引言

印度板块与欧亚板块碰撞后持续的北向推挤和俯冲作用导致了青藏高原的隆升,并形成不同活动性质的大型断裂(Tapponnier等,2001Xu等,2009Luo等,2019罗浩等,2020)。可根据大型走滑断裂和逆断裂将青藏高原划分为多个活动块体(Deng等,2003),其中,位于青藏高原中部的巴颜喀拉块体边界断裂带大震频发,1997年以来曾发生大于7级的地震8次,2001年昆仑山口8.1级地震为近年来我国大陆发生的最大地震(Xu等,2002),2008年汶川8.0级地震和2010年玉树7.1级地震造成了巨大人员伤亡和财产损失(Xu等,2009Lin等,2011),最近一次强震为2021年5月22日玛多县7.4级地震。

绝大部分7级以上地震虽发生在活动块体边界,但位于活动块体内部的次级活动断裂也有发生7级以上地震的可能(邓起东等,2003)。五道梁-曲麻莱断裂系位于巴颜喀拉块体内部,由2条近平行的断裂组成,在断裂西段称为五道梁南山南缘断裂和五道梁南山北缘断裂。由于该断裂系地处青藏高原腹地,关于其晚更新世以来活动特征的研究较少。由Google earth影像解译和青藏公路两侧的五道梁南山断裂系野外考察可知,该断裂系所处地区发育多排断层陡坎。通过开展断错地貌分析、光释光样品采集和测试等工作,限定了断裂系滑动速率等参数,讨论了研究区晚更新世以来可能的大震活动特征,为研究区晚更新世以来断裂活动性研究提供参考。

1 研究区构造概况

已有学者将青藏高原划分为5个活动块体,巴颜喀拉块体位于青藏高原中部,由南侧马尔盖查卡—玉树—鲜水河断裂、北侧东昆仑断裂、东侧龙门山—岷山断裂系和西侧阿尔金断裂西南段所围限(邓起东等,2003),整体表现为南东向的挤出(Zhang等,2004)。与巴颜喀拉块体几何结构和运动学特性相匹配,块体边界大地震具有不同类型。巴颜喀拉块体南、北两侧边界断裂以发生走滑型地震为主(Van Der Woerd等,2000Zhang等20162018Huang等,2019);东部边界构造带上以发生挤压型地震为主(Liu等,2009Xu等,2009);西侧边界为阿尔金断裂西段拉张区,以发生正走滑型地震为主(Xu等,2013徐锡伟等,2017)。

五道梁-曲麻莱断裂系是巴颜喀拉块体中部1条重要构造带,总体走向NWW,向东转为NW向。该构造带西起可可西里湖南侧,向东经五道梁、曲麻莱至清水河后进入四川省石渠县境内,全长约800 km(图1)。断裂带形成于燕山期,新生代活动显著,切错了沿带分布的新生代盆地。在曲麻莱、清水河等地可见上三叠统地层逆冲于第三系红层之上。地貌上发育断层崖、垭口和断层谷,可见泉水沿断裂呈线性分布。研究区内五道梁-曲麻莱断裂系2条分支断裂分别位于五道梁南山两侧,断错了一系列洪积扇和河流阶地。


F1:东昆仑断裂;F2:五道梁南山北缘断裂;F3:五道梁南山南缘断裂;F4:玉树-甘孜断裂西段
图 1 五道梁南山及其周缘地区活动断层分布图 Fig. 1 Active faults map of the Wudaoliang and its adjacent regions
2 五道梁南山北缘断裂

通过Google Earth影像解译,得到研究区内五道梁南山北缘断裂分布,如图2所示。该断裂总体走向N80°W~N85°W,由东、西2支次级断层组成,以逆冲变形为主。在五道梁镇南侧构成一小型阶区,阶区距宽约2.5 km。阶区东侧主要发育沿五道梁南山北缘展布的断裂,阶区西侧洪积扇上发育2条近似平行的断裂,相距约600 m。


图 2 五道梁南山北缘断裂分布图 Fig. 2 Faults along Northern margin fault of Wudaoliang southern mountain

在阶区西侧2条近似平行的次级断裂上各选择1个典型地貌进行无人机航拍,获取正射图像和高精度DEM,如图3(a)3(b)所示,分辨率为20 cm。北侧次级断裂研究点位于二级洪积扇上,野外考察发现断层陡坎受后期侵蚀作业在小范围内发生明显弯曲,自由面新鲜,陡坎下部内凹,如图3(c)所示。该地区位于可可西里腹地,植被以高原草甸为主。陡坎中上部地层植被根系发育,具有极强的水土保持能力,陡坎下部地层相对易受风掏蚀作用。因此,该地区陡坎退化以中上部地层失稳、重力垮塌为主,形成目前的陡坎发育特点,如图3(c)所示。


图 3 五道梁南山北缘断裂北侧次级断裂断错地貌特征 Fig. 3 Displaced platform of northern secondary fault of the northern margin fault

基于高精度DEM数据,垂直于断裂提取2条地形剖面(图3(b))。剖面A—A′揭示该次级断裂陡坎高度为3.6 m,如图4(a)所示。剖面B—B′揭示断层陡坎高度为3.8 m,如图4(b)所示。人工清理的剖面揭示该洪积扇顶部以粉砂含粗砾沉积为主(图3(d)),选择光释光测年方法作为地貌面定年手段,在据地表70 cm的位置采集了光释光样品,并获得其年龄为(14.38±1.52)ka,可推断洪积扇的形成时代应为(14.38±1.52)ka。根据采样剖面沉积序列可知该洪积扇形成于玉木冰期之后,玉木冰期结束时代约为14 ka。因此将该洪积扇的形成时代定为(14.38±1.52)ka较合适。结合2条剖面获得的陡坎高度,可知该次级断裂垂直滑动速率为(0.27±0.03)mm/a。


图 4 五道梁南山北缘北侧次级断裂陡坎剖面 Fig. 4 Scarp profiles of northern secondary fault of the northern margin fault

南侧陡坎研究点位于一级洪积扇上,北缘断裂在该洪积扇上形成明显的线性陡坎(图5),由长度数十米至数百米的多个次级段落组成,单个段落走向100°左右,呈右阶排列,阶距数米至数十米。基于DEM数据(分辨率为6 cm)获取2条垂直于陡坎的地形剖面,2条剖面均显示断层陡坎的高度约为2.5 m(图6)。


图 5 五道梁南山北缘南侧断裂断错地貌 Fig. 5 Displaced platform of southern secondary fault of the northern margin fault

图 6 五道梁南山北缘南侧断裂陡坎剖面 Fig. 6 Topographic profiles of southern secondary fault of the northern margin fault

《青藏铁路昆仑山口-桑雄段活动断层鉴定报告》显示,某热释光样品位于粉砂层中下部,年龄为(4.2±0.36)ka。该年龄应略小于洪积扇形成年龄,基于此计算的滑动速率可能偏大。结合陡坎高度得到南侧次级断裂垂直滑动速率为(0.60±0.05)mm/a。北侧次级断裂在一级洪积扇上形成了断层陡坎,可认为2条次级断裂在晚更新世以来同时活动。因此,五道梁南山北缘断裂滑动速率应为2条次级断裂速率的叠加,为(0.86±0.09)mm/a。

3 五道梁南山南缘断裂

五道梁南山南缘断裂位于五道梁南山南缘,西起贡冒日玛山东麓,向东穿过青藏公路,沿五道梁山南缘止于白日榨加以东,总体走向N85°W,全长>200 km,是五道梁南山南缘边界断裂。该断裂北倾,具有逆断层活动性质,主要表现为上三叠统深灰色板岩逆冲到渐新统紫红色砂泥岩和第四系地层之上,断裂控制了两侧的基本地貌格局,成为五道梁南山与其南部盆地之间的天然分界线,断裂带沿线可见断层三角面等断错地貌。

研究区内五道梁南山南缘断裂由几条次级断层右阶排列组成,最大阶区宽度可达1.5 km(图7)。在青藏公路两侧保存有1条十分清晰的断层陡坎,总体走向近EW,断错了公路两侧一、二级洪积扇(图8)。两级洪积扇面上覆盖良好的草皮,较好地保存了原有断层陡坎形状(图9)。垂直于断层陡坎发育的小冲沟未见明显左旋错动。


图 7 五道梁南山南缘断裂地表破裂带分布图 Fig. 7 Faults along southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

图 8 五道梁南山南缘断裂实测地貌特征 Fig. 8 Displaced landform of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

图 9 五道梁南山南缘断裂两级洪积扇上地貌断错特征 Fig. 9 Displaced diluvial fans of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain

利用无人机对五道梁南山南缘断裂两级洪积扇断错地貌进行测量,得到该区域高精度DEM,分辨率为10 cm(图8)。基于DEM数据获得了两级洪积扇上垂直于断层陡坎的4条地形剖面,可知二级洪积扇上的陡坎高度为(3.3±0.1)m,一级洪积扇上的陡坎高度为(1.7±0.1)m(图10)。在一级洪积扇粉砂沉积中下部采集了光释光样品,采样深度为50 cm,获得该洪积扇最小形成年代为距今(3.88±0.78)ka,该年龄略小于一级洪积扇形成时代。中国地震局工程地震研究中心曾采用热释光测年方法获得二级洪积扇形成年代为(12.3±1.05)ka。结合断错地貌面形成时代和陡坎高度得到全新世中期以来断裂垂直滑动速率为(0.49±0.12)mm/a,晚更新世晚期以来断裂垂直滑动速率为(0.27±0.03)mm/a,平均滑动速率为(0.43±0.19)mm/a。


图 10 五道梁南山南缘断裂在两级洪积扇上形成的陡坎纵剖面 Fig. 10 Topographic profiles of southern margin fault of Wudaoliang southern mountain
4 讨论
4.1 断裂活动特征

研究区五道梁南山南北两侧地貌近似,发育两级洪积扇,一级洪积扇形成于全新世中期,二级洪积扇形成于晚更新世。两侧一级洪积扇上的陡坎高度分别为2.5、(1.7±0.1)m,二级洪积扇上陡坎高度分别为(3.7±0.1)(3.3±0.1)m。可见五道梁南山两侧断裂一、二级洪积扇上陡坎高度近似呈倍数关系,说明二级洪积扇面上的陡坎可能为2次或多次古地震事件叠加形成的复合陡坎。

在青藏高原地区,一般6.5级以上的地震引发地表破裂(徐锡伟等,2017)。邓起东等(1992)曾对中国及东亚地区地震地表破裂参数与震级的关系进行统计。在青藏高原逆断裂活动地区,垂直同震位移(D)与地震震级(M)的关系为:

$ M = 7.00 + 1.05\lg D $ (1)

如果认为一级洪积扇上的陡坎由1次古地震事件形成,推测五道梁南山两侧断裂的最新地震活动震级为7.2~7.4级。如果认为二级洪积扇上的陡坎由2次古地震事件形成,则2次古地震复发间隔为两级洪积扇形成时代之差,可达8 000余年。垂直滑动速率全新世中期以来未明显升高,可能由以下原因引起:(1)一级阶地记录的地质时代时间较短,未能完整覆盖古地震复发间隔,根据一级洪积扇断错地貌获取的滑动速率偏大,晚更新世以来滑动速率可能近似一致;(2)获取的一级阶地形成时代年龄偏小。

如果一级洪积扇上的陡坎由2次古地震事件形成,则断裂系最新地震活动推测震级为6.9~7.1级,全新世中期以来断裂系大震复发周期可能为2 000~3 000年,垂直滑动速率具有增高的趋势。

无论一级洪积扇上的陡坎是由1次还是2次古地震事件形成,五道梁南山断裂系大震复发周期均较长,说明巴颜喀拉块体内部活动断层变形速率虽较低,仍可触发长复发间隔7级以上强震。

4.2 区域构造变形特征

五道梁南山北缘断裂形成于38.2~31.0 Ma(朱利东,2004),切割深度>60 km,为岩石圈深断裂带(谢成良等,2012)。五道梁南山南缘断裂为北缘断裂分支断裂,共同组成y字形断裂系,控制五道梁南山的隆起。基于影像解译,沿五道梁南山南缘和北缘断裂未发现冲沟或阶地,显示出连续的左旋走滑特征,断裂虽存在一定的左旋走滑分量,可能是因为断裂系活动较弱,左旋位移受后期侵蚀而消失。该断裂系位于巴颜喀拉块体内部,在其西侧未形成明显的拉分盆地,因此可认为断裂系西段以逆冲活动为主。位于巴颜喀拉块体南、北边界的东昆仑断裂和甘孜—玉树断裂以左旋走滑为主,说明青藏高原侧向挤出主要集中于构成活动块体边界的大型断裂带,而位于其内部的次级断裂承担了青藏高原近南、北向缩短分量,未大规模承担高原侧向挤出活动。

五道梁南山断裂系挤压速率可按下式计算:

$ \tan \left(\theta \right) = V/H $ (2)

其中:θ表示断层倾角;V表示垂直滑动速率;H表示水平挤压速率。开挖探槽揭示了五道梁南山北缘断裂近地表倾角平均为60°,大地电磁测深剖面揭示该断裂倾角同样约为60°(谢成良等,2012)。本研究未获得南缘断裂倾角,参照北缘断裂倾角60°进行计算。基于获得的2条断裂垂直速率,可判断南、北缘断裂缩短速率分别为(0.25±0.11)(0.50±0.05)mm/a,五道梁南山断裂系吸收青藏高原南、北向总缩短速率为(0.75±0.16)mm/a。

5 结论

(1)基于高分辨率卫星影像解译,发现五道梁-曲麻莱断裂系西段由2支次级断裂组成,分别位于五道梁南山南、北两侧,以逆断层活动为主。五道梁南山北缘断裂为主断裂,与南缘断裂组成y字形断裂系,共同控制了五道梁南山的隆起。

(2)五道梁-曲麻莱断裂系西段以逆冲活动为主,结合洪积扇断错地貌分析和光释光测年结果,可知五道梁南山南、北缘断裂缩短速率分别为(0.25±0.11)(0.50±0.05)mm/a,。

(3)基于经验公式和断错地貌推测可知,南、北缘断裂可能曾发生7.2~7.4级地震,大震复发周期长达8 000余年;如果一级洪积扇上的陡坎由2次古地震事件形成,则断裂系最新地震活动推测震级为6.9~7.1级,全新世中期以来断裂系大震复发周期可能为2 000~3 000年,滑动速率可能具有升高趋势。

参考文献
邓起东, 于贵华, 叶文华, 1992. 地震地表破裂参数与震级关系的研究. 见: 国家地震局地质研究所主编, 活动断裂研究(2). 北京: 地震出版社, 247—264.
邓起东, 张培震, 冉勇康等, 2003. 中国活动构造与地震活动[J]. 地学前缘, 10(S1): 66-73.
Deng Q. D., Zhang P. Z., Ran Y. K., et al., 2003. Active tectonics and earthquake activities in China[J]. Earth Science Frontiers, 10(S1): 66-73.
罗浩, 徐锡伟, 刘小利等, 2020. 阿尔金断裂东段的构造转换模式[J]. 地质学报, 94(3): 692-706.
Luo H., Xu X. W., Liu X. L., et al., 2020. The structural deformation pattern in the eastern segment of the Altyn Tagh fault[J]. Acta Geologica Sinica, 94(3): 692-706. DOI:10.3969/j.issn.0001-5717.2020.03.002
谢成良, 叶高峰, 魏文博等, 2012. 藏北高原主要断裂带电性结构特征[J]. 地球物理学报, 55(12): 3991-4002.
Xie C. L., Ye G. F., Wei W. B., et al., 2012. Electrical features of the main faults beneath northern Tibetan Plateau[J]. Chinese Journal of Geophysics, 55(12): 3991-4002. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.12.011
徐锡伟, 吴熙彦, 于贵华等, 2017. 中国大陆高震级地震危险区判定的地震地质学标志及其应用[J]. 地震地质, 39(2): 219-275.
Xu X. W., Wu X. Y., Yu G. H., et al., 2017. Seismo-Geological signatures for identifying M≥7.0 earthquake risk areas and their premilimary application in mainland China[J]. Seismology and Geology, 39(2): 219-275. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.02.001
朱利东, 2004. 青藏高原北部隆升与盆地和地貌记录. 成都: 成都理工大学, 1—197.
Zhu L. D., 2004. Uplift of the North of Qinghai-Tibet plateau and record in basins and geomorphy. Chengdu: Chengdu University of Technology, 1—197. (in Chinese)
Deng Q. D., Zhang P. Z., Ran Y. K., et al., 2003. Basic characteristics of active tectonics of China[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 46(4): 356-372.
Huang X. M., Jing Z. J., Xie F. R., et al., 2019. Late quaternary slip rate of the east segment of the Yushu fault in the central-eastern Tibetan Plateau[J]. Quaternary International, 532: 146-156. DOI:10.1016/j.quaint.2019.11.029
Lin A. M., Rao G., Jia D., et al., 2011. Co-seismic strike-slip surface rupture and displacement produced by the 2010 Mw 6.9 Yushu earthquake, China, and implications for Tibetan tectonics[J]. Journal of Geodynamics, 52(3—4): 249-259. DOI:10.1016/j.jog.2011.01.001
Liu-Zeng J., Zhang Z., Wen L., et al., 2009. Co-seismic ruptures of the 12 May 2008, Ms 8.0 Wenchuan earthquake, Sichuan: East-West crustal shortening on oblique, parallel thrusts along the eastern edge of Tibet[J]. Earth and Planetary Science Letters, 286(3-4): 355-370. DOI:10.1016/j.jpgl.2009.07.017
Luo H., Xu X. W., Gao Z. W., et al., 2019. Spatial and temporal distribution of earthquake ruptures in the eastern segment of the Altyn Tagh fault, China[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 173: 263-274. DOI:10.1016/j.jseaes.2019.01.005
Tapponnier P., Xu Z. Q., Roger F., et al., 2001. Oblique stepwise rise and growth of the Tibet Plateau[J]. Science, 294(5547): 1671-1677. DOI:10.1126/science.105978
Van Der Woerd J., Ryerson F. J., Tapponnier P., et al., 2000. Uniform slip-rate along the Kunlun Fault: Implications for seismic behaviour and large‐scale tectonics[J]. Geophysical Research Letters, 27(16): 2353-2356. DOI:10.1029/1999GL011292
Xu X. W., Chen W. B., Ma W. T., et al., 2002. Surface rupture of the Kunlunshan earthquake (Ms 8.1), northern Tibetan Plateau, China[J]. Seismological Research Letters, 73(6): 884-892. DOI:10.1785/gssrl.73.6.884
Xu X. W., Wen X. Z., Yu G. H., et al., 2009. Coseismic reverse- and oblique-slip surface faulting generated by the 2008 Mw 7.9 Wenchuan earthquake, China[J]. Geology, 37(6): 515-518. DOI:10.1130/G25462A.1
Xu X. W., Tan X. B., Yu G. H., et al., 2013. Normal- and oblique-slip of the 2008 Yutian earthquake: evidence for eastward block motion, northern Tibetan Plateau[J]. Tectonophysics, 584: 152-165. DOI:10.1016/j.tecto.2012.08.007
Zhang J., Wen X. Z., Cao J. L., et al., 2018. Surface creep and slip-behavior segmentation along the northwestern Xianshuihe fault zone of southwestern China determined from decades of fault-crossing short-baseline and short-level surveys[J]. Tectonophysics, 722: 356-372. DOI:10.1016/j.tecto.2017.11.002
Zhang P. Z., Shen Z. K., Wang M., et al., 2004. Continuous deformation of the Tibetan Plateau from global positioning system data[J]. Geology, 32(9): 809-812. DOI:10.1130/G20554.1
Zhang Y. S., Yao X., Yu K., 2016. Late-Quaternary slip rate and seismic activity of the Xianshuihe fault zone in Southwest China[J]. Acta Geologica Sinica (English Edition), 90(2): 525-536. DOI:10.1111/1755-6724.12688