云南中甸-大具斷裂上新發(fā)現(xiàn)的地震地表破裂帶1?

2019-07-28 18:21:54李光濤尹功明余建強

震災防御技術 2019年4期

程理蘇剛李光濤尹功明吳昊余建強

1）中國地震災害防御中心，北京 100029

2）中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

3）云南建投第一勘察設計有限公司，昆明 650031

引言

滇西北香格里拉—麗江—大理地區(qū)位于青藏高原東南緣，紅河斷裂帶的西北端（Allen 等，1984；虢順民等，1996），是我國青藏高原與云貴高原分界區(qū)，靠近東喜馬拉雅構造節(jié)，區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列大型走滑斷裂（Allen 等，1991；Tapponnier 等，1986；Wang 等，1997；1998）。區(qū)內(nèi)現(xiàn)今強震頻發(fā)，地震地質災害問題突出（國家地震局地質研究所云南省地震局編，1990），其中 1515 年永勝 M7?級地震為區(qū)內(nèi)歷史記錄的最強地震事件（國家地震局震害防御司，1995）。但是，本區(qū)地形以山高峽深為主要特征，如虎跳峽，盆地小而少，第四紀地層相對不發(fā)育。由于隆升快，因此剝蝕速率大。雖然地震眾多，但是，地震遺跡保留少，很少見到有關地震地表破裂（冉勇康等，1990）。近年來我們在進行中甸-大具斷裂1:50000 活動斷裂地質填圖時，在大具盆地T3階地上發(fā)現(xiàn)一條長約600m 的典型地震地表破裂帶。地震地表破裂帶是發(fā)震斷層在地震時留在地表的最直接證據(jù)，是了解和研究發(fā)震斷層運動方式、強度等的最好材料。本文將詳細介紹大具盆地新發(fā)現(xiàn)地表破裂的基本特征，分析討論有關形成時代、發(fā)震斷層歸屬等，供同行參考。

1 大具地震地表破裂帶位置

云南大具盆地位于云南省麗江市玉龍納西族自治縣北部大具鄉(xiāng)與迪慶藏族自治州香格里拉縣三壩民族鄉(xiāng)江邊村之間，是長江上游金沙江中游的一個長寬各約為6km 的不規(guī)則小型盆地。金沙江從西面玉龍雪山下虎跳峽出口流入大具盆地，然后呈弧形轉而從盆地北面流出。盆地上游緊接聞名世界的虎跳峽。大具盆地的主體面為金沙江的第三級階地面，而第一、二級低階地只發(fā)育在金沙江主河道兩側的局部地點，保留不全。

我們新發(fā)現(xiàn)的地表破裂帶位于大具盆地的西南側，近下虎跳峽出口處，金沙江的左岸T3階地面上，如圖1 所示。此階地面非常平坦。由于大具盆地處于干熱河谷環(huán)境中，周邊山地地層以灰?guī)r為主，因此，各級地貌面頂部都形成一套鈣化的砂礫石層，與地貌面時代無關，厚度0.5—1.0m，質地堅硬，此階地面時代為距今33.8～29.3ka（Kong 等，2009）。

2 地震地表破裂特征

新發(fā)現(xiàn)的地震地表破裂帶位于大壩子村西北300m 處（見圖2），總體走向340°，長約600m。利用旋翼無人機對地震地表破裂帶進行了測繪，獲得高精度的正射影像（見圖3a）和DEM（見圖3b），結合野外實際觀察認為該破裂帶由4 條地表破裂組成，它們呈左階羽列狀分布（見圖3c），寬120m 左右，每條破裂均較為連續(xù)，在擠壓巖橋區(qū)發(fā)育多個北西向的擠壓壟脊和斷層陡坎，破裂帶規(guī)模總體由南東向北西逐漸變小，至階地前緣附近尖滅。在破裂帶東側還發(fā)育一級更老的陡坎，高約3m，長約230m，與新生地震地表破裂帶亦呈左階羽列關系。緊鄰地表破裂帶南東側見一條廢棄的古沖溝，位于T3階地后緣與沖洪積扇的邊界處，其左岸形似彎曲的殘脊，被右旋斷錯約12m（見圖3c），形成斷層眉脊，垂直位錯約3m，此斷錯地貌可能是斷層多次活動的結果，而非地震地表破裂帶的同震位移的表示。

該破裂帶地表破裂樣式主要由左階雁列狀的張裂縫、擠壓鼓包、凹陷坑、擠壓壟脊和斷層陡坎等構成，基本特征及探槽揭露信息如下：

（1）張裂縫及凹陷坑

張裂縫是該地震地表破裂帶中較為發(fā)育的破裂樣式，主要是張剪或壓剪作用的結果，與擠壓鼓包相間排列，走向15°—40°，長2—10m，一般呈張開狀（見圖4a、4b、4c、4d、4f），寬0.1—0.7m，局部伴有北西盤數(shù)厘米至數(shù)十厘米正斷層狀下降現(xiàn)象（見圖4c）。張裂縫在地表破裂帶中呈左階雁列狀分布，與破裂帶走向之間的夾角在35°—60°。地表破裂呈左階羽列狀，在破裂帶端部或走向發(fā)生變化的位置也可見到由張裂作用形成的凹陷坑（見圖4e），直徑約2m，深1m，呈不規(guī)則橢圓形。

（2）擠壓鼓包、擠壓壟脊及斷層陡坎

圖1 云南大具盆地及其鄰區(qū)主要活動斷裂與強震震中分布圖（部分內(nèi)容據(jù)徐錫偉等，2003） Fig.1 Major active faults and epicentral distribution of strong earthquakas in Daju basin and its adjacent areas（Part of the content auovding to Xu Xiwei et al, 2003）

圖2 地震地表破裂帶及探槽位置 Fig.2 The location of the earthquake surface rupture and the trench

擠壓鼓包是走滑型地震地表破裂帶上典型且常見的地震破裂樣式之一，是新發(fā)現(xiàn)的地震地表破裂帶中最為發(fā)育的破裂單元，主要是剪切、張剪或壓剪作用的結果。由于破裂帶發(fā)育在大具盆地的一套“鈣板層”內(nèi)，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)沿破裂帶的“鈣板層”在受到走滑錯動形成的局部擠壓應力作用下與下部沉積層脫離，形成形態(tài)各異的對稱鼓包和不對稱鼓包，導致“鈣板層”擠壓翹起（見圖5a、5b、5g）。根據(jù)鼓包形態(tài)特征，對稱鼓包主要為尖頂帳篷狀鼓包（見圖5c），在整個破裂帶中隆起最高，高度約1.5m，鼓包翼面傾斜45°，對稱軸走向295°左右，與破裂帶走向之間的夾角約45°，該形態(tài)鼓包僅見一處發(fā)育。不對稱鼓包可分為對沖鼓包和單斜鼓包，其中，對沖鼓包是指兩翼傾角不一、翼面不規(guī)則的鼓包（見圖5a），多連續(xù)發(fā)育，翼面傾斜角度≤40°，總體走向300—310°，與破裂帶走向之間的夾角為30—40°，鼓包高度小于1m；單斜鼓包主要表現(xiàn)為“鈣板層”擠壓翹起，僅有單個翼面（見圖5d、5e），多呈獨立個體相間發(fā)育，翼面傾斜角度≤30°，總體走向300°—310°，鼓包高度0.2—0.8m。由于地震地表破裂帶呈左階羽列狀分布，在階區(qū)內(nèi)可見擠壓壟脊（見圖3c、圖5f）和斷層陡坎發(fā)育。其中，在階區(qū)南側見2 條擠壓壟脊，高約0.4m，寬約4m，走向分別為280°和320°；在階區(qū)北側見兩條斷層陡坎，近平行，較連續(xù)，高0.3—0.5m，走向325°，屬擠壓性質陡坎。此外，沿單條地表破裂局部見斷層陡坎發(fā)育（見圖3c、圖5e），長40—60m，高0.2—0.8m。

該地表破裂帶由擠壓鼓包、張裂縫、擠壓壟脊、凹陷坑等破裂單元組合而成，以各種擠壓鼓包組合、張剪或壓剪破裂為主，這些組合關系及形態(tài)（見圖6）可判斷沿破裂主線兩側地塊發(fā)生過明顯的右旋走滑運動，也可以排除這些地表破裂不是可能的滑坡造成的。

（3）探槽揭露

為進一步驗證和研究新發(fā)現(xiàn)的地震地表破裂帶，在地表破裂帶的最高端開挖了一個探槽（見圖2）。有關探槽揭示的詳細信息將另文介紹。在探槽中，斷層有過多次活動，最近一次活動切穿了所有地層，到達地表，與我們地表破裂一致，即破裂面之上沒有新的堆積物，運動性質以右旋水平走滑為主，兼有少量的垂直分量（尹功明等，2018）。

圖3 地震地表破裂帶空間展布圖 Fig.3 The spatial distribution of earthquake surface rupture.

圖4 典型張裂縫、凹陷坑實例照片 Fig.4 The photo typical tension fracture, depression pit

圖5 典型擠壓鼓包、擠壓壟脊實例照片 Fig.5 The photo of typical mole track, ridge

圖6 典型地表破裂類型與斷層運動的關系 Fig.6 The relation between typical surface rupture type and fault movement.

3 分析與討論

3.1 地表破裂時代分析

由于地表破裂和探槽的最新活動都切穿了所有地層，到達地表；地表破裂又發(fā)生在大具盆地約33.8～29.3ka 的T3階地上。因此，其時代很難限定。但是，我們可以作以下分析：1、大具盆地位于玉龍雪山—哈巴雪山東側、下虎跳峽出口處，為典型的干熱河谷區(qū)。獨特的地形地貌和氣候使大具盆地內(nèi)，常有大風天氣，因此，易揚沙塵等。如前面介紹，新發(fā)現(xiàn)的地表破裂有張裂縫、凹陷坑、鼓包空隙等，而目前這些空隙中基本未見新的沉積物，局部見雜草和落葉，地表破裂的形態(tài)、鼓包內(nèi)夾雜的原生階地物質基本沒有造受破壞或人為改造（見圖4、圖5）。由于是干熱地區(qū)，周邊玉龍雪山—哈巴雪山的主體巖性為灰?guī)r，在地表容易形成鈣板和固結。但是，目前，新發(fā)表的地表破裂面上新鮮，沒有固結。因此，從破裂帶的外形和相關堆積物分析，這個破裂帶形成時間應該非常年輕。推測地表破裂可能為距今1000a以來的一次破裂事件。

3.2 地表破裂的歸屬

地表破裂應歸于某一次地震事件的產(chǎn)物，而地震事件可能是近代地震，可能是歷史地震，也可能是古地震。自有地震記錄以來，大具盆地附近共發(fā)生3 次6 級以上地震，分別為：1933年中甸附近61/4級地震、1966 年中甸告灣6.4 級地震和1996 年麗江7.0 級地震（見圖1），其中中甸附近61/4級地震和中甸告灣6.4 級地震震中位于大具盆地西北方向，地震造成的破壞向南東方向應該減弱，但大具盆地發(fā)現(xiàn)的地表破裂程度是南東強，向北西方向減弱，加之6.5級以下地震一般不會產(chǎn)生地表破裂，所以地表破裂應該不是這兩次地震造成。

通過對麗江7.0 級地震震源破裂特征（王紹晉等，1997）和震源過程體波反演（徐揚等，1998）的研究，認為該地震主震存在兩次破裂過程（見圖7），第一次破裂由起始破裂點（微觀震中）沿大具斷裂，從東南向北西方向破裂，終止于1966 年中甸告灣6.4 級地震的震源區(qū)，形成該段斷裂的貫通；第二次破裂由起始破裂點沿玉龍雪山東麓斷裂由北向南破裂，終止于該斷裂與麗江—小金河斷裂的交接部位，這是麗江地震的主破裂面。從麗江地震的震源破裂過程看，新發(fā)現(xiàn)的地震地表破裂帶表現(xiàn)出的南東強、北西弱的特征與第一次破裂的過程和方向較一致，似乎可以將地表破裂歸屬為麗江7.0 級地震，但仍存在三個顯著的問題：①結合震源機制解、地質構造、等震線圖、余震分布等資料，在近南北向壓應力場作用下（蘇生瑞等，2004），麗江地震發(fā)震斷層性質為正傾滑為主，兼具左旋剪切錯動（王紹晉等，1997；韓竹軍等，2004），這與地表破裂表現(xiàn)出右旋走滑為主的特征相矛盾；②麗江地震地表破裂現(xiàn)象（見圖7）主要有地震裂縫呈右階左旋排列，田坎和公路等發(fā)生左旋和垂直位錯，最大水平和垂直錯距分別為30cm 和25cm，雁列裂縫階區(qū)內(nèi)發(fā)育地震鼓包，崩塌與滑坡，地表沉陷和跳石等（張建國等，1997；周光全等，1997；皇甫崗，1997），而新發(fā)現(xiàn)的地表破裂由左階雁列狀的張裂縫、擠壓鼓包、凹陷坑、擠壓壟脊和斷層陡坎等構成，最大垂直位錯為0.8m，顯示右旋走滑特征，兩者在破裂類型上有較大差異，且造成的位移規(guī)模也有較大差距；③如果地表破裂是麗江地震時形成的，那么麗江地震烈度圖（見圖7）（韓新民等，1997）中極震區(qū)范圍的形態(tài)應從大具盆地向北西方向凸起，而不是在大具盆地附近呈較規(guī)則的弧形。綜上所述，將新發(fā)現(xiàn)的地表破裂歸屬于麗江地震的證據(jù)還不充分，因此，該地表破裂可能不是麗江地震而是一次獨立地震造成的，其時間可能發(fā)生在距今1000a 以來。

圖7 麗江地震地表破裂、烈度及破裂方向簡圖（據(jù)王紹晉等，1997；周光全等，1997；韓新民等，1997） Fig.7 Simplified map of surface rupture, intensity andrupture direction of Lijiang earthquake（according to Wang Shaojin et al，1997；Zhou Guangquan et al，1997；Han Xinmin et al，1997）

3.3 震級討論

地表破裂和大具斷裂的性質是右旋走滑為主，兼有正斷性質，局部表現(xiàn)為逆沖特征，震級估計應以水平位錯量為準，由于目前發(fā)現(xiàn)的地表破裂中很難判定水平同震位移，故無法采用相關公式推算震級。但是，我們可以簡單分析：①小于6.5 級地震，在地表很難產(chǎn)生地表破裂，我們本次發(fā)現(xiàn)的地表破破裂長約600 米。因此，地震至少大于6.5 級地震。②我們測量獲得的由于右旋走滑而產(chǎn)生的隆起鼓包最高達1.5 米。新發(fā)現(xiàn)的破裂組合特征，完全類似于2001 年昆侖山口8.1 級左旋走滑大地震形成的地表破裂，只是規(guī)模有所差異，拉分和鼓包剛好相反。昆侖山口形成的最大隆起鼓包為2m（徐錫偉等，2002；吳中海等，2004）。因此，也可以推測本破裂的地震應該小于8.1 級，很可能為7 級以上的地震。③本次新發(fā)現(xiàn)的地表破裂帶中，也有少量的地震陡坎，顯示的最大垂直同震位移為0.8m，向北西方向逐漸減小，根據(jù)前人（國家地震局地質研究所等，1990）總結的滇西北地區(qū)地震位移量與震級的經(jīng)驗關系M=5.1172+0.95931lgD（M為震級，D為一次地震的位錯量），可近似求得產(chǎn)生該地表破裂的地震震級為7.0 級左右。當然，新發(fā)現(xiàn)的地表破裂中主要的運動特征是右旋走滑，因此，根據(jù)垂直位移估算的震級，應該小于實際震級。根據(jù)上述分析，產(chǎn)生本次新發(fā)現(xiàn)地表破裂的地震至少達7 級。

3.4 發(fā)震斷層分析

如圖2 所示，本次新發(fā)現(xiàn)的地表破裂帶位于下虎跳峽出口處。而這個部位恰好為玉龍雪山東麓斷層和中甸-大具斷裂的交匯處。

玉龍雪山東麓斷層北起自大具盆地，向南經(jīng)玉湖、白沙西，最終與麗江-小金河斷裂交匯，全長約52km，總體走向近南北。對該斷層的研究目前有一些不同認識：該斷層最初是在麗江幅1:20 萬地質圖及區(qū)域地質調(diào)報告中提出的，認為該斷層北起大具盆地，向南沿大溝村，經(jīng)雪花村西、白水林場、里那比格，終止于麗江玉湖北，根據(jù)基巖面上的陡傾擦痕認定為正斷層；玉龍雪山東麓斷層不僅是川滇菱形塊體西南邊界斷層，也是我國三江擠壓區(qū)的東部邊界，其運動性質是以右旋走滑為主，兼具逆沖分量（尹功明等，2017）；1996 年麗江地震發(fā)生后，王運生等（2000）針對此斷層開展了地球化學探測等工作，認為次斷層是向山體內(nèi)部傾的逆沖斷層；也有學者認為玉龍雪山東麓斷層為正斷層（俞維賢等，2004；張西娟等，2006；石旭華等，2008；吳中海等，2008；Kong 等，2009）。

中甸-大具斷裂北起自中甸南，向南東經(jīng)小中甸東、馬家村、哈巴、大具、大東，后止于金沙江邊，總體走向310—320°，傾向NE 或SW，傾角較陡，一般在60°以上，運動性質以右旋走滑為主，兼有正斷分量活動，局部顯示逆沖性質。該斷裂目前是川滇菱形塊體的西側邊界斷層（沈軍等，2001），也是一條大陸活動塊體的邊界斷裂（徐錫偉等，2003）?，F(xiàn)今GPS數(shù)據(jù)表明，川滇菱形塊體相對于歐亞大陸有高達10mm/a 向南東方向的運移速率（Gan 等，2007），在向南東、南東方向平移的同時，川滇塊體內(nèi)部的次級塊體還發(fā)生了順時針旋轉（徐錫偉等，2003）。因此，中甸-大具斷裂作為邊界斷裂具有很強的活動性。

中甸-大具斷裂是川滇菱形塊體西邊界的重要組成部分，斷裂附近發(fā)生過多次中強地震，如1933 年中甸附近61/4級地震、1961 年中甸6.0 級地震、1966 年中甸告灣6.4 級地震。沈軍等（2001）根據(jù)大具盆地三級階地面上發(fā)育的小沖溝右旋位錯，平均右旋錯動速率為4～6mm/a；根據(jù)中甸盆地北緣、小中甸以東古河道位錯量獲得平均右旋錯動速率為4～6mm/a；尹功明等（2018）根據(jù)大具盆地T3級階地位錯，初步獲得的右旋錯動速率為5.03～8.37mm/a，垂直活動速率為2.37～3.94mm/a。表明中甸-大具斷裂的右旋平均位錯速率非常高，是一條強烈活動的次級塊體的邊界斷層。

從本次新發(fā)現(xiàn)的地震地表破裂所在位置發(fā)育的兩條斷層的運動性質和強度分析，新地表破裂應該歸屬于中甸-大具斷裂。