂交会区的应变最为集中,尤其是剪切应变率值较高,反映该地区受到较强的剪切作用,同时现今中小地震活动也集中于该区,反映巴塘断裂与金沙江断裂交会处可能是现今川滇块体西边界的一个主要的应变释放区(徐晓雪等,2020)。

2 研究方法

断错地貌区高精度数字高程模型(DEM)是确认断层位置、量化断层活动信息的关键数据。本研究利用多视角移动摄影测量技术SfM(Structural from Motion)对巴塘断裂部分典型断错地貌区进行分辨率为亚米级的地形测绘,旨在更精细地恢复断错地貌的形态及准确测量断错位移量。主要使用小型航拍无人飞行器航拍分析并建立亚米级分辨率的DEM数据(Fonstadetal.,2013),最终输出分辨率为0.25m的地形数据(DEM)。在确定断层位移量时,通过将DEM转换成高分辨率的山阴图、等高线图、坡度图等,确定被断错的线性地貌标志体(如冲沟侧壁、阶地边缘、洪积扇侧壁等)。而在测量线状地貌标志体时,有时需要将这些线性特征外推到断层上,因此在测量时会有一定的不确定性(Angsteretal.,2016)。

限定被断错地貌面的年龄是量化断层活动速率的关键。本研究中使用的原地宇宙成因核素年代学方法是目前在确定干旱地区粗颗粒快速堆积体地表暴露年龄最为有效和准确的方法之一(Ivy-Ochsetal.,2013)。本文采用单个大砾石暴露年龄法和核素深度剖面法分别确定不同地貌面的形成时代,其中核素深度剖面法通过采集不同深度的核素样品,利用核素浓度衰减曲线对不同层位沉积物中的核素浓度值进行拟合,可更有效地剔除继承性核素浓度,得到相对准确的地貌面暴露年龄(Andersonetal.,1996; De Vecchioetal.,2012; Stangeetal.,2016)。原地宇宙成因核素测年方法的原理参见文献(Grangeretal.,2007; Gosse,2012),本文不再叙述。

采集时注意远离冲沟和地貌面边缘等后期可能会被明显侵蚀改造的地区。每份样品至少采集1kg以上,之后对每个样品进行粉碎和筛选,得到粒径为0.25～0.5mm的岩石颗粒。按照Brown等(1991)建议的处理流程,在中国科学院地球环境研究所对样品中的石英进行了挑选、溶解和制靶,并在该所的西安加速质谱中心(AMS)进行10Be/9Be比值测量,所得核素浓度及误差详见表1。

表1 巴塘地区地貌面的10Be 年龄结果及其相关参数

3 巴塘断裂的地貌特征

巴塘断裂地处川藏两省(区)的交会地带,位于横断山脉的中部地区,呈NNE向斜切金沙江断裂带的主体部位,其形成时间应稍晚于金沙江构造带,为一条全新世右旋走滑活动断裂(周荣军等,2005)。巴塘断裂北东起于莫西附近,向S途径雅洼、卡贡、黄草坪村、索英村、巴塘县城,过茶雪村后沿金沙江河谷途经水磨沟、竹巴龙,在罗荣附近偏离金沙江河谷继续向SW延伸,经那如岗到达莽岭后,断裂行迹逐渐消失,全长约115km。巴塘断裂整体沿着玛曲河和金沙江河谷两岸的基岩山体边缘呈NNE向展布,倾向NWW或SEE,倾角较陡,断裂沿线发育一系列地貌断错现象。从断裂形态上来看,巴塘断裂整体连续且平直,没有明显的分段特征,仅在局部地区存在小范围的阶列展布。

其中,在莫西—黄草坪段断裂主要沿玛曲河呈NNE向展布,断裂控制了山前剥蚀面和基岩山体的宏观边界,该段巴塘断裂主要沿基岩山体的边缘切过,线性特征显著,从遥感影像上可见沿线发育多个断层崖、断层三角面等地貌特征(图2)。但此段地形起伏大,河流主要以下切为主,第四纪地貌面保存不佳,断层最新的断错地貌现象有限。在黄草坪—茶雪村段断层主要沿玛曲河河谷展布,玛曲河在此处的侧向加积作用加强,同时东侧有较大支流(莫曲河)汇入,使得此段河谷为整个巴塘断裂沿线的最宽处,保存多级河流阶地面,使巴塘断裂的最新活动特征得以体现。此外,由于此处地势平坦开阔,巴塘县城及其多个乡镇也坐落于此段并集中分布,因此掌握该段的断层活动特征对于合理评价地震灾害风险至关重要,这也是本文主要研究的区段(图2)。

图2 巴塘断裂(黄草坪—巴塘县城段)的展布特征

巴塘断裂在通过党巴乡和黄草坪时形成了2个典型的断陷槽谷地貌(图2),谷宽500～1000m,谷内主要堆积两侧山麓的冲洪积物,黄草坪槽谷中的钻探资料揭示谷内第四纪沉积物厚度>100m,并夹有数十米厚的黏土层,推测可能是巴塘断裂的多次活动所导致的断塞沉积(周荣军等,2005)。巴塘断裂在此段以线性陡坎地貌断续连接2个槽谷,在黄草坪槽谷内,巴塘断裂主要表现为近SN向的线性陡坎(图3a),主断层陡坎的坎向自北向南倾向由E转变为W,并断错了多个不同期次的地貌面,陡坎高3～23m不等(图3b)。跨断层陡坎两侧地貌面边界及冲沟出现不同程度的右旋偏转(图3c),此外在断层陡坎下方还形成小型断塞塘和地裂缝等(图3a),表现出断层的最新活动特征。此外,在主断层陡坎两侧发育多条次级断层陡坎,大部分次级陡坎与主断层呈锐角相交(图3d),锐角方向与一侧断盘的运动方向一致,这与走滑断裂在简单剪切作用下的地貌破裂特征一致。实验室物理模型试验(肖阳等,2017)及走滑断裂演化过程(Sylvester,1988; Carneetal.,2012; 黄伟亮等,2018)均表明走滑断裂在活动时会伴生与主位移带走向斜交的R剪切断裂,与主位移带呈小角度斜交,这些地貌特征均反映出巴塘断裂在全新世时期应以右旋走滑运动为主(图3a)。

图3 巴塘断裂黄草坪段的断错地貌特征

从黄草坪向S至巴塘县城北部独角龙村一带,巴塘断裂在此处沿河谷东侧的基岩山体与第四纪沉积物的交界地带由北向南笔直穿过,山前断层迹线呈线性且较为清晰,沿断层连续发育多个滑坡或崩塌,可能是巴塘断裂最新活动所致(图4a)。断裂在通过索英村以南的山脊上形成一处“V”形槽谷地貌,槽谷展布方向与断层的走向一致。在槽谷北侧公路开挖的新鲜剖面中可见有宽约十几米的断层破碎带,破碎带陡立,且带内岩石揉皱碎裂现象明显(图4b),破碎带顶部则对应槽谷凹陷的最低处,表现出巴塘断裂长期活动的特征。

图4 巴塘断裂的几何特征及剖面特点

巴塘断裂自独角龙村向S基本沿巴塘县城东侧山麓地带展布,在该段表现出明显的线性地貌,并形成连续的坡中槽及反向陡坎。在玛曲河最高级阶地(扎金顶),断层活动形成1条坎高约8m的反坡向陡坎(图5c),并在坎下形成一汇水洼地。断裂继续向S切过莫曲河洪积扇面,洪积扇侧缘陡坎被右旋位错,同时,莫曲河也受到断层活动影响发生同步偏转(图5a)。在被断错的洪积扇顶面断续发育1条坎向W的陡坎地貌,坎高约1.0m(图5c)。在该陡坎南侧人工开挖的垂向剖面中可见晚第四纪砾石层内的长轴具有明显的定向特征,表现出向W的逆冲运动(图5d)。此外,在莫曲河南岸,巴塘断裂的主断层带完整出露,破碎带中表现出产状为120°∠75°的高角度密集破裂面(图5e),破裂面上还保存断裂活动形成的擦痕和阶步等线状构造。这些断裂活动迹象均指示巴塘断裂具有右旋走滑的运动特点。

图5 巴塘断裂巴塘县城段的地貌特征

巴塘断裂继续向S,在茶雪村—莽岭段主要沿金沙江河谷展布,途径水磨沟、竹巴龙后,在芒康—罗荣一带偏离金沙江流向继续沿SSW经过达嘎顶、那如岗、莽岭,随后在澜沧江附近逐渐消失。由于金沙江下切侵蚀剧烈,此段巴塘断裂多以控制基岩山体与第四纪河道堆积物的边界为主,在切过基岩山体处多表现为坡中槽、断陷谷等地貌。在断裂尾端莽岭乡附近沿线发育了较为清晰的断层陡坎及冲沟位错现象。在勒曲河左岸发育了2期新老时代不同的洪积扇,被巴塘断裂同步右旋位错。据周荣军等(2005)研究发现,较老一期洪积扇的侧缘陡坎及冲沟被右旋位错约130m,而较新一期洪积扇的侧缘陡坎及冲沟被右旋位错约50m。

4 巴塘断裂全新世滑动速率的厘定

4.1 黄草坪洪积扇的断错地貌

黄草坪断陷槽谷与党巴断陷槽谷是保存巴塘断裂断错地貌最为丰富的地带。断裂在切过黄草坪谷地后略向E偏转,并直至党巴断陷槽谷(图2)。在2个槽谷之间,断裂以断续的线状陡坎地貌切过多个山前洪积扇,并造成洪积扇上的冲沟、地貌边缘等标志物发生不同程度的水平位错,为定量获取断层的位移量提供了标尺。在槽谷之间的山麓地带共发育3期地貌面,其中Qo是较老一期洪积扇体,多位于山体前缘,受后期流水侵蚀,现今已被切割成多个狭长型的洪积台地,拔河高度为10～15m; Qi是较新一期洪积扇体,也是山前地貌面的主体,整体保存完好且连续分布,顶部平坦,拔河高度为5～8m; Qy是现今仍然存在流水作用的地貌单元,主要为河床及被流水冲蚀改造的地貌面,表面崎岖不平,基本与现代河床处于同一高度(图6b)。

图6 黄草坪山前洪积扇巴塘断裂的水平断错特征

部分冲沟在穿过巴塘断裂时形态发生了明显变化,而这种变化由侵蚀、沉积及断层活动共同塑造而成(Wallaceetal.,1968)。在黄草坪山前洪积扇上共有5条具有一定规模的冲沟与断裂呈大角度相交,其中C1冲沟上游由2条分支冲沟组成,它们在穿过断裂时并没有表现出明显的水平偏移,推测可能是由于在该冲沟与断层相交处人工活动较为明显,加之该冲沟形态平缓,由断层造成的水平位移可能在后期被侵蚀及受到人工改造,没有保存。C2冲沟为1条现代活动冲沟,形态笔直,下切深度深(约2m),自基岩山区向下切割了Qi和Qy地貌面,并在通过断裂处略微向右发生偏转,在获取的等高线地图中(间距1m)利用Ouchi(2005)提出的测量断错水系与断错区域上、下2个界面交点的距离确定C2冲沟的右旋偏转量为(8±3)m(图6c)。C3冲沟为1条溯源侵蚀形成的冲沟,在通过断裂处也发生了向右偏转,断裂以上部分向Qi地貌面内部溯源侵蚀约100m后消失,断裂以下部分以宽缓的冲沟形态为主,该冲沟右岸基本与Qy地貌面融为一体,在等高线地图中测量得到该冲沟的右旋偏转量为(22±8)m(图6c)。值得注意的是,该冲沟的右旋偏转量可能并非断层真实的位移量,冲沟在溯源侵蚀过程中会由于地形的起伏变化而调整河流的弯曲形态,从而产生河道偏转现象; 其次,由于该冲沟的下切深度较浅且溯源侵蚀距离较短,推测该冲沟的年龄应较接近C2冲沟的年代,但却出现了比其大得多的偏转量,因此该偏转量可能并非断层的真实位移量。C4冲沟的形态较为复杂,其上游由2条分支冲沟组成,其中一条发源于基岩山区,是该冲沟的主要组成部分。该冲沟在断裂处表现出左旋偏转现象,研究认为这可能是下游冲沟溯源侵蚀导致的河流重组所致:下游河流在溯源侵蚀过程中袭夺了上游的河道(图6e 中的C4斜杠区域),而下游原有河道可能被废弃(图6e 中的C4虚线冲沟),从而导致冲沟在断裂附近发生与断裂运动不一致的偏转现象,这在许多大型走滑断裂的两侧较为常见(Graveleauetal.,2015; Jiangetal.,2017; Chenetal.,2021),并且会受到河网密度及断层单次位移量的控制(Huang,1993)。C5冲沟为一条发育于基岩山区的大型冲沟,下切深度深,河谷狭窄,河流出山后快速下切并同时向右偏转,在河流左岸保存Qo和Qi 2级地貌面,断层同时切过这2级地貌面,并形成线状陡坎地貌,通过测量获得C5冲沟自流出基岩山区的右旋偏移总量为(46±9)m(图6d)。

为约束巴塘断裂的活动速率,需要确定黄草坪山前多期地貌面的形成时代。在该点主要通过采集地貌面上大砾石(最小直径>30cm)表层(2～5cm)的岩石样品,并利用宇宙成因核素方法确定地貌面的暴露年龄。针对Qi和Qo地貌面分别采集了核素年代学样品 BT10BE-1 和 BT10BE-2(图7),2个样品均采集自Qi和Qo地貌面的中间部位,以避免后期可能出现的侵蚀。其中,BT10BE-1 采集自最长砾径为73cm、地表出露高度为6～10cm的大砾石; BT10BE-2 采集自最长砾径为90cm、地表出露高度为50～60cm的大砾石。由于所采集的砾石均为山前洪水快速沉积所致,上游物源区为山体边缘面积较小的汇水盆地,故砾石的搬运过程非常短暂,我们认为这一过程中所产生的核素浓度非常少,对年龄结果的影响可以忽略。

图7 黄草坪洪积扇大砾石宇宙成因核素样品采样点

通过利用Balco等(2008)给出的在线暴露年龄计算器(CRONUS),采用Lifton等(2005)提出的随时间浮动的生成速率,分别计算了Qi和Qo地貌面的暴露年龄,其中Qi地貌面年龄为(4.1±0.3)ka,Qo地貌面年龄为(12.5±0.5)ka(表1)。考虑到所采集的样品为较年轻且抗风化能力较强的石英岩类大砾石,在年龄计算过程中没有考虑侵蚀的影响。Qi地貌面的年龄结果与徐锡伟等(2005)在该地貌面(采样点坐标为(30°05′03.8″N,99°09′12.7″E))所得的2个热释光年龄((4.45±0.34)ka和(4.34±0.33)ka)一致,也说明该暴露年龄可靠性高。而较老一期的Qo地貌面的年龄结果表明该地貌面的形成可能与末次冰消期气候由冷向暖转变有关,河流在此阶段由之前的侧向加积转变为垂向下切,使得山前地貌面脱离现有的洪泛区并不再接受河流物质沉积,由此地貌面得以暴露保存。而Qi地貌面约4ka的年龄可能与东亚季风的增强相对应,同一纬度中石笋所记录的气候变化曲线表明,距今4～5ka在东亚季风开始变强的同时也带来更为充沛的雨水,这可能是导致Qi地貌面形成的主要原因(Caietal.,2010)。

巴塘断裂走滑速率的计算涉及对所获取断错标志物位移量及标志物形成年代的系统分析。C1冲沟为一条现代活动冲沟,其下切活动发生在Qi地貌面形成之后,较小的右旋偏转量说明这可能仅是最近几次同震位移的累积,不足以计算长期的断层活动速率。而C2冲沟的右旋偏转量可能与断层真实的位移量有较大差距。C5冲沟下切深度深、河道窄、右旋偏转量大,河道的偏移可以较为真实地反映断层的长期活动量,鉴于该河流的形成时间应老于Qo地貌面,因此利用Qo地貌面的年龄所约束的滑动速率应是其最大值,即(3.6±0.8)mm/a。

4.2 莫曲河冲积扇的断错地貌特征

巴塘断裂在切过莫曲河洪积扇时保存了明显的断错地貌现象,使莫曲河洪积扇的南缘被断错,为确定巴塘断裂的走滑位移量提供了良好的地貌标尺。莫曲河为玛曲河的重要支流,发源于巴塘县城东侧基岩山区,上游主要由3条冰川沟谷组成,在进入巴塘谷地后,莫曲河前缘形成1个面积约为1km2的冲洪积扇体,后续莫曲河持续下切,在河流两侧形成1级狭长的河流阶地(T1),现今该扇体的拔河高度为21～25m,T1阶地的拔河高度为1～2m。T1阶地的分布与河流的展布形态基本一致,我们在T1阶地面上采集了1个大砾石核素样品(图9,表1中的XJTBE-1),其年龄结果为(0.9±0.1)ka,表明T1阶地非常年轻,因此我们认为T1阶地形成后受断层活动影响较小,无法作为确定断层位移量的地貌标志体。巴塘断裂在切过莫曲河洪积扇南侧陡坎边缘时造成了明显的右旋位错,我们利用LaDiCaoz软件测量该陡坎边缘的走滑位错量(Zielkeetal.,2012),通过比对断层两侧阶地边缘形态的一致性,确定洪积扇南缘的右旋走滑位移量为(40±5)m(图8)。而莫曲河南岸巴塘断裂通过处主要以基岩山体为主,河谷剖面处出露巴塘主断层带(图5e),但并没有保存晚第四纪断错地貌,因此无法进行活动速率研究。

图8 莫曲河洪积扇的断错特征

图9 莫曲河洪积扇采样点及深度剖面年龄结果

为了确定断裂断错洪积扇的年代,我们采用宇宙成因核素深度剖面年代法对其进行测年。为此,在洪积扇边缘一处人工修路开挖的垂向剖面上自下而上采集了4个小砾石混合样品(表1中的T2BE-1—T2BE-4),每层样品中的砾石个数≥50个(图9)。此外,考虑到该地貌面目前是巴塘县城周边村落的主要生活区,已受到强烈的人工改造,根据剖面顶部农户叙述在进行房屋建设平整土地时于此处削去了约20cm的沉积物,因此我们在计算该剖面年龄时采用了2种方案:1)不考虑侵蚀的影响; 2)限定剖面遭受20～40cm的侵蚀。利用Hidy等(2010)提出的剖面年龄计算方法对这2种方案的剖面年龄分别进行了105次拟合运算,所得结果均表现出强归一化特征,并均通过卡方(χ2)检验,得到2σ置信区间的年龄拟合结果(图9)。最终计算得到莫曲河冲洪积扇体的暴露年龄为(15.2+3.2/-5.4)ka(不考虑侵蚀)及(16.4+3.9/-5.6)ka(考虑侵蚀),且继承性核素浓度非常低,仅为1.3×104atoms/g,这与在莫曲河T1阶地上所采集的接近现代河床的大砾石浓度大体一致(表1)。

结合洪积扇南缘的位错量和核素深度剖面年龄,可以得到巴塘断裂在此处的滑动速率为(2.6±0.6)mm/a(无侵蚀)或(2.4±0.8)mm/a(有侵蚀),我们认为考虑侵蚀影响的年龄结果应更接近真实值,因此选取2.4mm/a作为巴塘断裂在此处的活动速率。

5 讨论

5.1 滑动速率讨论

本研究在巴塘断裂黄草坪段和巴塘县城段得到的2个滑动速率值相近,均反映巴塘断裂晚第四纪以来的右旋走滑速率为2～4mm/a,这与周荣军等(2005)在莽岭乡一带根据洪积扇侧缘陡坎位错量和洪积扇顶面TL年龄得到的2.0～2.7mm/a及在巴塘县城段同样通过莫曲河洪积扇边缘位错计算得到的1.3～1.9mm/a的滑动速率较为接近。尤其在巴塘县城段,本文与周荣军等(2005)所选取的位错测量点基本一致,但本研究利用更可靠的年代学约束以及更精确的测量方法,所限定的巴塘断裂右旋滑动速率应更为可靠。此外,徐锡伟等(2005)在黄草坪段通过对洪积台地的错断地貌面年龄及其累计垂直位移量计算得到巴塘断裂的垂直滑动速率为(2.4±0.3)mm/a,并依据测得的巴塘断裂1870年地震同震右旋走滑位移的倍数关系(2.5︰1)反推得到巴塘断裂的右旋走滑速率为6mm/a。该滑动速率明显大于本研究的结果,这可能是由于巴塘断裂在黄草坪处的地表垂向位错量并不单纯是由断层活动所致,走滑断层在切过山坡时,受地形控制会使本没有垂向位错量的断层在地表表现出明显的垂向断层陡坎(Burbanketal.,2011),从而存在高估断层垂向运动的可能。

5.2 巴塘断裂在调节川滇菱形块体变形时的作用

巴塘断裂作为川滇地块西边界金沙江断裂带内的一条全新世活动断裂,整体呈NNE向展布,与云南中甸附近NWW向的德钦-中甸-大具断裂带共同斜切了金沙江断裂带,并将其分割为北段、中段和南段。徐晓雪等(2020)通过利用Zheng等(2017)给出的1991—2015年的地壳速度场,对金沙江断裂的北、中、南段进行了GPS剖面分析,认为:金沙江断裂带北段剪切和垂向运动均不明显; 中段以右旋走滑为主,速率为4.9mm/a,垂向运动较弱; 南段右旋走滑速率增至5.5mm/a,但也未表现出明显的垂向运动(图10)。该剖面中段横跨巴塘断裂,根据我们得到的巴塘断裂2～4mm/a的走滑速率可知,巴塘断裂可能吸收调节了金沙江断裂带中段50%～80%的应变速率,应是金沙江断裂带中的主要变形吸收区。

图10 金沙江断裂带及周边地区的GPS水平速度场(引自徐晓雪等,2020)

然而,李煜航等(2014)基于块体模型利用GPS观测成果反演得到的青藏高原东南部主要活动断裂的滑动速率结果表明,巴塘断裂的右旋走滑速率可高达(10.8±2.3)mm/a,这显然高于本研究所得结果。造成这种差异的原因可能与对川滇块体西边界变形模式的认识不同有关。在现今的研究中,青藏高原东南缘地壳的变形模式主要以被主边界断裂分割的块体模型为主(Tapponnieretal.,2001; Ganetal.,2007; Lovelessetal.,2011; Zhengetal.,2017),在这一模型中块体的滑动主要依托主边界断裂调节,但本文获取的巴塘断裂地质活动速率较低的结果与该模型边界断裂应具备较高活动速率的假设并不匹配。而另外一种观点则认为,青藏高原东南缘地壳变形呈现连续-弥散变形特征的连续变形模型可能与巴塘断裂较低的活动速率相印证。近年来,诸多学者通过平滑的应变率空间分布特征(Zhangetal.,2004; Shenetal.,2005; Zhengetal.,2017; Wangetal.,2020)、较薄的脆性上地壳(Yangetal.,2020)及流变性质较弱的中—下地壳(Baietal.,2010; Sunetal.,2014; Liuetal.,2019)等证据表明,地壳的弥散变形可能是现今青藏高原东南缘地壳形变的主要方式,尤其在川滇块体西边界,Bao等(2015)利用接收函数成像及面波频散联合反演方法观察到一条沿金沙江-红河断裂系到滇缅地块的中下地壳低速带,这一低速带与地表金沙江断裂带在空间位置上重叠。而存在低黏度的中下地壳会使断裂周围完整岩石的强度降低,更容易使地壳脆性层产生破裂(Lietal.,2020),这可能是川滇块体西边界呈现出弥散变形的深部驱动机制,而巴塘断裂可能是川滇块体西边界中一条主要的变形构造。

6 结论

巴塘断裂为川滇块体西边界的一条NNE走向的右旋走滑断裂,断裂起于莫西附近,向SW穿过巴塘县城,经竹巴龙直至莽岭附近消失,总长115km。巴塘断裂整体沿着玛曲河和金沙江河谷两岸基岩山体边缘呈NNE向展布,倾向NWW或SEE,倾角较陡,走向形态平直连续,没有明显的分段特征。断裂整体控制了基岩山体的宏观边界,沿线断层槽谷、三角面、断层陡崖呈线性排布。断裂在切过黄草坪及巴塘县城时,造成了多个不同时代的地貌标志体,并表现出8～40m不等的右旋位错量。根据被断错地貌面的年龄及位移量,计算得到巴塘断裂晚第四纪以来的平均右旋走滑速率为2～4mm/a。该速率占现今横跨川滇块体西边界剪切变形量的50%～80%,说明巴塘断裂应是该区主要的应变吸收构造,但同时其位错速率也低于块体模型中预测的约10mm/a的速率,这可能预示了川滇块体的西边界现今呈现弥散变形的状态,多条断层共同吸收了现今的应力和应变。

致谢审稿人对本文提出了详细的修改意见,并帮助完善了文章内容; 四川省地震局王世元高级工程师在野外工作中给予帮助; 应急管理部自然灾害防治研究员吕延武博士在宇宙成因核素样品的处理过程中给予协助。在此一并表示感谢!