• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

嘉黎断裂带活动性研究进展

李鸿儒 白玲 詹慧丽

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嘉黎断裂带活动性研究进展

    作者简介: 李鸿儒(1993-),博士研究生,主要从事青藏高原地震活动性及构造地质学的研究. E-mail:lihongru@itpcas.ac.cn.
    通讯作者: 白玲, bailing@itpcas.ac.cn
  • 中图分类号: P311

Research progress of Jiali fault activity

    Corresponding author: Bai Ling, bailing@itpcas.ac.cn ;
  • CLC number: P311

  • 摘要: 嘉黎断裂是一条横贯青藏高原东南部的大型走滑断裂,在印度和欧亚板块碰撞前后通过调整应力平衡发挥着重要作用. 本文根据前人对嘉黎断裂的研究成果,从地质学和地球物理学的角度,系统地总结分析嘉黎断裂带构造背景、壳幔结构、晚第四纪和现今的活动性质和速率. 基于地质学方法,搜集前人在测年方面的研究结果,限定断裂的活动年限以及活动速率. 同时在东段的北侧分支嘎龙寺附近,采用光释光测年法增加两个测年点,完善活动速度资料,并对断裂自西向东不同部位的走滑速率和错动断距进行对比分析. 基于地球物理学观测资料,分析地震活动性和壳幔物质的速度结构、各向异性等参数,利用波形拟合方法,新增18个3~5级地震的震源机制解. 结果表明,嘉黎断裂现今的构造变形主要表现为右旋走滑运动,但是在不同的分段具有显著的差异性,新生的西兴拉—达木分支是地震最活跃的区域. 在此基础上,探讨青藏高原的构造演化过程,分析东构造结地区构造运动的稳定性,为川藏铁路雅安—林芝段工程建设地质灾害风险评估提供必要参考资料.
  • 图 1  青藏高原东南缘地区构造地质图与嘉黎断裂的位置. 黑色曲线表示嘉黎断裂,Ⅰ:西段分支;Ⅱ:中段分支;Ⅲ:东段分支. 东段自北向南分为三个分支:Ⅲ-1:北部分支;Ⅲ-2:中部分支;Ⅲ-3:南部分支(修改自郑来林等, 2004

    Figure 1.  Tectonic geological map of the southeastern Tibetan Plateau and the location of the Jiali fault. Black curves are the Jiali fault. Ⅰ: western branch; Ⅱ: central branch; Ⅲ: eastern branch. The eastern branch is further divided into three segments from north to south: Ⅲ-1: northern segment; Ⅲ-2: middle segment; Ⅲ-3: southern segment (modified from Zheng et al., 2004)

    图 2  嘉黎断裂带不同段断裂性质以及第四纪沉积物的年龄分布. OSL表示光释光测年结果,TL表示热释光测年结果,背景图为地表地形起伏(修改自Amante and Eakins, 2009

    Figure 2.  Fault properties and age distribution of Quaternary sediment in different sections of the Jiali fault. OSL represents the results of photoluminescence and TL represents the results of thermoluminescence dating. The background is the topography of the Earth's surface (modified from Amante and Eakins, 2009)

    图 3  嘉黎断裂野外特征. (a)断裂导致易贡藏布形成的回头弯;(b)嘉黎断裂中支贡日嘎布曲形成的垭口地貌;(c)嘉黎断裂北支帕隆藏布;(d)北支帕隆藏布分支嘎龙寺附近垭口地貌;(e)嘉黎断裂错断嘎龙寺平面图;(f)嘉黎断裂南东段错断终碛垄

    Figure 3.  Field characteristics of Jiali fault. (a) the turning back curve caused by the fault; (b) the geomorphology of the pass formed by Gongri-gapu Qu of the central branch of the Jiali fault; (c) the Palongzangbu in the northern branch of the Jiali fault; (d) the geomorphology near Galong Temple of the northern Palongzangbu branch; (e) the map view of Galong Temple broken by the Jiali fault; (f) the terminal moraine broken by the southeastern segment of the Jiali fault

    图 4  东构造结地震活动性. 灰色小圆圈表示1970年以来发生的4.5级以上地震,红色大圆圈表示1900年以来发生的6.0级以上地震(USGS 地震目录:https://earthquake.usgs.gov/). 黑色震源机制解来源于gCMT地震目录(Ekstrom et al., 2012; https://www.globalcmt.org/),橙色震源机制解为本研究获得的结果,黑色虚线表示地震分布揭示的新兴的西兴拉—达木断层分支

    Figure 4.  Seismicity in the eastern Himalayan syntaxis. Small gray circles are earthquakes of M≥4.5 since 1970, large red circles are earthquakes of M≥6.0 since 1900 (USGS catalog: https://earthquake.usgs.gov/). The black focal mechanism solutions come from gCMT earthquake catalogue (Ekstrom et al., 2012; https://www.globalcmt.org/), and the orange focal mechanism solutions are the results obtained in this study. Black dotted line shows that new Xixingla-Damu fault branch estimated from the earthquake distribution

    图 5  嘉黎断裂走滑速率、错动断距与断层位置

    Figure 5.  Strike-slip rate, dislocated distance and its location of the Jiali fault

    表 1  嘉黎断裂第四纪测年结果

    Table 1.  Quaternary dating results of the Jiali fault

    序号地理位置样品物质测年方法年龄/ka来源
    1    嘎龙寺冰碛垄   冰碛物光释光29.74±2.54    本文
    2    嘎龙寺冰碛垄   冰碛物光释光28.96±2.60    本文
    3    通麦阶地   河流沉积物光释光11.06±0.94    宋键等,2013
    4    嘉黎城南   冰水堆积物光释光22.0±1.8    宋键等,2013
    5    那曲罗尔玛弄沟   河流阶地热释光34.7±2.71    任金卫等,2000
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    表 2  东构造结地区发生的18个3~5级地震震源机制解

    Table 2.  Focal mechanisms of 18 earthquakes with magnitudes of 3~5 occurred at the eastern Himalayan syntaxis

    序号发震日期年-月-日 时:分:秒经度/N°纬度/E°深度/km震级(MW)节面1走向/倾向/滑动角/(°)节面2走向/倾向/滑动角/(°)来源
    12010-07-28 00:38:52.6894.8630.2543.85 150/53/−90 330/37/−90本文
    22011-04-12 20:03:06.8096.9229.9563.97 21/25/−116 229/67/−78本文
    32012-08-07 08:17:54.7494.8930.33123.96 7/45/150 119/69/49本文
    42013-08-12 06:30:11.3197.9430.0864.11 100/56/−38 213/59/93本文
    52013-08-12 16:09:35.4997.9730.1064.93 200/72/−152 100/63/−20本文
    62013-11-13 04:41:32.4697.2029.98103.88 280/56/23 176/71/143本文
    72015-07-18 13:41:23.4594.8430.3254.20 340/39/−76 142/52/−101本文
    82015-07-23 06:00:32.8094.8630.3653.98 287/38/−91 108/52/−89本文
    92015-07-28 17:40:45.9494.8930.4154.48 334/41/−86 148/49/−93本文
    102015-07-31 11:18:14.4894.8530.3244.09 140/39/86 325/51/93本文
    112015-08-02 13:57:59.7094.8930.3644.18 285/37/−94 110/53/−86本文
    122015-08-06 20:34:01.6094.8930.3343.95 330/35/111 124/57/75本文
    132015-08-12 03:13:07.6194.8730.3754.16 330/39/−86 144/51/−93本文
    142015-08-13 10:00.25.4594.9130.3443.98 330/41/−81 138/49/−97本文
    152015-10-03 13:26:13.4098.3730.9554.14 209/59/−146 99/61/−35本文
    162015-10-27 02:11:23.5297.9830.1194.54 285/51/−50 51/53/−128本文
    172016-03-15 12:28:21.7598.0029.7444.25 66/26/−101 258/64/−84本文
    182016-03-21 00:54:10.4293.1729.8464.33 30/39/−85 203/51/−94本文
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-10
  • 网络出版日期:  2020-11-17
  • 刊出日期:  2021-03-01

嘉黎断裂带活动性研究进展

    通讯作者: 白玲, bailing@itpcas.ac.cn
    作者简介: 李鸿儒(1993-),博士研究生,主要从事青藏高原地震活动性及构造地质学的研究. E-mail:lihongru@itpcas.ac.cn

摘要: 嘉黎断裂是一条横贯青藏高原东南部的大型走滑断裂,在印度和欧亚板块碰撞前后通过调整应力平衡发挥着重要作用. 本文根据前人对嘉黎断裂的研究成果,从地质学和地球物理学的角度,系统地总结分析嘉黎断裂带构造背景、壳幔结构、晚第四纪和现今的活动性质和速率. 基于地质学方法,搜集前人在测年方面的研究结果,限定断裂的活动年限以及活动速率. 同时在东段的北侧分支嘎龙寺附近,采用光释光测年法增加两个测年点,完善活动速度资料,并对断裂自西向东不同部位的走滑速率和错动断距进行对比分析. 基于地球物理学观测资料,分析地震活动性和壳幔物质的速度结构、各向异性等参数,利用波形拟合方法,新增18个3~5级地震的震源机制解. 结果表明,嘉黎断裂现今的构造变形主要表现为右旋走滑运动,但是在不同的分段具有显著的差异性,新生的西兴拉—达木分支是地震最活跃的区域. 在此基础上,探讨青藏高原的构造演化过程,分析东构造结地区构造运动的稳定性,为川藏铁路雅安—林芝段工程建设地质灾害风险评估提供必要参考资料.

English Abstract

    • 印度板块向欧亚板块的长期挤压与俯冲碰撞导致了青藏高原的大规模抬升和南北向缩短变形,由此产生了世界上海拔最高的喜马拉雅造山带和高原内部诸多的活动断裂(Yin and Harrison, 2000). 位于青藏高原东南部的嘉黎断裂是由块体挤出形成的大型走滑断裂,是青藏高原向东南方向侧向逃逸的南边界,其形成过程对青藏高原的构造变形具有重要的约束和响应作用(曾融生, 1992; Ding et al., 2001; 郑来林等, 2004)(图1). 嘉黎断裂活动性研究对系统和深入地了解青藏高原的区域活动构造、陆陆碰撞造山带的形成与演化过程,以及川藏铁路等重大工程建设的安全性评估具有重要意义(Haproff et al., 2020; 彭建兵等, 2020).

      图  1  青藏高原东南缘地区构造地质图与嘉黎断裂的位置. 黑色曲线表示嘉黎断裂,Ⅰ:西段分支;Ⅱ:中段分支;Ⅲ:东段分支. 东段自北向南分为三个分支:Ⅲ-1:北部分支;Ⅲ-2:中部分支;Ⅲ-3:南部分支(修改自郑来林等, 2004

      Figure 1.  Tectonic geological map of the southeastern Tibetan Plateau and the location of the Jiali fault. Black curves are the Jiali fault. Ⅰ: western branch; Ⅱ: central branch; Ⅲ: eastern branch. The eastern branch is further divided into three segments from north to south: Ⅲ-1: northern segment; Ⅲ-2: middle segment; Ⅲ-3: southern segment (modified from Zheng et al., 2004)

      从分布范围来看,嘉黎断裂西起那曲,向南东方向经过嘉黎、波密,穿过察隅后转为近南北向,与缅甸境内的石阶断裂相连,是一条走向约N60°W,长约600 km、宽约3~7 km的以右旋走滑为主的断裂带. 根据空间展布及活动性的差异,可以将嘉黎断裂分为三段:北西段从那曲南东的克马尼亚至嘉黎地区;中段从嘉黎至易贡、通麦地区;南东段从易贡、通麦至察隅地区. 其中南东段在易贡至通麦之间在南北方向上分成三个分支:北部为帕隆藏布分支,中部为贡日嘎布曲分支,南部为西兴拉分支(图1)(任金卫等,2000丁林和来庆洲,2003宋键等,2013王晓楠等,2018).

      本文以嘉黎断裂活动性为研究目标,从野外勘查、年代学分析、地震活动、地壳结构等角度,对嘉黎断裂带的构造背景、地下结构、第四纪和现在活动速率等方面的研究进展进行综述. 为了进一步提高对嘉黎断裂活动速率和几何形态的约束能力,采用光释光(OSL)测年法在断裂东段的北侧分支嘎龙寺附近增加两个测年点,利用地震波形拟合的方法在研究区新增18个3~5级地震的震源机制解,在此基础上对断裂西段、中断、东段的不同分段和东段南北方向三个分支的活动特征进行对比分析,探讨嘉黎断裂活动所揭示的高原隆升构造演化过程,为川藏铁路等工程建设规划的地质灾害风险评估提供基础的参考资料.

    • 青藏高原是世界上海拔最高的高原,从北到南由昆仑地块、松潘甘孜地块、羌塘地块、拉萨地块、喜马拉雅造山带5个不同的块体依次拼贴而成(Bai et al., 2017). 嘉黎断裂整体位于拉萨地块的东南部,地处三大山脉(即喜马拉雅山脉、念青唐古拉山脉与横断山脉)的交汇处,其形成和演化主要受控于新特提斯洋及其南北大陆演化和拼接,经历了多期次的重大地质事件,包括新特提斯洋的闭合,以及印度板块与欧亚板块的碰撞挤压、逆冲、叠覆、伸展、走滑等复杂的运动过程(钟大赉,1998张进江等,2003; 王国灿等,2011),是整个喜马拉雅造山带上地壳挤压缩短和旋转变形最强烈的部位,由此造就了嘉黎断裂的复杂性(张进江等,2003张培震等,2003; 许志琴等,2008).

      嘉黎断裂不同地质时期表现出不同的活动性. 地质剖面和区域构造解析研究结果表明,嘉黎断裂的演化可分为正断、逆冲和走滑三期活动(胡波等,2011),在晚三叠世—侏罗纪时期,班公湖—怒江洋盆南侧由弧后扩张形成那曲边缘海盆,进而发生裂解,这一时期嘉黎断裂带的性质应为南北走向的正断层,决定了盆地的主要沉积特征. 在晚侏罗世—早白垩世时期,随着盆地的消亡而出现了一系列南北走向的逆冲断层. 从中新世到第四纪,嘉黎断裂主要表现为伸展和右旋走滑构造,其中在渐新世—中新世时期存在左旋的野外露头标志,结合显微构造,推测在局部地区发生了左旋和右旋的倒转(Zhang et al., 2020). 由于印度板块向欧亚板块长期的挤压碰撞,引起构造块体的不规则形变,进而导致青藏高原发生大规模隆升(Chung et al., 2007).

    • 在东喜马拉雅构造结地区,以雅鲁藏布江缝合带为界可以将该区域分为南北两部分:北部为拉萨地体,南部为南迦巴瓦变质体,嘉黎断裂带位于拉萨地体东南部,断裂中段位于南迦巴瓦变质体北缘(丁林和钟大赉,2013). 南迦巴瓦变质体内部MOHO面较浅,约为53 km,相比而言,拉萨地体MOHO面深度普遍在60 km以上,地壳厚度在嘉黎断裂两侧具有自南西向北东逐渐变深的趋势(Xu et al., 2013; 程成等, 2017; Wang et al., 2019). 同时,嘉黎断裂带也处于泊松比变化梯度较大的地区,北部的泊松比明显高于南部,表明嘉黎断裂两侧在地壳流体、裂隙分布、地壳部分熔融、岩石性质等方面存在明显差异(程成等,2017).

      地震波层析成像研究结果表明,嘉黎断裂北侧在地壳20~40 km深度范围内存在明显的低速层,厚度为5~15 km(Ren and Shen, 2008; Fu et al., 2010). 大地电磁探测研究进一步显示,该地区上地壳表现出高速高阻的特征,中下地壳则具有明显的低速低阻的特点,推测可能与高压麻粒岩的部分熔融有关(彭淼等, 2012; Dong et al., 2016). 相比而言,在靠近嘉黎断裂带南面的台站没有观测到低速层的存在,嘉黎断裂带北东和南西两侧的中下地壳结构存在较大差异. 此外,嘉黎断裂带地壳结构在走向方向也具有显著的变化,中西段地壳20~40 km深度具有显著低速层,而南东段壳内低速层不明显(Bao et al., 2020),表明在嘉黎断裂带附近低速层可能出现了间断(姜枚等,2012).

      从地壳和上地幔各向异性研究结果来看,嘉黎断裂带北部地区的快波方向绕构造结顺时针旋转,呈现环形变化的特征(Sol et al., 2007; 崔仲雄等, 2009);与由GPS地表形变观测得到的运动速度场运动趋势相一致(Gan et al., 2007). 在嘉黎断裂带附近,快波方向主要为近NW-SE走向,沿着嘉黎断裂带的走向分布;在南迦巴瓦构造体内部,快波方向主要为近NE-SW走向,与印度板块的相对运动方向和地表断层方向基本一致(常利军等,2015王凯悦等,2020). 这些研究结果表明,该地区的地表变形特征和上地幔基本一致,岩石圈表现为垂直连贯的变形模式(Wang et al., 2019),揭示了该地区的构造背景主要是印度板块沿北东方向向青藏高原下方的俯冲碰撞,以及沿近东方向深俯冲到缅甸板块底部.

    • 嘉黎断裂带西段的范围包括从那曲到嘉黎县,表现为断层崖、水系错动和不对称台地等地貌现象. 在那曲地区罗尔玛弄沟沟口附近,断层右旋错断河流阶地,最大位移量达550 m,阶地沉积物的热释光(TL)测年年龄约34.7±2.71 ka(图2表1),计算得到右旋走滑速率为15 mm/a(任金卫等,2000). 在捉弄孔玛至捉弄容玛处可见断裂走滑作用形成的断头沟和鼓丘,水平位移约5 km,该位移量主要由第四纪以来形成,推断第四纪以来的平均走滑速率约为4 mm/a(邵翠茹,2009),在嘉黎城南发育高3 m的冰水堆积物,逆冲错断厚度约1.5 m的冰水湖相沉积物,错断距离约5 cm(宋键等,2013),光释光测年结果为22.0±1.8 ka(图2表1). 那曲地区罗尔玛弄沟附近的走滑速率最快,达到15 mm/a,该地区处于张性盆地边缘,表现出较强的活动性,滑动速率远远大于周边地区.

      表 1  嘉黎断裂第四纪测年结果

      Table 1.  Quaternary dating results of the Jiali fault

      序号地理位置样品物质测年方法年龄/ka来源
      1    嘎龙寺冰碛垄   冰碛物光释光29.74±2.54    本文
      2    嘎龙寺冰碛垄   冰碛物光释光28.96±2.60    本文
      3    通麦阶地   河流沉积物光释光11.06±0.94    宋键等,2013
      4    嘉黎城南   冰水堆积物光释光22.0±1.8    宋键等,2013
      5    那曲罗尔玛弄沟   河流阶地热释光34.7±2.71    任金卫等,2000

      图  2  嘉黎断裂带不同段断裂性质以及第四纪沉积物的年龄分布. OSL表示光释光测年结果,TL表示热释光测年结果,背景图为地表地形起伏(修改自Amante and Eakins, 2009

      Figure 2.  Fault properties and age distribution of Quaternary sediment in different sections of the Jiali fault. OSL represents the results of photoluminescence and TL represents the results of thermoluminescence dating. The background is the topography of the Earth's surface (modified from Amante and Eakins, 2009)

      嘉黎断裂带中段的范围包括嘉黎至易贡、通麦地区,地貌上表现为一系列地势相对较低而且平坦的垭口,分布在易贡藏布河谷半坡上,卫星影像上可以清楚地看到1~2 km宽的断层破碎带,延伸近百公里. 断裂沿易贡藏布河谷两岸陡峭的山腰处通过,且由新老两条断裂平行展布组成. 沿着易贡藏布两岸,可见糜棱岩发育,这些糜棱岩主要发育在断裂破碎带中,断裂没有明显错断河流两侧的第四纪沉积物,没有发现大规模的变形现象,最新的断裂活动迹象在易贡藏布河谷的具体位置也比较难确定,表明嘉黎断裂中段在第四纪时期的活动性并不显著.

      嘉黎断裂南东段的范围从易贡、通麦附近至察隅地区,并在易贡—通麦附近自北向南分为三个分支. 北支帕隆藏布分支从通麦—易贡公路约2 km处可见到断裂错段易贡藏布,河流流向从北西西转变成向南南西方向汇入帕隆藏布,形成约90°的拐弯(图3a),但断层两侧的第四纪沉积物受到断裂的影响较小. 中支贡日嘎布曲分支沿着易贡藏布往东南方向延伸,经过通麦天险,由多条断裂组成且活动性强于北支,在通麦附近发育断裂走滑作用形成的垭口地貌(图3b),两侧可见断层破碎带,破碎带中片麻岩发育的劈理面和断层倾向一致. 南侧的通麦河流砂砾层阶地受到该断裂的影响,对阶地沉积物进行光释光测年获得的年龄为11.06±0.94 ka(图2表1),表明南东段的中支在全新世时期仍在活动. 南支为西兴拉断裂,是地震发生最频繁的分支,2017年MS 6.9米林地震及其余震即发生在这里(白玲等, 2017; Peng et al., 2018),但是其南东方向受到自然条件的限制,地质资料较少.

      图  3  嘉黎断裂野外特征. (a)断裂导致易贡藏布形成的回头弯;(b)嘉黎断裂中支贡日嘎布曲形成的垭口地貌;(c)嘉黎断裂北支帕隆藏布;(d)北支帕隆藏布分支嘎龙寺附近垭口地貌;(e)嘉黎断裂错断嘎龙寺平面图;(f)嘉黎断裂南东段错断终碛垄

      Figure 3.  Field characteristics of Jiali fault. (a) the turning back curve caused by the fault; (b) the geomorphology of the pass formed by Gongri-gapu Qu of the central branch of the Jiali fault; (c) the Palongzangbu in the northern branch of the Jiali fault; (d) the geomorphology near Galong Temple of the northern Palongzangbu branch; (e) the map view of Galong Temple broken by the Jiali fault; (f) the terminal moraine broken by the southeastern segment of the Jiali fault

      本文在搜集前人的测年相关研究成果的基础上,新增了嘉黎断裂帕隆藏布分支嘎隆寺冰碛垄处的两个测年点,进一步完善测年资料,用以限定断裂的活动年限以及活动速率. 嘎龙寺为一个小型的构造盆地,嘉黎断裂从嘎龙寺西侧通过(图3d). 断层的主断裂面位于盆地的西端,由上伏寒武系大理岩和变质砂岩与下伏元古界片麻岩组成,断裂通过处岩体遭受强烈构造变动形成断层破碎带,破碎带内冰川发育,可见规模较大的终碛垄和侧碛垄发育(图3df),强烈的冻融作用使得岩体更为破碎. 东侧冰川活动形成大小不一的终碛堤和侧碛垄,冰碛年代从侧碛到终碛垄逐渐变新,在冰舌前缘可见最新一期冰退形成的终碛垄,其中外侧四条冰碛垄被断裂错动,年代最新的终碛垄被左旋的嘉黎断裂错动,最大位移达2.5 m(图3ef). 我们选取被断裂错动的第一、二侧碛垄边缘(图3e)取样进行光释光测年,得到年龄为28.96±2.60~29.74±2.54 ka(图1表1),根据冰碛垄的年代顺序,可以推断断层至少在晚更新世时期仍在活动.

    • 据中国地震台网记载,东构造结地区1970~2020年期间共发生3级以上地震2 270次,4.5级以上地震272次(杨建亚等, 2017),其中5级以上地震沿着主要断裂呈线性展布(尹凤玲等,2020). 上世纪以来发生的较大地震包括1950年8月15日西藏察隅MS8.6地震(Ben-Menahem et al., 1974; 李保昆等, 2015; Coudurier-Curveur et al., 2020)、1947年7月29日西藏朗县东南MS7.7地震、2017年11月17日米林MS6.9地震(白玲等, 2017; Penget al., 2018; Xiong et al., 2019; 叶进等, 2020)、2019年4月24日墨脱MS6.3地震等(李国辉等,2020). 在嘉黎断裂上,地震主要集中在雅鲁藏布江大拐弯顶端,也就是东部的南侧分支西兴拉断裂附近. Zeitler等对2017年米林地震之前的中小地震活动进行了分析,拾取了164次地震,这些地震主要分布在西兴拉断裂的西北段(Zeitler et al., 2014). 在嘉黎断裂南部,地震主要发生在雅鲁藏布江大拐弯东部,大峡谷西部及南迦巴瓦变质体内部地震不发育.

      从最近50年较大地震的震源机制解来看,围绕南迦巴瓦地区地震活动比较复杂,具有走滑、逆冲、正断等多种类型的震源机制解,断层面倾角近垂直. 逆冲型地震主要分布在南迦巴瓦构造结顶端以及桑构造结顶部的主中央断裂附近地区(Bai et al., 2017)(图4). 王晓楠等(2018)对嘉黎断裂带两侧 10 km 范围内的 14 个地震的震源机制解进行了计算,结果表明,其中有走滑型地震10个、逆冲型和正断层型地震4个,表明嘉黎断裂以右旋走滑型为主,兼有左旋走滑和逆冲型成分.

      图  4  东构造结地震活动性. 灰色小圆圈表示1970年以来发生的4.5级以上地震,红色大圆圈表示1900年以来发生的6.0级以上地震(USGS 地震目录:https://earthquake.usgs.gov/). 黑色震源机制解来源于gCMT地震目录(Ekstrom et al., 2012; https://www.globalcmt.org/),橙色震源机制解为本研究获得的结果,黑色虚线表示地震分布揭示的新兴的西兴拉—达木断层分支

      Figure 4.  Seismicity in the eastern Himalayan syntaxis. Small gray circles are earthquakes of M≥4.5 since 1970, large red circles are earthquakes of M≥6.0 since 1900 (USGS catalog: https://earthquake.usgs.gov/). The black focal mechanism solutions come from gCMT earthquake catalogue (Ekstrom et al., 2012; https://www.globalcmt.org/), and the orange focal mechanism solutions are the results obtained in this study. Black dotted line shows that new Xixingla-Damu fault branch estimated from the earthquake distribution

      断裂在不同的构造位置活动性具有明显差异性,GPS形变观测揭示了嘉黎断裂现今的运动情况. 嘉黎断裂北西段主要是右旋挤压运动,走滑速率和挤压速率分别达5.7 mm/a和4.6 mm/a;嘉黎断裂中段表现出右旋挤压运动,走滑速率和挤压速率分别达1.3 mm/a和2.9 mm/a;嘉黎断裂南东段北侧分支表现为左旋挤压运动,走滑速率和挤压速率分别达3.8 mm/a和5.1 mm/a,中部和南部分支表现为右旋挤压运动(唐方头等,2010).

      为了对研究区域的断层面几何形态进行深入研究,我们利用Cut And Paste (CAP)(Zhao and Helmberger, 1994; Zhu and Helmberger, 1996; Zhu and Ben-Zion, 2013)方法,基于中国地震台网数据备份中心提供的宽频带地震波形资料(Zheng et al., 2010),采用Crust1.0和基于区域地震台站获得的速度模型(Laske et al., 2013; 程成等, 2017),对近震及区域尺度波形进行拟合,新增了18个3~5级较小地震的震源机制解(表2图4). 在计算过程中,把宽频带数字波形记录分为体波部分和面波部分,分别计算它们的理论地震图和实际观测波形的目标误差函数,在给定参数空间中进行网格搜索,同时反演震源机制解和震源深度. 结果表明,在东构造结北部震源机制较为复杂,同时具有正断和逆冲性质,而在嘉黎断裂东北方向,地震的震源机制解以走滑性质为主,震源深度位于地表以下0~15 km.

      表 2  东构造结地区发生的18个3~5级地震震源机制解

      Table 2.  Focal mechanisms of 18 earthquakes with magnitudes of 3~5 occurred at the eastern Himalayan syntaxis

      序号发震日期年-月-日 时:分:秒经度/N°纬度/E°深度/km震级(MW)节面1走向/倾向/滑动角/(°)节面2走向/倾向/滑动角/(°)来源
      12010-07-28 00:38:52.6894.8630.2543.85 150/53/−90 330/37/−90本文
      22011-04-12 20:03:06.8096.9229.9563.97 21/25/−116 229/67/−78本文
      32012-08-07 08:17:54.7494.8930.33123.96 7/45/150 119/69/49本文
      42013-08-12 06:30:11.3197.9430.0864.11 100/56/−38 213/59/93本文
      52013-08-12 16:09:35.4997.9730.1064.93 200/72/−152 100/63/−20本文
      62013-11-13 04:41:32.4697.2029.98103.88 280/56/23 176/71/143本文
      72015-07-18 13:41:23.4594.8430.3254.20 340/39/−76 142/52/−101本文
      82015-07-23 06:00:32.8094.8630.3653.98 287/38/−91 108/52/−89本文
      92015-07-28 17:40:45.9494.8930.4154.48 334/41/−86 148/49/−93本文
      102015-07-31 11:18:14.4894.8530.3244.09 140/39/86 325/51/93本文
      112015-08-02 13:57:59.7094.8930.3644.18 285/37/−94 110/53/−86本文
      122015-08-06 20:34:01.6094.8930.3343.95 330/35/111 124/57/75本文
      132015-08-12 03:13:07.6194.8730.3754.16 330/39/−86 144/51/−93本文
      142015-08-13 10:00.25.4594.9130.3443.98 330/41/−81 138/49/−97本文
      152015-10-03 13:26:13.4098.3730.9554.14 209/59/−146 99/61/−35本文
      162015-10-27 02:11:23.5297.9830.1194.54 285/51/−50 51/53/−128本文
      172016-03-15 12:28:21.7598.0029.7444.25 66/26/−101 258/64/−84本文
      182016-03-21 00:54:10.4293.1729.8464.33 30/39/−85 203/51/−94本文

      在野外地质考察时,两侧的岩性变化通常是识别断层的有效方法,在嘉黎断裂东南段,北部的帕隆藏布分支和中部的贡日嘎布曲分支,两侧的岩性具有明显的差异,前人也为此进行了较为系统的研究(图1)(郑来林等,2004). 然而,有些地区受到自然条件的限制,基于野外采样获得的地质学资料较少,在这些地区,地震空间位置、发震断层面、地表的地形起伏等参数是识别活动断裂的有效手段(Bai and Zhang, 2015; Bai et al., 2019; 杨旭等, 2021). 西兴拉一带地震活动频繁,2017年发生了6.9级米林地震. 形成了米林地震余震活动条带. 在该地震条带的东南部,地震活动一直向东南方向扩展,经过墨脱县达木乡,一直延伸到1950年察隅8.6级地震震源区,地震活动明显高于周边地区(图4),同时地表地形起伏在两侧也有明显的差异(图2),为此我们将该地震条带和断层命名为西兴拉—达木分支(见图124中虚线所示).

    • 将嘉黎断裂不同段进行空间对比,分析走滑速率和断距在空间上的变化. 可以发现,嘉黎断裂并不是整体右旋走滑断裂,根据断裂活动性质的不同可分为三段:北西段为克马尼亚—嘉黎段,全新世以来走滑速率达4~5 mm/a,在最西侧的罗尔玛弄沟附近走滑速率达到15 mm/a,挤压速率达4.6 mm/a,错断断距最大达550 m;中段嘉黎—通麦段现今活动不明显,几乎没有见到野外错动第四系沉积物露头,GPS观测获得的走滑速率约1.3 mm/a,挤压速率约2.9 mm/a;到南东段断距逐渐变大为2.5 m,走滑速率为3.8 mm/a,整体呈现出活动速率和断距从嘉黎断裂北西段往中段逐渐减小,从中段至南东段又逐渐增大的趋势(图5). 由于资料有限,这些观测点的密度还比较稀疏,数据来源于测年和GPS等不同的观测手段,可能对分段性对比分析的结果带来一定的不确定性(Friedrich et al., 2003; He et al., 2013).

      图  5  嘉黎断裂走滑速率、错动断距与断层位置

      Figure 5.  Strike-slip rate, dislocated distance and its location of the Jiali fault

      南东段通麦—察隅段在通麦处南北向分为三条分支,在北部的帕隆藏布分支,断裂的活动性质曾发生了右旋走滑和左旋走滑的倒转,走滑速率为3.7~3.8 mm/a,挤压速率为5.1 mm/a,断距为2.5 m,近50年来有3级地震发生,4级以上地震不活跃. 在中部的贡日嘎布曲分支附近,1950年发生了西藏察隅M8.6强震,震源机制参数显示为右旋走滑和逆冲断层性质. 根据近50年来发生地震的分布情况,我们推测在南侧可能发育新生的西兴拉—达木断层分支,活动性质主要表现为右旋走滑,部分地区具有逆冲推覆的特点,地震活跃,2017年发生了6.9级米林地震.

      上述对比说明,嘉黎断裂北西段全新世以来活动性最为强烈,往东至中段的活动性明显减弱,且中段至南东段活动性有逐渐增强趋势. 至南东段后,北支帕隆藏布断裂活动性质发生了右旋和左旋的倒转,最南端新生的西兴拉—达木分支地震活跃,3~4级地震多发,2017年发生了6.9级米林地震,相比而言,中部的贡日嘎布曲分支和北部的帕隆藏布分支地震活动性明显减弱,呈现自南向北活动性逐步降低的趋势.

    • 印度板块东北角大约于55 Ma左右与近东西向的欧亚板块南部相互碰撞. 为了适应印度板块的挤入,东喜马拉雅构造结的前缘以挤压缩短和旋转变形为主,印度板块东边界的转换断裂切穿了冈底斯岛弧,形成了早期的嘉黎断裂. 其东侧则以东喜马拉雅构造结为垂直轴发生旋转,形成一系列的北西向走滑断裂,由此可见,嘉黎断裂具有较长的活动历史,在碰撞前后都是岩石圈应力平衡的重要调节断裂.

      早期的“逃逸模式”的提出者Tapponnier等(1982)认为,青藏高原以刚体形式向东挤出,其北侧以阿尔金—祁连山断裂为边界,南侧以喀喇昆仑—嘉黎断裂为边界,其中嘉黎断裂可能吸收了印度板块向北推挤的大部分形变,水平位移速度达10~20 mm/a. 而地壳增厚模式的倡导者England等(2010)则认为,青藏高原的北向会聚速度分量,在喀喇昆仑—嘉黎断裂带附近已经基本消逝,青藏高原所承受的南北挤压主要由喜马拉雅地块的缩短和隆升所吸收. 对于印度板块和欧亚板块会聚所引起的构造变形,嘉黎断裂带所起到的调节作用只达到汇聚总量的20%,其水平运动速率只应有2~3 mm/a左右,远远达不到逃逸模式所认为的走滑速率水平.

      本文对嘉黎断裂分析后得出,嘉黎断裂的运动并不是以断裂的整体滑动而进行,除了部分地区以外,东西三个分段的走滑速率大多低于“逃逸模式”所需的10~20 mm/a,北西和南东段又高于“地壳增厚模式”的2~3 mm/a. 由此可见,青藏高原隆升模式十分复杂,受到喜马拉雅东构造结的挤压,可能介于“逃逸模式”和“地壳增厚模式”之间. 既存在刚体形式向东挤出及顺时针旋转,又存在地块的缩短隆升和旋转变形,从而形成了嘉黎断裂活动性质的分段性特征.

    • 现今的断裂活动性主要集中在东侧南支的西兴拉—达木断裂带,断层活动主要以走滑逆冲为主,2017年米林6.9级地震序列的震源参数清晰地刻画了西兴拉断裂的地下展布特征,揭示了东构造结地区以板块碰撞逆冲推覆和青藏高原东南向侧向挤出为主的构造活动特点(白玲等,2017). 在南迦巴瓦构造结东侧,地震主要沿着墨脱断裂带展布,沿墨脱剪切带往东南方向与喜马拉雅主中央断裂的桑构造结和阿萨姆构造结顶端相连,主中央断裂带和主边界断裂带地震比较活跃,2019年发生了墨脱6.4级地震(李国辉等,2020).

      印度—欧亚板块碰撞后,随着印度板块的持续挤入,欧亚大陆南缘发生旋转,在印度板块东北角,形成南迦巴瓦背斜构造. 南迦巴瓦变质岩系经过深部变质后成为一个刚性块体,所以南迦巴瓦变质岩系内部地震不发育. 其西部东久—米林断裂带虽然局部有活动的迹象(如米瑞乡、鲁朗扎西岗村等),但整体上表现为韧性剪切的特征(Li et al., 2018). 嘉黎断裂最北侧的帕隆藏布分支现今运动速率较低,地震不活跃.

    • 受自然环境与条件的控制,川藏铁路穿越四川盆地和西藏山地,跨越金沙江、雅鲁藏布江等七条大江大河,全线平均海拔3 800 m,相对高差超过5 000 m,由于板块挤压、高原隆升等内外力作用的综合影响,地质条件复杂. 特别是雅安—林芝段一带,发育多种不同类型灾害,包括:活断层与地震灾害、泥石流与冰湖溃决灾害、超深超长隧道风险、工程扰动生态环境风险等(彭建兵等,2020),如何对其进行必要的风险调查和评估是我们面临的巨大挑战.

      嘉黎断裂是川藏铁路雅安—林芝段途经的一条大型断裂,通过系统梳理地质环境、断层的几何学和运动学参数,获得了嘉黎断裂活动性的分段差异性, 活动速率北西段最大,往中段逐渐减小,至南东段又逐渐增大. 其南东段自北向南分为三个分支,地震活动性呈现自北东向南西逐步降低,新生的西兴拉—达木分支是目前地震最活跃的区域,是未来野外考察和观测研究的重点. 在川藏铁路建设时,应充分考虑印度—欧亚板块碰撞带的构造背景,以及嘉黎断裂不同分段的构造活动程度.

    • 总结前人获得的地震、地质、地貌和GPS观测资料,结合我们利用波形反演获得的部分中小地震的震源机制解、光释光测年获得的嘎龙寺附近晚第四纪断层活动速率,得到以下主要结论:

      (1)嘉黎断裂的形成经历了多期次的构造演化过程,第四纪和现今的构造变形主要表现为右旋走滑运动,同时有少量的逆冲成分,在渐新世—中新世时期,局部地区因断层两侧相对活动速率的差异发生了左旋和右旋的倒转.

      (2)嘉黎断裂自西向东具有明显的分段活动差异性和横向不均匀性,从野外露头断距和样品年龄来看,活动速率北西段最大,在那曲一带达到15 mm/a,往中段逐渐减小,在通麦附近只有约1.3 mm/a,至南东段又逐渐增大,嘎龙寺附近约为3.8 mm/a.

      (3)嘉黎断裂的南东段自北向南分为三个分支,分别为帕隆藏布、贡日嘎布曲和新生的西兴拉—达木分支,地震活动性呈现自北东向南西逐步降低的趋势,地震震源机制解以右旋走滑为主,部分地震为逆冲型,表明青藏高原的侧向逃逸和印度板块的逆冲推覆是该地区的主要构造背景.

      (4)新生的西兴拉—达木分支是嘉黎断裂上地震最活跃的区域,2017年在断裂的北西段发生了6.9级米林地震,该地震条带向西北延伸到易贡小震震群,向东南延伸到1950年察隅8.6级地震震源区附近. 由于地理位置偏远,目前野外观测尚少,对其现今的活动性以及潜在的灾害风险,未来应进行密切关注.

      致谢

      匿名审稿专家和编辑为本文提供了建设性修改意见,江勇和陈治文博士参与了野外考察和数据整理工作,张佳佳博士与作者进行了有益探讨,在此一并表示感谢.

参考文献 (62)

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