基金项目:广西自然科学基金(2018GXNSFAA281323)
作者简介:张沛全(1978-),男,高级工程师,主要从事活动构造与构造地貌及相关工程应用工作。E-mail:zhangpeiquan2007@126.com
1.广西壮族自治区地震局,南宁 530022;2.广西壮族自治区震灾风险防治中心,南宁 530022;3.广西壮族自治区自然资源调查监测院,南宁 530201;4.地震动力学国家重点实验室,北京 100029;5.中国地震局地质研究所,北京 100029
1.Earthquake Agency of Guangxi Zhuang Autonomous Region , Nanning 530022, China;2.Earthquake Risk Prevention Center of Guangxi Zhuang Autonomous Region , Nanning 530022, China;3.Natural Resources Survey and Monitoring Institute of Guangxi Zhuang Autonomous Region , Nanning 530201, China;4.State Key Laboratory of Seismic Dynamics , Beijing 100029, China;5.Institute of Geology , China Earthquake Administration , Beijing 100029, China
Youjiang River fault zone; Tectonic geomorphology; Strike-slip fault; Riedel shear; Quaternary;Fault maturity;Oblique photogrammetry
DOI: 10.13512/j.hndz.2024.03.01
右江断裂带百色以西段有南北两支,南北两支又各自分为两小段(图1),这一基本格局已通过早期的遥感解译和区域地质调查确认[1-4]。关于其活动历史有过粗略的讨论[5],但其第四纪以来的运动学特征知之甚少[6]。南北两支的走向、形态结构、构造地貌特征与地震活动存在明显的差异(图1)。沿北支的旧州—泽屯小段,断层谷地在多种遥感影像上均表现为十分清晰而显眼的北西向线性体[4],但至今没有大于5.0级地震记录。而南支两小段断裂带呈走向北西西弧形或走向北西的弧形—直线组合,却各有1次中等强度的地震记录(1次为4¾级,1次为5.0级)。南北两支的构造地貌与地震活动性存在明显差异,其原因何在?
本文将从右江上游流域的乐里河、澄碧河的河流构造地貌入手研究,使用分辨率优于1m的高分二号(GF-2)卫星影像开展遥感地质解译工作,获得具有断层活动指示的特征地区后,运用无人机倾斜摄影技术和地面地质地貌调查方法对这些特征地区调查以进一步获得更详细的野外资料。文中分析了河流地貌、河流沉积物与断层活动的响应关系,从而获得北支旧州—泽屯小段断裂带的第四纪运动学特征图像。本文最后讨论了该小段断裂带在第四纪活动的成熟度,从断层的成熟度探讨了其地震活动水平。
研究区呈北西向条带展布,西北部位于旧州、板坚一带,东南部至泽屯,涵盖右江断裂带百色以西段北支的旧州—泽屯小段(图1)。区内的流域包括南盘江干流的局部流域,乐里河和澄碧河局部流域。驮娘江发源于云南省广南县那伦乡那省上寨,流至百色市右江区阳圩镇时,左岸纳乐里河与澄碧河后称右江。乐里河发育于广西田林县板桃乡央弄村西北3.6 km,干流长144 km,平均坡降2.85‰,流经潞城、田林、汪甸、两琶、里圩至百达汇入驮娘江。澄碧河发源于广西凌云县力洪乡金保村西南23 km处,流至百色市区汇入驮娘江,干流长111 km。南盘江发源于云南曲靖市乌蒙山脉马雄山南麓,至贵州省望谟双江口,长914 km,其下游与红水河相连[7]。
右江断裂带西北起于兴义、棒鲊以东,向东隆林、西林,往东南经过百色、平果至坛洛,长约410 km。该断裂带由1组走向310°~320°的断裂组成,大致以百色、思林为界,可分为3大段,即百色以西段、百色—思林段、思林—坛洛段,各大段进一步分成若干小段。其中百色以西段有南北两支。北支分为棒鲊—旧州段,走向北东东—东西—北西西;旧州—泽屯段,走向北西。该支全长约230 km。南支分为西林—那曲段、八桂—百色段,走向北西西—北西,共长250 km[6]。该断裂带主要由印支运动形成,右旋错断下雷—灵马断裂,水平断距20多km。喜马拉雅期再次强烈活动,造成百色盆地内东北边缘三叠系逆冲于古近系上。运动方向也发现发生了变化,研究区外的百色以东段,在那马一带的侏罗系、白垩系和平果附近的古近系有水平断距1~5 km的左旋剪切活动[5]。百色以西段北支棒鲊—旧州小段(F1-1)发现了控制水系左旋同步拐弯的左旋走滑断层[8],最近在这一地区又通过遥感与地质调查结合的方法发现了控制水系裂点段的正断层[9]。百色以西段南支西林—那曲小段(F2-1)以西的下落央小段发现了一组控制河流地貌的左旋走滑断层[10]。北支旧州—泽屯小段(F1-2)和南支的八桂—百色小段(F2-2)有晚更新世的露头发现[6]。
河流地貌对流域的构造变形具有敏感性和长周期记录性的特征,是研究流域内地壳变形和构造(包括断层)活动响应的重要方法之一[11-20]。
图1 研究区水系与断层分布略图Fig.1 Sketch map of river system and fault distribution in research area
宏观地貌研究上,本文采用30 m分辨率ASTER-GDEM数据,使用ArcGIS软件,按照文献
[21]提取水系的方法提取研究区河网,获得图1b。同时,使用了国产高分二号(GF-2)卫星影像开展遥感解译工作。GF-2卫星发射于2014年8月,是中国自主研制的首颗空间分辨率优于1m的民用光学遥感卫星,GF-2数据于2015年3月正式投入使用。本次使用的数据由广西壮族自治区遥感中心提供,数据采集时间为2022年,数据精度为0.8 m。数据经过大气校正、正射校正、图像融合、几何纠正等技术步骤处理后,进入目视解译阶段。目视解译的标志[16]、[22]、[23]中关于断层活动与水系响应的相关章节。
在局部地貌研究上,已有的工作表明,小型无人机摄影测量提供的不同尺度不同精度的遥感数据,使之渐渐成为研究中小尺度活动构造的重要辅助手段[24-27]。本文使用大疆无人机,对上述遥感解译出来的特征地貌部位开展倾斜摄影测量。其野外拍摄(数据采集)工作选择在植被覆盖较少的冬季开展。工作设备、工作流程以及执行的工作规范,参见文献[9]。局部地貌分析中使用DEM制作的等高线方法,参见文献[21]。
此外,本文对个别河流阶地样品则采用OSL方法进行测定,样品的前处理和年龄测试分析在中国地震局地质研究所完成。
过去的研究表明旧州河支流和与板坚河发生同步左旋拐弯,并测得两条河流的左旋幅度(图2a)。当时的调查发现了板坚工业区东侧山坡上的左旋走滑活动的断层露头(图2a中白色矩形部位及图2c,右侧照片为产状228°∠83°的断面),认为这两条河流是受到单一断层活动控制的[28]。然而,通过DEM数据转换成等高线图(图2b)后,发现了两条北西西向的线性体,两条线性体控制了河流的摆动范围并且形成了一处菱形凹陷(图2b中菱形黑色虚线框)。为进一步研究南部线性体的成因,对线性体通过的旧州镇南部河流拐弯部位开展了无人机倾斜摄影测量。在倾斜摄影测量后的建模(图2d)中,发现了当地的旧州河支流(蓝色虚线)的河流阶地不对称,左岸缺失T1和T2两级河流阶地。线性体(红色虚线F)通过左岸的部位,岸坡发生向北西向偏移。偏移部位有下凹现象。对下凹部位的露头(图2e)的调查发现,此处存在断层破碎带,带内可识别出两期断层活动。早期表现为正断活动,后期表现为左旋走滑活动,断面产状200°∠67°。该断面的产状与通过板坚的北侧断层的产状(228°∠83°)同是倾向南西。将以上现象综合起来,可知,图2b中的菱形凹陷的地形区域,位于两条左旋走滑断层重叠的部位,是断层呈左旋左阶活动的结果。因图2e部位没有合适的测年物质,在图3f部位尝试采集了T1底部的光释光样品,测得其年龄为0.93±0.06 ka和0.42±0.02 ka。
图2 旧州镇一带河流同步拐弯区地质地貌综合调查图Fig.2 Comprehensive geological and geomorphological survey map of synchronous turning area of rivers in Jiuzhou Town
在潞城一带的高分二号影像中可见乐里河左岸5条支流的流向甚为特殊,其中①号支流发生了两次拐弯,先自北东流向南西,在流向南东至百昂后,与干流呈近直交相汇,②④⑤号3条支流为逆向汇入干流,③号支流与干流近垂直相交。右岸也存在5条流向特殊的支流,其中⑥好支流自北西流至丰厚村后,大角度拐弯逆向在平吉汇入干流。⑦⑧⑨⑩号支流逆向汇入干流(图3)。乐里河的河流形态在这一区段里发生了变化,平吉以上河段的河道平面形态笔直,河谷狭窄。平吉至百昂,流向不变,河谷展宽,河道往西南一侧偏移,在其东北岸形成河流阶地,潞城镇便位于其河流阶地上。干流流至百昂之后,向南偏转,绕过俄外至⑩号支流沟口后,再流入南东向河谷中。⑩号支流沟口往南东,河谷时宽时窄,河道时弯时直。在干流绕行的俄外屯,可见断层破碎带宽约2.3 m,断面倾向南西。破碎带内构造透镜体发育,说明断层早期为挤压性质。从透镜体中可以识别出二次破碎的特征,但二次破碎表现为透镜体内部破碎,未形成具有指示断层活动性质的构造标志。
图3 潞城乡一带的特征水系与断层露头特征(底图为GF-2影像) Fig.3 Special river system and fault outcrop characteristics in Lucheng Town(The base map is GF-2 image)
在高分影像解译中,发现启文河的河流阶地存在不对称(图4a)。启文河流至田林县城西北部的百花寨时,其左(东南)岸只有2级河流阶地,而右(西北)岸有4级河流阶地(图4b)。左岸的河流阶地的级差大于右岸的级差。百花寨所坐落的冲沟脊明显往乐里河上游偏移,启文河呈大角度逆向汇入乐里河(图4a)。从百花寨往启文河上游,在河流阶地不对称区域的顶点沿着A-A’测制地质剖面,结果发现区域内发育有断层破碎带,宽约330 m,内部可识别出3期不同性质和不同时期的断层活动痕迹。早期的断层以倾向北东的挤压活动为主,这期活动形成的破碎带已被硅质条带填充,如产状40°∠52°和56°∠49°断层所夹部位。该部位挤压带内地层陡立,断面往上变陡。另有一期波及露头大部分区域,范围从产状56°∠49°断面往南西至产状71°∠73°断层所夹部位。这期的断层活动表现为倾向南西的逆断活动,产状为236°∠45°、223°∠41°等。从断层破碎带物质现实,该期的断层物质未硅化,但破碎带宽。最后一期活动表现为左旋走滑活动,破碎带发育在前一期的逆断活动的破碎带中部。这期的断层活动形成的断面倾向南西,断面陡立(80°,图4c),明显区别于前一期断层活动的倾角(41°~49°)。启文河的不对称河流阶地应是由于这次断层活动造成的。阶地上有红土堆积。根据黄镇国等的研究表明,南方各种岩性上的红色风化壳(含红土)的主要形成时代为早中更新世,个别地区为晚更新世[29]。因此,这些阶地为第四纪阶地。从第四纪阶地的不对称特征与断层活动性质的对应关系推测,该段断层在第四纪早期有过左旋活动表现。
图4 启文河不对称河流阶地地区地质地貌综合调查图(a为GF-2影像) Fig.4 Comprehensive geological and geomorphological survey map of asymmetric river terraces in Qiwen River(a is GF-2 image)
使用高分二号卫星影像对琴欢至六冲之间的冲沟开展遥感解译。结果显示:①号沟被左旋错断334 m,其下游的断头沟成为⑤号沟的一条支流;③号沟被左旋错断350 m,其上游成为弃沟(图5)。把①号和③号弃沟的端点连接起来的L1不仅通过了④号沟(琴欢沟)主干河段北侧向西北偏移部位,还通过了⑤、⑥、⑦号沟的同步左旋拐弯部位,以及⑥号(六冲沟)冲沟的河流阶地北边界(图5主图)。使用无人机倾斜摄影建立了六冲屯河流阶地的地表模型中,可以量取得六冲屯二级阶地北部边缘长222 m。再量取⑥号(六冲)沟左旋偏移河段的长度,该长度与二级阶地北部边缘长度大致相当。
使用无人机倾斜摄影建立了六冲屯河流阶地的地表模型,可以发现六冲沟右(西)岸只有1级残留的面积不大的一级河流阶地堆积,左(东)岸有2级河流阶地和1级河漫滩(图5a)。沿平直的二级阶地北边界开展地质调查,在六冲沟与阶地交界的部位,发现了断层露头。该露头破碎带上宽下窄,断面倾向南西,上有擦痕,指示断层为左旋走滑活动(图5b)。因此认为,该线L1为断层线,是左旋走滑活动的断层。本文尝试探讨六冲屯阶地的形成年代,在断层剖面的对岸(图5c)发现了残留的右岸一级河流阶地堆积,该堆积具有明显的二元结构,下部为砾石层,厚度0~5 m;上部为红土堆积。砾石层与下伏基岩的交界部位,取砾石层中砾石间的砂—粉砂做光释光(OSL)法测试,其结果为7.3±0.4 Ka。断层对该层砾石无错移,说明该断层至少在7.3±0.4 Ka以来没有活动。六冲屯北部山坡(断层三角崖)上,发育一条很陡的冲沟,尚未上溯至山坡的顶部,断层崖尚未被刻蚀成断层三角面。该冲沟应是断层最近一次活动停止后的产物。
另外,在高分影像上,沿L2可见④号沟南侧的向左偏移河段,往东南通过①号沟断头沟的源头。沿L3可见②号断头沟的源头、⑥号和⑦号沟河段向左偏移的转折部位。②号沟被左旋错断357 m。对⑥号下游偏移部位开展地质剖面测制,破碎带宽约60 m,其中部发育有倾向南西的左旋走滑断层(图6d)。该露头特征与百花寨露头相似,早期有倾向北东的逆断活动,破碎带范围大,而后期左旋走滑断层发育在早期逆断层破碎带中部,破碎带范围较窄。
在汪甸至两琶之间,可识别出两条河流同步拐弯带。一条通过牛角者架沟和六琶沟同步拐弯点,称南带。一条通过汪甸沟、牛角者架沟、六琶沟的同步拐弯点,称北带。
沿牛角者架沟追索,在其下游的河曲呈反“S”状摆动,摆动的起始点位于南带的同步拐弯点附近。通过无人机的倾斜摄影地表建模后,可以发现同步拐弯点处往上游,河道狭窄图6a中红色虚线东北侧),往下游者河谷展宽,阶地发育(图6a中红色虚线西南侧)。在一级河流阶与二级阶地的坡折带下方,可见断层露头(图6b)。断面产状20°∠64°,节理产状240°∠54°。断面上有擦痕,左旋走滑性质。破碎带内可见透镜体,大小为80 cm×10 cm。
图5 琴欢—六冲一带地质地貌综合调查图(底图为GF-2影像) Fig.5 Comprehensive geological and geomorphological survey map of Qinhuan-Liuchong area(The base map is GF-2 image)
沿六琶沟追索,在百逢屯南部可见北带的同步拐弯点附近有构造变形带宽20 m。内部可见三组明显的断层,自东北往西南,断面产状分别为250°∠89°, 222°∠75°, 70°∠50°。其活动性质不同,第一个性质不明;第二个为左旋走滑性质,透镜体发育;第三个为正断活动性质,牵引构造明显(图6)。其中,产状222°∠75°断层发育规模最大。
图6 汪甸—两琶之间的两条河流同步拐弯带地质地貌综合调查图(底图为GF-2影像) Fig.6 Comprehensive geological and geomorphological survey map of synchronous turning zone of two rivers between Wangdian and Liangpa(The base map is GF-2 image)
通过上述工作,新发现断层的部位有旧州、俄外、百花寨、六冲屯、牛角、百逢等地点。这些地点的露头均记录了一期倾向南西的挤压活动。在活动性质上,除俄外露头外,其他露头均记录到断层的后期活动有左旋走滑活动表现,并且与露头附近的不对称第四纪阶地或水系同步错移等地貌现象相对应。这些断层的构造变形特征与第四纪的河流地貌特征的响应关系说明这些地点的断层在第四纪(更新世)期间有过左旋走滑活动。上文中,个别地点的河流阶地OSL法测年结果为低阶地的年代学提供了参考。
整理上述各地点河流构造地貌与地质调查的结果,获得了一幅旧州—泽屯小段断裂带的第四纪活动图像,见图7a。从宏观上观察,它们是在先存的旧州—泽屯小段断裂带上继承性地发展起来的。旧州、牛角和六冲一带的断层与已知的主干断层构成了一个左旋走滑断层的里德尔剪切组合(图7b)。旧州、牛角和六冲一带的断层为R剪切,Y剪切只发育在百花寨一带。对比肖阳等(2017)所做的走滑断裂带贯穿过程与发育模式的物理模拟实验可知,旧州—泽屯小段断裂带的第四纪断层活动体系处于R剪切发育阶段[30]。在该实验模型的阶段划分方案推断,旧州—泽屯段的主干断层在第四纪这一期活动仍未贯通整条断裂带,这可能也是该小段断裂带没有大于5.0级地震记录的原因。这种地震现象类似于新生的大凉山断裂带[31]。从断层的形态结构上和地震活动表现上,右江断裂带百色以西段与鲜水河—小江断裂系中段相似。鲜水河—小江断裂系中段的西支弯曲,成熟度高,地震多,右江断裂带百色以西段南支弯曲,地震多,(图1角图);鲜水河—小江断裂系中段的东支形态较直,地震少甚至出现空区,右江断裂带百色以西段北支形态直,至今缺失5级以上的高震级地震记录(图1角图)。然而,从断裂带的发展过程与新生性这一角度考虑,该小段断裂带的地震危险性是值得注意的。
图7 旧州—泽屯小段断裂带第四纪活动图像与成熟度分析(b图修改自文献[32]) Fig.7 Quaternary activity image and maturity analysis of fault zone of Jiuzhou-Zetun sub segment(Figure b is modified from reference [32])
经过上述工作,对右江断裂带百色以西段北支的旧州—泽屯小段的地貌及第四纪活动特征有如下认识:
(1)在先存断裂带两端的多个地点有控制河流地貌发育的左旋走滑断层发育。在旧州一带,两条北西西向的左旋走滑断层控制了旧州河和与板坚河流向,造成这两条河流发生两次同步左旋拐弯,并在两河之间局部地形发生菱形凹陷。这是一个局部性的由两条北西西向第四纪左旋走滑断层控制的左行左阶断层构造地貌格局。在汪甸至两琶之间,存在两条河流左旋同步偏移带。者架屯存在不对称的第四纪河流阶地。在牛角者架屯和百逢两处分别发现左旋走滑断层露头。在琴欢—六冲一带存在3条河流水系同步左旋拐弯带,多处山脊发生左旋错移并形成多条断头沟。六冲屯存在不对称的第四纪河流阶地。在不同的同步拐弯点上发现了两条左旋走滑断层。
(2)沿先存断裂带的两个区段,也存在河流地貌的特殊的区段及断层的左旋走滑活动。在潞城一带,乐里河两岸有10支流流向特殊,其中有8条逆向汇入乐里河干流中,2条与干流成近直角交汇。在8条逆向汇入区的中部,存在北西向断层露头。该断层早期表现为挤压逆断性质,后期有活动但性质并不明确。在田林百花寨,启文河出河口两岸的第四纪河流阶地级数并不对称,东南岸发育有2级河流阶地,西北岸有4级河流阶地。地质调查显示,在不对称阶地的顶点部位存在断层破碎带。该破碎带宽约300 m,能识别出3期不同性质的断层活动,与不对称河流阶地相对应的断层活动是最后一次活动——左旋走滑活动。
(3)由上述(1)和(2)河流地貌与断层活动响应关系勾勒出的旧州—泽屯小段断裂带第四纪活动图像,符合了一个处于R剪切断层发育阶段的左旋走滑断层的里德尔剪切构造体系。其中,旧州镇一带的两条左旋走滑断层、汪甸至两琶间的两条左旋走滑断层、琴欢至六冲一带的两条左旋走滑断层构成了R剪切断层,百花寨断层为Y剪切断层。该剪切体系在第四纪发育的成熟度低,可能是该小段断裂带至今缺乏5.0级以上的高震级地震记录的原因。