沈晓明, 李德文, 孙昌斌, 康艳蕊, 刘 睿, 张亚娇

(中国地震局 地壳应力研究所 地壳动力学重点实验室, 北京 100085)



鹤庆-洱源断裂带中段晚更新世以来的走滑活动

沈晓明, 李德文*, 孙昌斌, 康艳蕊, 刘 睿, 张亚娇

(中国地震局 地壳应力研究所 地壳动力学重点实验室, 北京 100085)

摘 要:鹤庆–洱源断裂带是滇西北活动断裂系的重要组成部分, 对其性质、特征和活动历史的研究可为区域地震活动评价和震害防御提供依据, 也可为青藏高原东南缘构造变形特征、历史和方式提供基础数据。通过对鹤庆–洱源断裂带中段基岩山区的室内外调查和研究, 结合光释光和14C定年, 初步查明该段断裂具有复杂的空间展布格局, 由多条左旋走滑性质的分支断裂构成, 它们共同吸收了断裂带在鹤庆盆地南端与洱源盆地北端之间的走滑分量; 运动性质以左旋走滑为主,局部地段兼具正断或逆冲性质; 剖面地层断错和覆盖关系表明该段断裂在晚更新世活动强烈, 现有证据表明最新活动时代约为距今2万年。结合区域构造环境, 作者认为鹤庆–洱源断裂带中段晚更新世以来的活动是对青藏高原强烈隆升的响应, 其左旋走滑符合滇中次级块体顺时针转动模型, 是块体旋转在角端的局部应变响应。

关键词:鹤庆–洱源断裂; 晚更新世; 左旋走滑; 青藏高原隆升; 块体旋转

项目资助: 鹤庆-洱源断裂1∶5万地质填图项目(201108001-20)、国家自然科学基金项目(41203044)和中央级公益性科研院所基本科研业务专项(ZDJ2012-02)联合资助。

0　引 言

鹤庆–洱源断裂带居于滇西北活动断裂系的中心部位, 是该活动断裂系的重要组成部分(Wang et al., 1998)(图1a), 对其性质、特征和运动历史的认识不仅可以为认识和理解区域构造运动提供直接证据, 还能为研究青藏高原东南缘构造变形历史、方式和机制提供重要资料。另一方面, 断裂带一线及其附近区域地震活动频繁, 对其空间展布特征、断裂发震历史和最新活动时代的认识和理解, 对区域震害防御工作具有决定性影响。前人对鹤庆–洱源断裂带做过部分调查和研究, 并获得若干新资料、新认识, 但工作重点主要集中在断裂带北段的丽江盆地、鹤庆盆地以及南段的洱源盆地周缘地区(王晋南, 1990; 韩竹军等, 1991; 林爱文, 1997)。而在断裂带中段连接鹤庆盆地和洱源盆地的基岩山区, 由于地形起伏大, 第四纪地层分布面积较小; 在沉积类型上多为山间局部堆积, 横向变化快,可对比性差; 出露情况也较差, 整体上研究难度较大。因而对该段活动构造的调查和研究程度较低, 对断裂空间展布特征、性质和最新活动时代依然缺乏深入细致的了解。本文选取断裂带中段几个典型的活动构造剖面, 基于最新的野外调查和室内测试工作, 结合遥感解译, 旨在查明断裂分布及其活动特征, 并运用光释光和14C测年技术限定其最新活动时代。

1　地质背景

图1　川滇菱形块体与滇西北活动断裂系大地构造位置示意图(a)和研究区活动构造与地震分布图(b)Fig.1 Maps of (a) tectonic setting of the Sichuan-Yunnan rhombic block and the Northwest Yunnan active fault system, and (b) active faults and seismicity of the Northwest Yunnan

滇西北地区经历了复杂的构造演化(杨尖絮等, 2013)。上新世末–早更新世初伴随着青藏高原加速隆升, 区域夷平面解体, 局部地段发生断陷, 鹤庆、洱源等断陷盆地开始形成和演化, 在盆地底部发育一套底砾岩(沈吉等, 2008; Shen et al., 2010)。早更新世与中更新世之间区域发生了一次重要的构造事件,滇西北乃至滇西地区的下更新统与中更新统之间普遍发育角度不整合或假整合, 如鹤庆盆地的下更新统蛇山组与中更新统之间, 剑川盆地的东山组与江尾组之间, 以及维西盆地、保山盆地等都可见到这次构造运动的表现(韩竹军等, 2004)。晚更新世早期青藏高原的又一次强烈隆升(Shen et al., 2010), 使区域再度强烈断陷, 在鹤庆、洱源等盆地沉积了广泛的晚更新世-全新世的河湖相、冲洪积相碎屑沉积(王晋南, 1990; 韩竹军等, 1991)。

滇西活动构造系包括多个活动构造带, 主要以北东或近南北走向为主, 如龙蟠–乔后断裂带、丽江–小金河断裂带、鹤庆–洱源断裂带和程海断裂带等(图1b), 它们均以左旋走滑为主要运动方式, 部分文献中称之为大理断裂系(Wang et al., 1998)。区域断裂新构造活动十分强烈, 历史上曾发生3次7级以上地震(1515年程海地震Ms7.8级, 1925年的大理Ms7.0级地震, 1996年丽江Ms7.0级地震, 图1b)。近期中小地震发震频繁, 仅2013年即发生洱源盆地Ms5.5级, 洱源、漾濞交界处Ms5.0级地震; 香格里拉、德钦和得荣三县交界处Ms5.1级和Ms5.9级地震, 引起了人们对该区域的进一步关注。

鹤庆–洱源断裂带位于川滇菱形块体西南缘,滇中次级地块西北隅的大理和丽江境内(徐锡伟等, 2003)。北西向金沙江–红河断裂带和北东向丽江–小金河断裂带在该地区交汇, 形成一个复杂的动力学环境(韩竹军等, 2004)。该区地貌起伏很大(图1b),断裂东南一侧的马鞍山、马耳山海拔近4000 m。沿断裂带发育一系列第四纪断陷盆地和左旋走滑断裂,新构造运动显示出强烈的差异升降特征(韩竹军等, 1991)。

2　测年方法及结果

OSL测年: 野外结合剖面断错情况和沉积结构选择粒度偏细、分选较好的地层作为采集OSL测年样品的目标层。样管采用长约20 cm, 直径约5 cm的不锈钢钢管。首先将剖面表层人工清除以保证样品不受光晒退的影响; 然后将样管一端避光后沿目标地层走向锤击使其在避光条件下进入地层; 持续锤击至样管被沉积物填充后, 再对样管两端进行避光密封处理。光释光样品的前处理和测试均在中国地震局地壳动力学重点实验室光释光年代学室完成。采用4～11 μm细颗粒石英矿物组分进行测年。光释光信号测量和β辐照均在Daybreak 2200自动化测量系统上完成, 等效剂量(De)的测定采用简单多片再生法(SMAR)。环境剂量(D)测定时, 钾的含量通过火焰光度计测量, 铀、钍元素及其衰变子体对样品环境剂量的贡献用经标定的Daybreak 583型低本底厚源α计数仪测定, 由于样品在采集或运输中丢失水分, 导致实测含水量较低, 不代表埋藏时期的实际含水量, 因而在计算时平均含水量采用了10%～15%, 同时也考虑了宇宙射线的影响。样品前处理、等效剂量、环境剂量的测量方法详见赵俊香和于慎谔(2012)。样品测试结果见表1。

表1　鹤庆-洱源断裂带中段典型断错剖面光释光测年结果Table 1 OSL dating of three typical profiles along the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone, Northwest Yunnan

14C测年: 在清理干净的新鲜剖面上根据地层断盖关系确定需要测年的层位, 肉眼判断有机质含量较高的层为目标层, 顺层采集土样约1000 g。样品测试由美国Beta实验室加速器质谱(AMS)完成。树轮校正程序为OxCal 4.1(Reimer et al., 2009)。样品测试结果见表2。

表2　瓜拉坡剖面14C样品测年结果Table 214C dating results of the Gulapo profile on the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone, Northwest Yunnan

3　鹤庆–洱源断裂带中段典型剖面特征

鹤庆–洱源断裂带中段穿过基岩山区, 大致呈北东走向, 东北端延至鹤庆盆地南缘, 西南端与洱源盆地北部的太平盆地相接, 平面上形成一弧形构造(王晋南, 1990)(图1b)。本文以断裂中段基岩山区部分为主要研究对象, 选取4个典型的活动构造剖面, 从北东至南西依次为北长剖面、瓜拉坡剖面、福和剖面和板桥剖面(图2), 以点面结合的方式对断裂带该段的活动特征及最新活动时代进行探讨。

3.1北长剖面

遥感解译和地质调查表明, 北长村–发枝村一带断层谷和断层崖发育, 冲沟明显左旋位错, 位错幅度约500 m。北长村平面上表现为一个菱形的山间盆地, 现已被河流从北向南贯通。盆内第四纪沉积物丰富, 但以冲洪积为主。在构造破坏和现代水系切割下盆地面破坏严重, 形成纵横交错的沟壑,仅局部形成小规模的台地。断层剖面发现于盆内切割出露的冲洪积物内。与遥感影像上解译的清晰的线性构造一致, 由此判定为次级断裂通过处(图3a)。该剖面揭露有4层不同的堆积物(图3b-c), 其中层④被断层围限成多个独立单元, 层④a为冲洪积层顶部夹杂的含砾细砂层。剖面中共揭露3条断层, F1切穿地层③形成约1 m左右的垂直断距, 之后形成了覆盖其上的充填楔②; F2切穿冲洪积层④, 在上部出现断裂分叉, 并切穿充填楔②, 在F2中可见清晰的水平擦痕(图3b); F3断层被F2所切割。

图2　鹤庆-洱源断裂带中段活动断层分布和地质简图Fig.2 Simplified geological map of the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone showing the distribution of active faults, Northwest Yunnan

冲洪积层顶部④a层中获得OSL年龄100.7± 10 ka(BC-1); 紫色粉砂质黏土③年龄为101.6±11 ka(BC-2);在充填楔②中获得OSL年龄为99.4±11 ka(BC-3)。三套地层的光释光年龄在误差范围内接近, 表明它们沉积的时代相近。断层及其与填充楔之间的关系表明, 在填充楔形成之前和之后各有1期构造活动, 前者形成填充楔发育所依托的微地形,时间大致为100 ka B.P.; 后者断错填充楔内的填充物, 时间为100 ka B.P.。由于对上覆坡积物盖层①缺乏有效定年手段, 不能定量限定F2、F3的活动上限。但从其成分和胶结程度推测上覆盖层应为晚更新世堆积。北长剖面断错地层的切割和覆盖关系表明构造活动发生在晚更新世早期。结合遥感影像和断层擦痕运动方向, 初步认为北长剖面揭露的构造活动应以左旋走滑为主, 活动时代为晚更新世。

3.2 瓜拉坡剖面

瓜拉坡剖面位于小菁河桥西侧的断层谷中, 剖面东侧为三叠系灰岩与二叠系火山岩交界处, 也即主断裂通过处(图2、图4), 剖面位于主断裂西侧2 m的洪积、坡积物内。该剖面揭露有4层不同的堆积物(图4b)。剖面中揭露1条逆断层, 断层切穿坡积层②, 含炭泥层③被逆冲错断约20 cm。含炭泥层14C年龄(HQ1320)转换后为19880±280日历年。据此认为瓜拉坡剖面揭露了至少1期构造活动, 剖面表现为逆冲特征, 活动时间大致晚于20 ka B.P.。

3.3福和剖面

遥感解译和地质调查表明, 福和村–瓜拉坡村一带断层谷和线性地貌发育(图2), 可见明显线性构造穿过洪积台地面及山脊, 洪积台地及其中发育的冲沟明显左旋位错, 冲沟位错幅度约80 m(图5a)。福和剖面位于瓜拉坡剖面南约1 km, 冲沟左旋位错拐弯处。该剖面揭露有2套不同的地层(图5b～c)。剖面中揭露1条断层, 断层为一条宽约2 m的变形带, 在变形带内发育大量北北东走向近垂直的节理, 变形带西侧为一宽约10 cm的破碎带, 破碎带内砾石定向排列。该断裂应为一张性断裂, 根据地层相对位置及地貌左旋特征, 推测该断层应为一走滑断层。

洪积层顶部②b层位OSL年龄为122.6±15 ka(FH-1);断裂剪切带①b测得OSL年龄为86.5±9 ka(FH-2)。地层①a和①b的颜色、组成物质相近, 表明它们的沉积时代应该相近, 地层①a应该是断层形成后, 经过侵蚀后再沉积的。以上分析表明, 福和剖面至少揭露了1期构造活动, 以走滑为主, 活动时间晚于但接近86.5 ka B.P.。

3.4板桥剖面

图3　北长剖面位置及剖面特征Fig.3 Geomorphic setting and geological features of the Beichang profile on the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone, Northwest Yunnan

图4　瓜拉坡剖面特征Fig.4 Geomorphic setting and geological features of the Gualapo profile on the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone, Northwest Yunnan

遥感解译和地质调查表明, 板桥村一带断层谷发育, 谷地地形紧闭, 线性地貌特征明显, 一系列冲沟发生左旋位错, 位错幅度大小不等(图6a)。地貌部位上, 板桥村位于福田大沟内一个支沟型冲积扇上。从区域地貌特征看, 扇体物质主要来自于东南侧的一条左岸支沟, 汇合处与东南侧海拔近4000 m的马鞍山之间存在巨大的地形落差。后者存在典型的第四纪冰川遗迹。区域地貌配置和组合条件一方面限制了板桥冲积扇的规模, 另一方面导致扇面坡度大, 切割严重, 冲洪积物在现代河流的两岸均有分布。鹤庆-洱源断裂带主断裂从扇体西北部通过。板桥剖面位于断层谷中残留的洪积物内(图6b)。该剖面揭露地层大致可分为4层(图6c)。出露断层较多, 仅剖面北部一段就出露7条断层(图6c)。F1切穿剖面底部洪积砂砾石层④; F2、F3、F4发育在洪积砂砾石层④与粉砂质黏土层③之间; F5为逆冲断层,致使洪积砾石层④压盖在含砾粉砂层之上, 垂直断距约50 cm; F6为正断层, 致使顶部洪积层①向下错动; F7切穿地表, 同时切割断层F4和F6。根据剖面地层的断错和覆盖关系, 断层活动至少包括3期, 第1期包括F1、F2和F3, 发生在层②堆积以前; 第2 期F4和F5发生在层①堆积之前; 第3期包括F6和F7, 发生在层①堆积之后。考虑到剖面内部地层的复杂性以及横向对比中的不确定性, 以及剖面中断层的相互交切等复杂结构, 实际期次可能更多。

图5　福和剖面位置及剖面特征Fig.5 Geomorphic setting and geological features of the Fuhe profile on the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone, Northwest Yunnan

根据OSL测年结果, 洪积砂砾层①顶部年龄为58.4±6 ka(EY-1217), 含砾粉砂层②中粒度较细的砂层年龄为52.8±4 ka(EY-1213); 两层的年龄在同一误差范围内, 推测两层皆为晚更新世中期沉积, 大致在55.6 ka。粉砂质黏土层③OSL年龄为98.5±8 ka(EY-1215)。洪积砂砾层④OSL年龄为150.5±12 ka(EY-1216)。根据前述断层断错和覆盖关系, 板桥剖面第1期构造活动发生在晚更新世早中期(98.5～52.8 ka B.P.); 第2期发生在晚更新世中期, 时间大致在55.6 ka前后; 第3期发生在晚更新世中期以后。结合地貌和断层特点分析, 板桥剖面揭露的构造活动应以左旋走滑为主, 活动时间贯穿晚更新世。

从板桥剖面发现的另一个重要现象是液化砂脉非常普遍, 在不同时期的地层内均有出现。我们对发育在洪积砂砾石层④内和层①内砂脉的OSL测年结果进行了对比。层④中砂脉OSL年龄为114.9± 10 ka(EY-1214), 与被穿插地层年龄(150.5±12 ka)相比, 明显年轻; 这个年龄数据有可能代表了层④堆积后发生在晚更新世早期的一次液化事件, 也即意味着砂脉物质全部来源于地表充分曝光晒退的沉积物。但层①内砂脉的OSL年龄为87.2±7 ka(EY-1218),明显比被穿插地层年龄(58.4±6 ka)要老, 这表明砂脉内物质至少部分来源于更老的地层, 砂脉物质的埋藏年代不能代表砂脉形成时间。上述事实表明,就板桥剖面而言, 至少液化砂脉内物质的埋藏年龄与液化时间(或构造事件)发生的时间并没有必然的联系。利用砂脉物质埋藏时间确定液化或构造事件的时间必须谨慎。

4　讨 论

第四纪以来, 鹤庆-洱源断裂带在控制鹤庆、洱源等盆地的演化过程中发挥了重要作用(王晋南, 1990; 谭筱虹, 1999), 从断裂尾端拉张作用产生的鹤庆、洱源盆地的形态估算(图1b), 断裂左旋走滑位错幅度至少为2 km(Fan et al., 2006)。然而断裂带中段地貌上线性特征并不明显, 只有局部地段断层谷发育, 为数不多的冲沟发生左旋位错(图2)。这种构造地貌特征与断裂尾端盆地表现出的位错量之间的极不匹配, 除了部分继承于早期盆地的几何轮廓外,可能还与鹤庆-洱源断裂带中段的活动特征和方式有关。如前所述, 该段断裂活动构造剖面的空间分布和地貌特征表明(图2), 鹤庆–洱源断裂带中段是由多条分支断裂组成的, 每条断裂都表现为左旋走滑性质, 很有可能的情况是, 正是这种分布式的断裂空间展布吸收了断裂尾端盆地形成所需要的拉分量, 从而弱化了每条走滑断裂的线性地貌特征。

图6　板桥剖面位置及剖面特征Fig.6 Geomorphic setting and geological features of the Banqiao profile on the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone, Northwest Yunnan

地貌特征与剖面揭露的断裂特点表明, 鹤庆–洱源断裂带中段是以左旋走滑为主的断层, 但在不同区段表现出不同的性质, 如北长剖面中揭露的断层表现出一定的张性正断, 瓜拉坡剖面中的断层则具有逆冲性质, 福和剖面中的断层以走滑为主, 而板桥剖面中的断层则兼具走滑、逆冲和正断的性质,表明鹤庆–洱源断裂带中段断裂活动具有极为复杂的性质和特点。然而这并不与走滑断裂这一主要性质相矛盾, 因为走滑断裂随断层产状的不同在不同区段或分支断裂会表现出不同的力学性质(Sylvester, 1988; 程丰等, 2012), 同时也反映出研究区受力状态的复杂性(徐锡伟等, 2003)。在青藏高原周缘兼具多种性质的走滑断裂并不罕见, 如丽江–小金河断裂带(向宏发等, 2002)、红河断裂带(朱俊江等, 2004)、阿尔金断裂带(李海兵, 2002)等。

由图7可以看出鹤庆–洱源断裂带中段构造活动的时间主要从距今约12万年以来的晚更新世早期开始, 一直延续到晚更新世晚期以后, 最新活动时代晚于距今2万年, 在晚更新世早期(距今10～5万年)构造活动最为密集。李吉均(1999)的研究指出, 距今15万年左右开始的共和运动使喜马拉雅山隆升到6000 m左右的高度, 成为西南季风北进的屏障。西南季风向北扩张由爬越转变为以分支绕流为主, 其东支气流顺着山谷走向更强烈地影响滇西地区(Shen et al., 2010)。这一隆升事件及其环境影响也被鹤庆深钻岩芯中距今约13万年的沉积物所揭示(沈吉等, 2008)。同时, 有研究表明滇西地区自晚更新世以来隆升速率较之前急剧加快(李峰和薛传东, 1999)。这些研究表明, 随着印度大陆不断向北推挤, 青藏高原在晚更新世早期存在一期快速隆升事件。鹤庆-洱源断裂带中段晚更新世早期开始的构造活动正是对青藏高原隆升的响应, 而研究区大量晚更新世以来的冲洪积堆积则是对西南季风效应在研究区增强的响应。

图7　鹤庆-洱源断裂带中段构造活动时空分布Fig.7 Spatial and temporal distribution of the tectonic activities on the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone

滇中次级块体顺时针转动模型能比较好地解释鹤庆-洱源断裂及大理断裂系其它断裂的左旋走滑特征(徐锡伟等, 2003; 徐锡伟和于贵华, 2003)。围限该块体的边界断裂的运动性质清晰地勾画了该块体顺时针转动的运动学特征(图8a)。从北界丽江–小金河断裂带、东界安宁河断裂带、则木河断裂带到小江断裂带都表现出近乎连续的左旋走滑运动, 而西界红河断裂带作右旋走滑运动, 表明滇中次级块体存在向南东方向的平移, 而与红河断裂带相比, 小江断裂带上约6.5 mm/a的剩余左旋滑动速率则是滇中次级块体发生顺时针旋转的运动分量。包括鹤庆–洱源断裂带在内的大理断裂系的左旋走滑运动是滇中次级块体发生顺时针转动在块体角端的局部应变响应(图8b)。块体旋转的动力主要来自于青藏高原物质向东挤出受阻于坚硬的华南地块后发生向南东方向的偏转。

图8　滇中次级块体边界断裂分布(a)与块体转动模型(b) (修改自徐锡伟等, 2003)Fig.8 Distribution of the active faults (a), and the block rotation model (b) of the Central Yunnan sub-block

5　结 论

通过对鹤庆–洱源断裂带中段地层中活动断裂的调查研究, 结合光释光和14C定年, 获得以下初步认识: (1)断裂带由多条左旋走滑性质的分支断裂组成, 多条断裂的存在吸收了断裂尾端盆地形成所需要的拉分量, 从而弱化了断裂的线性地貌特征; (2)断裂带活动以左旋走滑为主, 由于断层产状和区域应力状态的复杂性, 断裂在不同区段兼具正断和逆冲的性质; (3)断裂带活动的时间贯穿整个晚更新世,最新活动时间晚于距今2万年; (4)断裂自晚更新世以来的活动是对青藏高原隆升的响应, 断裂左旋走滑符合滇中次级块体顺时针转动模型, 是块体旋转在角端的局部应变响应。

致谢: 论文评审老师对本文提出了深入细致的修改意见, 作者谨致深切谢意。

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Strike-slip Activities since the Late Pleistocene at the Middle Segment of the Heqing-Eryuan Fault Zone, Northwest Yunnan

SHEN Xiaoming, LI Dewen*, SUN Changbin, KANG Yanrui, LIU Rui and ZHANG Yajiao
(CEA Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China)

Abstract:The Heqing-Eryuan fault zone is an important part of the active fault system in the Northwest Yunnan. The study of the nature, characteristics and active history of this fault can provide not only the basic information for seismic safety and engineering evaluation, but also important information for understanding of the characteristics, history and patterns of the structural deformation of the southeastern margin of the Tibetan Plateau. Based on geological investigation in the middle segment (bedrock mountain area) of the Heqing-Eryuan fault zone and combined OSL and14C dating, we preliminary suggest that the middle segment of the Heqing-Eryuan fault zone consists of several branches of sinistral strike-slip fault which collectively accommodate the pull-apart distance during basin formation at the end of the faults. This fault segment exhibits mainly sinistral strike-slip properties, and locally displays normal or reverse fault features. The geological evidence and dating results indicate that the activities of this fault segment were intensive in the Late Pleistocene and the latest activity age was later than 20, 000 a B.P.. Combined with regional tectonic settings, we suggest that the activities of the Heqing-Eryuan fault since the Late Pleistocene were the responses to the strong uplift of the Tibetan Plateau, whereas the sinistral strike-slip was resulted from the clockwise rotation of the Central Yunnan sub-block in response to the deformation at the corner of the block.

Keywords:Heqing-Eryuan fault; Late Pleistocene; sinistral strike-slip; uplift of the Tibetan Plateau; block rotation

中图分类号:P542

文献标志码:A

文章编号:1001-1552(2016)01-0029-009

收稿日期:2014-04-28; 改回日期: 2015-01-19

第一作者简介:沈晓明(1983–), 男, 副研究员, 从事构造地球化学研究。Email: xiaoming_shen@163.com

通信作者:李德文(1970–), 男, 研究员, 从事地貌与第四纪地质研究。Email: lidewen@263.net