本文關鍵詞：青川斷裂晚第四紀活動性及其對區(qū)域構造運動模式的約束

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【摘要】：印度板塊與歐亞板塊的碰撞造成了青藏高原的隆升和高原內(nèi)部活動塊體的向東運動。由于相對剛性的四川盆地的阻擋,巴顏喀拉塊體與其發(fā)生了擠壓碰撞,并使得中生代的古龍門山構造帶復活,發(fā)生逆沖推覆運動。雖然龍門山斷裂帶表現(xiàn)出來的滑動速率非常低,不到1 mm/yr,但是卻先后于2008年和2013年在斷裂帶的中段和南西段產(chǎn)生了汶川Ms 8.0級地震和蘆山Ms 7.0級地震,顯示了斷裂帶非常強的發(fā)震能力。這兩個地震的相繼發(fā)生使地學界關注的焦點集中到了尚未發(fā)生地震的龍門山斷裂帶北東段上。汶川地震對周邊斷裂造成的靜態(tài)庫倫應力擾動的計算結果表明,汶川地震在斷裂帶的北東段上激發(fā)了1.8×104Pa的靜態(tài)庫倫應力增量,使該斷裂段未來破裂地震的發(fā)生時間提前了230年,意味著該斷裂段可能具有較高的地震危險性。相較于岷山隆起,龍門山斷裂帶北東段過去的地震活動明顯較少,似乎表明斷裂帶中段上的滑動變形主要向北東方向傳遞到了岷山隆起及其邊界斷裂上,使得斷裂帶的北東段被屏蔽而不再活動。但是汶川地震產(chǎn)生的地表破裂并未聯(lián)接或終止于岷山隆起,反而越過了岷山隆起向北東發(fā)展,終止在斷裂帶北東段的青川斷裂南側。汶川地震重新定位的余震分布也顯示,地下的破裂已經(jīng)發(fā)展到了青川斷裂上。那么,龍門山斷裂帶的北東段究竟是不是活動的,是否具有發(fā)生強震的能力?到目前為止,對斷裂帶北東段的活動性仍然存在著較大的爭議。一些研究結果表明,龍門山斷裂帶北東段在晚更新世之前曾活動過,但晚更新世以來活動已經(jīng)停止；而一些研究則表明,北東段的青川斷裂全新世仍在活動。除了對斷裂段的活動性存在很大爭議外,已經(jīng)開展的研究工作對斷裂的滑動速率、破裂地震活動歷史、強震復發(fā)行為等參數(shù)的研究還十分薄弱。而這些活動性參數(shù)卻是認識斷裂活動特征,評價區(qū)域地震危險性,了解區(qū)域地殼變形機制和構造演化至關重要的基礎資料。此外,對現(xiàn)代地震的地表破裂觀測表明,斷裂的同震位移沿斷裂帶并非均勻分布的,而傳統(tǒng)的地質研究方法常常選取幾個典型地質點來進行活動參數(shù)研究,難以代表斷裂的整體活動特征。而且,斷裂活動是活動塊體間的相對運動在其邊界的表現(xiàn)形式,因此活動塊體內(nèi)部的變形特征不能僅僅通過對斷裂帶的研究來認識,傳統(tǒng)研究手段對我們認識活動塊體內(nèi)部的運動、變形特征和運動機制存在一定的局限性。近年來得到長足發(fā)展的基于數(shù)字高程模型(DEM)的數(shù)值地貌參數(shù)研究方法能在很大程度上彌補這一不足。為解決上述問題,厘定龍門山斷裂帶北東段的晚第四紀活動性、運動模式、滑動速率、古地震活動歷史、強震破裂行為、最新事件的離逝時間等活動性參數(shù),本文選取了該斷裂段上最為重要的一條斷裂——青川斷裂作為目標斷層,以斷裂及周邊區(qū)域為重點研究區(qū),開展了地質地貌的定量研究以及數(shù)值構造地貌的分析工作,并取得了如下認識：(1)通過對覆蓋青川斷裂的高分辨率航空照片和衛(wèi)星影像的綜合遙感解譯以及詳細的實地調(diào)查驗證,結合構造地貌和地質證據(jù),確定斷裂南起平武,向北東經(jīng)青川、勉縣進入漢中盆地后隱伏,全長超過200 km,整體走向NE,傾向NW。斷裂具有非常長的活動歷史,幾何結構非常連貫,不存在明顯的階區(qū)等分段特征,具有較高的成熟度。(2)青川斷裂的線性特征非常明顯,線性地貌如斷層槽谷、線性擠壓脊等發(fā)育良好,說明斷裂帶的走滑運動作用顯著。沿斷裂帶發(fā)育的不同規(guī)模、等級的沖溝或者河流發(fā)生系統(tǒng)性的右旋位錯,其中水系等級最高的嘉陵江的右旋位錯量達到18 km,其余較低等級的水系的右旋位錯量則從數(shù)百米到數(shù)公里不等,確定了斷裂的運動性質以右旋走滑為主。結合區(qū)域隆升歷史研究成果,我們估計青川斷裂自中新世晚期以來的平均右旋滑動速率為～1.5 mm/yr。此外,利用被右旋斷錯的河流階地上累積的斷錯量和前人對階地的區(qū)域性測年結果,本文將青川斷裂晚第四紀的平均右旋走滑速率限定在～0.7 mm/yr。(3)青川斷裂在嘉陵江以南的段落廣泛發(fā)育擠壓脊,而在嘉陵江以北則連續(xù)發(fā)育斷層三角面,指示斷裂帶在南西段和北東段的構造應力環(huán)境和運動方式存在著差異。在野外觀測種發(fā)現(xiàn),基巖斷層面上的擦痕的側伏角由南西向北東逐漸從接近于0°變化為約45°,顯示斷裂的正斷運動分量向北東有逐漸增加的現(xiàn)象。(4)在對斷裂進行詳細調(diào)查的基礎上,選取了兩個斷層槽谷作為古地震探槽研究場所,開展了青川斷裂的全新世活動性和古地震研究。通過對探槽揭示的地層和構造的細致分析,在兩個探槽中都鑒別出了古地震事件。利用放射性碳測年技術建立了探槽沉積物的地層層序,并將兩個探槽中的古地震事件的時間分別限定在5120-3820 B.C.和4115-3000 B.C.之間。這兩個探槽中識別出的古地震事件的發(fā)生時間相近,而且青川斷裂具有成熟的幾何結構,連續(xù)性好,因此判斷它們應為同一次古地震事件,也是青川斷裂最新的一次破裂事件。因此,該事件的發(fā)震時間被限定在4115-3820 B.C.,意味著離逝時間超過6000年,與GPS觀測到的較慢的應變速率相符。由于斷裂成熟的幾何結構,該古地震事件很可能破裂了整條斷裂(-200 km),利用地震震級與破裂長度經(jīng)驗關系估測出這次地震的震級可能在Mw 7.6-7.9之間。因此青川斷裂的強震破裂行為具有震級大、發(fā)震間隔長的特征。(5)青川斷裂最新一次地震事件的離逝時間約為6000年,根據(jù)GPS和地質觀測到的斷裂右旋滑動速率,估計青川斷裂上已經(jīng)累積了～4.2-9 m的滑動量,與一個震級為Mw～7.3-7.5級地震的矩能量相當。再考慮到汶川地震使龍門山斷裂帶北東段靜態(tài)庫倫應力增加,進而使斷裂可能的發(fā)震時間提前了～230年,推斷該區(qū)域在未來的地震危險性較高。(6)本文利用分辨率為90 m的SRTM-3的DEM作為數(shù)據(jù)源,提取了龍門山北段的區(qū)域水系陡峭指數(shù)；利用ALOS衛(wèi)星立體像對提取的高精度DEM作為數(shù)據(jù)源,沿斷裂提取了斷層上盤小型匯水盆地的陡峭指數(shù)、斷層兩盤小型匯水盆地的面積高度積分值兩個參數(shù)。龍門山北段的水系陡峭指數(shù)在青川斷裂西側的岷山地區(qū)最高,并向東逐漸降低；斷層上盤的小型匯水盆地的陡峭指數(shù)也呈現(xiàn)出沿青川斷裂向北東逐漸降低的趨勢；斷層上盤匯水盆地的面積高度積分值也呈現(xiàn)出相同的現(xiàn)象,但是斷層下盤的面積高度積分值卻相對穩(wěn)定。綜合各項構造地貌參數(shù)分析,青川斷裂上盤的碧口地塊的隆升速率呈現(xiàn)出從西向東逐漸降低的特點,反映來自西側的擠壓力迫使地塊發(fā)生變形隆升并沿青川斷裂向東滑動,而斷裂下盤的地塊運動則相對穩(wěn)定一致,沒有顯著的差異。因此,地質地貌顯示的青川斷裂從南西向北東運動方式的差異,可能是斷裂上盤地塊縮短變形導致差異性垂向運動的結果。(7)論文還利用龍門山北段主要斷裂的幾何結構和已知的滑動速率,估算了巴顏喀拉塊體沿東昆侖斷裂的滑動在這些斷裂上的分解量。結果顯示僅憑龍日壩、岷江和虎牙三條斷裂不足以完全吸收東昆侖斷裂的滑動速率,而加上青川斷裂上根據(jù)現(xiàn)今GPS速率估算的分解量,正好能使之達到平衡。因此龍門山斷裂帶北東段起到了吸收協(xié)調(diào)巴顏喀拉塊體沿東昆侖斷裂運動的作用。巴顏喀拉塊體向東運動的斜向推擠,使青川斷裂呈現(xiàn)出以右旋走滑運動為主,上盤地塊發(fā)生差異性垂向運動的運動方式。龍門山北段各斷裂上分配到的滑動速率之和與東昆侖斷裂的滑動速率之間的吻合則意味著巴顏喀拉塊體或者青藏高原向東擴展的影響不超過龍門山斷裂帶北東段。換言之,龍門山斷裂帶北東段是巴顏喀拉塊體向東運動的終止構造。
【關鍵詞】：青藏高原東緣 龍門山斷裂帶 青川斷裂 晚第四紀活動性 古地震歷史 構造地貌 構造運動模式
【學位授予單位】：中國地震局地質研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P315.2
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-15
• 第1章 緒論15-24
• 1.1 選題依據(jù)、目的及意義15-19
• 1.2 研究內(nèi)容和方法19-21
• 1.3 研究思路和主要工作量21-24
• 第2章 區(qū)域地質背景24-34
• 2.1 區(qū)域構造背景24-29
• 2.1.1 區(qū)域地質發(fā)展簡史25-27
• 2.1.2 區(qū)域主要活動斷裂27-29
• 2.2 區(qū)域地層分布29-31
• 2.2.1 區(qū)域地層格局29-31
• 2.2.2 第四系地層31
• 2.3 龍門山斷裂帶研究進展31-34
• 第3章 青川斷裂構造地貌與地質特征34-60
• 3.1 斷裂整體特征34-35
• 3.2 斷錯水系特征35-44
• 3.3 其它地貌特征44-52
• 3.4 斷層露頭52-58
• 3.5 本章小結58-60
• 第4章 青川斷裂古地震歷史和強震行為60-79
• 4.1 古地震研究內(nèi)容60
• 4.2 青川斷裂古地震歷史60-77
• 4.2.1 都家壩探槽60-69
• 4.2.2 唐家壩探槽69-77
• 4.3 青川斷裂強震行為77-78
• 4.4 本章小結78-79
• 第5章 青川斷裂水系參數(shù)特征與構造運動79-92
• 5.1 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)79-83
• 5.1.1 數(shù)字高程模型概況79-80
• 5.1.2 SRTM數(shù)據(jù)80
• 5.1.3 ALOS-PRISM數(shù)據(jù)及其DEM生成80-83
• 5.2 水系參數(shù)原理及方法83-88
• 5.2.1 河流水力侵蝕模型及坡度-面積關系83-86
• 5.2.2 面積高度積分值H_i與曲線86-88
• 5.3 水系參數(shù)特征88-91
• 5.3.1 陡峭指數(shù)88-90
• 5.3.2 面積高度積分90-91
• 5.4 本章小結91-92
• 第6章 相關問題討論92-98
• 6.1 青川斷裂地震危險性92-93
• 6.2 龍門山斷裂帶北東段構造作用及區(qū)域動力學模型93-96
• 6.3 本章小結96-98
• 第7章 結論與展望98-103
• 7.1 主要認識和結論98-101
• 7.1.1 青川斷裂幾何結構、構造地貌與地質特征98-99
• 7.1.2 青川斷裂晚第四紀活動性、古地震歷史和強震破裂行為99
• 7.1.3 青川斷裂水系參數(shù)特征與構造運動99-100
• 7.1.4 青川斷裂地震危險性100
• 7.1.5 龍門山斷裂帶強震行為100
• 7.1.6 龍門山斷裂帶北東段構造作用及動力學模型100-101
• 7.2 主要進展和創(chuàng)新101
• 7.3 下一步研究工作的重點101-103
• 參考文獻103-112
• 致謝112-114
• 作者簡介114-115
• 發(fā)表論文115-116
• 參加科研項目116

【參考文獻】

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