滇西北龙蟠—乔后断裂带桃源段晚第四纪活动特征研究

何付明,常祖峰

(1.云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021;2.云南省地震局,云南 昆明 650224)

0 引言

龙蟠—乔后断裂带是一条规模大、活动性强、地震活动频繁的一级大地构造分界构造带,对滇西北地区的区域构造稳定性有着重要影响[1-3]。拟建的大(二)型桃源水库枢纽工程位于龙蟠—乔后断裂构造带的桃源段内。在该水库的前期地质勘测中发现了桃源断裂(F6-2)、刀郭断裂(F6-3)和合江村断裂(F6-4)三条较大规模断裂构造,并与已知的龙蟠—乔后断裂(F6-1)平行发育,构成总宽度3.5～4 km的断裂带。

目前,工程区及周边的断裂活动性研究主要集中于研究区两端的剑川盆地和沙溪盆地内已知的龙蟠—乔后断裂(F6-1)上[4-9],尚无针对新发现的桃源断裂(F6-2)、刀郭断裂(F6-3)和合江村断裂(F6-4)以及其晚第四纪活动的相关研究报道。水力发电工程规范规定“大坝等挡水建筑物不应建在已知的活动断层(晚更新世以来)上”[10]。因此,这些断裂的晚第四纪活动性、规模、运动性质等成为关系桃源水库大坝枢纽工程选址和区域构造稳定性评价的关键问题。

已完成的桃源水库工程场地地震安全性评价报告认为,上述新发现的3条断裂均为早-中更新世活动的断裂。但笔者结合区域资料,并通过在水库工程区及其附近地带开展详细的地质测绘和勘探工作后,获得了关于这3条断裂晚第四纪活动性的新证据,进而对它们的最新活动特征提出了不同认识。希望有关成果有助于重新认识龙蟠—乔后断裂带在桃源水库工程区的断裂活动性和构造稳定性,并丰富和填补对该构造带南段断裂展布与活动特征及古地震等的更深入认识。

1 区域地质及地震

区域位于松潘—甘孜褶皱系中甸褶皱带东旺—巨甸褶皱束石鼓隆起之东南边缘,地处青藏滇缅印尼巨型“歹”字型构造体系与川滇南北向构造体系的复合部位,地质构造十分复杂,形成了以金沙江断裂、红河断裂、丽江—小金河断裂和澜沧江断裂为界的构造格局,各大地构造单元经历了不同的发展演化过程,不同方向的断裂相互交织[2-3,11],主要构造形迹以近S-N向和NNW向的区域大断裂及褶皱系为主、以E-W向的次级构造为辅。研究区及附近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(即红河断裂北段)、洱源—鹤庆断裂、剑川—丽江断裂、龙蟠—乔后断裂、维西—巍山断裂等区域性断裂,这些断裂大多为全新世活动断裂(图1),历史上多发生过7级以上强震[12-19]。

龙蟠—乔后断裂构造带南起乔后,沿黑惠江而上,经沙溪、桃源、剑川、九河、白汉场、中和等向北延伸至龙蟠,长约120 km,总体呈NNE-SSW向展布,断裂带宽约数百米至数公里[7]。区域地质资料显示[1-2,14],该断裂带形成于早古生代以前,经历长期、多期活动,力学性质复杂,运动方式多变,但总体表现为向东倾的逆冲压性为主,局部地段具纵张性质,第三纪以后主要表现为走滑运动特征[9]。第四纪以来沿断裂带发育有乔后、沙溪、剑川、九河及龙蟠等构造盆地,这些盆地边界均受断裂构造带控制[5]。

研究区地处鲜水河—滇东地震带之西南边缘的中甸—大理强震带中段,地处NNE向、NE向及NW向断裂的复杂交汇区;龙蟠—乔后断裂带是中甸—大理强震带上构造活动的分界线,也是强震带内的控震断裂和发震断裂,属中强震(M=6～6.9)孕震构造,构造带上具有高速率的水平剪切应变积累,地震频率较高。据记载,剑川盆地及附近曾发生过M≥6强烈地震18次,发震断裂主要为龙蟠—乔后断裂带,包括1481年7月15日的6级地震、1688年6月14日的6级地震和1751年5月25日发生的6级地震等[6,20-21],以及丽江—剑川断裂,如1951年12月21日发生的6级太平地震等[4]。前人研究发现,沿龙蟠—乔后断裂带至少发生过2次M>6.5古地震事件,一次发生在(10 010±40) a B.P.之前,另一次发生在(6 130±40)～(6 320±40) a B.P.之间[6,22]。并认为全新世以来6～6.5级地震的重复间隔期为200年左右,6.5级以上地震的重复间隔4 700～5 000年或5 300年[3,22]。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[20]。

2 研究区晚第四纪沉积物与阶地特征及年代

地表调查发现,在桃源盆地、黑惠江沿岸和姑扎乃箐(包括南北两支)等的中下游河段及两岸冲沟与溪边的第四系沉积层(尤其阶地沉积物)剖面中,常发育有第四纪沉积层断错现象。因此,结合被断错沉积物的形成时代有助于判别断层的活动时代。这里重点依据沉积物的颜色、胶结程度及所处地貌单元(如河流、阶地)等特征,并结合前人的测年数据等给出研究区主要晚第四纪沉积物与阶地的年代学框架,为判定断裂活动时代提供约束。该区主要沉积物与阶地的时代判定依据如下:

(1) 沉积物的颜色和性状。云南地区降雨丰沛,化学风化作用较为强烈,红土化作用常使得沉积物颜色随年龄变老而逐渐加深,胶结程度也由松散逐渐变得紧密甚至坚硬。根据野外调查经验并结合测年数据可知:灰色、黄色、灰黄色等沉积物多属于全新世沉积;棕黄色、深灰色、褐色等沉积物多形成于晚更新世,紫褐、棕褐、棕红等沉积物多形成于早-中更新世或更早[4]。最为典型的是网状红土化,多属于中更新世或更早的沉积物。从胶结程度上看,全新世至晚更新世沉积基本未胶结,结构松散(软),自稳性差;而早-中更新世沉积常见不同程度的胶结,结构较紧密,一般呈密实状态。

(2) 河流发育规模。河流(包括冲沟)的发育规模与其形成时间有着相对密切关系[4]。一般是规模越大的河流形成时代越老。

(3) 河流阶地及阶地沉积物。研究区地处黑惠江上游,毗邻剑川盆地,区内河流普遍发育Ⅰ～Ⅳ级阶地,沿黑惠江及桃源河还局部发育了Ⅴ～Ⅵ级阶地。通过综合前人对研究区及附近不同阶地沉积物的测龄成果,可大致确定该区主要河流阶地的形成时代。根据前人资料对研究区及周边阶地沉积物的释光样(TL)和14C测龄资料进行了统计和分析可知(表1～表2)[3-4,22],黑惠江上游及剑川盆地边缘的Ⅰ～Ⅲ级阶地沉积物均形成于晚更新世以来,堆积时间0.3～7万年,其中研究区内黑惠江甸南段(剑湖—合江村)、桃源河及姑扎乃箐等主要河流的Ⅰ级阶地形成于全新世早-中期,阶地堆积时间距今0.3～1万年;Ⅱ级阶地形成于晚更新世中-晚期,阶地堆积时间距今1～3.8万年;Ⅲ级阶地形成于晚更新世早-中期,阶地堆积时间距今3.5～7万年;Ⅳ级阶地形成于晚更新世早-中更新世晚期,阶地堆积时间距今7～12万年。这与前人对云南地区主要河流Ⅰ～Ⅲ级阶地的时代分析是基本一致的[4],说明了区域上主要阶地的形成时代具有较好的可对比性。

表1 黑惠江上游及剑川盆地边缘河流阶地沉积物测年数据汇总表Table 1 Summary of sediment dating results in the upper reaches of Heihui River and the edge of Jianchuan basin

表2 根据已有年龄数据总结的研究区主要河流阶地的形成时代Table 2 Summary of the formation age of main river terraces in the study area based on the existing age data

3 断裂的晚第四纪活动特征

本文所涉及的桃源段主要为南起明涧哨—合江水库、北至江长门—甸南镇一带的断裂,南北长约10 km、东西宽约5 km。

根据调查结果发现,研究区内沿桃源河自西向东依次平行发育了龙蟠—乔后断裂(F6-1)、桃源断裂(F6-2)、刀郭断裂(F6-3)及合江村断裂(F6-4)呈近平行分布的分支断裂,发育间距400～1 200 m,总宽度约4 km,断裂间还可见F109断层、F100断层和桃源背斜等次级构造,构造线主要呈NNE-SSW向,其间夹有NE-SW向、NNW-SSE向次级构造,它们共同构成了一条宽阔而复杂的断裂带(图2),即龙蟠—乔后断裂带桃源段。其中,龙蟠—乔后断裂(F6-1)和合江村断裂(F6-4)属于该段断裂带东、西两侧的边界断裂,桃源断裂(F6-2)、刀郭断裂(F6-3)为构造带中部的主要组成部分。

图2 桃源段主要活动断裂分布图Fig.2 Distribution map of main active faults in Taoyuan section

3.1 龙蟠—乔后断裂(F6-1)

区域资料显示[1,3,20],龙蟠—乔后断裂(F6-1)是川滇地块西侧的边界断裂带之一,也是一条具有多期活动的断裂。该断裂的性质较复杂,实测主断裂面产状12°/SE∠76°,破碎带宽700～800 m,发育有构造角砾岩、碎粒岩和碎粉岩等,多夹不同规模的断块,局部岩石动力变质和片理化明显,甚至新近纪的双河组地层也具明显的挤压片理化和轻微变质现象,沿断裂两侧喷发产出喜山期粗面岩[1]。

该断裂的第四纪活动特征明显,主要表现为左旋走滑性质,在江长门、后箐村一带可见错断近E-W向发育的山脊与水系等现象,水平错距达129～181 m,垂直位移量为6.8～7.1 m[8,22]。在桃源盆地内,断层在上桃源村左旋错断桃源河谷地达1 043 m,致使桃源河发生典型的直角转弯现象。前人据此推断该断裂段的走滑速率约为3.4 mm/a[22]。

在上桃源村以东的公路上方出露高约15 m的开挖剖面(P1点)(图3)。剖面顶部拔河高约35 m,其中的第四系沉积层平均厚3～5 m,最厚处达7 m左右。该剖面下伏基岩为奥陶系下统向阳组(O1x)砂岩,其上第四纪沉积层的上部为浅灰、黄灰色砂质粉土层,中部为浅紫灰色砂卵砾石层,下部为灰紫色含砾砂质黏土层,沉积物胶结程度中等,属于较典型的河流阶地沉积物。综合水库工程区的地质测绘结果和桃源盆地内的阶地发育特征,并参考对比区域上已知阶地时代可知(表1～表2),该剖面顶部大致相当于区域上的Ⅲ级阶地,形成时代可能为上更新世早中期。在该剖面中(图3),断层逆冲错断了全部上更新统地层和下伏基岩,错距达2.7 m ,破碎带宽1.8～2 m,其中成分主要为褐紫色断层泥夹少量岩屑和岩块,边缘的粗粒物多沿断层面呈定向排列,断层产状163°/NE∠75°,但未错动表层厚0.3～0.4 m的腐殖层(图3)。

桃源谷地右岸河间地块中部的ZKK05钻孔揭示,断裂破碎带内地面以下236.87～270.13 m(孔底)还分布有强～极强透水层,部分透水率大于1 000 Lu,地下水埋深达248.68 m,分别低于上游的黑好果河约110 m和下游的黑惠江河床近10 m,山体无地下分水岭,且水力坡降平缓。勘探资料表明,该区跨断层的水文地质条件出现异常。综合分析认为,这些异常很可能与龙蟠—乔后断裂(F6-1)晚更新世以来的活动有关。

3.2 桃源断裂(F6-2)

3.2.1 断裂构造-地貌特征

桃源断裂自沙溪盆地东部边缘向北经黑惠江左岸,穿过合江电站库区延伸至桃源坝子东部边缘,隐伏于剑川盆地,长约近20 km(图2)。该断裂呈舒缓弯曲状,整体向东陡倾,破碎带宽200～300 m,由多条次级断层和断块构成,成分主要为构造角砾岩夹碎裂岩、碎粉岩和断层泥。沿该断裂带分布有条带状槽谷地貌和断层垭口地形,并断续发育断层崖和断层三角面等。在桃源河右岸临近山脊位置,跨断裂布置一条EH4物探测试剖面显示出,该断裂带的电性差异明显,低电阻态呈带状向深部延伸,断裂特征明显,指示断层破碎带宽达250～300 m,延伸深度大于600 m,陡倾向下游(图4)。

图4 桃源断裂1-1′物探成果剖面图Fig.4 Geophysical profile of Taoyuan fracture 1-1′

桃源断裂的性质也较复杂,同样存在多期活动特征。早期表现为张性,西盘上升遭受剥蚀,广泛出露奥陶系向阳组(O1x)地层,东盘下降较完整地保留泥盆系青山组(D1q)地层,大面积缺失了泥盆系康廊组地层。后期主要表现为压性,东盘上升导致河流下切形成下坝址深切峡谷地貌,西盘下降接受河湖相沉积,堆积形成厚约30 m的桃源山间谷地。

3.2.2 断裂的地表活动证据

地表调查发现,在上宝甸公路交叉口以西约600 m处的姑扎乃箐南支左岸剑—兰高等级公路内侧边坡的剖面上(P2点),可见拔河高约20 m,相当于Ⅱ级阶地的第四纪沉积物,剖面上部为浅灰色含砾砂质黏土层,下部为浅紫灰色砂卵砾石,沉积物岩性界面清晰,结构稍密-中密,胶结程度稍差,地质锤掘进较轻松。综合该剖面所处地貌部位和沉积物颜色、胶结程度等,并参考区域阶地时代可知(表1～表2),该剖面沉积物大致形成于晚更新世中晚期。该第四纪地层剖面中可见2条相距约1.8 m、近平行发育的断层(图5),产状分别为149°/NE∠65°、143°/NE∠62°,性质同属压性断层,均断错了剖面中的上更新统地层,其中f1错距为0.8 m,f2错距约2.2 m。

图5 剑—兰高等级公路边的断层剖面Fig.5 Fault profile along the Jian-Lan highway

在姑扎乃箐北支左岸的剑—兰老公路沿线,普遍发育Ⅱ级阶地,拔河高13～25 m,与前人[3-4,22]对姑扎乃箐阶地发育特征的研究成果一致,表明该Ⅱ级阶地沉积物为上更新统地层。在超限超载检测站旁的公路边坡剖面上(P3点),可见Ⅱ级阶地沉积物中发育有两条断层。剖面拔河高约15 m,岩性自上而下依次为褐灰色砂壤土(表面腐殖层)、黄灰色砂砾石层、灰色粉质黏土、灰褐色含砾细砂层、浅灰色卵砾石层(未见底),沉积物结构稍密-中密,胶结程度总体较差,导致坡面雨水冲刷后坍塌严重。剖面中共发育f1、f2两条断层,其中f1断层属压性,产状147°/NE∠46°,断错了黏土层、砂层和砾石层,错距2.7 m;f2断层呈张性,倾角较陡,产状17°/SE∠85°,断错黏土层和细砂层,垂直错距约0.5 m。f2断层还断错了f1断层,说明f1断层早于f2断层,但它们仅断错了上更新统地层,而未断错地表的腐殖层(图6)。

图6 剑—兰老公路超限检测站旁的断层剖面Fig.6 The fault profile near the overlimit detection station of old Jian-Lan highway

在姑扎乃箐南支左岸砖厂附近的施工道路开挖边坡的剖面中(P4点),第四纪地层中也可见断层发育(图7)。该剖面沉积物拔河高度约13 m(参照下游原始河床),距下伏上第三系双河组顶界约4 m,相当于区域上的Ⅱ级阶地底部沉积物,属上更新统地层,估计形成于晚更新世中期。该剖面显示,其中的晚更新世沉积物自上而下依次为紫色黏土、褐色砂质黏土、褐灰色砾质土和灰色砂卵砾石(未见底),胶结程度和固结度中等,岩性分界线较清晰;共发育两条断层,呈倒“Y”型组合,其中f1断层断错剖面中的所有上更新统地层,断层面平滑,挤压镜面明显,断层产状37°/SE∠77°,表现为张性;f2断层受f1断层限制,呈微波状起伏,同样发育挤压镜面,挤压泥皮厚3～5 mm,断层产状23°/SE∠75°,表现为压性;f1断层和f2断层属同期断层,垂直错距约1.1 m。

图7 砖厂附近出露的断层剖面Fig.7 Exposed fault section near the brickyard

在场地勘察过程中,在下坝址区上游跨桃源断裂(F6-2),分别于两盘布置了ZK12和ZKX1两个钻孔,实测孔口高程分别为2 195.32 m、2 190.46 m(图8)。ZK12钻孔揭示,断裂上游的桃源盆地第四系现代河湖相堆积物厚达31.98 m,其中0.00～8.67 m为灰、浅灰色砂卵砾石夹少量淤泥质粉细砂,结构松散;8.67～31.98 m为深灰、灰黑色含卵砾石粉砂质淤泥质黏土,呈软塑状,根据沉积物性状并通过与剑川盆地内同类的河湖相沉积物[3]类比认为,钻孔揭露的沉积物为上更新统地层,大致形成于晚更新世中期;下伏基岩为奥陶系下统向阳组(O1x)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冲洪积与崩坡积混杂堆积物厚度仅5.3 m,下伏基岩为泥盆系下统青山组(Q1q)白云质灰岩,基岩面分布高程2 185.16 m。勘探结果表明,桃源断裂西侧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了26.68 m,指示在断裂上、下游两侧沿桃源河出现了上游河床基岩面低于下游河床基岩面达21.82 m的异常现象,这应该是跨桃源断裂(F6-2)两侧断块在晚更新世以来存在垂直差异性升降活动的结果,说明桃源断裂明显控制了桃源盆地内堆积物的形成与沉积厚度。

图8 桃源断裂顺河向剖面图Fig.8 Profile of Taoyuan fault along the river

此外,在野外地质测绘中,在黑惠江右岸临近山顶的断裂影响带内还发现一条地面基岩裂缝,发育方向与桃源断裂走向呈小角度分布,裂缝长约100 m、宽1.2～1.6 m、垂直位错达3～5 m,在15 m深范围无充填。根据裂缝的分布和地貌特征推断,该裂缝非重力作用形成,很可能为某次地震或多次地震活动时形成的地裂缝,从错距判断其震级应该至少为强震级别。

3.3 合江村断裂(F6-4)

3.3.1 断裂构造特征与地貌

该断裂地处研究区东部,属于龙蟠—乔后断裂构造带的东部边界断裂之一,主要沿黑惠江河谷分布,向北延伸并隐伏于剑川盆地,向南延伸至沙溪盆地东部边缘并交汇于沙溪菱形构造东南段,长二十多公里(图2)。该断裂总体向东陡倾,具张性走滑性质,破碎带一般宽200～300 m,局部达400余米,其中可见构造角砾岩、碎裂岩及碎粒岩等。而且沿断裂带断续发育有溶蚀洼地、溶蚀漏斗以及条带状低洼地形和断层陡崖地貌等,局部还出露有低温温泉和断层泉群。

场址勘察期间在合江村上游垂直黑惠江布置的一条EH4物探测试剖面显示,该断裂带的电性差异十分明显,低电阻态向深部延伸超过了500 m,尤其东部边界十分清晰,断裂特征明显,破碎带宽度达200～300 m(图9)。

图9 合江村断裂2-2′物探成果剖面图Fig.9 Geophysical profile of Hejiang Village fracture 2-2′

3.3.2 断裂活动特征

地表调查发现,在印盒村西南白石箐入口北侧的黑惠江临江左岸的新修运砂道路边(P5点),人工开挖了一条长约23.7 m、宽2.2～2.6 m、深1.5～1.8 m的第四纪沉积剖面。该开挖段临近黑惠江,地面平坦,拔河高2.5～3 m、宽17～27 m不等,呈长条状临河分布。编录结果显示,该剖面中的沉积显示出典型的二元结构特征,以新鲜河床相浅色砂砾石沉积物为主,结构松散,无胶结,尤其砂砾层和卵砾石层自稳性差,阶地地貌特征明显,应属Ⅰ级阶地,沉积物应为全新统地层。对比上游1.3 km处的Ⅰ级阶地沉积物14C测年结果(5 175±130) a,可知该阶地顶部的沉积物形成时间应该晚于5 000年,为全新世中晚期。而在上游侧开挖断面的中部偏西位置,清晰可见断层明显断错砾质土、砂砾石和卵砾石等全新统地层,垂直断距约1.3 m(图10)。该处剖面显示,沉积物为Ⅰ级阶地上部地层,自上而下依次为黄灰色砾质土、灰色砂砾石层、浅灰色卵砾石层;断层面略呈弧形,上宽下窄,黑色黏土质粉细砂充填,固结度差,厚1.5～4 mm,产状57°/NW∠64°,下段近于直立,总体表现为压性。

图10 印盒村西南黑惠江岸边的断层剖面Fig.10 A fault profile on the bank of Heihui River in the southwest of Yinhe village

进一步查阅资料发现,前人曾在剑川—兰坪高等级公路施工期间于印盒村西北的公路切方段发现一断层剖面,并进行了断裂活动时代的研究。为进一步确认该处的断裂活动性,作者野外调查时在黑惠江左岸的海尾河大桥头公路西侧边坡的挡墙上方重新观测了此剖面(P6点),结果如图11。该剖面地处Ⅲ级阶地前缘,拔河高度约32 m。剖面显示:临河侧上部为黄褐、棕黄、棕灰等杂色砂质粉土,可见少许树枝和木块,属现代人工杂填土;其下为阶地沉积层,自上而下依次为黄灰色含砾黏土质砂,浅紫灰色砂砾石,棕黄色含砾粉细砂,浅紫灰色砂卵砾石,沉积物结构总体较紧密,胶结程度相对较好,但表层受风化后剥落严重。其中部发育一正断层,产状302°/NE∠63°,断层断错了棕黄色含砾粉细砂层,错距3.3 m,但未断错表层人工填土。据前人资料[6],下部棕黄色含砾粉细砂层的光释光年龄为6.2万年,由此可知该沉积物属上更新统,因此断裂活动可能在晚更新世晚期或全新世。

图11 海尾河大桥东岸公路边的断层剖面图Fig.11 Fault profile along the highway on the east bank of Haiweihe Bridge

另外,在印盒村南约500 m处的黑惠江左岸断裂破碎带内,地表出露一低温温泉,流量约600 L/s,水温21 ℃,这与龙蟠乔后断裂构造带以“出露大流量的低温泉为其水热活动特征”的认识一致[23],其温泉的水热活动性特征也说明合江村断裂在晚第四纪的活动表现。

3.4 刀郭断裂(F6-3)

3.4.1 断裂构造特征与地貌

该断裂发育于桃源断裂与合江村断裂之间,自上宝典老加油站、刀郭采石场向南于下坝址下游横穿桃源河,在合江村以南约0.9 km处穿过黑惠江后延伸至龙尾山附近归并于合江村断裂(F6-4),延伸长度大于10 km,属走滑断裂(图2)。沿断裂断续出露构造角砾岩、碎粉岩、碎裂岩夹断层泥,破碎带一般宽200～300 m。据下坝址下游的钻孔和平硐勘探成果,刀郭断裂由多个挤压面或断层构成,至少发育3条以上的碎粉岩带,并夹大量断层泥,其中碎粉岩宽度8～70 m,断层泥厚0.5～2.3 m,断层面产状16°/E∠58°。此外,该断裂的断层地貌特征也较明显,在刀郭采石场附近,沿断裂近南北向发育顺直型深切沟谷;在断层穿过桃源河处,两岸沿断裂对称发育深切冲沟,并见断层左旋错断桃源河达210 m,河道形成两次明显的直角转弯现象;在黑惠江右岸,发育有狭窄深切冲沟,而左岸发育长约2 km的宽缓低洼槽谷地形,显示跨断裂两侧存在显著的地貌差异。

3.4.2 断裂活动特征

地表可见,刀郭采石场附近的冲沟发育长度约2.4 km,切割深度不大,属长流水冲沟,谷底分布大量第四系坡洪积混杂堆积物,未见有阶地发育;在采石场以北(下游)约220 m处的冲沟边右岸,出露有近期扩路时开挖的新鲜剖面(P7点)。该剖面中的堆积物成分复杂,岩性主要为灰黄色砾质土夹砂砾石和粉细砂透镜体,表层为灰色粉土,砾石磨圆度差,结构稍密～中密,胶结程度稍差,地质锤掘进轻松。根据冲沟发育规模和沉积物的颜色、胶结程度,以及边坡特征等综合推断,该套沉积物属形成于晚更新世晚期坡积层。剖面中可见具正断性质的陡倾断层,产状28°/SE∠82°,断错了剖面中的所有上更新统地层,中部的砂砾石层和粉细砂透镜体断距分别为35 cm、43 cm(图12)。

图12 刀郭采石场下游冲沟边的断层剖面Fig.12 Fault profile beside the downstream gully near Daoguo quarry

另据前人资料[24],在上宝甸南西1.3 km采砂场附近小溪旁的开挖剖面中,可见断层发育于双河组(N1s)砂质黏土岩与上更新统(Q3)黄色砾石层之间(图13)。断层产状350°/NE∠78°、320°/SW∠55°,沿断面有2～3 cm厚的挤压片理化带和摩擦镜面,并有半胶结的砂层透镜体发育,还发育有侧伏角85 °的垂向擦痕,指示断层为正断层。据笔者的野外复核,该采沙场位于P7剖面点下游,地处姑扎乃箐南支右岸Ⅱ级阶地后缘,拔河高约20 m;周边沉积物为第四系上新统黄色、灰黄色砂砾石层夹少量褐灰色砂质黏土层,胶结程度中等,下伏岩石为上第三系双河组砂岩、砂砾岩夹黏土岩等弱成岩。目前,此剖面已被破坏,沙场也变成了堆渣场。

图13 采砂场附近小溪旁的断层剖面图Fig.13 Fault profile beside a stream near the sand quarry

在上宝甸公路交叉口南约80 m处姑扎乃箐南支流右岸剑—沙公路边拔河高约15 m的多年前人工开挖剖面处(P8点),可见剖面沉积自上而下依次为褐黄色砾质土、褐灰色砂卵砾石层夹卵石层和粉细砂层透镜体、灰白色黏土层和灰色粉细砂层(未见底),如图14。该剖面的上部沉积物结构松散,胶结程度较差,中下部沉积物结构稍密～中密,胶结程度中等偏差、黏土类固结度中等,地质锤掘进也较容易。根据地貌特征、拔河高度、沉积物特性和区域资料等推断,该剖面地层为Ⅱ级阶沉积物,大致形成于晚更新世中期。在东侧的开挖断面上可见产状136°/SW∠78°正断层发育。该断层略呈舒缓状弧形发育,中部的卵石沿断层面呈定向排列。该断层断错了剖面中的晚更新世砂卵砾石层及下部的黏土层,错距约35 cm,但地表的疏松土层未见错动。

图14 剑—沙公路边的断层剖面Fig.14 Fault profile along the Jian-Sha highway

4 认识与总结

龙蟠—乔后断裂(F6-1)在桃源盆地内分别断错了上更新统地层(Q3)、桃源河和全系统Ⅰ级阶地沉积物(Q4),并且明显控制着上桃源村附近河流发育和现代河床的发展,表明龙蟠—乔后断裂桃源段在晚第四纪乃至全新世仍在活动,属全新世活动断裂,活动方式以水平走滑为主,与前人[3-4,6,9,22-23]对桃源段北端的剑川盆地西部边缘的研究成果一致。桃源断裂(F6-2)明显控制着下坝址区峡谷地貌的发育和桃源盆地内上更新统地层的沉积规模,分别在黑惠江右岸发现基岩地裂缝和姑扎乃箐P2、P3、P4位置发现上更新统地层(Q3)被断层明显断错的迹象,表明了桃源断裂在晚第四纪活动强烈,属晚更新世以来的活动断裂,活动方式主要表现为正断性质。刀郭断裂(F6-3)区内明显断错了桃源河,在姑扎乃箐南支右岸P8点及其支流内P7等位置分别发现断层断错了上更新统的坡洪混合沉积物及Ⅱ级阶地沉积层(Q3)等迹象,表明刀郭断裂在晚第四纪同样活动过,属晚更新世以来的活动断裂,活动方式以左旋走滑为主。合江村断裂(F6-4)区内沿海尾河(黑惠江上游河段)发育并隐伏于剑湖之下,在海尾河左岸分别发现断层断错了全系统地层(Q4)(P5)和上更新统地层(Q3)(P6),表明合江村断裂在晚第四纪多次活动,属全新世活动断裂,活动方式也主要表现为正断走滑性质。

地表调查发现,龙蟠—乔后断裂带的桃源段普遍发育了宽的破碎带,笔者认为这可能与此段正处于剑川盆地西南角独特的构造位置有关。因为在构造盆地的顶角上应力最为集中,是受力最大的部位。龙蟠—乔后断裂(F6-1)、桃源断裂(F6-2)、刀郭断裂(F6-3)和合江村断裂(F6-4)平行发育,可能是由西向东依次向盆地发育的结果,当然也不排除按照相反次序发育,从最东侧合江村断裂(F6-4)全新世活动迹象推测,前者的可能性更大。沿断裂发育如此宽阔的破碎带,也表明该断裂成熟度较高,可能经历了长期而复杂的变形过程。因此,综合分析推断,这4条平行发育的断裂晚第四纪期间的活动强度可能差别不大,如果龙蟠—乔后断裂(F6-1)的平均走滑速率为3.4 mm/a,其他三条主要断裂的年平均活动速率可能会略比主干断裂(F6-1)稍低,但与前人在周边的研究成果相当[3,6,22,25],初步估计可能为3.2 mm/a,因此它们应该都属中等活动性断裂,未来均有可能发生强震。

目前,剑川及邻近地区(包括研究区)属强烈应变积累单元区,浅部断层已达到产生走滑失稳的临界条件,而剑川地区的主压应力为近水平的NNW-NW方向,且挤压应力作用强烈[3,7,21,25],更有利于龙蟠—乔后断裂(F6-1)产生左旋走滑活动,构成了7级地震潜在震源区,新构造活动强烈,区域构造稳定性差,桃源段场地地震安全性差。

5 结语

综合龙蟠—乔后断裂带桃源段的调查研究结果,可以获得以下主要认识。

(1) 龙蟠—乔后断裂带桃源段总宽度3.5～4 km,主要包含了龙蟠—乔后断裂(F6-1)、桃源断裂(F6-2)、刀郭断裂(F6-3)和合江村断裂(F6-4),共4条为NNE-SSW走向且平行分布的分支断裂构成,各断裂的间距在400～1 200 m,发育深度均大于600 m,延伸长数十公里,具有形成时间较早且第四纪期间存在多期活动的特征。

(2) 龙蟠—乔后断裂构造带桃源段额晚第四纪活动特征明显,其4条主要分支断裂,包括龙蟠—乔后断裂(F6-1)、桃源断裂(F6-2)、刀郭断裂(F6-3)和合江村断裂(F6-4)均为晚第四纪活动断裂,活动性中等,其中龙蟠—乔后断裂(F6-1)和合江村断裂(F6-4)为全新世活动断裂,桃源断裂(F6-2)和刀郭断裂(F6-3)为晚更新世活动断裂;龙蟠—乔后断裂(F6-1)和刀郭断裂(F6-3)在晚第四纪活动以左旋走滑运动为主,桃源断裂(F6-2)和合江村断裂(F6-4)则以正断走滑运动为主。

综上,由于龙蟠—乔后断裂带是构成川滇地块西侧的重要边界断裂带之一,而且该断裂桃源段的晚第四纪活动特性明显影响着桃源水库工程区的场地稳定性分析以及研究区及邻区的区域构造稳定性与地震风险判定等。本文关于龙蟠—乔后断裂带桃源段晚第四纪构造活动特征及最新活动时代的研究成果,可进一步丰富对滇西北龙蟠—乔后断裂构造带南段的地震地质认识,而且可为桃源水库的工程设计提供可靠和关键性地质依据。

致谢:柳晓宁、张树洪、胡云军、张俊杰、师海翔、谭志华、吕晓东、江涛等诸多同事,一同参加野外地质调查、剖面测绘、勘探编录等工作;审稿专家提出了宝贵的修改意见和建议。谨此,一并致谢！