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盆地边界活动正断层多尺度构造地貌研究

王林  
【摘要】:京西北盆岭构造区中发育有怀涿、蔚广、延矾、阳原、灵丘、怀安和涞源等一系列断陷盆地单元,这些断陷盆地的边缘大都受到了NE向活动断裂带的控制。该区内的蔚广盆地就是一个受南部边界正断层控制的、南深北浅的不对称的半地堑盆地。而蔚广盆地南缘断裂带即为控制该盆地南边界的正断层系,也就是本文的研究对象。 自从蔚广盆地形成以来,蔚广盆地南缘断裂带已经经历了长期的构造演化历程,使得断裂带南侧上升盘不断地抬升,形成山体区域,而北侧下降盘不断地沉降和接受沉积,形成盆地区域。蔚广盆地南缘断裂带是一条活动断裂带,自从有历史记载以来,盆地内已经发生过5次地震,主要包括公元前231年Ms6.5级地震,1581年Ms5.75级地震,1618年Ms6.5级地震,1911年Ms5.5级地震以及1956年Ms4.5级地震。 蔚广盆地南缘断裂带是一个由多条断层组成的、演变方式比较复杂的正断层性质的断裂带。周廷儒等(1991)对该断裂带的新构造运动特征进行过一定的研究,认为该断裂带先是继承和利用了燕山运动中、晚期形成的北东向压型结构面,在此基础之上才进一步发展成为张性断裂体系,存在着一种构造反转的过程。徐锡伟等(2002)对该断裂带的分段性进行过一定的研究,根据次级断层空间展布的几何结构和长期断裂作用造成的断锗地貌差异,蔚广盆地南缘断裂带可以划分为5个地震破裂段落,自西向东依次为上白羊段、唐山口段、北口段、松枝口段以及上虎盆段。蔚广盆地南缘断裂晚更新世以来的活动部位主要集中在松枝口、北口、唐山口等3个段落上,它们是控制蔚广盆地第四纪持续活动的主边界断裂段,与盆地的沉降中心部位相对应。而东、西两端的上虎盆段相上白羊段晚更新世以来的活动性已经十分微弱。程绍平等(1998)对断裂带九宫口段的断层生长现象有过一定的研究,研究表明该处的断层在晚更新世晚期的冲积扇内已经向西生长了数公里。 在“我国地震重点监视防御区活动断层地震危险性评价项目”的子课题“首都圈地区蔚县-广灵断裂50km条带状地质填图”的支持下,作者也长期地参与了蔚广盆地南缘断裂带有关科研工作。一方面,在地貌面解译的过程之中,在断裂带的附近发现了大量变形的地貌面,主要包括唐县期、甸子梁期的两期地貌面,然而前人对于这些地貌面变形的研究却不是很多,对这些变形层状地貌面在整条断裂带尺度范围内的空间分布规律、形变特征规律缺乏系统的研究和深入的认识。 另一方面,通过对断裂带的遥感解译和多次的野外地质考察,在断裂带上的许多地方还发现了各种形式山前构造地貌,尤其是多处典型的断层线性陡坎或线性形迹。这些典型的山前构造地貌在地貌演化、几何展布以及断层活动性等方面各自都反映出了多种不同的特征。然而前人对于这些典型山前构造地貌的研究却相当有限,仅程绍平等(1998)对断裂带九宫口段的一处断层陡坎的生长现象有过一定的研究。总的来说,对断裂带局部断层尺度范围之内活断层控制的构造地貌以及有关活断层的几何结构、活动性及其演化方式和特点等方面缺乏充分的研究和认识。 此外,在更小的尺度范围内,在断层最新活动的控制之下形成了各种典型微地貌,尤其是山前扇体中的断层陡坎。然而前人对于这些典型的微地貌在古地震方面的研究却不是很多。在这些地方,关于古地震事件期次、复发周期、断层活动等方面的许多问题都是值得进一步深入研究的。 在上述的研究背景之下,基于在实际的野外、室内工作中所获得的大量最新的数据和资料,本文通过不同尺度的构造地貌,以蔚广盆地南缘断裂带为例,对盆地边界活动正断层进行了研究,主要是针对前人在上述一些研究方面的空白或者不足之处进行了开创性或者补充性的研究,并取得了一些新的结论和认识,主要包括以下几个方面:(1)断裂带上升盘断块的构造运动方式,究竟是构造抬升还是掀斜旋转;(2)断裂带的运动学模型及相应的演化阶段;(3)断裂带的分段性(4)断层的复发周期和活动速率等等。 所谓的尺度包括两个方面的尺度,时间尺度和空间尺度。时间尺度是指构造地貌所经历的构造演化时期的长短,空间尺度是指构造地貌分布范围的大小,而空间尺度又进一步分为平面尺度和高程尺度。本文研究中大尺度的构造地貌主要是各种变形的夷平面,以唐县面、甸子梁面为主;小尺度的构造地貌主要是山前活动断层控制形成的各种山前构造地貌,以各种典型的断层线性陡坎或形迹为主;微尺度的构造地貌主要是局部典型的活断层微地貌,以研究区域内宜兴乡附近山前晚更新世扇体中的断层陡坎为主。 1.夷平面形变研究 变形夷平面研究的主要内容是各种夷平面的具体变形特征,目的是通过这些变性特征弄清半地堑构造体系中地块的运动方式,包括具体的运动形式、运动方向、运动时代以及运动幅度(量)等方面。首先将从GoogleEarth提取出变形夷平面的图层数据,再将夷平面数据转换成ARCGIS平台支持的数据格式。提取出的变形夷平面属于面数据,首先对该面数据进行空间三维分析,找到面数据中发生变形部位和以及具体的变形方式,对于面数据中形变显著的部分,选取适当的位置作出高程剖面线,那么通过剖面线之中的高程变化形态就能够直观地反映出地貌面的变形方式。接下来找到高程变化形态中由于构造运动而造成的变形部分,通过对该部分进行定量分析、参数提取,便可以进一步地提取出地貌面构造变形的定量数据。 通过对提取出的变形唐县面以及唐县宽谷的总体空间展布特征进行分析,发现山前断层几乎都展布于唐县宽谷分布的范围之内,很少能有山前断层展布于这个范围之外,更加没有山前断层能够穿过、断错唐县宽谷范围之外的甸子梁面以及蚀余山体。也就是说山前断层普遍地穿越并断错了唐县宽谷以及谷内的唐县宽谷面。从唐县宽谷以及唐县面展布位置和山前断层展布位置之间良好的一致性和对应关系来看,唐县宽谷及唐县宽谷面的形成受到了断层活动的控制和影响,也就是说唐县宽谷及宽谷面与边界断层之间存在着成生关系。在唐县宽谷及宽谷面的形成过程之中,虽然盆地尚未开始裂陷,但是边界断层应该已经有所活动,只不过活动程度要弱于后来盆地裂陷时期内的山前断层。在边界断层微弱活动的控制之下,首先使得水系主要沿着断裂带的走向展布,而随着水系的进一步展宽、侧蚀,才逐渐形成了唐县宽谷以及唐县宽谷面,最终使得唐县宽谷及宽谷面主要沿着边界断层的走向展布。 对于被山前断层断错的唐县宽谷的展布方向,有的与山前断层的走向近于垂直或者大角度相交,相应地这些宽谷内的唐县宽谷面延伸和展布的方向也与山前断层的走向近于垂直或者大角度相交。在研究区域内的东大云疃、瓦窑子、北口、大探口村、东庄头村、坡岩村、直峪村、唐山口附近都存在这样的唐县宽谷以及唐县宽谷面。还有的宽谷面的展布方向与山前断层的走向近于平行或者小角度相交,相应地这些宽谷内其中一侧的唐县宽谷面的展布方向也与山前断层的走向近于平行或者小角度相交,形成所谓的山麓阶梯面;而另一侧的宽谷面则由于被山前断层断错而发生下降,目前已被第四纪沉积层所掩埋和覆盖,已经无法见到。在研究区域内的东大云疃与瓦窑村之间的段落、东庄头村与坡岩村之间的段落以及宜兴乡郑家庄村、大探口村、南马庄等处附近的段落都这样的唐县宽谷以及山麓阶梯面。通过将各个地方各种类型的变形唐县面的剖面形态累加在一起,得到了上升盘地块在山前断层附近掀斜运动的方式和规律。从唐县面变形剖面的累加结果来看,宽谷面的掀斜运动主要包括两种分量,一种是顺时针方向的旋转分量,另一种是垂直方向的抬升分量。随着宽谷面掀斜区域内掀斜程度的逐渐增加,断层崖顶点被抬升到的高度也在逐渐增加,也就是说旋转分量和抬升分量表现为同步的增加,与此同时山前断层崖区域内断层崖坡面的出露长度也在增大,而坡面的倾角则在逐渐减小。通过对掀斜运动的各项参数进行相关分析和回归分析,估算出控制唐县面发生变形的局部掀斜旋转轴的长度约为1300-1400m。 此外,唐县面抬升高度沿断层走向还存在着横向的变化,而且抬升高度曲线的几何形态与断层的几何形态存在着对应一致的关系,一方面,与平坦形态的曲线对应的断层段落的几何形态也是相对平直的;另一方面,与弯曲形态曲线对应的断层段落的几何形态同样也是相对弯曲。对于唐县面抬升高度曲线的这些形态变化特征的可能原因也进行了分析。可能的原因主要有两种。第一种原因可能是断层平面迹线的不规则性。在山前断层平面迹线不规则,而地块掀斜旋转轴线相对平直的情况下,掀斜如果整个地块绕着掀斜旋转轴线发生整体性的掀斜旋转,那么断层平面迹线的平直段落所对应的变化曲线段落的形态也是平直的,而弯曲段落所对应的变化曲线段落的形态也是弯曲的,与此同时越是往山前的方向,唐县面的抬升高度越大,而越是往山里的方向,唐县面的抬升高度越小,从而造成唐县面抬升高度沿着断层走向的横向变化。 第二种原因可能是掀斜程度自身的横向变化和不均一性。对于掀斜程度相对稳定的段落,地块掀斜角相对稳定,倾滑量以及唐县面的抬升高度也都相对稳定,相应的变化曲线的形态也相对平直,在这种情形之下,断层崖的坡面会近似地成为三维空间内一个坡面长度为和倾角均比较稳定的倾斜平面,该倾斜平面与水平面的形态平直的交线的位置即为断层的位置,因此,此时断层几何形态也是相对平直的。而对于掀斜程度变化或波动程度较大的段落,地块掀斜角度变化和波动较大,相应的倾滑量以及唐县面的抬升高度也会发生较大的波动和变化,相应的变化曲线的形态也会出现波状起伏的弯曲形态,在这种情形之下,如果断层的几何形态是平直的,那么断层崖的坡面就会在三维空间内形成不规则的曲面形态,而这种不规则曲面在形态上凸凹不平,在结构上也缺乏稳定性,不利于断层面的发育;而如果将断层的几何形态稍加弯曲,便可以将断层崖坡面构建成类似于研究区域内多个地方的实际的坡面形态而这种坡面的三维空间形态更加地平滑,在力学结构上也更加地趋于稳定,因此这种曲面形态能够更好地适应并满足断层面正常发育的要求。总的来说,对于掀斜程度变化或波动程度较大的段落,断层几何形态的平直性是以牺牲掉断层崖坡面结构的稳定性以及坡面形态的平滑性为代价的;反过来说,要想在一定程度上维持住断层崖坡面的稳定结构以及平滑形态,就要在一定程度上牺牲掉断层平直的几何形态。可以说,这两个方面是相互制约、相互矛盾的,只能满足其中的一个方面,不可能两方面同时满足。然而断层面能够进行正常的发育往往是具有优先权的,是处于第一位的,因此为了适应这样的要求,会优先选择牺牲掉断层几何形态的平直性,来提高断层崖坡面的稳定性、平滑性,以利于断层面的正常发育。因此,对于掀斜程度变化或波动程度较大的段落,其唐县面抬升高度变化曲线的形态相对弯曲,同时所对应的断层段落的几何形态往往也是相对弯曲的。 此外,通过对提取出的甸子梁面和唐县面的变形情况进行综合分析和叠加分析,发现了整个上升盘地块的掀斜程度随着远离山前断层呈现逐渐衰减的趋势。 2.山前构造地貌的研究 山前构造地貌研究的内容主要是断裂带上多处典型的断层线性陡坎/形迹的构造地貌特征、断层几何结构特征以及断层陡坎的活动性等方面,目的是通过对各处断层陡坎在这些方面的特征进行对比分析和总结,弄清最新活动断层的形迹展布特征与几何结构演化,以及相应的控制或影响因素。 通过野外地质地貌调查、高分辨率遥感影像解译、3D分析、探槽挖掘以及探地雷达探测(GPR)等技术手段,在断裂带上的多处发现了各种类型的断层线性陡坎和形迹。断层陡坎集中发育于两类地方,第一类是断层错列区,第二类是断层几何结构不规则的段落。 通过对各种典型的断层陡坎地貌的特点进行对比分析和总结,发现断层陡坎往往形成和发育于几何形态发生不规则的段落或区域内,也就是说断层几何结构的不规则性是影响或决定断层陡坎是否发育的主要因素,同时陡坎的发育对这种不规则性具有“截弯取直”式的消除和平滑作用。断层陡坎的这种发育特点是具有内在的构造成因的。就本文所讨论的蔚广盆地南缘断裂带来说,断裂带由于继承了燕山期的某些构造面、弱化带,增加了其几何结构上的复杂程度、不规则性,或者可以统一地说成粗糙度。在晚更新世晚期晚期以来新的拉张应力场的作用之下,一方面,这种粗糙度在一定程度上增加了盆地内半地堑地块下滑运动面所受的摩擦阻力,对地块滑动产生阻碍作用;另一方面,在重力场的作用之下,盆地内的半地堑地块又具有着一种自然而持续的沿滑动面进行下滑的趋势。因此,在这样一种情况下,为了克服这种断层几何结构不规则性带来的这种阻碍作用,断层陡坎集中地形成和发育于断裂带上的这些不规则处,逐渐截断、去除这些棱角、曲折或间断等一系列的不规则形态,使断层的几何结构以及断层滑动面变得更加规则和平滑,这样便降低了使滑动面的粗糙度,更加有助于半地堑地块的下滑运动。 此外,断层陡坎发育和活动的时间还受到断层段落最大位移值的影响。随着断层段落最大位移值越大,断层陡坎活动时间越长,反之越小则越短。 3.活断层微地貌和古地震的研究 活断层微地貌与古地震的研究的主要内容包括活断层控制之下形成的微地貌的地形特点、影响因素以及演变方式等,以及古地震事件期次、复发周期以及断层活动速率等定量参数的分析和研究。 通过横跨陡坎开挖探槽中可以识别古地震的各种变形标志和沉积标志,比如断错标志地层、断错扇体表面、断层破碎带、地震构造楔、地震崩积楔古地震地层沉积序列等方面,一共确定了2次地震事件E_1、E_2,E_1距今16.66±1.39ka至10.62±0.87ka,E_2距今9.20±0.79ka至7.85±0.14ka,可能更靠近9.20±0.79ka。复发间隔约为2.7-7.5ka左右。此外,单次古地震事件的位错量约为3.5m,地震震级估计为7.9级左右。通过进一步的研究发现,断裂带的唐山口段和北口段先是随着断层截弯取直式的发育特点逐渐地发生联合,之后在联合破裂段的活动和控制之下才发生了E_1、E_2。 最后,对以上三个方面的分析结果进行归纳和综合,总结出了蔚广盆地南缘断裂带山前活动断层的具体演化过程。


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