趙其華 鄭秀紅 何文秀 彭社琴

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))/成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059,中國(guó))(②四川省自然資源勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,成都 610051,中國(guó))

0 引 言

北京時(shí)間1933年8月25日15時(shí)50分30秒,四川茂縣北部的疊溪鎮(zhèn)發(fā)生了MS7.5級(jí)大地震,使千年疊溪古鎮(zhèn)完全埋葬于地下,并引發(fā)了滑坡、崩塌、堵江、潰壩等災(zāi)害,造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)于此次地震的震源機(jī)制,一種代表性的觀點(diǎn)認(rèn)為是在近東西向的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下,NW向松坪溝斷層發(fā)生左旋錯(cuò)動(dòng),從而引發(fā)地震(四川省地震局,1983)。

客觀認(rèn)識(shí)地震的發(fā)震構(gòu)造,對(duì)地震趨勢(shì)預(yù)測(cè)以及斷裂沿線工程建設(shè)場(chǎng)地的安全性評(píng)價(jià)極為重要(錢洪等,1999b)。最早,李坪等(1979)結(jié)合震害分布、建筑物傾倒方向及震感特征,提出沿松坪溝存在一條走向NW、以水平錯(cuò)動(dòng)為主的斷層,即疊溪地震的發(fā)震斷層。但由于崩坡積物的掩蓋,作者并未見到斷層露頭。隨后,唐榮昌等(1983)根據(jù)斷層露頭,認(rèn)為松坪溝斷層發(fā)育在墨石寨、松坪鄉(xiāng)、觀音崖一帶,沿松坪溝斷續(xù)分布,斷面產(chǎn)狀松坪鄉(xiāng)以北為N55°W/NE∠65°,以南為N52°W/SW∠80°,為一隱伏逆斷層。這一結(jié)論在《四川省志·地震志》(1998)一書中也有記載。王新民(1986)通過衛(wèi)星圖像解譯并結(jié)合斷層露頭,認(rèn)為松坪鄉(xiāng)至墨石寨存在一條走向NW、傾NE、以壓性為主的逆斷層。黃祖智等(2002)根據(jù)斷層錯(cuò)斷第四紀(jì)湖相沉積物,認(rèn)為松坪溝斷層為全新世活動(dòng)斷裂。

與以上觀點(diǎn)不同,Ren et al.(2018)通過階地位錯(cuò)分析和斷層露頭測(cè)年結(jié)果,認(rèn)為松坪溝斷層為一走向NW、傾SW的正斷層。此外,可能由于地震崩坡積物的掩蓋,部分學(xué)者(Chen et al.,1994; 鄧起東等,1994; 趙小麟等,1994; 錢洪等,1999a,1999b)在對(duì)松坪溝進(jìn)行實(shí)地調(diào)查時(shí),未發(fā)現(xiàn)斷層露頭和地表破裂,否定了松坪溝斷層的存在。

以上研究表明,目前學(xué)者們對(duì)于松坪溝斷層的存在、發(fā)育分布以及活動(dòng)性存在一定分歧。因此,本文通過對(duì)松坪溝中下游(松坪溝溝口至墨石寨)進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查和地球物理探測(cè),證實(shí)了松坪溝斷層的存在; 結(jié)合前人研究成果,對(duì)松坪溝斷層的具體空間展布位置進(jìn)行了厘定; 通過流域地貌參數(shù)分析,探討了松坪溝斷層的活動(dòng)性。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于岷江上游四川省茂縣松坪溝流域,地處青藏高原東緣川西北高原東部、青藏高原與四川盆地的過渡地帶(王蘭生等,2007)。受印支期與燕山期褶皺變形和斷裂構(gòu)造作用,區(qū)內(nèi)發(fā)育由一系列緊密線狀弧形同斜倒轉(zhuǎn)褶皺及相伴生的逆沖斷層組成的較場(chǎng)弧形構(gòu)造帶(四川省地震局,1983)(圖1)。松坪溝位于較場(chǎng)弧形構(gòu)造西翼,主溝長(zhǎng)約40km,地貌上屬于構(gòu)造侵蝕的中高山地貌,河谷形態(tài)呈“V”字型。上游溝谷稍寬,岸坡較緩,兩岸巖性以三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zw)變質(zhì)砂巖夾千枚巖、灰?guī)r、板巖為主; 下游溝谷狹窄,岸坡陡峻,巖性以三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)變質(zhì)砂巖夾千枚巖、板巖為主(圖1)。左岸巖層傾向與坡向一致,易發(fā)生順層滑坡; 右岸巖層傾向與坡向相反,易發(fā)生崩塌。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況圖

研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)強(qiáng)烈,主要表現(xiàn)為地殼間歇性抬升和斷層活動(dòng),受斷層活動(dòng)影響,全新世以來地震活動(dòng)頻繁。其中:震中位于研究區(qū)且5級(jí)以上的地震至少有4次,包括1713年MS7.0疊溪地震(烈度Ⅸ)、1933年MS7.5疊溪地震(烈度Ⅹ)、1934年MS5.5疊溪地震(烈度Ⅶ)、1952年MS5.5疊溪地震(烈度Ⅵ)。對(duì)研究區(qū)影響最大的是1933年疊溪地震。

1933年疊溪地震震中位于疊溪——下木石壩一帶(32°N,103.7°E),最大烈度為Ⅹ。地震震害(滑坡、崩塌、地裂縫和被毀村寨遺址)主要沿溝谷分布,大多數(shù)分布在松坪溝流域,沿松坪溝形成一條寬數(shù)十至數(shù)百米,長(zhǎng)30km的地震形變帶,且形變帶內(nèi)震害規(guī)模和密集程度從南東向北西逐漸減弱(唐榮昌等,1983)(圖1)。

2 松坪溝斷層證據(jù)

2.1 地表調(diào)查

筆者在沿松坪溝中下游(松坪溝溝口至墨石寨)進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查時(shí),發(fā)現(xiàn)了一系列斷裂活動(dòng)的地質(zhì)與地貌證據(jù),包括3處斷層露頭和1處線性地貌(圖2)。

圖2 研究區(qū)遙感影像(來自91衛(wèi)圖)

2.1.1 斷層露頭點(diǎn)D1(32°3′1″N,103°40′E)

該斷層露頭位于金槍巖隧道北出口附近(圖2和圖3)。主斷面產(chǎn)狀N65°W/SW∠72°,破碎帶寬約0.5～1.5m,主要為湖相沉積物質(zhì),呈片狀、角礫狀結(jié)構(gòu)(圖3a)。斷層SW盤為三疊系雜谷腦組(T2z)中-厚層狀變質(zhì)砂巖夾千枚巖,巖層產(chǎn)狀N57°W/SW∠30°; NE盤為淡黃色薄-中層泥質(zhì)夾青灰色粉砂質(zhì)湖相沉積物,呈半成巖狀態(tài),層理近水平向,層厚5～40cm,粉砂質(zhì)夾層厚度約10cm(圖3b),上覆為崩坡積物; 三疊系雜谷腦組變質(zhì)砂巖逆沖于第四系湖相沉積層之上,為一逆斷層。次級(jí)斷面產(chǎn)狀分別為N60°W/SW∠72°、N50°W/NE∠60°,破碎帶寬約20～50cm,可見菱形塊體,結(jié)構(gòu)松弛(圖3b)。

圖3 金槍巖隧道北出口斷層露頭(D1)

另外,在斷層主斷面處還發(fā)育一軸向?yàn)?10°的牽引褶皺(圖3a),結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),其應(yīng)該是在EW向應(yīng)力場(chǎng)作用下,斷層兩盤發(fā)生左旋運(yùn)動(dòng)形成的。由此推斷,該斷層具有左旋走滑兼逆沖性質(zhì)。

2.1.2 斷層露頭點(diǎn)D2(32.106°N,103.62°E)

該斷層露頭位于水磨溝與松坪溝交匯處,水磨溝左岸(圖2)。斷面整體平直,產(chǎn)狀N75°W/SW∠56°,破碎帶可見寬度13.5m,主要由粒徑小于2cm的斷層角礫、巖粉及夾雜其中的構(gòu)造透鏡體(巖塊)組成,局部可見糜棱巖化(圖4)。向主溝方向,由于地震崩坡積物覆蓋,未見破碎帶邊界,推測(cè)該斷層破碎帶可能起始于河谷中部,甚至靠近松坪溝右岸。

圖4 水磨溝溝口斷層露頭(D2)照片

2.1.3 斷層露頭點(diǎn)D3(32.178°N,103.508°E)

該斷層露頭位于墨石寨,松坪溝左支溝溝口處(圖2)。其破碎帶可見寬度約30m(圖5a),主要由片狀構(gòu)造巖組成,局部可見深灰色糜棱巖化條帶(圖5b),片理化、糜棱巖化強(qiáng)烈,局部形成巖粉。坡面上部植被較茂密,下部裸露,且未見完整基巖出露(圖5a),由此推測(cè),該斷層破碎帶實(shí)際寬度大于30m。

圖5 墨石寨斷層露頭(D3)、物探測(cè)線位置及AMT電阻率剖面圖

2.1.4 線性地貌(32.052°N,103.665°E)

通過遙感影像和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,在松坪溝溝口至游客中心對(duì)面可見明顯的線性地貌(圖2和圖6a),全長(zhǎng)1.4km,連貫性較好,整體走向N30°W,海拔2250～2500m,相對(duì)高差250m,高差從南東向北西方向逐漸減小,為斷層活動(dòng)形成的地貌標(biāo)志——斷層崖。斷層崖較為陡峻,坡度70°～85°(圖6b)。

2.2 地球物理探測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證斷層的存在,選用抗干擾能力強(qiáng)的天然場(chǎng)音頻大地電磁法(AMT),沿松坪溝布置了5條物探測(cè)線,從溝口往上游依次為L(zhǎng)1、L2-1、L2-4、L2和L3測(cè)線(圖2)。測(cè)線范圍內(nèi)地層巖性為三疊系新都橋組(T3xd)、侏倭組(T3zw)和雜谷腦組(T2z)變質(zhì)砂巖夾千枚巖、板巖(圖1),其電阻率差異不大。根據(jù)研究區(qū)物性測(cè)試結(jié)果(四川省自然資源勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,2017),較完整巖體與破碎、軟弱或含水巖體之間存在一定的電性差異。斷層構(gòu)造帶一般較為破碎,還可能富含有水,其電阻率較低,在電阻率反演剖面上常表現(xiàn)為電阻率等值線發(fā)生扭曲、突變,呈現(xiàn)低電阻率凹陷等特征。

L1測(cè)線位于松坪溝溝口,物探結(jié)果(圖6c)顯示,沿布線120～400m之間存在垂向低阻區(qū)(ρ<70 Ω·m),并在測(cè)線端點(diǎn)處可見斷層崖,因此,推測(cè)該處存在斷層,斷層傾向SW,傾角約80°。

L2-1測(cè)線位于兩河口,物探結(jié)果(圖7a)顯示,沿布線700～950m之間存在明顯的低阻區(qū)(ρ<156 Ω·m),且向下延伸至最大勘測(cè)深度,推測(cè)該處存在傾向SW,傾角約80°的斷層。值得注意的是,該低阻區(qū)分布于松坪溝右支溝(滾水溝),而主溝一側(cè)并無異常,說明斷層向滾水溝延伸。

圖7 研究區(qū)物探測(cè)線位置及AMT電阻率剖面圖

L2-4測(cè)線位于樺子林附近,物探結(jié)果(圖7b)顯示,沿布線200～450m之間存在明顯的條帶狀低阻區(qū)(ρ<500 Ω·m),且向下延伸至最大勘測(cè)深度,推測(cè)該處存在斷層,斷層傾向NE,傾角約70°。

L2測(cè)線位于松坪鄉(xiāng),物探結(jié)果(圖7c)顯示,沿布線330～570m之間存在等值線向下凹陷的低電阻區(qū)(ρ<300 Ω·m),且向下延伸至最大勘測(cè)深度,推測(cè)該處存在斷層,斷層傾向NE,傾角約70°。

L3測(cè)線位于墨石寨,物探結(jié)果(圖5c)顯示,沿布線800～960m之間存在明顯的條帶狀低阻區(qū)(ρ<160Ω·m),且向下延伸至最大勘測(cè)深度,并在測(cè)線附近發(fā)現(xiàn)了斷層露頭(圖5a、圖5b),推測(cè)該處存在斷層,斷層傾向NE,傾角約55°。

綜上所述,研究區(qū)布置的5條物探剖面上均存在明顯的低阻帶,進(jìn)一步證實(shí)了松坪溝斷層的存在。

3 松坪溝斷層空間發(fā)育位置的確定

對(duì)于松坪溝斷層的空間展布情況,最早唐榮昌等(1983)通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,認(rèn)為其發(fā)育在墨石寨、松坪鄉(xiāng)、觀音崖一帶,整體走向NW,大致沿松坪溝斷續(xù)分布,長(zhǎng)約30km。王新民(1986)通過遙感影像判釋和斷層露頭,認(rèn)為松坪鄉(xiāng)-墨石寨段存在一條走向NW、傾向NE的逆斷層; 而白臘寨-公棚海子段衛(wèi)星圖像上雖線性色帶明顯,但由于該段多被崩坡積掩蓋,未能證實(shí)是否是斷層。

此次調(diào)查中,作者在公棚海子附近發(fā)現(xiàn)了斷層露頭(圖2中D2),進(jìn)一步證實(shí)了白臘寨-公棚海子段(娃兒堡)存在斷層,其走向NW,傾向SW,傾角約56°。同時(shí),作者在墨石寨也發(fā)現(xiàn)了斷層露頭(圖2中D3),結(jié)合該處L3測(cè)線物探結(jié)果(圖5c),斷層傾向NE,傾角約55°,與前人現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致(四川省地震局,1983; 唐榮昌等,1983)。此外,墨石寨下游的L2-4和L2測(cè)線電阻率剖面(圖7a、圖7c)中低阻帶的傾向與L3測(cè)線相同,由此可以推斷,斷層自墨石寨經(jīng)松坪鄉(xiāng)延伸至樺子林附近,整體走向NW,傾向NE,傾角55°～70°。

而L1(圖6c)和L2-1(圖7a)測(cè)線物探結(jié)果顯示的斷層傾向SW,傾角約80°,其與斷層露頭點(diǎn)D1處主斷面產(chǎn)狀基本一致(圖3),并結(jié)合溝口至游客中心對(duì)面的線性地貌(圖6a),證實(shí)了在松坪溝溝口-滾水溝溝口段存在斷層,總體走向NW,傾向SW,傾角70°～80°。

綜上所述,松坪溝斷層整體順?biāo)善簻习l(fā)育,且發(fā)育在三段走向NW的溝谷(墨石寨-樺子林、娃兒堡-白臘寨村和滾水溝溝口-松坪溝溝口)。從地貌上看,這三段溝谷之間由兩段走向近SN的溝段連接(圖2)。若斷層沿整個(gè)松坪溝貫通,則三段走向NW的溝谷之間應(yīng)該表現(xiàn)為比較平順連接,而不會(huì)是大角度的轉(zhuǎn)折; 同時(shí),結(jié)合前人研究成果及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,在近SN向溝段中均未見到斷層跡象,且兩河口處L2-1測(cè)線電阻率剖面中低阻區(qū)偏向支溝滾水溝一側(cè),而在主溝兩河口-白臘寨村之間并無異常。由此證明松坪溝斷層未沿SN向溝谷貫通,而是呈三段斜列式展布(圖8):墨石寨-樺子林段(傾向NE,傾角約55°～70°,長(zhǎng)約8.5km,為NW段)、娃兒堡-白臘寨村段(傾向SW,傾角約56°,長(zhǎng)約5.5km,為中間段)和滾水溝溝口-松坪溝溝口(段傾向SW,傾角約70°～80°,長(zhǎng)約4km,為SE段)。

圖8 研究區(qū)水系分布圖

值得注意的是,限于調(diào)查范圍,本文只針對(duì)松坪溝斷層在松坪溝溝口至墨石寨段的發(fā)育情況進(jìn)行分析,而斷層的發(fā)育范圍可能不止于此。

4 松坪溝斷層的活動(dòng)性分析

已有研究表明,松坪溝斷層為一以左旋水平錯(cuò)動(dòng)為主的逆斷層(王新民等,1933; 李坪等,1979; 四川省地震局,1983; 唐榮昌等,1983)。斷層露頭點(diǎn)D1處,三疊系雜谷腦組變質(zhì)砂巖逆沖于第四系湖相沉積層之上(圖3a),以及主斷面處的牽引構(gòu)造(圖3a),進(jìn)一步證實(shí)了松坪溝斷層為一左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主、兼逆沖性質(zhì)的斷層。同時(shí),據(jù)王蘭生等(2005)研究,該研究區(qū)湖相沉積物形成時(shí)間距今約兩萬年,松坪溝斷層切穿該地層,表明其在湖相沉積物形成之后有過活動(dòng),即松坪溝斷層在距今兩萬年以來有過活動(dòng)。

此外,由于水系對(duì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)極為敏感(唐然等,2021),因此,本文結(jié)合松坪溝流域ASTER GDEM數(shù)據(jù)(30m精度),利用ArcGIS 10.2軟件,提取了谷底寬度與谷肩高度之比(VF)、面積高程積分值(HI)和河長(zhǎng)坡降指數(shù)(SL)等地貌參數(shù),并對(duì)其進(jìn)行定量分析。初步探討了松坪溝斷層的活動(dòng)強(qiáng)度。

4.1 谷底寬度與谷肩高度之比(VF)

谷底寬度與谷肩高度之比是Bull et al.(1977)提出的描述河谷形態(tài)的地貌學(xué)指標(biāo),用來表征構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)弱。V型河谷(VF<1)反映構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,而U型谷(VF>1)則表明構(gòu)造較為穩(wěn)定。作者在研究區(qū)10個(gè)支流的出山口上游1.5km處和干流中下游段,共選取15個(gè)典型剖面,并計(jì)算其VF值(剖面位置及其VF值見圖8)。計(jì)算得出VF值為0.12～0.3,說明研究區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,河谷形態(tài)以V型為主。

4.2 面積高程積分(HI)

面積高程積分是Strahler(1952)提出的定量描述流域內(nèi)高程的分布,表征未被侵蝕部分體積的參數(shù),可反映區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)差異(蔣鈺峰等,2019)?？紤]到研究區(qū)流域數(shù)目較少,本文選用積分曲線法。利用測(cè)高法工具(Hypsometry Tools)在ArcGIS中提取研究區(qū)10個(gè)子流域的面積高程積分曲線(圖9),并求出相應(yīng)的HI值(流域范圍及其HI值見圖8)。

圖9 研究區(qū)各支流面積-高程積分曲線

計(jì)算結(jié)果顯示,研究區(qū)HI值為0.49～0.63,依據(jù)W.D.Davis地貌侵蝕旋回理論(Pike et al.,1971),在地貌發(fā)育上處于幼年期晚期(HI>0.6)和壯年期(0.35

4.3 河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)

河長(zhǎng)坡降指標(biāo)是Hack(1973)提出的定量描述河流縱剖面坡度變化的參數(shù),可近似由河流縱剖面局部段的坡度與離河流源頭的距離的乘積來計(jì)算。常用于探討中-小時(shí)空尺度的構(gòu)造強(qiáng)度和巖性差異等問題(趙洪壯等,2010)。本文基于DEM高程數(shù)據(jù),提取出松坪溝干流的河流縱剖面,以500m作為一個(gè)河段,計(jì)算各河段的SL值,并利用均衡坡降指標(biāo)K值對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化,得到標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL/K)(圖10)。

圖10 松坪溝河流Hack剖面曲線與標(biāo)準(zhǔn)化坡降指標(biāo)

圖10顯示,研究區(qū)Hack剖面整體呈“上凸”形,在松坪溝下游(樺子林至溝口段)曲線急劇下降,SL/K值出現(xiàn)異常高峰值,特別是在與斷層大角度相交的近南北向河段(樺子林-娃兒堡和白臘寨村-兩河口)尤為明顯?？紤]到研究區(qū)巖性變化不大(圖1),且樺子林-娃兒堡河段與白臘寨村-兩河口河段支流不多(圖8),河流在流經(jīng)與斷層走向一致的北西向河谷區(qū)時(shí),SL/K值又相應(yīng)減小,由此可以斷定河長(zhǎng)坡降指標(biāo)的變化是構(gòu)造活動(dòng)引起,且進(jìn)一步證明了松坪溝斷層在南北向溝段并未貫通。同時(shí),也反映出松坪溝斷層在下游(娃兒堡-白臘寨村和滾水溝溝口-松坪溝溝口)的活動(dòng)較上游(墨石寨-樺子林)強(qiáng)烈,這與1933年疊溪地震震害向松坪溝上游逐漸減弱有很好的一致性(圖1)。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)松坪溝中下游(松坪溝溝口至墨石寨)進(jìn)行詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查和地球物理探測(cè),證實(shí)了松坪溝斷層的存在,并結(jié)合前人研究成果,對(duì)其具體空間展布位置進(jìn)行了厘定,最后利用地貌參數(shù)對(duì)斷層的活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了初步分析。所得結(jié)論如下:

(1)松坪溝斷層整體走向NW,沿松坪溝呈三段斜列式展布:墨石寨-樺子林段(傾向NE,傾角約55°～70°,長(zhǎng)約8.5km,為NW段)、娃兒堡-白臘寨村段(傾向SW,傾角約56°,長(zhǎng)約5.5km,為中間段)和滾水溝溝口-松坪溝溝口(段傾向SW,傾角約70°～80°,長(zhǎng)約4km,為SE段)。

(2)結(jié)合前人研究成果及本次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,進(jìn)一步證明了松坪溝斷層為一左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主、兼逆沖性質(zhì)的斷層,且斷層在距今兩萬年以來有過活動(dòng),為全新世活動(dòng)斷裂。

(3)地貌分析結(jié)果表明,研究區(qū)地貌發(fā)育上處于幼年期晚期和壯年期; 構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,河谷形態(tài)以V型為主; 松坪溝上下游構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度存在明顯差異,斷層中間段和SE段的活動(dòng)性較NW段強(qiáng)烈。

致 謝本次研究中,四川省自然資源勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司提供了物理探測(cè)資料; 孫文卿博士、滿僑僑、鄧慶、王旭、徐煜等碩士參與了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作; 在此表示衷心感謝!