云南省桃源水库枢纽工程区断裂构造特征与活动性

2021-04-02何付明，谭志华

人民长江 2021年3期

何付明，谭志华

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明 650021)

龙蟠-乔后断裂构造带是一条区域性深大断裂构造带，也是一级大地构造的分界构造带，其规模大、活动性强、地震活动频繁，对滇西北地区的区域构造稳定有着重要影响，也是国家地震局重点监测的活动性断裂之一。桃源水库设计规模为大(二)型，枢纽工程位于剑川和沙溪两大断陷盆地之间，地处龙蟠-乔后断裂构造带的南段。在水库工程可研阶段的勘测过程中，于下坝址区新发现了桃源断裂(F104)、刀郭断裂(F107)、合江村断裂(F102)等3条规模较大的断裂构造，并与已知的龙蟠-乔后断裂(F35)平行发育，形成宽大构造带，带内的构造地质、地震地质、工程地质及水文地质条件极其复杂，工程地质问题十分突出，尤其是断裂构造带规模及其主要断裂的活动性是坝址比选的关键性乃至决定性依据。

目前，前人对龙蟠-乔后断裂构造段南段的研究成果主要集中于主干断裂(F35)[1-4]和剑川、沙溪等构造盆地内的新构造活动(包括地震)等方面，而尚无对剑川-沙溪段(包括水库工程区)的断裂构造带规模，以及桃源断裂(F104)、刀郭断裂(F107)和合江村断裂(F102)等主要断裂构造的相关研究成果。本文通过对桃源水库枢纽工程区的断裂构造带规模及主要断裂构造发育特征、相互关系及其活动性等进行了全面、详细研究，进一步补充和丰富了龙蟠-乔后断裂构造带南段的构造地质、地震地质等内容，也为水库的工程设计提供了可靠和关键性的地质成果，其研究成果具有重要的理论研究价值和现实意义。

1 区域地质构造背景

研究区的地质构造行迹主要表现为以近S-N向构造带与NNE-NE向构造带为基本骨架，复合有近E-W向构造的构造格局，构造特征以断裂构造发育为主，褶皱构造较不发育。断裂构造主要发育洱海断裂、洱源-鹤庆断裂、剑川-丽江断裂、龙蟠-乔后断裂、弥沙河断裂(即维西-巍山断裂中段)、罗坪山断裂等区域性断裂，如图1所示。其中洱海断裂、龙蟠-乔后断裂、洱源-鹤庆断裂和剑川-丽江断裂属全新世活动断裂，弥沙河断裂为晚更新世活动断裂[5]。

注：F35为龙蟠-乔后断裂；F1为怒江断裂；F2为澜沧江断裂；F3为马凳-永平断裂；F4为维西-巍山断裂；F5为罗坪山断裂；F6为金沙江断裂；F7为剑川-丽江断裂；F8为洱源-鹤庆断裂；F9为洱海断裂；F10为程海-宾川断裂图1 构造纲要示意Fig.1 Tectonic outline diagram

龙蟠-乔后断裂构造带是中甸-剑川断裂构造带的南段，为松蟠-甘孜褶皱系与扬子准地台两个一级大地构造的分界构造带，属区域性控制断裂和区域性构造分区断裂，明显控制着区内古生代以来的地层形成和次级构造发育。断裂带南起乔后，北至龙蟠，长约120 km[6]，总体呈NNE-SSW向展布，断裂带宽约数百米至数公里[7]。断裂形成于早古生代以前，经历了长期、多期活动，以向东倾的逆冲压性为主，局部地段具纵张性质；第三纪以前以右旋走滑运动为主，第四纪早更新世中晚期才转化为左旋走滑运动[8]。第四纪以来活动强烈，沿断裂带发育有乔后、沙溪、剑川、九河及龙蟠等断陷盆地，堆积物一般厚约100～300 m[9]。

2 主要断裂发育特征及第四纪活动特征

桃源水库地处沙溪与剑川两断陷盆地之间的龙蟠-乔后断裂断裂带上，北临剑川盆地南部边缘，自西向东依次平行发育龙蟠-乔后断裂(F35)、桃源断裂(F104)、刀郭断裂(F107)和合江村断裂(F102)等4条主要断裂构造，间距400～1200 m，分布宽度约4 km，其间还发育F109断层、F100断层和桃源背斜等次级构造，南部边缘发育F108、F105断层等，构造线主要呈NNE-SSW向间夹NE-SW向、NNW-SSE向，如图2所示。

主要断裂的第四纪活动特征，主要表现为线状断错了桃源河和西北部近的支流、冲沟等水系，以及桃源盆地和剑川盆地西南边缘一带的第四系堆积物。黑惠江上游及剑川盆地边缘河流阶地沉积物的释光样(TL)和14C测龄资料统计[3，5，10-12]，结果如表1所列。由表1可知：水库工程区及附近的Ⅰ级阶地形成于全新世早-中期，阶地堆积时间约3 000.0～1.0万a；Ⅱ级阶地形成于晚更新世中-晚期，阶地堆积时间约1.0万～3.8万a；Ⅲ级阶地形成于晚更新世早-中期，阶地堆积时间约3.5万～7.0万a；Ⅳ级阶地形成于晚更新世早-中更新世晚期，阶地堆积时间约7.0万～12.0万a。本文也主要依据上述统计成果对水库工程区主要断裂的活动性进行判定和研究。

表1 黑惠江上游及剑川盆地边缘河流阶地沉积物测年成果汇总Tab.1 Summary of sediment dating results in the upper reaches of the Heihuijiang river and the margin of the Jianchuan basin

2.1 龙蟠-乔后断裂(F35)

龙蟠-乔后断裂(F35)是一条区域性边界断裂，也是工程区发育规模最大的控制性断裂，区内自明涧哨沿黑好果河，经桃源坝子西部边缘的上桃源村向北延伸至江长门。断裂横穿上、下坝址之间，分别距上、下坝址约0.65，1.8 km，对工程影响较大。

断裂呈NNE-SSW向发育，延伸长度大于70 km，性质复杂，工程区内第四纪以来表现为张性左旋走滑性质，断裂面产状12°/SE∠76°，倾向SEE，倾角较陡。破碎带宽约700～800 m，断层物质主要为构造角砾岩、压碎岩、碎粒岩和碎粉岩夹糜棱岩，片理和透镜状构造岩十分发育，局部形成鳞片状，岩石动力变质和片理化明显，上桃源村附近错断晚更新统地层中的卵砾石[13]。断裂两盘地层分布差异明显，上盘为古生界奥陶系和泥盆系地层；下盘为新生界下第三系碎屑岩，南部古生界基底岩石片理化、千枚化等变质现象明显。地貌特征反映也比较显著，主要表现为：南段(明涧哨-沙溪)沿断裂发育深切干谷，两岸发育陡壁和断层三角面，谷底沿断裂方向平行发育多条下切活冲沟，上宽15～40 cm，可见深度大于1.2 m；中段在上桃源村附近错断桃源河，错距达 1 040 m，被错河道两端构成直角转弯现象(见图2)；北段(江长门、后箐村一带)近东-西向发育的山脊、水系多被错断。

图2 桃源水库工程区综合地质示意Fig.2 Comprehensive geological map of Taoyuan reservoir engineering area

众所周知，龙蟠-乔后断裂(F35)是一条长期、多期活动的断裂，晚更新世以来在工程区及附近的活动表现明显，属全新世活动断裂。上桃源村与中桃源村之间的公路边开挖剖面上，可见断层断错Ⅲ级阶地堆积物和下伏基岩(见图3)，断层发育特征及断错现象明显，压性，产状163°/NE∠75°，破碎带宽1.8～2.0 m，错距达2.7 m，但未错动表层腐殖层。桃源盆地原呈近东西向的长型展布，受该断裂左旋走滑活动影响，盆地中、西部和桃源河被断错达1 043 m，平均水平位错率为3.36 mm/a[13]，同时错断盆地内分布广泛的Ⅰ级阶地堆积物(Q4)，并控制上桃源村附近河流的发育和现代河床的发展。盆地西南采石场揭露的断裂构造岩十分破碎，架空现象明显，无-泥夹碎块石半充填，局部为钙质弱胶结，岩体结构普遍疏松，类似松散堆积体，如图4所示。

图3 上桃源村与中桃源村之间的断层剖面Fig.3 Fault profile between Shangtaoyuan village and Zhongtaoyuan village

图4 桃源盆地右岸山脊采石场的构造岩结构(镜向SE)Fig.4 Tectonite structure of the ridge quarries on the right bank of the Taoyuan basin(mirror SE)

2.2 桃源断裂(F104)

桃源断裂(F104)自沙溪盆地东部边缘经黑惠江左岸，穿过合江电站库区延伸至桃源盆地的东部边缘，向北隐伏于剑川盆地，长约20 km，呈舒缓弯曲状沿近南北向发育，见图2。断裂横穿下坝址枢纽区上游，距坝轴线仅250 m，对下坝址枢纽建筑物的安全影响极大。

据野外地质测绘钻孔勘探和EH4物探剖面(见图5)测试成果，该断裂向东陡倾，破碎带宽约200～300 m、发育深度大于600 m，由多条断层和断块构成，断层物质主要为构造角砾岩、压碎岩夹碎粒岩和碎粉岩，断裂两盘地层存在缺失或重复现象。沿断裂带多分布有条带状槽谷地貌和鞍部地形，并呈线状断续发育断层崖和断层三角面。此外，黑惠江右岸临近山顶位置的断裂下(西)盘影响带内发育一条NE-SW向地面裂缝，长约100 m、宽约1.5～2.0 m、垂直错差3～5 m；山脊鞍部垭口地面以下209～2 016 m处(分布高程2 168～2 175 m)发育高约7 m的非溶蚀形成的空洞，粉细砂夹黏土层全充填，且 170 m以下还分布强-中等透水层，地下水埋深达226.52 m。

图5 桃源断裂EH4物探测试影像Fig.5 Geophysical test image of the Taoyuan fault EH4

勘察期间，在桃源断裂(F104)上、下游分布布置ZK12和ZKX1钻孔，孔口高程分别为2 195.32，2 190.46 m，高程相差4.86 m。ZK12钻孔揭示上游桃源盆地的第四系现代河湖相堆积物厚31.98 m，下伏基岩为奥陶系下统向阳组长石石英砂岩，基岩面分布高程2 163.34 m；ZKX1钻孔揭示下游峡谷河床第四系堆积物厚 5.3 m，下伏基岩为泥盆系下统青山组碎裂状灰岩，基岩面分布高程2 185.16 m。ZK12、ZKX1钻孔资料表明，上游桃源盆地内的第四系堆积物比下游峡谷段的河床堆积物厚26.68 m，基岩面高程比下游低21.82 m，沿桃源河河床呈现断裂上、下两盘的第四系河床堆积物成分、厚度和基岩面高程差异极大，且上游河床低于下游河床达21.82 m的异常现象，说明桃源断裂(F104)自晚更新世以来活动强烈，主要表现为强烈的垂直差异升降运动，同时控制着断裂附近桃源河的发展及桃源盆地内堆积物的形成与沉积厚度。

根据断裂倾向、两盘的地层接触关系、上下游河床基岩面的分布高程及下坝址区现代岩溶发育特征等综合分析可知：桃源断裂性质较复杂，同样存在多期活动，早期为张性，后期主要表现为压性，导致上盘上升、河流下切形成深切峡谷地貌，下盘下降接受河流沉积，堆积形成厚约30多米的桃源山间盆地。

除上述下坝址附近的多个断裂活动特征外，在姑扎乃河左岸剑兰老公路超限超载检测站旁形成于晚更新世晚期的Ⅱ级阶地上，发育f1、f2两条断层，其中f1明显断错黏土层、砂层和砾石层，错距2.7 m；f2断错黏土层和细砂层，垂直错距约0.5 m，但均未断错地表的腐殖层，如图6所示，说明断裂为晚更新世活动断裂。

图6 剑-兰老公路超限检测站旁的断层剖面Fig.6 Fault profile at Jian-lanlao highway overlimit detection station

2.3 合江村断裂(F102)

该断裂位于水库下游的印盒村-合江村一带，距下坝址区约0.8 km，为断裂构造带的东部边界断裂(见图2)。断裂北端隐伏于剑川盆地，北段沿黑惠江上游河谷发育，中段沿黑惠江右岸分布，南段沿沙溪盆地东部边缘分布并交汇于沙溪菱形构造的东南段，长约20余千米，走向呈NNE-SSW向，倾向东，倾角较陡，属张性断裂。

沿断裂带呈线状分布大量压碎岩、构造角砾岩、碎粒岩及碎粉岩等构造岩，破碎带一般宽约200～300 m，局部达400余米。北段沿黑惠江左岸发育直线状陡崖，盆地边缘的江尾村附近出露低温温泉(水温21 ℃、流量约600 L/s)，中段及南段沿断裂带断续发育条带状低洼地形和线状断层陡崖地貌。垂直黑惠江分别在合江村上、下游布置两条EH4物探测试剖面，影像资料所反映的地质界面(即断裂东部边界)极其明显，断裂发育深度大于500 m，如图7所示。

图7 合江村断裂EH4物探测试影像Fig.7 Geophysical test image of Hejiangcun fault EH4

根据野外地质调查，合江村断裂(F102)的活动迹象集中分布于剑川盆地南部边缘印盒村附近的黑惠江沿岸。印盒村西南黑惠江临江左岸发育的Ⅰ级阶地上，道路开挖后清晰可见断层明显断错全系统形成的砾质土层、砂砾石层和卵砾石层，垂直断距约1.3 m，如图8所示。

图8 印盒村西南黑惠江岸边的断层剖面Fig.8 A fault profile on banks of the Heihui river in southwest of the Yinhe village

据资料[10]，剑川盆地全新世以来发生过3次大于6.5级的古地震，并造成地面发生不同程度的破(断)裂和位移，西中村委会附近发现的最大断距约1 m，如表2所列，而图8剖面距古地震主要分布区域仅4 km。根据断层的断错特征及断层面的充填物特性判断，该断层可能形成于6 300 a前的那次地震(即地震事件2)。由此可知，合江村断裂(F102)在全新世中期还与龙蟠-乔后断裂(F35)一起活动过，同理该断裂也是全新世活动断裂。

表2 剑川盆地大于6.5级的古地震Tab.2 Paleoearthquakes greater than 6.5 in Jianchuan basin

2.4 刀郭断裂(F107)

该断裂发育于桃源断裂(F104)与合江村断裂(F102)之间，横穿下坝址枢纽区下游，距坝轴线也仅340 m，对下坝址枢纽建筑物安全影响极大。断裂自剑川盆地南部边缘的刀郭采石场向南于下坝址下游的龙王庙附近横穿桃源河，在合江村以南约0.9 km处横穿黑惠江后向南延伸至龙尾山附近归并于合江村断裂(F102)，北端隐伏于剑川盆地、南端归并后交于沙溪菱形断块东部边界断裂，呈NNE-SSW向展布，延伸长度大于10 km，属右旋走滑断裂，如图2所示。

沿断裂呈线状断续分布构造岩和构造破碎带，构造岩主要为构造角砾岩、碎粒岩、碎粉岩、糜棱岩夹断层泥，破碎带一般宽约200～300 m。刀郭采石场附近沿断裂发育顺直型深切沟谷；桃源河两岸沿断裂发育对称型深切冲沟，并错断桃源河，错距达210 m，河道形成两次明显的直角转弯现象；黑惠江右岸发育狭窄深切冲沟，左岸分布长约2 km的宽缓低洼槽谷地形；圆包包村西北附近呈线状、近南-北向断续发育长约1.8 km的陡崖。

KD1平硐揭示，洞口至47.3 m段为构造压碎岩夹构造角砾岩，47.3 m～55.0 m段均为构造糜棱岩(见图9)；ZKh1、ZKh2钻孔揭示，孔深14.4～65.8 m和孔深0.7～33.5 m段均为构造糜棱岩夹断层泥(见图10)，其他孔段为构造压碎岩夹构造角砾岩。钻孔和平硐勘探资料显示，刀郭断裂由多个挤压面或断层构成，至少发育3条以上的糜棱岩带，且夹大量断层泥，其中糜棱岩带宽度约8～70 m，断层泥厚约0.5～2.3 m，断层面产状16°/E∠58°。

图9 KD1平硐揭露的糜棱岩带Fig.9 Mylonite belt exposed by KD1 adit

图10 下坝址下游原合江村石料场揭露的构造糜棱岩夹断层泥Fig.10 Structural mylonitic sandwiched fault gouge revealed by at the original Hejiang village stone material field at downstream of the lower dam site

刀郭断裂在工程区范围内的活动迹象不明显，但在北延段的刀郭采石场以北小溪边、以及上宝甸西南加油站附近的姑扎乃河两岸活动较明显，野外地质调查过程中发现多处断层断错上更新统地层的天然剖面。如剑-沙公路边分布的Ⅱ级阶地堆积物剖面上，可见断层明显断错晚更新世的砂卵砾石层和黏土层，错距35 cm，如图11所示，表明该断裂为晚更新世以来的活动断裂。

图11 姑扎乃河右岸剑-沙公路边的断层剖面Fig.11 The fault profile along the Jian-sha highway on right bank of the Guzannai river

3 工程区主要断裂的构造分级及活动方式

3.1 构造分级

根据工程区各断裂(层)的发育规模(包括延伸长度、破碎带宽度和发育深度)、类型及对区内地层分布和场地稳定的影响(或控制)程度等综合因素，将工程区的主要断裂(层)分为四级构造。

(1) Ⅰ级构造。主要为龙蟠-乔后断裂(F35)，延伸数百公里、破碎带宽约800 m、发育深度断穿多个构造层，规模巨大，控制着盆地沉积和区域地壳(构造)稳定，属区域性构造分区深大断裂。

(2) Ⅱ级构造。主要为合江村断裂(F102)，延伸数十公里、破碎带宽度及发育深度达数百米，规模大，为主干断裂，控制局部区域内的地层分布和构造发育，属局部构造分区断裂和构造带的边界断裂。

(3) Ⅲ级构造。主要包括桃源断裂(F104)和刀郭断裂(F107)，延伸长十余千米、破碎带宽度及发育深度数百米，规模较大，为工程区内的主干断裂。控制断裂带内的地层岩性和构造发育，严重影响和控制工程区内的主要工程地质问题和水文地质条件，如场地安全、深部岩石透水性和地下水位、山体和大范围岸坡稳定、地(坝)基稳定、坝(库)区渗漏问题等，严重影响水库建设方案选择和工程布置。

(4) Ⅳ级构造。包括F109断层、F100断层和桃源背斜等，一般延伸长数千米，破碎带宽数十米，发育深度数十米，规模中等，为工程区次级构造，其发育受控于Ⅲ级及以上断裂，但控制断层两盘的岩性和岩体完整性，对工程区内的岩体稳定、边坡稳定和地下水分布等主要工程地质问题影响较大。

3.2 活动方式

根据野外区域地质调查和工程区地质测绘、勘探成果、各主要断裂的构造特征、新构造活动与地震等综合分析，工程区现代主应力优势方位为NNW-NNE向角域，与区内的主要断裂均呈小角度相交，且以水平作用为主。据记载，剑川盆地及附近曾发生过M≥6级强烈地震18次，发震断裂主要为龙蟠-乔后断裂带和丽江-剑川断裂[5]。由于该区地壳介质完整性差，地震类型较复杂，但以前震-主震型或双主震-余震型为主，总体属震群型和双震型[14]。

晚第四纪以来断裂的活动方式不同，龙蟠-乔后断裂(F35)和刀郭断裂(F107)以水平走滑性质为主，而桃源断裂(F104)和合江村断裂(F102)主要表现为差异性垂直升降运动。4条主要断裂均属中等活动性断裂[15]，其中龙蟠-乔后断裂(F35)的年平均水平活动速率为3.36 mm/a，与前人研究得出的3.10～6.45 mm/a基本相当[3，13，16]，工程区未来有可能发生中强震乃至强震的趋势。

4 工程区的断裂构造带规模及其特征

4.1 几何展布及规模

北端的剑川盆地略呈椭圆形，由若干条规模大小不等的断层及其破碎带组成，断裂带宽约10余千米[17]；南端的沙溪盆地呈菱形，由龙蟠-乔后断裂带走滑-拉伸形成菱形断块[13]。从区域构造背景、工程区周边的地质构造格局、工程区内主要断裂的发育特征和展布规律、地层分布和岩石特性、次级构造发育程度，以及断裂构造带内深部透水层和地下水位异常等诸多现象因素分析：桃源水库工程区发育的龙蟠-乔后断裂(F35)、桃源断裂(F104)、刀郭(F107)断裂和合江村断裂(F102)之间存在着紧密的“直系”关系，属同一断裂系，共同组成宽约3.5～4.0 km的断裂构造带，构成龙蟠-乔后断裂带南段的一部分。其中龙蟠-乔后断裂(F35)和合江村断裂(F102)分别为该段断裂带东、西两侧的边界断裂，龙蟠-乔后断裂(F35)为构造带内的主干断裂，桃源断裂(F104)、刀郭断裂(F107)和合江村断裂(F102)为构造带中的主要断裂，它们都分别于沙溪盆地南部和剑川盆地北部边缘又归并成龙蟠-乔后断裂(F35)，向北延伸至九河香炉山一带又分为规模较大的东支和西支断裂。四条断裂强烈影响并限制着构造带内次级构造的发育规模和延伸方向，同时也影响构造带两侧其他构造的发育和发展。

4.2 断裂构造带特征

断裂构造带宽约3.5～4.0 km，沿断裂构造带，不论是地层分布、岩石特征，还是构造发育规模、发育程度及主要断裂展布规律等都具有明显的分带性。沿各主要断裂均断续发育有负地形、陡崖、陡坎和断层三角面等断裂地貌现象，并断错了河流、冲沟、山脊、岸坡等地貌线，以及地(岩)层界线和其他方向的构造线，枢纽区中部发育的桃源坝子就由河流侵蚀作用与龙蟠—乔后断裂(F35)、桃源断裂(F104)活动共同形成。断裂构造带内均为下古生界地层，地层完整性差，多呈断块产出，岩层揉皱、挤压变形强烈，岩层产状变化大，断层、挤压破碎带及褶曲十分发育，局部岩层直立或层序倒转，岩石挤压破碎，微裂隙极其发育，岩石晶粒变形及内部解理纹揉曲、错动明显，经岩矿鉴定为构造碎裂岩[18]。断裂构造带西部为下第三系碎屑岩，地层完整，总体为单斜构造，地质构造简单；东部为上古生界地层，层序正常，岩层总体倾向南东，岩石相对较完整，地质构造也较不发育。