湖北巴东滑脱构造机制及地球物理场研究综述

3.0 闻远设计 2024-03-25 15 4 241.24KB 9 页免费

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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认为, 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。

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 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 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 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 activity;

三峡库区是湖北省地震多发地区, 也是我国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, 其中 2008 年和 2014 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, 目前最大地震为 2013-12-16 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]等方法对该区发震构造、地震成

因、地震特征等进行了大量深入的研究, 取得了许多有益的成果, 但具体到某个特定的地震事件,

观点仍然有着诸多不同。在巴东 M5.1 地震震中东南侧约 5km 处, 2017-06-16、06-18 又连续发

生M4.3 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。前人研究表明, 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, 形成我国典型的侏

罗山式褶皱[5,6,7,8]。这些滑脱构造形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, 论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120km, 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 (以下简称为巴东地区) 。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

构造演化上既受到北侧秦岭造山带、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始碰撞之后转入陆内变形

阶段, 形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

罗世时期达到最大, 涵盖了四川盆地及其周边大部分地区。此后由于秦岭大别造山带的向南推

挤, 在盆地东北缘形成了北北西-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, 在盆地东南缘形成了北北东-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

动年代进行过详细的研究[9,10,11], 也将这些断裂与附近的地震事件联系起来探讨了其活动规律

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

通过地表调查后认为, 牛口断裂仅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

形成的沟谷垭口有关[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) 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, 其中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较

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, 说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]。由于后期受到黄陵背斜在晚侏罗世- 晚白垩世早期 (160~95 Ma BP) 、晚白

垩世- 始新世中期(95~45 Ma BP) 和始新世晚期以来 (45~0 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。

古地磁研究结果表明, 该区弧形构造属于构造弯曲形成的弯曲弧[17], 是在早期近东西向褶皱基

础上向NW 挤压凸出形成的。通过对褶皱枢纽、相关断层、节理、缝合线的构造解析表明, 巴

东地区弧形构造的滑脱变形主要发生在晚侏罗世-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]。

滑脱层是形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因为褶皱而发生

显着变化, 背斜核部由浅至深逐渐变窄, 曲率半径变小, 当达到一定深度或达到滑脱层面时, 褶皱

变形即可消失。因此, 可从背斜在地表露头的宽窄来定性地判断下伏滑脱层的深度。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断[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, 因此推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

人工地震测深剖面认为, 三峡地区上地壳底部深度约10~15km 的范围存在一个低速层, 厚度约

4km, 横截面形态为肿缩状[24]。地壳速度结构反演结果显示, 从巴东地区在深度

2km、6km、9km 处存在 3个向东逐渐变薄的低速层, 其中最上层(厚度约2km) 在巴东接近地

表, 向东逐渐变深变薄, 最远延伸至茅坪以东 20km 处, 推测为沉积层;下部两层厚度均约为

1.5km, 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明, 在秭归

盆地附近的中上地壳内存在上地幔部分熔融物质, 甚至未形成完整的结晶基底[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说明, 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, 多层滑脱在我国陆内地壳

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通下地壳直至莫霍面的高角度深断

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、花山等多次构造运动, 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

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。横波速度结构

剖面显示, 黄陵背斜以西沉积层厚度 3~6km, 从东向西逐步增厚, 至东口一带转折变薄��

[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。结果表明, 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, 极易形成滑动层。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 (S1lr) 。

湖北省地质矿产局 1 20∶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详细研究

[33]。其中, 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, 生物化石较丰富, 属于开阔海台地相沉积。厚度由南向北逐渐变薄, 偏岩河最大

厚度约880m, 大峡口厚约517m, 宋子园厚约476m。

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摘要：

湖北巴东滑脱构造机制及地球物理场研究综述摘要：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认为,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。Abstract：T...

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