鲜水河断裂带康定城南新榆林探槽组揭露的破裂特征与地震复发行为

2021-06-10高帅坡陈立春梁明剑李彦宝韩明明冯嘉辉卢丽莉

工程科学与技术 2021年3期

高帅坡，陈立春，梁明剑,3，王栋，李彦宝，韩明明，冯嘉辉，卢丽莉

(1.中国地震局地质研究所，北京 100029；2.桂林理工大学，广西桂林 541006；3.四川省地震局，四川成都 610041；4.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

鲜水河断裂带是青藏高原东南缘一条强烈活动的左旋走滑断裂，控制巴颜喀拉块体的西南边界（图1），是中国大陆乃至全世界的地震活动带[1]，自公元1700年以来，记录的7级以上的地震就有8次[2–3]。

图1 鲜水河断裂及其周缘活动构造简图Fig. 1 Active structure map of Xianshuihe fault and its adjacent regions

四川省甘孜州的州府康定城区，是从四川入藏必经的咽喉重镇，位于鲜水河断裂带北侧3条近平行分支断裂向南侧单一断裂转换的构造关键部位。随着川藏铁路重大工程建设的推进，鲜水河断裂带在康定城区一带的破裂特征与破裂参数也成为工程建设抗减震设计的重要基础资料。

关于鲜水河断裂带的地震破裂特征与复发行为，20世纪90年代填图时，曾开挖探槽多达40余个[1]，后期研究成果不断丰富[4–10]。但康定城区一带，由于断层结构突变，加上基本处于冰缘和深山峡谷等强烈剥蚀或巨砾为主的冰水堆积环境，以及人类活动频繁，有关断裂的破裂历史与破裂行为研究相对还非常薄弱。在城区南侧的榆林村一带，Yan等[11]清理或开挖了3个剖面（探槽），认为这一带4 000年来至少有过7次地震事件，但这一结果仍存在很大的疑问：一方面，事件识别所依托的剖面L2，基本为巨砾粗砾，有学者明确标示该剖面在地震滑坡体前缘[12]；另一方面，研究结果将倒数第二次事件归为1327年天全地震，以及后两次事件的重复间隔为459 a论缺乏依据。梁明剑等[13]依据历史记录、2013年芦山7级地震震害及断裂活动性调查和探槽开挖结果，明确指出天全地震就发生在天全一带，发震构造为大川—双石断裂，而并非鲜水河断裂带。基于此，在康定城南的新榆林地点精心选择了一处可能保存有较好古地震遗迹的断陷塘进行探槽组开挖，以期在前人工作基础上获得可信度更高的断裂破裂特征和事件序列，为分析康定城区一带的未来地震危险性和川藏铁路工程建设抗减震设计积累基础资料。

1 鲜水河断裂带磨西段晚第四纪活动性概述

几何结构上（图1），鲜水河断裂带以惠远寺盆地和康定为界，自北西向南东可分为北段、中段和南段3个段落[14–17]。北段结构单一，由炉霍段、道孚段、乾宁段等3个活动段构成，以左旋左阶阶区虾拉沱盆地和道孚盆地为分段边界；断裂中段环抱大炮山及折多山断块，由雅拉河段、色拉哈段及折多塘段等3条次级断裂构成[14]；断裂南段即磨西段，位于贡嘎山隆起区东部边缘，由单一段落构成。部分学者认为磨西段在猪腰子海子附近，存在一小型左旋左阶拉分区（图2（a）），以此为边界可划分出雪门坎段和磨西段[16]。沿康定城区以南的磨西段，近年来已开展1∶50 000活动断裂填图工作[18]。该段结构较为单一，北起康定城区，向南经新榆林、雅加埂、雪门坎、磨西、田湾，再往南形迹不明，总体走向330°左右，长约90 km（图2（a））。沿磨西段断裂，历史上发生过1786年磨西7¾级地震。

图2 鲜水河断裂磨西段断裂展布与探槽位置地貌图Fig. 2 Distribution of Moxi segment of Xianshuihe fault and landform map of trenches

鲜水河断裂磨西段与北段一致，晚第四纪以来一直以高速左旋滑动为特征。Allen等[19]根据末次冰期沉积陇位错61 m估算获得的左旋速率为4.7 mm/a；徐锡伟等[20]利用磨西一带阶地面与废弃河道的位移与堆积物年龄限定其平均左旋滑动速率为（9.6±1.7）mm/a，垂直滑动速率为（3.2±0.7）mm/a；Chen等[21]通过二台子阶地位错36 m与T1地貌面年龄4 000 yr BP限定获得左旋走滑速率约为（9.3±1.0） mm/a，垂直速率为（1.5±0.7） mm/a。

2 新榆林地点探槽揭露的古地震事件

2.1 探槽位置

限于以往认识，前人在康定以南地段开挖的探槽主要是跨断层陡坎开挖，且探槽规模一般较小，揭露的地震事件有限。近年来，埋藏小冲沟、小型拉分盆地、断塞塘或断陷塘已成为走滑断裂古地震研究的较理想地点[22–24]，这些地点大多在震后形成相对负地形并缓慢接受细粒物质的堆积，是记录断裂变形的理想载体。新榆林一带发育有一较连续的反向线性槽谷（图2）。槽谷内，多处发育有断陷塘。选择（101°57'50.0"E，29°58'44.8"N）处断层槽谷内已基本干涸的一个小型断陷塘进行探槽组开挖（图2（d））。开挖的2个探槽（TC1、TC2）近于平行，长均约18 m，相距约6 m（图2（b）），深度约3 m。探槽剖面如图3～6所示。

图3 探槽TC1北壁影像拼接图及剖面解译图Fig. 3 Photographic mosaic and interpretation log of the north wall of trench TC1

图4 探槽TC1南壁影像拼接图及剖面解译图Fig. 4 Photographic mosaic and interpretation log of the south wall of trench TC1

图5 探槽TC2北壁影像拼接图及剖面解译图Fig. 5 Photographic mosaic and interpretation log of the north wall of trench TC2

2.2 探槽揭露的沉积序列

探槽共揭露出3类沉积、堆积地层：第1类为顺坡堆积的坡洪积混杂堆积，位于探槽东侧（靠山坡侧）或底部，岩性以混杂堆积的大小不等的砾块（角砾或略有磨圆的砾石）和黏土为主；第2类为断陷塘沉积，沿探槽中部的低洼地带分布，主要为富含有机质的黑色黏土、砂土等细粒静水沉积，偶含砾石；第3类为断层带内或断面附近的充填楔或构造楔，为断层挤压或充填形成，层序难辨。其中：断陷塘成因的灰绿色砂黏土层（U2）、黑色或黝黑色黏土层（U4）、黑褐色黏土层（U5）及黑土层（U6）颜色较为特征，沉积特征为典型的湖塘沉积，是探槽揭露的标志层（图3～7）。以这几套地层为标志，简述两个探槽揭露的地层序列，各事件层典型特征见图7（a），各层年代样品测年结果见表1。

图6 探槽TC2南壁影像拼接图及剖面解译图Fig. 6 Photographic mosaic and interpretation log of the south wall of trench TC2

图7 探槽揭露的地层序列与重点部位放大图Fig. 7 Stratigraphic sequence and key parts of the trench

结合图7和表1，各事件层具体内容如下，其中：yr BP、BC、AD均为测年年代符号，分别代指距今（距公元1950年）、公元前与公元。

U1：浅褐色、褐黄色砂砾黏土混杂堆积，坡洪积成因，以大小不等、磨圆较差的砾块和黏土为主，分布于探槽底部和探槽东侧，局部砾块与砂黏土显示出层理，并可进一步细分为4层（U1a～U1d），该层没有采集到碳样。

U2：灰绿色、青灰色砂土层，偶含粗砂和小砾石，小型汇水洼地沉积成因。局部顶部发育薄层黄褐色亚黏土层（U2b），侵染铁锈，含较多的砂砾。主断层带附近，该层挤压变形强烈。该层获得了2个14C样品的AMS测年结果，分别为（15 200±70）和（9 120±50）yr BP。

表1 样品放射性年龄及年代校正Tab. 1 Radiocarbon ages and calibrated calendar dates of samples

U3：探槽中分布最广的地层，岩性为褐色、黄褐色砂砾层，底部含砾块，该层相对质地较为坚硬，饱含裂隙，局部可进一步细分为2个亚层。U3a主要展布于TC1西侧，以砂砾为主；U3b以灰褐色砂土、黏土为主。该层获得了3个14C样品的AMS测年结果，分别为（8 400±30）、（7 650±40）和（7 390±60）yr BP。

U4：主体为断陷塘沉积成因的黑色或黝黑色黏土，分布在主断层带附近。此外，在TC1北壁的东侧，有一薄层相对松散的黄褐色砂土，与上下地层界线较明显，可能为层U4同期或略晚的顺坡堆积，归为亚层U4b。该层共得了7个14C样品的AMS测年结果，除底部有1个测年结果为（4 110±30）yr BP外，其他6个测年结果集中在（2 400～2 040）yr BP之间。

U5：深褐色–褐黑色砂土层，局部含小砾石，断塞塘沉积成因，主要分布在探槽西侧低洼地带。该层获得4个14C样品的AMS测年结果，底部两个样品的测年结果为（2 020±30）、（1 980±30）yr BP，顶部两个样品的测年结果为（1 290±30）、（1 200±30）yr BP。

“回来了？”吕凌子才发完短信，没睡着，将热乎乎的大腿压在丈夫腹部，耐着性子等了许久。欧阳锋理会妻子的意图，脑子里乱糟糟的哪还有这个兴致。他将妻子的大腿移开，侧转身，把自己弯成醉虾模样。吕凌子问他怎么了？欧阳锋说酒喝多了，难受。

U6：黑土、黝黑土层，含植物碎屑和有机质，偶夹砾块，断陷塘沉积成因。该层获得3个14C样品的AMS测年结果，分别为（820±30）、（730±30）、（760±30）yr BP。

U7：薄层表土，为层U6的表土化层，与层U6界线不明显，底部获得1个14C样品的AMS测年结果（100±30）yr BP。

2.3 古地震事件分析

探槽揭露断层带宽约5 m，由多条断层组成，主断层非常清晰。综合和对比分析4个探槽壁所揭露的地层序列、断层与沉积层切盖关系、构造楔与地层特征突变等事件识别标志（图3～6，最新地震事件断层细节图见图7（b）、（c）），组合探槽可识别出6次古地震事件。

事件E1：发生于层U1沉积之后、层U2沉积之前。主要依据是层U2与U1呈不整合或断层接触，界面清晰，沉积环境、沉积特征和变形特征差异明显；层U2显示为断层槽谷或断层洼地类沉积特征。推断层U2为地表破裂事件E1形成的槽谷堆积。根据层U2的测年结果，该次事件至少发生于（9 120±50）yr BP之前。

事件E2：发生于层U2沉积之后、层U3沉积之前。主要依据是：1）沉积环境和沉积特征突变，U2层为小型汇水洼地或断层槽谷成因，以砂为主，顶部发育薄层褐色铁染黏土，具地表土壤化特征并具明显开裂与错动变形；后期沉积的层U3层序稳定，分布广泛，具顺坡片流堆积特征。2）两个探槽、4个壁均见有个别断面断错层U2、上覆层U3，部分断面显示层U2为断错变形，而层U3显示为裂隙。

事件E3：发生于层U3沉积之后、层U4沉积之前。主要依据是：1）层U4显示典型的断陷塘型沉积特征。2）沿主断层带，层U4呈楔形挤入或充填在层U3内。3）在探槽TC2北壁，层U3沿断层F4、F5断错变形强烈，层U4变形不一致；在探槽TC2南壁，沿断层F5、断错层U3，延向层U4则显示为断面不清晰的裂缝。

事件E4：发生在层U4沉积之后、层U5沉积之前。主要依据是：1）层U5和U4之间沉积界线非常明显，层U5为相对较宽、分布更广的低洼槽塘沉积。2）探槽TC1的主断层带内，层U5底部具构造楔特征，充填至层U4中。3）探槽TC1南壁F2及TC2的多个断面显示断层断错层U4、上覆层U5。

事件E5：发生在层U5沉积之后、层U6沉积之前。主要依据是：1）层U6和U5之间沉积界线非常明显，沉积特征也明显变化；2）探槽TC1北壁和TC2南壁，层U6底部呈构造楔状充填至层U5中；3）TC2北壁F2断错层U5而上覆层U6，TC1南壁沿F1可见断错层U5，层U6仅存在断续裂缝。

3 讨论

3.1 事件年代限定

4个探槽壁共获得了20个14C样品加速质谱方法（AMS）的测年结果（表1）。测年结果序列与地层层序一致。以年代校正软件OxCal 4.3.2进行校正和古地震事件–地层序列年代限定，获得事件年代序列如下：事件E1，8714BC之前；事件E2，8304—6316BC；事件E3，6135—734BC；事件E4，118BC—27AD；事件E5，810AD—1230AD；事件E6，1280—1850AD（图8）。根据历史地震记录，最新一次事件E6，应为公元1786年康定南7¾级地震事件。

图8 事件年代OxCal校正结果Fig. 8 Results of Oxcal analysis of radio carbon dates from the trenching site

3.2 康定以南段地震破裂行为讨论

探槽结果显示：新榆林一带，事件E4以前（公元前），地震重复间隔约3 000～4 000 a；事件E4以来，地震活动明显加剧，重复间隔约700～1 000 a。

沿康定以南段，周荣军等[6]在磨西西侧二台子反向槽谷中揭露出两次古地震事件，较老事件介于（1 470±150）—（1 540±105）AD之间，最新一次地震事件即为1786年磨西7¾级地震事件。陈桂华等[12]在磨西一带开挖了3个探槽，获得了包括1786年7¾级地震在内的2～3次古地震事件。综合前人的探槽研究成果[6,12,18]，共获得2000BC以来的5次事件，如图9所示。其中：有4次事件与本文所揭露的事件E3～E6总体相对应；二台子地点在公元1280年至1786年之间（事件E5～E6之间），前人还揭露有一次事件，而新榆林地点探槽却没发现此次事件迹象。如果该次事件确实存在，那就说明鲜水河断裂带康定以南段，大多事件都是同时破裂，但也可能存在个别事件，只破裂了磨西镇一带。

图9 鲜水河断裂磨西段探槽资料汇总Fig. 9 Summary of trenches data of Moxi segment of Xianshuihe fault

对比鲜水河断裂带北段揭露的古地震事件[1,7–9]，尽管鲜水河断裂带各段早期的古地震事件时间上并不一一相应，但总体规律一致，早期重复间隔都相对较长，约 2 000～3 000 a左右；进入公元元年左右以来，所有段落都进入了活跃时期，大多经历了2次破裂事件，重复间隔1 000 a左右。炉霍尤斯和康定以南的二台子等个别地点可能还发生过局部破裂事件。

探槽获得的康定以南段大震复发间隔为700～1 000 a，1786年康定南7¾级地震事件离逝时间仅235 a，消逝率约0.23～0.33，似乎短期内发生大震的可能性较小。就整个鲜水河断裂带而言，鲜水河中段及北段除雅拉河段外的其他段落，消逝率均小于0.1[2,3,5,8–9,25–26]，相对而言，康定以南段的大震危险性最高。此外，从历史记录来看，自1700年至今，鲜水河断裂带活动明显加剧，先后经历了1700—1816年及1893年以来的2个小的活跃期[7,9,25–26]。最新的活跃期至今已有近130 a，鲜水河断裂北西段、中段均相继发生强震，而与北段大震复发习性基本一致的康定以南段自1786年磨西地震后未有强震记载，未来发生地表破裂型强震的可能性较高，在川藏铁路施工及后期运营过程中，应重点加强大震监测预警。