龙门山前陆冲断带南段三苏场背斜晚第四纪变形速率

张伟恒 陈 杰 李 涛 邸 宁 姚 远

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站，北京 100029 2)中国地震局乌鲁木齐中亚地震研究所，乌鲁木齐 830000

0 引言

限定活动褶皱的晚第四纪变形速率对量化褶皱的活动强度、 评估其地震危险性具有重要意义。前人已建立了不同类型断层相关褶皱的几何学与运动学模型(Suppe，1983； Suppeetal.，1990； Erslev，1991； Pobletetal.，1996； Allmendingeretal.，2000； Shawetal.，2005)。断层相关褶皱变形过程中在背斜区范围内会形成地表隆升，并在局部形成断层陡坎、 枢纽带迁移褶皱陡坎(Lietal.，2015)、 三角剪切褶皱陡坎(Erslev，1991； Allmendingeretal.，2000)等构造陡坎(图 1)。河流阶地、 冲积扇等是记录晚第四纪变形的良好载体，可根据其记录到的陡坎变形特征及相应褶皱变形的运动学特征限定活动褶皱的变形量与速率及生长演化历史等(陈杰等，2005； Schareretal.，2006； Yueetal.，2011； Lietal.，2015； Stockmeyeretal.，2017； Charreauetal.，2018)。

图 1 断展褶皱前翼构造陡坎变形的运动学模型(据Li et al.，2015修改)Fig. 1 The kinematic model of structural scarp deformation in the forelimb of the fault-propagation-fold(modified from Li et al.，2015).a 断层陡坎变形模型； b 三角剪切断展褶皱陡坎变形模型； c 枢纽带迁移断展褶皱陡坎变形模型

龙门山南段前陆地区发育了一系列新生代断裂-褶皱带(Lietal.，2013； 姜大伟等，2018)。前人主要依据横跨褶皱的河流阶地隆升变形特征，利用面积或线长守恒方法限定该区域的褶皱变形特征及速率(苏鹏等，2016； 姜大伟等，2018)。由于该区域的侵蚀作用强，难以保存连续完整横跨整个背斜的阶地，且不同构造位置的河流阶地发育级数也不完全相同，利用零星分布的阶地面限定整个背斜的变形量及速率难度较大，且存在较大的不确定性。相比之下，局部发育的构造陡坎更容易保存，是获得逆断层-褶皱变形量更佳的变形标志。

三苏场背斜是位于该区域中部的断展褶皱(Lietal.，2013)，前人根据横跨背斜的青衣江阶地变形估算其晚更新世以来的缩短速率为0.20～0.25mm/a(姜大伟等，2018)。我们在野外调查中发现青衣江横穿三苏场背斜时仅零星发育多级阶地，且后期遭受了严重的侵蚀改造，不同部位的阶地面很难连续对比，导致很难利用变形阶地面通过面积或线长守恒方法限定褶皱缩短量。

我们在金牛河以北的三苏场背斜东翼发现一个长约9km、 坡向E的线性展布陡坎。通过详细的野外调查、 褶皱几何学分析及DEM数据分析，结合地震反射剖面解译，认为该陡坎为三苏场断展褶皱向前陆地区扩展形成的枢纽带迁移褶皱陡坎，进而建立了三苏场背斜生长的几何模型，并利用褶皱陡坎估算了其变形量及速率。

1 断展褶皱前翼构造陡坎的类型及运动学特征

断展褶皱(fault-propagation-fold)亦被称为断层传播褶皱，是由深部断坡向上扩展形成的褶皱(图 1)，断坡位移量向上呈线性递减，减小量被断坡上盘地层的褶皱作用所吸收(Suppeetal.，1990； 何登发等，2007)。在断展褶皱前翼可能出现3种构造陡坎，分别为断层陡坎、 三角剪切褶皱陡坎和枢纽迁移褶皱陡坎(图 1)。断层陡坎是断层直接断错地表形成的地貌陡坎； 三角剪切褶皱陡坎是隐伏逆断层扩展端部发生三角剪切变形形成的地貌陡坎(Erslev，1991； Allmendingeretal.，2000； Chenetal.，2007)； 枢纽带迁移褶皱陡坎是褶皱变形过程中由枢纽迁移在活动枢纽附近形成的地貌陡坎(卢华复等，2002； Hubert-Ferrarietal.，2007； Charreauetal.，2008； Yueetal.，2011； Lietal.，2015； Stockmeyeretal.，2017)。三者均发育在初始水平或近水平的地貌面上，总体上平行构造走向产出，发育位置严格受下伏构造控制，会沿构造走向在多级地貌面发生同步变形，地貌面越老则构造陡坎的规模越大(Le Béonetal.，2014)。

断层陡坎发育在断层出露的位置，断层两侧地层不连续。断层附近会发育牵引褶皱等局部构造，在稍微远离断层处，两侧的地层产状基本一致(图1a)。由于侵蚀作用，发育在较老地貌面上的断坎坡度比发育在年轻地貌面上的断坎小。

三角剪切褶皱陡坎发育在逆断层扩展端部的三角形变形区域，在变形区域内地层厚度存在变化，陡坎坡度随着变形量的增加而不断变大，即地貌面越老、 陡坎坡度越大、 陡坎宽度越窄； 变形区域外的地层或地貌面产状稳定且近平行产出(图1b)。

枢纽带迁移褶皱陡坎发育在活动枢纽附近，下伏基岩地层的倾角在活动枢纽两侧完全不同，一侧地层陡倾，另一侧地层缓倾； 褶皱陡坎下方不发育断层； 褶皱陡坎的高度和宽度随着变形量的增加而增加，但坡度基本不变(图1c)。

2 三苏场背斜的地质背景

2.1 三苏场背斜的构造变形特征

三苏场背斜(图2b 中的F4)位于青藏高原与四川盆地的过渡地带(图2a)，为龙门山南段前陆地区的一个小型褶皱，走向NNE，长40～50km。其南西部紧邻大凉山地块，从构造上向S与峨边断裂(图2b 中的F11)、 荥经断裂(图2b 中的F12)相连。背斜核部出露地层为侏罗系，白垩系棕红色、 砖红色砂岩、 泥岩； 东、 西两翼及北倾伏端上覆中更新统丹思冲积砾石层(图2b)。

地震反射剖面显示，三苏场背斜是发育在地下5～7km三叠系底部膏盐层滑脱面之上的由倾向NWW的三苏场逆断裂所控制的断展褶皱(Jiaetal.，2006； Hubbardetal.，2010； Lietal.，2013)(图2c)。根据地震反射剖面揭示的褶皱形态，三苏场背斜为箱状背斜，两翼地层较陡，核部地层倾角较缓，倾角<10°(图2c)。

图 2 三苏场背斜及邻区的地质图及地震反射剖面的解译图Fig. 2 The geological map and the interpreted seismic reflection profile of the Sansuchang anticline and its surrounding area.a 研究区的构造位置； b 龙门山南段前陆盆地的地质图； c 地震反射剖面及解译(修改自Li et al.，2013)。F1长山镇断裂-褶皱带； F2龙泉山断裂-褶皱带； F3苏码头断裂； F4三苏场背斜； F5浦江-新津断裂(熊坡背斜)； F6龙门山山前断裂； F7芦山 断裂-褶皱带； F8彭县-灌县断裂； F9北川-映秀断裂； F10茂汶-汶川断裂； F11峨眉-烟峰断裂； F12荥经断裂； F13马边断裂带

2.2 晚第四纪地层与地貌面分布

三苏场背斜北段两翼及北倾伏端分布丹思砾石层。丹思砾石层为青衣江的古冲积扇，因其主要分布在丹棱县、 思濛镇而得名(图3a)(张倬元等，2000)。丹思砾石层的分布西起洪雅县，东至眉山县，南至夹江县，自西向东呈散开的扇状(图2b)，沉积厚度为30～100m，中部受到背斜褶皱作用抬升并遭受侵蚀(姜大伟等，2018)。丹思冲积扇以石英岩为主的砾石与黏土混杂，整体呈褐红色、 褐黄色，无层理，砾石的分选磨圆好，砾径为5～50cm，除以石英、 长石为主的砾石较为坚硬外，其他大部分砾石及沉积物都已经风化破碎(图4d)。前人获得的三苏场背斜东翼丹思冲积扇的年龄为(185±19)ka(位置见图3a)(姜大伟，2017)。

在三苏场背斜北段，丹思冲积扇面受到多条冲沟及河流的改造。其中最主要的河流为思蒙河和金牛河。思蒙河和金牛河均发源于三苏场背斜西侧的熊坡背斜，思蒙河自西向东绕过三苏场背斜的北倾伏端，转向SE汇入岷江，在三苏场背斜东翼的思蒙河西岸发育至少2级阶地。金牛河自西向东横穿三苏场背斜后汇入岷江，局部发育阶地(图3a)。

图 3 三苏场背斜的地质、 地形图与褶皱陡坎Fig. 3 The geological map，DEM and fold scarp of the Sansuchang anticline.a 三苏场背斜的地质图，图中的三角形为前人的采样点位置及ESR年龄(姜大伟，2017)； b 三苏场东翼褶皱陡坎的DEM山影图； c 金牛河两岸实测地层产状及推测向斜活动轴面(黄线)； d、 e 根据实测地层产状重建的测线1和测线2的构造横剖面，陡坎发育在活动轴面处； f 三苏场背斜可能的几何模型(据Li et al.，2015)，D为总缩短量，P为断层的传播量，黑色实线代表活动轴面，虚线代表固定轴面，绿色箭头指示轴面的迁移方向，蓝色实线为地表地形线； g 背斜前翼褶皱陡坎的几何模型(据Li et al.，2015)。图中黄色区域为现今陡坎下伏基岩地层，灰色区域为该地层在沿向斜轴面发生迁移前的位置，H代表质点的抬升量(即陡坎高度)，S代表质点的水平位移量，L代表枢纽带的水平移动距离，θ1和θ2分别为枢纽带两侧地层的倾角

3 确定三苏场背斜北段东翼的陡坎性质

金牛河以北，在高精度DEM山影图和卫星影像上清晰可见在三苏场背斜东翼发育一个坡向E的线性展布陡坎(下文简称为陡坎)，长约9km。陡坎南段走向25°～35°，中段走向转为10°～20°，再向N走向又转为24°～32°(图3a，b)。该陡坎的走向与下伏基岩地层的走向一致，也与地震反射剖面上的向斜轴面位置大体对应。为了确定该陡坎的性质，我们沿陡坎走向进行了追索，并垂直陡坎走向开展了穿插调查。该陡坎发育在思蒙河西岸最高地貌面的丹思冲积扇面上，因此首先需要判定该陡坎是否为河流阶地陡坎。

在该陡坎的下降盘，思蒙河西岸河流阶地陡坎与现今河道几乎平行产出； 陡坎的走向与现今河道的方向存在约35°的夹角(图3a)。思蒙河在三苏场背斜东翼流向SE，其阶地面坡降方向与河流流向一致，均为坡向S，与三苏场背斜的向N倾伏相反； 该陡坎所在地貌面沿走向的坡降方向则与三苏场背斜的倾伏方向一致，向N高程减小(图3b)。位于该陡坎下降盘的思蒙河阶地陡坎沿走向断续分布，遭受了严重侵蚀； 但该陡坎沿走向的线性连续程度远好于思蒙河阶地陡坎的连续程度，假如该陡坎为高阶地陡坎，理应受到更严重的侵蚀，线性连续程度更低(图3b)。基于上述观察，我们认为该陡坎并非思蒙河西岸的高阶地陡坎。

在金牛河穿过陡坎的位置，由于河流的切割及人工开挖，冲积物盖层之下的基岩出露地表。详细的野外填图资料表明，陡坎下伏背斜东翼E倾的白垩系倾角在<20m的距离内发生突变，沿测线2从西侧稳定的52°～64°突变到稳定的14°～17°(图3c，e)，沿测线1从稳定的42°～49°突变到13°～10°(图3c，d)，2条测线表现出了相同的产状变化特征，在地层产状突变处未发现断层。显然，陡坎下伏地层倾角突变处是东翼向斜枢纽(轴面)所在位置(图3c 中的黄线)，实测获得的枢纽带走向(28°～32°)与该陡坎南段走向(25°～35°)一致。由此确定，该陡坎实际上是断展褶皱前翼向斜枢纽迁移形成的褶皱陡坎。活动枢纽两侧的地层倾角分别为θ1：10°～17°、θ2：43°～57°(图3c，f，g)。

尽管该褶皱陡坎附近及上升盘、 下降盘所在处的原始地貌面已经受到了一定程度的破坏，但在野外仍可以观察到陡坎两侧存在明显的地形高差(图4a，b)。陡坎的上升盘与下降盘近地表均可见厚层块状砂砾石堆积，主要为磨圆较好的砾石与黏土的混杂(图4c，d)，与典型的丹思冲积扇沉积物一致。在陡坎上升盘，由于工程开挖揭露出的砾石层厚约10m，下伏基岩为砖红色—深红色白垩系泥岩、 粉砂岩，产状为E倾40°～50°(图4c)，与在南部金牛河两岸露头观察到的上升盘地层产状吻合。

图 4 褶皱陡坎及下伏地层的野外照片Fig. 4 Field photos of the fold scarp，the hanging wall and the footwall strata.照片拍摄点位置见图3b。a、 b 不同镜向下的褶皱陡坎地貌； c 褶皱陡坎上升盘地层的露头剖面，近地表为厚约1m的土黄色耕植土，中部约10m为褐红色厚层块状富含黏土基质的砾石堆积，与丹思冲积扇具有相同的沉积特征，剖面下部为白垩系泥岩层，地层产状E倾45°； d 陡坎下降盘下伏地层露头剖面，表层为厚约0.5m的耕植土层，其下为富含黏土基质的砾石堆积

图 5 横跨三苏场背斜及东翼褶皱陡坎的条带地形剖面Fig. 5 Swath profile across the Sansuchang anticline and its east limb fold scarp.剖面线位置见图 3a，条带剖面宽1000m，绿线、 蓝线与橙线分别为最小地形线、 平均地形线和最大地形线

利用ALOS 12.5m DEM横跨三苏场背斜提取了2个条带地形剖面AA′、BB′(图5a，b)，2条剖面的覆盖范围内均为丹思冲积扇面。从条带剖面中可以明显看出，尽管背斜区范围地形发生了隆升，但背斜两翼的丹思冲积扇面坡度几乎一致，这表明三苏场背斜在丹思冲积扇沉积之后发生了变形，且三苏场背斜是以枢纽带迁移机制生长的。此外，褶皱陡坎上升盘的丹思冲积扇沉积的厚度远小于陡坎下降盘的厚度，表明丹思冲积扇沉积上部可能是一同构造沉积。

综上所述，三苏场背斜东翼的陡坎为枢纽带迁移褶皱陡坎，陡坎的形成过程发生在丹思冲积扇沉积时或之后，记录了中更新世中晚期至今的背斜变形历史。

4 褶皱陡坎的几何学特征

4.1 枢纽带迁移褶皱陡坎的特征及参数计算

三苏场背斜东翼的褶皱陡坎是由于断层扩展导致背斜前翼发生枢纽带迁移作用而形成的，与发生枢纽带迁移作用形成的断弯褶皱陡坎及滑脱褶皱陡坎有诸多相似之处： 1)褶皱陡坎均发育在活动的向斜枢纽附近，陡坎两侧下伏基岩产状有较大的差值； 2)远离活动枢纽，地貌面保持初始坡度； 3)质点的运动学特征相似。利用滑脱褶皱陡坎的计算公式(Lietal.，2015)可分别计算断展褶皱前翼褶皱陡坎的枢纽水平迁移距离(L)、 质点运动的水平位移量(S)及陡坎最大坡度(φmax)(图3g)：

(1)

S=H·(cosθ1-cosθ2)/(sinθ2-sinθ1)

(2)

(3)

4.2 褶皱陡坎记录的背斜缩短量

基于ALOS DEM垂直褶皱陡坎走向提取5个条带地形剖面，从北向南分别标记为p1—p5，每条剖面长2500m，宽1000m(图6a—e)。由于强烈的侵蚀作用，褶皱陡坎的原始地貌形态遭到了一定程度的破坏，因此利用各条带剖面中的最大地形线获取陡坎的高度(H)、 宽度(W)、 坡度(Slope)(图6f，表1)，以最大程度确保提取的陡坎形态为原始沉积时的陡坎形态，减小侵蚀作用的影响。

图 6 a—e三苏场背斜东翼褶皱陡坎的条带地形剖面； f 陡坎参数的提取方法Fig. 6 Swath profile of the fold scarp in the east limb of the Sansuchang anticline(a—e) and the extraction method of scarp parameters(f).a—e分别对应图 3b中的p1—p5，条带剖面宽1000m，剖面参数根据各条带剖面的最大地形线进行提取。条带地形剖面的位置见图3b

表 1 不同地形剖面褶皱陡坎的相关参数Table1 Parameters of the fold scarps

利用式(1)—(3)，应用蒙特卡洛模拟方法计算获得枢纽带的缩短量(S)、 枢纽带迁移距离(L)及褶皱陡坎的理论最大坡度(φmax)(表1)。褶皱陡坎的高度、 缩短量和枢纽带迁移距离在南部p5—p3之间变化不大； 向N至背斜倾伏端p3—p1，这些变量则明显呈减小的趋势。实测陡坎坡度远小于模型预测的最大理论坡度，这表明褶皱陡坎在发育过程中经历了强烈的侵蚀作用，使得陡坎坡度变缓。

5 讨论

5.1 三苏场背斜的缩短速率

如前文所述，三苏场背斜东翼褶皱陡坎的高度、 宽度均有明显减小的趋势，陡坎的水平缩短量也逐渐减小(图 5)。造成这种现象的原因可能是背斜的缩短量向倾伏端减小，或在缩短量不变的情况下向倾伏端褶皱的几何形态发生了变化(Hughesetal.，2014)。由于本文在利用褶皱陡坎计算缩短量时使用的下伏基岩地层产状是在金牛河两岸测量得到的，因此越靠近金牛河的位置本文计算得到的缩短量越可靠，即测线p5、 p4的计算结果相对更可靠，而p1—p3的结果可能存在较大误差。

根据p4、 p5的缩短量计算结果及丹思冲积扇的年龄((185±19)ka)(姜大伟等，2018)可获得中更新世晚期以来三苏场背斜东翼的水平缩短速率约为0.1mm/a，枢纽带的迁移速率为0.3～0.5mm/a。根据前人建立的三苏场断裂-褶皱带的几何学模型(Jiaetal.，2006； Lietal.，2013)，断坡的倾角约为20°～30°，由枢纽的水平迁移距离计算获得的断层端点沿断坡的传播速率为(0.5+0.3/-0.1)mm/a。

前人利用断层传播-滑移比(即P/D，图3f)描述断层端部迁移与断层滑动量之间的关系。经典断展褶皱的几何形态在变形过程中具有自相似性，即几何样式在变形过程中保持不变。无论是轴面固定或地层等厚，断层传播量(P，图3f 中绿色线段的长度)均大于断层滑动量(图3f 中蓝色线段的长度)，因此本文计算得到的断层的传播速率代表了背斜的最大缩短速率。根据断展褶皱的理论(Suppeetal.，1990)，当断层倾角为20°～30°时，传播-滑移比为1.7～2.1，根据本文获得的断层传播速率为(0.5+0.3/-0.1)mm/a可以得到三苏场断层的滑动速率为(0.3+0.2/-0.1)mm/a，即整个背斜的缩短速率为(0.3+0.2/-0.1)mm/a。

前人基于青衣江阶地变形获得的三苏场背斜晚更新世(距今73～93ka)以来的缩短速率为0.2～0.25mm/a(姜大伟等，2018)，与本文获得的中更新世晚期以来的缩短速率基本一致，由此可知中更新世中晚期以来三苏场背斜的缩短速率约为0.3mm/a。

5.2 三苏场褶皱陡坎发现的意义

褶皱陡坎是褶皱变形区域常见的地貌现象。面积或线长守恒方法只能应用于横跨整个背斜发育连续完整的变形阶地面，利用褶皱陡坎计算缩短量的方法，其优势在于可利用发育在背斜活动轴面附近的局部变形地貌面计算总缩短量。

龙门山南段前陆地区是典型的薄皮构造带，自山前向盆地内发育芦山背斜、 蒙顶山背斜、 熊坡背斜、 三苏场背斜、 龙泉山断裂-褶皱带等(图2b)。在该区域，由于高剥蚀速率、 区域性阶地面分布不连续性且植被茂密调查难度大等，导致面积或线长守恒方法的应用难度和不确定性均较大。局部的褶皱陡坎相比横跨整个背斜的地貌面更容易保存，使得根据褶皱陡坎计算背斜总缩短量的方法在该区域有较好的应用前景，为该区域的断裂-褶皱带活动特征研究提供了一种新的思路。

6 初步认识

本研究通过对三苏场背斜北段东翼陡坎的野外调查及条带地形剖面的信息提取，获得如下认识：

(1)三苏场背斜北段东翼的陡坎为断展褶皱前翼由于枢纽带迁移形成的褶皱陡坎，陡坎形成于丹思冲积扇沉积之后。

(2)利用三苏场东翼褶皱陡坎估算丹思冲积扇沉积之后三苏场背斜东翼的最大水平缩短量为(18.9+3.0/-2.3)～(23.9+3.4/-2.7)m，枢纽带的最大水平迁移距离为(63.7+14.5/-7.8)～(79+17.2/-7.3)m，向背斜倾伏端缩短量渐小。中更新世中晚期以来背斜东翼的水平缩短速率约为0.1mm/a，三苏场断层的平均扩展速率为(0.5+0.3/-0.1)mm/a，三苏场背斜的总缩短速率为(0.3+0.2/-0.1)mm/a。

(3)利用褶皱陡坎变形特征量化活动褶皱晚第四纪变形量及速率的方法，为研究剥蚀速率快、 地貌面不连续的龙门山南段前陆地区的断裂-褶皱带活动特征提供了一种新的思路。

致谢本文受益于野外与四川省地震局周荣军研究员、 应急管理部国家自然灾害防治研究院张世民研究员、 中国地震灾害防御中心田勤俭研究员、 中国地震局地质研究所任治坤研究员、 袁仁茂研究员等的讨论； 审稿专家为本文提出了详细而宝贵的修改意见和建议。在此一并表示感谢！