地质科学  2016, Vol. 51 Issue (2): 594-618   PDF    
依兰—伊通断裂新构造活动规律分析

翟明见, 朱光 , 刘备, 顾承串, 张帅, 林少泽, 宋利宏    
合肥工业大学资源与环境工程学院 合肥 230009
基金项目: 国家自然科学基金项目(编号: 41472186)和中国地质调查局项目(编号: 1212011120099)资助
翟明见,男,1990年10月生,硕士研究生,构造地质学专业.E-mail:zmjqyfw@163.com
朱光,男,1959年3月生,博士,教授,构造地质学专业.本文通讯作者.E-mail:zhuguang59@hotmail.com
2015-07-11 收稿, 2015-11-25 改回.
摘要: 作为郯庐断裂带北段主干的依兰—伊通断裂, 其新构造活动性与活动规律仍然存在不同的认识.本次工作通过详细的野外调查, 发现该断裂内活断层广泛存在, 由东、西两支北东走向的主干活断层构成, 沿着古近纪地堑边界断层发育.这些活断层主要呈破碎型结构, 多为逆右行平移活动.通过对这些活断层一系列实测擦痕反演应力场, 显示它们多是在东西向挤压中活动的, 而现今应力场转变为北东东—南西西向区域性挤压.依据本次野外观察与14 C定年, 并结合前人定年结果与近代地震分布, 表明依兰—伊通西支活断层的最新活动时代为全新世与晚更新世相间, 而东支活断层的最新活动时代主要为早-中更新世.依兰—伊通断裂内活断层显示了明显的差异性活动, 表现为西支的活动强度明显大于东支, 西支的最新活动时代皆晚于东支, 沿走向上活动性强、弱相间与最新活动时代不断变化, 以及近代地震活动不均一分布.它们沿走向上的分段性、差异性活动主要是因为被一系列北西向断层切断所致.
关键词: 依兰—伊通断裂    活断层    运动学    应力场    最新活动时代    

中图分类号:P542    doi: http://dx.doi.org/10.12017/dzkx.2016.019

郯庐断裂带是中国东部巨型的活动构造带(国家地震局地质研究所,1987魏光兴等,1993晁洪太等,1999朱光等,2002闵伟等,2011鞠林雪等,2012胡惟等,2013严乐佳等,2014刘备等,2015)。对于其新构造活动规律的正确认识不但是理解中国东部新构造期区域动力学的重要方面,也是分析其地震危险性的重要基础。该断裂带在东北地区由西支的依兰—伊通断裂和东支的敦化—密山断裂构成。作为郯庐断裂带北延的主干断裂,依兰—伊通断裂的新构造活动规律关系到对整个郯庐断裂带新构造活动性的正确认识。然而,前人对依兰—伊通断裂新构造活动方面的研究程度仍然有限,在诸多方面还存在着不同看法。在依兰—伊通断裂活断层的分布方面,多数学者认为是沿着早期断裂复活(刘祥,1983李军敏,2004李恩泽,2012李中根等,2013),但具体分布情况还不十分清楚。在活断层的活动方式方面,一些学者认为是右旋走滑兼具小规模的逆冲(郭德明,1986童亨茂,2002孙万军等,2004唐大卿等,2010余中元等,2014),但也有学者主张是逆冲为主、右行走滑为辅(万天丰等,1996江涛等,2009于光源,2013)。在新构造活动强度变化方面,前人推断南部的沈阳—吉林市段和北部的依兰—萝北段活动性较强,内部的西支活动强度大于东支(郑照福,2006陈德兴等,2008疏鹏等,2014),但展示的证据十分有限。关于依兰—伊通断裂第四纪以来的应力场,以往仅有现代应力场分析,多认为现代处于北东东—南西西向挤压(刘祥,1983郭德明,1986万波等,1997葛荣峰等,2009王兆国等,2009),但第四纪期间是否保持着不变的应力状态一直缺乏研究。在活断层的最新活动时代方面,以往多认为其全新世不活动(国家地震局地质研究所,1987魏光兴等,1993),并分别有晚更新世早期(雷清清等,2008)、晚更新世(余中元等,2014)、晚更新世晚期(于光源,2013)等最新活动时代观点。但是,近年来通过14 C定年发现该断裂部分段为全新世活动(Min et al., 2013)。依据依兰—伊通断裂上全新世活断层的发现及古地震构造分析,Min et al.(2013)推断该断裂在历史上发生过7级以上强震,远大于近代不超过6级的地震记录。

鉴于上述现状,笔者等对依兰—伊通断裂内的活断层开展了详细的野外调查,对活断层擦痕进行了系统的测量,对部分错断层进行了14 C定年。在此基础上,对该断裂内活断层的几何学、运动学、应力场与最新活动时代进行了综合分析,并探讨其差异性活动原因,为认识该断裂的新构造活动规律与地震危险性提供了重要的信息。

1 地质概况

依兰—伊通断裂自沈阳向北分别经过开原、伊通、舒兰、尚志、方正、依兰、鹤岗、萝北,过黑龙江后进入俄罗斯境内(图 1)。该断裂呈北东30°~40° 延伸,在中国境内长达900 km以上。依兰—伊通断裂南端(开原以南)切入华北克拉通内,而其主体位于中亚造山带东部(也称为兴蒙造山带)。该断裂由两条主干脆性断层构成,分别为西支断裂和东支断裂,控制发育了其间的依兰—伊通地堑(图 1)。西支断裂为主干断裂,走向上稳定,连续发育; 而东支断裂则规模较小,走向变化较大,连续性较差。

图 1 依兰—伊通断裂活动构造简图 Fig. 1 A sketch map for neotectonics of the Yilan-Yitong fault

依兰—伊通断裂南端所在的华北克拉通北界为赤峰—开原断裂。该克拉通先后经历了太古宙—古元古代的基底演化阶段与中元古代—古生代的海相盖层发育阶段(翟明国,2010)。中-新生代期间,华北克拉通局部发育陆相盆地,并经历过多期岩浆活动。

依兰—伊通断裂经过的兴蒙造山带,东部为佳木斯地块,西部为松辽地块(邵济安,1991李双林等,1998张兴洲等,2006)。这些地块南侧的索伦克洋在古生代末关闭(李锦轶,1998张拴宏等,2010赵越等,2010),从而与华北克拉通拼合。三叠—侏罗纪期间,东北地区经历了广泛的岩浆活动(Wu et al., 2011),总体上呈区域性隆起状态。在白垩纪强烈的伸展活动中,依兰—伊通断裂西侧发育了大型的松辽盆地,而东北侧发育了三江盆地。古近纪期间的再次伸展活动造成了东北地区一些大型断裂带上地堑的发育,而新近纪—第四纪期间总体处于挤压背景下的隆起状态。

郯庐断裂带南段(渤海湾以南)起源于中三叠世华北克拉通与华南板块的陆—陆碰撞过程中(Zhu et al., 2009)。在晚侏罗世—早白垩世初期,郯庐断裂带再次发生左行平移(Zhu et al., 2005,2010朱光等,2009),并穿过渤海进入东北,形成了依兰—伊通和敦化—密山左行平移断裂(朱光等,2009王书琴等,2012孟婧瑶等,2013)。在早白垩世伸展活动中,依兰—伊通断裂转变为正断层活动,控制了陆相断陷盆地的发育,北段自下而上充填了下白垩统穆棱组、东山组和方正组,而南段自下而上充填了下白垩统登楼库组和泉头组(表 1孙晓猛等,2006)。经过晚白垩世盆地反转与隆起之后,依兰—伊通断裂在古近纪再次转变为正断层活动,控制了依兰—伊通地堑的发育,自南向北分别形成了伊通地堑、舒兰地堑、依兰地堑、汤原地堑等。这些地堑的西界断层为主边界断层,活动性最强,呈现为右行正断活动(许浚远,1997); 而东界断层多为新发育的反向正断层,断续出现(图 1)。新近纪初的区域应性挤压作用,结束了依兰—伊通地堑的发育(朱光等,2002漆家福等,2008)。这次挤压反转一方面使得依兰—伊通断裂转变为逆冲为主的活动,另一方面造成依兰—伊通地堑抬升与剥蚀,并导致新近系与古近系之间的区域不整合(孙晓猛等,2006)。在随后的新近纪期间,沿依兰—伊通断裂出现了幔源玄武岩喷发,自南向北主要在伊通、范家屯、大罗密、高丽山、舒兰、佳木斯等地小范围分布(陈洪洲等,1996),指示该断裂在深部已切入上地幔(马杏垣等,1991卢造勋等,1992牛漫兰等,2000朱光等,2002)。

表 1 依兰—伊通地堑内中-新生界简表(据孙晓猛等,2006) Table 1 Meso-Cenozoic stratigraphy in the Yilan-Yitong graben(from Sun et al., 2006)

依兰—伊通断裂南端的华北克拉通上,所出露的前白垩系为高级变质基底与中-晚元古代海相沉积。在兴蒙造山带内,该断裂附近出露的前白垩系主要是早中生代岩体,仅在依兰以北出露变质的黑龙江杂岩与麻山杂岩。依兰—伊通地堑内充填了较厚的古近纪陆相碎屑岩(表 1),在北段自下而上依次为乌云组(E1w)、新安村组(E2x)、达连河组(E2d)和宝泉岭组(E3b),而在南段依次为双阳组(E2s)、奢岭组(E2sh)、永吉组(E2y)、万昌组(E3w)和齐家组(E3q)。新近系较薄,北段发育富锦组(N1f)和道桥台组(N2d),而南段发育岔路河组(N1ch)。新近纪富锦组(岔路河组)厚约为200 m,岩性为灰绿色泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩与杂色、灰绿色砂砾岩夹玄武岩及煤层,主要为河湖相沉积建造(刘茂强等,1993孙晓猛等,2006温泉波,2008李恩泽,2012)。道桥台组岩性为厚层杂色砂岩与灰色粘土互层,成岩较差,为河湖相沉积建造(吉林省地质矿产局,1988黑龙江地质矿产局,1993刘茂强等,1993李恩泽,2012)。断裂带内第四系也较薄,局部缺失。其中早更新世主要是以湖相为主的细碎屑沉积建造的粘土、粘土质粉砂,厚度约为5~15 m(吉林省地质矿产局,1988黑龙江地质矿产局,1993陈守田等,2002)。中更新世的沉积物由亚粘土、粗粉砂及中粗砂、砂砾石组成,厚度约为40~80 m,最厚可达140 m,是一套湖相为主及冲积扇—三角洲相沉积建造(吉林省地质矿产局,1988辽宁省地质矿产局,1989黑龙江地质矿产局,1993陈守田等,2002)。晚更新世沉积物为碎屑砂、砂砾石以及亚粘土,厚度约为10~25 m,下部主要是河床相并掺有牛轭湖相沉积,上部为冲洪积边滩相沉积(吉林省地质矿产局,1988辽宁省地质矿产局,1989黑龙江地质矿产局,1993)。全新世沉积物由淤泥质亚粘土、亚砂土、砂、砂砾石组成,厚度约为10~20 m,主要是河漫滩相沉积(黑龙江地质矿产局,1993刘茂强等,1993陈守田等,2002)。

2 活断层的构造特征

本文所指的活断层为第四纪以来发生过活动的断层。活断层可分为能诱发地震的粘滑型与不发震的蠕滑型活断层。前者一般表现为破碎型结构,多呈断层泥带、断层角砾带与碎裂带组合,而后者一般仅由断层泥带构成(严乐佳等,2014)。本次野外工作中对于活断层的识别,一方面是基于其切入第四系并对地貌具有明显的控制与影响,另一方面是依据其存在着未固结的断层岩—断层泥与断层角砾。野外工作中,对于第四系的时代主要是依据研究区 1:20万地质图资料。在野外判断活断层的运动方式则主要是通过含断层泥断面上的擦痕、阶步、沟槽、透镜体长轴和旁侧牵引构造等。对于擦痕不清晰的活断层,多是利用里德剪切中R1剪节理(断层派生共轭剪节理中与主断层面小角度相交者)与主断面的锐夹角来判断断层运动方向。在实际工作中我们尽可能地运用多种方法判断与相互验证所观察活断层的运动。

通过本次详细的野外观察,发现依兰—伊通断裂带内活断层广泛存在,主要沿着古近纪地堑的东、西边界断层(即东支与西支断层)发育,其它部位仅为零星出现。为了便于描述及依据活动性上的一定差异,本文将依兰—伊通断裂由南向北分为沈阳—四平段、四平—舒兰段、舒兰—依兰段和依兰—萝北段(图 1),下文分段介绍其活断层特征。

2.1 沈阳—四平段

沈阳—四平段是依兰—伊通断裂的最南段。其南部的沈阳—铁岭段,均隐伏于第四纪之下。其北部的兴蒙造山带内,西支断裂主要在威远堡、四平石岭镇至二龙山水库附近出露; 而东支断裂大部分隐伏,仅在南城子水库、大伙房水库北局部出露。该段东、西支活断层走向北东,倾角为70°~85°,西支倾向南东,东支倾向北西。

该段北部西支活断层的结构总体上以破碎型活断层为主,呈现为断层泥带、断层角砾带与碎裂带的组合(图 2a图 2d)。在石岭镇附近,破碎型活断层与断层泥型活断层,沿走向交替出现。野外所见的断层泥型活断层,断层泥带宽为3~6 m。而破碎型活断层内,断层泥带仅有几厘米宽(图 2d)。在运动学上,该段西支活断层内各类运动学标志显示以逆右行平移为主,兼有小幅度的逆冲分量。野外工作发现,西支活断层在多处可见活断层切入第四系的现象,明显影响断层两侧第四系的厚度与产状。例如在四平G303国道旁,宽约38 m的西支活断层发育于泉头组(K1q)砂岩中(图 2a),明显可见上覆第四系被牵引弯曲,影响断层两侧的第四系厚度,露头上可见最大逆冲断距约为 8 m。

图 2 沈阳—四平段活断层实测剖面及野外照片(剖面位置见 图 1) Fig. 2 Measured cross sections and outcrop photographs in the Shenyang-Siping section of the active faults(location shown in Fig. 1)

沈阳—四平段北部东支活断层多为破碎型结构,各活断层内断层泥带、断层角砾带和碎裂带发育明显(图 2b图 2c图 2e)。野外观察表明,该段东支活断层也以右行平移为主、逆冲为辅。例如,在四平市石岭镇西,北北东走向的东支活断层发育在早白垩世砂岩中,破碎型活断层带宽约为10 m,面理化断层泥带宽达 8~10 cm(图 2b)。

总之,沈阳—四平段活断层北部出露地表,由西支与东支构成。这两条主干活断层在结构上皆以破碎型为主,仅西支局部表现为断层泥型。该段活断层主要呈现为逆右行平移活动,在多处可见错断第四系的现象。

2.2 四平—舒兰段

四平—舒兰段位于吉林省内,长约100 km。西支活断层在四平二龙山水库—九台一带出露较好,而在九台—舒兰段仅部分出露。东支活断层多处被北西向断层错断,呈右阶雁列状排列,东支活断层多出露不良,仅在双阳小南岭、乌拉街附近出露较好。在产状上仍然显示西支活断层向南东陡倾,而东支活断层向北西陡倾。

野外调查表明,该段西支活断层多呈破碎型结构,但是,在伊通靠山镇—莫里青乡段出现了破碎型与断层泥型结构沿走向上的相间分布(图 3a图 3b图 3c),局部出现了过渡结构表现为较宽的断层泥带与碎裂带的组合(图 3a图 3b)。在运动学上,它们多呈现为逆冲为主,兼有右行走滑,侧伏角多为30°~50°。在伊通县靠山镇北,西支活断层带由一系列近南北向和北东向活断层组成,剖面上可见错断上覆的第四纪亚粘土层约为30 cm(图 3a)。在长春新立城水库东,活断层走向北东,倾角为60°左右,错断并牵引第四系(图 4)。该处活断层内红色断层泥带宽约为30 cm,擦痕指示为逆右行平移活动。该剖面上还可见错断第四纪砾石层的活断层又被后期的断层截切,指示了第四纪以来的多次活动(图 4)。在九台—舒兰段,西支活断层断层泥带仅有几厘米宽,呈现为断层型结构,显示活动性较弱。

图 3 四平—舒兰段活断层实测剖面及野外照片(剖面位置见 图 1) Fig. 3 Measured cross sections and outcrop photographs in the Siping-Shulan section of the active faults(location shown in Fig. 1)

图 4 四平—舒兰段XY023活断层实测剖面及野外照片(剖面位置见 图 1) Fig. 4 Measured cross sections and outcrop photographs at XY023 locality in the Siping-Shulan section of the active faults(location shown in Fig. 1)

该段东支活断层皆属于碎裂型结构(图 3d)。根据活断层的各种运动学标志,判断该段活断层多以右行活动为主,仅在二龙山水库—双阳、一拉溪乡附近出露的活断层逆冲分量增大。这些活断层多是利用早期断面或较大型岩脉壁复活。例如,在双阳区城北剖面上(图 3d),活断层沿早期花岗岩脉脉壁发育,形成了3 cm宽的红色断层泥带,断面上擦痕与右行阶步清晰可见。该段东支其它处早期断层的新构造活动现象,显示该段东支活断层新构造活动性弱。

总之,本段西支活断层多为破碎型结构,而东支皆为破碎型结构。运动学上以逆右行平移为主,仅局部走向显著变化者逆冲分量增大。在活动强度上,该段西支南部活断层活动性较强,其余段较弱。

2.3 舒兰—依兰段

在舒兰—依兰段,西支活断层出露较好,东支仅在沿尚志一带局部出露。东、西两支活断层走向为45°左右,相向陡倾,局部近直立。

该段西支活断层皆为破碎型结构,其中断层泥带仅几厘米厚,而断层角砾带与碎裂岩带宽为2~10 m(图 5a图 5c)。在运动学方面,西支活断层仍为逆右行平移。野外多处发现西支活断层错断第四系现象。在五常市山河镇附近采石场内,西支活断层走向为35°,倾向南东,倾角为79°。该处活断层上部切入第四系(图 5a)。在延寿县延河镇附近(图 5b),西支活断层切入第四纪砂砾石层,其中所夹含碳粘土层在活断层旁发生牵引弯曲。在尚志市龙王庙村采场,西支活断层由4条活断层组成(图 5c),发育在花岗岩脉内。在方正县附近,西支活断层明显切入晚更新世亚粘土层(图 5d),与疏鹏等(2014)所报道的相吻合。

图 5 舒兰—依兰段活断层实测剖面及野外照片(剖面位置见 图 1) Fig. 5 Measured cross sections and outcrop photographs in the Shulan-Yilan section of the active faults(location shown in Fig. 1)

本次野外调查发现,该段东支活断层多向北西陡倾,仍为破碎型结构。该活断层呈现为逆右行平移活动,但活动强度较弱。在尚志市南团山附近,东支活断层下部发育在早二叠世变质砂岩内,而上部切入早更新世砾石层,但没有延入中-晚更新世沉积层,指示最新活动仅为早更新世(图 5e)。

总之,该段西支断裂活断层出露较好,而东支仅在尚志附近出露。这两条活断层皆为破碎型结构,呈逆右行平移活动,其中西支活断层第四纪以来活动性较强。

2.4 依兰—萝北段

依兰—萝北段是依兰—伊通断裂的最北段。西支活断层出露较好,多处被北西向断层错断。东支活断层多隐伏,仅在依兰与佳木斯一带局部出露。

通过野外调查表明,依兰—萝北段西支活断层皆呈破碎型结构(图 6a图 6c图 6d)。在运动学上,西支活断层以右行活动为主,局部缓倾的活断层(图 6e)逆冲分量增大。该段西支活断层北部(鹤岗—萝北段)活动性较强,在多处可见切割第四系现象。在萝北县附近,西支活断层向东陡倾,破碎带宽为3~6 m,其中断层角砾带较发育,而断层泥带仅几厘米宽(图 6a图 6c图 6d)。在鹤岗市建安公司二砖厂,西支活断层走向为30°,倾向北西,倾角为31°,发育在全新世红色亚粘土内。该处活断层面上擦痕清晰可见,R1剪节理明显指示逆冲(图 6e)。在萝北县朝阳村,北北东走向、陡倾的西支活断层发育在全新世沉积层中,断面上可见明显的水平擦痕,指示右行平移(图 6b)。

图 6 依兰—萝北段西支活断层实测剖面及野外照片(剖面位置见 图 1) Fig. 6 Measured cross sections and outcrop photographs in the Yilan-Luobei section of the western active faults(location shown in Fig. 1)

依兰—萝北段东支活断层走向北东,向北西陡倾。所出露的活断层呈破碎型结构,但碎裂带较窄,显示新构造活动性相对较弱。在运动学上,该段活断层皆为逆右行平移活动。

总之,依兰—萝北段西支活断层分布较为广泛,而东支活断层局部出露。该段活断层皆呈破碎型结构,其中的断层泥带较薄。依兰—萝北该段活断层在运动学上主要呈现逆右行平移。

综上所述,依兰—伊通断裂内活断层分布广泛,利用古近纪地堑的东、西边界断层发育。其中西支活断层出露良好,而东支活断层则为断续出露。这些活断层以破碎型结构为主,局部出现破碎型与断层泥型沿走向上的相间出现。这些活断层以逆右行平移活动为主,仅在活断层走向发生显著变化处出现了右行逆冲活动。在这些活断层上,多处可见切割第四系现象,但切入的最新层位沿走向上具有变化。活断层破碎带宽度的空间变化现象,一方面指示西支活动强度大于东支,另一方面显示活动强度沿走向上没有显著的变化规律,多为强弱相间的现象。

3 应力场分析

对于古构造应力场的恢复,目前较为有效的方法是利用断层滑动矢量反演古构造应力张量法(Mercier and Vergely, 1992)。该方法不仅适用于新生的断层,也适用于复活的老断层。实际工作中需要对于每一期断层至少测量8组断层的滑动矢量数据(断面与擦痕产状)才能获得比较准确的古应力场结果,因而本次工作中对于每个活断层观察点的实测数据都不少于8组。应力场反演中所获得的误差评估参数(ANG)代表了最大剪应力方位与各组擦痕之间偏角的平均值,一般认为ANG≤22.5°的数据比较可靠(Angelier,1994)。本次数据的ANG介于1°~16°(表 2),指示所反演的应力场是可信的。

表 2 依兰—伊通断裂活断层滑动矢量反演应力场结果 Table 2 Results of stress field reversion from fault-slip data from active faults in the Yilan-Yitong fault

本次工作中共实测了依兰—伊通断裂不同部位活断层的52组数据,全部来自含断层泥的断面上。对于少数擦痕不发育的断面,我们实测主断面和R1剪节理的产状,经计算机反演计算获得对应的理论擦痕产状。反演结果显示,所测活断层应力状态分别为走滑型(σ2直立,σ1、σ3水平)和逆冲型(σ3直立,σ1、σ2水平)。前者占主要,有33组数据,主要分布在沈阳—四平段和依兰—萝北段(表 2,图 6); 后者占次要,有19组数据,主要分布在四平—舒兰段的伊通和双阳附近以及舒兰—依兰段的五常县和延寿县附近。应力场反演结果还显示,这些活断层是在区域挤压中活动的。主压应力轴总体近水平,但其方位在不同部位略有差异,其中沈阳—伊通段主压应力轴方位平均为90°,伊通—舒兰段为南 92°东,舒兰—依兰段为北 87°东,依兰—萝北段平均为南 98°东,总平均挤压应力方位为南 91°东(图 7),指示了近东西向挤压状态。然而,各段内部反演的应力方位仍有一定程度的变化,局部出现了北东东—南西西或北西西—南东东向主压应力方位。造成这种现象的原因,一方面可能是各段活断层在局部边界条件影响下产生的局部应力所致,另一方面也可能与该方法本身会有一定误差有关,还有可能是第四纪期间发生过应力场的有限变化。利用断层活动矢量反演的应力场,本质上是局部应力场,其统计上的平均方位才能指示区域应力场。还值得指出的是,本次所反演的应力状态是这些活断层第四纪期间活动时的应力状态,包含了第四纪期间及近代的应力场。

图 7 依兰—伊通断裂活断层擦痕反演应力场结果 Fig. 7 Stress orientation stereograms computed from fault-slip data of active faults in the Yilan-Yitong fault

前人利用大地水准测量、地应力测量、震源机制解和GPS观察等资料分析(许忠淮等,1989姚立珣等,1992葛荣峰等,2010李恩泽,2012),表明东北地区现代区域应力场为挤压状态,主压应力轴近似水平,方位处于北70°~80°东之间,为北东东—南西西向挤压。由此可见,研究区现代应力场与我们所反演的第四纪期间总体东西向挤压(实际反演结果也有部分为北东东—南西西向挤压状态)有一定差异。这显示东北地区第四纪以来应力场可能由东西向挤压转变为北东东—南西西向挤压,与一些学者认为该区第四纪以来应力场发生过调整的认识相吻合(郑照福,2006)。虽然研究区第四纪以来应力场发生了小幅度的变化,但对北东走向的依兰—伊通活断层的性质影响并不大,并没有改变其第四纪以来逆右行平移为主的运动方式。

4 活动时代 4.1 14 C测年

依兰—伊通断裂活断层多处可见切割第四系的现象。为了限定该断裂的最新活动时代,本次工作中从3处采集了被错断含碳沉积层样品用于14 C定年。

本次14 C样品的预处理和分析是在美国贝塔实验室(Beta Analytic Inc.)完成的。实验过程中首先将采集的样品进行酸洗去除碳酸盐,留下有用的有机质进行测年。然后将预处理过的样品在加速质谱器中石墨化并压在金属盘上,用铯离子枪射向目标盘,使C原子负离子化。这些负离子化的C原子在电场的作用下由负极按一定轨道运动到正极。由于各个负离子的质量不同,因此其在正极端落下的位置也不同,利用探测器计算正极端落下的粒子的质量,最后根据不同粒子之间的公式关系计算样品形成距今(公元1950年)的年龄。实际中还需要对实测的放射性14 C年龄进行相应的校正,本文中使用的年龄均为2σ校正年龄(表 3)。

表 3 14 C测年数据表 Table 3 14 C dating results

本次从沈阳—四平段北部西支活断层错断的沉积层内(图 2a),获得的地层14 C年龄为1 568±53 a BP(全新世,表 3)。这显示该处西支活断层最新活动时代为全新世。

本次另外两处14 C定年样品皆采自舒兰—依兰段西支活断层错断的第四系。在该段五常市山河镇剖面上(图 5a),西支活断层错断沉积层的14 C年龄为30 858±122 a BP(晚更新世,表 3)。另一处尚志市六团镇山河村西支活断层剖面上(图 5b),被错断的碳质粘土层的14 C年龄为17 010±100 a BP(晚更新世,表 3),揭示该处西支活断层至少在晚更新世时活动过。

4.2 前人定年与分析结果

前人通过对沈阳—四平段中部铁岭红光村西支活断层错断的第四系进行了热释光定年(雷清清等,2008),获得年龄为88.9±5.3 ka BP,而上覆未错断地层年龄为75.6±4.5 ka BP。这指示该段南部西支活断层最新活动时间为晚更新世早期。但是,这一认识与该处近代地震的密集现象(详见后文)相矛盾。如上文所述,本次通过14 C定年在该段北部西支活断层上发现了全新世活动的证据(图 2a)。这显示该活断层的最新活动时间沿走向上具有明显的变化。

对于四平—舒兰段活断层,前人研究表明(侯治华等,2009)该段控制了第四纪沉积,在伊通一带发育了第四纪沉降中心,最厚处第四系约为50 m,指示该段第四纪时期的明显活动。在该段南部双阳一带,前人工作分别发现了西支活断层将燕山期花岗岩逆冲到中更新世黄土之上及切入早更新世砾石层内的现象(侯治华等,2009李恩泽,2012),指示了该段活断层的最新活动时间为中更新世。本次野外工作中也在该段多处发现西支活断层错断晚更新世沉积层的现象(图 3,图 4),指示其最新活动时间为晚更新世。对于该段东支活断层,前人发现在云山镇附近燕山期花岗岩逆冲到白色砂砾石层之上,依据该砂砾石层的时代指示该处东支活断层最新活动时间为中更新世早期(李中根等,2013)。

对于舒兰—依兰段西支活断层,前人开展过较多的定年工作(闵伟等,2011于光源,2013疏鹏等,2014余中元等,2014)。对于大口钦和缸窑镇两处西支活断层错断最新地层的热释光定年,获得的年龄为21.61±7.43 ka BP和13.51±8.22 ka BP(于光源,2013),指示晚更新世晚期有过活动。在方正县和通河县,西支活断层错断最新地层的14 C年龄为1 730±40 a BP(闵伟等,2011疏鹏等,2014),指示了全新世活动。此外,前人还通过局部的浅层地震勘探结果(余中元等,2014),认为舒兰—依兰段西支断裂最新活动时代为晚更新世,而东支活断层为早更新世。本次野外工作中也发现了该段东支活断层错断早更新世沉积层现象(图 5e),与浅层地震勘探结果相吻合。

对于依兰—萝北段活断层,前人未开展过定年分析。本次野外工作中发现,该段西支活断层切割的最新沉积层为全新世(图 6b),指示其最新活动时代可能为全新世。

4.3 近代地震活动现象

近代地震记录显示(图 8),沿依兰—伊通断裂的不同部位出现了地震群集现象,其中在南部的沈阳—铁岭、四平、吉林和伊通一带及北部的方正—萝北段地震群集性分布明显,而在中段长春—方正一线仅有小地震沿断裂零星分布。沿该断裂出现的地震,没有6级及以上强震,少数5级及以上地震只出现在断裂南部的开原、中部舒兰和北部萝北一带。沿依兰—伊通断裂出现的地震常显示在被北西向断层切割附近密集,并且一些较大型的北西向断层本身也显示控制发育了北西向地震集中带。近代中—强地震的发生是活断层全新世活动的结果。沿依兰—伊通断裂中部(舒兰)和南部(开原)分别发生的5级和5.8级地震与本次确定的西支全新世活断层位置相吻合,进一步验证了这两处全新世活断层的存在。对于北部的依兰—萝北段西支活断层,其近代地震的密集分布及中强地震的出现指示应为全新世活断层。

图 8 依兰—伊通断裂附近近代(黄色)及历史(蓝色)地震分布图 底图为DEM叠加图,地震据中国地震台网中心数据 Fig. 8 Distribution of recent(yellow)and historical(blue)earthquakes around the Yilan-Yitong fault

总之,综合本次野外调查和14 C定年以及前人资料,可以限定依兰—伊通断裂各段活断层的最新活动时代(图 1)。对于西支活断层,沈阳—四平段中、北部为全新世活断层; 四平—舒兰段中、南部分为晚更新世活断层,而北部为全新世活断层; 舒兰—依兰段南部与北部为全新世活断层,而中部为晚更新世活断层; 依兰—萝北段为全新世活断层。对于东支活断层,沈阳—四平段由于露头限制而活动时代不明; 四平—舒兰段和舒兰—依兰段皆推断为早-中更新世活断层; 依兰—萝北段因露头限制而活动时代不明。由此可见,依兰—伊通断裂西支活断层的最新活动时代明显晚于东支,西支活断层的最新活动时代沿走向上不断变化,西支活断层在南部、中部与北部分别存在着全新世活断层(图 1)。

5 活断层差异性活动及其原因

通过本次对依兰—伊通断裂活断层的详细调查,表明它是由两条平行的主干活断层构成(图 1)。除南、北端外,这两条活断层沿着古近纪依兰—伊通地堑东、西边界断层发育,指示为早期地堑边界断层复活成因。本次工作表明,虽然这两条活断层在结构与运动学上具有相似性,但是两者在活动强度与最新活动时间上却存在着明显的差异。活断层破碎带宽度、走向上连续性及对地震的控制现象(图 8),皆指示西支活断层的活动强度显著大于东支。在最新活动时间方面,西支活断层呈现为全新世与晚更新世相间的现象,而东支活断层显示为早-中更新世,总体反映东支活断层的最新活动时间要明显晚于西支,西支活断层具有较长的持续活动时间。前人研究(刘祥,1983许浚远,1997李军敏,2004李恩泽,2012李中根等,2013)表明,在古近纪依兰—伊通地堑形成期,西界断裂(对应西支活断层)是地堑的主边界断层,规模较大,活动性较强,切割深,是利用早期平移断层复活的断层; 而东界断裂(对应东支活断层)多是新生正断层,活动性相对较弱,切割较浅。显然,正是因为早期西界断裂规模大、破碎强与切割深,从而利用其复活的西支活断层在第四纪期间具有较强的活动性与较长的持续活动时间。

北东走向的依兰—伊通断裂和一系列北西—南东或北北西—南南东向断层相互切割(图 1)。其中北西—南东向断层主要出现在北部,而北北西—南南东向断层主要出现在南部。本次工作的实际观察及对第四纪期间应力场的恢复,皆表明这些北西—南东或北北西—南南东向断层在新构造活动期为左行活动。然而,这些北西—南东或北北西—南南东向断层局部也显示右行错断依兰—伊通断裂,同一条断层对东、西支断层局部呈现不同的断距或不同的旋向(图 1)。再结合前人研究成果(冯希杰,1988李祖武,1992徐杰等,2003),可以判断这些较大型北西—南东或北北西—南南东向断层多起源于前第四纪,在新构造期也是被利用而复活。这些北西—南东或北北西—南南东向断层可以是依兰—伊通断裂在初始左行平移活动中派生的R2剪破裂(右行),可以是在早白垩世与古近纪伸展活动中发育的变换断层(左行或右行),也可以是盆地挤压反转中的撕裂断层(左行或右行)。正是这一系列北西—南东或北北西—南南东向断层将依兰—伊通东、西支活断层各切割成若干段,每一段内部具有相对一致的活动性与最新活动时代,而不同段之间常显示不同的最新活动时间与活动强度,从而具有分段活动的特征(图 1)。

众所周知,地震活动是粘滑型断层弹性应变能积累到一定程度突然释放的结果。断层的应力集中区易于积累弹性应变能而诱发地震。断层锁固能力的加强,也会造成应力集中,不断积累弹性应变能,从而易于诱发地震。近代的地震记录显示(图 8),依兰—伊通断裂上的地震活动呈不均一分布现象,常显示被北西向断层(包括北北西—南南东向)切割附近明显加强,并且一些北西向断层也明显诱发了地震活动。依兰—伊通断裂诱发地震活动的主要是向南东倾的西支活断层,其逆右行活动中东盘(上盘)应为主动盘。当其东盘右行平移中遇到北西向断层切割时(图 9 中A、B、D区域),前方运动受阻,就会出现应力集中区,从而易于诱发地震。依兰—伊通西支活断层在四平市、长春市东、吉林市、鹤岗市、萝北县附近出现的地震集中现象,可能就是因为被北西向断层切割后造成的应力集中所致(图 9)。而北西向断层的左行平移中又会加强旁侧北东向断层的法向压应力,特别是如 图 9中C和E区域,从而增加附近北东向断层的锁固能力与应力集中,也会促使这些北东向断层易于诱发地震。对于这些北西向断层而言,旁侧的北东向断层右行平移的推挤(图 9 中A、B、D区域)会造成其应力集中与锁固能力加强,从而也会易于诱发地震。当北西向断层被北东向断层错断时(图 9 中C和E区域),其左行平移受阻也会造成应力集中。这可能是区内一些较大型北西向断层造成地震群集的主要原因。总之,依兰—伊通断裂与北西向断层交汇处出现应力集中,使两者诱发地震活动增强。

图 9 依兰—伊通断裂活断层应力集中区域分布模型 Fig. 9 Model for stress concentration along active faults in the Yilan-Yitong fault
6 结 论

通过对依兰—伊通断裂活断层的详细野外调查、应力场反演与14 C定年,并结合前人相关成果,本文得出的主要结论如下:

(1)依兰—伊通断裂内活断层广泛存在,主要由东、西两支主干活断层构成,沿着古近纪依兰—伊通地堑边界断层发育。东、西两支主干活断层皆走向北东,前者向北西倾,而后者向南东陡倾,常被北西向或北北西向活断层错断。这些活断层皆以破碎型结构为主,仅局部存在断层泥型结构。

(2)东、西两支主干活断层皆以逆右行平移活动为主,仅在局部产状显著变化处出现右行逆冲活动。

(3)依据对依兰—伊通活断层一系列实测擦痕反演应力场,显示它们活动时多处于东西向的区域挤压状态。现今的应力场资料指示为北东东—南西西向挤压应力状态,反映第四纪以来应力场有过小幅度调整。

(4)综合各类现象判断,依兰—伊通断裂西支活断层的最新活动时间为沿走向上全新世与晚更新世相间现象,而东支活断层的最新活动时间主要为早-中更新世,显示作为主干的西支活断层活动时代最新。这些全新世活断层明显控制了近代不大于6级的地震分布。

(5)依兰—伊通断裂内活断层显示了明显的差异性活动,表现为西支的活动强度明显大于东支,西支的最新活动时代皆晚于东支,沿走向上活动性强弱相间与最新活动时代不断变化,以及近代地震活动不均一分布。沿走向上的分段性、差异性活动主要是因为被一系列北西向断层切断所致。

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Analysis on neotectonic activity of the Yilan-Yitong fault

Zhai Mingjian, Zhu Guang , Liu Bei, Gu Chengchuan, Zhang Shuai, Lin Shaoze, Song Lihong    
School of Resource and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009
Abstract: Neotectonic activity and history of the Yilan-Yitong fault, a main branch of the northern segment of the Tan-Lu fault zone remain controversial. Our detailed field investigation demonstrates that active faults are widely present in the Yilan-Yitong fault. They are composed of two main NE-striking active faults called the eastern and western active faults respectively and developed along boundary faults of the Paleogene graben. The active faults mainly show the crashed-type texture and reverse dextral slip. Stress inversion from many fault-slip data of the active faults show that Quaternary activity of the faults took place under the E-W compression that transformed into NEE-SWW compression at present. Our field observation and 14 C dating, in combination with previous dating results and earthquake distribution, suggest that the most recent periods of activity on the western active fault show alternation of Holocene and Late Pleistocene whereas those on the eastern active fault are dominated by Early-Middle Pleistocene. The active faults in the Yilan-Yitong fault present differential activities that show more intense activity on the western fault than on the eastern one, younger activity on the western fault, alternation of intense and weak activity, change in the most recent periods of activity along their strike as well as inhomogeneous distribution of earthquakes. Segmentation and differential activities of the faults along their strike mainly result from cutting of NW-striking faults on them.
Key words: Yilan-Yitong fault    Active fault    Kinematics    Stress field    Most recent activity period