基金项目:国家自然基金面上项目“鲜水河—小江断裂系第四纪与红河断裂带交切关系研究”(41772218)资助。
作者简介:陈君贤(1995-),男,硕士,主要从事地震地质研究。E-mail:2952147536@qq.com
(1.广州海洋地质调查局,广州 510760;2.中国地质大学(北京),地球科学与资源学院,3.中国地震局地质研究所,北京 100029;北京 100083)
(1. Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China;2. School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences,Beijing 100083,China;3. Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China)
South section of Xiaojiang Fault; Xinzhai Basin; Geological mapping; Geomorphological survey; Neotectonic movement
DOI: 10.13512/j.hndz.2021.03.12
青藏高原东南缘滇东南地区晚新生代构造变形期次、样式转换一直是国内外研究的热点问题,引起广泛关注 [1-2],如发生在早更新世晚期的元谋运动,就说明即使在第四纪时期,包括小江断裂带南段在内的青藏高原东南缘的构造活动并非平稳发展到现在,而是形成一个复杂的多断裂组合系统,这些都导致追踪和研究活动断裂迹象、时代以及性质非常困难。小江断裂带自形成以来经历了由北向南的发展过程,并使川滇块体开始顺时针运动 [3-4],似乎小江断裂南段应晚于中段出现。对于小江断裂南段何时形成, Xiong等[5]认为南段至少从上新世(约 5 Ma B.P.)开始就已经存在,并影响建水盆地的沉积发育。而 Wang等[6]认为小江断裂带中段对第四纪之前的沉积分布和盆地形态没有控制作用,应晚于上新世形成。对于断层的性质何时、如何转换,宋方敏等 [4]认为小江断裂带现在的左旋走滑运动受控于重要的构造运动在早更新世末,中更新世初形成,此时断层性质由逆冲发生改变,断裂沿线可见山脊、冲沟等地质地貌体发生不同程度的左旋位错。由此可见,对于小江断裂带南段何时开始存在、何时开始左旋走滑运动,不同学者依然存在分歧。
小江断裂带沿线发育有多个串珠状盆地,其形成演化与小江断裂带的发展演化历史有密切联系(图1),如羊街,嵩明,建水盆地等。其中中段沿线发育的盆地已有许多研究成果,普遍认为可以将盆地的发育分 4个阶段,其中上新世—早更新世阶段盆地分布广、堆积厚度大,是盆地发育的鼎盛时期,此时盆地性质以拗陷为主,不受断层的控制,并且有部分盆地在中更新世以来受控于中段断裂的左旋走滑运动继续发育 [7-8]。但是对于小江断裂带南段沿线盆地的研究还很薄弱,小江断裂带南段北起白云附近,并向南继续延伸至红河附近。一般认为沿线盆地性质以拉分和断陷盆地为主,而对于沿线盆地形成于何时,受控于何种断裂运动目前还没有系统深入研究,与之相对应的对小江断裂南段的构造活动期次的厘定在区域构造格局和动力学机制的研究中显得尤为关键。
图1 区域构造位置图与 7级以上地震震中分布图
Fig.1 Map of regional structure location and epicenter distribution map of earthquakes with MS≥7
本文研究的新寨盆地宽1.0~1.2km、长2.0~2.5km,地势东高西低,盆地边缘受到小江断裂南段走滑断裂的控制,具有近菱形的典型拉分盆地形态特征。盆地内第四系地层广泛发育,与周围山体中生代基岩地层界线明显,盆地边缘的线性地貌特征清晰,是研究小江断裂带南段第四纪构造活动特征的理想场所。
第四系沉积物在小江断裂带南段沿线发育的串珠状盆地内部普遍堆积且厚度不一 [11]。前人的填图结果认为:沿着曲江断裂发育的曲江盆地、小江断裂南段发育的建水盆地等第四纪盆地内,第四系厚度一般在 30 m左右,成因类型以河流冲积相为主,未见明显的挤压现象。前人对新寨盆地的填图成果多停留在表面,并没有对盆地内第四系沉积物的成因和形成时代进行详细系统划分,较粗略地认为盆地内几乎全部发育全新统冲积物。野外实际考察发现,盆地内未见明显的地层褶皱挤压迹象,在形成时代上,未见下更新统出露,中更新统零星分布,上更新统及全新统大面积分布,在成因上,沉积物类型多样(图2)。
中更新统地层以冲积相和残坡积相为主,仅在盆地东北角和与西侧山区基岩接触的边缘地带出露。二者都是以发育网纹状结构的红褐色砂质粘土层及砂砾石层为主。其中,冲积扇相成层性较好,残坡积相由于是受到季节性降水影响形成的近源快速堆积,并无明显分层,堆积厚度也不大。
上更新统地层以残积相、冲洪积相为主。残积相是盆地形成前的基岩二叠系玄武岩在地表受到物理和化学风化作用形成红土型风化壳,现今分布于盆地中部。冲洪积相分布于盆地东部山麓前缘,属于季节性快速流水搬运形成的扇状堆积,表现为棕褐色砾石层,中间夹有稳定细流堆积的薄层砂质透镜体,多元结构发育。其中砾石无分选,大小不一,多数呈次棱角状,岩性多样,以玄武岩为主。剖面底部可见粒径较大的漂砾。
全新统地层以冲积相,浅湖相为主。冲积物主要分布于大河的左右两岸,以灰色和褐色粗砂砾石层为主,砾石粒径在 2~5 cm不等,磨圆和分选好。湖相层仅在盆地南侧龙窝寨以北小范围出露,表现为褐色粉砂质粘土层中夹杂一些磨圆较好的玄武岩砾石,砾石粒径由湖心向湖滨逐渐变大,符合淡水湖碎屑沉积序列特征。
盆地内部第四系沉积物不同的组合类型往往可以反映当时断裂活动的强弱,以此来反映不同时期的区域构造运动强弱,根据对盆地内第四系的调查和分析,认为中更新世之前可能是盆地的开启阶段,中更新世可能是盆地发育阶段,晚更新世及全新世可能是盆地的充填阶段。中更新世之前应该是构造活动最活跃的时期。
小江断裂带第四纪以来发生过多次构造活动,控制了新寨盆地的形成和演化过程,在新寨盆地西侧附近发现多组断裂剖面,沿线可见断层破碎带内发育有断层角砾岩、断层泥等,在地貌上的表现有滑坡、断层崖等断层地貌特征(图2)。这一系列断裂共同构成了盆地周围的线性地表破裂带。
更新世断层剖面主要见于盆地西南侧,东侧山前地带的上更新统冲洪积物平稳分布,盖于残积物之上,未见明显的断层陡坎和错动迹象。
新寨村南侧发现一转折端控盆断裂系及其破碎带剖面(图3,位置见图2)。其中包含有3条正断层,走向呈90°左右,具体表现为网纹状结构发育的中更新统残坡积褐红色砂质粘土层与下二叠统玄武岩和灰岩之间夹杂有断层破碎带,破碎带宽约 3m,里面有大量的玄武岩风化角砾,与填充的砂土近胶结,性质较硬。这组断裂系应是控制盆地开启的早更新世断层,错动二叠系基岩和新近纪沉积物,新近纪沉积物进入中更新世之后受淋滤作用逐渐形成网纹状红土。
唐家庄以西约150m的高地面上(图4,位置见图2),发现一控盆断裂,走向呈20°左右,其在地表延伸有限,暂时无法判断其性质。断层以西出露二叠系玄武岩基岩(图4(b)),以东出露褐红色网纹状结构发育的中更新统砂砾石层(图4(c))。该断层应该和新寨村南侧断裂系性质一致,是盆地开启时期的边界断裂。
新寨盆地南侧的省道旁,发现一断裂系剖面(图5,位置见图2),包含有4条正断层,走向呈65°左右。4条断层均错动底部夹有灰岩透镜体的下二叠统玄武岩基岩,未错动上部上更新统褐红色冲积砂层,砂层具有韵律层理,成层性好,表明这组断裂系在晚第四纪时期已经不再活动。右侧断层F3、F4推测为伴随走滑断层发育的负花状结构,进一步反映盆地开启时期的早更新世断层的走滑性质。
图5 盆地西侧省道旁更新世断层剖面
Fig.5 Pleistocene fault section beside the provincial road on the west side of the basin
新寨盆地南侧上山公路附近发现一断裂系剖面(图6,位置见图2)。包含有正断层F1和F2,逆断层F3,走向呈90°左右。断层剪切面细节明显(图6(b)),附近可见砾石的定向排列(图6(c))。三条断层均错动底部具有网纹状结构的中更新统褐红色砂质粘土层,未错动上部上更新统褐红色砂砾石层,砂砾石层成层性好,可见二元结构。断层以北可见玄武岩风化壳出露,推测其为盆地南侧控盆断裂。
图6 盆地南侧上山公路旁更新世断层剖面
Fig.6 Pleistocene fault section beside the Shangshan Highway on the south side of the basin
从上述断层剖面可以看出,新寨盆地的控盆断裂主要形成于早更新世时期,对应盆地开启过程中的构造活跃期,晚第四纪以来没有活动。这组断层整体表现为正—走滑性质,显示区域应力环境以拉张为主,各个断层剖面之间在走向上相关性良好,和盆地的形态也基本吻合。
从GoogleEarth遥感影像上看,新寨盆地整体呈近“S”形展布,断裂沿线可见发育有断续的断层崖和断层三角面,指示最新活动的线性地貌特征清楚。
传统的遥感影像往往分辨率较低,没有立体影像,无法获得精确的位错数据。最近几年新兴的LiDAR和无人机移动摄影测量技术则具备这种高精度定量化的优势,可以提供分辨率达分米级的DEM山体阴影图。其中LiDAR可以根据软件算法去除地表植被,还原真实地形,但测量成本较高,相比较之下,无人机测量方法更加经济实惠,适用性更广。
神仙洞水库以北地带的实地踏勘发现分布有两个小滑坡体(图7(c)),说明此地边坡失稳现象严重,可能存在最新的断裂活动迹象,所以我们对这一地区进行了长约2km,走向约40°的LiDAR精细地貌测量(图7,位置见图2),并最终获得了DEM山体阴影图(图7(a),(b)),可见最新的地表破裂带呈线状展布于盆地西侧,并伴随发育有断层陡坎。进一步解译发现测区内发育有4条冲沟,均存在一定程度的同步左旋位错,经测量,位错量值约为5.6±0.8m。
图7 神仙洞水库北侧滑坡照片和 LiDAR扫描图
Fig.7 Photos and LiDAR scans of the landslide on the north side of Shenxiandong Reservoir
我们对小寨村以西地区进行了无人机的航拍,最后通过Photoscan拼接成全幅照片(图8(c),从图中可以看出由于大部分山地受到人为改造影响,单从照片无法看出清晰的地表位错特征,所以我们挑选了人为改造较少的地区进行了长约750m,走向约40°的LiDAR精细地貌测量(图8,位置见图2)。并最终获得了DEM山体阴影图(图8(a),(b)),可见山脊和冲沟发生同步左旋位错,测区内共解译出7条冲沟,均存在不同程度的左旋位错现象。经测量,位错量值约为6.1±0.7m。
我们又对唐家庄附近地区进行了无人机航空摄影测量(图9,位置见图2)。并最终获得了DEM高程图(图9(a)),共解译出6条冲沟发生了不同程度的拐折,但由于测区内人为改造严重,并无法精确地推断断层经过位置。放大来看细节,冲沟2下游地区形态呈“S”形沿南东方向展布,反映断裂左旋剪切的性质。实地踏勘过程中,在图9(c)处可见一错动基岩和地表晚第四纪沉积物的断层,也证实了我们这一想法。之后我们采用LiDAR对该沟谷上下进行了立体式精细扫描(图9(b)),可见沟壁处断层界面清晰,是最新的活动断裂。在冲沟3的左岸也可见明显的断层剪切面。二者结合起来看,最新活动断裂应是穿过冲沟2和3呈NNE方向展布。
图9 唐家庄附近 LiDAR扫描及无人机 SFM技术航拍图
Fig.9 Aerial photo of LiDAR scanning and UAV SFM technology near Tangjiazhuang
在新寨盆地南侧发现一断层剖面(图 10,位置见图2),性质为正断层,走向呈 40°左右。断层错动底部下二叠统紫红色砂岩基岩和顶部全新统红褐色残积含碎石砂质粘土层从中采释光样品得其年龄为 8.8±0.5 ka。图中可见发育有走滑断层特有的负花状结构,并对全新世冲积物分布有较好的控制,所以该断裂应是全新世活动断裂。
综上所述,全新世断层主要分布于盆地西侧的山地之上,且均错动地表,走向一致性较好,整体呈 NNE走向,具有左旋走滑性质,上述全新世断层应是小江断裂南段最新的活动破裂段。而且并不是以往更新世断层的简单重复,而是具有新生性,并且偏离最初的构造位置,对新寨盆地的形成没有控制作用。
研究区新近纪时期受到川滇块体的南南东方向的推挤作用影响,而小江断裂带南段作为川滇块体的东南边界,在其周围产生了一系列弧形挤压构造。在建水盆地西北侧的碗窑村以北,可见开挖的新近系剖面,可见地层当时发生了明显的褶皱变形,褶皱轴面走向近E,老地层到新地层倾角逐渐减小,这些表明建水地区附近的挤压应力在上新世时期普遍存在[5]。
更新世断层的具体形成时代对应盆地的开启阶段,早更新世末—中更新世初期是青藏高原东南缘地区新构造运动最活跃的一个时期[12],此时青藏运动C幕导致研究区地壳大幅度抬升,时间大致为1.6~1.2MaB.P.[13-14],夷平剥蚀作用强烈[2,13],在云南地区称为元谋运动,元谋运动造成中更新统和下更新统地层的褶皱和断裂变形,滇东南地区在这一时期受其影响形成了许多断陷盆地[15]。更新世断层的形成很可能受到元谋运动的控制,在早更新世晚期开始强烈左旋走滑运动。这些断层性质以正—走滑为主,研究区周围也没有发现褶皱和挤压的早第四系地层存在,可见早更新世—中更新世时期研究区的构造动力学环境以张剪性为主,这说明建水地区的上地壳缩短变形并没有持续到第四纪,呼楠等[16]通过解译覆盖滇东南弧形构造带的不同部位的震源机制解,证实了第四纪时期力学性质以正-走滑为主。
盆地周围发现有更新世断层和全新世断层,盆地内上更新统沉积物不存在褶皱变形和断错现象,这反映出断裂多期活动的特点。两者之间的晚更新世时期应是断裂活动的间歇期,此时断裂活动减弱,地壳不再大幅度抬升,整体构造环境趋于稳定。
李坪[17]、闻学泽等[18]、宋方敏等[4]均认为研究区内断裂晚第四纪活动性较中段相比较弱,历史上没有发生过6.5级以上地震。何宏林等[19]根据放马坪三条冲沟的位移量及其年龄估算的左旋位移速率仅为1.66mm/a,不足以发生7级以上地震。野外考察发现:研究区内可见同震滑坡和大量的断错微地貌[6,19],可见断裂最新活动性较强。韩竹军等[20]在龙潭村两岔河附近跨断塞塘开挖的探槽剖面揭示了3次明显断错地表的古地震事件,计算所得的滑动速率可达7mm/a,且具有重复孕育和发生强震的能力,这与Shen等[21]和王阎昭等[22]给出的GPS观测速率相似,可见小江断裂南段全新世发震等级和概率并不像前人认为的很低,但活动强度仍有待进一步考证。
通过对新寨盆地第四纪地层、控盆断裂的研究,认为研究区新近纪以来经历了四次构造转换:
(1)新近纪时期,新寨盆地及其周围地区以挤压应力为主,小江断裂南段在新近纪时期可能已经存在,但左旋走滑作用并不显著,只是作为一个宽泛模糊的构造边界。
(2)早更新世末—中更新世初,区域整体地壳抬升,以剥蚀夷平为主,小江断裂南段受元谋运动影响开始强烈左旋走滑运动,规模上进一步发展壮大,此时区域应力转为以张剪性为主,新寨盆地受控于这一时期的断裂开始发育。
(3)晚更新世时期是断裂活动的间歇期,断裂活动减弱,地壳不再大幅度抬升,整体构造环境趋于稳定。
(4)全新世时期小江断裂带南段再次活动,与原先的构造位置存在一定的交切关系,具有一定的新生性和发震能力。
致谢:LiDAR和无人机数据处理得到北京富斯德公司技术人员和中国地震局地质研究所郭鹏助理研究员的帮助,审稿专家对本文提出了建设性意见,在此一并表示感谢。