2. 武汉地震工程研究院有限公司, 武汉 430071;
3. 浙江省地震局, 杭州 310013
2. Wuhan Institute of Earthquake Engineering Co., Ltd., Wuhan 430071, China;
3. Zhejiang Earthquake Agency, Hangzhou 310013, China
0 引言
丹江口水库区是南水北调核心水源区, 发育多条区域性断裂, 主要有白河—谷城断裂、丹江断裂、两郧断裂等, 这些断裂的活动性对评价该区地震构造环境及保障水源区安全具有重要意义。作为一条规模较小的断裂, 前人在丹江口水库建设前后对丹江断裂曾进行过一些研究, 但其均侧重于水库诱发地震研究方面[1-6], 或进行区域地质构造分析[3], 对于该断裂第四纪活动进行的研究较少, 第四纪活动性地质地貌证据不足。随着断层活动性研究手段的多样化, 对该断裂第四纪活动性进行综合研究成为可能。
本文在前人研究的基础上, 通过对丹江断裂东段重点地段开展1:1万大比例尺活动断裂条带状填图, 获得了有关断裂活动特征丰富详实的地质、地貌资料和证据, 以期为丹江口核心水源区地震构造环境评价提供地震地质依据。
1 区域地质构造背景研究区区域上以青峰—襄樊—广济断裂为界, 西北侧为秦岭褶皱带, 南侧属扬子准地台, 大地构造位置处于南秦岭褶皱系东段南缘和南襄断陷盆地西缘(图 1a)。
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| a.丹江断裂构造位置与地震分布图；b.丹江断裂东段构造位置图。 图 1 研究区地震构造图 Fig. 1 Seismogenic tectonic map in the study area |
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南襄断陷是叠置在南秦岭褶皱带之上的中新生代断陷, 定型于燕山运动。盆地盖层由白垩系—第四系组成, 红层主要分布于盆地边缘, 中间地段沉积第四系, 厚度多40~100 m, 最大达150 m[5]。基底隐伏于红层之下, 主要由前震旦系变质岩系构成, 局部发育古生界地层。受基底断裂切割和控制, 盆地发生不均衡沉降[7]。
丹江断裂发育在南襄盆地西缘, 西段发育在寒武系、震旦系及红层等地层中, 由多条断层组成, 具清晰的线性构造地貌。东段向东南延伸入南襄盆地, 多数地段被第四系覆盖, 呈隐伏状展布, 但对地貌仍有控制, 形成较为平直的线性地貌, 发育地貌陡坎。断裂沿线两侧零星有地震分布, 但震级较小, 断裂东段金家棚以北的瓦成沟1972年曾发生过ML4.0级地震。
2 丹江断裂几何展布与地质特征 2.1 丹江断裂总体特征丹江断裂总体走向呈NWW向, 倾向在不同部位有变化。断裂展布受库水覆盖, 露头断续出现。朝阳坡以西为基岩出露, 以东被第四系大面积覆盖。从遥感影像可见清晰的线性地貌特征, 在基岩区呈现多条线性构造地貌, 向第四系覆盖区延伸, 线性地貌宽度逐渐变窄。
断裂东段在朝阳坡至金家棚一线, 断续切割古近系—新近系。在金家棚村北林茂山一带, 根据断裂构造岩带结构特征分析, 该断裂在新近系堆积后发生过两次滑移。早期倾滑即南盘拉张下降, 并具右旋水平分量形成楔状断裂带; 晚期以左旋挤压导致构造岩带破裂变形[7]。
2.2 丹江断裂东段特征丹江断裂东段西起石门, 经石门村、朝阳坡、金家棚, 过赵岗后延伸情况不清, 研究段长约15 km, 断裂走向NW, 倾向NE, 多数剖面显示最新活动为逆断性质。断裂在朝阳坡以西地段多数基岩出露, 主要为震旦系、寒武系及第三系。过朝阳坡东后发育在古近系、新近系及第四系中, 继续向东多数地段呈隐伏状(图 1b)。
3 遥感影像解译在遥感影像图上, 丹江断裂呈清晰的NWW向、中部略向NE突出的线性特征, 南北两侧色调截然不同, 北侧植被覆盖较高, 为绿色、浅绿色色调, 属低山地貌; 南侧植被覆盖较低, 为肉红色色调, 属丘陵地貌, 形成明显的地貌单元分界线。断裂沿线可见沟谷负地形、断层崖、三角面、反向陡坎。根据山脊、水系左行扭动特征可推测该断裂具有左旋走滑特点, 在横向上被多组北东向断层切错为多段。在石狼沟至金家棚一带, 断裂遥感影像显示为笔直的线性特征, 北盘形成近NS向沟谷, 绝大多数呈左旋走滑性质(图 2)。
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| R1—R10为冲沟。 图 2 丹江断裂东段石狼沟—金家棚一带Landsat ETM+(陆地卫星搭载增强专题制图仪)遥感影像 Fig. 2 Landsat ETM+remote sensing image from Shilanggou to Jinjiapeng in the eastern segment of Danjiang fault |
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据遥感影像初步测量, 由西至东冲沟R1—R10的位错量主要为250、350和500 m三个量级。在石门—朝阳坡一带, 根据现场测量, 至少2支冲沟具有左旋错动现象, 左旋错动分别为50、100 m左右。冲沟属于季节性流水, 仍保留稳定的河道, 第四系上更新统地层分布受断裂活动的控制, 与水系共同发生左旋位错扭曲。
4 丹江断裂东段第四纪活动性 4.1 金家棚段 4.1.1 地貌特征为了获得断裂对地貌控制的定量数据, 在断裂地貌陡坎发育较好、线性影像清晰的石门、朝阳坡、廖湾、金家棚等4个地段布设了4条地貌测线, 测线位置见图 1b。测量采用经过校正的RTK(全站仪), 数据采集间距5 m, 确定的地貌陡坎高度分别为10、15、25和18 m(图 3)。
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| a.石门JJP01; b.朝阳坡JJP02;c.廖湾JJP03;d.金家棚JJP04。 图 3 丹江断裂石门至金家棚RTK实测地貌陡坎剖面 Fig. 3 Measured landform scarps by RTK from Shimen to Jinjiapeng of Danjiang fault |
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野外地质地貌调查显示, 断裂产生的地貌陡坎多发育于冲沟的Ⅱ级阶地, 个别为Ⅲ级阶地。阶地面前缘低, 后缘稍高, 主要由第四纪砂和含砾石砂层组成。根据年龄测试, 这些地貌面形成时代大约在中更新世晚期至晚更新世早期。
4.1.2 地质特征1) 金家棚村北林茂山水库大坝西肩
金家棚村林茂山水库大坝西肩, 断裂走向NW, 陡倾角。图 4断层地貌及露头显示：北东盘为始新世浅灰—浅褐黄色泥质灰岩、泥灰质黏土岩, 产状SSW∠15°~25°；南西盘为上更新统浅褐黄色砾石层, 发育弱沉积构造；断裂带呈楔形, 上宽下窄, 向下呈收敛状；断裂带结构由两侧边界断面、构造岩带及透镜体组成, 上覆第四系残坡积物。
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| a.近观断层调查点位置(镜向NW); b.断裂带露头(镜向NW); c.断裂带内砾岩透镜体(镜向NW); d.断裂带内砾岩透镜体与构造岩带(镜向NW)。 图 4 林茂山水库大坝西肩断裂露头 Fig. 4 Fault outcrops of western dam shoulder of Linmaoshan reservoir |
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根据野外断层特征, 该断裂边界F1断面上陡下缓, 断面产状NE∠60°~80°(图 5), 断面上残留近直立和近水平两组擦痕; 边界F2断面产状SSW∠65°~85°。根据断层带结构判断, 边界断面F1为主断面, 显示有逆冲兼右旋的滑动痕迹。
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| ①第四系残坡积物; ②上更新统砾石层; ③新近系泥灰岩; ④浅黄色碎裂岩; ⑤暗紫红色碎裂岩; ⑥暗棕红色碎裂岩; ⑦粗粒碎裂岩。F1.边界断面(主断裂); F2边界断面。A、B、C.采样点位置。 图 5 林茂山水库大坝西肩断裂剖面 Fig. 5 Geological section of western dam shoulder of Linmaoshan reservoir |
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图 5显示, 构造岩带主要由不同颜色及不同粒度的碎裂岩组成:浅黄色碎裂岩, 宽约3.5 m, 发育一系列与主滑面平行或小角斜交的裂面(④); 暗紫红色碎裂岩, 发育微小光滑面(⑤); 暗棕红色碎裂岩, 宽20~30 cm, 斜向剪切线理发育, 产状NW∠75°, 靠边缘发育断层泥状物质(⑥); 粗粒碎裂岩, 宽1.5 m, 由古近系组成, 与F2滑面平行的剪切线理发育(⑦); 构造带里面的透镜体由南西盘的砾石层构成, 上断点上部覆盖第四系残坡积层, 厚度最大1.5 m, 未见扰动迹象。在靠近F1断面的晚更新世砾石层中, 砾石层中有砾石定向排列现象, 显示明显的优势方向, 与周围砾石方向有较大差异, 宽15~25 cm。
在图 5⑥中部由西向东采集了年代样品A(固结构造岩)、B(半固结构造岩)、C(断层泥), 对岩样进行了热释光法(TL)和电子自旋共振(ESR)年代测定, 结果分别为A(364.97±31.02)×103 a(TL)、B(34.21±10.26)×104 a(ESR)、C(23.07±7.91)× 104 a(TL)[7-8], 表明断裂在第四纪中更新世有活动, 晚第四纪断裂北东盘泥灰岩向南逆冲在晚更新世砾石层之上。
2) 金家棚村北采石场
金家棚村北采石场断面呈弧状弯曲, 上陡下缓, 倾向30°, 倾角60°~80°, 破碎带宽6~8 m。带内多白色碎粉岩, 呈半固结状态(图 6)。下盘发育与主断面产状相近的次级滑动面, 从发育的擦痕及雁列透镜体判断, 断层为逆断层, 兼具左旋走滑分量。断层上断点切穿厚约2 m的黑色砾石层, 砾石层局部变形(图 7)。该砾石层砾石来源为震旦系玄武岩, 分布在不同高度的山顶台地上, 时代在中更新世—晚更新世。
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| a.断层调查点露头(镜向SE); b.构造岩中新生断层(镜向SE); c.构造岩中挤压变形(镜向SE); d.新生断层面擦痕, 多期活动(镜向N); e.上覆砾石层被切割(镜向SE)。Z2d.震旦系灯影组。 图 6 丹江断裂金家棚村北采石场断裂露头 Fig. 6 Fault outcrops in expoilting north Jinjiapeng quarry of Danjiang fault |
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| ①震旦系灯影组灰白、灰黄色薄层细晶白云岩, 局部夹泥质条带; ②灰白色片状、块状构造角砾岩, 半固结状态, 原岩为白云岩; ③土黄色构造角砾岩, 块状, 基质为砂质, 局部残留岩层弯曲变形; ④第四系紫红色含黏土砾石层, 砾石多为灰黑色灰质砾石; ⑤土黄色构造角砾岩; ⑥第四系紫红色砾石层; ⑦第四系残坡积物; ⑧砾石层中定向排列的砾石。 图 7 丹江断裂金家棚村北采石场断裂剖面 Fig. 7 Geological section in north Jinjiapeng quarry of Danjiang fault |
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3) 金家棚村北探槽TC5
在金家棚村北开挖的探槽中显示第四系砂层、含砾石砂层与古近系砾岩以断层接触(图 8a)。探槽上盘为砾岩, 下盘为第四系砂层。探槽剖面根据岩性(图 8b)划分为:第四系残积物(①); 第四系坡积物(②); 古近系砾岩(③); 第四纪晚更新世含砾石砂层、砾石层(④); 砂层透镜体(⑤)。
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| a.探槽TC5 CD壁面; b.探槽TC5 CD壁面地质剖面。①第四系残积物; ②第四系坡积物; ③古近系砾岩; ④第四系上更新统冲洪积物; ⑤砂层透镜体。 图 8 金家棚村北探槽TC5及地质剖面 Fig. 8 TC5 trough and geological section in north Jinjiapeng |
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受地表水侵蚀、现代植物根系的影响, 较难直接分辨接触关系, 但根据上下盘地层接触面上有砾石定向排列, 据此可以判断两者以断裂接触(图 8b)。
4) 金家棚村北探槽TC6
在前述探槽东北侧开挖的单侧探槽揭示出断层面的存在(图 9a, b)。断层上盘为古近系砾岩和含砾砂岩, 下盘为第四系砾石层和砂层。从现场露头及地层接触关系判断, 老地层逆冲在新地层之上(图 9c, d)。在下盘的砂砾石层中发育次级断层, 倾向与主断层相反(图 9e, f), 该次级断层断错⑥、⑦地层, ⑦层年龄测试结果为(84.93±9.51)ka, 表明断裂在晚更新世早期有过活动。
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| a.金家棚村北探槽TC6全景(镜向S); b.探槽TC6地质剖面; c. a中左侧蓝色矩形框所示剖面; d. a中左侧蓝色矩形框近照; e. a中右侧蓝色矩形框所示剖面; f. a中右侧蓝色矩形框近照。b图岩性见c，e图。c中：①黄色砂层; ②白色钙质砂岩; ③白色、紫红色砂岩; ④紫红色含砾砂岩; ⑤紫红色含角砾砾岩; ⑥灰黄色砂层; ⑦乳白色钙质砂岩, 固结较好。e中：①钙质砾岩; ②砾石、含砾砂层; ③灰黄色砂层; ④含碎石的砂层; ⑤灰白色、灰黄色砾石层; ⑥灰黄色的砂层; ⑦灰白色砂层, 层理不清晰; ⑧发育水平层理灰黄色砂层; ⑨腐殖质层。 图 9 金家棚村北探槽TC6及地质剖面 Fig. 9 Geological section of trough TC6 in north Jinjiapeng |
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断裂在赵岗段被第四系覆盖, 地貌上有弱的反映, 呈隐伏状向东南方向延伸。为了进一步探测断裂在赵岗一带的几何特征及活动性, 在赵岗黑虎山水库下游布置了1条浅层地震勘探测线及6个钻孔(图 10)。
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| 底图来自Google Earth。 图 10 赵岗段浅层地震勘探测线及钻孔平面布置图 Fig. 10 Location distribution map of geological drills and shallow seismic exploration in Zhaogang |
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在深厚第四系覆盖区, 浅层地震勘探法在探测断层活动性具有较好的应用[9-10]。本次工作浅层地震勘探测线方向为SW, 起点坐标为(111.6624°E, 32.54310°N), 终点坐标为(111.6613°E, 32.53944°N)。采用的偏移距为12 m, 道间距为2 m, 测线长度为446 m。
浅层地震勘探获得的时间剖面存在多组同相轴, 但连续性较差(图 11a)。通过时-深度转换后, 在深度剖面上根据同相轴特征勾绘出地层界面与断层面。深度剖面在10 m左右有一组连续性较差的界面, 可追踪到120 m左右; 31 m深度处反映另外一组界面, 该界面在130 m左右下降, 可追踪到的最深处接近170 m; 界面深度在约100 m的宽度内变化近30 m, 往东出现多组界面, 深处自25 m至160 m不等, 整体向东变深。
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| 图 11 赵岗浅层地震勘探及地质解释剖面 Fig. 11 Section and geological interpretation of shallow seismic exploration in Zhaogang |
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依据解译, 可见剖面由北东至南西方向主要发育3条断层(图 11b)：120 m处存在一条倾向南西正断层, 上断点深度约12 m, 断距约10 m; 220 m处存在一条倾向北东正断层, 上断点埋深约25 m, 断距约10 m; 280 m处存在一条倾向北东逆断层, 上断点埋深20 m, 断距约10 m[11]。
4.2.2 地质钻探在赵岗进行的地质钻探共布置了6个钻孔, 钻孔布设采取由两侧向中间逐渐逼近的方法, 确定断层的位置及活动性。受地形起伏影响, 钻孔孔口标高不在同一高度, 为了减少对地层垂直断距的影响, 孔口标高采用RTK测量校准。6个钻孔深度在13.3~31.4 m之间, 水平间距在12~23 m左右(图 12)。排钻结果揭示, 存在两个断面, 均倾向NE, 倾角约45°左右, 为逆冲断层, 垂直断距最大约20 m。
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| 图 12 赵岗钻孔联合剖面 Fig. 12 Drill joint section in Zhaogang |
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从图 12可以看出, 断裂上断点切割最新地层⑤为灰褐色粉质黏土夹砾石层, 在⑤层底部zk5、zk3中分别采集了TL样品, 年代结果在80.00~100.00 ka B.P., 时代为晚更新世早期。
5 第四纪活动的地震地质涵义 5.1 断裂活动构造模式的讨论在我国西部的盆-山地区, 常发育一些大型活动断层, 构成了盆地与山地的边界线, 为控盆活动断裂, 断裂带由多条断层组成, 断裂的活动性由山地向盆地依次增强。地质上表现为断裂出露点位于地貌陡坎的后缘, 往往活动时代偏老, 而断裂出露点位于地貌陡坎的位置, 则活动时代较新。在中国东部地区, 这种现象也是存在的[12-14]。早第四纪时, 丹江断裂仍然活动, 外围山地逐渐抬升, 盆地不断沉降, 晚第四纪以来山前断裂活动有向盆地迁移的特点(图 13)。
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| ⊙和⊗分别表示垂直图面出和进，方向为左旋。 图 13 丹江断裂活动性质、活动位置与地貌陡坎关系示意图 Fig. 13 Schematic diagram of relationships among regime, location and landform scarp of Danjiang fault |
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为了确定断裂形成的构造应力环境, 采用断裂附近小震精定位及小震综合断层面解资料, 获得了断裂区域范围震源机制解。结果显示主压应力场方向(P轴)为NE—NEE向, 与区域构造应力场基本是一致的, 与断裂产状及力学性质是吻合的。
值得指出的是, 在盆-山地区的控盆活动断裂中, 多以走滑、正断或组合型式出现, 表明了剪切或伸展的构造应力环境, 而丹江断裂的活动性质为逆断兼具有左旋走滑分量, 这与已有认识有一定差异。已有研究[15-17]认为, 南襄盆地在燕山运动晚期发育起来的断陷盆地, 新近纪初开始普遍沉降, 发育的断裂多表现为正断性质。这种差异表明, 本区自新构造期以来, 块体差异活动导致断裂的活动性质发生了转变, 由以断陷盆地背景上的张性正断层活动转为坳陷背景上的逆冲走滑活动。
5.2 对本区地震构造环境的启示丹江断裂晚第四纪存在活动的地质证据表明, 本区新构造运动在晚第四纪以来有增强的趋势。同时, 丹江断裂北侧发育的陶岔断层、周山断层、厚坡断层、朱家湾断层等均为第四纪以来有活动的断层, 其中陶岔断层为晚第四纪活动断层。据长江水利委员会勘探一队委员会资料[18], 在陶岔的上更新统地层中发育一条走向290°~300°的断层, 长度为250 m。钻孔证实该断层倾向NE, 倾角70°~80°, 破碎带宽0.5~1.0 m, 发育片状构造岩。按钻孔和断层两侧红土钙质结核层高差表明, 北东盘相对上冲8~10 m(图 14)。
丹江断裂向东南延伸至南襄盆地红层之下, 目前仍有活动。物探资料显示, 大致沿丹江口林茂山—新野一线存在隐伏断裂[8], 该断裂与丹江断裂具有成因上的联系, 与丹江断裂北侧的陶岔断层、周山断层、厚坡断层、朱家湾断层共同构成了南襄盆地西缘活动证据。位于北缘的新野至南阳之间, 分别于1575年6月19日发生
1) 丹江断裂最新活动时代为晚更新世, 活动性质以逆冲为主兼具有左旋走滑分量。
2) 丹江断裂东段第四纪以来累积左旋走滑量在250~500 m, 断层上断点切割上更新统地层, 逆冲产生的垂直断距在10~20 m。
3) 丹江断裂晚更新世以来活动的发现表明, 南襄盆地西缘活动性较强。断裂活动由山地向盆地迁移的趋势。因此, 需要重新审视该区的地震构造环境, 定量评价该区的地震环境, 为保证核心水源区的地震安全提供科学依据。
致谢: 廖武林副研究员，张丽芬副研究员，李井冈博士，何超峰、方杰、景鹏旭同学等参加了野外1:1万断裂条带状填图及第四纪地质地貌调查及浅层地震勘探工作, 中国地质大学(武汉)李长安教授、中国地震局地震研究所刘锁旺研究员对野外工作进行了指导, 部分图件采用GMT软件绘制, 在此一并致谢。
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