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南汀河断裂带构造地貌研究

石峰  
【摘要】:青藏高原是世界上面积最大、最年轻、最活动的高原,高原范围内发育的大量延伸规模达数百公里乃至上千公里的大型走滑断裂带是青藏高原活动构造最显著的特征之一。这些大型走滑断裂带都是60-50Ma以来印度板块和欧亚板块碰撞及后期印度板块向欧亚板块推挤作用的结果,它们对于调节两大板块碰撞后陆内构造变形起着非常重要的作用。众多研究者已经或正在对这些大型走滑断裂从构造、地貌、年代、地球物理等方面进行研究,取得了丰硕成果,并提出了青藏高原的动力学和运动学模型。无论是最初的滑移线场理论模型、块体模型还是后来的下地壳流模型和微块体模型都能比较好地揭示这些大型走滑断裂带和其他块体边界断裂带。但是前人的研究都集中在这些块体边界断裂带,对块体内的运动关注较少,各种模型也很少涉及到块体内的断层。 以红河断裂带为界,青藏高原东南缘分为两个块体,川滇菱形块体和滇西南块体。滇西南块体内部发育两组主要的活动断裂带,一组为北东向的弧形左旋断裂,包括了主要的瑞丽-龙陵断裂、南汀河断裂带、孟连断裂和打洛断裂,他们表现为以喜马拉雅东构造结为圆心的等间距同心圆弧,大约间距150km;另一组为北西-北北西向右旋断裂,他们与北东向的弧形断裂垂直相交,包括了主要的临沧断裂和汉母坝断裂。这两组断裂带都是强震发震构造,地震活动强,地貌上将红河断裂带和石阶断裂带之间的滇西南块体刻画成向南的扩展扇,与GPS数据限定了地表的速度场所展示的活动方式基本一致。根据GPS和地震数据、宏观地貌几何结构,我们很好的把握了滇西南块体现代整体的运动方式,但是仅仅根据块体内部有限的断层研究资料,我们难以获得对该块体内部构造运动学和动力学特征,以及构造演化与地震活动的合理认识。 基于此,本论文选取北东向弧形构造体系中规模最大、特征最明显的南汀河断裂带作为目标断层,以该目标断层及其周边区域为重点研究区,开展定量和数值构造地貌研究,并试图以南汀河断裂带为切入点,分析北东向弧形断裂体系的运动学特征和动力学机制及其在青藏高原构造变形演化过程中的作用和意义。 对于南汀河断裂带的研究,早期主要是为了澜沧江漫湾水电站工程地震地质研究的需要,云南省地震局于1981年作了一些工作,得出了如下结论:南汀河断裂但是滇西南地区北东向现代最为活动的断裂带,其北东段切临沧-勐海花岗岩体,并斜切澜沧江断裂(云南省地震局,1981)。而朱玉新的工作则认为南汀河断裂带的北东端未切穿澜沧江断裂,而是终止于断裂带西侧的临沧-勐海花岗岩体中(朱玉新,1989)。对于断裂带的几何展布没有进行过系统性研究,仅仅通过大尺度地貌现象粗略分为三段(王晋南等,2006)。对于断裂带南、北段的活动性差异也存在争论,通过分析沿断裂带分布的第四纪盆地的厚度和古地震剖面,朱玉新(1989)认为虽然北段段活动性要弱于南段,但是北段的晚第四纪活动性依然很强。而王晋南等(2006)通过分析断裂的活动表现、断裂活动环境及地震活动表现,则认为北段最新活动大致在中更新世-完更新世,晚第四纪活动较弱。南汀河断裂的研究不仅存在上述争论,对于活动断裂定量研究重要的活动参数如:滑动速率、古地震事件等参数也没有很好的约束。而这些参数是我们认识断层活动特征的基础,也是我们认识区域运动学和动力学机制的基础。 自上世纪70年代末以来,活动构造研究已从描述性和定性研究阶段进展到定量研究阶段。对需要获得哪些活动特征定量参数和如何获得这些定量参数也都进行了大量的研究工作。活动构造定量研究应当获取的基本参数包括:断裂长度和分段长度、累积位移量和同震位移量、滑动速率、古地震、离逝时间等。但是由于问题的复杂性和人类认识能力的局限性,在活动构造定量研究过程中,无论是各种定量参数的获取,还是这些参数的应用,都还存在较大的误差和不确定性。然而对于南汀河断裂带,这些定量参数的研究工作还比较薄弱,这可能归于以下三方面原因:1、由于降雨丰富,地表剥蚀作用较强,存在断错地貌被破坏的可能性和古地震事件记录缺失的可能;2、早期由于测年技术的制约,获得滑动速率和古地震事件年代不确定性可能较大;3、断层分段和古地震事件的识别可能存在着不确定性。上述原因制约着南汀河断裂带定量参数数据的质量,因此提出一套能获得高质量定量参数并可以对这些参数的质量进行评估的方法就很有必要。 构造运动影响着地形地貌的发育形态,这种影响作用通常是十分漫长和缓慢的,这种漫长和缓慢的影响效果是人类历史以及精密的测量仪器都是无法记录到的。而构造地貌是唯一能够记录这种效果,并能通过相关参数定量表达的天然元素。随着数字高程技术以及计算机技术的快速发展,地貌参数研究成为目前构造地貌研究的全新领域,并显示出了十分强大的生命力。早期的地貌参数研究主要是通过一两种地貌参数来研究区域的构造地貌特征以及构造活动性,近年来则发展为通过多种参数综合探讨区域的构造活动性。但这些研究都是在大空间尺度上进行的,或者是探讨不同构造区的相对构造活动性,而在小空间尺度上,或对单一断裂的地貌参数研究则较少。而且对单一段落的地貌参数研究也主要集中在以垂直运动为主的正断层或逆断层区域。 本文通过获得构造定量参数研究和数值构造地貌参数研究相结合的方法,对南汀河断裂带的活动特征进行分析,取得了一些进展: (1)滇西南地区分形参数与构造活动关系 选择构造环境复杂,地貌类型复杂多样的滇西南地区为研究区,利用水平分辨率为90m的SRTM数据,采用元分维模型通过变差函数法计算了滇西南地区的二维分形参数。基于地表分维值和截距值的分布,分析了岩性、气候、构造与这些参数的关系。得出以下结论: ①岩性、气候因素对二维分形参数影响不大。尤其是对分维值影响甚小。 ②分维值对构造活动反应比较敏感,在构造活动强烈区域分维值较低,在构造活动不强烈地区分维值较高。 ③截距值对构造活动反应不敏感,在构造活动的强烈与不强烈区域分布特征比较一致。 ④分维值分布图显示该区域一系列平行的北东向断层存在不同的特征,暗示其运动参数可能存在差异。 (2)南汀河断裂带的几何结构特征 利用高分辨率的ALOS卫星影像和航空照片立体像对数据,对南汀河断裂带进行了综合遥感解译,并开展了详细的野外调查验证。断裂带北东端止于澜沧江断裂带西侧分布的临沧-勐海花岗岩中,没有切错澜沧江断裂带。断裂作北40-60°东延伸,自云县盆地西侧沿南桥河向南经勐底、勐旨,然后顺南汀河过勐简的西北侧,逐渐转为北60°东,再经孟定的清水河出境延入缅甸,全长200余公里。 根据南汀河断裂带的几何展布特征,将断裂带以大雪山镇附近为界分为北段和南段两个大的段落,各段内又可根据其几何特征分为3个次级段落,共6个次级段落(A-F):A次级段主要表现为一系列大型冲沟的左旋位错和线性峡谷,在南端有长约2km的反向陡坎。B次级段在北段主要表现为南桥河阶地的水平位错和两侧阶地的高差,中段主要沿南桥河展布,南段表现为一系列断层三角面和深切峡谷。C次级段主要表现为一系列大型冲沟的左旋位错和深切线性峡谷。D次级段在影像上北段线性特征明显,向南逐渐不清晰。在北段表现为断层槽谷和线性峡谷。南段主要表现为深切峡谷。E次级段在影像上表现为大型冲沟的位错和线性峡谷。在该段支流小阶地和小的冲积扇上均发现断层活动留下的遗迹。也有河流百米级别左旋位错的长期活动证据。这些都表明了其长期和近期的活动性。F次级段在影像上中段线性特征明显,南段和北段都不太清晰。北段主要表现为孟定盆地与山脉的分界线,中段有长约10km的线性山脊,南段近清水河附近断层遗迹不明显。 (3)南汀河断裂带的晚第四纪活动性 通过阶地位错和C14测年我们得到了断裂左旋走滑速率为3.6±0.4mm/a,垂直滑动速率为1.1±0.3mm/a。通过探槽研究确定了断层在全新世活动剧烈,1000年以来发生过两次断错地表的地震事件。 (4)基于高分辨率DEM的水系特征与构造活动关系 本论文通过ALOS卫星立体影像提取的高精度DEM作为基础数据源,提取了南汀河断裂带沿线的水系偏转角、陡峭指数和面积高度积分等构造地貌参数。其中陡峭指数和面积高度积分前人做过大量研究,主要来反应断层抬升速率,而水系偏转角是首次提出并应用实际研究中,该参数主要是对断层走滑位移量的反应。通过这些参数我们分析了南汀河断裂带流水地貌对断层活动的响应特征,并且用这些参数对先前工作得到的断裂空间展布和活动性进行了验证,分析断裂的运动学与几何学特征,为探讨活动断层与地貌响应之间的关系提供良好范例。 (5)滇西南地区运动学与动力学机制 根据前人研究结果和对比与南汀河断裂带平行的断裂左旋走滑速率给出了该区域的动力学模型。认为滇西南地区这一系列北东向平行断层是受到青藏高原物质向东南输送过程中,发生是扇形展开而导致的左旋走滑运动。


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