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。

　　关键词：　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 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。

　　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36~253 m, 是鄂西地区主要的含煤层, 一般含煤1~2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470m, 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]。笔者认为, 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2009-03~2010-12 ML0.8~2.9地震精定位结果[34]和2011-01~2017-07 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, 线性分布特征十分明显。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系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, 只有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, 其中上部蓝色曲线为剖面切过的地形线, 绿色曲线为推测的滑脱层 (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布特征几乎完整地揭示了深部滑脱褶皱两翼的几何形态, 可以看出, 地震基本分布在0~7km范围内, 越靠近褶皱核部地震越少, 而越靠近深部的两翼端地震越多, 且几次较大地震也都发生在两翼较深的位置。结合平面图 (图2) 来看, 该地震条带又可细分为南、北两支。南支在总体呈NE走向的形态下, 还存在向SE方向凸出的小弧形弯曲, 而该小弯曲与地表出露的褶皱枢纽非常一致, 展示出地震顺滑脱层分布的细部特征。剖面B-B′也基本展示出地震分布顺褶皱两翼分布的特征, 只是在北翼地震较少, 规律没有南翼清晰, 而在褶皱核部同样地震较少。张丽芬等[4]对2013年巴东5.1级地震序列活动进行精定位后也发现, 该地震序列在剖面上也沿倾向SE的平面分布。剖面C-C′位于近东西向褶皱的北翼, 而地震集中分布的平面也同样顺地层产状呈现总体向北倾斜的特征, 同时还可发现, 该剖面存在由多个顺层滑脱面相互剪切形成的主滑脱面的转折。

　　图3 2009~2010年巴东地区地震活动剖面 (剖面位置见图2) Fig.3 Seismic profile of Badong area from 2009to 2010

　　2017-06-16和06-18在湖北巴东地区又连续发生M4.1、M4.3地震以及一系列微震。该地震序列位于图3中剖面C-C′附近, 水平距离仅约为6km。为避免地壳速度模型以及传播路径的影响, 笔者利用在震中区布设的流动地震仪和最近的金子山地震台记录的波形数据, 采用S-P到时差计算了本次震群活动中主要地震事件的震源深度, 计算结果同样显示出本次震群活动总体沿倾向NW的平面分布的特征, 同时也可以看到与图3中剖面C-C′类似的由多个顺层滑脱面相互剪切形成的主滑脱面的转折现象 (图4) 。

　　4、 库水对地震活动的影响

　　虽然活动褶皱作为活动构造的一种也引发地震活动, 但不能认为本区的地震活动都是由于这些薄皮构造中褶皱的活动引发的。因为在上地壳收缩构造变形过程中, 断裂变形可以单独产出, 但褶皱变形通常与断裂构造有密切联系, 往往以构造组合的形式存在。根据主导变形机制的不同, 可将断层作用主导的褶皱称为断层相关褶皱, 褶皱作用主导的断层称为褶皱相关断层。本区的褶皱与断裂在不同尺度上的构造组合形式的复杂性, 奠定了本区地震活动成因多样性的基础。此外, 本区的现今地质环境也不容忽视, 甚至决定了本区微小地震的活动特征。其一, 本区处于三峡水库库首区, 最高水位从2003年的70m抬升到135m, 2006年抬升到156m, 2008年进一步抬升到175m, 之后每年水位均要经历一次135~175m的大幅波动;其二, 本区大面积发育碳酸盐岩, 而且地表喀斯特和地下岩溶均十分发育。

　　图4 2017-06-16~06-19巴东地区地震活动分布及剖面Fig.4 Seismic profile of Badong area from Jun 16to 19, 2017

　　地下水在地震孕震、发震过程中的作用在国内外已经研究了几十年。地下水等流体的存在会对地下结构的物质成分及力学性质产生重要影响, 不仅可以与岩石发生反应生成摩擦系数低的粘土等层状硅酸盐矿物, 而且也会由于被局部封闭产生高压导致断层弱化。因此, 水库附近的地震一般会受到断层活动、流体渗透及外加载荷的共同作用, 库水的作用在前期主要表现为流体渗透导致的裂隙或断层面强度降低 (如三峡库区这种周期为1a的水位变化, 当扩散率仅为0.1m2/s, 就可影响到地下7.8km;若扩散率为1m2/s, 影响深度则可达到24.8km) , 而后期由于孔隙压力趋于稳定, 库水作用主要表现为水体的加卸载导致的裂隙或断层面上库仑应力的改变[36]。王秋良等[9]也发现, 三峡水库蓄水后巴东地区的地震活动程度较之前有增强现象, 认为地震的发生与库水位的变化存在一定关系。

　　另外, 双差层析成像结果还显示, 三峡水库库水加载对上地壳岩石的稳定性和结构也有明显的改造作用, 足以引起P波和S波波速发生15%和10%的变化;水平剖面揭示该速度变化主要集中在长江及其支流附近[35]。

　　因此, 对于巴东地区而言, 多层滑脱构造形成的构造背景、灰岩等碳酸盐岩的大面积分布以及库水位的反复加卸载是造成本区地震活动复杂性的3个不可或缺的因素。滑脱褶皱活动过程中, 在枢纽附近容易产生大量劈理或裂隙, 在褶皱的转折端容易形成构造虚脱, 这些构造均能加速地下水的下渗;多层灰岩的发育是溶蚀作用的物质基础, 便于产生大规模溶蚀裂隙或多层溶洞;水位的反复加卸载和长期浸泡有利于溶蚀作用的加剧和岩溶的进一步扩展, 而溶蚀作用产生的裂隙又会促进地下水的渗入。三者形成正反馈环, 周而复始, 结果或者是在深部产生可观的物理空间, 或者提高局部的空隙压力, 亦或生成软弱物质, 最终导致岩溶塌陷地震、顺层滑动地震或触发构造地震。

　　5、 结语

　　本文通过对近年来前人对川东-鄂西地区弧形薄皮构造和三峡地区地球物理探测结果的梳理, 构建了巴东地区多层滑脱构造的三维理论模型, 确定了本区主要的滑脱层, 进而研究了地震活动的空间分布与滑脱褶皱以及三峡水库的关系, 主要取得以下认识:

　　1) 巴东地区位于川东-鄂西城垛式褶皱带向NE延伸的部位, 主要受北侧秦岭造山带、南侧雪峰山厚皮构造带、西侧四川盆地和东侧黄陵背斜隆起的共同影响。

　　2) 巴东地区的滑脱层主要有中三叠统巴东组、下三叠统大冶组、下二叠统栖霞组、下志留统罗惹坪组4个岩石力学性质较软弱的地层。

　　3) 巴东地区地震活动多沿着本区3条NE向弧形背斜构造的枢纽方向分布, 地震的空间分布与滑脱褶皱的几何形态非常接近, 靠近背斜褶皱核部地震较少, 而两翼地震较多, 较大地震多发生在深处的翼部。

　　4) 滑脱构造形成的构造背景、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活动复杂性的3个不可或缺的因素。

　　由于本区地球物理资料较为缺乏, 尤其是未能收集到高精度的剖面资料, 导致在构建多层滑脱的三维模型时受到诸多限制, 无法严格地确定各岩石力学的软弱层与地球物理学给出的速度结构之间的关系, 只能给出相对合理的示意图。

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