引言

新生代以来,印度板块与欧亚板块的汇聚、俯冲、碰撞、造山引起青藏高原的快速隆升,并在高原腹地及周缘产生大量的走滑断裂带(许志琴,1984;卢海峰等,2009a)。尤其新构造期(中更新世)以来,因构造逸脱(许志琴等,2006)而形成的川滇块体内部的元谋断裂带的晚第四纪活动特征,对认识该构造带在块体中的协调作用及其力学机制成因意义明显。本文主要通过对元谋断裂带新生代地层内发育的构造形迹组合序列分析、应力场恢复及其演化,以获取元谋断裂带力学机制,探讨构造带活动特征及未来运动趋势。

1 元谋断裂带地貌特征

元谋断裂带,前人称之为元谋-绿汁江断裂带或元谋-昔格达断裂带,是一条横贯于中国南北地震带南西缘的左行走滑构造带(图1)(申旭辉等,1996;卢海峰等,2009b)。自南而北,断裂带大致以南-北向呈缓波状展布于易门三家厂、罗川、一平浪、元谋、江边、昔格达、米易西、普威一带(图1),南与楚雄断裂带相交,北延与磨盘山断裂带衔接,总长度约270km,为川滇块体内部次级地块的边界活动构造带(徐锡伟等,2003a;2003b),并控制了沿线罗川、舍资、化同、羊街、元谋、昔格达等多个盆地的演化(李庆晨等,1993;卢海峰等,2008;2009b)。元谋断裂带地表破裂构造样式表现为左行左阶式(图1)。依据构造平面展布特征及其晚第四纪活动性质,可将断层划分为易门西—秧田井、化同—鱼蚱和鱼蚱以北3个段落。其中,易门西—秧田井段和化同—鱼蚱段平面上呈舒缓波状,鱼蚱以北段则表现为近直线 ※1. 全新世断裂;2. 晚更新世断裂;3. 早、中更新世断裂;4. 正断裂;5. 逆断裂;6. 走滑断裂;7. 断裂名称;8. 第四系;9. 上第三系;10. 河流;11. 震级和地震时间;12. 震中M=6.0—7.0;13. 震中M=5.0—6.0;14. 震中M=4.0—5.0;15. 重点研究区间;16. 震源机制解(蒋长胜等,2008) ※F1:普渡河-滇池断裂带;F2:汤郎-易门断裂带;F3:禄丰断裂带;F4:元谋-绿汁江断裂带;F4-1:元谋断裂;F4-2:昔格达断裂;F5:楚雄断裂;F6:磨盘山断裂;F7:则木河断裂;F8:越西断裂;F9:小江断裂;F10:宁会断裂


图 1元谋断裂带构造环境及地貌遥感影像图(卢海峰等,2008;2011;略修改) Fig. 1Regional tectonic setting of Yuanmou Fault (after Lu et. al., 2008; 2011) and remote sensing image of the landform

形,这种破裂的展布形式是与构造运动特性及区域动力学机制密不可分的。高精度卫星遥感影像能够清晰地展现这一复杂关系,并揭示出断裂带以左行斜列式或两支平行构造线展布。自一平浪以北,断层两侧的冲沟、山脊地貌呈“S”形或以多个首尾连接的“S”形雁列式排列,沿构造线除保存典型的沟槽谷地、断层陡坎以外,张性裂隙、单侧微型褶系也普遍发育;舍资至苏家庄一带,山脊、冲沟、河流等地貌呈现“S”形的中间主轴线基本表现为平行的2条线,走向约为北东10º,且断层西侧发育小型褶皱,褶皱轴面产状为270º∠10º,表明断层在走滑的同时,可能局部受到来自近东西方向主压应力的作用。苏家村至大岔路一带,构造带处的冲沟、山脊地貌明显表现为“S”形,且多个首尾相连的“S”形形变主轴以与主构造剪裂面呈约30º的交角斜列,揭示出构造走滑的运动幅度更为突出。化同盆地南侧不远处的秧田井附近,则发育了长约3km近南东走向的张性裂隙,与主断裂剪裂面呈40º夹角,张性裂隙北侧山脊、冲沟等地貌平面几何形态上表现为双重逆冲构造,为走滑断裂带简单剪切的几何典型特征,揭示出断裂走滑兼挤压的特性。而羊街、化同两盆地间,发育一近东-西向张性裂隙,该构造裂隙西侧发育了一个相当规模且褶皱轴呈北北东向的褶曲,褶曲西侧的龙川江流域地貌形态呈向东突出的弧型样式,这些构造地貌特征表明,此处近期受到了北西西-南东东向水平主压应力作用的影响。元谋盆地及北侧地表上,发育许多北北西向小规模张性裂隙(卢海峰等,2009b),而断裂左行走滑特征地貌并不十分突出,可能与北北西-南南东向作用力作用造成断层较强倾滑活动的结果。鱼蚱以北,断层平面上以直线性展布为特征。

另外,在一平浪以南,卫星影像所揭示出的构造活动特性尽管不典型,但在罗川盆地一带,断层地貌线呈东向弧型展布,表明新构造期存在局部的近东西向最大主应力方向。

2 元谋断裂带及其附近晚新生代构造形迹组合特点及应力场分析

依据新生带地层内发育的各种构造形迹,包括大、中、小型及显微构造,尤其是地层序列中不同层位的构造形迹变化,如:发育在中生代末期地层内、新生代地层内的应变椭球体、共轭节理等构造形迹,若反演出多期明显不同方向的构造应力场,即可对代表不同期序列地层内所发育的构造形迹进行古应力场方向的恢复和演变过程,探索研究区新生代构造应力场变化趋势,是进一步分析研究区第四纪地质地貌特征与新生代应力场变化趋势的关系,进行断裂活动趋势及地震危险性预测。本文在对节理配套与分期、褶皱形态特征等基础理论掌握的基础上,以不同序列地层中发育的小型构造形迹能够明显反映出不同期的古构造应力场为物质基础,开展了以下工作。

元谋断裂带沿线发育的地层年代跨度大,既有元古代、古生代的变质岩、岩浆岩,也有中生代形成的沉积岩系,尤其是控制的新生代盆地内,发育了古近纪、新近纪和第四纪地层,这对研究该区新生代以来的应力场特征提供了丰富的寄宿空间。

苍山西露头发育的断层沟槽宽0.7—3m,破碎带由多支次级构造组成,构造面均倾向西,倾角陡,走向约5º,切错了古近纪紫色泥层(E),露头东侧泥层中发育了由挤压走滑作用形成的似“正花状”构造(图2),这可能与构造挤压作用有关。在附近断裂西侧保存小型褶皱,褶皱轴面产状为270º∠10º,可能受断裂左旋运动所致。沿断裂发育并错开的中轴长50—60m、扇缘宽10—15m的二期坡洪积物底部细砂层热释光样品的年龄为(85.99±7.31)ka B.P.(卢海峰等,2008)。这可能与晚更新世因来自北西方向的主压应力作用有关,使得断层产生了左行兼逆冲运动,并伴随发育了次级似“花状构造”。


图 2走滑断层带上的似“花状构造”(白线表示构造面理) Fig. 2Flower-structure on Yuanmou Fault (white lines indicating sub-structure)

而苍山北不远处的断层破碎带内发育一构造透镜体,经实地测量,a、b、c轴比例关系为1.6:1:0.55,且ab面走向北东10º—12º,向东倾斜,倾角平均85º,ac面向西倾斜,倾角约25º。同时岩性内(K2)发育的张性节理走向为北北东-南南西向(图3),这种剪切应变椭球体的形态反映了主压应力水平方向或形变水平缩短方向应在10º—35º。同时,断面上发育斜向上的擦痕,其倾向190º,视倾角20º。上述特征表明,这些构造性质是由断层较早期右行逆冲运动所致。



图 3断层附近的菱形结构及张、剪性节理组构(左右图幅为同一构造现象) Fig. 3Rhombohedral structure and fabric of tensional and shear joint in the fault zone and its neighborhood (photo at right)

在苏家庄一带,晚侏罗纪泥质板岩中发育由节理组成的近似透镜体或菱形结环(图4a),a、b、c轴平均长度分别为40cm、30cm、15cm,b轴近直立且具垂向擦痕,bc面走向330º(倾角70º),并切割区域节理,ab面略向北西倾斜。露头菱形结环内部及附近发育了多条总体走向为35º—30º的张性节理,此处地层产状235º∠80º,区域节理面产状分别为278º∠80º、260º∠75º。依据张、剪性节理发育特征与区域节面的交切关系及a、b、c三应变轴的几何特征,暗示了早期的南南西-北北东向水平主压应力作用使断层发生逆冲活动。

在阿卡拉一带,断层走向355º,倾向西,近直立,断层面上发育大量挤压椭球体,随机测量了三个椭球体(图4b):① a、b、c轴长度分别为4.3cm、3.3cm、2.8cm,ab面倾向北,a轴倾向65º,b轴倾向15º,c轴倾向215º;② a、b、c轴长度分别为6cm、5cm、4cm,ab面近水平;③ a、b、c轴长度分别为9cm、6.5cm、4cm,产状类似①。由此分析,断层表现为左行压扭活动。这说明区域近现代最大主压应力水平方向位于bc轴面与断面走向之间,即大致北西向。

※a:砂层内的泥质豆状构造(镜向东);b:断面上的泥质豆状构造(镜向250º)

图 4晚新生代构造面处发育的小型构造 Fig. 4Structural features in the late Cenozoic stratigraphic deposits
图 5节理走向玫瑰花图 Fig. 5Rose diagram for the strikes of the joints

上述透镜体附近,断层走向25º,倾向东,倾角50º,上陡下缓,将东-北向砂岩、泥质板岩切开,西侧为泥质板岩,强烈揉皱,上部呈弧形向上,表现为逆冲的性质,宽约4—5m。断面东侧砂岩产状为108º∠55º,岩层内发育了多组节理,从中能够发现一组走向为335º的节理与走向0º的节理互相限制和交切,应为共轭节理,结合节理走向(表1,图5)推断,应力方向为北北西-南南东向。在其北100m处的白垩纪地层内,同样发育了两组方向的共轭节理,其平均产状分别为285º∠85º—90º和140º∠70º—90º,表明较早期的水平主压应力方向为北北东-南南西向(图6)。

表1 观测点节理走向统计表 TableTable 1Statistics for strike of joints measured at the observation points in the field

在和尚庄东侧的次级断层西侧现代亚粘土内,发育大量近南北走向张性裂隙,近直立。而马尿湾断层西侧附近,发育大量各具形态的张性裂隙,其走向均为350º。表明此处现代主压应力水平方向为北北西-南南东向。

在向家湾附近,产状为300º∠40º的紫红色泥岩(K2)内发育产状分别为290º∠60º—65º、70º∠70º—80º的共轭剪节理面(图7),表明主压应力方向近北-南向,且并无其他方向节理发育。

主应力轴产状:δ1,32°∠30°;δ2,204°∠60°;δ3,301°∠2°;剪切角为49°

图 6吴氏赤平投影 Fig. 6Pole concentration from Wulff projection of the joints

主应力轴产状:δ1,188°∠43°;δ2,353°∠40°;δ3,270°∠81°;剪切角为56°

图 7构造应力张量的吴尔福网上的投影 Fig. 7Pole concentration from Wulff projection of tectonic stress tensors

主应力轴产状:δ1,124°∠11°;δ2,237°∠70°;δ3,25°∠15°;剪切角为49°

图 8构造应力张量的吴尔福网上的投影 Fig. 8Pole concentration from Wulff projection of tectonic stress tensors

在该点东侧,泥岩明显片理化,揉皱变形,岩层走向10º,倾向西,倾角陡,近断层处强烈褶曲,因构造强烈和走滑作用,致使断层附近岩层产状与其西侧的较稳定地层发生了变化,体现出断层左旋逆冲的活动方式。另外,揉皱变形的红褐色泥岩及顶层泥质粘土内因剪切作用,也表现出清晰的共轭剪节理构造形迹,产状分别为85º∠70º—80º、25º∠40º,所揭示的主压应力方向应为北北西-南南东向,为最新构造主压应力场方向。此处在构造地貌上,断层两侧T2阶地高差并无明显的变化,T3阶地西低东高,高差约2m,T4阶地西低东高,高差4—5m。T3阶地内砾石层顶部细砂样品时代不早于晚更新世中晚期(申旭辉等,2003)。

在杞哉一带,Q3—Q4地层内普遍发育南-北向张性裂隙。

在化同盆地西南-东西向河沟拐弯处,断层走向45º,倾向西北,倾角50º,断层泥宽约2cm,断面擦痕大量发育,两组擦痕所在的节理面产状分别为230º∠70º、近东-西向直立,为共轭节面。由此推测主压应力方向北西西(图8),为现代主压应力场方向。

在老悟村东棕黄色砂质泥岩(岩性时代K-E)中,发育走向60º的张性节理,近竖直,其上部分的棕红色砂层上段厚约1m的浅棕褐色砂层内(岩性时代N—Q1)张性节理走向为20º—40º。而附近的Q2—Q3地层中,节理走向为310º—320º,Q4地层中张性裂隙走向355º。由此可以推测,此处的主压应力方向是由早期的北北东向转变为中期的北西-南东向及晚期的北西西-北北西方向(图9)。

图 9早、中、晚各期构造应力张性节理特征 Fig. 9Characteristics of tensional joints developed in the early, middle and late stages

通过野外大量节理产状数据的观测结果,获取了元谋县城东南上那蚌一带的节理走向的玫瑰花图(图10),而元谋县城东湾云一带,断层走向350º,倾向北东,倾角40º,断层带宽约1m,呈紫红色碎裂带,岩石为泥质,产状98º∠40º—50º;断层东侧附近地层为紫色砾岩(E,主要为泥岩,含钙质、硅质),断层西侧为灰色的Ca质泥层(产状:92º∠50º—60º),

表现为逆冲性质。断层上断点被现代砾石层覆盖,此处上盘内节理产状分别为350º∠70º、70º∠80º(图11),表明为较早期北北东向应力场所致。县城东北方向下雷弄一带,由节理倾向、倾角玫瑰花图(图12A)表明,晚新生代主压应力水平方向为北北西-南南东向。

主应力轴产状:δ1,203°∠19°;δ2,10°∠66°;δ3,112°∠5°;剪切角为49.5°

图 10节理走向玫瑰花图 Fig. 10Rose diagram for the strikes of the joints
图 11构造应力张量的吴尔福网上的投影 Fig. 11Pole concentration from Wulff projection of tectonic stress tensors

在红格一带的昔格达组地层中,灰黑色泥岩地层(早更新统)呈平行层理,其产状为160°∠35°,其内发育的两组共轭节理,走向分别为280º和50º,由此获取该套节理所揭示的构造应力场方向为近北北西-南南东向。而断层北段米易西N—Q地层中所测量的节理倾向、倾角所反映的玫瑰花图(图12B)表明,此处附近近现代主压应力场方向近南-北向。

※ A:下雷弄 B:红格
图 12节理倾向、倾角玫瑰花图 Fig. 12Rose disgram for tendency and dip of joints

综合上述特征,获得元谋断裂带(晚)新生代地层中构造应力场一览表(表2)。因滇中次级块体渐新世晚期或中新世早期以来发生过大规模的顺时针转动,累计转动量达30º—48º(徐锡伟等,2003a;2003b),这种转动应与新生代早期印度板块向北运动,并与欧亚大陆汇聚、碰撞密不可分,同时使得位于碰撞带东北方向的研究区域早期应力场水平方向呈北北东-南南东向。随着碰撞的加剧和青藏高原的快速隆升,喜马拉雅造山带形成以后,印度板块与欧亚大陆之间的“硬碰撞”趋于相对平衡(卢海峰等,2008)。青藏高原薄皮构造内部物质沿滑脱层四周滑逸,这可能是青藏高原下地幔对流应力场导致高原地壳破裂的结果(熊熊等,2007),并在青藏高原东缘形成多个活动块体和断裂构造带(卢海峰等,2008)。青藏高原物质对川滇块体的东向挤出,导致研究区域在早更新世晚期(元谋运动之后,约80万年)或新构造期(中更新世以来)表现为北北西-北西向构造应力场,与川滇块体现代扩张方向北东-南西66.9º基本一致(李延兴等,2003)。

表2 元谋断裂带(南→北)新生代地层构造主压应力场方向(粗略分为早期和晚期(元谋运动之后)两期) TableTable 2Direction of tectonic stress field in Cenozoic strata along Yuanmou fault zone (from south to north), roughly divided into early stage and late stage (after Yuanmou movement)
3 结论

通过对元谋断裂带发育的构造形迹采取吴氏赤平投影(下半球)、节理玫瑰花图及张性节理性质研究分析,并结合断错地貌、小型褶曲构造特征和前人研究成果(申旭辉等,1996;2001;卢海峰等,2008;2009b;2011),获取了元谋断裂带(晚)新生代以来主要受早期的北北东-南南西向构造应力场和晚期(元谋运动后)的北北西-北西西向构造应力场作用,并确立了现在的地貌、构造形迹。

参考文献
[1]蒋长胜,郑勇,2008.中国大陆部分5级以上地震震源机制解. 中国地震局地球物理研究所-共享资源-科技共享资源[本文引用:1次]
[2]李庆辰,蒋复初,钱方,1993.元谋盆地晚新生代沉积相与环境演变. 地理与地理信息科学 ,9(3)30—36[本文引用:1次]
[3]李延兴,杨国华,李智,郭良迁,黄珹,朱文耀,符养,王琪,江在森,王敏,2003.中国大陆活动地块的运动与应变状态. 中国科学(D辑) ,33(增刊)65—81[本文引用:1次]
[4]卢海峰,何仲太,赵俊香,马保起,王瑞,2008.元谋断裂晚第四纪活动性定量分析. 地球科学—中国地质大学学报 ,33(6)852—860[本文引用:6次]
[5]卢海峰,张世民,马保起,侯治华等,2009a.汶川MS8.0地震断层映秀—南坝段的活动方式、形变特征及其形成机制. 地球物理学报 ,52(5):1376—1383[本文引用:1次]
[6]卢海峰,王瑞,赵俊香等,2009b.元谋断裂晚第四纪活动特征及其构造应力分析. 第四纪研究 ,29(1):173—182[本文引用:4次]
[7]卢海峰,姬志杰,2011.昔格达断裂第四纪活动特征及强震复发周期. 现代地质 ,25(3):440—446[本文引用:2次]
[8]申旭辉,丁国瑜,汪一鹏,1996.三万年以来川滇地区的构造变形与现今地壳运动. 北京:国家地震局地质研究所[博士学位论文] [本文引用:2次]
[9]申旭辉,汪一鹏,2001.云南元谋地区新构造运动基本特征.见:活动断裂研究. 北京:地震出版社 ,131—139[本文引用:1次]
[10]熊熊,王继业,滕吉文,2007.青藏高原新生代火山活动的深部力学背景. 地球科学—中国地质大学学报 ,32(1):1—6[本文引用:1次]
[11]徐锡伟,程国良,于贵华,宋方敏,向宏发,张兰凤,Hagai Ron,王洋龙,闻学泽,2003a.川滇菱形块体顺时针转动的构造学与古地磁学证据. 地震地质 ,25(1):61—70[本文引用:2次]
[12]徐锡伟,闻学泽,郑荣章等,2003b.川滇地区活动块体最新构造变动样式及其动力来源. 中国科学(D辑) ,33(增刊):151—162[本文引用:2次]
[13]许志琴,1984.地壳形变与显微构造. 北京:地质出版社 [本文引用:1次]
[14]许志琴,杨经绥,李海兵等,2006.青藏高原与大陆动力学—地体拼合、碰撞造山及高原隆升的深部驱动力. 中国地质 ,33(2):221—238[本文引用:1次]