折多塘断裂是鲜水河断裂带乾宁— 康定段的一条分支断裂, 距离康定县城约5km。 该断裂是以一条左旋走滑活动为主并具有倾滑运动分量的活动断裂, 前人对其几何展布、 运动学特征、 晚第四纪以来的滑动速率、 古地震等开展过研究。

1955年康定7.5级地震发生在折多塘断裂上。 该地震共造成70人死亡, 78人重伤, 房屋倒塌372间, 极震区烈度达Ⅸ 度(王新民等, 1996)。 1︰200 000地质图(四川省地震局地震地质队鲜水河活动断裂带填图组, 2013)标示的折多塘断裂自NW起于多日阿嘎莫村, 向SE经康定机场、 折多山垭口、 二台子道班至折多塘村附近, 全长约45km, 整体走向为NW-SE。 四川省地震局地震地质队鲜水河活动断裂带填图组(2013)将折多塘断裂中的康定机场— 折多塘村段划定为全新世活动断裂。 目前, 对折多塘断裂的活动性和古地震的研究也主要集中在康定机场— 折多塘村段长30km的范围内(李天袑等, 1997), 且已有研究表明此范围之内有明显的同震地表破裂现象, 如断层陡坎和断塞塘等, 在308国道附近即可清晰地看到断裂切过山脊, 形成反向槽谷和地表破裂带。 由于折多塘断裂西北段(多日阿嘎莫村— 康定机场)的断裂形迹不明显, 且交通不便利, 尚无针对该段活动性调查研究的报道。 而揭示折多塘断裂西北段晚第四纪的活动特征, 对折多塘断裂的地震危险性分析具有重要意义, 且对完善鲜水河断裂带乾宁— 康定段的几何展布、 分析地震的破裂特征与断错变形分配等研究具有一定价值。

本文针对康定机场以北的活动断裂研究空区进行航空照片和卫星影像分析, 发现折多塘断裂西北段有地表破裂迹象; 结合野外地质调查, 以断层陡坎和冲沟位错为主要研究对象, 厘定了折多塘断裂西北段的几何展布; 通过卫星影像解译、 断错地貌调查、 探槽剖面分析等, 获得了折多塘断裂西北段全新世活动的地质地貌依据。

鲜水河断裂带位于青藏高原东缘、 南北地震带中段, 起源于青藏高原, 形成于松潘-甘孜造山带造山作用的后期(王宗秀等, 1997), 是分割川滇块体与巴颜喀拉块体的一条大型弧形活动断裂带(Allen et al., 1991), 是南北地震带的重要组成部分(Zhang, 2013), 在青藏高原东部晚新生代地壳变形中起着重要的调节作用(Wang et al., 2008)。 狭义的鲜水河断裂带NW起于甘孜北, 向SE经炉霍、 道孚、 乾宁、 康定、 泸定磨西, 至石棉新民以南活动形迹逐渐减弱, 最终消失于石棉公益海附近(唐荣昌等, 1993)。 广义上的鲜水河断裂由甘孜-玉树断裂、 狭义的鲜水河断裂和安宁河-则木河断裂组成, 起始于青海玉树的当江地区, 向SE经石棉后分成2支, 其中一支与近SN走向的安宁河断裂相连, 另一支与NW-SE走向的大凉山断裂相连(吴婵等, 2016)。 鲜水河断裂带的分段特征明显, 全新世以来的活动以乾宁惠远寺拉分盆地为界可分为2大段: 北西段长约200km, 由一条单一的主干断裂组成(闻学泽等, 1989; Allen et al., 1991; 周荣军等, 2001); 南东段的结构较复杂, 乾宁— 康定段由3条次级断裂(即色拉哈断裂、 折多塘断裂和雅拉河断裂)组成(Allen et al., 1991), 这3条断裂均具有左旋走滑性质。 乾宁— 康定段于1700年、 1725年、 1955年分别发生过7级、 7级、 7.5级大地震, 其中1955年的7.5级地震就发生在折多塘断裂上(图 1)。

康定以南为鲜水河断裂磨西段, 断裂呈单一主干断裂向S延伸。 折多塘断裂位于鲜水河主干断裂的SW侧, 与主干断裂近平行展布。 作为重要的大型走滑边界断裂带, 鲜水河断裂带上强震频发, 自1725年以来, 共发生6.5级以上地震15次, 7级以上地震8次(Wen et al., 2008), 显示出很强的发震能力和较高的地震风险。 前人研究表明, 鲜水河断裂带的左旋走滑速率为8~12mm/a(Wang et al., 2009; Chevalier et al., 2017; Zheng et al., 2017), GPS和InSAR结果显示鲜水河断裂的水平滑动速率为7.5~16.7mm/a。 康定以南段的水平滑动速率则为5~(9.1± 2)mm/a(Allen et al., 1991; 李天袑等, 1997; 周荣军等, 2001; 徐锡伟等, 2003; Chen et al., 2016)。 其中, 鲜水河断裂带乾宁— 康定段雅拉河断裂的水平滑动速率为1~3mm/a(闻学泽等, 1989; Chen et al., 2016); 色拉哈断裂的滑动速率为4~10mm/a(Allen et al., 1991; 周荣军等, 2001; Chen et al., 2016; Bai et al., 2018); 折多塘断裂的滑动速率为3.5~9.4mm/a(周荣军等, 2001; 陈桂华等, 2008; Zhang et al., 2016)。 总体而言, 从NW至SE, 鲜水河断裂的滑动速率呈降低趋势。

国内外不同学者对折多塘断裂的滑动速率存在不同的认识。 陈桂华等(2008)通过年龄测试, 在折多山口及折多塘村一带得到的折多塘断裂的水平滑动速率为8.5mm/a, 并根据折多山口西侧约30m的垂直断错估计出断裂的正倾滑垂直位移速率为1.8mm/a。 周荣军等(2001)在折多塘村附近得到的平均水平滑动速率约为3.5mm/a。 Zhang 等(2016)在康定机场的北侧得到冰碛垄的左旋位错为15.5m, 水平滑动速率约为4.3mm/a, 在折多山口附近测得小冲沟的左旋位错约为25.5m, 得到的滑动速率为6mm/a, 折多塘断裂整体的平均滑动速率为5mm/a。 李天袑等(1997)在康定机场东、 折多山口、 二台子道班和折多塘村分别得到的滑动速率为4.3mm/a、 6mm/a、 4mm/a和5.8~6.7mm/a。

综上所述, 折多塘断裂全新世以来在康定机场附近的左旋滑动速率高达4.3mm/a。 由于断裂在康定机场附近并未与其它全新世活动断裂近距离斜接, 难以解释其全新世活动段在此处终止的现象, 因此有必要进一步调查确认断裂的西北段自全新世以来是否活动。 另外, 如果西北段在全新世有活动, 其几何展布及其活动特征如何也是需要深入研究的问题。

前人所认定的折多塘活动断裂北端的终点位于康定机场附近, 机场以北为活动断裂研究的空区, 未曾有国内外学者的相关研究报道。 通过对Google Earth影像进行解译, 发现机场以北的区域存在断错地貌。 在折多塘断裂西北段选取了4个主要工作点开展野外地貌调查并开挖探槽(图 2), 确定了机场以北有长15km的断层活动迹象, 在地貌上主要表现为冲沟位错、 断头沟和断层陡坎等, 最新一次活动造成的地质体水平位移量为2.5~4.6m。

场地1位于多日阿嘎莫二村NW约2km处, 野外地质调查与无人机低空航摄资料揭示出断头沟、 河流阶地与洪积扇左旋位错等典型的断错地貌特征(图 3)。 于该点NW见冲沟两侧发育的2期冲积扇体(Fan1, Fan2; 图4c)和1级河流阶地(T1; 图4c)均被左旋错断, 无人机航拍DEM位移恢复显示, T1阶地的位错为7.8m(图4c), Fan1的位错为15.6m(图4e)。 在该测点SE同样发育2期冲积扇体(Fan1', Fan2'; 图4d), 断裂断错扇体, 产生了21.7m的左旋位移。 在断裂通过处测量此区域较年轻的小冲沟河床的左旋位移, 得到的位移量为3.3~4.6m, 说明晚第四纪以来断裂在该场地附近有明显活动。

木雅祖庆学校北偏西约2km处, 在断层通过处测得扇体和冲沟T1阶地之间边界的左旋水平位错量为2.6m(图5a, c)。 在该点附近的SE侧冲沟处可见洪积扇体与河漫滩T0之间的边界被水平断错, 左旋位移量为2.5m(图5b, d)。 图5c中显示的扇体、 T1阶地的左旋断错现象照片如图 6 所示。

场地3位于多日阿嘎莫一村南, 折多塘断裂在此处呈2支平行展布(f1, f2; 图7a), 错断了冲积扇体和河流阶地, f1造成冲沟的一级阶地被左旋断错。 通过位移恢复发现, 冲沟NW侧的位错量为6.9m, SE侧为10.1m(图7b), 这可能是由于冲沟的侧蚀作用较强, 故测得的扇体边缘的位错量偏大。 f2切过扇体和河流一级阶地, 使山脊线发生3.9m的左旋断错(图7b, 8), 河流阶地发生2.6m的左旋位错(图7b), 在断层附近可见断头沟地貌。

在此处垂直于断裂走向绘制2条地质剖面图, 由剖面1可见在断层带影响范围外的岩层产状近一致, 倾角约为40° , 断层带内的岩层由于构造作用导致倾角变大, 约为60° 。 基岩为灰黑色板岩层, 糜棱化程度高。 断层f1、 f2均断错到砂砾岩层, 被表层的草皮层所覆盖, f1、 f2的水平距离约为17m(图 9)。 剖面2的观测点位于路旁, 没有被第四系沉积物覆盖, 基岩直接裸露于地表, f1、 f2的水平距离约为10m(图 10)。

断层切过通里隆巴附近, 在卫星影像上清晰地显示了地貌断错现象。 通过遥感解译和野外实地调查发现, 在该处发育洪积扇体和一级河流阶地, 断裂造成洪积扇体和一级阶地(T1)发生左旋位错, 测量得到扇体的水平位错量为37.5m。 在扇体处可观察到明显的垂直位错, SW盘为下降盘, NE盘为上升盘(图 11)。

折多塘断裂西北段的活动性在地貌和地质方面均有较好的体现, 在西北段开挖探槽和清理冲沟剖面以揭露全新世断错事件, 可得到折多塘断裂西北段全新世活动的地质证据。

多日阿嘎莫村位于折多塘断裂最北端。 断裂在该区的迹线清晰, 线状特征明显, 构造地貌尤为发育, 可见多处明显的冲沟左旋位错及断头沟。 探槽位于多拉嘎莫一村西北约1.5km处, 陡坎走向为147° 。 在探槽附近地形较为平缓, 流水侵蚀较弱, 有利于细粒物质的堆积, 故选择在此处近垂直于断层陡坎开挖探槽。

3.1.1 揭露的地层单元

开挖探槽后发现南、 北两壁保留完整, 剖面长约17m, 高约4m, 揭露了清晰的地层断错现象。 探槽两壁剖面揭示的沉积地层总体上可相互对应, 按照事件大致可将地层分为4套沉积单元, 共包括17个地层层位, 根据地层的上下关系从顶部向下进行命名, 由于主断层下部两侧的地层岩性差异较明显, 难以找到相同地层, 故主要通过岩性特征对探槽两壁进行地层匹配。 下面自上而下对地层进行描述:

U4-5: 棕色草皮土层, 植被根系含量高。

U4-4: 土层, 植物根系发育, 但含量低于U4-5。

U4-3: 咖啡色(灰黑色)泥土(未成岩), 植物根系发育。

U4-2: 浅咖啡色泥土(未成岩), 固结程度低于U4-3, 植物根系发育。

U4-1: 初步认定为喷砂, 土黄色泥质粉砂岩。

U3-4: 黄绿色泥层, 植物根系含量少。

U3-3: 灰绿色黏土层, 夹白色石灰颗粒(分布不均匀)。

U3-2: 灰黄色黏土岩。

U3-1: 灰绿色黏土岩。

U2-3: 土黄色黏土质砂岩。

U2-2: 灰色泥质粉砂岩, 含砾石(50%), 砾石磨圆度较好, 分选性较差, 砾径0.3~6cm。

U2-1: 土黄色粗砂岩, 含砾石(80%), 砾径0.5~50cm, 砾石磨圆度较好, 分选性中等。

U1-5: 灰色黏土层夹土黄色薄层黏土层。

U1-4: 灰色黏土层。

U1-3: 土黄色中砂岩与灰色黏土互层。 土黄色中砂岩含砾石(25%), 砾径0.2~3cm, 砾石磨圆度较好, 分选性较差。 灰色黏土为薄层分布。

U1-2: 灰黄色砂岩。

U1-1: 黄色粗砂层夹灰色黏土层, 含砾石(40%), 磨圆差, 分选差, 砾径1~30cm。

3.1.2 揭露的古地震事件

结合地层的变形、 不连续性和岩性差异分别识别探槽北壁(图12)和南壁(图13)剖面中的断层, 在两壁剖面中识别出的主要断层总体可对应。 基于古地震标志和地层变形的综合分析, 初步识别出4次古地震事件, 由新至老依次命名为ET1、 ET2、 ET3和ET4, 这些事件均存在较好的构造和地层证据。

(1)事件ET1

探槽两壁均清晰地揭示出最新一次事件ET1存在的证据。 探槽北壁可见Fn2从底部向顶部延伸, 在顶部形成断层分叉, 错断U4-2层, 被上覆的未成岩泥土层U4-3所覆盖, U4-1为底部喷砂所形成的局部砂岩体。 断层的倾角总体较陡, 断层两侧地层位错明显, 最新被断错的地层为U4-2, 且地层U4-2、 U4-3受构造作用影响发生明显的褶皱变形, 2套地层在靠近断层Fn3处均发生减薄现象, 但U4-4未发生变形。 ET1发生于灰黑色未成岩泥土层U4-3形成之后、 泥土层U4-4形成之前。

在探槽南壁可见断层Fs2的倾角近垂直, 2条断层两侧的地层均有不同程度的位错。 Fs2从底部向上一直断错到U4-2顶部, 未断错U4-3。 但同样由于构造作用, 地层U4-2和U4-3发生褶皱弯曲, 形成膝折构造。

(2)事件ET2

在探槽南壁剖面上事件ET2伴随着2条断层, 分别为Fs3和Fs4, 两者在顶部的倾角较陡, 向下与Fs2交会, 3条断层形成花状构造。 Fs3断错到灰绿色黏土岩U3-1的顶部, 被上覆夹白色石灰颗粒的黏土层U3-3所覆盖。 Fs4断错灰黄色黏土岩U3-2顶部, 与Fs2之间形成楔体。 2条断层均发育于U3层内部, 表明事件ET2发生于U3层完全沉积之前。

探槽北壁揭示出断层Fn1断错黄绿色泥层U3-4底部, 使得灰色泥质粉砂岩U3-1与灰绿色黏土层U3-3形成断层接触。 U3-3和U3-14有明显的拖曳变形特征。 探槽两壁所揭示的这些证据表明事件ET2形成于U3层位内部。

(3)事件ET3

在探槽南壁可识别出多个证明ET3存在的有力证据。 Fs8顺层发育, 使得U1-4与U2-1呈断层接触, Fs5、 Fs6、 Fs7为小的分支断裂, 同时断错土黄色砂砾岩层U2-1, 并终止于土黄色黏土质砂岩U2-3的底部, 3条断层往下会聚于Fs8上, 形成花状构造, 整体来看断错位移量较小, 在断层附近可见砾石定向排列。 这些沉积与变形特征表明, U2-1沉积之后、 U2-3沉积之前有一次地震事件。

探槽北壁有2条断层切过U2砂砾层, Fn4断错含砾粗砂岩U2-1的底部, Fn3断错U2-2。 总体上, 这些证据支持事件ET3断错U2砂砾层, 并且被上覆的U3砂岩层所覆盖。

(4)事件ET4

探槽南壁Fs10 断层两侧的沉积不连续, 表现为明显的地层差异。 断层向上延伸, 被土黄色粗砂岩U2-1所覆盖, U2-1层的底界面沉积连续, 未被错动, 说明在砾石层U2之前有过一次地震事件。 另外, Fs9将砂质黏土层U1-3错断, 产生一裂隙, 断层止于U3-1。

探槽北壁的事件ET4包括2条断裂, 即Fn5和Fn3。 Fn5断错了U1-1、 U1-2和U1-4地层, 被上覆砾石层U2-1所覆盖; Fn3断错了U1-3和U1-5, 但没有影响上覆的U2-2地层。 总体上, 这些现象指示在U1沉积之后、 砂砾层U2沉积之前可能有1次地震事件。

在探槽东南约25m处的冲沟东侧发现断层活动剖面。 经清理发现, 出露的地层可与探槽内揭露的上部地层进行对比。 由于该处的地势相对较高, 冲沟切割深度较浅, 沉积地层出露较少且不连续, 主要出露U3-1、 U3-3、 U4-2和U4-5, 缺少U4-3和U4-4(图 14)。 剖面上, 断层呈花状构造, 错断U4-2, 被上覆的草皮层U4-5所覆盖(图 14), 由于该剖面缺失U4-3和U4-4, 推断最新的断错事件可能与ET1同期。

本研究共采集了9个14C样品, 所有样品均由美国Beta实验室采用加速器质谱仪(Accelerometer mass spectrometer, AMS dating)进行年龄测试(表1), 表1中给出的年龄是经过OxCal4.3程序校正的2σ 日历年龄(95.4%置信区间)。 大部分样品的年龄均处于正常的层序中, 即下部地层的年龄比上部地层的年龄老。 我们使用OxCal4.3程序模拟了古地震事件的年龄。

注 所有样品均在美国Beta Analytic Inc.实验室进行测试; 采用Oxcal 4.3软件校正14C年龄; 日历年龄为2σ 的年龄范围(95.4%置信区间)。

探槽揭露的最新一次事件ET1形成于U4-3层与U4-4之间, 事件ET2形成于U3-4、 U3-3层与U4-1之间, 事件ET3形成于U2-1层与U3-1之间, 事件ET4形成于U1-4层与U2-1之间。 测年模拟结果显示(图 15), 受断层影响的最新地层为U4-3, 形成于(5 821± 49)a BP。 因此, 最新一次事件ET1形成于(5 821± 49)a BP之后, 属于全新世时期; 事件ET2形成于13 060~10 745a BP; 事件ET3形成于13 687~11 420a BP; 事件ET4形成于41 443~13 715a BP(图 14)。 此探槽揭露的古地震事件年龄间隔较大, 地震事件可能存在漏记。 最新一次地震事件使U4-3发生构造弯曲, 推断在探槽南壁产生了约70cm的垂直形变量, 在探槽北壁产生了约50cm的垂直形变量。 冲沟剖面揭露的事件断错至U4-2层, 未断错U4-5层。 测年结果显示, U4-2的14C年龄为(8 496± 38)a, U4-5底部的14C年龄为(3 148± 54)a, 而顶部的年龄为(2 769± 22)a(表1), 表明该处也存在全新世中期以后的活动, 且距今约3ka以来没有发生断错事件。

综合探槽和冲沟剖面揭露的事件年代可知, 最新一次地震事件的年代为5 821~3 148a BP。

通过对折多塘断裂西北段开展地貌解译、 地形测量以及年代学样品的测试, 并结合该地区新构造运动背景等分析, 可获得以下初步认识:

(1)遥感解译、 地质调查与探槽揭露显示, 折多塘断裂的西北段位于康定机场与多日阿嘎莫村之间, 呈NW走向, 长约15km, 是一条全新世活动断裂。

(2)折多塘断裂北起多日阿嘎莫村, 向S依次经过通里隆巴、 康定机场、 折多山垭口、 二台子道班, 消失于折多塘村附近, 全新世以来整体表现出以左旋走滑为主的运动特征, 并伴有垂直运动分量。 由于在折多塘断裂西北段未发现被断层断错至地表的草皮层, 且剖面揭露的最后一次古地震发生在(5 821± 49)a BP以后, 但(3 148± 54)a BP以来没有地表断错活动, 因此, 1955年的7.5级地震可能未造成该段的地表破裂。

(3)折多塘断裂西北段的东侧大体为色拉哈断裂中段, 北端与色拉哈断裂北段的南端右阶斜列, 最近的距离约为2km。 Xu等(1996)认为1725年7级地震地表破裂带的西北端位于色拉哈垭口附近, 大体位于色拉哈断裂几何上的南段与中段的交界部位; 胡朝忠等(2015)在色拉哈中段的江巴附近开挖了系列探槽, 即位于2014年康定6.3级地震的破裂段, 探槽揭示出的最新2次古地震断错事件的时间为3 840~4 295a BP和2 027~2 359a BP, 说明1725年的7级地震破裂没有影响到江巴附近; 曾蒂(2018)在色拉哈中段江巴和北段中谷分别开挖了大型探槽, 在江巴附近获得的最新2次古地震断错事件的时间为2000— 745BC和1705— 1968AD, 在中谷附近获得的最新2次古地震断错事件的时间为1795— 495BC和728— 988AD, 认为色拉哈断裂中段的江巴附近的最新断错事件属于1725年7级地震地表破裂带。 从现有资料来看, 折多塘断裂最新古地震事件的年代范围都可落在色拉哈中段、 北段最新事件的前一次事件的年代范围内, 但色拉哈断裂中段、 北段的最新断错事件时代范围在折多塘断裂西北段都没有对应, 它们之间的破裂事件是否存在构造联系?其构造联系对它们的地震破裂行为有何影响?这些也是需要进一步研究的问题。

致谢 本研究在野外工作中得到了杨晓平研究员的指导和四川省地震局龙建宇工程师的大力支持; 室内工作得到了中国地震局地质研究所郭鹏博士、 刘金瑞博士、 哈广浩博士和李跃华博士的帮助。 在此一并表示感谢!