四川叠溪松坪沟断层的厘定*

2024-01-11赵其华郑秀红何文秀彭社琴

工程地质学报 2023年6期

赵其华郑秀红何文秀彭社琴

(①地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)/成都理工大学环境与土木工程学院,成都 610059,中国)(②四川省自然资源勘察设计集团有限公司,成都 610051,中国)

0 引言

北京时间1933年8月25日15时50分30秒,四川茂县北部的叠溪镇发生了MS7.5级大地震,使千年叠溪古镇完全埋葬于地下,并引发了滑坡、崩塌、堵江、溃坝等灾害,造成重大的人员伤亡和财产损失。对于此次地震的震源机制,一种代表性的观点认为是在近东西向的构造应力场作用下,NW向松坪沟断层发生左旋错动,从而引发地震(四川省地震局,1983)。

客观认识地震的发震构造,对地震趋势预测以及断裂沿线工程建设场地的安全性评价极为重要(钱洪等,1999b)。最早,李坪等(1979)结合震害分布、建筑物倾倒方向及震感特征,提出沿松坪沟存在一条走向NW、以水平错动为主的断层,即叠溪地震的发震断层。但由于崩坡积物的掩盖,作者并未见到断层露头。随后,唐荣昌等(1983)根据断层露头,认为松坪沟断层发育在墨石寨、松坪乡、观音崖一带,沿松坪沟断续分布,断面产状松坪乡以北为N55°W/NE∠65°,以南为N52°W/SW∠80°,为一隐伏逆断层。这一结论在《四川省志·地震志》(1998)一书中也有记载。王新民(1986)通过卫星图像解译并结合断层露头,认为松坪乡至墨石寨存在一条走向NW、倾NE、以压性为主的逆断层。黄祖智等(2002)根据断层错断第四纪湖相沉积物,认为松坪沟断层为全新世活动断裂。

与以上观点不同,Ren et al.(2018)通过阶地位错分析和断层露头测年结果,认为松坪沟断层为一走向NW、倾SW的正断层。此外,可能由于地震崩坡积物的掩盖,部分学者(Chen et al.,1994; 邓起东等,1994; 赵小麟等,1994; 钱洪等,1999a,1999b)在对松坪沟进行实地调查时,未发现断层露头和地表破裂,否定了松坪沟断层的存在。

以上研究表明,目前学者们对于松坪沟断层的存在、发育分布以及活动性存在一定分歧。因此,本文通过对松坪沟中下游(松坪沟沟口至墨石寨)进行野外地质调查和地球物理探测,证实了松坪沟断层的存在; 结合前人研究成果,对松坪沟断层的具体空间展布位置进行了厘定; 通过流域地貌参数分析,探讨了松坪沟断层的活动性。

1 地质背景

研究区位于岷江上游四川省茂县松坪沟流域,地处青藏高原东缘川西北高原东部、青藏高原与四川盆地的过渡地带(王兰生等,2007)。受印支期与燕山期褶皱变形和断裂构造作用,区内发育由一系列紧密线状弧形同斜倒转褶皱及相伴生的逆冲断层组成的较场弧形构造带(四川省地震局,1983)(图1)。松坪沟位于较场弧形构造西翼,主沟长约40km,地貌上属于构造侵蚀的中高山地貌,河谷形态呈“V”字型。上游沟谷稍宽,岸坡较缓,两岸岩性以三叠系上统侏倭组(T3zw)变质砂岩夹千枚岩、灰岩、板岩为主; 下游沟谷狭窄,岸坡陡峻,岩性以三叠系中统杂谷脑组(T2z)变质砂岩夹千枚岩、板岩为主(图1)。左岸岩层倾向与坡向一致,易发生顺层滑坡; 右岸岩层倾向与坡向相反,易发生崩塌。

图1 研究区地质概况图

研究区新构造运动活动强烈,主要表现为地壳间歇性抬升和断层活动,受断层活动影响,全新世以来地震活动频繁。其中:震中位于研究区且5级以上的地震至少有4次,包括1713年MS7.0叠溪地震(烈度Ⅸ)、1933年MS7.5叠溪地震(烈度Ⅹ)、1934年MS5.5叠溪地震(烈度Ⅶ)、1952年MS5.5叠溪地震(烈度Ⅵ)。对研究区影响最大的是1933年叠溪地震。

1933年叠溪地震震中位于叠溪——下木石坝一带(32°N,103.7°E),最大烈度为Ⅹ。地震震害(滑坡、崩塌、地裂缝和被毁村寨遗址)主要沿沟谷分布,大多数分布在松坪沟流域,沿松坪沟形成一条宽数十至数百米,长30km的地震形变带,且形变带内震害规模和密集程度从南东向北西逐渐减弱(唐荣昌等,1983)(图1)。

2 松坪沟断层证据

2.1 地表调查

笔者在沿松坪沟中下游(松坪沟沟口至墨石寨)进行野外地质调查时,发现了一系列断裂活动的地质与地貌证据,包括3处断层露头和1处线性地貌(图2)。

图2 研究区遥感影像(来自91卫图)

2.1.1 断层露头点D1(32°3′1″N,103°40′E)

该断层露头位于金枪岩隧道北出口附近(图2和图3)。主断面产状N65°W/SW∠72°,破碎带宽约0.5～1.5m,主要为湖相沉积物质,呈片状、角砾状结构(图3a)。断层SW盘为三叠系杂谷脑组(T2z)中-厚层状变质砂岩夹千枚岩,岩层产状N57°W/SW∠30°; NE盘为淡黄色薄-中层泥质夹青灰色粉砂质湖相沉积物,呈半成岩状态,层理近水平向,层厚5～40cm,粉砂质夹层厚度约10cm(图3b),上覆为崩坡积物; 三叠系杂谷脑组变质砂岩逆冲于第四系湖相沉积层之上,为一逆断层。次级断面产状分别为N60°W/SW∠72°、N50°W/NE∠60°,破碎带宽约20～50cm,可见菱形块体,结构松弛(图3b)。

图3 金枪岩隧道北出口断层露头(D1)

另外,在断层主断面处还发育一轴向为310°的牵引褶皱(图3a),结合研究区构造应力场,其应该是在EW向应力场作用下,断层两盘发生左旋运动形成的。由此推断,该断层具有左旋走滑兼逆冲性质。

2.1.2 断层露头点D2(32.106°N,103.62°E)

该断层露头位于水磨沟与松坪沟交汇处,水磨沟左岸(图2)。断面整体平直,产状N75°W/SW∠56°,破碎带可见宽度13.5m,主要由粒径小于2cm的断层角砾、岩粉及夹杂其中的构造透镜体(岩块)组成,局部可见糜棱岩化(图4)。向主沟方向,由于地震崩坡积物覆盖,未见破碎带边界,推测该断层破碎带可能起始于河谷中部,甚至靠近松坪沟右岸。

图4 水磨沟沟口断层露头(D2)照片

2.1.3 断层露头点D3(32.178°N,103.508°E)

该断层露头位于墨石寨,松坪沟左支沟沟口处(图2)。其破碎带可见宽度约30m(图5a),主要由片状构造岩组成,局部可见深灰色糜棱岩化条带(图5b),片理化、糜棱岩化强烈,局部形成岩粉。坡面上部植被较茂密,下部裸露,且未见完整基岩出露(图5a),由此推测,该断层破碎带实际宽度大于30m。

图5 墨石寨断层露头(D3)、物探测线位置及AMT电阻率剖面图

2.1.4 线性地貌(32.052°N,103.665°E)

通过遥感影像和现场调查,在松坪沟沟口至游客中心对面可见明显的线性地貌(图2和图6a),全长1.4km,连贯性较好,整体走向N30°W,海拔2250～2500m,相对高差250m,高差从南东向北西方向逐渐减小,为断层活动形成的地貌标志——断层崖。断层崖较为陡峻,坡度70°～85°(图6b)。

2.2 地球物理探测

为了进一步验证断层的存在,选用抗干扰能力强的天然场音频大地电磁法(AMT),沿松坪沟布置了5条物探测线,从沟口往上游依次为L1、L2-1、L2-4、L2和L3测线(图2)。测线范围内地层岩性为三叠系新都桥组(T3xd)、侏倭组(T3zw)和杂谷脑组(T2z)变质砂岩夹千枚岩、板岩(图1),其电阻率差异不大。根据研究区物性测试结果(四川省自然资源勘察设计集团有限公司,2017),较完整岩体与破碎、软弱或含水岩体之间存在一定的电性差异。断层构造带一般较为破碎,还可能富含有水,其电阻率较低,在电阻率反演剖面上常表现为电阻率等值线发生扭曲、突变,呈现低电阻率凹陷等特征。

L1测线位于松坪沟沟口,物探结果(图6c)显示,沿布线120～400m之间存在垂向低阻区(ρ<70 Ω·m),并在测线端点处可见断层崖,因此,推测该处存在断层,断层倾向SW,倾角约80°。

L2-1测线位于两河口,物探结果(图7a)显示,沿布线700～950m之间存在明显的低阻区(ρ<156 Ω·m),且向下延伸至最大勘测深度,推测该处存在倾向SW,倾角约80°的断层。值得注意的是,该低阻区分布于松坪沟右支沟(滚水沟),而主沟一侧并无异常,说明断层向滚水沟延伸。

图7 研究区物探测线位置及AMT电阻率剖面图

L2-4测线位于桦子林附近,物探结果(图7b)显示,沿布线200～450m之间存在明显的条带状低阻区(ρ<500 Ω·m),且向下延伸至最大勘测深度,推测该处存在断层,断层倾向NE,倾角约70°。

L2测线位于松坪乡,物探结果(图7c)显示,沿布线330～570m之间存在等值线向下凹陷的低电阻区(ρ<300 Ω·m),且向下延伸至最大勘测深度,推测该处存在断层,断层倾向NE,倾角约70°。

L3测线位于墨石寨,物探结果(图5c)显示,沿布线800～960m之间存在明显的条带状低阻区(ρ<160Ω·m),且向下延伸至最大勘测深度,并在测线附近发现了断层露头(图5a、图5b),推测该处存在断层,断层倾向NE,倾角约55°。

综上所述,研究区布置的5条物探剖面上均存在明显的低阻带,进一步证实了松坪沟断层的存在。

3 松坪沟断层空间发育位置的确定

对于松坪沟断层的空间展布情况,最早唐荣昌等(1983)通过现场调查,认为其发育在墨石寨、松坪乡、观音崖一带,整体走向NW,大致沿松坪沟断续分布,长约30km。王新民(1986)通过遥感影像判释和断层露头,认为松坪乡-墨石寨段存在一条走向NW、倾向NE的逆断层; 而白腊寨-公棚海子段卫星图像上虽线性色带明显,但由于该段多被崩坡积掩盖,未能证实是否是断层。

此次调查中,作者在公棚海子附近发现了断层露头(图2中D2),进一步证实了白腊寨-公棚海子段(娃儿堡)存在断层,其走向NW,倾向SW,倾角约56°。同时,作者在墨石寨也发现了断层露头(图2中D3),结合该处L3测线物探结果(图5c),断层倾向NE,倾角约55°,与前人现场调查结果一致(四川省地震局,1983; 唐荣昌等,1983)。此外,墨石寨下游的L2-4和L2测线电阻率剖面(图7a、图7c)中低阻带的倾向与L3测线相同,由此可以推断,断层自墨石寨经松坪乡延伸至桦子林附近,整体走向NW,倾向NE,倾角55°～70°。

而L1(图6c)和L2-1(图7a)测线物探结果显示的断层倾向SW,倾角约80°,其与断层露头点D1处主断面产状基本一致(图3),并结合沟口至游客中心对面的线性地貌(图6a),证实了在松坪沟沟口-滚水沟沟口段存在断层,总体走向NW,倾向SW,倾角70°～80°。

综上所述,松坪沟断层整体顺松坪沟发育,且发育在三段走向NW的沟谷(墨石寨-桦子林、娃儿堡-白腊寨村和滚水沟沟口-松坪沟沟口)。从地貌上看,这三段沟谷之间由两段走向近SN的沟段连接(图2)。若断层沿整个松坪沟贯通,则三段走向NW的沟谷之间应该表现为比较平顺连接,而不会是大角度的转折; 同时,结合前人研究成果及现场调查,在近SN向沟段中均未见到断层迹象,且两河口处L2-1测线电阻率剖面中低阻区偏向支沟滚水沟一侧,而在主沟两河口-白腊寨村之间并无异常。由此证明松坪沟断层未沿SN向沟谷贯通,而是呈三段斜列式展布(图8):墨石寨-桦子林段(倾向NE,倾角约55°～70°,长约8.5km,为NW段)、娃儿堡-白腊寨村段(倾向SW,倾角约56°,长约5.5km,为中间段)和滚水沟沟口-松坪沟沟口(段倾向SW,倾角约70°～80°,长约4km,为SE段)。

图8 研究区水系分布图

值得注意的是,限于调查范围,本文只针对松坪沟断层在松坪沟沟口至墨石寨段的发育情况进行分析,而断层的发育范围可能不止于此。

4 松坪沟断层的活动性分析

已有研究表明,松坪沟断层为一以左旋水平错动为主的逆断层(王新民等,1933; 李坪等,1979; 四川省地震局,1983; 唐荣昌等,1983)。断层露头点D1处,三叠系杂谷脑组变质砂岩逆冲于第四系湖相沉积层之上(图3a),以及主断面处的牵引构造(图3a),进一步证实了松坪沟断层为一左旋走滑运动为主、兼逆冲性质的断层。同时,据王兰生等(2005)研究,该研究区湖相沉积物形成时间距今约两万年,松坪沟断层切穿该地层,表明其在湖相沉积物形成之后有过活动,即松坪沟断层在距今两万年以来有过活动。

此外,由于水系对构造运动的反应极为敏感(唐然等,2021),因此,本文结合松坪沟流域ASTER GDEM数据(30m精度),利用ArcGIS 10.2软件,提取了谷底宽度与谷肩高度之比(VF)、面积高程积分值(HI)和河长坡降指数(SL)等地貌参数,并对其进行定量分析。初步探讨了松坪沟断层的活动强度。

4.1 谷底宽度与谷肩高度之比(VF)

谷底宽度与谷肩高度之比是Bull et al.(1977)提出的描述河谷形态的地貌学指标,用来表征构造活动的强弱。V型河谷(VF<1)反映构造活动强烈,而U型谷(VF>1)则表明构造较为稳定。作者在研究区10个支流的出山口上游1.5km处和干流中下游段,共选取15个典型剖面,并计算其VF值(剖面位置及其VF值见图8)。计算得出VF值为0.12～0.3,说明研究区构造活动强烈,河谷形态以V型为主。

4.2 面积高程积分(HI)

面积高程积分是Strahler(1952)提出的定量描述流域内高程的分布,表征未被侵蚀部分体积的参数,可反映区域构造活动差异(蒋钰峰等,2019)。考虑到研究区流域数目较少,本文选用积分曲线法。利用测高法工具(Hypsometry Tools)在ArcGIS中提取研究区10个子流域的面积高程积分曲线(图9),并求出相应的HI值(流域范围及其HI值见图8)。

图9 研究区各支流面积-高程积分曲线

计算结果显示,研究区HI值为0.49～0.63,依据W.D.Davis地貌侵蚀旋回理论(Pike et al.,1971),在地貌发育上处于幼年期晚期(HI>0.6)和壮年期(0.35

4.3 河长坡降指标(SL)

河长坡降指标是Hack(1973)提出的定量描述河流纵剖面坡度变化的参数,可近似由河流纵剖面局部段的坡度与离河流源头的距离的乘积来计算。常用于探讨中-小时空尺度的构造强度和岩性差异等问题(赵洪壮等,2010)。本文基于DEM高程数据,提取出松坪沟干流的河流纵剖面,以500m作为一个河段,计算各河段的SL值,并利用均衡坡降指标K值对其标准化,得到标准化河长坡降指标(SL/K)(图10)。

图10 松坪沟河流Hack剖面曲线与标准化坡降指标

图10显示,研究区Hack剖面整体呈“上凸”形,在松坪沟下游(桦子林至沟口段)曲线急剧下降,SL/K值出现异常高峰值,特别是在与断层大角度相交的近南北向河段(桦子林-娃儿堡和白腊寨村-两河口)尤为明显。考虑到研究区岩性变化不大(图1),且桦子林-娃儿堡河段与白腊寨村-两河口河段支流不多(图8),河流在流经与断层走向一致的北西向河谷区时,SL/K值又相应减小,由此可以断定河长坡降指标的变化是构造活动引起,且进一步证明了松坪沟断层在南北向沟段并未贯通。同时,也反映出松坪沟断层在下游(娃儿堡-白腊寨村和滚水沟沟口-松坪沟沟口)的活动较上游(墨石寨-桦子林)强烈,这与1933年叠溪地震震害向松坪沟上游逐渐减弱有很好的一致性(图1)。