地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (8): 2924-2934   PDF    
龙门山南段芦山震区浅层沉积与构造变形——对深部发震构造的约束
鲁人齐1,3, 徐锡伟1, 何登发2, 刘波3, 谭锡斌1, 张学丰3, 李英强2, 王振南1     
1. 中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029;
2. 中国地质大学(北京) 能源学院, 北京 100083;
3. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871
摘要: 2013年4月20日在龙门山南段发生MW6.7强震,造成重大人员伤亡和财产损失.芦山地震发生后,针对发震断层是高角度还是低角度断层?断层的归属、性质和地震构造模型等问题,一直存在不同的认识和争议.本次研究采用了芦山震区的三条高精度二维人工地震反射剖面,结合区域地质、钻井资料,对芦山震区浅层沉积与构造变形进行综合解释;研究同时综合了震源机制解、小震重定位结果以及深地震探测剖面,并结合龙门山地区古生代以来的构造演化史,对震区地质构造进行解析.研究认为龙门山南段主要发育了三套不同层次的滑脱层并控制了上地壳形变,呈现多层滑脱、多期变形、构造叠加的复杂特征.2013年芦山地震的主要活动断层发育在深部约20 km滑脱层之上,倾向NW、倾角较陡大约在45°~50°,并产生反冲断层形成Y字状结构.地震地质解释表明,芦山地震的同震活动断层没有突破中生界和新生界,并非先前认为的双石—大川断裂(F4)或山前大邑隐伏断裂(F6);芦山地震的发震断层为一基底盲冲断层;深地震反射结果进一步揭示芦山地震的发震断层为一早期(古生代)形成的正断层.研究认为芦山地震发震构造符合简单剪切断层转折褶皱模型(Simple-shear Fault-Bend Fold),2013年芦山地震为一次非特征型地震.晚新生代以来在青藏高原向四川盆地强烈挤压持续作用下,早期正断层重新活动并产生了芦山地震.这种深部隐伏断层活化产生的特殊型地震,无疑增加了龙门山地区地震灾害的风险和不确定性.
关键词: 地震解释      滑脱层      构造变形      断层转折褶皱      芦山地震      龙门山     
Shallow sedimentation and tectonic deformation in the southern Longmen Shan: Constraints on the seismotectonics of the 2013 Lushan MW6.7 earthquake
LU Ren-Qi1,3, XU Xi-Wei1, HE Deng-Fa2, LIU Bo3, TAN Xi-Bin1, ZHANG Xue-Feng3, LI Ying-Qiang2, WANG Zhen-Nan1     
1. Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
2. College of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: The April 20, 2013 Lushan MW6.7 earthquake occurred in the southern Longmen Shan (LMS) causing heavy casualties and property damage. After this event, whether its causative fault is a high-angle or low-angle one, and the characteristics, attributes, and the seismotectonic model of this earthquake remain debated. In this study, three high-resolution artificial seismic reflection profiles were combined with near-surface geological data and well drilling data to interpret the shallow sedimentation and tectonic deformation of the Lushan earthquake area. We also integrated the focal mechanism solutions, earthquake relocation, and a recent deep seismic reflection profile, in combination with the tectonic evolution since Paleozoic, to analyze the geology of the southern LMS. The results suggest that three major detachments control the tectonic deformation of the upper crust in the LMS and western Sichuan Basin (SB), resulting in multiple superimposed deformation events. The coseismic active fault dips to the northwest at approximately 45°~50° at depths of 20 km, forming a Y-shaped structure. Seismic interpretations suggest that the seismogenic fault of the Lushan earthquake is a typical basement blind fault that does not penetrate into the overlying Mesozoic and Cenozoic units, and is not the Shuangshi-Dachuan fault (F4) or the frontal Dayi buried fault (F6). Deep seismic data illustrate the syndepositional characteristics of the seismogenic fault. Our study further demonstrates that the seismogenic slip occurred on a reactivated pre-existing normal fault older than Triassic age that triggered earthquakes during the Late Cenozoic. The 2013 Lushan earthquake was not a characteristic earthquake, and the structure of the Lushan earthquake zone conforms to the simple-shear fault-bend fold. Since the Late Cenozoic, with the strong and on-going compression of the Tibetan Plateau to the Sichuan Basin, the early-period normal faults were reactivated after inversion and triggered the Lushan earthquakes. These concealed and reactivated faults increase the potential risk of major earthquakes in the Longmen Shan and the western Sichuan Basin.
Key words: Seismic interpretation      Detachment      Structural deformation      Fault-Bend Fold      Lushan earthquake      Longmen Shan     
1 引言

2013年4月20日在龙门山南段的雅安市芦山县附近发生了一次MW6.7地震(图 1).这是继2008年5·12汶川MW7.9大地震后,在龙门山地区发生的又一次破坏性强震.汶川地震发生在龙门山中段,产生了两条同震地表破裂带(徐锡伟等,2008李海兵等,2008李勇等,2008马寅生等,2008).芦山地震发生在龙门山南段,但是震后野外科考调查结果表明,发震断层并未突破地表产生同震破裂(李传友等,2013雷生学等,2014),因此研究分析可能为一前缘隐伏断层或盲断层(徐锡伟等,2013Liu et al,2015).有研究依据龙门山南段主要断裂分布,推测可能为山前大邑隐伏断裂(F6)(李勇等,2013周荣军等,2013).此外,前人对芦山地区人工地震反射剖面的解释结果,认为芦山地震的发震断层为前缘隐伏逆断层(Range Front Blind Thrust),倾角较缓大约在30°左右(Li et al., 2014aWang et al., 2014).

图 1 龙门山冲断带南段芦山震区区域构造简图 图中黑色实线为主要断裂分布,虚线为隐伏断裂,红色实线为汶川地震同震地表破裂带;F1:陇东断裂;F2:五龙断裂;F3:小关子断裂;F4:双石—大川断裂;F5:新开店断裂;F6:大邑隐伏断裂. Fig. 1 Map showing tectonics of the Lushan earthquake area in the southern Longmen Shan thrust zone Black solid lines are major faults. Dash lines show blind or concealed faults. Red solid lines show coseismic ruptures of the 2008 Wenchuan earthquake. F1: Longdong fault; F2: Wulong fault; F3: Xiaoguanzi fault; F4: Shuangshi-Dachuan fault; F5: Xinkaidian fault; F6: Dayi blind fault.

然而,芦山地震震源机制及余震序列重定位结果,揭示芦山地震深度的优势分布范围在10~20 km之间,发震主断层倾角在45°~50°左右,属于较高角度的逆冲断层(房立华等,2013曾祥方等,2013吕坚等,2013Han et al., 2014),这对低角度发震断层模型带来挑战.有研究认为发震断层为双石—大川断裂(F4)(Zhang et al., 2013Chen et al., 2014).但同样面临的问题是,主震及余震群主要集中分布在F4下盘区域,这要求双石—大川断裂倾角几乎90°高陡直立(图 1);且双石—大川断裂为一出露地表的活动断层,这很难解释芦山地震为何没有同震地表破裂的现象(李传友等,2013雷生学等,2014).

因此,芦山地震发震断层是高角度还是低角度?发震断层的性质与归属问题,目前仍存在很多争议(Zhang et al., 2015).在地震及活动构造研究中,经常会碰到地质、地球物理不同学科之间认知的差异和相互碰撞的问题.如何深入认识芦山地震及其发震构造,需要多学科、多角度和方法的相互补充和相互制约.本文综合芦山地区的浅表地质、钻井资料,震源机制和余震重定位结果、震后采集的一条深地震反射剖面成果等,并结合研究区的构造-沉积演化历史,通过芦山地区三条高精度二维人工地震反射剖面的解释,对芦山震区浅层的沉积地质与构造变形进行解析,为芦山地震的发震断层和构造模型提供有效约束.

2 区域地质构造背景

龙门山冲断带位于青藏高原东南缘与四川盆地的交界的位置(图 1),是中国大陆晚第四纪构造变形和强震最强烈的地区(许志琴等,1992邓起东等,2002).龙门山冲断带的形成是在前震旦纪基底之上,经历了古生代被动大陆边缘裂陷阶段;晚古生代,由于古特提斯洋北支向东扩张,龙门山—大巴山一带成为扬子克拉通的西北部陆缘坳陷(刘树根,1993).现今龙门山地区发育大量逆冲活动断层,并发育飞来峰构造;这些逆冲断层导致岩层大幅度抬升和地壳缩短,是逆冲推覆构造带重要特征之一.

罗志立(1989)刘和甫等(1994)多次强调在震旦纪早期、志留纪以及二叠纪晚期,扬子陆块西部经历了多次大陆伸展裂解过程;这些伸展构造事件为正断裂的发育提供了很好的条件和佐证(陈竹新等,2005).其中,晚古生代以来,我国西南地区发生过一次强烈的裂陷运动,从泥盆纪开始到晚二叠世峨眉山玄武岩喷发达到高潮,称之为“峨眉地裂运动”(罗志立,1989).受其影响龙门山及其邻区,从泥盆纪到晚三叠世中期也发生过强烈的伸展裂陷活动(罗志立,1991).前人对龙门山南段的研究发现,一系列早期正断层控制了古生代沉积,比如五龙断裂以西沉积有完整的古生界(图 2),而龙门山前带以及前陆盆地中缺失志留系至石炭系(刘树根,1993陈竹新等,2005).人工地震反射剖面也同样揭示龙门山南段古生界存在大量早期的正断层(Jia et al., 2006),并在龙门山南段的宝兴野外露头,可以见到韧性正断层的证据(Burchfiel et al., 1995).

晚古生代以来,龙门山和川西前陆盆地的构造演化划分为三个阶段:伸展裂陷阶段(D-T32)、构造反转阶段(T33)和持续推覆阶段(J-Kz)(陈社发等,1994Chen and Wilson, 1996).龙门山自古生代以来经历了多期构造事件的改造,断裂众多、构造变形极其复杂(Burchfiel et al., 1995Tapponnier et al., 2001贾东等,2003).现今龙门山南段主要断裂包括陇东断裂(F1)、五龙断裂(F2)、小关子断裂(F3)、双石—大川断裂(F4)、新开店断裂(F5)、以及山前的大邑隐伏断裂(F6) 等(图 1图 2).

图 2 龙门山南段芦山震区区域地质构造简图(1971—1975年,1:200 000地质图;四川省地质局第二区域地质测量队三分队实测) 1—新生界;2—白垩系;3—侏罗系;4—三叠系;5—二叠系;6—泥盆系;7—志留系;8—奥陶系;9—寒武系;10—震旦系;11—元古界;12—杂岩体;13—主要断层;14—逆冲断层;15—隐伏断层;16—人工地震反射剖面;17—深地震反射剖面;18—钻井位置. Fig. 2 Geology and location of artificial seismic reflection profiles in research area 1— Cenozoic; 2— Cretaceous; 3— Jurassic; 4— Triassic; 5— Permian; 6— Devonian; 7— Silurian; 8— Ordovician; 9— Cambrian; 10— Sinian; 11— Proterozoic; 12— Complex rocks; 13— Major faults; 14—Thrusts; 15— Blind faults; 16— Artificial seismic reflection profile; 17— Deep seismic reflection profile; 18— Drilling wells.

此外,大量研究表明川西—龙门山冲断带发育多层次的滑脱层(刘和甫等,1994Liu et al., 1996Lu et al., 2016).滑脱层通常是一种塑性特征明显的岩层, 这种塑性特征是指上下不同岩层能干性上的差异, 具有“相对性”意义;所以在具体的岩石地层中,夹于能干性岩层之间的非能干性岩层在构造变形中就可以成为滑脱层(汤良杰等,2008).

本次研究根据川西—龙门山南段区域岩石岩性特征,并结合之前研究成果(金文正等,2008鲁人齐等,2010Li et al., 2014b),分析了自前震旦纪基底而上可能存在的滑脱层系(图 3).其中川西—龙门山地区最主要的区域滑脱层,是中下三叠统嘉陵江—雷口坡组的膏岩层(D1).该滑脱层在钻井取芯和地震反射剖面中均有揭示,并可以和川东地区的巨厚膏岩滑脱层相对比(Jia et al., 2006Lu et al., 2016).在龙门山南段前的川西凹陷地区前震旦纪基底也存在局部韧性剪切滑脱层(D2) 或拆离层(汤良杰等,2008王绪本等,2008颜丹平等,2010).此外,深部地球物理研究结果表明,在龙门山中、南段上地壳约17~20 km存在明显的低阻低速体为一深层滑脱层(Wang et al., 2007Li et al., 2009Hubbard and Shaw, 2009Li et al., 2014a).这些滑脱层调节了龙门山上地壳的构造变形,对龙门山的形成演化具有重要的作用.

图 3 川西—龙门山南段地区岩石地层综合柱状图 Fig. 3 Stratigraphic chart of Longmen Shan and western Sichuan Basin
3 芦山震区地质构造解释 3.1 人工地震反射A剖面解释

在2013年芦山MW6.7地震发生之前,该龙门山南段的芦山地区部署和采集了大量石油工业地震反射剖面以及一些油气钻井,其中一条人工地震反射剖面A刚好位于震中附近,但北西方向并未穿过震中区域(图 1图 2图 4).

图 4 龙门山南段芦山震区A地震反射剖面地质构造解释 Fig. 4 Geological and structural interpretation of the seismic reflection profile A

人工地震A剖面反射特征表现了三种类型:断层F5的NW侧地震记录地表至约5 km深度范围为没有明显反射的“透明”介质,这类记录反映的是介质整体性好;F5的SE侧岩性反射凌乱呈“破碎”结构特征;断层F6的SE侧反射区间显示了较好的成层结构.不同的反射记录特征很好地显示了剖面的横向非均匀构造(图 4).

芦山地区沉积了较厚的中生代和新生代地层(图 4).浅层构造受控于深度约5~6 km的中、下三叠统雷口坡—嘉陵江组的石膏岩滑脱层D1(鲁人齐等,2010).该浅层滑脱层D1之上,发育浅层逆冲断层形成叠瓦构造,如新开店断裂(F5)、山前的大邑隐伏断裂(F6).在地震反射剖面A同时可以发现新开店断裂下盘,发育一个大型的背斜,浅层滑脱层D1发生明显的构造变形.地震解释在基底深度大约10 km也存在滑脱层D2(颜丹平等,2008).基底断层根据岩层形变和轴面分析(Shaw et al., 2004),推测发育在滑脱层D2之上.如断层f1(图 4),断层转折并交汇于浅层滑脱层D1,形成断层转折褶皱(Suppe, 1983).褶皱内部发育反冲断层,如断层f2.

3.2 人工地震反射B剖面解释

人工地震反射剖面B比较清楚地显示芦山向斜构造(图 2图 5).芦山向斜白垩系的地震反射波组总体连续,未见断层切割该套地层.剖面B的总体构造变形特征与剖面A相似(图 4),浅层滑脱层D1之上发育叠瓦构造;滑脱层D1和D2之间为断层转折褶皱变形.

3.3 人工地震反射C剖面解释

人工地震反射剖面C横跨芦山向斜(图 2图 5).地震反射波组特征显示,始阳断裂切割了白垩系;地质图显示该断层还突破了新生界,在地表出露(图 2);地震解释认为该断裂向下发育在深度约2~3 km左右的更浅层的滑脱层(推测为上侏罗统遂宁组)之上(图 3图 6).在双石—大川断裂(F4) 下盘浅层滑脱层D1之上,并未见到任何断层切割.之前的人工地震解释F4的总体产状小于50°(王夫运等,2015冯杨洋等,2016).在中生界三叠系也存在早期的逆断层和褶皱变形.这些逆断层规模不大并未突破侏罗系,下侏罗统可能卷入变形,龙门山南段存在下侏罗统与中侏罗统的平行不整合面(刘树根等,2009),因此该期构造事件可能持续到早侏罗世.但总体变形主要与晚三叠世末期龙门山地区的构造事件有关(Liu et al., 1996Jia et al., 2006).

图 5 龙门山南段芦山震区B地震反射剖面地质构造解释 Fig. 5 Geological and structural interpretation of the seismic reflection profile B
图 6 龙门山南段芦山震区C地震反射剖面地质构造解释 Fig. 6 Geological and structural interpretation of the seismic reflection profile C
4 芦山地震构造及模型讨论 4.1 深地震反射波组特征分析

由于上述石油地震反射剖面的探测深度有限(图 3-6),不能有效揭示前震旦纪基底以下的构造变形.因此对2013年芦山地震的发震构造及其属性探讨还需要更多深部探测资料进一步约束.汶川地震和芦山地震相继发生后,科研人员在龙门山地区开展了地震宽角反射、折射探测工作,以揭示震区速度结构和地壳结构(嘉世旭等,2014王帅军等,2015).其中,中国地质科学院地质研究所在芦山地区部署采集的反射地震剖面(冯杨洋等,2016),以及中国地震局地球物理勘探中心在震区采集了一条人工深地震反射剖面(王夫运等,2015),为研究芦山震区深部结构提供了丰富的信息(图 7).

图 7 芦山震区深地震反射剖面及发震构造解释(据王夫运等(2015)修改) Fig. 7 Deep seismic reflection profile and seismogenic structure of the Lushan earthquake (modified from Wang et al., 2015)

芦山地震震源深度约14 km,震源机制解揭示断层信息为走向209°,倾角46°,滑动角94°(吕坚等,2013).通过对该深地震剖面的层位对比和标定,结合主震和小震重定位结果(房立华等,2013), 在深地震反射剖面附近约5 km范围截取余震投影.研究发现芦山主震和余震上方存在明显的地震波组断错(图 7),地震解释认为这是存在基底断层最直接的证据.该断层切割了下古生界和部分上古生界,但并未突破中生界,因此分析为早于三叠纪的断层.此外,从主断层上盘的沉积厚度变化可以看出,该断层控制了古生界的沉积;上盘的沉积厚度大于下盘的沉积厚度,因此为一早期正断层.因为该断层与芦山主震及其余震重定位结果高度吻合(图 7),因此鉴定为芦山地震的发震断层.

前人的研究认为,沿龙门山西缘存在早期同沉积正断裂,并控制了南北两段古生界至中三叠世的沉积(刘树根,1993陈竹新等,2005).先前龙门山南段的地震解释结果,也证实了早期正断层的存在(Jia et al., 2006).因此,芦山地震的发震断层与龙门山主要断裂的形成演化具有一致性.这些断裂先后经历了伸展裂陷阶段、构造反转和持续推覆阶段(陈社发等,1994);在晚新生代以来,部分早期存在的断层在强烈持续挤压下重新活化,并产生地震.

4.2 同震断层与发震构造模型

通过对芦山震区浅层人工地震反射剖面的解释,认为芦山地震的发震断层并未突破中生界和新生界(图 4-7),是一条典型的盲断层,这与最新深地震探测解释(冯杨洋等,2016),以及野外地质调查结果(李传友等,2013雷生学等,2014)是一致的.此外,芦山地震同震形变资料,包括水准和GPS观测数据显示(Jiang et al., 2014郝明等,2014),在芦山向斜位置存在最大同震形变位移,可能与断层传播褶皱模型(Fault-Propagation Fold)相匹配(Suppe and Medwedeff, 1990徐锡伟等,2013).但单次地震活动产生的同震形变,并不能有效约束地震构造模型.芦山主震南东方向的背斜构造为一活动构造(Wang et al., 2014),该构造的主断层f1切割中生界的累积位移量约2~3 km(图 3图 4),构造变形量相对较大(图 8).主要发震构造几何特征表现为前翼陡窄、后翼宽缓.因此,简单剪切断层转折褶皱模型更符合芦山地震长周期的地质构造变形(Shaw et al., 2004).2013年的芦山地震的同震断层与主要发震构造有所区别,为一次非特征型地震.

图 8 龙门山南段芦山震区三维地质构造模型与发震构造分析 1—新生界;2—白垩系;3—侏罗系;4—上三叠统;5—中下三叠统;6—上古生界;7—下古生界与基底;8—主要断层;9—主要滑脱层;10—轴面. Fig. 8 Three-dimensional geological and structural model and seismotectonics of the Lushan earthquake 1— Cenozoic; 2— Cretaceous; 3— Jurassic; 4— Upper Triassic; 5— Middle-Lower Triassic; 6— Upper Paleozoic; 7— Pre-Cambrian and basement; 8— Major faults; 9— Main detachments; 10— Axial surfaces.

通过对地震反射剖面C的综合解释,揭示了龙门山南段浅层沉积和构造变形特征(图 8).龙门山南段—川西盆地总体构造变形,受控于浅层滑脱层(D1)、中部基底滑脱层(D2) 以及深部滑脱层(D3) 的控制.浅层滑脱层D1控制了现今龙门山前的浅层逆冲断层系统和构造地貌;中部滑脱层D2之上发育断层相关褶皱;深部滑脱层D3之上存在早期正断层,后期构造反转形成逆断层,并在后期重新活化.汶川地震、芦山地震是龙门山地区晚新生代以来不同断层逆冲活动、发展和演化的体现.因此,龙门山冲断带—川西前陆盆地总体构造变形呈现出一个多层滑脱、多期变形、构造叠加的复杂特点,这无疑增加了构造研究的难度,同时也是造成2013年芦山地震后存在大量不同认识的重要原因之一.

5 结论

(1) 2013年龙门山南段芦山地震的主要发震断层倾角大约在45°~50°,并未突破中生界和新生界,为一典型盲冲断层;总体的地震构造特征符合简单剪切断层转折褶皱模型.

(2) 芦山地震的发震断层为一早期(古生代)正断层.晚新生代在青藏高原向四川盆地的强烈挤压作用下,芦山震区构造开始反转后活化,并产生了非特征地震.

(3) 龙门山南段主要发育多套不同层次的滑脱层,控制了上地壳总体的变形,呈现出多层滑脱、多期变形、构造叠加的复杂特点.

致谢

感谢美国休斯敦大学地球与大气科学学院John Suppe教授和中国地震局地质研究所邓起东研究员的交流指导与宝贵建议!感谢两位匿名评审专家提供大量宝贵的参考建议和修改意见!感谢中国石油西南公司提供的人工地震反射剖面和钻井资料;感谢河北省地震局王晓山在小震精定位成图上的帮助!

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