位于青藏高原东缘的龙门山断裂带, 是活动强烈的巴颜喀拉地块与稳定的四川盆地之间的界线(图1)。断裂带整体呈NE-SW向展布, 主要由多条平行逆断裂组成, 自NW向SE分别为后山断裂、 中央断裂、 前山断裂和山前隐伏断裂, 倾向均为NW, 具有叠瓦状构造特征(陈社发等, 1994; 李传友等, 2004; 谭锡斌, 2012)。构造位置非常重要, 对中国西南地区的地形地貌、 地质构造以及地震的发生等影响深远(刘树根等, 2001; Densmore et al., 2007; 徐锡伟等, 2008)。

图1

Fig. 1

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	图1 龙门山断裂带及邻区活动构造分布图Fig. 1 Distribution map of active tectonics in Longmenshan fault zone and its vicinities.

2008年汶川M_S8.0地震就发生在龙门山断裂带上, 并且造成了中央断裂的中段北川-映秀断裂和前山断裂的中段灌县-江油断裂2条断裂同时发生地表破裂, 表明这2条断裂的最新活动性非常强烈(陈立春等, 2008; 徐锡伟等, 2008; Xu et al., 2009)。而位于后山断裂中段的汶川-茂县断裂却没有发现同震地表破裂现象(徐锡伟等, 2008)。关于整个后山断裂的活动性, 前人已有较多研究(邓起东等, 1994; 李传友等, 2004; 马保起等, 2005; 周荣军等, 2006; 杨晓平等, 2008; 陈立春等, 2013)。其中, 北段平武-青川断裂早期研究认为晚更新世以来已不再活动(李传友等, 2004; 杨晓平等, 2008), 但最新的研究结果揭示出了它的全新世破裂现象(Sun et al., 2015), 这一问题尚需进一步研究; 位于南段的耿达-陇东断裂晚第四纪活动不明显(陈立春等, 2013); 而中段的汶川-茂县断裂, 前人关于断裂在晚第四纪特别是全新世以来是否活动并没有明确的认识(唐荣昌等, 1991; 赵小麟等, 1994; 邓起东等, 1994; 马保起等, 2005; 周荣军等, 2006)。那么, 汶川-茂县断裂的晚第四纪活动性到底如何?断裂的最新活动性对于理解青藏高原东缘的构造变形模式又有怎样的启示?为解决上述问题, 本文通过详细的野外调查, 结合卫星影像解译, 从分析汶川-茂县断裂区域内岷江阶地的发育情况入手, 并通过差分GPS测量等手段来研究阶地和冲沟山脊等地质地貌的构造变形情况, 进而探讨汶川-茂县断裂的晚第四纪活动性以及青藏高原东端的最新构造变形行为。

龙门山中生代挤压构造规模并不大, 而且作用时间很短。在晚三叠世, 扬子西缘发生陆内会聚作用, 在川西形成龙门山构造带, 该地区自印支期以来陆续发生了7次构造事件, 其中最晚的4次事件发生于新生代并使龙门山构造带发生了大规模的冲断和隆升(刘树根等, 2001)。而青藏高原东缘的大规模隆升可能起始于距今8~13Ma(晚中新世)的最近1次构造事件(王二七等, 2008)。整个龙门山断裂带由活动特征不同的SW段、 中段和NE段组成, 历史地震多集中于中南段, 地震活动性自北向南加强(陈社发等, 1994; 赵小麟等, 1994)。另外, 由于SN向的岷山隆起对NE段的屏障作用, NE段各条断裂晚第四纪以来已不再活动(李传友等, 2004); 而SW段和中段的各条断裂则继续作逆冲兼具右旋走滑运动(唐荣昌等, 1991; 周荣军等, 2006)。造成龙门山断裂带活动的主要动力来源是其NW侧的川西高原的推挤作用(邓起东等, 1994)。

后山断裂SW端在沪定冷碛附近与SN向的大渡河断裂相交, NE到达陕西境内, 全长约500km; 从NE到SW分别为平武-青川断裂、 汶川-茂县断裂和耿达-陇东断裂(唐荣昌等, 1991)。其中, 汶川-茂县断裂在距今220~190Ma(印支晚期花岗岩体侵入)之前开始活动(陈社发等, 1994)。地层方面, 在汶川-茂县断裂沿线的草坡与汶川之间, 主要是元古代花岗岩(雪隆包岩体)逆冲于志留系之上, 志留系又逆冲于泥盆系或元古界彭灌杂岩之上; 而在汶川与茂县之间, 主要是元古代花岗岩(牟托岩体)逆冲于震旦系或泥盆系之上, 震旦系又逆冲于志留系之上, 以及志留系早期岩体逆冲到晚期岩体之上(陈社发等, 1994)。地貌上, 该区为深切割中高山区, 海拔700~5, 000m, 最高可达5, 922m, 相对高差一般在1, 000~3, 000m, 最大相对高差为4, 000m。岷江与杂谷脑河、 草坡河由北向南纵贯全区^①(① 地质部四川省地质局, 1975, 1:20万茂汶幅（H-48-Ⅱ ）和灌县幅（H-48-Ⅷ ）, 区域地质调查报告。)。沿断裂带在岷江河谷两岸发育第四纪沉积物, 在茂县与汶川之间及汶川南部岷江河谷阶地较发育, 其他地方阶地较少发育。

在汶川-茂县断裂地区, 岷江及其支流发育第四纪堆积, 这些相对保存较好的第四纪地层为研究断裂的活动性提供了优良的场所。因此, 可以首先分析岷江各级阶地地貌面的分布特征及其废弃年代, 进而研究汶川-茂县断裂的晚第四纪活动性。经过卫星影像解译以及野外调查, 初步认为汶川-茂县断裂展布区域主要发育5级河流阶地(图2)。其中卫星影像解译主要是根据Google Earth影像, 野外调查主要是对断裂沿线的阶地进行了详细的调查, 包括确定各级阶地的分布范围、 拔河高度、 阶地堆积物成分以及沉积物结构; 而对于远离断裂的阶地调查相对粗略。

图2

Fig. 2

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	图2 汶川-茂县断裂区域岷江河谷阶地分布图Fig. 2 Terraces distribution map of Minjiang River in the region of the Wenchuan-Maoxian fault.

通过对各级阶地的调查对比研究, 综合前人的研究成果, 对各级阶地的地质地貌特征以及年代限定结果详细描述如下:

T₁阶地拔河高度约为 2~10m。阶地堆积物具有二元结构, 其中顶部为1套较细的有机质黏土, 厚约0.5m, 下部主要由磨圆较好、 分选较好的砂砾石层组成。砾石成分主要为砂岩、 灰岩、 石英岩类, 砾间由细砂、 岩屑等充填, 无胶结。沿岷江河谷两侧T₁阶地较连续发育, 阶地面出露面积较小且受人为改造较严重。前人在岷江的不同河段对阶地的年代进行了详细研究, 得到的结果为2.8~10ka, BP(钱洪等, 1997; Kirby et al., 2000; 马保起等, 2005; 李勇等, 2005)。我们结合实测的T₁阶地拔河高度2~10m和剖面特征, 认为本次研究划分出的T₁阶地与上述学者所指T₁阶地应为同一级阶地。综合考虑阶地废弃年代大致为3~10ka, BP。

T₂阶地拔河高度30~40m。阶地堆积物具有二元结构, 顶部同样为1套较细的有机质黏土, 厚0.5~1m。下部主要由河流冲积、 洪积砾石和粗砂组成, 砾石磨圆较差, 次棱角状, 砾石成分主要为灰岩夹杂少量变质岩。T₂阶地沿岷江两岸连续发育, 阶地面宽阔, 为茂县县城、 汶川县城主城区所在。前人对T₂阶地的年代限定结果为18.6~27.8ka, BP, 结合实测岷江T₂阶地拔河高度在30m左右和阶地堆积物的剖面沉积特征, 我们推测岷江T₂阶地年龄约为20ka。

T₃阶地拔河高度约70m, 阶地堆积物主要由黄土层、 粗砂砾石层、 细砂层组成。黄土层一般厚3~5m。阶地剖面层理清楚, 砾石磨圆较好, 沿岷江两岸局部发育。前人将T₃阶地年代限定在35.2~(64± 19)ka, BP(马保起等, 2005; Liu et al., 2013; 朱俊霖, 2014), 由于Liu等(2013)所采用的ESR测年方法具有较大误差, 导致测定的T₃阶地年龄偏老; 而朱俊霖(2014)与马保起等(2005)的工作主要基于OSL测年方法, 获得的年代结果相对较准确。故推测岷江T₃阶地年龄为40~50ka。

T₄阶地拔河高度为110m左右, 阶地堆积物主要由黄土层和卵石夹砂层组成。黄土层厚3~5m。卵石砾径不一, 最大可达0.5~1m, 平均砾径为5~10cm, 分选较差。沿岷江两岸零星分布。前人对于T₄阶地的年代测定结果为(52.7± 4.3)~(101± 15)ka, BP, 具有较大的年代范围(杨文光, 2005; 李勇等, 2005; Liu et al., 2013)。本次研究获得的T₄阶地的拔河高度与阶地沉积特征与杨文光(2005)描述的T₃阶地类似, 应该属于同一阶地; 另外, 考虑到Liu 等(2013)采用的ESR方法测定结果偏老, 因此, 我们将岷江T₄阶地年龄限定在60ka左右。

T₅阶地拔河高度150~180m, 阶地堆积物主要由黄土层、 粗砂砾石层等组成。黄土层厚度约5m。砾石磨圆一般, 砾径大部分在5~10cm左右。研究区内该级阶地只在茂县附近局部发育。对于T₅阶地, 根据前人研究获得的阶地年龄范围为(76.6± 5.7)~(153± 33)ka(李勇等, 2005; Liu et al., 2013), 去除ESR测得的T₅阶地年代, 将岷江T₅阶地年龄限定在80ka左右。

在沿岷江河谷调查了阶地发育情况的同时, 在其中2处较典型的位置绘制了阶地的横剖面图(图3)。其中一处在茂县城区, 岷江河谷穿城而过, 左岸发育T₁和T₂阶地, 右岸发育T₁、 T₂、 T₃和T₅阶地, T₄阶地缺失。另一处在壳壳村附近, 岷江河谷左岸同样发育T₁和T₂阶地, 右岸发育T₁— T₄阶地, T₅阶地不发育。而且汶川-茂县断裂切过壳壳村的T₄阶地, 形成高约20m的断层陡坎。

图3

Fig. 3

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	图3 岷江阶地横剖面图 a 茂县城区附近岷江阶地横剖面; b 壳壳村附近岷江阶地横剖面Fig. 3 Cross section of Minjiang River terraces.

为确定汶川-茂县断裂的活动性, 从断裂沿线的阶地和冲沟等容易记录断裂构造变形的位置入手, 沿断裂延伸方向开展了详细的地质地貌调查。

3.1 高阶地地质地貌的构造变形调查

首先在汶川-茂县断裂通过的高阶地及冲沟等位置开展调查, 发现很多典型的断裂构造变形现象。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 岷江各级阶地年龄综合分析表 Table1 Comprehensive analysis table of the ages of Minjiang River terraces 取样地点 阶地 级别 拔河高度 /m 测年 方法 年代 /ka, BP 数据来源 年代① /ka, BP 漳腊 T1 10 14C 2.8 Kirby et al., 2000 3~10 高坎和庙子坪 8~17 TL 10 马保起等, 2005 成都高店子 3~4 14C 3 李勇等, 2005 成都平原 2~6 14C 2.5~6.7 钱洪等, 1997 漳腊 T2 15 14C 18.6 朱俊霖, 2014 ~20 漳腊 15 OSL 19.2 朱俊霖, 2014 茂县北 TL 20.7 赵小麟等, 1994 茂县 20 14C 24.7 朱俊霖, 2014 茂县 35 14C 27.8 朱俊霖, 2014 青云坪、 东界老 30~38 TL 20 马保起等, 2005 漳腊 T3 35 14C 35.2 朱俊霖, 2014 40~50 茂县 80 OSL 39.9 朱俊霖, 2014 汶川 75 ESR 64± 19 Liu et al., 2013 青云坪、 映秀 64~96 TL 50 马保起等, 2005 茂县 100 ESR 62 杨文光等, 2010 60 茂县 90 ESR 100.5 杨文光等, 2010 汶川 T4 101 ESR 101± 15 Liu et al., 2013 紫坪铺 86~96 TL 52.7± 4.3 李勇等, 2005 汶川 T5 153 ESR 153± 33 Liu et al., 2013 80 紫坪铺 164~170 TL 76.6± 5.7 李勇等, 2005 注 ①综合考虑各种测年方法的误差以及不同阶地的地质地貌特征, 本文重新限定的各级阶地年代结果。

表1 岷江各级阶地年龄综合分析表 Table1 Comprehensive analysis table of the ages of Minjiang River terraces

3.1.1 甘青村

甘青村位于茂县县城附近, 该点地处岷江右岸, 发育T₁、 T₂和T₃, 3级阶地。在公路边T₃阶地顶部的砂砾石层中出露1个断层剖面(31.69600° N, 103.84670° E)(图4)。断层产状为300° ∠70° 。 断层面之间为1个宽20cm左右的砾石定向带, 指示了断层垂向运动学性质。砾石砾径最大约10cm, 多数在1~5cm, 堆积紧密。断层错断了剖面上的所有地层, 直错断到地表。断层面两侧的对应地层被垂直位错约0.5m。在断层下盘地层③取光释光样品, 测得样品年龄为(40.0± 7.6)ka。表明断裂在约40ka, BP以来有过活动。在该处断层剖面的东北方, 断裂在高阶地上发育1个宽约150m的断层槽谷(图4)。

图4

Fig. 4

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	图4 甘青村处断裂地貌 a 甘青村附近断裂地貌平面图, 红箭头示断裂通过位置, 白色虚线示阶地边缘, 黄色虚线示断层槽谷边界, T1— T5示阶地级次; b 断裂剖面照片, 红线示断面, 之间为砾石定向带; c 断裂剖面示意图, 红线示断面, 之间为砾石定向带, ①含黏土砾石坡积层, 砾石磨圆较好, 砾径多数为5cm左右, 厚约 10cm, ②砾石层, 砾石磨圆较好, 砾径1~5cm, 厚20~30cm, ③粗砂层, 厚约20cm, ④砾石层, 砾石磨圆较好, 砾径多数5cm左右, 厚约50cmFig. 4 Fault topography at Ganqing village.

3.1.2 坪头村

坪头村在甘青村剖面以南约1.5km。地处岷江右岸, 主要发育T₄阶地和面积广阔的冲积扇。断裂从T₄阶地上切过并发育明显的断层槽谷和断层陡坎(31.68444° N, 103.83528° E)(图5)。断层槽谷宽50~100m, 深5~10m。槽谷东侧山包拔河100m左右, 顶部发育冲洪积堆积物, 应与槽谷西侧高阶地同为T₄阶地。断裂逆冲运动形成18.4m高的断层陡坎, 断层陡坎走向为50° 。

图5

Fig. 5

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	图5 坪头村处断裂地貌 红色箭头示断裂通过位置; a坪头村处断裂地貌平面图, 黄色虚线示断层槽谷边缘, 白色虚线示阶地边缘; b坪头村处断层陡坎; c坪头村处断层槽谷, 黄色虚线示断层槽谷边缘Fig. 5 Fault topography at Pingtou village.

3.1.3 板桥沟

板桥沟位于汶川县城以南约10km。此处冲沟与岷江共同作用而发育T₃、 T₂和T₁共3级阶地。其中T₃阶地主要是由冲沟的冲洪积砂砾石层构成, 其顶面距冲沟沟床约50m, 阶地顶部发育面积较小。在冲沟右侧发现1个断层面(31.41092° N, 103.53466° E)(图6), 剖面上可见震旦纪白云岩逆冲到T₃阶地的第四纪砂砾石层之上, 断层产状为296° ∠78° 。断层面之间砾石定向排列, 断层面附近基岩由于断层的逆冲作用而发生挠曲变形。而T₂和T₁阶地的阶地面均较为平缓, 发育面积较大。成分主要为岷江的河流相沉积物, 具二元结构。

图6

Fig. 6

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	图6 板桥沟处断裂地貌 a 五角星示板桥沟平面位置; b 断裂剖面, 红线示断面, 之间为砾石定向带, 白色虚线示基岩发生挠曲; c 断裂剖面示意图, ①震旦纪白云岩, 灰白色至浅黄色, ②第四纪砂砾石层, 砾石磨圆一般, 无分选, 砾径大部分10~20cm左右, 最大约1m, ③砾石定向带, 磨圆一般, 砾径大部分10~20cm左右, 最大约80cm, 最小2~3cmFig. 6 Fault topography at Banqiao gully.

3.2 低阶地地质地貌的构造变形调查

为进一步确定汶川-茂县断裂的活动性, 沿着断裂迹线, 在一系列低阶地上开展详细的野外调查, 并利用差分GPS测量了阶地横剖面。

3.2.1 甘青村

甘青村位于茂县县城附近的岷江右岸。此处发育的T₂阶地与岷江左岸茂县主城区的T₂阶地隔江相望, 阶地堆积物主要为河流相物质, 具砂砾石二元沉积结构。整个阶地面是朝向岷江缓倾斜的平整的斜面(图7a)。差分GPS测量结果显示阶地横剖面比较平直, 没有构造变形的迹象(图7e)。因此, T₂阶地没有被断层切割或断错。甘青村的东北方, 断裂在高阶地上发育1个宽约150m的断层槽谷(图7b)。

图7

Fig. 7

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	图7 茂县— 汶川段甘青村(a, b, e)和牟托(c, d)低阶地调查 红色箭头示断裂位置; a甘青村地貌, 蓝色箭头示测线布置的位置和方向, 基本与断裂走向垂直; b甘青村东北方断层槽谷地貌, 黄色虚线示断层槽谷边界; c牟托附近地貌; d牟托T2阶地剖面: ①土壤与黏土砂层, 含少量砾石, 厚约3m, ②砾石层, 砾径大部分为10cm左右, 磨圆一般, 厚约5m; ③粗砂砾石层, 砾径较小, 大部分为3~5cm, 磨圆一般, 厚约10m; (e)甘青村T2阶地面测线, 红色虚线及两侧箭头示推测的断裂位置Fig. 7 Survey of lower terraces of Minjiang River in the segment of Maoxian-Wenchuan.

3.2.2 牟托

牟托位于茂县与汶川之间。整体由1个大冲积扇构成, 大致可以分为T₁、 T₂和T₃ 3级冲积扇阶地, 建筑、 耕地、 果园等都位于其上。岷江左岸文镇处发育的T₃高阶地受到断裂长期活动的作用而形成断层槽谷地貌(图7c)。而岷江右岸的牟托处, 从出露的T₂阶地剖面(图7d)可以看出, 沉积层主要是由冲沟的冲洪积物质和岷江沉积的砂砾石层共同组成, 各沉积层发育平整, 没有发现断层活动的迹象。结合阶地表面的调查情况, 未见断裂切割T₂阶地。

3.2.3 郭竹铺

郭竹铺位于汶川县城以南约2km处。坐落于冲沟和岷江共同作用形成的冲积扇阶地上。冲积扇阶地的物质成分主要来自岷江搬运沉积, 发育面积较大, 阶地面较平缓(图8)。结合拔河高度认为应属于T₂阶地。在阶地面上展开调查, 并使用差分GPS测量阶地横剖面, 未见断裂切割T₂阶地。

图8

Fig. 8

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	图8 汶川以南段郭竹铺(a, c)和七盘沟(b, d)低阶地调查 蓝色箭头示测线布置位置及方向, 红色虚线及两侧箭头示推测的断裂位置; a 郭竹铺地貌; b 七盘沟地貌, 红色箭头示断裂位置; c 郭竹铺T2阶地面测线; d 七盘沟T2阶地面测线Fig. 8 Survey of lower terraces of Minjiang River in the south of Wenchuan.

3.2.4 七盘沟

七盘沟位于汶川县城以南5km处的岷江左岸。与郭竹铺相比, 此处冲沟规模更大, 冲沟对阶地物质组成的影响也更大, 主要发育T₂、 T₄和T₅阶地(图8b)。T₂阶地发育面积最大, 阶地面平缓。在T₂阶地面上展开调查并使用差分GPS 测量阶地横剖面, 未见断裂切割此级阶地(图8d)。T₄阶地发育面积也较大, 位于冲沟左岸。T₅阶地发育面积最小, 位于冲沟右岸, 其上发育断层垭口地貌。

在茂县— 汶川段和汶川以南段的其他一些低阶地考察与测量的结果类似于上述几个位置的情况, 未见断裂切割或断错T₂、 T₁低阶地。

综上所述, 汶川-茂县断裂通过位置, 较高的T₃、 T₄和T₅阶地发生明显的构造变形。在T₃阶地顶部发现断层剖面, 在T₄阶地上发现断层槽谷和断层陡坎, 在T₅阶地上发现断层垭口。而较低的T₁、 T₂阶地面发育平整, 剖面上也未发现断层的迹象, 说明T₁、 T₂阶地没有被断层切割或者断错。这些现象可能表明, 汶川-茂县断裂在T₃阶地(40~50ka, BP)形成以来、 T₂阶地(约20ka, BP)形成之前有过活动, 而在距今20ka以来未发生过切割T₁和T₂阶地的新活动。

汶川地震时中央断裂和前山断裂都发生活动, 并产生了地表破裂; 而后山断裂没有发生活动。结合其它地震地质、 古地震、 历史地震记录、 GPS和地震波反演等资料(周荣军等, 2006; Densmore et al., 2007; 张培震等, 2008; 江娃利等, 2009; Chen et al., 2013; Ran et al., 2013), 可以得知龙门山断裂带的中央断裂中南段和前山断裂中南段最新活动时代为全新世, 而位于龙门山后山断裂中段的汶川-茂县断裂的最新活动时代可能为晚更新世中晚期。汶川-茂县断裂的活动性比中央断裂和前山断裂弱, T₂阶地形成以来龙门山断裂带的活动可能已迁移到中央断裂和前山断裂上(陈社发等, 1994)。

在汶川-茂县断裂区域内, 岷江主要发育5级阶地。其中T₁、 T₂阶地较连续, T₃、 T₄和T₅阶地不连续分布。结合前人研究认为, T₁— T₅阶地的年龄分别为3~10ka、 约20ka、 40~50ka、 60ka和80ka。通过对区域内地质地貌考察, 结合卫星影像解译、 差分GPS测量等工作, 我们推测汶川-茂县断裂在T₃阶地(40~50ka, BP)形成以来有过活动, 而在T₂阶地(约20ka, BP)形成以来不再活动, 其最新活动时代应该为晚更新世中晚期。综合龙门山断裂带的活动性差异特征, 推测断裂带的活动应该已转移到更靠近盆地的中央断裂和前山断裂上。