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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 t
2、he 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 distributio
3、n 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,
4、 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;
5、 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M
6、4.3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
7、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
8、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
9、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
10、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 area2、 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,
11、 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。
12、由于后期受到黄陵背斜在晚侏罗世-晚白垩世早期 (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
13、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
14、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
15、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
