四川盆地变形构造格局及其对地震活动的控制作用

1、对地震活动的控制作用蔡学林曹家敏( 成都理工学院 , 成都 , 610059)摘要本文重点论述了四川中新生代沉积盆地变形构造格局 、盆内地震活动规律 、变形构造形成演化与地震活动的时空耦合关系等 。提出盆内浅源地震主要受盆内薄皮构造中的冲起构造带控 制 , 并认为地震活动随变形构造的前展式扩展有逐渐向盆地中央迁移的趋势 。关键词 : 变形构造格局 薄皮构造 冲起构造带 地震 四川盆地作者承担地质矿产部重大基础地质研究项目中国西部大型沉积盆地形成演化与地球动力学研究时发现 , 四川盆地沉积盖层的构造变形作用对盆内地震活动有明显的控制作用 ,为此 , 对两者的时空与成因关系作了研究 。本文重点讨论

2、了四川中新生代沉积盆地沉积盖层 变形构造格局 、盆内地震活动规律 、变形构造形成演化与地震活动的时空耦合关系等 。提出盆内地震活动主要受盆内薄皮构造中冲起构造带的变形作用所控制 。一 、四川盆地变形构造格局四川沉积盆地被周边造山带的三个典型的巨型推覆构造系所围限 : 盆地北缘分布有近北西西 - 南东东向延伸的秦岭 - 东昆仑巨型推覆构造系中的武当山 - 大巴山推覆构造和西秦 岭 - 东昆仑推覆构造 ; 盆地东南方向分布有北东 - 南西向延伸向北西突出的江南巨型推覆构造系中的川鄂湘黔滑脱构造和雪峰山推覆构造 ; 盆地西北缘和西缘分布有龙门山 - 锦屏山巨型推覆构造系中的龙门山推覆构造和锦屏山叠加

3、推覆构造 。推覆构造内主滑脱 - 拆离带 以上各中央推覆体带均向四川沉积盆地逆冲推覆与滑脱各推覆体呈后展式扩展 , 形成厚皮构 造 。运用现代构造解析理论和方法 , 从沉积盆地整体变形构造特征来看 , 可将四川中新生代沉积盆地内盖层变形构造由盆地边缘到中央划分为四个变形构造带 : 盆缘叠瓦逆冲断层 带 ; 盆内断层三角构造带 ; 盆内冲起构造带 ; 中央宽缓褶皱构造带 (图 1 ) 。11 盆缘叠瓦逆冲断层带叠瓦逆冲断层带位于四川沉积盆地边缘 , 同时构成造山带外侧大型推覆构造的前缘变形 构造带 。它由一系列断裂面向造山带方向倾斜的逆冲断层组成 , 在剖面上呈叠瓦式排列 , 在平面上各逆冲断层

4、多呈平行展布 , 延伸长 , 宽度窄 。地表逆冲断层面倾角较陡 , 向深处断裂 1 、2 图 1 四川盆地及邻区变形构造格局略图11 中新生代盆地 ; 21 褶皱轴迹 ; 31 断层带 ; 41 推覆构造主要断裂带 ; 商南 - 丹凤断裂带 ; 城口 - 青峰断裂带 ; 玛心 - 略阳断裂带 ; 龙门山断袭带 ; 鲜水河断裂带 ; 金河 - 青河断裂带 ; 峨眉山断裂带 ; 龙泉山断裂带 ; 华蓥山断裂带 ; 金佛山断裂带 ; §彭水断裂带 ; §慈利 - 花垣断裂带 ; §湘潭 - 衡阳断裂带 ; §宜春 - 郴州断裂带 。1 秦岭 - 东昆仑巨型推覆

5、构造系 ; 11 秦岭推覆构造 ; 21 大巴山 - 武当山推覆构造 ; 31 西秦岭 - 东昆仑推覆构造 ;1 龙门山 - 锦屏山巨型推覆构造系 ; 11 龙门山推覆构造 ; 21 锦屏山叠加推覆构造 ; 1 江南巨型推覆构造 ; 11 雪峰山推覆构造 ; 21 九岭推覆构造 ; 31 罗霄山推覆构造 ; 11 川东南断层三角构造带 ; 21 大凉山断层三角构造 层 ; 31 川东冲起构造带 ; 41 川中宽缓褶皱构造带 ; 51 龙泉山冲起构造带皱构成 , 逆冲断层切割倒转褶皱的倒转翼 , 各逆冲断层向深部延伸交汇到主滑脱 - 拆离带上变形呈前展式扩展 3 。有时(图 2 ) 。总之 ,该

6、带变形复杂 ,变形较强 ,并以脆性变形为主 ,图 2 川东北巫溪天星桥至城口庙坪构造剖面图 2 分布有中央推覆体带中的飞来峰 , 如龙门山前叠瓦逆冲断层带中的众多滑覆体和飞来峰 。21 盆内断层三角构造带正向逆冲断层与反向逆冲断层及底板滑脱带之间所围限的区域称为断层三角构造带 。断 层三角构造位于叠瓦逆冲断层带内侧 , 在四川沉积盆地中分布广泛 : 在盆地东南 , 金佛山 -七曜山断裂带以东古生界分布地区由彭水断层三角构造 (图 3) 和黔江断层三角构造等构成图 3 彭水断层三角构造剖面图 (武隆芙蓉江地区)二叠系下统标志层 ; 显生宙沉积岩系 ; 中 、晚元古界浅变质岩质 。 1 彭水断层三

7、角构造带 ; F11 - 白马崖正向逆 冲断层 ; F2 - 芙蓉江反向逆冲断层 ; F3 - 彭水正向逆冲断层川东南断层三角构造带 1 ; 在盆地西部安宁河断裂带以东古生界分布地区由小相岭断层三 角构造和牛五断层三角构造等构成大凉山断层三角构造带 。沉积盆地内部的断层三角构造带 多为隐伏构造 , 通常由地震等地球物理探测方法揭示 , 例如 , 四川盆地东北缘西流溪断层三 角构造带 2 、四川盆地西北缘郫县隐伏断层三角构造带 4 。断层三角构造带变形最大特征 是 : 正向逆冲断层和反向逆冲断层与底板滑脱带互相联通 , 当构造变形时 , 应力不易集 中 ; 正向逆冲断层与反向逆冲断层之间常发育隐

8、伏的低缓背斜构造 。31 盆内冲起构造带冲起构造又称突起构造 , 通常在背斜两翼发育相向倾斜的背冲逆断层 , 从而构成冲起构 造 。它发育在四川沉积盆地由边缘向中央的过渡地带 。川东冲起构造带和龙泉山冲起构造带 是四川盆地内典型的冲起构造带 。一般组成冲起构造的背斜核部岩层平缓 , 两翼岩层倾向相反 , 倾角较陡 , 轴面近直立 , 在向外岩层变缓 。冲起构造内的逆冲断层多发育在背斜两陡翼 强硬岩层中 , 向上或向下延伸到软弱岩层中逐渐消失 , 在剖面上构成背冲逆断层组合 , 浅部 逆冲断层倾角较陡 , 向深部逐渐变缓 。例如 , 川东大池干井冲起构造由二叠系 、石炭系强硬 岩组成的背斜向上向

9、下减弱 , 并逐渐消失 , 所伴生的背冲逆断层主要集中在强硬岩层中 , 向上向下亦很快消失 (图 4) 。41 中央宽缓褶皱构造带宽缓褶皱构造带发育在四川沉积盆地中央 , 构造形态以大型对称的宽缓褶皱为主 , 一般 背斜核部较宽 , 地层产状近水平或缓倾斜 , 表现为大面积水平岩层或近水平岩层 , 翼部岩层 产状也较平缓 6 。在平面上多呈短轴背斜与向斜展布 。一般宽缓褶皱内部断层不发育 。有图 4 大池干井冲起构造地震时间剖面图 5 二 、盆内变形构造对地震活动的控制作用八十年代以来 , 地震学家 7 、8 、9 对四川盆地地震活动特征作了系统研究 , 取得不少新的认识 。作者通过对部分地震

10、活动资料与盆内变形构造时空耦合关系的分析与研究后发现 , 盆 内盖层变形构造几何结构样式 、盆地基底性质及其周边造山带的活动性对盆内地震活动的分 布规律 、地震震级 、震源深度 、地震活动迁移趋势等均有明显的控制作用 。11 变形构造几何结构样式与地震分布规律通过上面盆内各变形构造带的分析与论述可知 , 四川盆地沉积岩层中发育的变形构造 , 由周边造山带前缘到沉积盆地中央 , 其几何结构样式一般由造山带大型逆冲推覆体 , 向盆缘 叠瓦逆冲断层带 盆内断层三角构造带 盆内冲起构造带 中央宽缓褶皱构造带变化 , 盆内各变形构造带大体呈对称展布( 图 5 ) 。四川盆地属双向挤压沉积盆地 。从地震活

11、动资料显示 , 四川盆地内地震活动多集中在盆内川东冲起构造带和龙泉山冲起构造带中 , 例如 , 重庆江北统景 514 级地震和近期活跃的荣昌地震即分布在川东冲起构造带内铜锣峡冲起构造和石 燕镇冲起构造中 (表 1 ) 。这是由于近期构造变形继续进行时 , 盆内冲起构造带内背冲逆断 层向上向下扩展 , 从而引起深处逆冲断层端点的应力集中 , 当达到岩石破裂极限时 , 就发生 地震 。盆缘叠瓦逆冲断层带和盆内三角构造带虽然是盆内强应变带 , 但其内的逆冲断层向深 部扩展已与主滑脱 - 拆离带联通 , 向上切割沉积岩层达到地表 , 当近期构造变形继续进行 时 , 一般应力失散 , 不易集中 , 所以

12、地震活动相对较少或震级较小 。盆地中央宽缓褶皱构造 带总体是一种正在进行的以塑性变形为主 , 应力集中多未达到岩石的破裂极限 , 故地震活动很少或震级更低 。由此表明 , 四川盆地内的震源主要集中在冲起构造带内的隐伏背冲断层附近 。图 5 四川中新生代双向挤压沉积盆地变形构造模式图a - 盆缘叠瓦逆冲断层带 ; b - 盆内断层三角构造带 ; c - 盆内冲起构造带 ; d - 中央宽缓褶皱构造带 ; e - 造山带边缘大型逆冲推覆体带 龙门山造山带 - 四川沉积盆地部分地震活动特征表表 1 松潘黄龙 松潘平武 松潘平武 茂县叠溪 北川苏保 小金两河 大邑双河 绵竹大水闸江油青莲镇 彭州三界蒲

13、江 仁寿大林场 金堂县城 射洪金家自贡 荣昌安福 荣昌广顺 荣昌许溪 江北统景黔江 、咸丰221 构造变形强度与地震震级大小编号时 间经纬坐标地理位置构造部位震级深度 ( km)资料来源1197318111N32°45, E104°6龙 门 山 造 山 带造山带中心 大型挤压 - 伸展变形带61520四川地震目录2197618116N32°36, E104°671221四川地震目录3197618123N32°30, E104°1871222四川地震目录4193318125N31°54, E103°2471521四川

14、地震目录51958 1218N31°31, E104°0造山带边缘 大型逆冲推覆体带61218四川地震目录6198919122N31°32, E102°2261610刘盛利等7197012124N30°39, E103°1761215四川地震目录8198313112N31°35, E104°2四 川 沉 积 盆 地盆地缘叠瓦逆冲断层带4149赵珠等9199412125N31°42, E104°37414519赵珠等101989110110N30°58, E104°5郫县隐伏断

15、层三角构造带218514赵珠等11173413N30°18, E103°30龙泉山冲起构造带5105钱洪等12196711124N30°12, E104°65154四川地震目30°50, E104°27214519赵珠30°54, E105°15川中大型宽缓褶皱构造带211515赵珠29°22, E104°394165钱洪等16199318120N29°37, E105°21川东冲起构造带4134陈

16、天29°24, E103°324134陈天29°30, E105°295134陈天长191989111120N29°55, E106°535145刘盛利等20198916110N29°42, E108°48川东南断层三角构造带5 111黄伟等果 10 。就盆内断裂变形而言 , 总体为地壳表层的脆性变形 , 仅在盆缘局部逆冲断层表现为脆韧性变形 3 。从现有地震资料统计表明 , 盆内地震震级以小地震活动为主 , 仅个别为中 强地震 7 。一般而言 , 从龙门山造山带

17、到四川盆地中央地震震级由大逐渐减小 , 在造山带震 级 可 达 6 7 级 , 在 盆 地 边 部 震 级 可 达 4 5 级 , 到 盆 地 中 部 一 般 在 4 级 以 下 ( 图 6 ) 。进图 6 四川盆地部分地震震中分布图一步研究发现 , 冲起构造带内发生的地震震级通常大于两侧的变形构造带内的地震震级 , 例 如 , 龙泉山冲起构造带内的地震活动较强 , 向东侧川中宽缓褶皱构造带或向西侧郫县隐伏断 层三角构造带震级均有减弱的趋势 11 。研究表明 , 盆内构造变形强度和地震震级大小 , 除 受盆内沉积岩层物理力学性质影响外 , 主要取决于两方面的因素 : 盆地周边造山带构造变 形强

18、度 , 特别是逆冲推覆构造发育程度和近期活动性 , 如果推覆构造发育和近期活动 , 盆内 沉积岩层构造变形较强 , 震级较大 , 反之 , 变形强度较弱 , 震级较小 , 由此表明 , 研究此类 挤压沉积盆地变形构造特性和地震活动性时 , 必须与研究造山带变形构造发育规律相联系 ;盆地基底相对稳定性与面积大小 , 如果面积较大和相对较稳定 , 沉积盆地中央对周围造山 带的构造变形反映较小 , 则变形强度就弱 , 震级就小 , 四川盆地面积较大 , 盆地基底属相对稳定的克拉通基底 , 盆地岩石圈厚达 200 千米以上 12 , 可能存在大陆根或地幔根 , 因此变形强度较弱 , 震级一般较小 。反

19、之 , 变形强度就大 , 震级就大 , 如华北伸展型裂谷盆地 13 。31 薄皮构造与地震震源深度根据地质 、石油钻探 , 地震勘探等研究资料显示 , 盆内变形构造中褶皱和断裂影响深 度 , 从盆地边缘到中央由深变浅 ( 图 5 ) 。盆内褶皱主要由强硬岩层二叠系厚层灰岩 、白云质灰岩构成 , 它控制盆地褶皱构造形态的发育 , 向上至中生界 、向下至下古生界褶皱形态均逐渐开阔 , 直至消失 , 这种褶皱剖面形态的变化规律是由于强硬岩层褶皱过程中引起上下软 弱岩层的褶皱和变形造 成 的 ( 图 7 ) , 这 种 构 造 现 象 称 为 接 触 应 变 作 用 1 、14 。盆 内 冲 起 构

20、造带和中央大 型 宽 缓 褶 皱 构 造 带 中 , 地 表 断 层 不 发 育 ,而以隐伏逆冲断层为主 。它们常沿背斜两陡翼强硬岩 层中发育 , 并构成背冲逆断层组合 , 逆冲断层向上或直至消失 1 、9 ,向下逐渐减少 ,这些事实充分表明 , 逆冲断层是褶皱构造发育到一定阶段的产物 , 随着构造变形的加强 , 逆冲断层逐渐由强硬岩层向上或向下的 软弱岩层中扩展 。而不是断层扩展引起的褶皱 。总之 , 盆内构造变形主要沿基底与盖层间滑脱面以上 5 10千米的沉积岩层发育 ( 图 5 ) 。因此 , 四川沉积盆地沉 积岩层的变形构造属薄皮构造 , 该薄皮构造完全控制了盆内地震震源深度 。在龙门

21、山造山带内部厚皮构造 显示的地震震源深度约 18 22 千米 , 到盆山结合带震 源深度约 1015 千米 , 到盆内薄皮构造显示的地震震源深度仅有 46 千米 (表 1 ) 。例如 , 龙泉山冲起构造图 7 强硬岩层 (A) 褶皱引起软弱岩层 (B 、C) 的褶皱和变形带内于 1967 年 1 月 24 日在仁寿大林场发生的 515 级地震 , 震中位于龙泉山冲起构造西侧 ,其震源深度仅有 4 千米 , 震源正好位于龙泉山冲起构造东侧逆冲断层向西向深部延伸的端点 7 、8 。总之 ,它们可能是由于构造变形沿逆冲断层端点出现应力集中 , 引起逆冲断层向深部破裂扩展 , 形成浅源构造地震 , 其

22、发震构造是冲起构造中的逆冲断层 。41 变形构造扩展顺序与地震活动趋势和迁移趋势四川盆地内沉积盖层变形构造形成时期以喜山期挤压变形为主 1 、6 。盆内地震活动的存 在 , 显示盆内构造变形近期仍在进行 。由于受周围造山带逆冲推覆构造作用的影响 , 从造山带边缘到沉积盆地中央 , 变形构造的扩展顺序均呈前展式扩展 , 即由老到新扩展 1 、3 。沉积盆地边缘构造变形较早 , 但现今仍在发生构造变形 , 表现为盆地边缘地震活动的发育 , 因 此 , 积累的应变量大 , 所形成的变形构造复杂 。沉积盆地中央构造变形起步较晚 , 因此 , 积累的应变量小 , 所形成的变形构造简单( 图 8 ) 。从

23、现有盆内地震资料统计分析表明 , 九十年代以来 , 四川盆地内部处于地震活跃期 , 地震活动有逐渐增强的趋势 9 。例如 , 1993 年以来 , 位于石燕镇冲起构造东北段的荣昌县境内连续发生了三次地震 , 1993 年 8 月 20 日荣 昌县安福发生 413 级地震 , 1997 年 2 月 25 日荣昌广顺发生了 413 级地震 , 1997 年 8 月 13 日发生 513 级地震 , 其震深深度很浅 , 仅有 4 千米深1) 。1996 年 2 月 28 日宜宾永兴 514 级 地震震中位于华蓥山断裂带以北川中宽缓褶皱构造带中白花宽缓背斜的倾伏端 , 其发震构造可能与倾伏背斜伴生的隐

24、伏断层所引起的 , 联系江北统景 514 级地震 , 荣昌 413 513 级地 震显示 , 地震由南东向北西迁移 。总之 , 由于受盆内变形构造前展式扩展的影响 ( 图 8 ) , 盆内地震活动有逐渐向盆地中央迁移的趋势 。如果周缘造山带应力状态不发生重大变化 , 今 后四川盆地地震活动仍有逐渐向盆地中央迁移的趋势 。在成文过程中得到唐荣昌等专家的帮助 , 并参阅较多四川省地震局有关文献 , 梁春涛 、蔡晓锋等协助收集部分资料 , 在此一并表示感谢 !参 考 文 献1 蔡学林等 1 四川盆地褶皱构造接触应变分析 1 成都地质学院学报 , 1993 , 20 (4) : 1102 张力等 1

25、大巴山前缘震旦系及下古生界含油气条件探讨 1 天然气工业 , 13 (1) : 42473 蔡学林等 1 武当山推覆构造的形成与演化 1 成都 : 成都科技大学出版社 , 651144 Cai Xuelin et al1 , On t he wedging - in Orogeneisis1 Progress in Gelogy of China (1993 - 1996) - Papers to 30t h I GC1China Ocean Press , Beijing1314 - 3205 四川油气区石油地质编写组 1 中国石油地质志 ( 卷 101 四川油气区) 1 北京 : 石 油

26、工 业 出 版 社 ,1989 , 871096 郭正吾等 1 四川盆地形成与演化 1 北京 : 地质出版社 , 1996 , 1541627 钱洪等 1 四川盆地的地震地质特征 1 四川地震 , 1992 , (3) : 13188 唐荣昌等 1 四川活动断裂与地震 1 北京 : 地震出版社 , 1993 , 11929 李桂芳等 11996 年 2 月 28 日四川宜宾 514 级地震的参数和前兆 1 四川地震 11996 , (3) : 11110 宋鸿林 1 构造动力学的显微构造研究 1 见 : 当代地质科学前沿 - 我国今后值得重视的前沿研究领 域 1 武汉 : 中国地质大学出版社

27、, 1993 , 17818211 钱洪等 1 成都平原最大可能地震能力估计 1 四川地震 11997 , (4) : 1712 朱介寿 、曹家敏等 1 中国及其邻区地球三维结构初始模型的建立 1 地球物理学报 , 1997 , 40 ( 5 ) :62764813 马杏垣等 1 江苏响水至内蒙古满都拉地学断面 1 北京 : 地质出版社 , 1991 , 35514 Ramsay J 1 G1and Huber M1 I1 , The Techiniques of Modern st ruct ural Geology , Vol11 , A cademicPress , Lo ndo n , 1987 , 101 - 140THE D EFO RM ED STRUCTURES FRAM EWO RK CO NTROLF UNCTIO N O N EA RTHQUA KE I N SCI HUA N BASI NCa i Xuel