引用本文
丁锐, 任俊杰, 张世民, 吕延武, 刘汉永. 丽江-小金河断裂中段晚第四纪古地震历史[J]. 地震地质, 2018,40(3): 622-640.
DING Rui, REN Jun-jie, ZHANG Shi-min, LÜ Yan-wu, LIU Han-yong. LATE QUATERNARY PALEOEARTHQUAKES ON THE MIDDLE SEGMENT OF THE LIJIANG-XIAOJINHE FAULT,SOUTHEASTERN TIBET[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(3): 622-640.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.03.009
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丽江-小金河断裂中段晚第四纪古地震历史
丁锐1,2, 任俊杰1,*, 张世民1, 吕延武1, 刘汉永1
1中国地震局地壳应力研究所, 地壳动力学重点实验室, 北京 100085
2中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
*通讯作者: 任俊杰, 男, 副研究员, E-mail: renjunjie@gmail.com。

〔作者简介〕 丁锐, 男, 1982年生, 中国地震局地质研究所在读博士研究生, 助理研究员, 研究方向为活动构造与构造地貌, E-mail: reiding@hotmail.com。

收稿日期: 2017-10-30
基金项目: 国家自然科学基金(41572193)、 中国地震局地震行业科研专项(201108001)、 中国地震局地壳应力研究所基本科研业务专项(ZDJ2017-24)、 城市活断层探测与地震危险性评价项目: 丽江-小金河断裂(丽江盆地隐伏段)地质填图项目与中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室项目(LED2016A01)共同资助
摘要

丽江-小金河断裂为川滇菱形块体内部重要的次级边界断裂, 沿断裂断错地貌清晰, 晚第四纪活动强烈, 但历史上无地表破裂型地震的记录, 其大震复发行为仍不清楚, 难以评价其地震危险性。文中选取断错地貌最为显著的丽江-小金河断裂中段, 在高分辨率卫星影像解译的基础上, 在母猪达、 红星和干塘子开挖3个探槽, 并利用放射性碳测年和古地震事件的OxCal建模对古地震事件年龄进行了限定。研究结果表明, 母猪达探槽揭示了3次古地震事件, 分别发生在7940~6540a BP、 4740~4050a BP和1830~420a BP; 红星探槽揭示了2次古地震事件, 分别发生在5120~3200aBP和2100~1220a BP; 干塘子探槽揭示了至少3次古地震事件, 分别发生在44980~17660a BP、 7210~3810a BP和2540~1540a BP, 因为地层存在缺失, 该探槽中揭示的事件可能不完整。综合3个探槽结果, 全新世以来丽江-小金河断裂中段有3次古地震, 分别发生在7940~7210a BP、 4740~4050a BP 和1830~1540a BP, 其大震复发大致符合准周期模式, 平均复发间隔约3000a, 震级达 M7.5。考虑到丽江-小金河断裂中段较强的晚第四纪活动和较长的大震离逝时间, 其未来地震危险性值得关注。

关键词: 川滇菱形块体; 丽江-小金河断裂; 古地震; 探槽; 复发间隔
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)03-622-19
LATE QUATERNARY PALEOEARTHQUAKES ON THE MIDDLE SEGMENT OF THE LIJIANG-XIAOJINHE FAULT,SOUTHEASTERN TIBET
DING Rui1,2, REN Jun-jie1, ZHANG Shi-min1, LÜ Yan-wu1, LIU Han-yong1
1)Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
2)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

More attention has been paid to the late Quaternary activity of the boundary fault of the Sichuan-Yunnan block in eastern Tibet. The Lijiang-Xiaojinhe Fault(LXF)locates along the boundary of the northwest Sichuan and central Yunnan sub-blocks in the Sichuan-Yunnan block. Clear displaced landforms show that the fault has undergone strong late-Quaternary activity. However there is no surface-rupturing earthquake occurring on the LXF in the historical record. The LXF crosses the city of Lijiang, one of the most important tourist cities in Southwest China. The rupture behavior on this fault remains unclear and it is hard to assess its seismic hazard in the future. In this study, on the base of the interpretation of high-resolution satellite imagery, we chose the middle segment of the LXF and dug three trenches at Muzhuda, Hongxing, and Gantangzi sites to constrain the ages of paleoearthquakes combined with radiocarbon dating and OxCal modeling. The Muzhuda trench shows that at least three events occurred on the middle segment of the LXF at7940~6540aBP,4740~4050aBP and1830~420aBP, respectively. The Hongxing trench indicates that the LXF underwent two events at5120~3200aBP and2100~1220aBP. The Gantangzi trench reveals at least three paleoearthquakes at 44980~17660aBP,7210~3810aBP and2540~1540aBP, respectively. The events in the Gantangzi trench might be incomplete because of stratigraphic gap. These three trenches indicate that three events occurred on the middle segment of the LXF in the Holocene at7940~7210aBP,4740~4050aBP and1830~1540aBP, respectively. Large earthquakes on the middle segment of the LXF appear to fit the quasi-periodic model with the mean recurrence interval of ~3 000a and the estimated magnitude 7.5. Given the strong late-Quaternary activity of the middle segment of the LXF and a long elapsed time, we propose that the middle segment of the LXF might have a high seismic hazard potential in the near future.

Keyword: Sichuan-Yunnan block; Lijiang-Xiaojinhe Fault; paleoearthquake; trench; recurrence interval
0 引言

印度板块与欧亚板块近SN向的碰撞不仅造成了青藏高原的隆升, 而且导致青藏高原向E运动(Molnar et al., 1975)。青藏高原东南缘SE向滑移由于受到华南块体的阻挡被迫向S偏转, 沿边界断裂作顺时针转动(Burchfiel et al., 2013), 形成了现今川滇菱形块体的构造格局(图1)。因川滇菱形块体主边界上强震多发, 大量研究主要集中在主边界断裂上(陈桂华等, 2008; 冉勇康等, 2008), 而对块体内部断裂的第四纪活动特征及其地震危险性关注较少。

图 1 区域构造概况和丽江-小金河断裂几何展布
a 研究区构造概况, 活动断裂和块体划分修改于文献(徐锡伟等, 2003; Ren et al., 2013); 活动块体: [1]羌塘块体, [2]-1 川西北次级块体, [2]-2 滇中次级块体, [3]保山-普洱块体, [4]-1 阿坝次级块体, [4]-2 龙门山次级块体, [5]华南块体。 b 丽江-小金河断裂几何展布特征, 范围见a, 背景为 1:20万区域地质图Fig. 1 Tectonics of the study region and geometry of the Lijiang-Xiaojinhe Fault.

丽江-小金河断裂为川滇菱形块体内部次级块体的边界断裂, 断裂两侧地势差异显著。已有研究表明, 丽江-小金河断裂吸收了鲜水河断裂带向SE传递的一部分左旋走滑变形, 第四纪以来水平滑动速率为2.4~4.5mm/a(向宏发等, 2002; 徐锡伟等, 2003); 而GPS速度场资料显示横跨该断裂现今存在约3mm/a的左旋剪切(Shen et al., 2005; 王阎昭等, 2008; 程佳等, 2012), 且沿断裂断错地貌显著, 这些表明丽江-小金河断裂晚第四纪以来具有较强的活动。虽然历史上该区域内中强地震多发, 但丽江-小金河断裂未见地表破裂型地震的记录, 地震震源机制研究结果亦表明该区域现今地震与丽江-小金河断裂的活动无关(王晓山等, 2015)。另外, 丽江-小金河断裂穿过西南地区重要的旅游城市丽江市, 其是否具有发生大地震的能力?大地震复发行为如何?这些对于该地区的地震危险性评价至关重要。

本文基于高分辨率卫星影像解译和野外调查, 以丽江-小金河断裂断错地貌最显著的中段为研究对象, 选取典型地点开挖探槽, 结合序列14C年龄样品的OxCal建模, 获得了该断裂段晚第四纪以来的古地震历史, 并分析了其大震复发行为。该研究为分析青藏高原东南缘块体内部断裂的大震复发特征和评价地震危险性具有重要意义。

1 区域地质构造背景

丽江-小金河断裂呈NE向展布, 其东南侧为扬子地台, 西北侧为藏滇褶皱区。断裂带西北端古生代地层发育较全, 厚度较大, 以浅海相沉积为主; 向东南古生代地层缺失较多, 厚度逐渐变薄, 而且以滨海相为主。二叠纪、 三叠纪时期玄武岩大量喷发, 夹于玄武岩组和黑泥哨组中的角砾状玄武岩亦呈NE向展布, 而且玄武岩、 碎屑岩、 碳酸岩3种不同类型的黑泥哨组有规律地互相递变, 沿断裂呈NE向分布(图1)。地球物理资料显示, 沿该断裂带可见莫霍面陡变带和重力异常梯度带, 它控制着滇西北裂陷区的形成演化(许志琴等, 2007)。

区域构造上, 丽江-小金河断裂是在龙门山-雅砻-玉龙逆冲带基础上形成的, 该逆冲带是中生代龙门山-锦屏山逆冲推覆构造带的SW向延伸。在晚新生代青藏高原向E运动的背景下, 该逆冲带被中新世形成的NW向的鲜水河断裂左旋走滑错开(许志琴等, 2007; Liu-zeng et al., 2008; Burchfiel et al., 2013)。构造格局上丽江-小金河断裂把川滇菱形块体分割为川西北和滇中2个次级块体(图1)。地貌上在断裂通过处地形从4i000m的高原面陡降到3i300m, 形成显著的NE向地形陡变带。

根据中国地震目录的记载, 丽江-小金河断裂周围强震频发, 破坏性地震(M≥ 5.0)超过50次, 其中6级以上地震12次, 最大震级地震为1996年2月3日的丽江7.0级地震, 这次地震造成了丽江盆地西侧的近SN向边界断裂的破裂(韩竹军等, 2004); 而在宁蒗盆地附近也表现为显著的中小地震震群, 但这些地震是宁蒗周边盆地边缘断裂的活动结果(常祖峰等, 2013)。

丽江-小金河断裂自剑川盆地向NE经丽江、 宁蒗、 木里, 而后转为NNE向, 在石棉一带交会于鲜水河断裂上, 全长超过300km, 大致以丽江和木里为界划分为3部分(图1)。丽江以南(SW段), 长30~40km, 断裂带表现为3~4km宽度范围的多条次级断裂, 次级断裂间为小型地堑或半地堑小盆地, 倾滑分量主要表现为正断; 木里以北(NE段), 断裂大致沿雅砻江和锦屏山东南缘展布, 地处强侵蚀和深切割区, 缺少第四系沉积; 丽江至木里之间(中段), 长约150km, 断裂线性特征显著, 断错地貌清晰, 总体以左旋走滑为主, NE段显示存在挤压特征, 而SW段兼有正断分量, 虽展布在深山峡谷地区, 但沿断裂发育多个小型流域盆地, 为研究断裂的晚第四纪活动特征提供了便利。本研究在丽江-小金河断裂中段由NE向SW选取典型地点进行古地震详细研究。

2 古地震研究
2.1 母猪达探槽

在宁蒗县母猪达一带, 断裂自西南山坡经母猪达向NE方向展布, 母猪达两侧山坡表现为断层槽谷地貌(图2)。母猪达所在位置为宽广平坦的冲积台地, 相当于T2阶地。由于断裂的左旋位错, 冲沟左旋拐弯明显, 西南盘冲沟表现为非常狭窄的河道。由于西南盘基岩山脊对冲沟的阻挡, 使得在母猪达堆积了来自上游的大量冲积物, 形成了宽广的T2阶地(图2)。T2阶地现为农田, 断错地貌不清晰。但断层通过沟床处的露头, 揭示出T2阶地沉积中断层的存在。在已有露头的基础上, 横跨断层开挖了1个探槽(图3)。

图 2 母猪达一带断错地貌特征
a 0.6m分辨率的WorldView影像, b 断错地貌解译图; 位置见图1Fig. 2 Offset landforms around Muzhuda Village.

该探槽长8m, 深3.2m, 主要由冲洪积相砂层和砂砾石层组成。由老至新可分为8层(图3): 层1由1套灰黄色粉细砂与灰褐色、 灰色砂砾石层互层组成, 发育水平层理; 层2为灰色砾石层, 含灰黄色粉砂透镜体或夹层, 局部上覆灰黄色粉细砂薄层。层3主要由砂砾石组成, 在左侧靠近断层的地方, 可见底部砾石的大小混杂堆积, 向上砾石逐渐变为沿坡向定向排列, 而右侧靠近断层地方, 下部的砾石与灰黄色粉砂混杂堆积, 未见明显的层理, 并含有灰黄色砂质黏土块, 向上砾石也存在沿坡向定向排列的特征。层4可分为2个次级层, 层4a为灰黑色含砾粉细砂黏土层; 层4b为灰黄色含砾粉细砂层, 发育水平层理。层5可分为4个次级层, 层5a为灰褐色粉砂黏土层, 含砾, 发育水平层理; 层5b为1套砂砾石层, 向左侧地层厚度逐渐变薄; 层5c为灰褐色细砂层, 含砂砾石透镜体和零星小砾石; 层5d为灰色砂砾石层, 砾径一般0.5~1cm, 最大2~3cm, 其间被粗砂填充。层6可分为3个次级层, 层6a为棕黄色粉砂土层, 含砾; 而层6b为1套灰黑色沼泽相含砾粉砂质黏土层; 层6c为薄层灰黄色粉砂层: 这3个次级分层向上均表现为中间厚, 向两边逐渐尖灭的特征。层7为灰色细砾层, 含细砂透镜体, 砾石磨圆度为圆状, 该层中间厚, 向两边逐渐尖灭。 层8为灰褐色含砾砂土层, 植物根系发育。从沉积相特征来看, 层8为耕植土层, 层4— 7为冲洪积漫滩相, 层1— 2为冲积河床相, 而层3为崩坡积相, 层4a、 6b和7为局部低洼沉积。

图 3 母猪达构造地貌与探槽(探槽位置见图2)Fig. 3 Photo and log of the Muzhuda trench(see trench site in Fig. 2).

因为探槽所在位置处于堆积环境, 在地层中含有大量的炭粒和有机沉积物, 这为准确厘定地层的年龄提供了条件。在探槽剖面中共采集了13个样品, 除了1个有机沉积物(MZDC-21)外, 其余均为炭粒或炭屑(表1)。该有机沉积物采集于层4b, 主要由腐烂的植物叶片组成, 考虑到其沉积后经过再次搬运后很难完整沉积下来, 我们认为其能代表地层沉积发生的时代。另外, 样品MZDC-16明显比整个沉积序列年轻, 可能受到后期含碳物质的影响; 而样品MZDC-26明显偏老, 可能是含碳物质沉积后再次搬运的结果, 判断这2个样品为异常值。这里采用牛津大学放射性碳加速器实验室开发的OxCal 4.3放射性碳校正和分析软件(Ramsey, 2016), 这个软件基于1个沉积模型对剖面中的年代限定(比如放射性碳测年和历史年代限定)的时间分布的加权来建立需定年事件(比如古地震)的年龄的概率分布模型(Lienkaemper et al., 2009)。在这个模型中, 该软件利用地层年代限制和马尔卡夫链蒙特卡洛采样方法(Markov Chain Monte Carlo sampling method), 可为每次事件或1次古地震发生在1个特定时间的可能性形成1个概率分布。这种蒙特卡洛采样方法是用马氏链随机分布取样的1组算法, 之前的步骤作为下一步的底本, 步数越多, 结果越好。本研究中OxCal模型采用不考虑深度的简单沉积序列模型(Lienkaemper et al., 2009), 即待定事件的年龄不受埋藏深度的影响。首先排除了2个上述分析认为是异常值的样品结果, 根据探槽剖面地层沉积序列, 建立了OxCal模型, 结果中 > 90% 的模型拟合系数表明模型结果非常好(表1)。

表1 探槽放射性碳测年结果一览表a Table1 Results of radiocarbon dating samples in the three trenches

探槽剖面中断层包括2个分支(f1和f2), 分支断层之间下降表现为小地堑特征(图3)。2支断层下部均表现为1个宽约10cm的断层带, 带内可见砾石沿断面定向排列, 并见其中含灰黄色的粉砂质黏土块。2支断层在剖面下部呈现对称特征, 向上发育一系列小断面, 沿断面见构造楔和砾石定向排列, 断层断错层6内的一系列次级分层, 被层7所覆盖。基于断层与地层沉积特征及其接触关系, 共识别出了3次古地震事件, 从新到老分别为EA1至EA3。

最早的1次事件EA3表现为沿f1和f2断错了T2阶地的河床相砂砾石层(层2), 2支断层之间下降形成小地堑, 并在2条断层坎前形成崩积楔沉积(图3中的层3)。由于2条断层之间仍处于低洼处, 当时可能表现为1个局部沼泽, 沉积了层4a, 而后小地堑被充填, 堆积了层4b, 此时小地堑已被填平, 而随后的小型冲洪积作用堆积了层5。从层2中采集的样品MZDC-5表明T2河床相砾石层堆积结束于距今约7i960a, 该年龄限定了事件EA3年龄的上限; 而从层4a中部采集的样品MZDC-8表明层4a形成于距今约6i500a, 该年龄限定了事件EA3年龄的下限。OxCal模型结果表明事件EA3发生在7i940~6i540aiBP(图4)。

图 4 母猪达探槽OxCal模型Fig. 4 OxCal model of the Muzhuda trench.

倒数第2次事件EA2也造成了f1和f2的共同破裂。层5a在小地堑内外均有沉积, 厚度总体差异较小, 但地堑内地层比地堑外稍厚, 可能与断错事件的逆断分量造成断层附近的挤压缩短有关。而层5a堆积后事件EA3后断层之间的小地堑应已被填平, 当时的地形面接近水平, 随后堆积了层5b— d(图3)。层6a, b仅在断层间沉积, 表明层5d堆积之后断层再次活动, 在2支断层之间又下降成为1个小地堑洼地。另外, 层5a— d均被断错, 且4个次级分层的垂直位移量大致相当(约1.1m), 而又明显大于层6c的垂直位移(约0.2m)(图3)。虽然走滑为主的断裂可能会产生视位移, 但主要受被断错地层的倾角影响, 而该地点地形平坦, 地层也近水平, 因此走滑作用产生的视位移应该不大; 即使会产生视位移, 1次断错也不大可能造成近水平的上下2套地层的视位移差别这么大。因此, EA2事件在2条断裂之间形成地堑后, 因地势相对低洼, 在小地堑内沉积了层6a— c, 最后因不断有沉积物填充地形也接近水平。因此, 事件EA2发生在层5堆积之后层6堆积之前。层5d中并未找到含碳物质, 层5c顶部的样品MZDC-21测年结果表明层5沉积结束于距今约4i710a, 而层6a底部的样品MZDC-22结果表明层6a堆积于距今约4i080a(图3)。OxCal模型结果表明事件EA2发生在4i740~4i050aiBP(图4)。

最新1次事件EA1也造成了f1和f2的共同破裂。层6c在断层f1的上下盘均有保留, 且厚度大致相当(图3), 表明层6c堆积之后地形大致是平的, 而层6b和6c均被f1和f2断错。层7砂砾石层表现为透镜体特征, 向两边尖灭(图3)。从该剖面可以看出, 在层5a沉积后存在着多次侵蚀事件, 伴随沉积了薄层的砾石层。而在层6沉积过程中未见砾石层堆积, 表明期间未遭受过强烈的侵蚀。而在层6c沉积后被事件EA1断错后, 靠近断层的地方应该遭受过后期的侵蚀, 造成地堑外层6c不完整, 而正是这次侵蚀事件堆积了砾石层7。但这种侵蚀作用可能是沿断裂带水流的局部作用, 并不是整个T2阶地面上的侵蚀。因此, 在粉砂层6c堆积之后, 地表面近水平, 随后发生事件EA1, 在f1和f2之间下降, 被随后的砂砾石层7填充。因此, 事件EA1发生在层6c堆积之后, 而在层7堆积之前。我们从层6c中采集了3个炭屑样品MZDC-3、 MZDC-24和MZDC-25, 其测年结果非常接近, 表明层6c形成于1i860~1i880aiBP, 而从层7中采集的样品MZDC-1, 其结果限定了EA1的下限年龄(图3)。OxCal模型结果表明事件EA1发生在1i830~420aiBP(图4)。

2.2 红星探槽

在金棉乡, 断裂从金棉河北岸的红星村一带通过, 可见断层陡坎、 断错山脊和水系, 向SW主要沿1个冲沟的西坡通过, 可见明显的断错山脊地貌(图5)。在红星村西侧的G9冲沟, 沟床被左旋断错约40m(图5), 向NE断裂表现为山前的断层陡坎地貌和断错河流阶地, 向南可见残留的区域T4阶地面上形成的断层沟槽。在断层通过的G9冲沟右岸沟壁处, 因修路开挖见基岩断面。该断层发育在二叠系上统黑泥哨组砂岩中, 断层带为宽0.5~1m的基岩破碎带, 局部发育厚度< 5mm的灰黄色断层泥, 断层面倾角较陡, 达74° 。断面上发育擦痕, 表明断裂以左旋走滑为主, 兼有正断分量。

图 5 金棉乡红星村一带断错地貌特征
a 0.6m分辨率的WorldView影像, b 断错地貌解译图; 位置见图1Fig. 5 Displaced landforms around Hongxing Village, Jinmian Town.

在红星村东北, 断裂表现为线性断层陡坎(图5)。在冲沟G8左岸, 公路边经人工开挖清理见断层出露。地貌上, 断层东南盘为G8冲沟的T1阶地, 顶面现为玉米地。在剖面左侧存在1个小冲沟, 造成剖面左侧部分沉积物被侵蚀掉。幸运的是, 断层两侧地层保存基本完好(图6)。因该剖面紧邻主要道路, 无法进行大规模剖面清理和开挖, 上部较大的灌木因担心坍塌阻断道路而未清理, 但地层和断层之间的关系基本清晰。

图 6 红星探槽照片和素描图
探槽位置见图5; 测样点上方数字为测年结果, 单位为a, 下方为样品编号; 方块为采样位置, 其中白色方块代表结果为异常值的样品Fig. 6 Photo and log of the Hongxing trench.

根据颜色、 物质组成及其与断层之间的接触关系, 该探槽剖面可分为8层(图6): 层1由1套灰褐色含砾粉砂黏土层与灰黄色砂砾石层互层组成, 见水平层理。其中的砾石磨圆度主要为次棱角状, 固结程度比层2好。层2为灰黄色砂砾石层, 可见其中夹灰黄色粉细砂透镜体, 水平层理发育, 砾石磨圆度为次棱角状, 属T1阶地的河床相沉积。根据区域地貌特征, 该沉积物不是金棉河的沉积物, 而应属于G8冲沟。层3为灰黄色含砾细砂层, 水平层理发育, 应属于T1阶地的漫滩相沉积。层4为崩积相砾石层, 砾石大小混杂堆积, 未发育砾石定向排列和水平层理。层5为冲洪积相砂砾石层, 水平层理发育, 与层4呈过渡关系, 二者应属于同期异相沉积。层6为灰褐色含角砾砂土层, 中部的角砾可见沿坡向定向排列。该套地层向上从左到右逐渐变厚, 判断属坡积相, 其左端被断层错断。该套地层土壤化显著。层7为1套灰黄色含砾粉细砂层, 砾石主要为角砾, 下部砾石层较多, 混杂堆积, 上部砾石沿坡向定向排列。该套地层向上从左到右逐渐变厚, 判断其为崩积楔。另外, 该套地层覆盖在断层之上, 未见断错。层8为灰褐色含角砾砂土层, 上部颜色略浅, 含大量植物根系, 应代表现代耕植土; 下部颜色较深, 未见水平层理, 应属坡积相, 整体土壤化显著。

从剖面整体沉积特征来看, 层7和层8组成了从崩积相到坡积相的序列, 共同代表了1个崩积楔; 同样, 层4和6也组成了从崩积到坡积的序列, 代表了另外1个崩积楔。层2至层3组成了T1阶地的从河床相到漫滩相的二元结构, 而层1则可能代表着更高阶地的沉积。

从剖面沉积特征分析来看, 断裂下降盘相对低洼, 主要处在接受沉积的环境。从层2以上地层中共采集了11个放射性碳样品, 包括9个炭屑和2个有机沉积物样品(表1)。其中位于层6顶部的炭屑样品JMC-9测量结果为现代碳, 层6底部的样品JMC-7和层4中部的样品JMC-3的结果比周围其他样品偏年轻, 判断这些样品可能受到后期碳物质的影响; 而在层8底部不同地方采集的样品JMC-11和13JMC5得到了相同的结果(图6), 表明这个年龄是可靠的, 层8开始堆积的年龄约为1i280a。而在层8中部采集的样品JMC-12得到的校正年龄约为3i920a, 明显老于层8开始堆积的时代, 判断该样品可能为经过再次搬运的含碳物质。因此, 综合判断样品JMC-9、 JMC-7、 JMC-3和JMC-12的结果是不可靠的, 在建立的红星探槽的OxCal模型中这几个样品被认为是异常值。而层7中采集的样品13JMC3虽然符合样品的沉积序列, 但考虑到该层主要为崩积相, 难以判断该样品是否为原生沉积, 所以OxCal模型中也不采用该样品。

剖面中断裂表现为层1和T1沉积物的截然分界, 发育70~80cm宽的断层带, 主要由砾石组成, 可见沿断面砾石的定向排列; 另外, 层4— 6均被断层断错, 随后被层7— 8所覆盖。根据地层的沉积特征及与断层之间的关系, 可以识别出2次古地震事件。

较早的1次事件EB2表现为层2和层3的断错及崩积楔沉积(层4, 6)(图6)。该事件造成T1阶地的断错, 沿断层形成断层陡坎, 随后在T1阶地上堆积了崩积相砾石层(层4), 而此时T1阶地由于被断错下降, 其阶地面上仍可能受水流的影响, 堆积了与层4同期的冲洪积砂砾石沉积(层5), 之后T1阶地完全脱离水面, 开始接受坡积物和土壤化, 地形上逐渐趋于稳定的坡面, 堆积了层6。因此, 事件EB2应该发生在层3之后, 而发生在层6之前。OxCal模型结果表明事件EA2发生在5i120~3i200aiBP(图7)。

图 7 红星探槽OxCal模型Fig. 7 OxCal model of the Hongxing trench.

最近1次事件EB1表现为断错事件EB2形成的崩积楔(图6)。断层断错了层4和层6之后, 在断层处再次形成了陡坎, 坎前堆积了崩积砾石层(层7), 之后开始缓慢的坡积过程和土壤化, 堆积了层8。从剖面中可以看出, 断层并未断错层7和上覆的土壤层(层8)。因此推断其代表该断裂最新1次古地震事件, 应发生在层6堆积之后, 而在层8堆积之前。OxCal模型结果表明事件EA2发生在2i100~1i220aiBP(图7)。

2.3 干塘子探槽

干塘子位于丽江市区东北, 其原本为沿断裂发育的, 宽100~300m的断层沟槽, 后来由于滑坡使沟槽被截断, 形成多个局部汇流的小盆地(图8)。雨季时低洼处积水形成水塘, 旱季时水塘积水较少甚至干涸, 故得名 “ 干塘子” , 附近村庄也因此得名。从地貌上看, 干塘子可能为南北两侧被2条断裂控制的小型地堑盆地, 断裂北支形成了200~300m高的基岩断层崖, 断层南支表现为高15~20m的残坡积断层崖。由于北支断裂右阶雁列展布, 断塞塘呈狭窄的东段与稍宽的西段, 分别宽约80m与120m。为了揭示断塞塘内的构造变形特征, 在干塘子横跨南北2条断裂开挖了1个探槽(图8)。探槽长约80m, 宽2m, 深4~5m。

图 8 干塘子探槽地貌特征
底图为Google Earth卫星影像, 位置见图1Fig. 8 Tectonic landforms around Gantangzi Village.

探槽两壁沉积特征类似, 其地层描述如下(图9):

图 9 塘子探槽西壁沉积特征
样品测年结果单位为a, 探槽位置见图8Fig. 9 Stratigraphic characteristics of west wall of the Gantangzi trench.

层1为粗砂黏土层, 局部含有砾径约5mm左右的细砾, 偶见砾径约1cm的砾石。该套地层北侧局部出露, 总体表现为灰绿色至黄褐色, 代表了1套在底部广泛分布的沼泽相沉积。根据该套地层上部采集的炭屑样品(GTZET-E01和GTZET-E15)的测年结果, 该套地层形成于约43kaiBP(表1)。

层2为浅黄色粗砂夹细砾层, 含少量铁锈色斑点条带, 见水平层理。底部可见还原环境下的灰绿色粗砂层; 层3为黄褐色粉细砂质黏土层, 见水平层理。层2和层3应代表从沼泽相的还原环境逐渐向氧化环境过渡的沉积。

层4为黏土层, 可分为2层, 下部4-1呈黄褐色或灰褐色, 上部4-2为红褐色。靠近基岩处顶部夹杂有较多砾石, 砾径20cm左右, 磨圆差, 呈次棱角— 次圆状。

层5为黑色淤泥质土层, 含有较多腐烂的植物根系, 剖面上呈现多个凹槽, 可能与水塘内局部水流侵蚀有关。

层6为褐色淤泥质土层, 由南向北呈斜坡状, 向北逐渐尖灭。整体颜色上深下浅。

层7为灰黄色粉砂质黏土层, 含砾。

层8可分为2部分, 下部为浅灰褐色含砾砂土层, 砾石含量约5%, 砾径以0.5cm左右居多, 磨圆较差, 次棱角状为主, 可见水平层理; 上部为浅灰— 浅黄色中细砂与薄层黏土交互沉积, 发育水平层理。

层9为黄绿色或蓝灰色粉砂质黏土层, 含黄褐色黏土条带, 表现为混杂堆积。

层10为黄褐色粉砂质黏土层, 分布在剖面南侧, 层理变形明显, 与层1呈不整合接触。

层11为黄褐色粉细砂质黏土层, 含灰褐色粉砂层条带, 水平层理发育。

层12为灰岩。

该探槽剖面中揭示的断错信息丰富, 断塞塘两侧边界断裂表现为正倾滑位错, 而中部表现为逆断(图9a, b), 总体呈现走滑断裂的特征。剖面中共揭示5条次级断层: 南北两侧的断层面f1和f5主要表现为张性正断, f2至f4表现为挤压环境下的次级逆断层, 可能与南北2个主断裂上的拉张作用造成其之间的上盘地层的挤压缩短有关。需要指出的是, 由于南侧冲沟发育, 造成了f5上升盘处的很多地层缺失, 无法与下降盘地层对比。

通过分析断层与地层的接触关系, 该探槽剖面中至少揭示出3次古地震事件:

最早1次事件EC3发生在层1— 3沉积之后, 造成了沿f1至f4断层的活动, 后被层4覆盖(图9)。从剖面中的最左侧图9a可以看出, 在层1顶面的断错量明显大于层2的顶面, 而图9a最右侧断层在层2的位错量明显大于层3, 这些表明在层3之前经历过断层活动。我们没有在层2和层3中采集到炭样, 可以利用层1中的样品GTZET-E15和层4下部的样品GTZET-W02来限定其年龄。OxCal模型表明这次事件的年龄为44i980~17i660a(图10)。需要指出的是, 层1和层4之间的时间跨度达34ka, 但期间仅堆积了厚度较薄的层2和层3。考虑到层3地层的不连续和厚度的变化, 推测层3堆积后遭受过较强的侵蚀, 这可能造成约34ka事件的缺失。

图 10 干塘子探槽OxCal模型Fig. 10 Oxcal model of the Gantangzi trench.

倒数第2次事件EC2表现为f1和f3处断层断错了层4-1, 而被层4-2覆盖。近断层f1表现为充填楔, 可见层4-1中细纹层被拖曳变形和断错(图9)。从层4-1采集的样品GTZET-W04和从层4-2中采集的样品GTWC-V限制了该次事件的年龄。OxCal模型的结果显示这次事件的年龄为7i210~3i810a(图10)。

最新1次事件EC1也造成了断层f1和f3的共同破裂, 断层断错了层4-2, 被随后的层5、 6和8覆盖。在断层f1处形成小充填楔; 且靠近基岩山体前层4-2明显较厚(图9), 可能与混有坡面沉积有关。从层4-2顶部采集的样品ETWC-B与上覆的层5底部的样品ETWC-X限定了这次事件的年龄。OxCal模型表明这次事件的年龄为2i540~1i540a(图10)。

3 断裂大震破裂行为

母猪达探槽位于1个相对封闭的环境, 主要处于沉积状态; 剖面中2条分支断层两侧的地层和每次事件后在小地堑内的沉积对称性好; 测年结果表明, 探槽中的地层不存在明显的沉积间断, 综合判断母猪达探槽的地层记录不存在缺失, 其揭示的古地震序列是完整的。红星探槽剖面揭示了T1阶地沉积结束被抬升至水面后接受的坎前崩坡堆积, 未见显著侵蚀面, 测年结果显示地层也未见明显的沉积间断, 综合判断该探槽中揭示的T1阶地形成之后的古地震序列是完整的。另外, 母猪达探槽揭示出3次古地震事件(EA3— EA1), 分别发生在7i940~6i540aiBP、 4i740~4i050aiBP和1i830~420aiBP, 而在距离母猪达探槽西南约15km的红星探槽中揭示出了2次古地震事件(EB2, EB1), 分别发生在5i120~3i200aiBP和2i100~1i200aiBP。从事件发生时代来看, 最新2次事件具有很好的相关性(图11)。

图 11 丽江-小金河断裂中段古地震序列Fig. 11 Palaeoearthquake history in the middle segment of the Lijiang-Xiaojinhe Fault.

干塘子探槽揭示至少3次古地震事件, 但限定事件EC3的层3和层4之间存在长达28ka的沉积间断, 这可能与后期侵蚀有关。探槽剖面显示, 层4-1上顶面有一系列的侵蚀凹槽, 且断层f3附近由于挤压拱起, 层4-2的厚度明显比两侧薄(图9), 这说明层4-1之后可能存在侵蚀, 判断事件EC2可能包含多次事件。测年结果显示, 限定最新事件EC1的层4-2和层5之间不存在大的沉积间断, 且层5在断层两侧连续均匀分布, 判断事件EC1代表了最新的1次事件。

综合3个探槽结果来看, 丽江-小金河断裂中段最新2次事件E1和E2在3个探槽上均有表现, 且时间上相关性好, 经3个探槽限定事件E2和E1发生的时间分别为4i740~4i050aiBP 和1i830~1i540aiBP(图11)。事件E3在红星探槽中未揭示, 但EA3与EC2范围也存在重合, 考虑到干塘子探槽中层4-1和4-2之间存在沉积间断, 事件EC2可能记录了母猪达探槽中的EA2和EA3 两次事件, 因此推断丽江-小金河断裂事件E3发生的时间为7i940~7i210aiBP(图11)。因此, 丽江-小金河断裂中段全新世以来发生了3次古地震事件, 据此可估算丽江-小金河断裂中段大震复发大致符合准周期模式, 平均复发间隔约为3i000a。如前所述, 丽江-小金河断裂表现为以左旋走滑为主, 这些探槽难以限定古地震事件的同震位移量。但在母猪达探槽NE方向约3km处尖山营的1个冲沟内(图1), 微地貌测量显示洪积扇P2形成以来造成的水平位移为22.1m, P2年龄比事件E3的年龄稍早。假定丽江-小金河断裂的大震复发符合特征位移模式, 可估算单次事件的同震位移量约7m, 其可能代表单次事件的最大位移。根据Wells等(1994)的经验统计结果, 可以估算出破裂长度约150km, 震级约M7.5。这些事件可能造成了丽江-小金河断裂中段的完全破裂。

在丽江-小金河断裂南西段, 探槽研究结果表明全新世以来至少有3次古地震事件, 分别发生在6i540~5i420aiBP之间、 2i770~770aiBP之间, 以及最新地震时间晚于 (770± 100)aiBP(李安等, 2016)。与中段的古地震序列对比表明, SW段上的最新1次和最早1次事件无法与中段的事件对比, 而倒数第2次事件有可能是中段的最新1次事件。但2段间的丽江盆地内断裂的几何展布尚不清楚。如果以两侧断裂的总体走向向盆地延伸, 盆地内断裂阶区宽3~4km。根据走滑断裂阶区宽度和同震位移之间的经验关系(Lettis et al., 2002; Duman et al., 2005), M7.5地震的平均位错量约3m, 考虑到同震位移向断裂两端逐渐降低, 至盆地处可能不超过2~3m, 而3~4km宽的阶区足以阻挡其继续向SW方向扩展。因此, 我们推测丽江盆地的阶区可能作为丽江-小金河断裂带上的破裂分段边界, 发生在SW段上的倒数第2次事件与中段上的最新事件可能不是1次级联破裂事件。考虑到丽江-小金河断裂中段具有较高的应变累积速率, 且大震离逝事件已达约1i700a, 较为接近大震平均复发间隔, 丽江-小金河断裂中段的大震危险性值得关注。

4 结论

全新世丽江-小金河断裂中段有3次古地震, 分别发生在7i940~7i210aiBP、 4i740~4i050aiBP 和1i830~1i540aiBP, 大震复发大致符合准周期模式, 平均复发间隔约3i000a, 这些事件可能造成了丽江-小金河断裂中段的完全破裂。而丽江盆地所处的丽江-小金河断裂上的拉张阶区可能作为破裂分段的边界。考虑到丽江-小金河断裂上长达约1i700a的离逝时间和较高的现今应变累积速率, 其未来的地震危险性值得关注。

致谢 评审专家提出了宝贵的修改意见和建议, 在此表示感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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