青藏高原中部五道梁-曲麻萊斷裂系西段晚第四紀滑動速率厘定1

羅 浩 郭廣海 張 斌 王 繼 緱亞森 徐 偉 高戰武

1）中國地震災害防御中心，北京 100029

2）中國石油天然氣股份有限公司西藏銷售分公司，拉薩，850000

引言

印度板塊與歐亞板塊碰撞后持續的北向推擠和俯沖作用導致了青藏高原的隆升，并形成不同活動性質的大型斷裂（Tapponnier 等，2001；Xu 等，2009；Luo 等，2019；羅浩等，2020）。可根據大型走滑斷裂和逆斷裂將青藏高原劃分為多個活動塊體（Deng 等，2003），其中，位于青藏高原中部的巴顏喀拉塊體邊界斷裂帶大震頻發，1997 年以來曾發生大于7 級的地震8 次，2001 年昆侖山口8.1 級地震為近年來我國大陸發生的最大地震（Xu 等，2002），2008 年汶川8.0 級地震和2010 年玉樹7.1 級地震造成了巨大人員傷亡和財產損失（Xu 等，2009；Lin 等，2011），最近一次強震為2021 年5 月22 日瑪多縣7.4 級地震。

絕大部分7 級以上地震雖發生在活動塊體邊界，但位于活動塊體內部的次級活動斷裂也有發生7 級以上地震的可能（鄧起東等，2003）。五道梁-曲麻萊斷裂系位于巴顏喀拉塊體內部，由2 條近平行的斷裂組成，在斷裂西段稱為五道梁南山南緣斷裂和五道梁南山北緣斷裂。由于該斷裂系地處青藏高原腹地，關于其晚更新世以來活動特征的研究較少。由Google earth 影像解譯和青藏公路兩側的五道梁南山斷裂系野外考察可知，該斷裂系所處地區發育多排斷層陡坎。通過開展斷錯地貌分析、光釋光樣品采集和測試等工作，限定了斷裂系滑動速率等參數，討論了研究區晚更新世以來可能的大震活動特征，為研究區晚更新世以來斷裂活動性研究提供參考。

1 研究區構造概況

已有學者將青藏高原劃分為5 個活動塊體，巴顏喀拉塊體位于青藏高原中部，由南側馬爾蓋查卡?玉樹?鮮水河斷裂、北側東昆侖斷裂、東側龍門山?岷山斷裂系和西側阿爾金斷裂西南段所圍限（鄧起東等，2003），整體表現為南東向的擠出（Zhang 等，2004）。與巴顏喀拉塊體幾何結構和運動學特性相匹配，塊體邊界大地震具有不同類型。巴顏喀拉塊體南、北兩側邊界斷裂以發生走滑型地震為主（Van Der Woerd 等，2000；Zhang 等2016，2018；Huang 等，2019）；東部邊界構造帶上以發生擠壓型地震為主（Liu 等，2009；Xu 等，2009）；西側邊界為阿爾金斷裂西段拉張區，以發生正走滑型地震為主（Xu 等，2013；徐錫偉等，2017）。

五道梁-曲麻萊斷裂系是巴顏喀拉塊體中部1 條重要構造帶，總體走向NWW，向東轉為NW 向。該構造帶西起可可西里湖南側，向東經五道梁、曲麻萊至清水河后進入四川省石渠縣境內，全長約800 km（圖1）。斷裂帶形成于燕山期，新生代活動顯著，切錯了沿帶分布的新生代盆地。在曲麻萊、清水河等地可見上三疊統地層逆沖于第三系紅層之上。地貌上發育斷層崖、埡口和斷層谷，可見泉水沿斷裂呈線性分布。研究區內五道梁-曲麻萊斷裂系2 條分支斷裂分別位于五道梁南山兩側，斷錯了一系列洪積扇和河流階地。

圖1 五道梁南山及其周緣地區活動斷層分布圖Fig. 1 Active faults map of the Wudaoliang and its adjacent regions

2 五道梁南山北緣斷裂

通過Google Earth 影像解譯，得到研究區內五道梁南山北緣斷裂分布，如圖2 所示。該斷裂總體走向N80°W～N85°W，由東、西2 支次級斷層組成，以逆沖變形為主。在五道梁鎮南側構成一小型階區，階區距寬約2.5 km。階區東側主要發育沿五道梁南山北緣展布的斷裂，階區西側洪積扇上發育2 條近似平行的斷裂，相距約600 m。

圖2 五道梁南山北緣斷裂分布圖Fig. 2 Faults along Northern margin fault of Wudaoliang southern mountain

在階區西側2 條近似平行的次級斷裂上各選擇1 個典型地貌進行無人機航拍，獲取正射圖像和高精度DEM，如圖3（a）、3（b）所示，分辨率為20 cm。北側次級斷裂研究點位于二級洪積扇上，野外考察發現斷層陡坎受后期侵蝕作業在小范圍內發生明顯彎曲，自由面新鮮，陡坎下部內凹，如圖3（c）所示。該地區位于可可西里腹地，植被以高原草甸為主。陡坎中上部地層植被根系發育，具有極強的水土保持能力，陡坎下部地層相對易受風掏蝕作用。因此，該地區陡坎退化以中上部地層失穩、重力垮塌為主，形成目前的陡坎發育特點，如圖3（c）所示。

基于高精度DEM 數據，垂直于斷裂提取2 條地形剖面（圖3（b））。剖面A?A′揭示該次級斷裂陡坎高度為3.6 m，如圖4（a）所示。剖面B?B′揭示斷層陡坎高度為3.8 m，如圖4（b）所示。人工清理的剖面揭示該洪積扇頂部以粉砂含粗礫沉積為主（圖3（d）），選擇光釋光測年方法作為地貌面定年手段，在據地表70 cm 的位置采集了光釋光樣品，并獲得其年齡為（14.38±1.52）ka，可推斷洪積扇的形成時代應為（14.38±1.52）ka。根據采樣剖面沉積序列可知該洪積扇形成于玉木冰期之后，玉木冰期結束時代約為14 ka。因此將該洪積扇的形成時代定為（14.38±1.52）ka 較合適。結合2 條剖面獲得的陡坎高度，可知該次級斷裂垂直滑動速率為（0.27±0.03）mm/a。

圖3 五道梁南山北緣斷裂北側次級斷裂斷錯地貌特征Fig. 3 Displaced platform of northern secondary fault of the northern margin fault

圖4 五道梁南山北緣北側次級斷裂陡坎剖面Fig. 4 Scarp profiles of northern secondary fault of the northern margin fault

南側陡坎研究點位于一級洪積扇上，北緣斷裂在該洪積扇上形成明顯的線性陡坎（圖5），由長度數十米至數百米的多個次級段落組成，單個段落走向100°左右，呈右階排列，階距數米至數十米。基于DEM 數據（分辨率為6 cm）獲取2 條垂直于陡坎的地形剖面，2 條剖面均顯示斷層陡坎的高度約為2.5 m（圖6）。

圖5 五道梁南山北緣南側斷裂斷錯地貌Fig. 5 Displaced platform of southern secondary fault of the northern margin fault

圖6 五道梁南山北緣南側斷裂陡坎剖面Fig. 6 Topographic profiles of southern secondary fault of the northern margin fault

《青藏鐵路昆侖山口-桑雄段活動斷層鑒定報告》顯示，某熱釋光樣品位于粉砂層中下部，年齡為（4.2±0.36）ka。該年齡應略小于洪積扇形成年齡，基于此計算的滑動速率可能偏大。結合陡坎高度得到南側次級斷裂垂直滑動速率為（0.60±0.05）mm/a。北側次級斷裂在一級洪積扇上形成了斷層陡坎，可認為2條次級斷裂在晚更新世以來同時活動。因此，五道梁南山北緣斷裂滑動速率應為2 條次級斷裂速率的疊加，為（0.86±0.09）mm/a。

3 五道梁南山南緣斷裂

五道梁南山南緣斷裂位于五道梁南山南緣，西起貢冒日瑪山東麓，向東穿過青藏公路，沿五道梁山南緣止于白日榨加以東，總體走向N85°W，全長>200 km，是五道梁南山南緣邊界斷裂。該斷裂北傾，具有逆斷層活動性質，主要表現為上三疊統深灰色板巖逆沖到漸新統紫紅色砂泥巖和第四系地層之上，斷裂控制了兩側的基本地貌格局，成為五道梁南山與其南部盆地之間的天然分界線，斷裂帶沿線可見斷層三角面等斷錯地貌。

研究區內五道梁南山南緣斷裂由幾條次級斷層右階排列組成，最大階區寬度可達1.5 km（圖7）。在青藏公路兩側保存有1 條十分清晰的斷層陡坎，總體走向近EW，斷錯了公路兩側一、二級洪積扇（圖8）。兩級洪積扇面上覆蓋良好的草皮，較好地保存了原有斷層陡坎形狀（圖9）。垂直于斷層陡坎發育的小沖溝未見明顯左旋錯動。利用無人機對五道梁南山南緣斷裂兩級洪積扇斷錯地貌進行測量，得到該區域高精度DEM，分辨率為10 cm（圖8）。基于DEM 數據獲得了兩級洪積扇上垂直于斷層陡坎的4 條地形剖面，可知二級洪積扇上的陡坎高度為（3.3±0.1）m，一級洪積扇上的陡坎高度為（1.7±0.1）m（圖10）。在一級洪積扇粉砂沉積中下部采集了光釋光樣品，采樣深度為50 cm，獲得該洪積扇最小形成年代為距今（3.88±0.78）ka，該年齡略小于一級洪積扇形成時代。中國地震局工程地震研究中心曾采用熱釋光測年方法獲得二級洪積扇形成年代為（12.3±1.05）ka2中國地震局工程地震研究中心，2002. 青藏鐵路昆侖山口—桑雄、羊八井—拉薩地段活動斷層鑒定報告。結合斷錯地貌面形成時代和陡坎高度得到全新世中期以來斷裂垂直滑動速率為（0.49±0.12）mm/a，晚更新世晚期以來斷裂垂直滑動速率為（0.27±0.03）mm/a，平均滑動速率為（0.43±0.19）mm/a。

圖7 五道梁南山南緣斷裂地表破裂帶分布圖Fig. 7 Faults along southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

圖8 五道梁南山南緣斷裂實測地貌特征Fig. 8 Displaced landform of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

圖9 五道梁南山南緣斷裂兩級洪積扇上地貌斷錯特征Fig. 9 Displaced diluvial fans of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

圖10 五道梁南山南緣斷裂在兩級洪積扇上形成的陡坎縱剖面Fig. 10 Topographic profiles of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

4 討論

4.1 斷裂活動特征

研究區五道梁南山南北兩側地貌近似，發育兩級洪積扇，一級洪積扇形成于全新世中期，二級洪積扇形成于晚更新世。兩側一級洪積扇上的陡坎高度分別為2.5、（1.7±0.1）m，二級洪積扇上陡坎高度分別為（3.7±0.1）（3.3±0.1）m。可見五道梁南山兩側斷裂一、二級洪積扇上陡坎高度近似呈倍數關系，說明二級洪積扇面上的陡坎可能為2 次或多次古地震事件疊加形成的復合陡坎。

在青藏高原地區，一般6.5 級以上的地震引發地表破裂（徐錫偉等，2017）。鄧起東等（1992）曾對中國及東亞地區地震地表破裂參數與震級的關系進行統計。在青藏高原逆斷裂活動地區，垂直同震位移（D）與地震震級（M）的關系為：

如果認為一級洪積扇上的陡坎由1 次古地震事件形成，推測五道梁南山兩側斷裂的最新地震活動震級為7.2～7.4 級。如果認為二級洪積扇上的陡坎由2 次古地震事件形成，則2 次古地震復發間隔為兩級洪積扇形成時代之差，可達8 000 余年。垂直滑動速率全新世中期以來未明顯升高，可能由以下原因引起：（1）一級階地記錄的地質時代時間較短，未能完整覆蓋古地震復發間隔，根據一級洪積扇斷錯地貌獲取的滑動速率偏大，晚更新世以來滑動速率可能近似一致；（2）獲取的一級階地形成時代年齡偏小。

如果一級洪積扇上的陡坎由2 次古地震事件形成，則斷裂系最新地震活動推測震級為6.9～7.1 級，全新世中期以來斷裂系大震復發周期可能為2 000～3 000 年，垂直滑動速率具有增高的趨勢。

無論一級洪積扇上的陡坎是由1 次還是2 次古地震事件形成，五道梁南山斷裂系大震復發周期均較長，說明巴顏喀拉塊體內部活動斷層變形速率雖較低，仍可觸發長復發間隔7 級以上強震。

4.2 區域構造變形特征

五道梁南山北緣斷裂形成于38.2～31.0 Ma（朱利東，2004），切割深度>60 km，為巖石圈深斷裂帶

（謝成良等，2012）。五道梁南山南緣斷裂為北緣斷裂分支斷裂，共同組成y 字形斷裂系，控制五道梁南山的隆起。基于影像解譯，沿五道梁南山南緣和北緣斷裂未發現沖溝或階地，顯示出連續的左旋走滑特征，斷裂雖存在一定的左旋走滑分量，可能是因為斷裂系活動較弱，左旋位移受后期侵蝕而消失。該斷裂系位于巴顏喀拉塊體內部，在其西側未形成明顯的拉分盆地，因此可認為斷裂系西段以逆沖活動為主。位于巴顏喀拉塊體南、北邊界的東昆侖斷裂和甘孜?玉樹斷裂以左旋走滑為主，說明青藏高原側向擠出主要集中于構成活動塊體邊界的大型斷裂帶，而位于其內部的次級斷裂承擔了青藏高原近南、北向縮短分量，未大規模承擔高原側向擠出活動。

五道梁南山斷裂系擠壓速率可按下式計算：

其中：θ表示斷層傾角；V表示垂直滑動速率；H表示水平擠壓速率。開挖探槽揭示了五道梁南山北緣斷裂近地表傾角平均為60°3中國地震局工程地震研究中心，2002. 青藏鐵路昆侖山口—桑雄、羊八井—拉薩地段活動斷層鑒定報告，大地電磁測深剖面揭示該斷裂傾角同樣約為60°（謝成良等，2012）。本研究未獲得南緣斷裂傾角，參照北緣斷裂傾角60°進行計算。基于獲得的2 條斷裂垂直速率，可判斷南、北緣斷裂縮短速率分別為（0.25±0.11）（0.50±0.05）mm/a，五道梁南山斷裂系吸收青藏高原南、北向總縮短速率為（0.75±0.16）mm/a。

5 結論

（1）基于高分辨率衛星影像解譯，發現五道梁-曲麻萊斷裂系西段由2 支次級斷裂組成，分別位于五道梁南山南、北兩側，以逆斷層活動為主。五道梁南山北緣斷裂為主斷裂，與南緣斷裂組成y 字形斷裂系，共同控制了五道梁南山的隆起。

（2）五道梁-曲麻萊斷裂系西段以逆沖活動為主，結合洪積扇斷錯地貌分析和光釋光測年結果，可知五道梁南山南、北緣斷裂縮短速率分別為（0.25±0.11）（0.50±0.05）mm/a，。

（3）基于經驗公式和斷錯地貌推測可知，南、北緣斷裂可能曾發生7.2～7.4 級地震，大震復發周期長達8 000 余年；如果一級洪積扇上的陡坎由2 次古地震事件形成，則斷裂系最新地震活動推測震級為6.9～7.1 級，全新世中期以來斷裂系大震復發周期可能為2 000～3 000 年，滑動速率可能具有升高趨勢。