張偉恒 陳 杰 李 濤 邸 寧 姚 遠

1)中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，新疆帕米爾陸內俯沖國家野外科學觀測研究站，北京 100029 2)中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所，烏魯木齊 830000

0 引言

限定活動褶皺的晚第四紀變形速率對量化褶皺的活動強度、 評估其地震危險性具有重要意義。前人已建立了不同類型斷層相關褶皺的幾何學與運動學模型(Suppe，1983； Suppeetal.，1990； Erslev，1991； Pobletetal.，1996； Allmendingeretal.，2000； Shawetal.，2005)。斷層相關褶皺變形過程中在背斜區(qū)范圍內會形成地表隆升，并在局部形成斷層陡坎、 樞紐帶遷移褶皺陡坎(Lietal.，2015)、 三角剪切褶皺陡坎(Erslev，1991； Allmendingeretal.，2000)等構造陡坎(圖 1)。河流階地、 沖積扇等是記錄晚第四紀變形的良好載體，可根據其記錄到的陡坎變形特征及相應褶皺變形的運動學特征限定活動褶皺的變形量與速率及生長演化歷史等(陳杰等，2005； Schareretal.，2006； Yueetal.，2011； Lietal.，2015； Stockmeyeretal.，2017； Charreauetal.，2018)。

圖 1 斷展褶皺前翼構造陡坎變形的運動學模型(據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 斷層陡坎變形模型； b 三角剪切斷展褶皺陡坎變形模型； c 樞紐帶遷移斷展褶皺陡坎變形模型

龍門山南段前陸地區(qū)發(fā)育了一系列新生代斷裂-褶皺帶(Lietal.，2013； 姜大偉等，2018)。前人主要依據橫跨褶皺的河流階地隆升變形特征，利用面積或線長守恒方法限定該區(qū)域的褶皺變形特征及速率(蘇鵬等，2016； 姜大偉等，2018)。由于該區(qū)域的侵蝕作用強，難以保存連續(xù)完整橫跨整個背斜的階地，且不同構造位置的河流階地發(fā)育級數也不完全相同，利用零星分布的階地面限定整個背斜的變形量及速率難度較大，且存在較大的不確定性。相比之下，局部發(fā)育的構造陡坎更容易保存，是獲得逆斷層-褶皺變形量更佳的變形標志。

三蘇場背斜是位于該區(qū)域中部的斷展褶皺(Lietal.，2013)，前人根據橫跨背斜的青衣江階地變形估算其晚更新世以來的縮短速率為0.20～0.25mm/a(姜大偉等，2018)。我們在野外調查中發(fā)現青衣江橫穿三蘇場背斜時僅零星發(fā)育多級階地，且后期遭受了嚴重的侵蝕改造，不同部位的階地面很難連續(xù)對比，導致很難利用變形階地面通過面積或線長守恒方法限定褶皺縮短量。

我們在金牛河以北的三蘇場背斜東翼發(fā)現一個長約9km、 坡向E的線性展布陡坎。通過詳細的野外調查、 褶皺幾何學分析及DEM數據分析，結合地震反射剖面解譯，認為該陡坎為三蘇場斷展褶皺向前陸地區(qū)擴展形成的樞紐帶遷移褶皺陡坎，進而建立了三蘇場背斜生長的幾何模型，并利用褶皺陡坎估算了其變形量及速率。

1 斷展褶皺前翼構造陡坎的類型及運動學特征

斷展褶皺(fault-propagation-fold)亦被稱為斷層傳播褶皺，是由深部斷坡向上擴展形成的褶皺(圖 1)，斷坡位移量向上呈線性遞減，減小量被斷坡上盤地層的褶皺作用所吸收(Suppeetal.，1990； 何登發(fā)等，2007)。在斷展褶皺前翼可能出現3種構造陡坎，分別為斷層陡坎、 三角剪切褶皺陡坎和樞紐遷移褶皺陡坎(圖 1)。斷層陡坎是斷層直接斷錯地表形成的地貌陡坎； 三角剪切褶皺陡坎是隱伏逆斷層擴展端部發(fā)生三角剪切變形形成的地貌陡坎(Erslev，1991； Allmendingeretal.，2000； Chenetal.，2007)； 樞紐帶遷移褶皺陡坎是褶皺變形過程中由樞紐遷移在活動樞紐附近形成的地貌陡坎(盧華復等，2002； Hubert-Ferrarietal.，2007； Charreauetal.，2008； Yueetal.，2011； Lietal.，2015； Stockmeyeretal.，2017)。三者均發(fā)育在初始水平或近水平的地貌面上，總體上平行構造走向產出，發(fā)育位置嚴格受下伏構造控制，會沿構造走向在多級地貌面發(fā)生同步變形，地貌面越老則構造陡坎的規(guī)模越大(Le Béonetal.，2014)。

斷層陡坎發(fā)育在斷層出露的位置，斷層兩側地層不連續(xù)。斷層附近會發(fā)育牽引褶皺等局部構造，在稍微遠離斷層處，兩側的地層產狀基本一致(圖1a)。由于侵蝕作用，發(fā)育在較老地貌面上的斷坎坡度比發(fā)育在年輕地貌面上的斷坎小。

三角剪切褶皺陡坎發(fā)育在逆斷層擴展端部的三角形變形區(qū)域，在變形區(qū)域內地層厚度存在變化，陡坎坡度隨著變形量的增加而不斷變大，即地貌面越老、 陡坎坡度越大、 陡坎寬度越窄； 變形區(qū)域外的地層或地貌面產狀穩(wěn)定且近平行產出(圖1b)。

樞紐帶遷移褶皺陡坎發(fā)育在活動樞紐附近，下伏基巖地層的傾角在活動樞紐兩側完全不同，一側地層陡傾，另一側地層緩傾； 褶皺陡坎下方不發(fā)育斷層； 褶皺陡坎的高度和寬度隨著變形量的增加而增加，但坡度基本不變(圖1c)。

2 三蘇場背斜的地質背景

2.1 三蘇場背斜的構造變形特征

三蘇場背斜(圖2b 中的F4)位于青藏高原與四川盆地的過渡地帶(圖2a)，為龍門山南段前陸地區(qū)的一個小型褶皺，走向NNE，長40～50km。其南西部緊鄰大涼山地塊，從構造上向S與峨邊斷裂(圖2b 中的F11)、 滎經斷裂(圖2b 中的F12)相連。背斜核部出露地層為侏羅系，白堊系棕紅色、 磚紅色砂巖、 泥巖； 東、 西兩翼及北傾伏端上覆中更新統(tǒng)丹思沖積礫石層(圖2b)。

地震反射剖面顯示，三蘇場背斜是發(fā)育在地下5～7km三疊系底部膏鹽層滑脫面之上的由傾向NWW的三蘇場逆斷裂所控制的斷展褶皺(Jiaetal.，2006； Hubbardetal.，2010； Lietal.，2013)(圖2c)。根據地震反射剖面揭示的褶皺形態(tài)，三蘇場背斜為箱狀背斜，兩翼地層較陡，核部地層傾角較緩，傾角<10°(圖2c)。

圖 2 三蘇場背斜及鄰區(qū)的地質圖及地震反射剖面的解譯圖Fig. 2 The geological map and the interpreted seismic reflection profile of the Sansuchang anticline and its surrounding area.a 研究區(qū)的構造位置； b 龍門山南段前陸盆地的地質圖； c 地震反射剖面及解譯(修改自Li et al.，2013)。F1長山鎮(zhèn)斷裂-褶皺帶； F2龍泉山斷裂-褶皺帶； F3蘇碼頭斷裂； F4三蘇場背斜； F5浦江-新津斷裂(熊坡背斜)； F6龍門山山前斷裂； F7蘆山 斷裂-褶皺帶； F8彭縣-灌縣斷裂； F9北川-映秀斷裂； F10茂汶-汶川斷裂； F11峨眉-煙峰斷裂； F12滎經斷裂； F13馬邊斷裂帶

2.2 晚第四紀地層與地貌面分布

三蘇場背斜北段兩翼及北傾伏端分布丹思礫石層。丹思礫石層為青衣江的古沖積扇，因其主要分布在丹棱縣、 思濛鎮(zhèn)而得名(圖3a)(張倬元等，2000)。丹思礫石層的分布西起洪雅縣，東至眉山縣，南至夾江縣，自西向東呈散開的扇狀(圖2b)，沉積厚度為30～100m，中部受到背斜褶皺作用抬升并遭受侵蝕(姜大偉等，2018)。丹思沖積扇以石英巖為主的礫石與黏土混雜，整體呈褐紅色、 褐黃色，無層理，礫石的分選磨圓好，礫徑為5～50cm，除以石英、 長石為主的礫石較為堅硬外，其他大部分礫石及沉積物都已經風化破碎(圖4d)。前人獲得的三蘇場背斜東翼丹思沖積扇的年齡為(185±19)ka(位置見圖3a)(姜大偉，2017)。

在三蘇場背斜北段，丹思沖積扇面受到多條沖溝及河流的改造。其中最主要的河流為思蒙河和金牛河。思蒙河和金牛河均發(fā)源于三蘇場背斜西側的熊坡背斜，思蒙河自西向東繞過三蘇場背斜的北傾伏端，轉向SE匯入岷江，在三蘇場背斜東翼的思蒙河西岸發(fā)育至少2級階地。金牛河自西向東橫穿三蘇場背斜后匯入岷江，局部發(fā)育階地(圖3a)。

圖 3 三蘇場背斜的地質、 地形圖與褶皺陡坎Fig. 3 The geological map，DEM and fold scarp of the Sansuchang anticline.a 三蘇場背斜的地質圖，圖中的三角形為前人的采樣點位置及ESR年齡(姜大偉，2017)； b 三蘇場東翼褶皺陡坎的DEM山影圖； c 金牛河兩岸實測地層產狀及推測向斜活動軸面(黃線)； d、 e 根據實測地層產狀重建的測線1和測線2的構造橫剖面，陡坎發(fā)育在活動軸面處； f 三蘇場背斜可能的幾何模型(據Li et al.，2015)，D為總縮短量，P為斷層的傳播量，黑色實線代表活動軸面，虛線代表固定軸面，綠色箭頭指示軸面的遷移方向，藍色實線為地表地形線； g 背斜前翼褶皺陡坎的幾何模型(據Li et al.，2015)。圖中黃色區(qū)域為現今陡坎下伏基巖地層，灰色區(qū)域為該地層在沿向斜軸面發(fā)生遷移前的位置，H代表質點的抬升量(即陡坎高度)，S代表質點的水平位移量，L代表樞紐帶的水平移動距離，θ1和θ2分別為樞紐帶兩側地層的傾角

3 確定三蘇場背斜北段東翼的陡坎性質

金牛河以北，在高精度DEM山影圖和衛(wèi)星影像上清晰可見在三蘇場背斜東翼發(fā)育一個坡向E的線性展布陡坎(下文簡稱為陡坎)，長約9km。陡坎南段走向25°～35°，中段走向轉為10°～20°，再向N走向又轉為24°～32°(圖3a，b)。該陡坎的走向與下伏基巖地層的走向一致，也與地震反射剖面上的向斜軸面位置大體對應。為了確定該陡坎的性質，我們沿陡坎走向進行了追索，并垂直陡坎走向開展了穿插調查。該陡坎發(fā)育在思蒙河西岸最高地貌面的丹思沖積扇面上，因此首先需要判定該陡坎是否為河流階地陡坎。

在該陡坎的下降盤，思蒙河西岸河流階地陡坎與現今河道幾乎平行產出； 陡坎的走向與現今河道的方向存在約35°的夾角(圖3a)。思蒙河在三蘇場背斜東翼流向SE，其階地面坡降方向與河流流向一致，均為坡向S，與三蘇場背斜的向N傾伏相反； 該陡坎所在地貌面沿走向的坡降方向則與三蘇場背斜的傾伏方向一致，向N高程減小(圖3b)。位于該陡坎下降盤的思蒙河階地陡坎沿走向斷續(xù)分布，遭受了嚴重侵蝕； 但該陡坎沿走向的線性連續(xù)程度遠好于思蒙河階地陡坎的連續(xù)程度，假如該陡坎為高階地陡坎，理應受到更嚴重的侵蝕，線性連續(xù)程度更低(圖3b)?；谏鲜鲇^察，我們認為該陡坎并非思蒙河西岸的高階地陡坎。

在金牛河穿過陡坎的位置，由于河流的切割及人工開挖，沖積物蓋層之下的基巖出露地表。詳細的野外填圖資料表明，陡坎下伏背斜東翼E傾的白堊系傾角在<20m的距離內發(fā)生突變，沿測線2從西側穩(wěn)定的52°～64°突變到穩(wěn)定的14°～17°(圖3c，e)，沿測線1從穩(wěn)定的42°～49°突變到13°～10°(圖3c，d)，2條測線表現出了相同的產狀變化特征，在地層產狀突變處未發(fā)現斷層。顯然，陡坎下伏地層傾角突變處是東翼向斜樞紐(軸面)所在位置(圖3c 中的黃線)，實測獲得的樞紐帶走向(28°～32°)與該陡坎南段走向(25°～35°)一致。由此確定，該陡坎實際上是斷展褶皺前翼向斜樞紐遷移形成的褶皺陡坎?；顒訕屑~兩側的地層傾角分別為θ1：10°～17°、θ2：43°～57°(圖3c，f，g)。

盡管該褶皺陡坎附近及上升盤、 下降盤所在處的原始地貌面已經受到了一定程度的破壞，但在野外仍可以觀察到陡坎兩側存在明顯的地形高差(圖4a，b)。陡坎的上升盤與下降盤近地表均可見厚層塊狀砂礫石堆積，主要為磨圓較好的礫石與黏土的混雜(圖4c，d)，與典型的丹思沖積扇沉積物一致。在陡坎上升盤，由于工程開挖揭露出的礫石層厚約10m，下伏基巖為磚紅色—深紅色白堊系泥巖、 粉砂巖，產狀為E傾40°～50°(圖4c)，與在南部金牛河兩岸露頭觀察到的上升盤地層產狀吻合。

圖 4 褶皺陡坎及下伏地層的野外照片Fig. 4 Field photos of the fold scarp，the hanging wall and the footwall strata.照片拍攝點位置見圖3b。a、 b 不同鏡向下的褶皺陡坎地貌； c 褶皺陡坎上升盤地層的露頭剖面，近地表為厚約1m的土黃色耕植土，中部約10m為褐紅色厚層塊狀富含黏土基質的礫石堆積，與丹思沖積扇具有相同的沉積特征，剖面下部為白堊系泥巖層，地層產狀E傾45°； d 陡坎下降盤下伏地層露頭剖面，表層為厚約0.5m的耕植土層，其下為富含黏土基質的礫石堆積

圖 5 橫跨三蘇場背斜及東翼褶皺陡坎的條帶地形剖面Fig. 5 Swath profile across the Sansuchang anticline and its east limb fold scarp.剖面線位置見圖 3a，條帶剖面寬1000m，綠線、 藍線與橙線分別為最小地形線、 平均地形線和最大地形線

利用ALOS 12.5m DEM橫跨三蘇場背斜提取了2個條帶地形剖面AA′、BB′(圖5a，b)，2條剖面的覆蓋范圍內均為丹思沖積扇面。從條帶剖面中可以明顯看出，盡管背斜區(qū)范圍地形發(fā)生了隆升，但背斜兩翼的丹思沖積扇面坡度幾乎一致，這表明三蘇場背斜在丹思沖積扇沉積之后發(fā)生了變形，且三蘇場背斜是以樞紐帶遷移機制生長的。此外，褶皺陡坎上升盤的丹思沖積扇沉積的厚度遠小于陡坎下降盤的厚度，表明丹思沖積扇沉積上部可能是一同構造沉積。

綜上所述，三蘇場背斜東翼的陡坎為樞紐帶遷移褶皺陡坎，陡坎的形成過程發(fā)生在丹思沖積扇沉積時或之后，記錄了中更新世中晚期至今的背斜變形歷史。

4 褶皺陡坎的幾何學特征

4.1 樞紐帶遷移褶皺陡坎的特征及參數計算

三蘇場背斜東翼的褶皺陡坎是由于斷層擴展導致背斜前翼發(fā)生樞紐帶遷移作用而形成的，與發(fā)生樞紐帶遷移作用形成的斷彎褶皺陡坎及滑脫褶皺陡坎有諸多相似之處： 1)褶皺陡坎均發(fā)育在活動的向斜樞紐附近，陡坎兩側下伏基巖產狀有較大的差值； 2)遠離活動樞紐，地貌面保持初始坡度； 3)質點的運動學特征相似。利用滑脫褶皺陡坎的計算公式(Lietal.，2015)可分別計算斷展褶皺前翼褶皺陡坎的樞紐水平遷移距離(L)、 質點運動的水平位移量(S)及陡坎最大坡度(φmax)(圖3g)：

(1)

S=H·(cosθ1-cosθ2)/(sinθ2-sinθ1)

(2)

(3)

4.2 褶皺陡坎記錄的背斜縮短量

基于ALOS DEM垂直褶皺陡坎走向提取5個條帶地形剖面，從北向南分別標記為p1—p5，每條剖面長2500m，寬1000m(圖6a—e)。由于強烈的侵蝕作用，褶皺陡坎的原始地貌形態(tài)遭到了一定程度的破壞，因此利用各條帶剖面中的最大地形線獲取陡坎的高度(H)、 寬度(W)、 坡度(Slope)(圖6f，表1)，以最大程度確保提取的陡坎形態(tài)為原始沉積時的陡坎形態(tài)，減小侵蝕作用的影響。

圖 6 a—e三蘇場背斜東翼褶皺陡坎的條帶地形剖面； f 陡坎參數的提取方法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分別對應圖 3b中的p1—p5，條帶剖面寬1000m，剖面參數根據各條帶剖面的最大地形線進行提取。條帶地形剖面的位置見圖3b

表 1 不同地形剖面褶皺陡坎的相關參數Table1 Parameters of the fold scarps

利用式(1)—(3)，應用蒙特卡洛模擬方法計算獲得樞紐帶的縮短量(S)、 樞紐帶遷移距離(L)及褶皺陡坎的理論最大坡度(φmax)(表1)。褶皺陡坎的高度、 縮短量和樞紐帶遷移距離在南部p5—p3之間變化不大； 向N至背斜傾伏端p3—p1，這些變量則明顯呈減小的趨勢。實測陡坎坡度遠小于模型預測的最大理論坡度，這表明褶皺陡坎在發(fā)育過程中經歷了強烈的侵蝕作用，使得陡坎坡度變緩。

5 討論

5.1 三蘇場背斜的縮短速率

如前文所述，三蘇場背斜東翼褶皺陡坎的高度、 寬度均有明顯減小的趨勢，陡坎的水平縮短量也逐漸減小(圖 5)。造成這種現象的原因可能是背斜的縮短量向傾伏端減小，或在縮短量不變的情況下向傾伏端褶皺的幾何形態(tài)發(fā)生了變化(Hughesetal.，2014)。由于本文在利用褶皺陡坎計算縮短量時使用的下伏基巖地層產狀是在金牛河兩岸測量得到的，因此越靠近金牛河的位置本文計算得到的縮短量越可靠，即測線p5、 p4的計算結果相對更可靠，而p1—p3的結果可能存在較大誤差。

根據p4、 p5的縮短量計算結果及丹思沖積扇的年齡((185±19)ka)(姜大偉等，2018)可獲得中更新世晚期以來三蘇場背斜東翼的水平縮短速率約為0.1mm/a，樞紐帶的遷移速率為0.3～0.5mm/a。根據前人建立的三蘇場斷裂-褶皺帶的幾何學模型(Jiaetal.，2006； Lietal.，2013)，斷坡的傾角約為20°～30°，由樞紐的水平遷移距離計算獲得的斷層端點沿斷坡的傳播速率為(0.5+0.3/-0.1)mm/a。

前人利用斷層傳播-滑移比(即P/D，圖3f)描述斷層端部遷移與斷層滑動量之間的關系。經典斷展褶皺的幾何形態(tài)在變形過程中具有自相似性，即幾何樣式在變形過程中保持不變。無論是軸面固定或地層等厚，斷層傳播量(P，圖3f 中綠色線段的長度)均大于斷層滑動量(圖3f 中藍色線段的長度)，因此本文計算得到的斷層的傳播速率代表了背斜的最大縮短速率。根據斷展褶皺的理論(Suppeetal.，1990)，當斷層傾角為20°～30°時，傳播-滑移比為1.7～2.1，根據本文獲得的斷層傳播速率為(0.5+0.3/-0.1)mm/a可以得到三蘇場斷層的滑動速率為(0.3+0.2/-0.1)mm/a，即整個背斜的縮短速率為(0.3+0.2/-0.1)mm/a。

前人基于青衣江階地變形獲得的三蘇場背斜晚更新世(距今73～93ka)以來的縮短速率為0.2～0.25mm/a(姜大偉等，2018)，與本文獲得的中更新世晚期以來的縮短速率基本一致，由此可知中更新世中晚期以來三蘇場背斜的縮短速率約為0.3mm/a。

5.2 三蘇場褶皺陡坎發(fā)現的意義

褶皺陡坎是褶皺變形區(qū)域常見的地貌現象。面積或線長守恒方法只能應用于橫跨整個背斜發(fā)育連續(xù)完整的變形階地面，利用褶皺陡坎計算縮短量的方法，其優(yōu)勢在于可利用發(fā)育在背斜活動軸面附近的局部變形地貌面計算總縮短量。

龍門山南段前陸地區(qū)是典型的薄皮構造帶，自山前向盆地內發(fā)育蘆山背斜、 蒙頂山背斜、 熊坡背斜、 三蘇場背斜、 龍泉山斷裂-褶皺帶等(圖2b)。在該區(qū)域，由于高剝蝕速率、 區(qū)域性階地面分布不連續(xù)性且植被茂密調查難度大等，導致面積或線長守恒方法的應用難度和不確定性均較大。局部的褶皺陡坎相比橫跨整個背斜的地貌面更容易保存，使得根據褶皺陡坎計算背斜總縮短量的方法在該區(qū)域有較好的應用前景，為該區(qū)域的斷裂-褶皺帶活動特征研究提供了一種新的思路。

6 初步認識

本研究通過對三蘇場背斜北段東翼陡坎的野外調查及條帶地形剖面的信息提取，獲得如下認識：

(1)三蘇場背斜北段東翼的陡坎為斷展褶皺前翼由于樞紐帶遷移形成的褶皺陡坎，陡坎形成于丹思沖積扇沉積之后。

(2)利用三蘇場東翼褶皺陡坎估算丹思沖積扇沉積之后三蘇場背斜東翼的最大水平縮短量為(18.9+3.0/-2.3)～(23.9+3.4/-2.7)m，樞紐帶的最大水平遷移距離為(63.7+14.5/-7.8)～(79+17.2/-7.3)m，向背斜傾伏端縮短量漸小。中更新世中晚期以來背斜東翼的水平縮短速率約為0.1mm/a，三蘇場斷層的平均擴展速率為(0.5+0.3/-0.1)mm/a，三蘇場背斜的總縮短速率為(0.3+0.2/-0.1)mm/a。

(3)利用褶皺陡坎變形特征量化活動褶皺晚第四紀變形量及速率的方法，為研究剝蝕速率快、 地貌面不連續(xù)的龍門山南段前陸地區(qū)的斷裂-褶皺帶活動特征提供了一種新的思路。

致謝本文受益于野外與四川省地震局周榮軍研究員、 應急管理部國家自然災害防治研究院張世民研究員、 中國地震災害防御中心田勤儉研究員、 中國地震局地質研究所任治坤研究員、 袁仁茂研究員等的討論； 審稿專家為本文提出了詳細而寶貴的修改意見和建議。在此一并表示感謝！