引言

研究活动盆地边界断裂的活动构造,有助于理解盆地的构造变形过程以及在此变形过程约束下的地震活动特征(张培震等,2003)。松辽盆地的边界主干断裂构造以北东向为主(Yin,2010),两侧地形起伏明显,盆地较为平坦(图 1图 2)。因地处第四系覆盖区,地表沼泽植被发育,人类现代生产破坏强烈,这些断裂多是根据深部地震反射而得出的(杨宝俊等,1996Liu等,2007邓起东等,2007),缺乏明显的地表露头和地形地貌位错证据,传统观点认为它们晚第四纪活动性较弱,不具备强震的孕震能力,抗震设防参数较低。


图 1 研究区地震构造(据余中元等,2016Yu等,2018a Fig. 1 Seismotectonic map of the research area (Modified from Yu et al., 2016; Yu et al., 2018a)

图 2 研究区C-C’数字地形高程剖面特征(剖面位置见图 1(b) Fig. 2 Digital topographic elevation profile along the line C-C'(location of profile C-C' is marked in Fig. 1)

依兰-伊通断裂走向约N50°E,中国境内总长约800km,是划分中蒙、中朝2个活动地块的重要边界断裂(张培震等,2003),同时是松辽盆地的东边界断裂(图 1(b)),也是郯庐断裂带北段的重要分支断裂之一,和敦化-密山断裂一起构成了郯庐断裂北段的主体部分(徐嘉炜等,1992)(图 1(a))。近年来,在依兰-伊通断裂带上陆续发现了多处晚第四纪期间强烈古地震活动的证据,对于该断裂以及东北地区“不活动或弱活动”的传统认识有所改变(闵伟等,2011Min等,2013余中元,2016余中元等,2016Yu等,2018a, 2018b),部分段落的抗震设防参数也相应的得到了提高。

嫩江断裂带构成盆地西边界,走向约N45°E,总长约650km,是大兴安岭地块和松嫩地块的重要边界断裂(图 1(b))。以镇赉为界,断裂可分为南、北2段,北段呈向西凸出的弧形,长约300km,基本沿着嫩江河谷展布(图 1(b));南段长约350km,呈直线状展布,对第四系没有明显的控制作用。前人分别从遥感解译、钻孔资料和沉积物厚度差别、重力场和磁场特征、莫霍面深度(陈洪洲等,2004)和广角地震测深(杨宝俊等,1996)等方面阐述了嫩江断裂带的存在标志,同时对该断裂的运动性质、活动时代及其与地震的关系进行了初步讨论,认为该断裂带的第四纪活动与地震关系密切,尤其是存在的地震围空区值得密切关注。然而,对该断裂晚第四纪期间是否存在强震活动始终缺乏直接有力的野外地表地质调查证据,进而影响着对该断裂及松辽盆地新构造与活动构造变形过程的深入认识以及地震活动潜势和危险性的判断。本文在前人工作基础上,针对嫩江断裂带的北段开展了野外地表地质调查,得到了嫩江断裂带北段第四纪活动特征的一些初步认识。

1 地质构造与地震背景

研究区地处东北亚活动地块区,区域构造环境主要受西太平洋-印度尼西亚板块深俯冲的影响,现代地震活动水平相对较弱,没有MS ≥7.0的浅源地震记录(邓起东等,2007张培震等,2014)。此外,北东向展布的老爷岭、张广才岭和大兴安岭等山脉与敦化-密山断裂带、依兰-伊通断裂带和嫩江断裂带相隔,其间发育依兰-伊通、松辽和三江等一系列新生代北东向盆地群,形成了研究区盆岭相间的特殊地貌格局(图 1图 2)。

研究区区域性断裂由敦化-密山断裂带、依兰-伊通断裂带、大安-德都断裂带和嫩江断裂带组成。其中,敦化-密山断裂带控制着一系列的新近纪火山群和东北深源地震(300—600km)的分布(图 1(b)),截至目前尚没有发现晚第四纪时期强烈古地震活动的地表破裂证据。依兰-伊通断裂带历史上缺乏强震记录,有现代台网记录以来的最大地震为1963年黑龙江省萝北MS 5.8地震,现代地震活动水平相对较弱。近年来的探槽古地震和构造地貌研究结果表明,依兰-伊通断裂带晚第四纪期间构造变形强烈,具备强震的发震能力和构造背景(闵伟等,2011Min等,2013余中元等,2016Yu等,2018a, 2018b)。大安-德都断裂带作为松辽盆地内部最主要的断裂,晚第四纪的构造变形控制着盆地内部一系列中强震群的孕育和发生(余中元等,2015Yu等,2015, 2018b)(图 1(b))。嫩江断裂带位于松辽盆地的西缘,对第四系沉积控制不明显,现代地震活动主要集中分布在该断裂以西的大兴安岭山麓内部,东缘的松辽盆地现代地震活动水平相对较弱(图 1(b))。

本次研究同时收集到了前人跨嫩江断裂北段开展的大地电磁测深剖面B-B’数据(刘殿秘,2008),并对这些数据进行了二维反演(B-B’剖面位置见图 1(b),与A-A’一致),解译结果如图 3所示。同时,为了更好地对比揭示断裂的活动特征,在与大地电磁测深剖面B-B’相同的位置,基于30m分辨率的DEM数据提取了1条地形剖面A-A’,解译结果见图 3。结果揭示,嫩江断裂北段及两侧的电性分区与地质构造分区及构造地貌特征分区存在明显的对应关系,暗示着断裂活动的长期性和继承性。


图 3 跨嫩江断裂地形特征(a)与MT 20km反演地质解释结果(b)(据刘殿秘,2008 Fig. 3 The topography and MT 20km inversions across the NJFZ (Modified from Liu, 2008)

跨嫩江断裂的数字高程地形剖面(图 3(a))自西至东可分为大兴安岭隆起、盆山过渡区(低山丘陵)和松辽盆地3个基本地貌单元,地形高程从西部大兴安岭山脉的约500m锐减到东部松辽盆地的140m。对比大地电测测深的电性结构结果(图 3(b))可知,大兴安岭隆起处在西部边缘,由比较均匀的高阻块体构成,地表有1层浅浅的低阻层覆盖。至成吉思汗镇附近,高阻直接出露地表。济沁河和成吉思汗一带位于盆山耦合边界边缘,由2个独立的高阻区块组成。扎兰屯为一完整的高阻块体Ra,地质上属于大兴安岭隆起带的边缘隆起,地表有一很浅的连续低阻薄层。靠近扎兰屯隆起的高阻块体Rb对应碾子山断陷,两者之间有1条延深较大的断裂,为嫩江断裂最西支F1-1;另一高阻块体Rc位于济沁河以东,称为龙江西北断隆,该断隆地表上小断陷、断隆相间分布,地下是一大块高阻(最大接近50000Ω·m),且有部分直接出露地表的火山岩体。盆山耦合过渡区延伸向松辽盆地处有1段中阻体过渡带,其地壳4km以上为中阻层,平均电阻率约300Ω·m;地壳4km以下至20km又分东西2区。西区中高阻,3000Ω·m;东区中阻,平均300Ω·m。松嫩盆地在电性上分2部分,靠近龙江盆山耦合过渡区处,地表有中高阻块体存在的部分,龙江位置以嫩江断裂带F1-3分隔。嫩江以东,电阻率普遍降低,剖面上呈现出中部低阻、浅部和深部中低阻的三明治结构,且中部自嫩江至大庆一带可以勾画出Ca、Cb、Cc和Cd 4个低阻体(图 3)。

根据上述电性结构研究结果,可自西至东识别出5条断裂,即F1-1、F1-2、F1-3、F1-4和F2,前4条分别对应着嫩江断裂的4个分支,F2则对应着松辽盆地内部的大安-德都断裂带。断裂F1-1主要分布在山体内部,倾角较陡,构成2块高阻体Ra与Rb的分界,推测向下切割至地壳20km位置;断裂F1-2裂倾角较缓,分布在盆山耦合过渡区的济沁河一带,构成2块高阻体Rb与Rc的分界,向下切割至地壳20km位置;断裂F1-3分布在山前过渡区的龙江一带,构成高阻体Rc与东侧中阻体的分界;断裂F1-4对应着本次地表发现陡坎的位置,主要位于嫩江西侧,构成东侧低阻体Ca与西侧中阻体的分界,推测断错地表以下约15km;断裂F2主要发育在盆地内部,逆冲性质,倾角较缓,断错深度较浅,构成2块低阻体Cc与Cd的分界。

满洲里-绥芬河地学断面的纵波速度结构进一步揭示了上述特征。如图 4所示,在嫩江以西约80-100km位置揭示出了速度异常,表现为以6.4km/s的速度可将地壳结构分为上、下2部分。其中,上部约10km厚度范围内,速度具有复杂的变化,高速与低速相间,速度等值线弯曲多变,以至局部发生了封闭;在6.40km界线以下直至莫霍面过渡带,速度变化较小。莫霍面的速度较西部大兴安岭的速度偏弱,与东部的速度相近,为8.0km/s,与正常莫霍面速度8.1—8.3km/s相比略偏低。尤为明显的是,嫩江以西约80km位置的中上地壳速度结构横向上表现出明显的不连续特征,圈闭现象更加明显,存在局部挠曲变形状态。


图 4 跨嫩江断裂满洲里-绥芬河地学断面纵波速度结构(据杨宝俊等,1996 Fig. 4 The P-wave velocity structure of Suifenhe-Manzhouli geoscience transect across the NJFZ(Modified from Yang et al., 1996)
2 嫩江断裂北段新活动的地表地质调查

嫩江断裂北段主要分布于镇赉以北(图 1(b)),长约300km,且向北西方向弯曲凸出呈弧形。本次野外调查发现了2个典型段落,结果见图 5图 6,分布位置见图 1(b)


图 5 嫩江断裂镇赉段活动特征 Fig. 5 The activity features of the Zhenlai section of NJFZ

图 6 嫩江断裂龙江段活动特征 Fig. 6 The activity features of Longjiang section of NJFZ

在镇赉一带发现了线性陡坎,走向N45°E,长70km(图 1(b)),以图 5中点a—e展示最为典型。该陡坎卫星影像显示不很清楚,主要发育在盆山过渡边界,河流的二级阶地上。现场调查发现,其地表表现为高约1—2m的地貌陡坎(点a、b、e)、古地震崩塌和基岩滑坡遗迹(点c、d)等特征。其中,地貌陡坎倾角约45°,古地震崩塌和基岩滑坡主要沿陡坎分布。基岩的类型主要为安山玢岩,结构致密,硬度较高。

在龙江县以东约20km处发现了另外1段断层出露的位置(图 1(b))。该段落整体走向N55°E,长约20km,卫星影像上整体连续性较差,主要沿河谷西侧断续出露(图 6)。该段落揭示的变形现象比较明显,以图 6中点a—f展示的最为典型,主要特征包括地层遭受强烈构造变形后的揉皱(点a)、显示断裂倾向运动为主的近垂直擦痕(点b)、基岩崩塌与断塞塘(点c、d,图中水塘中有用白色虚线标示的岩石崩塌体)、基岩断层面(图 6中点e,断层倾向北东,倾角约50°)等。其中,基岩崩塌与断塞塘主要沿陡坎前沿断续分布,规模不等,崩塌体的规模大小从直径约5m的巨石至30cm的角砾不等,且呈现出明显的方向性。

在该段落的点f位置开挖了探槽剖面,长约7m,深约4m。探槽位于河流的二级阶地,可能属于晚更新世沉积物(图 7(a))。该探槽共计揭示出5套地层(图 7(b)),其中地层①为表层灰黑土,含较多植物根系,松散,含水,主要成分为细砂与黏土,平均层厚度约1m;地层②为灰黑色的中砂及灰白色的砾石层,可见少量树根根系,含水较差,有一定层理,平均层厚度约0.5m;层③主要为红褐色黄土层含一定磨圆的砾石和粗砂,无明显层理,含水性较差,密实,质地较为坚硬,平均层厚度约2m;层④为黄土层夹细砂及少量砾石,呈左厚右薄的楔状形态发育,平均层厚度约1m;层⑤主要是断层带物质,被2条断层夹持在中间,主要物质为黄土和粗砂及少量砾石,质地密实,坚硬,可见水平层理。


图 7 点f探槽揭示结果 Fig. 7 The results revealed by the trench

图 7揭示出2条断层的上断点和下端分别发生了归并。该断裂表现为正断层运动性质,走向北东,倾向南东,倾角约70°。该断裂F1活动明显断错了层③,可见垂直断距约1.5m。上覆层②下部未发现断错,上覆地层①也没有发生断错。为了进一步揭示该处的最新活动时代,野外工作采集了4个光释光(OSL)年代学样品,采样位置见图 7,并在中国地震局地质研究所新构造年代学实验室采用SMAR细颗粒石英方法完成年代测试,最终测试结果见表 1图 8。探槽剖面和年代测试结果表明,嫩江断裂带北段在(80.9±4.6)—(62.9±2.3)ka BP曾发生1次强烈古地震事件。

表 1 嫩江断裂北段光释光年代测试结果 Table 1 The OSL dating results of samples from the northern section of the NJFZ

图 8 样品年代曲线 Fig. 8 Curves of the OSL samples

根据断裂最新活动时代、位移量、地表破裂长度和震级的经验统计关系式(1)、(2)(邓起东,1992),可以估算该古地震事件的震级约7.1—7.3级,小于该震级的地震一般不会造成地表破裂。同时,考虑到断裂沿线基岩崩塌滑坡可能对应的Ⅸ—Ⅹ度地震烈度,根据震中烈度与震级的经验关系(闻学泽,1995汤兰荣等,2017)可知,该古地震震级应不低于MS 7.0。因此,综合断裂的最新活动时代、陡坎高度、地表破裂长度、烈度和震级的经验关系,将发生在(80.9±4.6)—(62.9±2.3)ka BP的这次古地震的震级估算为MS 7.1—7.3(表 2)。

表 2 嫩江断裂北段古地震事件强度估算 Table 2 The estimated magnitude of the paleso-earthquake occurred in northern section of the NJFZ
$ {M_{\rm{S}}} = 5.90 + \lg L + \lg D $ (1)
$ {M_{\rm{S}}} = 0.80\lg L + 6.11 $ (2)

其中,LD分别代表地表的破裂长度(km)与垂直位移量(m)。

3 主要结果与讨论

通过野外地表地质调查,发现了嫩江断裂带北段的2个新活动段。其中,镇赉段走向N45°E,长约70km,主要发育在盆山过渡边界,地表发育高约1—2m的地貌陡坎、古地震崩塌和基岩滑坡遗迹等特征;龙江段走向N55°E,长约20km,主要沿河谷西侧断续出露,主要特征包括地层揉皱变形、近垂直擦痕、基岩崩塌、断塞塘和基岩断层面等。探槽古地震工作揭示嫩江断裂带北段在(80.9±4.6)—(62.9±2.3)ka BP曾发生1次震级约7.1—7.3级的古地震事件,嫩江断裂属晚更新世断裂。

致谢: 野外调查和探槽古地震研究得到了中国地震局地质研究所周本刚研究员、闵伟研究员和中国地震局地震预测研究所田勤俭研究员的指导与帮助,黑龙江省地震局韦庆海、欧阳兆国、张立忱、孙海峰和康健等协助完成了野外工作,在此表示谢意。
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