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《中国地震局地质研究所》 2017年
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龙门山南段及其前陆区晚第四纪构造变形的河流地貌研究

姜大伟  
【摘要】:作为青藏高原的东边界,巴颜喀拉块体与四川盆地的接触带,龙门山自中新世以来发生了强烈隆升,形成了世界上最陡峻的地形梯度带。从四川盆地西边界到青藏高原仅50 km范围内高差达4.5 km,龙门山因此成为研究青藏高原物质向东运动及青藏高原东缘隆升机制的重要场所。关于青藏高原东缘的变形机制主要有两种端元模型:一种是以地壳缩短为主的大陆逃逸模式,认为青藏高原东缘的变形主要集中在重要的活动边界断裂上;另一种是下地壳流模式,认为青藏高原东缘存在整体性的隆升变形。这两个模型的合理性有待于活动构造定量研究数据的检验。在构造样式方面,龙门山存在明显的南北分段特征。龙门山中北段构造组合简单,主要由后山断裂(汶川-茂汶断裂)、中央断裂(北川-映秀断裂)与前山断裂(灌县-安县断裂)等三条分支断裂组成叠瓦状冲断带。而龙门山南段逆冲构造则由叠瓦状冲断带及其前陆褶皱带两部分组成,其北西侧尚与金汤弧形构造带相接,构造格局复杂。2008年汶川Ms 8.0级地震沿龙门山中北段形成了270 km长的地表破裂带,沿中央断裂与前山断裂形成了数米高的断层陡坎,提供了龙门山最新活动的直接证据。而2013年发生在龙门山南段的芦山Ms 7.0级地震却未产生显著的地表破裂,却又为发震构造研究带来了困扰。芦山地震如何受龙门山南段逆冲构造控制,尽管引起广泛关注,但受制于该地区活动构造研究缺乏,有关问题难以深入讨论。目前对龙门山断裂带南段晚第四纪活动性研究,仅限于大川-双石和盐井-五龙断裂。依据青衣江河流阶地变形得到盐井-五龙断裂晚第四纪平均垂直错动速率约0.6~1.2 mm/yr,大川-双石断裂没有明显的垂直错动。这两条断裂的逆冲位移之和明显小于龙门山断裂带中段约2~3 mm/yr的总垂直错动速率。鉴于龙门山南段与中段有大致相当的地势,龙门山断裂带南段的逆冲变形是否有可能分配到其他分支断裂或者是前陆褶皱带,是该地区最基本的活动构造问题。因此开展龙门山南段及其前陆区晚第四纪构造活动的定量研究,不仅有助于理解该地区造山作用,也可为评价该地区未来地震危险性提供基础资料。青衣江是贯穿龙门山南段及其前陆区的一条大河,发育了多级贯通阶地,并在前陆区形成了名山-邛崃(名邛)与丹棱-思濛(丹思)两套古冲积扇。本文对这些河流地貌进行详细调查、测量、对比与断代研究,并通过河流地貌面的变形,定量研究了龙门山南段及前陆区晚第四纪构造变形,进而讨论了其变形机制与发展趋势。在研究中主要应用的方法包括:河流沉积物元素分析,重矿物分析,~(14)C、OSL、ESR等年代学测试,地貌面高精度的DEM分析与解译,基于四川测绘局网络RTK的高精度实地测量(其散点测量精度达到水平±5 cm、海拔±8 cm)。论文取得主要进展如下:(1)在形态测量、冲积物对比与年代测试的基础上,建立了青衣江第四纪河流地貌面序列。通过DEM恢复了名邛与丹思古冲积扇地貌面形态,并依据重矿物分析进一步确定了名邛与丹思两套冲积扇主体源自古青衣江水系。结合地貌面测量得到青衣江地貌面演化过程:中更新世早期至中期(537±64 ka~305±49 ka),青衣江形成了名邛冲积扇,分布于龙门山与熊坡背斜之间;中更新世中晚期(305±49 ka~300±60 ka),青衣江改道,名邛冲积扇被废弃,青衣江形成了早期丹思冲积扇,并在上游发育了同期的T_6阶地;中更新世中晚期(300±60ka~268±54 ka),丹思冲积扇进一步发育并扩大了沉积范围,青衣江上游发育了同期的T_5阶地;中更新世末(185±19 ka)丹思冲积扇已全部废弃,青衣江形成最新的河谷地貌并依次发育了T_4~T_1阶地,其废弃时代依次为185±19 ka~163±26 ka、93±10 ka~73.08±9.73ka、51.36±7.35 ka~40.36±4.98 ka、7.63±0.58~5.91±0.03 ka。(2)在高程测量、冲积物对比与年代测试的基础上,建立了青衣江T_1至T_6河流阶地纵剖面,进而依据河流阶地变形定量研究了龙门山南段及其前陆区晚第四纪构造活动特征。通过全流域的河流阶地变形发现,龙门山南段断裂带以逆冲断错为主,前陆区以褶皱变形为主,而金汤弧形断裂带无明显活动。耿达-陇东断裂、盐井-五龙断裂、小关子断裂晚第四纪以来平均垂直错动速率分别为0.21~0.30 mm/yr、0.12~0.21 mm/yr和0.10~0.12 mm/yr,大川-双石断裂晚第四纪以来逆冲活动较弱。定量化的阶地变形计算得出,龙门山南段逆冲构造的地壳缩短速率为0.48~0.77 mm/yr,前陆区褶皱构造的地壳缩短速率为2.38~3.78 mm/yr,总地壳缩短速率为2.86~4.55 mm/yr。前陆区褶皱活动吸收了大部分地壳缩短量,其未来地震危险性不容忽视。(3)提出了2013年芦山地震的断坡构造模型。依据青衣江河流阶地纵剖面,发现2013年芦山地震区在晚第四纪变形表现为背斜褶皱,结合石油物探资料发现其为受控于深部断坪-断坡-断坪构造的断弯褶皱,估算其晚第四纪缩短速率为0.45~1.14 mm/yr。该背斜的变形特征与芦山地震同震变形比较一致,根据地震重新定位与地表变形特征,推测该断坡构成了闭锁构造,地震破裂沿断坡发生。上断坪继续向前陆方向延伸,形成了控制前陆区褶皱带的滑脱构造。(4)在熊坡背斜南麓新发现一条产状东倾的第四纪逆断层丹棱断裂,断裂南部控制了丹思冲积扇的西边界,在北部形成了褶皱隆起。依据名邛古冲积扇地貌面断错的定量分析,得到熊坡背斜北侧大塘断裂的晚第四纪滑动速率为0.12~0.15 mm/yr。龙门山南段前陆区两条近南北向断裂的存在,指示了川滇块体东侧大凉山地区向东的构造扩展,使龙门山南段前陆区受到北西-南东、东-西两个方向上挤压作用的叠加。论文的主要创新点如下:(1)首次将冲积物的化学风化指标用于河流地貌面定量化对比,并利用厘米精度的SCGNSS网络RTK开展全流域河流阶地测量。冲积物主、微量元素得到的CIA、A-CN-K等化学风化指标,可作为河流阶地对比的定量依据。四川测绘局SCGNSS网络RTK系统的散点测量精度达到平面±5 cm、海拔±8 cm,可同时满足河流全流域的高精度阶地变形分析与单条断裂位错分析的研究。(2)基于青衣江河流阶地纵剖面发现芦山地震区晚第四纪变形表现为背斜褶皱特征,其与2013年芦山地震的同震形变特征相吻合,但与该地区古近纪地层表现的褶皱变形格局不一致,具有新生性特征,可能为受控于断坡构造的断弯褶皱。(3)在熊坡背斜与三苏场背斜之间新发现了一条近南北走向的晚第四纪活动逆断层,命名为丹棱断裂。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P534.63;P931.1

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