晚第四紀以來巴塘斷裂的活動特征及滑動速率

黃偉亮 張家樂 項 聞 楊虔灝

1)長安大學,地質工程與測繪學院,西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,西安 710054 2)銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦,安慶 246000 3)核工業金華勘測設計院有限公司,金華 321000

0 引言

川西及其鄰區地處青藏高原東南緣,是川滇、巴顏喀拉和華南三大活動地塊的交接部位,位于中國南北地震帶的南段,是中國現今構造活動最活躍的地區之一(徐錫偉等,2003)。新生代以來,隨著印度板塊與歐亞板塊的碰撞推擠作用,青藏高原東南緣發生了顯著的構造隆升和強震活動(Tapponnieretal.,1977; Molnaretal.,1993; Zhangetal.,2004)。該地區的巖石圈被一系列長度及力學性質不同的活動斷裂帶切割成多個活動塊體,其中,川滇塊體便是川西地區構造活動最為顯著的區域之一(徐錫偉等,2003; Zhang,2013)(圖1)?，F有的地殼運動速度場表明,川滇塊體以東喜馬拉雅構造結為中心發生順時針旋轉運動,在運動過程中,塊體的邊界斷層成為吸收和調節變形的主要構造之一,而明確和限定這些斷層的活動性質及活動速率是理解現今川滇塊體變形方式和變形過程的關鍵,也是科學評估川西地區強震風險分布的重要環節(Wang Yetal.,2008; Wang Hetal.,2017; 聞學澤,2018; 徐錫偉等,2018)。

圖1 青藏高原東南緣構造地貌與川滇塊體周緣的斷層分布圖

川滇塊體的邊界由一系列大型走滑活動斷裂帶構成,其東部邊界主要有鮮水河-安寧河-則木河斷裂帶、小江斷裂帶及大涼山等次級斷裂帶,形成較狹窄且連續的走滑斷層變形帶,總長度>1100km。川滇塊體的西邊界主要由金沙江斷裂帶和紅河斷裂帶構成。其中,金沙江斷裂帶是一條主要由20多條大致平行的次級斷層形成的寬30～200km的復雜斷裂帶(圖1中的藍色矩形),且斷裂帶大多分布在高山峽谷地區,地理環境惡劣。相比于研究成果眾多的川滇塊體東邊界,金沙江斷裂帶的研究程度仍然較低。盡管近年來通過更加密集和細致的GNSS觀測網絡揭示了該地區現今的構造變形速率(Zhengetal.,2017),但對于準確獲取單條活動斷層的變形特征及變形速率仍顯不足,尤其是對晚第四紀以來斷層的運動方式及變形速率的認識還存在一定分歧(李煜航等,2014; Lietal.,2020)。

巴塘斷裂是川滇塊體西邊界金沙江斷裂帶內一條NE向的主干斷裂,其斜切了金沙江斷裂帶,并將金沙江斷裂分成北段和中段,現今主要以右旋走滑運動為主。該斷裂及周邊曾發生過多次歷史強震,其中影響較大的有1722年巴塘6.0級地震、1870年巴塘7級地震、1923年巴塘附近6級地震和1989年發生的2次6.6級地震。前人針對該斷裂的變形速率和變形方式開展過部分研究,但由于地質速率的獲取受到傳統人工地貌位錯測量手段和斷錯沉積物年代不確定性的限制,可能具有較大誤差; 而利用地殼形變模型反演所得到的滑動速率并非真實的觀測值,存在一定的局限性。因此,本文對巴塘斷裂晚第四紀的滑動速率開展了相關研究工作,以期更為客觀地評價其在川滇塊體變形過程中起到的作用。

本文通過野外地質調查、無人機地形測繪、第四紀年代學等方法,對巴塘斷裂的活動方式、變形特點及斷錯地貌面的年代進行了研究,并選定黃草坪和巴塘縣城2個斷錯地貌明顯的區域對巴塘斷裂的晚第四紀活動速率進行了限定,進而討論了巴塘斷裂在川滇塊體西邊界形變中所起的作用。

1 區域構造背景

青藏高原東南緣三江地區的主體屬古特提斯造山帶(泥盆紀—中三疊世),距今約55Ma以來受到了印度與歐亞大陸的碰撞而引起強烈的陸內變形,形成了大規模的NNW—近SN向走滑斷裂系和褶皺帶(鐘大賚等,2000; 張波等,2009)。該區域于晚古生代—中生代早期顯示出復雜的轉換會聚運動,具有弧-盆系結構特征(許志琴等,1991; 王立全等,1999),發育的多條大型深部斷裂控制著三江地帶的構造活動,構造線整體表現為近SN向展布發育的特征。

晚新生代以來,隨著高原物質的向E擴展,藏東塊體沿金沙江斷裂逆沖推覆到川滇塊體之上,形成了寬30km的中咱推覆體,表現為古生代巖石逆沖疊覆于古近紀紅層之上(潘桂棠,1986)。同時,深部地震層析成像及人工源地震剖面表明,自川滇塊體西邊界開始向E,莫霍面深度逐漸減小,整個川滇塊體的下地殼低速異常廣泛分布,呈現低速特征(黃周傳等,2021)。近年來,大量深部地球物理探測資料表明,在青藏高原東南緣中、下地殼明顯存在2個低阻、高導通道(翁雪飛等,2022),其中一條從川滇塊體北部沿金沙江-紅河斷裂系延伸至滇緬地塊,并在空間位置上與大型走滑斷裂重疊,這表明殼內低速帶和地表的剪切變形可能相互關聯,并反映出中下地殼的流動擠出作用可能是現今導致川西地區地殼形變的驅動力(Baoetal.,2015)。

此外,依據現今GPS速度場分布及變化情況可看出,在川滇塊體以西GPS的運動方向為E向,跨過金沙江斷裂帶運動方向基本轉為SE—SSE向,顯示地殼在金沙江斷裂帶周邊區域向SSE順時針旋轉(Wangetal.,2020)。同時,金沙江斷裂帶的主壓應變從北向南由近EW向逐步轉變為近SN向,也表現出順時針旋轉的特征。而利用速度場計算得到的主應變率結果表明,金沙江斷裂與巴塘斷裂交會區的應變最為集中,尤其是剪切應變率值較高,反映該地區受到較強的剪切作用,同時現今中小地震活動也集中于該區,反映巴塘斷裂與金沙江斷裂交會處可能是現今川滇塊體西邊界的一個主要的應變釋放區(徐曉雪等,2020)。

2 研究方法

斷錯地貌區高精度數字高程模型(DEM)是確認斷層位置、量化斷層活動信息的關鍵數據。本研究利用多視角移動攝影測量技術SfM(Structural from Motion)對巴塘斷裂部分典型斷錯地貌區進行分辨率為亞米級的地形測繪,旨在更精細地恢復斷錯地貌的形態及準確測量斷錯位移量。主要使用小型航拍無人飛行器航拍分析并建立亞米級分辨率的DEM數據(Fonstadetal.,2013),最終輸出分辨率為0.25m的地形數據(DEM)。在確定斷層位移量時,通過將DEM轉換成高分辨率的山陰圖、等高線圖、坡度圖等,確定被斷錯的線性地貌標志體(如沖溝側壁、階地邊緣、洪積扇側壁等)。而在測量線狀地貌標志體時,有時需要將這些線性特征外推到斷層上,因此在測量時會有一定的不確定性(Angsteretal.,2016)。

限定被斷錯地貌面的年齡是量化斷層活動速率的關鍵。本研究中使用的原地宇宙成因核素年代學方法是目前在確定干旱地區粗顆?？焖俣逊e體地表暴露年齡最為有效和準確的方法之一(Ivy-Ochsetal.,2013)。本文采用單個大礫石暴露年齡法和核素深度剖面法分別確定不同地貌面的形成時代,其中核素深度剖面法通過采集不同深度的核素樣品,利用核素濃度衰減曲線對不同層位沉積物中的核素濃度值進行擬合,可更有效地剔除繼承性核素濃度,得到相對準確的地貌面暴露年齡(Andersonetal.,1996; De Vecchioetal.,2012; Stangeetal.,2016)。原地宇宙成因核素測年方法的原理參見文獻(Grangeretal.,2007; Gosse,2012),本文不再敘述。

采集時注意遠離沖溝和地貌面邊緣等后期可能會被明顯侵蝕改造的地區。每份樣品至少采集1kg以上,之后對每個樣品進行粉碎和篩選,得到粒徑為0.25～0.5mm的巖石顆粒。按照Brown等(1991)建議的處理流程,在中國科學院地球環境研究所對樣品中的石英進行了挑選、溶解和制靶,并在該所的西安加速質譜中心(AMS)進行10Be/9Be比值測量,所得核素濃度及誤差詳見表1。

表1 巴塘地區地貌面的10Be 年齡結果及其相關參數

3 巴塘斷裂的地貌特征

巴塘斷裂地處川藏兩省(區)的交會地帶,位于橫斷山脈的中部地區,呈NNE向斜切金沙江斷裂帶的主體部位,其形成時間應稍晚于金沙江構造帶,為一條全新世右旋走滑活動斷裂(周榮軍等,2005)。巴塘斷裂北東起于莫西附近,向S途徑雅洼、卡貢、黃草坪村、索英村、巴塘縣城,過茶雪村后沿金沙江河谷途經水磨溝、竹巴龍,在羅榮附近偏離金沙江河谷繼續向SW延伸,經那如崗到達莽嶺后,斷裂行跡逐漸消失,全長約115km。巴塘斷裂整體沿著瑪曲河和金沙江河谷兩岸的基巖山體邊緣呈NNE向展布,傾向NWW或SEE,傾角較陡,斷裂沿線發育一系列地貌斷錯現象。從斷裂形態上來看,巴塘斷裂整體連續且平直,沒有明顯的分段特征,僅在局部地區存在小范圍的階列展布。

其中,在莫西—黃草坪段斷裂主要沿瑪曲河呈NNE向展布,斷裂控制了山前剝蝕面和基巖山體的宏觀邊界,該段巴塘斷裂主要沿基巖山體的邊緣切過,線性特征顯著,從遙感影像上可見沿線發育多個斷層崖、斷層三角面等地貌特征(圖2)。但此段地形起伏大,河流主要以下切為主,第四紀地貌面保存不佳,斷層最新的斷錯地貌現象有限。在黃草坪—茶雪村段斷層主要沿瑪曲河河谷展布,瑪曲河在此處的側向加積作用加強,同時東側有較大支流(莫曲河)匯入,使得此段河谷為整個巴塘斷裂沿線的最寬處,保存多級河流階地面,使巴塘斷裂的最新活動特征得以體現。此外,由于此處地勢平坦開闊,巴塘縣城及其多個鄉鎮也坐落于此段并集中分布,因此掌握該段的斷層活動特征對于合理評價地震災害風險至關重要,這也是本文主要研究的區段(圖2)。

圖2 巴塘斷裂(黃草坪—巴塘縣城段)的展布特征

巴塘斷裂在通過黨巴鄉和黃草坪時形成了2個典型的斷陷槽谷地貌(圖2),谷寬500～1000m,谷內主要堆積兩側山麓的沖洪積物,黃草坪槽谷中的鉆探資料揭示谷內第四紀沉積物厚度>100m,并夾有數十米厚的黏土層,推測可能是巴塘斷裂的多次活動所導致的斷塞沉積(周榮軍等,2005)。巴塘斷裂在此段以線性陡坎地貌斷續連接2個槽谷,在黃草坪槽谷內,巴塘斷裂主要表現為近SN向的線性陡坎(圖3a),主斷層陡坎的坎向自北向南傾向由E轉變為W,并斷錯了多個不同期次的地貌面,陡坎高3～23m不等(圖3b)?？鐢鄬佣缚矁蓚鹊孛裁孢吔缂皼_溝出現不同程度的右旋偏轉(圖3c),此外在斷層陡坎下方還形成小型斷塞塘和地裂縫等(圖3a),表現出斷層的最新活動特征。此外,在主斷層陡坎兩側發育多條次級斷層陡坎,大部分次級陡坎與主斷層呈銳角相交(圖3d),銳角方向與一側斷盤的運動方向一致,這與走滑斷裂在簡單剪切作用下的地貌破裂特征一致。實驗室物理模型試驗(肖陽等,2017)及走滑斷裂演化過程(Sylvester,1988; Carneetal.,2012; 黃偉亮等,2018)均表明走滑斷裂在活動時會伴生與主位移帶走向斜交的R剪切斷裂,與主位移帶呈小角度斜交,這些地貌特征均反映出巴塘斷裂在全新世時期應以右旋走滑運動為主(圖3a)。

圖3 巴塘斷裂黃草坪段的斷錯地貌特征

從黃草坪向S至巴塘縣城北部獨角龍村一帶,巴塘斷裂在此處沿河谷東側的基巖山體與第四紀沉積物的交界地帶由北向南筆直穿過,山前斷層跡線呈線性且較為清晰,沿斷層連續發育多個滑坡或崩塌,可能是巴塘斷裂最新活動所致(圖4a)。斷裂在通過索英村以南的山脊上形成一處“V”形槽谷地貌,槽谷展布方向與斷層的走向一致。在槽谷北側公路開挖的新鮮剖面中可見有寬約十幾米的斷層破碎帶,破碎帶陡立,且帶內巖石揉皺碎裂現象明顯(圖4b),破碎帶頂部則對應槽谷凹陷的最低處,表現出巴塘斷裂長期活動的特征。

圖4 巴塘斷裂的幾何特征及剖面特點

巴塘斷裂自獨角龍村向S基本沿巴塘縣城東側山麓地帶展布,在該段表現出明顯的線性地貌,并形成連續的坡中槽及反向陡坎。在瑪曲河最高級階地(扎金頂),斷層活動形成1條坎高約8m的反坡向陡坎(圖5c),并在坎下形成一匯水洼地。斷裂繼續向S切過莫曲河洪積扇面,洪積扇側緣陡坎被右旋位錯,同時,莫曲河也受到斷層活動影響發生同步偏轉(圖5a)。在被斷錯的洪積扇頂面斷續發育1條坎向W的陡坎地貌,坎高約1.0m(圖5c)。在該陡坎南側人工開挖的垂向剖面中可見晚第四紀礫石層內的長軸具有明顯的定向特征,表現出向W的逆沖運動(圖5d)。此外,在莫曲河南岸,巴塘斷裂的主斷層帶完整出露,破碎帶中表現出產狀為120°∠75°的高角度密集破裂面(圖5e),破裂面上還保存斷裂活動形成的擦痕和階步等線狀構造。這些斷裂活動跡象均指示巴塘斷裂具有右旋走滑的運動特點。

圖5 巴塘斷裂巴塘縣城段的地貌特征

巴塘斷裂繼續向S,在茶雪村—莽嶺段主要沿金沙江河谷展布,途徑水磨溝、竹巴龍后,在芒康—羅榮一帶偏離金沙江流向繼續沿SSW經過達嘎頂、那如崗、莽嶺,隨后在瀾滄江附近逐漸消失。由于金沙江下切侵蝕劇烈,此段巴塘斷裂多以控制基巖山體與第四紀河道堆積物的邊界為主,在切過基巖山體處多表現為坡中槽、斷陷谷等地貌。在斷裂尾端莽嶺鄉附近沿線發育了較為清晰的斷層陡坎及沖溝位錯現象。在勒曲河左岸發育了2期新老時代不同的洪積扇,被巴塘斷裂同步右旋位錯。據周榮軍等(2005)研究發現,較老一期洪積扇的側緣陡坎及沖溝被右旋位錯約130m,而較新一期洪積扇的側緣陡坎及沖溝被右旋位錯約50m。

4 巴塘斷裂全新世滑動速率的厘定

4.1 黃草坪洪積扇的斷錯地貌

黃草坪斷陷槽谷與黨巴斷陷槽谷是保存巴塘斷裂斷錯地貌最為豐富的地帶。斷裂在切過黃草坪谷地后略向E偏轉,并直至黨巴斷陷槽谷(圖2)。在2個槽谷之間,斷裂以斷續的線狀陡坎地貌切過多個山前洪積扇,并造成洪積扇上的沖溝、地貌邊緣等標志物發生不同程度的水平位錯,為定量獲取斷層的位移量提供了標尺。在槽谷之間的山麓地帶共發育3期地貌面,其中Qo是較老一期洪積扇體,多位于山體前緣,受后期流水侵蝕,現今已被切割成多個狹長型的洪積臺地,拔河高度為10～15m; Qi是較新一期洪積扇體,也是山前地貌面的主體,整體保存完好且連續分布,頂部平坦,拔河高度為5～8m; Qy是現今仍然存在流水作用的地貌單元,主要為河床及被流水沖蝕改造的地貌面,表面崎嶇不平,基本與現代河床處于同一高度(圖6b)。

圖6 黃草坪山前洪積扇巴塘斷裂的水平斷錯特征

部分沖溝在穿過巴塘斷裂時形態發生了明顯變化,而這種變化由侵蝕、沉積及斷層活動共同塑造而成(Wallaceetal.,1968)。在黃草坪山前洪積扇上共有5條具有一定規模的沖溝與斷裂呈大角度相交,其中C1沖溝上游由2條分支沖溝組成,它們在穿過斷裂時并沒有表現出明顯的水平偏移,推測可能是由于在該沖溝與斷層相交處人工活動較為明顯,加之該沖溝形態平緩,由斷層造成的水平位移可能在后期被侵蝕及受到人工改造,沒有保存。C2沖溝為1條現代活動沖溝,形態筆直,下切深度深(約2m),自基巖山區向下切割了Qi和Qy地貌面,并在通過斷裂處略微向右發生偏轉,在獲取的等高線地圖中(間距1m)利用Ouchi(2005)提出的測量斷錯水系與斷錯區域上、下2個界面交點的距離確定C2沖溝的右旋偏轉量為(8±3)m(圖6c)。C3沖溝為1條溯源侵蝕形成的沖溝,在通過斷裂處也發生了向右偏轉,斷裂以上部分向Qi地貌面內部溯源侵蝕約100m后消失,斷裂以下部分以寬緩的沖溝形態為主,該沖溝右岸基本與Qy地貌面融為一體,在等高線地圖中測量得到該沖溝的右旋偏轉量為(22±8)m(圖6c)。值得注意的是,該沖溝的右旋偏轉量可能并非斷層真實的位移量,沖溝在溯源侵蝕過程中會由于地形的起伏變化而調整河流的彎曲形態,從而產生河道偏轉現象; 其次,由于該沖溝的下切深度較淺且溯源侵蝕距離較短,推測該沖溝的年齡應較接近C2沖溝的年代,但卻出現了比其大得多的偏轉量,因此該偏轉量可能并非斷層的真實位移量。C4沖溝的形態較為復雜,其上游由2條分支沖溝組成,其中一條發源于基巖山區,是該沖溝的主要組成部分。該沖溝在斷裂處表現出左旋偏轉現象,研究認為這可能是下游沖溝溯源侵蝕導致的河流重組所致:下游河流在溯源侵蝕過程中襲奪了上游的河道(圖6e 中的C4斜杠區域),而下游原有河道可能被廢棄(圖6e 中的C4虛線沖溝),從而導致沖溝在斷裂附近發生與斷裂運動不一致的偏轉現象,這在許多大型走滑斷裂的兩側較為常見(Graveleauetal.,2015; Jiangetal.,2017; Chenetal.,2021),并且會受到河網密度及斷層單次位移量的控制(Huang,1993)。C5沖溝為一條發育于基巖山區的大型沖溝,下切深度深,河谷狹窄,河流出山后快速下切并同時向右偏轉,在河流左岸保存Qo和Qi 2級地貌面,斷層同時切過這2級地貌面,并形成線狀陡坎地貌,通過測量獲得C5沖溝自流出基巖山區的右旋偏移總量為(46±9)m(圖6d)。

為約束巴塘斷裂的活動速率,需要確定黃草坪山前多期地貌面的形成時代。在該點主要通過采集地貌面上大礫石(最小直徑>30cm)表層(2～5cm)的巖石樣品,并利用宇宙成因核素方法確定地貌面的暴露年齡。針對Qi和Qo地貌面分別采集了核素年代學樣品 BT10BE-1 和 BT10BE-2(圖7),2個樣品均采集自Qi和Qo地貌面的中間部位,以避免后期可能出現的侵蝕。其中,BT10BE-1 采集自最長礫徑為73cm、地表出露高度為6～10cm的大礫石; BT10BE-2 采集自最長礫徑為90cm、地表出露高度為50～60cm的大礫石。由于所采集的礫石均為山前洪水快速沉積所致,上游物源區為山體邊緣面積較小的匯水盆地,故礫石的搬運過程非常短暫,我們認為這一過程中所產生的核素濃度非常少,對年齡結果的影響可以忽略。

圖7 黃草坪洪積扇大礫石宇宙成因核素樣品采樣點

通過利用Balco等(2008)給出的在線暴露年齡計算器(CRONUS),采用Lifton等(2005)提出的隨時間浮動的生成速率,分別計算了Qi和Qo地貌面的暴露年齡,其中Qi地貌面年齡為(4.1±0.3)ka,Qo地貌面年齡為(12.5±0.5)ka(表1)?？紤]到所采集的樣品為較年輕且抗風化能力較強的石英巖類大礫石,在年齡計算過程中沒有考慮侵蝕的影響。Qi地貌面的年齡結果與徐錫偉等(2005)在該地貌面(采樣點坐標為(30°05′03.8″N,99°09′12.7″E))所得的2個熱釋光年齡((4.45±0.34)ka和(4.34±0.33)ka)一致,也說明該暴露年齡可靠性高。而較老一期的Qo地貌面的年齡結果表明該地貌面的形成可能與末次冰消期氣候由冷向暖轉變有關,河流在此階段由之前的側向加積轉變為垂向下切,使得山前地貌面脫離現有的洪泛區并不再接受河流物質沉積,由此地貌面得以暴露保存。而Qi地貌面約4ka的年齡可能與東亞季風的增強相對應,同一緯度中石筍所記錄的氣候變化曲線表明,距今4～5ka在東亞季風開始變強的同時也帶來更為充沛的雨水,這可能是導致Qi地貌面形成的主要原因(Caietal.,2010)。

巴塘斷裂走滑速率的計算涉及對所獲取斷錯標志物位移量及標志物形成年代的系統分析。C1沖溝為一條現代活動沖溝,其下切活動發生在Qi地貌面形成之后,較小的右旋偏轉量說明這可能僅是最近幾次同震位移的累積,不足以計算長期的斷層活動速率。而C2沖溝的右旋偏轉量可能與斷層真實的位移量有較大差距。C5沖溝下切深度深、河道窄、右旋偏轉量大,河道的偏移可以較為真實地反映斷層的長期活動量,鑒于該河流的形成時間應老于Qo地貌面,因此利用Qo地貌面的年齡所約束的滑動速率應是其最大值,即(3.6±0.8)mm/a。

4.2 莫曲河沖積扇的斷錯地貌特征

巴塘斷裂在切過莫曲河洪積扇時保存了明顯的斷錯地貌現象,使莫曲河洪積扇的南緣被斷錯,為確定巴塘斷裂的走滑位移量提供了良好的地貌標尺。莫曲河為瑪曲河的重要支流,發源于巴塘縣城東側基巖山區,上游主要由3條冰川溝谷組成,在進入巴塘谷地后,莫曲河前緣形成1個面積約為1km2的沖洪積扇體,后續莫曲河持續下切,在河流兩側形成1級狹長的河流階地(T1),現今該扇體的拔河高度為21～25m,T1階地的拔河高度為1～2m。T1階地的分布與河流的展布形態基本一致,我們在T1階地面上采集了1個大礫石核素樣品(圖9,表1中的XJTBE-1),其年齡結果為(0.9±0.1)ka,表明T1階地非常年輕,因此我們認為T1階地形成后受斷層活動影響較小,無法作為確定斷層位移量的地貌標志體。巴塘斷裂在切過莫曲河洪積扇南側陡坎邊緣時造成了明顯的右旋位錯,我們利用LaDiCaoz軟件測量該陡坎邊緣的走滑位錯量(Zielkeetal.,2012),通過比對斷層兩側階地邊緣形態的一致性,確定洪積扇南緣的右旋走滑位移量為(40±5)m(圖8)。而莫曲河南岸巴塘斷裂通過處主要以基巖山體為主,河谷剖面處出露巴塘主斷層帶(圖5e),但并沒有保存晚第四紀斷錯地貌,因此無法進行活動速率研究。

圖8 莫曲河洪積扇的斷錯特征

圖9 莫曲河洪積扇采樣點及深度剖面年齡結果

為了確定斷裂斷錯洪積扇的年代,我們采用宇宙成因核素深度剖面年代法對其進行測年。為此,在洪積扇邊緣一處人工修路開挖的垂向剖面上自下而上采集了4個小礫石混合樣品(表1中的T2BE-1—T2BE-4),每層樣品中的礫石個數≥50個(圖9)。此外,考慮到該地貌面目前是巴塘縣城周邊村落的主要生活區,已受到強烈的人工改造,根據剖面頂部農戶敘述在進行房屋建設平整土地時于此處削去了約20cm的沉積物,因此我們在計算該剖面年齡時采用了2種方案:1)不考慮侵蝕的影響; 2)限定剖面遭受20～40cm的侵蝕。利用Hidy等(2010)提出的剖面年齡計算方法對這2種方案的剖面年齡分別進行了105次擬合運算,所得結果均表現出強歸一化特征,并均通過卡方(χ2)檢驗,得到2σ置信區間的年齡擬合結果(圖9)。最終計算得到莫曲河沖洪積扇體的暴露年齡為(15.2+3.2/-5.4)ka(不考慮侵蝕)及(16.4+3.9/-5.6)ka(考慮侵蝕),且繼承性核素濃度非常低,僅為1.3×104atoms/g,這與在莫曲河T1階地上所采集的接近現代河床的大礫石濃度大體一致(表1)。

結合洪積扇南緣的位錯量和核素深度剖面年齡,可以得到巴塘斷裂在此處的滑動速率為(2.6±0.6)mm/a(無侵蝕)或(2.4±0.8)mm/a(有侵蝕),我們認為考慮侵蝕影響的年齡結果應更接近真實值,因此選取2.4mm/a作為巴塘斷裂在此處的活動速率。

5 討論

5.1 滑動速率討論

本研究在巴塘斷裂黃草坪段和巴塘縣城段得到的2個滑動速率值相近,均反映巴塘斷裂晚第四紀以來的右旋走滑速率為2～4mm/a,這與周榮軍等(2005)在莽嶺鄉一帶根據洪積扇側緣陡坎位錯量和洪積扇頂面TL年齡得到的2.0～2.7mm/a及在巴塘縣城段同樣通過莫曲河洪積扇邊緣位錯計算得到的1.3～1.9mm/a的滑動速率較為接近。尤其在巴塘縣城段,本文與周榮軍等(2005)所選取的位錯測量點基本一致,但本研究利用更可靠的年代學約束以及更精確的測量方法,所限定的巴塘斷裂右旋滑動速率應更為可靠。此外,徐錫偉等(2005)在黃草坪段通過對洪積臺地的錯斷地貌面年齡及其累計垂直位移量計算得到巴塘斷裂的垂直滑動速率為(2.4±0.3)mm/a,并依據測得的巴塘斷裂1870年地震同震右旋走滑位移的倍數關系(2.5︰1)反推得到巴塘斷裂的右旋走滑速率為6mm/a。該滑動速率明顯大于本研究的結果,這可能是由于巴塘斷裂在黃草坪處的地表垂向位錯量并不單純是由斷層活動所致,走滑斷層在切過山坡時,受地形控制會使本沒有垂向位錯量的斷層在地表表現出明顯的垂向斷層陡坎(Burbanketal.,2011),從而存在高估斷層垂向運動的可能。

5.2 巴塘斷裂在調節川滇菱形塊體變形時的作用

巴塘斷裂作為川滇地塊西邊界金沙江斷裂帶內的一條全新世活動斷裂,整體呈NNE向展布,與云南中甸附近NWW向的德欽-中甸-大具斷裂帶共同斜切了金沙江斷裂帶,并將其分割為北段、中段和南段。徐曉雪等(2020)通過利用Zheng等(2017)給出的1991—2015年的地殼速度場,對金沙江斷裂的北、中、南段進行了GPS剖面分析,認為:金沙江斷裂帶北段剪切和垂向運動均不明顯; 中段以右旋走滑為主,速率為4.9mm/a,垂向運動較弱; 南段右旋走滑速率增至5.5mm/a,但也未表現出明顯的垂向運動(圖10)。該剖面中段橫跨巴塘斷裂,根據我們得到的巴塘斷裂2～4mm/a的走滑速率可知,巴塘斷裂可能吸收調節了金沙江斷裂帶中段50%～80%的應變速率,應是金沙江斷裂帶中的主要變形吸收區。

圖10 金沙江斷裂帶及周邊地區的GPS水平速度場(引自徐曉雪等,2020)

然而,李煜航等(2014)基于塊體模型利用GPS觀測成果反演得到的青藏高原東南部主要活動斷裂的滑動速率結果表明,巴塘斷裂的右旋走滑速率可高達(10.8±2.3)mm/a,這顯然高于本研究所得結果。造成這種差異的原因可能與對川滇塊體西邊界變形模式的認識不同有關。在現今的研究中,青藏高原東南緣地殼的變形模式主要以被主邊界斷裂分割的塊體模型為主(Tapponnieretal.,2001; Ganetal.,2007; Lovelessetal.,2011; Zhengetal.,2017),在這一模型中塊體的滑動主要依托主邊界斷裂調節,但本文獲取的巴塘斷裂地質活動速率較低的結果與該模型邊界斷裂應具備較高活動速率的假設并不匹配。而另外一種觀點則認為,青藏高原東南緣地殼變形呈現連續-彌散變形特征的連續變形模型可能與巴塘斷裂較低的活動速率相印證。近年來,諸多學者通過平滑的應變率空間分布特征(Zhangetal.,2004; Shenetal.,2005; Zhengetal.,2017; Wangetal.,2020)、較薄的脆性上地殼(Yangetal.,2020)及流變性質較弱的中—下地殼(Baietal.,2010; Sunetal.,2014; Liuetal.,2019)等證據表明,地殼的彌散變形可能是現今青藏高原東南緣地殼形變的主要方式,尤其在川滇塊體西邊界,Bao等(2015)利用接收函數成像及面波頻散聯合反演方法觀察到一條沿金沙江-紅河斷裂系到滇緬地塊的中下地殼低速帶,這一低速帶與地表金沙江斷裂帶在空間位置上重疊。而存在低黏度的中下地殼會使斷裂周圍完整巖石的強度降低,更容易使地殼脆性層產生破裂(Lietal.,2020),這可能是川滇塊體西邊界呈現出彌散變形的深部驅動機制,而巴塘斷裂可能是川滇塊體西邊界中一條主要的變形構造。

6 結論

巴塘斷裂為川滇塊體西邊界的一條NNE走向的右旋走滑斷裂,斷裂起于莫西附近,向SW穿過巴塘縣城,經竹巴龍直至莽嶺附近消失,總長115km。巴塘斷裂整體沿著瑪曲河和金沙江河谷兩岸基巖山體邊緣呈NNE向展布,傾向NWW或SEE,傾角較陡,走向形態平直連續,沒有明顯的分段特征。斷裂整體控制了基巖山體的宏觀邊界,沿線斷層槽谷、三角面、斷層陡崖呈線性排布。斷裂在切過黃草坪及巴塘縣城時,造成了多個不同時代的地貌標志體,并表現出8～40m不等的右旋位錯量。根據被斷錯地貌面的年齡及位移量,計算得到巴塘斷裂晚第四紀以來的平均右旋走滑速率為2～4mm/a。該速率占現今橫跨川滇塊體西邊界剪切變形量的50%～80%,說明巴塘斷裂應是該區主要的應變吸收構造,但同時其位錯速率也低于塊體模型中預測的約10mm/a的速率,這可能預示了川滇塊體的西邊界現今呈現彌散變形的狀態,多條斷層共同吸收了現今的應力和應變。

致謝審稿人對本文提出了詳細的修改意見,并幫助完善了文章內容; 四川省地震局王世元高級工程師在野外工作中給予幫助; 應急管理部自然災害防治研究員呂延武博士在宇宙成因核素樣品的處理過程中給予協助。在此一并表示感謝!