安宁河断裂带位于康滇地轴的轴部,是川滇南北构造带的主要断裂,具有活动强度大、滑动速率高等特点,在地貌和影像上呈明显线性断层地貌特征(图1a)。断层主干断裂贯穿安宁河河谷,断层总体呈南北走向,倾向东或西,倾角60°～80°,为逆冲断层,个别地段可见正断层。该断裂形成于晋宁期,后经过多次构造运动,在漫长的地质演化史中,对其周围的沉积和岩浆活动有明显的控制作用。在航磁异常图和布格重力异常图上,安宁河断裂都有明显的反映。该断裂向下切割了莫霍面,是一条深大断裂(国家地震局西南烈度队,1979; 唐荣昌等,1989; Tang et al,1987)。

晚第四纪活动的安宁河断裂带长约150～160 km,具有明显的分段特征(图1)。野外第四纪构造形迹调查表明,该断裂带具有明显的不连续性,主要表现为在纵向上有分段性。断裂带大致可分为两段(裴锡瑜,1998):北段从石棉县的田湾到冕宁县北,该段为由一系列次级断层组成的左旋左阶为主的逆冲走滑断裂,平面结构相对简单。南段从冕宁到西昌(图1b),由一系列次级断层斜列、断续延伸组成2条近平行断裂,靠近河谷的西侧断层水平滑动速率为6.5 mm/a(徐锡伟等,2003a,b),2条分支断层之间为挤压抬升的线性台地,东侧断裂控制了断层槽谷,并发育为串珠状的山间小盆地,西侧断裂的西边为安宁河谷地。

图1 安宁河断裂带构造位置及其影像特征(a)安宁河断裂带附近影像及构造简图;(b)安宁河断裂带空间展布图
Fig.1 Tectonic position and the feature of the image in the Anning River Fault Belt(a)Image and the structure diagram in the Anning River Fault Belt;(b)Distribution pattern of the Anning River Fault

对安宁河断裂带北段研究最深入的是石棉县南紫马跨村附近的断层地貌,前人对此做了大量工作(闻学泽等,2000),取得了诸多有意义的成果。本研究通过对该区微地貌填图,挖探槽揭露断层(图2a),发现在紫马跨村北部约1 km处,发育有3级地貌面:T3为晚更新世冰水堆积台地,堆积物直径差异大,无分选性和磨圆度,形成时代为晚更新世,大约与安宁河III级阶地形成时代(30～46 ka)相当(程建武,董治平,2009); T2台地为冲沟阶地,堆积物有分选性和磨圆度,形成时代大致与安宁河II级阶地相同(16～26 ka); T1为全新世冲洪积扇,发育有次级冲沟阶地,断层通过时,同时切割了3级台地面,形成了断塞塘、断层陡坎和槽谷地貌,断层的形迹较为清楚,形成时代与安宁河I级阶地的形成时代(4.1～10.3 ka)相当(图2)。闻学泽等(2000)用流动GPS测量了T3级台面上陡坎(29°00'30.3″N,102°16'50.8″E)剖面(图4),结果表明,该断层陡坎为复合陡坎,是晚更新世以来断层多期次活动的综合结果。陡坎总高度为8.2 m,其中h₁为新生陡坎,h₁=2.4 m,h₂为老陡坎,新陡坎的高度与附近的T1阶地面上的陡坎高度h=2.3 m相近,由此可以推断出台面上的新陡坎h₁是全新世以来的断层活动形成的,并在T1台面亦有相同的记录。

图2 冕宁县紫马跨村附近构造地貌简图(a)该区构造地貌图;(b)冲沟微地貌单元(图中等高线间距为0.2 m)
Fig.2 Tectonic landform in the Zimakua Village,Mianning County(a)Structure geomorphological map in this area;(b)Microgeomorph unit of the ditch(the spacing of the Contour line is 0.2m)

在T2台地面上发育有3条近东西向的小冲沟弃沟(图2a中的“1”、“2”、“3”),这3条小弃沟可能是在断层左旋活动时位错小水系留下的证据。图2a中T2台面被断层水平位错(36±5)m(图2a中H_S2)。

在T1洪积扇面上发育的小冲沟正好垂直流过断层(图2b),因此断层的多期次活动记录被冲沟形成的阶地保存下来。冲沟的3级阶地反映了断层的3次抬升活动。断层东盘相对西盘抬升,在东盘抬升的冲沟形成阶地(图2b),在西盘发育有断塞塘。我们在野外利用流动GPS测量了该小区的微地貌,等高线间距0.2 m,T₃阶地高度V₃=2.3 m,T₂阶地高度V₂=1.57 m,T₁阶地高度V₁=0.75 m。从地貌分析,水平位错主要标志是T1面阶地坎H_S被错断10.5 m(图2b),其中最年轻的一次水平位错H_S1=3.1 m。根据探槽记录,阶地坎位错10.5 m的位移量有3次事件,以最年轻的一次事件的水平位错H_S1=3.1 m为佐证,可以推测10.5 m的位错量可能是这三次事件的总位移量,并且每次事件的位移量在3.5 m左右。水位水平位移量与垂直位移量之比大约为 4:1。

图3 紫马跨村跨断层探槽揭露断层剖面
Fig.3 Fault profile of trench in Zimakua Village

为了更好地理解断层活动期次与地貌的关系,冉勇康等(2008)在冲沟侧面开挖了探槽Z_mtc1(29°00'29.0″N,102°16'52.0″E)(图2b,图3),取碳测年样品,测年结果分别为:Z_mtc1-1距今1 349～1 634(1 492±142)a,Z_mtc1-2距今1 811～1 921(1 870±60)a,Z_mtc1-6距今1 053～1 172(1 113±63)a和Z_mtc1-7(5.3±0.4)ka(由于该值明显比其它3个¹⁴C 样品的测年值偏老,不确定性较大)。图3中的断层F₁、F₃和F₄分别错断了不同的地层单元,形成明显的3次活动事件,该探槽揭露出3次古地震事件,第一次事件距今:1 634～1 811(1 680±190)a,第二次事件距今556～1 053 a。最后一次事件距今508～556(532±24)a(冉勇康等,2008)。由于古地震的3次事件和冲沟小阶地3级垂直位错和水平位错事件有很好的对应关系,因此可以推断构造微地貌的形成是断层活动响应的具体表现。

综上所述,可以得出紫马跨村附近断层活动的定量数据(根据野外流动GPS测量结果,精度在0.2 m左右)。自距今30～46 ka以来,T3级台面断层陡坎高度为8.2 m,因此断层垂直滑动平均速率为0.27～0.18 mm/a; 距今16～26 ka以来,T2台地面水平位错量为40 m,因此水平滑动平均速率为1.54～2.50 mm/a; 距今4.1～10.3 ka以来,T1级台面断层陡坎高度是2.4 m,因此断层垂直滑动平均速率为:0.59～0.23 mm/a; 阶地坎被断层水平错断10.5 m,如果T1阶地面形成后就被累积断层错断位移量,则断层的最小水平滑动速率为1.02～2.56 mm/a; 如按照探槽揭露的3次事件的位移量来计算,即1.7 ka以来位移量为10.5 m,则最大水平滑动速率为6.17 mm/a。这里给出的定量活动数据的上下限值更能准确地显示目前的研究水平。

图4 紫马跨村3级地貌面断层陡坎测量剖面
Fig.4 Measurement of the fault scarp at the third class landform surface in Zimakua Village

在冕宁县城厢镇大海子村附近(28°36'22.2″N, 102°13'0.2″E),安宁河断裂的活动形成的串珠状的湖(当地人叫海子)、断层槽谷和断层挤压形成的透镜状隆起、洪积扇被断层位错等地貌显示了安宁河断裂的存在(图5)。我们在野外对断裂附近填了断裂活动地貌图(图5b),从图中可以看出,断层切割了晚更新世地层,形成了断塞塘,在晚更新世洪积层的基础上发育的串珠状海子,同时由于构造挤压,在断层附近形成了透镜状的隆起,最新断层活动错断了全新世以来形成的小冲锥体,并形成了断层槽谷地貌等。

冉勇康等(2008)在大海子开挖了组合探槽DHZTC(图5b),揭示出断层最后一次活动是

图5 冕宁北大海子村安宁河断裂影像(a)及其断层微地貌分布图(b)
Fig.5 Image(a)and the micro-relief(b)of Anning River Fault in the Dahaizi Village,

1536年西昌北—冕宁的7.5级强震,这也说明南段地震破裂可能到达该地区。

在安宁河断裂带南段冕宁县南高窑村附近,断层形迹清楚,主要表现为断层陡坎、断塞塘等断层微地貌(图6a)。冉勇康等(2008)在断层陡坎附近开挖了探槽(28°30'32.5″N,102°11'51.7″E)、剖面中显示断层已经错断了地表,仅上覆表土层未错断,这揭示断层最后一次活动为1850 年西昌7.5 级以上的地震。图6a-1给出了冕宁帽合山一带安宁河断裂典型的地貌特征,主要为断层槽谷、断塞塘等地貌,图中F示意断层位置,图6a-2为冕宁帽合山附近安宁河断裂带的断层综合剖面,断层东盘为西格达组湖湘地层,西盘为花岗岩,二者接触带为断层通过位置,断层产状近直立,但该观测点未取得较为理想的定量数据。

图6 安宁河断裂带南段活动断层位错地貌(a)和陡坎测量结果(b)(a-1)冕宁南帽合山附近地貌;(a-2)冕宁帽合山附近安宁河断裂带综合剖面图;(b-1)泸沽镇沙尔村断层地貌; (b-2)冕宁泸沽镇沙尔村断层陡坎测量剖面
Fig.6 Dislocation relief(a)and the measurement of the fault scarp(b)in south segment of Anning River Fault Belt(a-1)Landform in the Maoheshan of Mianning;(a-2)Composite section of Anning River Fault Belt in the Maoheshan of Mianning;(b-1)Fault landform in Lugu Town;(b-2)Section of the fault scarp in Lugu Town of Mianning

在泸沽镇南的沙尔村发育有全新世洪积扇(28°15'29.6″N,102°11'42.8″E)。断层通过该洪积扇时,洪积扇面被错断形成了断层陡坎(图6b-1),我们在野外利用皮尺和罗盘对该陡坎进行了测量,陡坎剖面图(图6b-2)显示,断层陡坎高度h=7.5 m。现有研究结果表明全新世洪积扇形成时代在4.1～10.3 ka,由此推断出全新世以来断裂带的垂直滑动平均速率为1.8～0.73 mm/a,该点附近的水系已被断层左旋错断,由于被错地貌面的时代难以确定,很难得到断层水平滑动速率(王新民等,1998)。在泸沽镇附近,裴锡瑜等(1998)根据断层水平错距和地貌面年龄得出南段水平滑动速率为5.4 mm/a。

在安宁河断裂带附近的西昌地区历史记载过1536年和1850年2次7.5级地震(图7中虚线框所示),以后150多年来,除1952 年在冕宁以南发生过一次6.5 级地震外,没有更大的地震发生。可以看出安宁河断裂带北段处于明显的“缺震”状

图7 安宁河断裂带及其附近历史强震分布图(图中线条为活动断裂,为了图面的清晰,图中只标出了与本文相关的3次7级以上地震发震时间及大小)
Fig.7 Distribution of the historical earthquakes near the Anning River Fault Belt

安宁河断裂带是川滇块体的东边界,位于龙门山断裂的南部。强震一般都发生在边界断裂上,因此安宁河断裂带的强震危险性值得讨论。

第一,从地震地质角度来讲,安宁河断裂带北段已经进入了强震复发周期(冉勇康等,2008)。已有的古地震研究表明(冉勇康等,2008; 闻学泽等,2000),在紫马跨村附近断层最后一次活动时间约为公元15世纪(1480年),根据古地震活动的准周期估计,目前已达强震活动的准周期(冉勇康等,2008),且地震强度在7级以上。同时,安宁河断裂南段2次7.5级以上地震的发生(闻学泽等,2007),对南段具有贯通作用,使该段应力累积速度相对缓慢,因此发生大震的危险性较低; 而北段处于所谓的“闭锁”状态,因此北段的地震危险性大于南段。

第二,从地震活动性来分析,在安宁河断裂带上曾今发生过的历史强震有公元624年8月18日西昌6.0级地震,公元814年4月6日西昌一带7级地震,公元1536年3月29日西昌以北7.5级地震,1850年9月12日西昌7.5级地震,1913年8月冕宁6.0级地震,1923年8月冕宁大桥5.5级地震,1952年9月30日冕宁—石龙6.7级地震等强震。这些强震主要集中在断裂的南段,北段为地震空段,仅发生了1923年冕宁北5.5级地震(韩渭宾,蒋国芳,2005),目前处于一种所谓的“缺震”状态,在这种情况下,北段有可能首先发生中强地震,强度应在7级以上。

第三,2008年汶川8.0级地震发生在龙门山断裂带上,这必将对龙门山断裂带的南段至安宁河断裂带的北段产生一定的影响。应力场的变化将会影响安宁河断裂的地震活动。

四川汶川8.0级地震发生在龙门山断裂带上,属于以逆冲型为主兼走滑性质的地震。依据逆冲型断裂的活动性质,其应力场调整的时间比走滑断裂的更长些(图8)。从构造应力场的角度来分析,2001年昆仑山口西8.1级地震后,该地区的应变能将会向东和东南方向转移,主要表现为在东昆仑断裂带和鲜水河断裂带上迁移,这有可能加剧这两条断裂上的地震危险性。汶川8.0级地震后由东昆仑断裂带、鲜水河断裂带及龙山断裂带为边界构成的马尔康块体相对西川盆地向东和东南方向移动(张培震等,2008; 李建彪等,2006)。由于东昆仑断裂带为左旋走滑断裂,其南盘运动方向刚好与马尔康块体的运动方向一致,因此该断裂两盘的相互作用加强,汶川地震的发生对该断裂有加载作用。鲜水河断裂带也为左旋走滑断裂,其东北盘的移动方向刚好与马尔康块体的运动方向相反,因此马尔康块体向东和东南方向的运动弱化了鲜水河断裂带两盘的相对运动,汶川地震对该断裂为卸载作用。从目前已发生的地震来看,这种判断基本正确,今后应密切注意东昆仑—库玛断裂带发生6～7级地震的可能性。汶川地震的发生还加剧了川滇块体向东南的运动,从而导致南北向安宁河断裂带呈加载趋势,因而该断裂未来的地震危险性较高。

图8 汶川8.0级地震发震动力学过程及构造背景简图(程建武,董治平,2009)
Fig.8 Dynamic process and tectonic background of the MS8.0 Wenchuan earthquake(Cheng,Dong,2009)

安宁河断裂带是川滇菱形活动块体东部边界断裂的一部分。当川滇活动块体由北北西向南南东滑动时,活动块体在南南东方向的主应力作用在南北向的安宁河断裂上,分解成一个与断裂平行的南北向水平滑动分力和一个垂直于南北向断裂面的压力,从而使安宁河断裂既具有走滑特性,也具有挤压特征。

根据安宁河断裂带的活动特征,一般将其划分为南、北两段,石棉—冕宁段由较单一断层组成,晚第四纪以来断层活动表现为挤压和走滑的双重特征。垂直滑动速率与水平滑动速率比为4:1,距今30～46 ka以来断层垂直滑动平均速率为0.27～0.18 mm/a; 距今16～26 ka以来水平滑动平均速率为1.54～2.50 mm/a; 距今4.1～10.3 ka以来断层垂直滑动平均速率为0.59～0.23 mm/a。最小水平滑动速率为1.02～2.56 mm/a,1.7 ka以来最大水平滑动速率可能为6.17 mm/a。冕宁—西昌段由1～2条断层组成,全新世以来该段垂直滑动平均速率为1.8～0.73 mm/a,水平滑动速率为5.4 mm/a。而冕宁东北的大海子—干海子一带为南、北两段的过渡段,该处断裂有东、西2支分支断层。其中大海子—干海子一带为断裂带的东支断层,该断层的最后一次活动与1536年西昌7.5级地震有关,古地震揭示西昌强震的破裂带有可能到达该段。

地震地质研究表明安宁河断裂带历史上有多次强震发生,该断裂带是一条强地震活动带,断裂北段的“缺震”状态和古地震研究结果表明,北段目前已进入了强震活动的复发间隔期(冉勇康等,2008; 闻学泽等,2000),并且2008年汶川8级地震对该区应力场也有影响。随着时间的推移,断裂带的强震危险性在增加,且北段的强震危险性大于南段,未来地震的强度在7.5级左右。

感谢中国地震局地质研究所冉勇康研究员、张培震研究员、徐锡伟研究员和四川省地震局闻学泽研究员对本研究野外工作的指导。感谢陈立春博士参与了部分野外工作。感谢四川省地震局和西昌地震监测中心对本研究工作的大力支持。