石 峰 李 安 楊曉平 徐錫偉 何宏林

(中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點實驗室，北京 100029)

0 引言

2010年4月14日7點49分青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發(fā)生MS7.1地震。地震造成2 200余人遇難，玉樹州政府所在地結(jié)古鎮(zhèn)超過80%的房屋被毀，是汶川特大地震之后中國大陸又一次生命、財產(chǎn)遭受巨大損失的地震。青海玉樹MS7.1地震發(fā)生在甘孜－玉樹斷裂帶中段的結(jié)隆與巴塘之間。甘孜－玉樹斷裂帶歷史上記載過多次7級左右的地震，歷史地震和古地震遺跡明顯，具有短周期的大地震重復(fù)特征(聞學(xué)澤等，2003;陳立春等，2010)。本文的研究區(qū)域位于甘孜－玉樹斷裂帶的東南段(洛須—甘孜)(圖1)，在遙感解譯的基礎(chǔ)上，通過典型地區(qū)的詳細野外調(diào)查和探槽研究對該斷裂段的晚第四紀活動性進行研究，其結(jié)果可為理解玉樹地震的發(fā)震構(gòu)造、甘孜－玉樹斷裂帶的整體特征提供基礎(chǔ)資料，為分析青藏高原東部地區(qū)活動地塊(張培震等，2003)的晚第四紀運動學(xué)特征提供證據(jù)，同時也可為評價甘孜－玉樹斷裂的長期地震危險性提供基礎(chǔ)資料。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

圖1 玉樹地震區(qū)域地震構(gòu)造與震中分布圖Fig.1 Regional seismotectonics and historical earthquakes of the Yushu earthquake region.

甘孜－玉樹斷裂帶位于鮮水河－小江斷裂系的西北段，它與該斷裂系中的其他斷裂(如鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂、大涼山斷裂和小江斷裂)一起構(gòu)成了順時針旋轉(zhuǎn)的青藏高原南東地塊的北邊界(張培震等，2003;He et al.，2006)。甘孜－玉樹斷裂帶由斜列狀排列的一組NW向斷層組合而成，西起青海治多縣那王草曲塘，經(jīng)當(dāng)江、玉樹、鄧柯、玉隆，至四川甘孜縣城南，全長約500km。斷裂整體呈NW向展布，僅在當(dāng)江附近走向為NWW，斷層傾向以NE為主(僅擋拖一帶傾向SW)，傾角70°～85°(李閩峰等，1995)。2010年青海玉樹MS7.1地震發(fā)生在甘孜－玉樹斷裂帶中段的結(jié)隆與巴塘之間，說明該斷裂現(xiàn)今仍然是活動的。

巴顏喀喇?dāng)鄩K位于青藏斷塊區(qū)中部，主要受NWW向走滑斷裂所控制，是走向NW的長條狀塊體。其北界為東昆侖斷裂，南界為鮮水河斷裂，甘孜－玉樹斷裂和瑪爾蓋茶卡－若拉崗日斷裂均為走滑斷裂，東端邊界為龍門山逆沖斷裂帶，西端以阿爾金斷裂帶西南尾端張剪切斷裂為界(鄧起東等，2010)。羌塘斷塊和川滇斷塊的向東擠出導(dǎo)致了羌塘斷塊北邊界和川滇斷塊東邊界的大型左旋走滑斷層的分布。甘孜－玉樹斷裂就位于巴顏喀喇?dāng)鄩K與羌塘斷塊的邊界，也具有典型的左旋走滑性質(zhì)。甘孜－玉樹斷裂的走滑性質(zhì)和滑動速率可以很好地反映羌塘斷塊和巴顏喀喇?dāng)鄩K之間的相對運動性質(zhì)和量級。對于該斷裂的走滑性質(zhì)，研究者的認識都是一致的，但是對于滑動速率，不同研究者使用不同方法得到的結(jié)果卻有很大差異(李閩峰等，1995;周榮軍等，1996;聞學(xué)澤等，2003;彭華等，2006;張培震，2008)。

甘孜－玉樹斷裂帶是在前第四紀基巖斷裂帶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一條全新世強烈活動的斷裂，老的基巖斷裂破碎帶一般寬數(shù)十m至百余m，局部地段達數(shù)百m(周榮軍等，1996)。新斷裂在地貌上表現(xiàn)為線性延伸的斷層陡坎、坡中槽、水系錯斷等。在遙感影像上，斷裂顯示出清晰的線性特征，并有明顯的水系錯斷、山脊錯斷、坡中槽等現(xiàn)象，主要以左旋走滑為主，伴有較小的垂直運動(彭華等，2006)。甘孜－玉樹斷裂帶晚第四紀平均滑動速率為7mm/a(周榮軍等，1996)，50ka以來平均滑動速率為12mm/a(聞學(xué)澤等，2003)，GPS觀測的現(xiàn)代滑動速率也在10mm/a左右(張培震，2008)。

2 研究方法

2.1 遙感解譯

活動構(gòu)造學(xué)研究與地形地貌密切相關(guān)，遙感技術(shù)在活動構(gòu)造研究中的應(yīng)用越來越深入，并成為活動構(gòu)造研究中不可或缺的重要技術(shù)方法，為活動構(gòu)造研究提供了豐富的定量化數(shù)據(jù)(何宏林，2011)，并且也應(yīng)用于近期很多大地震的地表破裂帶研究中(付碧宏等，2008;石峰等，2010;Shi et al.，2012)。通過對衛(wèi)片和航片的解譯可以更好地獲取構(gòu)造地貌信息，進而對斷裂第四紀活動性進行研究。大地震的發(fā)生往往在地表留下清晰的破裂痕跡，在人類活動比較少的地區(qū)可以較完整地保存下來。走滑斷裂一般呈直線延伸，甚至在穿越起伏很大的地形后仍保持直線性，在影像上可以清晰地發(fā)現(xiàn)被斷裂錯斷的線形排列的山脊、水系的位錯。

本文使用的遙感影像主要是航片和中巴資源衛(wèi)星影像。航片分辨率可達到1m左右，而中巴資源衛(wèi)星影像的分辨率為2.36m，可以滿足對構(gòu)造地貌的解譯要求。

2.2 河流階地

河流階地蘊含著豐富的第四紀構(gòu)造運動和氣候變化的信息，其形成受多種因素的影響，其中最重要的因素是構(gòu)造運動和氣候變化，單一因素或二者共同作用導(dǎo)致河流的侵蝕、堆積和搬運作用發(fā)生變化而形成階地(楊曉平等，2008)。通過河流階地及其變形研究構(gòu)造活動期次和幅度是一個長期研究的課題(楊景春等，1987;楊景春，1998;Molnar，et al.，1994;張培震等，1995;楊曉平等，1995，1998，2006;李吉均等，1996;程紹平等，1998;譚利華等，1998;馬保起等，1999;鄭文濤等，2000;Lave et al.，2000;邢成起等，2001;Chen et al.，2002)。本文通過野外調(diào)查不同階地上的斷裂活動地貌遺跡來分析斷裂的活動性。

2.3 探槽研究

槽探技術(shù)是揭露古地震事件的主要方法之一，其過程包括探槽地點的選擇、布設(shè)、開挖、記錄和古地震歷史的恢復(fù)?；驹瓌t是:最大限度地從地質(zhì)記錄中揭露和獲取古地震信息，包括多次事件的期次和位移量;采集到盡可能準確的限定古地震發(fā)生時間的測年樣品(鄧起東等，2004)。本文通過2個典型地點的探槽開挖，對該斷裂晚第四紀活動性進行研究。

3 斷裂的晚第四紀活動性調(diào)查

3.1 生康鄉(xiāng)

甘孜－玉樹斷裂東南段發(fā)生過7級左右地震，生康鄉(xiāng)在地震中破壞嚴重(聞學(xué)澤等，2003)。通過對航空照片的解譯，在生康鄉(xiāng)附近發(fā)現(xiàn)明顯的斷錯地貌(圖2)。通過攝影測量和實地測量，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域T5階地的左旋位錯量約在350m左右。由于其他級階地的缺失，無法得到各級階地的位錯量。該地區(qū)歷史地震的最大同震水平位移為5.3m(聞學(xué)澤等，2003)，T5階地的左旋位錯量達到350m，垂直位錯量達到50m，這說明自T5階地形成以來經(jīng)歷了多次的構(gòu)造活動事件，同樣表明該地區(qū)晚第四紀活動性非常強。

圖2 生康鄉(xiāng)斷錯地貌圖Fig.2 The dislocated landform in Shengkang township.

3.2 仁果鄉(xiāng)

在航空照片上可以清楚地看到仁果鄉(xiāng)有條筆直的線性構(gòu)造(圖3)。通過野外實地調(diào)查認為該線性影像為一連續(xù)的斷層陡坎(圖3 c)，長約3km，坎高約0.5～1.5m。在仁果鄉(xiāng)到卡攻鄉(xiāng)之間有段長約500m的距離內(nèi)斷層陡坎不明顯。在仁果鄉(xiāng)西北的卡攻鄉(xiāng)發(fā)現(xiàn)一長約200m的斷塞塘(圖3 d)，通過航空照片解譯發(fā)現(xiàn)該處有水系左旋斷錯，位錯量約為100m。據(jù)仁果鄉(xiāng)村民說在圖3c位置很久(至少100a)以前有一個村子，都是耕地，后來村子消失了。探槽也揭露了該地區(qū)存在古耕作層，證明了村民言論的正確性。結(jié)合歷史地震記錄，該地區(qū)于1854年發(fā)生7級以上地震(聞學(xué)澤等，2003)，據(jù)推測很可能是由于此次地震導(dǎo)致該村的消失。

圖3 仁果鄉(xiāng)斷錯地貌圖Fig.3 The dislocated landform in Renguo township.

在該地區(qū)通過探槽研究也證明了這里近代發(fā)生過造成地表破裂的大地震。仁果探槽布置在仁果四村西南山前斷層陡坎上(圖3 b)，具體探槽剖面如圖4所示。

圖4 仁果探槽剖面Fig.4 Logs of the trench at Renguo.

根據(jù)斷面和地層的切蓋關(guān)系對形成斷面的古地震事件進行界定，可以明確2次地震事件。第1次事件發(fā)生在U1沉積結(jié)束后，這次事件形成F2和F3斷面，在F2斷面下盤形成楔體A，在F3斷面頂部的U2有擾動痕跡，底部發(fā)生波浪狀起伏。事件發(fā)生時間存在2種可能，一種是地震發(fā)生時還未沉積U2，地震造成當(dāng)時的地表(U1頂部)變形并改變環(huán)境，沉積黑色細粒的U2層;另一種是地震發(fā)生時U2已經(jīng)開始沉積，地震后U2繼續(xù)沉積，這2種情況都可以造成F2斷面上覆的U2地層底面變形而頂面平整，U2測年樣品位置在斷層擾動處，結(jié)果為Cal 5 050～4 850 a BP。這個年齡可界定地震上限時間或近似于地震時間。第2次事件發(fā)生在U3沉積之后，F(xiàn)4斷面錯斷了該層(西壁)，并擠入小礫石團塊(礫石粒徑和U3相似)，東壁F4斷面位置不明顯，上覆U3未見明顯變形且下盤沒有U3出露。礫石團塊中測年結(jié)果為Cal 2 890～2 760a BP，東壁U3測年結(jié)果為Cal 2 730～2 470a BP，但是不能被這2個時間所限定，事件時間應(yīng)該在這2個時間與U4－1時間之間，應(yīng)該更接近U3時間。RGTC2探槽中U3向東尖滅，尖滅點與RGTC1探槽東壁有(7.5±0.5)m左旋位錯，而前人研究結(jié)果表明1854年地震的最大同震水平位移為5.3m(聞學(xué)澤等，2003)，這個位移量至少包含第2次事件和1854年歷史地震。此處探槽應(yīng)該經(jīng)歷過3次地震事件。

3.3 錯阿鄉(xiāng)

圖5 錯阿鄉(xiāng)斷錯地貌圖Fig.5 The dislocated landform in Cuoa township.

錯阿鄉(xiāng)位于仁果鄉(xiāng)西北約25km處(圖1 c)。在中巴資源衛(wèi)星影像上可以清楚地看到斷錯地貌(圖5)。通過遙感解譯和野外實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在該處發(fā)育不對稱的4級階地(T0，T1，T2，T3，具體位置見圖5 b，c)。T1，T2，T3階地有明顯的垂直位錯，T3階地有明顯的水平位錯。其中T1階地的垂直位錯量在1.5m左右，T2階地的垂直位錯量為2～3m，T3階地的垂直位錯量達8m左右，左旋位錯量約80m。在該處還發(fā)現(xiàn)了上次地震的地表破裂遺跡(圖5 d)，推測應(yīng)為1854年地震造成的。

為了進一步研究古地震事件，我們在T2階地上進行了探槽開挖。探槽布置在T2階地面上(圖5 b)，開挖處斷層陡坎高度約2m。

錯阿探槽(圖6)揭示的斷層面呈現(xiàn)出正花狀構(gòu)造樣式，從中可以分辨出5條斷層。斷層SW上升盤出露基巖地層，基巖斷層面近地表處略向SW傾，地震斷層錯動很難造成SW盤基巖的垮塌，而是在沉積地層和基巖面之間出現(xiàn)三角楔形空間，在地震時或地震后短時間內(nèi)，斷層位置的古地表土體會掉入其中，或者陡坎片流沖刷進入楔形空間中。因此，根據(jù)楔體和沉積地層切蓋關(guān)系可以分辨古地震事件發(fā)生的先后序列，通過錯斷地層和楔體堆積時間限定古地震時間。

圖6 錯阿探槽解釋圖Fig.6 Logs of the trench at Cuoa.

錯阿探槽中記錄了2次古地震事件，探槽剖面中，斷層形成之前已經(jīng)堆積的地層為U1、U2和U3。第1次事件形成F1和F2斷層面，并在U2、U3與U1之間形成楔形空間，當(dāng)時的地表和U3物質(zhì)一起塌落填充形成楔體A，根據(jù)U3頂部和楔體A的14C年齡可以分別控制事件的下限時間為Cal 5 600～5 470a BP，上限時間為Cal 4 730～4 510a BP(圖6)。這次事件之后沉積U4。第2次事件在探槽兩壁的表現(xiàn)略有不同，東壁形成1組切錯楔體A的F3斷層面，且F2斷面再次活動，楔體A沿F2和F4斷面之間向下滑動，楔體A上覆地層U4塌落，F(xiàn)4和F5之間空隙中填充楔體B;西壁沒有形成F3斷面，F(xiàn)4斷面切錯U4，與U1之間形成U4的塌落物和楔體B。地震上限和下限時間分別由楔體 B的14C年齡Cal 3 570～3 390a BP和U4的14C年齡Cal 4 160～3 970a BP控制(圖6);之后沉積形成現(xiàn)今地表U5，14C年齡為Cal 800～600a BP。

3.4 日阿鄉(xiāng)

日阿鄉(xiāng)位于錯阿鄉(xiāng)西北約30km處，通過對航空照片的解譯發(fā)現(xiàn)該處存在明顯的斷錯地貌(圖7)。該處發(fā)育的T3階地和T2階地存在明顯的左旋水平位錯和垂直位錯。在圖9右下角T3/T2階地坎的左旋位錯約為80m，大于T2/T1階地坎的左旋位錯量(20m)，與東南500m兩處T3階地坎的左旋位錯量相一致。T3階地上的垂直位錯超過了10m，T2階地上的垂直位錯也達8m。這說明該地區(qū)晚第四紀以來活動特別劇烈。

圖7 日阿鄉(xiāng)斷錯地貌圖Fig.7 The dislocated landform in Ria township.

4 討論

斷裂滑動速率是活動構(gòu)造定量研究的最重要參數(shù)之一，不僅可以直接應(yīng)用于活動構(gòu)造的地震危險性預(yù)測和工程場地的地震安全性評價，還可為地球動力學(xué)研究提供不可缺少的重要信息(張培震等，2008)。原理上，滑動速率可以用總位移量除以其累積時間獲得，但準確地確定活動速率并不是一件容易的事，前人對甘孜－玉樹斷裂帶滑動速率的研究從3.4～12mm/a不等(李閩峰等，1995;周榮軍等，1996;聞學(xué)澤等，2003;彭華等，2006)，相差超過3倍。利用階地位移和年齡來確定滑動速率需要對河流階地演化模式進行分析。一種河流演化模式認為，河流的漫灘(T0)在被廢棄并形成新階地之前一直對其上的階地陡坎發(fā)生侵蝕作用(Van Der Woerd et al.，2002)，因此階地陡坎的位移在河漫灘被廢棄形成新階地之前是不會被保留下來的;另一種模式認為，當(dāng)一條山前河流切入河漫灘使其廢棄形成階地后，斷裂的走滑位移使得河流兩側(cè)的階地陡坎都遭受錯動，其中一側(cè)的下游階地陡坎被錯入河道而遭受河流的侵蝕，另一側(cè)的下游階地陡坎被錯離河道，受到上游右側(cè)地質(zhì)體的保護而免遭侵蝕(張培震等，2008)。對于同一條斷裂，不同的研究者對各種模式的適用性也存在爭議(Van Der Woerd et al.，2002;Cowgill，2007;Zhang et al.，2007)。

圖8 河流階地演化模式圖Fig.8 The map of terraces evolution model.

甘孜－玉樹斷裂帶東南段的河流階地演化模式普遍是第2種，但是也要根據(jù)實際情況進行甄別。例如，根據(jù)生康鄉(xiāng)T5/T3階地坎水平位移來計算滑動速率，由于該階地坎位于河流右側(cè)，受到上游右側(cè)地質(zhì)體的保護而免遭侵蝕(圖8 a，b)。該階地坎水平位移應(yīng)為T5形成以來累積的，滑動速率=T5/T3階地坎位移/T5年齡。該地區(qū)T5年齡為Cal(46 100±3 500)a BP(聞學(xué)澤等，2003)，T5/T3階地坎位移為350m，水平滑動速率應(yīng)約為(7.6±0.5)mm/a。階地上垂直位移自階地形成以來就開始累積，而T5上的垂直位移為50m，垂直滑動速率應(yīng)約為(1.1±0.1)mm/a。根據(jù)日阿鄉(xiāng)T3/T2階地坎水平位移來計算滑動速率的情況則不一樣，因為該階地坎在河流左側(cè)，該側(cè)的下游階地陡坎被錯入河道而遭受到河流的侵蝕(圖8 c，d)。假設(shè)侵蝕使水平位移完全不保留，那么只有當(dāng)下一級階地形成時，水平位移才開始累積，該階地坎水平位移應(yīng)為T2形成以來累積的。因此，水平滑動速率=T3/T2階地坎位移/T2年齡。該地區(qū)T2年齡為Cal(7 430±570)a BP(聞學(xué)澤等，2003)，水平位錯為80m，水平滑動速率應(yīng)約為(10.8±0.8)mm/a。同樣，根據(jù)T2年齡和T2階地上垂直位錯(8m)可以得到垂直滑動速率約為(1.1±0.1)mm/a。但是，錯阿鄉(xiāng)T3/T2階地坎在河流右側(cè)，卻不能簡單利用這種模式來分析。因為在生康鄉(xiāng)和日阿鄉(xiāng)河流都相對較直，兩岸水動力環(huán)境條件比較相似，而在錯阿鄉(xiāng)河流呈明顯的弧形(圖5)。弧形河流導(dǎo)致對凹岸侵蝕比較嚴重，而在錯阿鄉(xiāng)的T3/T2階地坎正好位于凹岸。利用“將今論古”原則分析該地區(qū)地貌可發(fā)現(xiàn)，在河流右側(cè)T2/T0階地坎幾乎看不出水平位錯，這是由于T1的缺少，導(dǎo)致河流可以對T2/T0階地坎進行侵蝕，因此水平位錯無法保留。那么T3/T2階地坎水平位錯應(yīng)該是在T2形成后才開始累積保留的(圖8 e，f)，因此水平滑動速率=T3/T2階地坎位移/T2年齡。通過14C測年結(jié)果顯示T2年齡為Cal 7 490～8 050 a BP，水平位錯為80m，因此水平滑動速率為(10.3±0.4)mm/a。

另外，在仁果鄉(xiāng)通過組合探槽揭露了1個標志層的水平位移和垂直位移。該標志層上覆層年齡為(970～900)a BP，該標志層水平位移為(7.5±0.5)m，垂直位移為(1±0.2)m，水平滑動速率應(yīng)為(8.0±0.3)mm/a，垂直滑動速率為(1.1±0.1)mm/a。

最后，2個探槽都揭示了多次地震事件(3～4次)，表明(4～5)ka以來這里至少發(fā)生過2～3次地震事件。結(jié)合滑動速率數(shù)據(jù)分析，表明該地區(qū)晚第四紀以來尤其是全新世以來構(gòu)造活動強烈。

5 結(jié)論

(1)生康的水平滑動速率為(7.6±0.5)mm/a，垂直滑動速率為(1.1±0.1)mm/a;仁果的水平滑動速率為(8.0±0.3)mm/a，垂直滑動速率為(1.1±0.1)mm/a;錯阿的水平滑動速率為(10.3±0.4)mm/a;日阿的水平滑動速率為(10.8±0.8)mm/a，垂直滑動速率為(1.1±0.1)mm/a。

(2)探槽揭示該地區(qū)在全新世遭受了多次地震事件，在(4～5)ka以來至少發(fā)生過2～3次地震事件。

(3)該段晚第四紀以來尤其是全新世以來構(gòu)造活動劇烈，運動方式以左旋走滑為主，兼有一定的逆沖分量。