怒江断裂带邦达断裂中段全新世活动证据及其古地震记录
时间：2023-03-27 15:25:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
钟宁，杨镇，张献兵，丁莹莹，吴瑞安，王炀，郭长宝，李海兵
1)自然资源部活动构造与地质安全重点实验室，中国地质科学院地质力学研究所，北京， 100081；
2)中国地质调查局新构造与地壳稳定性研究中心，北京，100081；
3)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京，100083；
4)自然资源部深地动力学重点实验室，中国地质科学院地质研究所，北京，100037
内容提要: 活动断裂带常是大地震的发震构造，并诱发地质灾害，产生黏滑位错和蠕滑变形，并形成断裂破碎带，进而对城市和工程安全直接造成威胁。因此，厘定活动断裂的空间几何展布、活动性对工程地质研究和防灾减灾具有重要的指导意义。通过遥感解译、错断地貌、槽探和14C测年，对怒江断裂带邦达断裂中段的发育分布特征与活动性进行了调查研究。结果表明：邦达断裂中段在1457±51 a BP/1598±47 a BP 发生过古地震事件，为引发中强地震的全新世活动断裂。断裂活动主要受控于川滇菱形块体的南向逃逸挤出和印度板块NEE向直接挤压作用，表现为走滑兼有逆冲分量的高角度活动断裂。该研究为了解怒江断裂带邦达断裂中段活动性和工程抗震设防提供了基础资料。
活动构造是指晚更新世(100～120 ka)以来一直在活动，现在还在活动，未来一定时期内仍可能发生活动的各类构造，包括活动断裂、活动盆地、活动褶皱及被它们所围限的地壳和岩石圈块体(邓起东，1996)。活动断裂是一种现代正在活动的构造，它与地震和地质灾害紧密相关，对城市和工程安全直接造成威胁；
特别是活动断裂在全新世的活动历史、滑动速率和运动机制又直接与地震危险性评估相关，为地震地质研究的重要课题。活动断裂对工程的影响形式主要包括以下4个方面：① 引发地震。据统计，我国历史上超过7级的地震，80%位于活动断裂带上，超过8级的地震100%位于活动断裂带上(邓起东等，2003)。② 黏滑位错和蠕滑变形。当活动断裂引发地震时，往往产生明显的急速位错，地表破裂对铁路工程的破坏形式表现为：路基开裂，桥梁纵向、横向移位，桥梁墩台破坏，隧道洞体受断裂控制横向剪断，纵向错动或剪切裂缝等(潘家伟等，2021)，例如2008年汶川Ms8.0级地震后铁路轨道出现明显的横向移位现象(王栋等，2015)。活动断裂蠕滑兼具张拉、剪切和扭动的性质，其不断活动使得浅表地质体发生变形、位移和破裂(Scheingross et al., 2013；
张永双等，2016)，从而导致地面建筑物的破坏、路基变形、桥梁损坏。此外，地震(M≥5.0)常导致饱含水、未固结的沉积物(土壤、沙土等)液化或流化(Jiang Hanchao et al., 2016；
钟宁等，2017，2021a)，引起喷砂冒水造成地面沉陷和地基失稳，以及侧向滑移，导致河岸、堤坝、桥梁和码头设施破坏等(Robinson et al., 2014；
Liu Zeng et al., 2016)。③断裂破碎带。断裂破碎带内的岩体受多期构造运动影响，被强烈挤压、切割，岩体十分破碎，地下水发育，工程地质条件极差，尤其对深路堑、隧道工程不利；
而且容水性和导水性极强，是隧道涌水突泥和坍塌灾害发生的集中带，以及有害气体的通道(王爱国等，2008；
李生杰等，2013)。④断裂活动常诱发地质灾害(Xu Chong et al., 2014；
Guo Changbao et al., 2016)，并具有明显的控灾效应，能够对地形地貌、岩体结构、斜坡应力场和稳定性产生影响，同时也是地质灾害链的源头，能够为地质灾害提供物源(张永双等，2019；
郭长宝等 2021)。因此，厘定活动断裂空间几何展布、活动性和古地震历史对活动构造区工程地质研究和防灾减灾具有重要的指导意义。
怒江断裂带西起班公湖，向东经改则、尼玛、东巧、索县、丁青、嘉玉桥折向南至八宿县上林卡，再向南沿怒江进入滇西，在西藏境内长2800 km，宽5～50 km，向西延入克什米尔，向南东延入缅甸，总体走向为NWW—NW向，具有走滑兼逆冲性质，晚第四纪活动强烈。GPS观测资料表明，怒江断裂带在东构造结以西活动性较弱，中更新世以来主要为挤压运动，运动速率1.2～2.0 mm/a；
东构造结以东的南段则表现为右旋走滑，走滑速率为3.20～6.43 mm/a、拉张速率3.90～5.65 mm/a(宋键，2011；
王阎昭等，2015)。怒江断裂带部分段落为全新世活动断裂，有中强地震发生，如1930年腾冲东北Ms6.0 地震，1950年八宿益庆乡附近的Ms5.5地震。笔者等通过遥感解译、槽探、地球物理勘探和年轻地质体测年，对怒江断裂带邦达断裂中段空间几何展布、活动性进行厘定和分析。相关成果有助于了解怒江断裂带邦达断裂中段晚第四纪活动性和古地震历史，对该区域未来地震危险性评价和防震减灾具有重要的参考价值。
1.1 地形地貌
怒江断裂带邦达段断裂位于羌塘地块向东快速挤出构造区域(图1a)，东西两侧分别为澜沧江断裂和嘉黎—察隅断裂带，断裂带北段和中段正处于喜马拉雅东构造结弧顶的区域，受羌塘地块侧向挤出和印度板块与欧亚板块碰撞挤压的远程效应影响。怒江断裂带邦达断裂中南段主要沿怒江一级支流玉曲河谷展布。研究区平均海拔在4000 m以上，而地势相对平坦，相对高差小；
河流多为辫状河或者曲流河，I级和Ⅱ阶地较为发育。Ⅰ级阶地和河漫滩分布冲积物和洪积物，河谷两侧的边坡上发育大量的坡积物，支沟沟口多发育泥石流堆积物。山峰海拔多在5200～5400 m，发育现代冰川，冰川地貌保存完整。
1.2 地层岩性
怒江断裂带邦达断裂中段沿线及其邻区地层主要为前寒武系，石炭系、三叠系、侏罗系地层；
第四系主要是沿河谷、缓坡上分布的冲洪积沉积和松散堆积物。前寒武系地层中主要有卡穷岩群(Pt1-2K)和酉西岩群(Pt3Y)：前者主体由黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、变粒岩及大理岩等组成，片理、片麻理发育，成层性较差，岩石破碎，岩性复杂，岩性差异大；
后者主体为一套绿片岩相变质岩，原岩为一套碎屑岩—火山岩建造，岩石以片理为主，偶见片麻理，褶皱发育，常见紧闭褶皱、无根褶皱等，糜棱岩化普遍。石炭系错戎沟组(C1c)和邦达组(C1b)岩性为灰绿、灰黑色千枚岩夹变质砂岩及少许变质砂质灰岩及生物碎屑灰岩，可能有玄武岩夹层或者岩块，有辉绿岩侵入，岩组主体均为一套构造混杂岩，褶皱变形强烈，断裂发育，岩石破碎。三叠系的阿堵拉组(T3a)和波里拉组(T3b)，岩性主要有长石石英砂岩、岩屑石英砂岩、页岩等，与下伏波里拉组灰岩可截然区分，岩性稳定，变化较小，褶皱变形发育(王冬兵等，2019)。
1.3 区域地震活动性
研究区位于青藏高原羌塘块体向东转折的部位，外围区域包括拉萨地块、羌塘地块和巴颜喀拉地块(图1)，并跨越班公错—怒江结合带、澜沧江结合带。研究区紧邻喜马拉雅东构造结，区域地震活动背景较高，沿着邦达断裂中段曾发生1950年11月3日Ms5.5、1997年5月16日Ms5.3和1997年8月9日Ms5.2地震，区域最大的地震为昌都南1951年3月17日Ms6.0地震，显示较强的地震活动性。大型第四纪断陷盆地与断裂的断陷、走滑活动有关，往往是强震活动区，如研究区南西侧的嘉黎—察隅断裂带。不同类型边界断裂的交汇位置以及主干断裂与其次级分支断裂的分岔、转折、归并部位，多是 6 级以上强震发生地区(李萌，2019)。基于错断地貌、古地震和年代学测试，Ren Junjie 等(2022)认为羊达—亚许断裂具有产生Ms7.2～7.3地震潜力，并产生1.8～2.0 m的左旋位错量。考虑到研究区的羊达—亚许断裂、邦达断裂和色木雄断裂，均为晚更新世—全新世活动断裂，据地震构造标志对比，它们具备发生M7～7.5 级左右地震的构造条件(李萌，2019)。
邦达断裂整体走向NNW—NW，陡倾NEE—NE，倾角60°～70°，平面上略弯曲，其中北段在郭庆乡一带被羊达—亚许断裂左行错移，南段在吉中乡附近被色木雄断裂左行错移(图1，图2)。羊达—亚许断裂南东段在察雅县吉塘镇亚许村附近，向NW沿学曲、果曲，经羊达，穿过刚曲、直曲和卫曲至俄不克一带，总体走向NWW—SEE，延伸超过140 km，为左旋走滑兼有逆冲分量的全新世活动断裂(图1)，晚全新世以来(3610～3457 a BP)左旋滑动速率约为2.1～2.5 mm/a(Ren Junjie et al., 2022)。基于羊达村东断层剖面地层位错和光释光测年，Ren Junjie等(2022)限定了7.89±1.69 ka一次古地震事件，表明该断裂在全新世以来有过强烈的活动。色木雄断裂北西始于吉中乡附件，断裂呈NWW—SEE 展布，向南西倾，向南东经通不来—色木雄—嘎益，穿过澜沧江延伸至芒康县嘎沙一带，长度约60 km。李萌(2019)通过对断裂沿线构造地貌、断层陡坎和石英形貌特征分析，初步认为色木雄断裂为全新世活动断裂。通过对邦达断裂沿线构造地貌、河流阶地沉积物变形、石英形貌特征以及年代学测试，李萌(2019)初步认为邦达断裂北段和南段是一条晚更新世活动断裂；
其中邦达断裂中段仅见次级断裂显示错动第四系河流阶地的迹象，而主断裂邦达断裂中段未见第四纪断裂活动在地表的响应。
图1 怒江断裂带邦达断裂中段大地构造位置及活动断裂几何展布：
(a) 青藏高原活动断裂分布与GPS速度场分布图(据李海兵等，2021修改)；
(b) 怒江断裂带邦达段活动断裂分布图Fig. 1 Geotectonic location and geometric distribution of active faults in the central section of Bangda fault in Nujiang fault zone: (a) active faults and GPS velocity field distribution in the Xizang (Tibetan) Plateau (modified from Li Haibing et al., 2021&)；
(b) distribution of active faults of Bangda fault in Nujiang fault zone
图2 怒江断裂带邦达段断裂区域地质简图(据王冬兵等，2019)Fig. 2 Geological map of Bangda fault in Nujiang fault zone(from Wang Dongbing et al., 2019&)
表1 益庆乡多庆村和甲冲村14C测试结果Table 1 Radiocarbon dating results for the Duoqingcun and Jiachongcun at Yiqing
图3 邦达断裂中段空间几何展布(a)及邦达机场附近断层三角面(b); 益庆乡甲冲村水系位错(c); 吉中乡查龙村线性地貌(d)Fig. 3 Spatial geometric distribution of the central section of Bangda fault (a); fault triangle at Bangda Airport (b); dislocation at Jiachongcun, Yiqing (c); linear geomorphology at Chalongcun, Jizhong(d)
图4 邦达断裂中段空间几何展布(a)及郭庆乡拉龙村水系位错(b); 吉中乡洛龙村河流阶地位错(c); 益庆乡甲冲村断层陡坎(d); 吉中乡查龙村多级断层陡坎(e); 吉中乡查龙村断层活动导致第四纪地层掀斜作用(f); 益庆乡邦达机场旁石炭系地层逆冲到三叠系地层之上(g)Fig. 4 Spatial geometric distribution of central section of Bangda fault (a); drainage dislocation at Lalongcun, Guoqing (b); fluvial terrace dislocation at Luolongcun, Jizhong (c); multistage fault scarp at Jiachongcun, Yiqing (d); multistage fault scarp at Chalongcun, Jizhong (e); Quaternary strata tilting caused by fault activity at Chalongcun, Jizhong (f); Carboniferous strata thrust onto Triassic strata, near the Bangda Airport (g)
邦达断裂中段展布于郭庆乡至吉中乡一带，断裂走向340°～350°，倾向W，倾角65°～70°。断裂线性影像特征清晰，地貌上表现为断层三角面、线性地貌、断层陡坎、水系位错等(图3，图4)，在陡坎前缘几米至约20 m处，多处见断裂错断全新世地层，砾石定向明显，断裂带宽3～5 m(图5)，为逆冲兼有左旋走滑性质。在益庆乡甲冲村(图3b)和郭庆乡拉龙村(图4b)，可见约10 m的水系左旋位错，以及线性错断地貌(图3a，c)。在吉中乡洛龙村，可见玉曲河支流被断裂左旋位错约为7.7 m，此外还可见约1.3 m的垂直位错量(图4c)。在益庆乡甲冲村和吉中乡查龙村可见多级断层陡坎地貌(图4d，e)。值得注意的是，在查龙村可见多达6级的断层陡坎，从底到顶坎高分别为2.20 m、1.25 m、2.00 m、2.15 m、2.25 m和0.95 m，可能代表断层多期活动的结果(图4e)。假设查龙村0.95～2.25 m为一次地震产生的同震位错量，按照邓起东等(1992)建立青藏高原区走滑断裂地震断层位错量与震级的关系M=a+b×LgD(其中a, b为常数，分别为7.13和0.68；
D为地震断层位错量)计算，得到的震级约Ms7.1～7.3。此外，在吉中乡查龙村，可见断层作用导致晚第四纪地层掀斜作用，靠近断层地层倾角较小，远离断层倾角较大，可能是断层逆冲分量所致(图4f)。在邦达机场旁，可以清晰的看到由于断层逆冲作用，导致石炭系地层逆冲到三叠系地层之上(图4g)。在益庆乡甲冲村和多庆村见错断全新世地层的断裂剖面(图5)，砾石具有明显定向性，断距10～20 cm，均错断上覆第四纪地层，显示逆冲或正断性质。
在益庆乡多庆村冲洪积扇中部出露一断层剖面，剖面高约2.0 m，宽约3.0 m，剖面显示断层错断至表土层底部，剖面整体走向230°左右，根据沉积物颜色、岩性等基本特征，其地层从下至上可以划分为U5～U1 5层，各层描述如下：
U5：杂色砾石层，砾石分选磨圆好，杂基支撑，砾石大者可达30 cm，胶结差，厚约65 cm，未见底；
U4：浅黄色细砂层夹砾石，砾石分选中等，磨圆较差，呈棱角状，厚约45 cm；
U3：浅黄色细砂层，未见明显层理，厚约30 cm；
U2：浅灰色细砂层，未见明显层理，厚约30 cm，在该层取一泥炭样品BT20-38；
U1：杂色砾石层，砾石分选中等，磨圆差，杂基支撑，胶结较差，夹有浅黄色细砂，厚约30 cm。
在益庆乡甲冲村冲洪积扇前缘也出露一高约2.0 m的断层剖面，剖面整体走向330°左右，剖面揭示断层错断U4层顶部，从下至上可以划分为5层，各层基本特征如下：
U5：杂色砾石层，砾石分选较差，砾石最大粒径可达70 cm，磨圆中等，杂基支撑，砾石定向排列现象显著，该层厚约120 cm；
U4：浅黄—浅灰色细砂层，见平行层理，厚约15 cm，在该层取一泥炭样品BT20-41；
U3：杂色砾石层，夹细砂，厚约25 cm；
U2：浅黄色细砂层，见平行层理，厚约15 cm；
U1：杂色砾石层夹细砂，厚约25 cm。
在益庆乡多庆村(图5a)和甲冲村(图5b)断裂剖面的0.30 m和0.65 m采集两个14C样品，采用AMS14C技术和OxCal v4.2软件进行日历年代校正(Ramsey，2009)，测年结果为1457±51 a BP和1598±47 a BP。据此推测邦达断裂中段最新一次活动时间为1457±51 a BP/1598±47 a BP。
图5 邦达断裂中段沿线益庆乡多庆村(a)和甲冲村(b、c)断裂剖面野外照片、素描图及14C年龄测试结果Fig. 5 Field photos, sketches and 14C age test results of fault profile at Duoqingcun (a) and Jiachongcun (b, c), Yiqing, along central section of Bangda fault
为了获得邦达断裂中段的断裂带宽度，在益庆乡多庆村共布设了4个高密度电法物探剖面B1～B4(图6a)。根据B1电阻率剖面可知(图6a)，电阻率值在500～2000 Ω·m，其中相对高阻区(500～2000 Ω·m)的岩性以石炭系下统邦达组变质灰岩为主，低阻区(300～800 Ω·m)岩性以石炭系下统邦达组千枚岩为主。在600～680 m处，电阻率值在50～750 Ω·m，在地层150 m以浅具有贯通性，而两侧电阻率基本大于500 Ω·m，推测该处为邦达断裂中段所在位置(图6a)，断裂带宽度为80 m。为了进一步限定邦达断裂中段的深部结构和断裂性质。首先基于SRTM采集的DEM数据，利用Petrol三维建模软件，选用高斯克里金算法插值得到研究区地形图。其次利用二维物探资料解释的断裂数据、地面地形数据和物探得到的层位数据构建了地层构造模型，构建高密度电阻率属性体，获得断裂三维构造地层模型。最后根据物探勘测到的电阻率三维空间数据，将其离散化之后利用变差函数进行空间插值，对邦达断裂中段益庆乡多庆村的电阻率参数进行了预测，得到电阻率属性模型栅格图(图6b)。从图中可以看出，邦达断裂中段除了表现左旋走滑性质外，还有明显的逆冲分量(图6b)。此外，邦达机场旁音频大地电磁测深勘探线二维反演断面中识别出多条分支断裂，并均随着深度的增加，断裂的倾角由近乎垂直，逐渐变为向西陡倾，初步认为主断裂邦达断裂中段深度大于350 m，在深部凸显西倾趋势(李萌，2019)。进一步表明邦达断裂中段具有明显的逆冲分量。
图6 邦达断裂益庆乡多庆村高密度电法剖面解译结果(a)及断裂带三维结构特征(b)Fig. 6 High density electrical profile and interpretation results (a) and three dimensional structural characteristics of fault zone (b) at Duoqingcun, Yiqing, Bangda fault
从研究区断裂活动性质看，羊达—亚许地区、邦达断裂和色木雄断裂表现为左旋走滑，兼有一定的逆冲分量(李萌，2019)。从青藏高原现今构造变形分区可以看出(图7)，喜马拉雅东构造结地区由于印度板块斜向俯冲到欧亚板块之下，形成了喜马拉雅山前一系列的逆冲断裂带，表现为强挤压隆升区。青藏高原东南缘侧向挤出区域，也是羌塘地块向东快速挤出构造区，西起约90°E，北以玉树—鲜水河断裂为界，南以嘉黎—怒江断裂带为界，为东部物质快速向东和南东方向运移过程中，牵引着西部物质不连续地向东运移，拉伸过程中造成一系列共轭走滑断裂和近南北向正断裂，块体西部表现出弥散型变形，块体东部为刚性块体变形(李海兵等，2021)，并发育了怒江、澜沧江和金沙江等多条大江大河，多为深切峡谷或山间盆地，断裂性质多为走滑断裂。前人研究认为，怒江断裂以右旋走滑活动为主，由早期的压剪构造转化为晚期的张剪构造(吴根耀，1991；
李京昌，1998)。古近纪以来，由于印度板块东犄角的北东向推挤，青藏高原强烈隆升，印支地块南向挤出，怒江断裂表现为挤压逆冲和右旋走滑运动(宋键，2011)。随着印度板块向欧亚大陆的持续挤压，羌塘块体西部和中部地区在南北向挤压及东部物质向东或南东方向牵引的影响下发生缓慢运动和被动变形；
块体东部上地壳沿着鲜水河断裂和怒江、哀牢山—红河断裂夹持的地块向东南方向逃逸挤出(Leloup et al., 2007；
Bai Mingkun et al., 2018；
Han Shuai et al., 2019；
李海兵等，2021；
钟宁等，2021b)，表现为刚性块体的快速挤出构造。同时，在印度板块北向运动作用下，青藏高原内部形成一系列沿着NW向断裂的左旋运动，昆仑山—鲜水河断裂带将青藏高原块体分成南北两部分，南部块体向北及北东方向运动，出现了以青藏高原为中心的向北、向东和向南东的扇形辐射地壳运动格局(丁国瑜和卢演俦，1986)。在印度板块向北运动过程中，受到昆仑山—鲜水河断裂带的阻挡，使块体改变方向，向SSE滑移；
考虑到印度板块存在NNE向的推挤力，沿板缘产生逆冲带，向东产生实皆右旋剪切带，再向东对本区产生了NEE向的推挤作用。
图7 青藏高原现今构造变形分区(据李海兵等，2021修改)Fig. 7 Current tectonic deformation zones of the Xizang (Tibetan) Plateau (modified from Li Haibing et al., 2021&)
申重阳等(2002)根据怒江断裂的走向变化将其自北向南分为 3 段，并利用 GPS 数据得到其右旋走滑速率分别为 3.78±0.80 mm/a、1.20±0.02 mm/a 和1.82±0.03 mm/a，挤压速率分别为1.10±0.05 mm/a、1.11±0.01 mm/a和1.39±0.01 mm/a。怒江断裂SN走向段右旋走滑速率为2～3 mm/a，挤压速率为1.0～2.5 mm/a(唐方头等，2010；
宋键，2011)。现今GPS观测表明，怒江断裂带除了具有走滑分量(右旋)，还有一定的挤压或拉张分量(Wang Min and Shen Zhengkang, 2020)。在羊达—亚许断裂和邦达断裂中段，不仅观察到了左旋走滑证据，地貌和物探证据也揭示其有一定的逆冲分量(图6b)。这也验证了怒江断裂带除受川滇菱形块体的南向推挤，还受到印度板块北东东向的直接挤压作用，表现为犄角两侧分别为左旋和右旋走滑运动，且具有逆冲分量，推测犄角位置在邦达镇—东坝乡一带。因此，怒江断裂带的构造运动应该受控于川滇菱形块体的南向逃逸挤出和印度板块NEE向的直接挤压作用。由于怒江断裂带北段GPS观测台站和已发表的基础资料较少，这一认识仍需更多地质和观测数据的支持。
笔者等通过遥感解译、错断地貌、探槽剖面和14C测年等技术手段，对怒江断裂带邦达断裂中段的发育分布特征与活动性进行了调查研究，得到以下结论：
(1)邦达断裂中段为走滑兼有逆冲分量，并为高角度的活动断裂。
(2)邦达断裂中段在1457±51 a BP/1598±47 a BP 发生过地震事件，为引发中强地震的全新世活动断裂。
(3)邦达断裂的构造运动受控于川滇菱形块体的南向逃逸挤出和印度板块NEE向的直接挤压的联合作用，北段和中段表现为左旋走滑兼有逆冲分量，其南段具有右旋走滑兼有逆冲或拉张分量。
致谢：高密度电法剖面测量和物探解译由四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心罗兵高级工程师和李维工程师协助完成；
中国科学院地球环境研究所王躲博士、中国地震局地质研究所程理博士和魏传义博士、中国地质科学院探矿工艺研究所张佳佳博士参加了部分野外工作，在此一并表示感谢。感谢审稿专家及责任编辑提出的宝贵意见和建议，使本文得到进一步提升。
