湖北巴东滑脱构造机制及地球物理场研究综述,地质工程论文.docx
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1、湖北巴东滑脱构造机制及地球物理场研究综述,地质工程论文摘 要: 通过对川东-鄂西地区弧形薄皮构造以及岩石力学性质的研究以为, 本区存在中三叠统巴东组、下三叠统大冶组、下二叠统栖霞组、下志留统罗惹坪组4个易于发生构造滑脱的软弱地层。结合三峡地区地球物理探测结果, 构建了巴东地区多层滑脱构造的理论模型。结果显示, 该区地震活动的空间分布与滑脱构造的几何形态非常一致, 地震活动多沿着区内3条NE向滑脱背斜的枢纽方向分布, 背斜核部地震较少, 而两翼地震较多, 且较大地震多发生在两翼较深处。多层滑脱构造组成的构造背景、碳酸盐岩的大面积分布以及库水位的反复加卸载是造成巴东地区地震特征复杂性的3个主要因素
2、。 本文关键词语: 湖北巴东; 滑脱构造; 三峡水库; 地震; Abstract: Through review of thin crust structure studies in east Sichuan and western Hubei area, along with experimental results of rock mechanics in recent years, this article suggests that there exist four soft layers to form slippage system, including the Triassic
3、Badong group, the lower Triassic Daye group, the lower Permian Qixia group, and lower Silurian Luoreping group.Combined with geophysical detection results of the Three Gorges region, we build a theory model of multilayer decollement in the Badong area.We find that the spatial distribution of seismic
4、 activity in this area aligns with the decollement geometry very well, that seismic activity is distributed along the direction of the 3 NE stripping joints in the area and less in the core of the anticline, that earthquakes occurring in the anticline core are less than in the two wings, and larger
5、earthquakes tend to occur in the depths of the two wings.Finally, we believe that the decollement, limestone areas, and the fluctuation of water level are three essential factors of seismic activity complexity in Badong area. Keyword: Hubei Badong area; decollement; Three Gorges reservoir; seismic a
6、ctivity; 三峡库区是湖北省地震多发地区, 也是我们国家水库地震最为集中的地区之一。自2003年三峡水库135m水位蓄水以来, 小微震活动一直持续不断, 华而不实2008年和2020年地震活动频次最高。三峡台网每年监测到的地震均超过2 000次, 当前最大地震为2020-12-16巴东M5.1地震。前人通过拐角频率1、震源机制解2、构造模拟3、双差定位4等方式方法对该区发震构造、地震成因、地震特征等进行了大量深切进入的研究, 获得了很多有益的成果, 但详细到某个特定的地震事件, 观点仍然有着众多不同。在巴东M5.1地震震中东南侧约5km处, 2021-06-16、06-18又连续发生M4
7、.3和M4.1地震, 再次引起对该地区发震构造及地震成因的讨论。前人研究表示清楚, 巴东地区所处的湘鄂川薄皮构造带存在一系列岩石薄弱层从SE向NW多层拆离滑脱, 构成我们国家典型的侏罗山式褶皱5,6,7,8。这些滑脱构造构成了与其他地区截然不同的古老构造背景, 加之三峡水库蓄水造成的特殊的现今地质环境, 导致本区的地震活动也呈现出独特的孕震和发震方式。本文通过梳理最近几年国内外对本区滑脱构造机制及地球物理场的研究进展, 阐述巴东地区滑脱构造及三峡蓄水与地震活动的关系。 1、 研究区构造背景 本文研究范围西起重庆奉节, 东至湖北归州镇, 位于瞿塘峡和巫峡两侧, 南北宽约100km, 东西长约12
8、0km, 经纬度范围为109 27 110 43 E、30 54 31 12 N (图1) 。区内地震活动强度和地质特征以湖北省巴东县周边最为典型 (下面简称为巴东地区) 。该区位于扬子地块北缘, 以重庆城口-陕西镇坪-湖北房县一线为界, 其南侧为上扬子川东-鄂西褶皱带, 北侧为秦岭造山带。在区域构造演化上既遭到北侧秦岭造山带、南侧雪峰山厚皮构造带的共同影响, 同时又受限于西侧四川盆地和东侧黄陵背斜的夹持。中三叠世晚期扬子板块和华北板块开场碰撞之后转入陆内变形阶段, 构成复杂的盆山系统晚三叠世-早白垩世发育巨厚的前陆盆地沉积盆地, 范围大致在早侏罗世时期到达最大, 涵盖了四川盆地及其周边大部分
9、地区。此后由于秦岭大别造山带的向南推挤, 在盆地东北缘构成了北北西-北西-东西弧形走向的大巴山断褶带。另外, 由于雪峰山构造带的向西推挤, 在盆地东南缘构成了北北东-北东-东西弧形走向的川东-湘鄂西断褶带6。 巴东地区现今构造体系主要由一系列NE-NEE向断裂和滑脱褶皱组成。区内主要的断裂构造有高桥断裂、马鹿池断裂、周家山-牛口断裂及三溪河断裂等。前人对这些断裂的地质特征和活动年代进行过具体的研究9,10,11, 也将这些断裂与附近的地震事件联络起来讨论了其活动规律和孕震、发震特征12,13,14,15, 但在个别断层或地震的研究中也存在不同意见。例如, 有学者通过地表调查后以为, 牛口断裂仅
10、存在于北部的周家山一带, 而在南部的牛口一带并不存在;遥感影像中看似清楚明晰的NE向线性影像特征可能与该处软硬相间的砂页岩、密集的节理以及由此构成的沟谷垭口有关16。 断裂作用和褶皱作用是浅、表构造层次最为常见的岩石构造变形方式。二者产生的主要原因是岩石在垂向上的能干强度差异, 垂向上能干强度差异大或粘度比值较大的岩层更容易发生褶皱作用, 而各向同性的能干岩层则更易发生断裂作用。从构造地貌上看, 滑脱褶皱是本区最直接的影响因素, 不仅决定了区内山脉的走向、形态, 甚至影响了断裂走向和地震分布, 是本文的重点研究对象。 图1 湖北巴东地区多层滑脱及断裂构造模型 (据文献6-7, 17-19汇编)
11、 Fig.1 Geological model of multilayer decollement and fracture structure in Hubei Badong area 2、 研究区滑脱构造特征 2.1、 研究区滑脱构造的变形机制 研究区所在的川东-鄂西褶皱带由一系列复背斜带和复向斜带相间组成, 从南向北表现为走向由NNE到NE再到EW向的弧形褶皱带。以西侧华蓥山断裂带、中间齐岳山断裂带、东侧大庸断裂带为界发育以侏罗山式褶皱为主的薄皮构造区, 华而不实华蓥山断裂带与齐岳山断裂带之间属上扬子川东褶皱带, 表现为隔档式褶皱-断层带, 背斜带狭窄, 向斜带宽阔, 背斜核部一般为二叠
12、系-三叠系组成, 向斜核部多为侏罗系-中三叠统巴东组;齐岳山断裂与大庸断裂带之间以隔槽式褶皱为特点。另外, 也有人将齐岳山断裂与恩施断裂间之间划分出一个过渡区, 称之为城垛式褶皱带20。 本文所关注的巴东地区即位于该城垛式褶皱带向NE延伸的部位, 地貌表现为由震旦系-奥陶系构成的宽大的高陡背斜和由三叠系组成的宽阔低缓复向斜 (图1) , 而向斜内部褶皱变形也比拟强烈, 发育大量露头尺度的层内次级褶皱。在恩施一带上白垩统与下伏褶皱地层呈角度不整合接触, 讲明褶皱变形时间早于晚白垩世21, 磷灰石裂变径迹限定的构造变形时间为晚侏罗世中晚期到早白垩世7。由于后期遭到黄陵背斜在晚侏罗世-晚白垩世早期
13、(16095 Ma BP) 、晚白垩世-始新世中期 (9545 Ma BP) 和始新世晚期以来 (450 Ma BP) 的多期隆升作用22,23以及由此导致的秭归盆地NS向挤压凹陷的影响, 使局部褶皱形态变得更为复杂, 从剖面形态上讲更接近于隔档式褶皱。本区卷入褶皱的最新地层为上侏罗统遂宁组 (J3s) 20, 主要展布于秭归盆地南部, 一般表现为枢纽呈近东西向的宽缓褶皱。 古地磁研究结果表示清楚, 该区弧形构造属于构造弯曲构成的弯曲弧17, 是在早期近东西向褶皱基础上向NW挤压凸出构成的。通过对褶皱枢纽、相关断层、节理、缝合线的构造解析表示清楚, 巴东地区弧形构造的滑脱变形主要发生在晚侏罗世
14、-早白垩世, 可细分为3个阶段:第一阶段与大巴山弧形构造带向SW逆冲有关;第二阶段与黄陵背斜的挤压有关;第三阶段与雪峰山逆冲推覆带NW逆冲推挤有关18。 滑脱层是构成薄皮构造的基本条件, 其深度是发育不同形貌特征的侏罗山式褶皱的决定因素。在川东-鄂西地区这种褶皱大体上均为同心褶皱的特点, 即同一岩层的厚度不会由于褶皱而发生显着变化, 背斜核部由浅至深逐步变窄, 曲率半径变小, 当到达一定深度或到达滑脱层面时, 褶皱变形即可消失。因而, 可从背斜在地表露头的宽窄来定性地判定下伏滑脱层的深度。当地表背斜出露为宽缓的箱状时, 则表示下伏滑脱层埋深较大;当地表背斜出露宽度较窄时, 则表示下伏滑脱层埋深
15、较浅20。基于平衡剖面技术的数值模拟研究半定量地验证了该判定7。在巴东地区弧形构造多呈隔槽式或城垛式, 背斜宽度明显大于川东地区, 因而揣测主滑脱面埋深较大, 在地层厚度较稳定时代表卷入的地层较老。 2.2、 滑脱构造的深部特征 人工地震测深剖面以为, 三峡地区上地壳底部深度约1015km的范围存在一个低速层, 厚度约4km, 横截面形态为肿缩状24。地壳速度构造反演结果显示, 从巴东地区在深度2km、6km、9km处存在3个向东逐步变薄的低速层, 华而不实最上层 (厚度约2km) 在巴东接近地表, 向东逐步变深变薄, 最远延伸至茅坪以东20km处, 揣测为沉积层;下部两层厚度均约为1.5km
16、, 向东延伸较短, 在泄滩附近圈闭转为高速25,26。S波地震层析成像结果也表示清楚, 在秭归盆地附近的中上地壳内存在上地幔部分熔融物质, 甚至未构成完好的结晶基底27。这些低速层在力学上常表现为韧性流变层, 在收缩挤压体制下易于发生剪切流变和韧性推覆。 这些低速层或速度转折界面的存在讲明, 本区存在发生构造滑脱的岩性物质基础, 甚至在中上地壳存在多个滑脱层。实际上, 抛开本区独特的隔档式的薄皮构造而言, 多层滑脱在我们国家陆内地壳演化中并不罕见, 滑脱构造与地震的相关研究也屡见报道。如华北大震区的深地震剖面探测显示了地壳上部铲式正断层和低角度的滑脱构造与震源下方贯穿下地壳直至莫霍面的高角度深
17、断裂共存的复杂构造图像28;龙门山冲断带发育多层次的滑脱层, 最深到壳幔滑脱带, 最浅到侏罗系滑脱带29;准噶尔盆地南缘西段的霍尔果斯背斜带和安集海背斜带也具有典型的滑脱变形特征19。然而, 与以上大型巨厚层滑脱不同的是, 本区的滑脱层还具有薄皮构造的特征, 变形主要发生在7km以上志留纪之后的地层内。 2.3、 滑脱构造的岩性条件 鄂西地区结晶基底由前震旦纪的变质杂岩、侵入花岗岩和闪长岩组成, 主要出露于黄陵和神农架一带, 经历了大别、神农、花山等屡次构造运动, 结晶基底顶面的起伏变化较大, 在黄陵背斜一带出露地表, 而在巫山一带则凹陷至7km左右30。研究区内沉积盖层发育, 自震旦系至中三
18、叠统除缺失志留系上统、泥盆系下统和石炭系上统外, 其他各系地层均有出露。横波速度构造剖面显示, 黄陵背斜以西沉积层厚度36km, 从东向西逐步增厚, 至东瀼口一带转折变薄30,31。中三叠统之前地层主要表现为海相沉积地层;中三叠统之后由海相沉积地层转变为陆相沉积地层, 早期为河湖相沉积并夹有煤层, 晚期为陆相碎屑沉积。 颜丹平等32利用单轴岩石力学实验方式方法, 对取自区内沿达县-大庸地质剖面不同岩性地层组合的样品进行岩石力学分析。结果表示清楚, 区内至少存在5套可能发生区域性拆离滑脱的岩层, 分别为下寒武统牛碲塘组 (C-1n) 、下志留统罗惹坪组 (S1lr) 和龙马溪组 (S1l) 、下
19、二叠统栖霞组 (P1q) 、下三叠统大冶组 (T1d) 和中三叠统巴东组 (T2b) 发育。这些滑脱层主要由泥质岩、粉砂岩和泥质灰岩组成, 与上下岩层物性特征差异明显, 极易构成滑动层。李小勇等31通过地表调查发现, 寒武统牛碲塘组控制了深部构造层次的断弯褶皱和叠瓦扇, 下志留统罗惹坪组和龙马溪组可能控制了中部构造层次的断展褶皱和拆离褶皱, 下二叠统栖霞组则可能与下三叠统大冶组和中三叠统巴东组一起, 共同控制了上部构造层次的侏罗山式褶皱。以上岩石力学实验发现的软弱层在本区主要包括中三叠统巴东组 (T2b) 、下三叠统大冶组 (T1d) 、下二叠统栖霞组 (P1q) 、下志留统罗惹坪组 (S1l
20、r) 。 湖北省地质矿产局120万巴东幅区域地质调查工作对这些地层的岩性特征进行了具体研究33。华而不实, 巴东组 (T2b) 可细分为5段, 总厚度达1 300m, 第1段主要由紫红色微晶白云岩夹黑色膏泥透镜体、黄绿色页岩夹薄层泥灰岩组成;第2段主要由紫红色粘土质粉砂岩和含灰质粉砂质粘土岩组成;第3段主要由浅灰色中厚层含粘土质微晶灰岩、泥灰岩、灰质水云母粘土岩组成;第4段为紫红色厚层粘土岩、粉砂质粘土岩、厚层粉砂岩组成;第5段为浅灰色白云岩、泥质白云岩、生物碎屑灰岩组成。 大冶组 (T1d) 主要由浅灰色、肉红色薄层微晶灰岩夹中厚层灰岩、泥灰岩、黄绿色页岩组成, 具有水平层理, 生物化石较丰
21、富, 属于开阔海台地相沉积。厚度由南向北逐步变薄, 偏岩河最大厚度约880m, 大峡口厚约517m, 宋子园厚约476m。 栖霞组 (P1q) 上部主要由灰黑色含砂质页岩、灰白色砂岩夹煤层、灰绿色薄层泥质页岩、褐黄色粘土层组成, 下部由黑灰色含燧石灰岩、含沥青质灰岩、钙质页岩等组成, 厚度约36253 m, 是鄂西地区主要的含煤层, 一般含煤12层, 厚度约3m, 常见小型矿床用于当地开采。 罗惹坪组 (S1lr) 仅在本区河谷底部见少量出露, 其上段主要由灰绿色页岩、粉砂质页岩夹薄层粉砂岩或粘土质粉砂岩组成, 岩性较稳定, 在巴东思阳桥一带出露厚度约540 m, 在巴东宋子园出露厚度约470
22、m, 总体上以粘土沉积为主, 波痕构造发育, 属于浅海陆棚相沉积。罗惹坪组下段主要由灰绿色薄层粉砂岩、粘土质粉砂岩、钙质砂岩组成, 在思阳桥一带出露厚度约300m, 在巴东宋子园出露厚度约430 m, 富含腕足、海百合等化石, 属于近岸滩坝相沉积。 牛碲塘组 (C-1n) 在巴东地区南部香龙山背斜处有大面积分布, 在图2范围内未见出露。周边野外地质调查显示, 这套地层主要由黑色炭质页岩夹炭质灰岩、灰绿色薄层粉砂岩及白云质灰岩组成, 不含或极少含有泥质成分, 发生滑脱的可能性较小。岩石力学实验也证明, 下寒武统牛碲塘组的单轴抗压强度、抗剪强度、弹性模量、内聚力等参数相对于前几个软弱层均偏大32。
23、笔者以为, 牛碲塘组地层在本区较难发生构造滑脱, 区内滑脱褶皱卷入最老的地层是志留系罗惹坪组 (S1lr) 。 3、 研究区地震活动特征 图2展示的是2018-032018-12 ML0.82.9地震精定位结果34和2018-012021-07 ML2以上地震活动分布与区域滑脱褶皱枢纽的关系。结果显示, 库区小震震群分布较为集中, 线性分布特征特别明显。前人研究也发现了类似现象, 并将该现象与区内断裂活动的走向联络起来讨论周边地震的成因35。但进一步研究可见, 本区地震活动实际上呈弧状沿NE向的3个分支分布, 只要少部分地震与地表断裂接近或相交, 大部分地震与区域弧形背斜构造的枢纽展布方向更为
24、一致 (图2, 蓝色虚线指示背斜轴走向) 。 图2 研究区地质与地震活动分布Fig.2 Geology and seismic activity of Badong area 图3为3条垂直于褶皱轴方向的剖面, 华而不实上部蓝色曲线为剖面切过的地形线, 绿色曲线为揣测的滑脱层 (面) 。图3显示, 在剖面上震源深度的变化与上部地形变化非常接近。从构造地貌学角度看, 地形的起伏变化是构造活动在地表留下的形迹, 3条剖面所反映的正是本区以薄皮构造和多层滑脱为主的地貌特征。野外调查发现, 本文中3条剖面所过之处的正地形为背斜构造, 倾斜的山麓则对应于背斜的两翼。图3剖面A-A 中地震在垂向上的弧形分
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