岷江上游晚更新世湖相沉积的古地震及物源分析

青藏高原东缘是中国大陆内部最显著的地貌梯度带,也是青藏高原周缘新构造与活动构造最为复杂、活动断裂发育密度最高的区域。岷江上游地处"南北向地震构造带"中段,受岷江断裂、虎牙断裂及龙门山逆冲推覆构造带的影响,不仅强震及大震活动非常频繁,而且崩滑流等外动力地质灾害也极为显著,是内外动力作用耦合最为显著的地区。自2008年汶川MS8.0强震以来,随后又发生了2010年玉树MS7.1、2013年芦山MS7.0、2017年九寨沟MS7.0等4次7级以上地震,使得了解青藏高原东缘在地质和历史时期的地震活动成为迫切的科学需求。然而,岷江上游地区多为高山峡谷地貌,侵蚀作用强烈,滑坡、泥石流等地质灾害频繁,人为破坏严重,使得探槽开挖困难,古地震研究程度偏低。已有的少数古地震研究多数集中在全新世,揭露的古地震事件次数也相对较少。区域广泛分布的古堰塞湖湖相沉积连续性好、分辨率高,可能记录更多的地震事件,使得湖相沉积古地震研究受到越来越多的关注。本论文在整理前人资料的基础上,对岷江上游晚更新世湖相沉积出露点展开了详细的野外地质调查、剖面测量和系统采样等工作。首先,通过沉积学手段进行岩性描述、地层划分、层理识别,分析和划分沉积环境与沉积相。其次,对湖相沉积记录的宏观软沉积物变形和层理构造(丘状交错层理)进行研究,重点对软沉积物变形的类型划分、形态描述、成因厘定、变形过程和演化模型进行分析;然后对软沉积物变形的类型、形态和强弱变化与地震震级和震中位置关系进行讨论。再次,利用地球物理(粒度、磁化率)、地球化学等微观指标,并结合端元模型,对湖相沉积记录的事件层和非事件层进行分析和解释,以期获得湖相沉积中连续的构造和气候信息。采用OSL和14C相结合的方法,建立湖相沉积年代,获得古地震活动历史、大致震级等参数。最后采用主微量元素和碎屑锆石U-Pb定年,探讨青藏高原东缘到四川盆地碎屑物质的释放、搬运过程和路线等,以及青藏高原东缘构造活动造山带是如何影响四川盆地的?通过上述研究,得到如下认识:(1)通过OSL和14C测年,初步获得了岷江上游新磨村Ⅰ(XMCⅠ)、新磨村Ⅱ(XMCⅡ)和太平(TP)3个湖相沉积剖面的年代,沉积年龄属于末次冰盛期向全新世过渡时期;沙湾(SW)湖相沉积剖面的时代应属末次冰消期到全新世时期。(2)XMCⅠ、XMCⅡ、SW和TP 4个湖相沉积剖面中,共发现17个变形层,7种类型的软沉积物变形,分为韧性变形(负载构造、火焰构造、假结核构造、球枕构造和液化卷曲)和脆性变形(微断层和液化角砾)两种。软沉积物变形最可能的触发机制为地震作用,代表强液化或(和)流化作用。另外,4个湖相剖面中有12个中厚层向上变细的粉砂层,其成因与地震引起的滑坡、碎屑物质及细颗粒粉尘等被风力或流水搬运到湖泊中并快速沉积有关。(3)当沉积物中记录的软沉积物变形(负载、球枕构造)为地震成因时,其代表的震级可能为6.0～7.0级,震中距约为20～70 km。同等变形强度的负载、球枕构造,地震震级最强的为湖相沉积,其次是河湖相沉积和海相沉积。负载、球枕构造变形的宽度和厚度与地震震级具有正相关关系:即变形层宽度越大、厚度越厚,其记录的震级就越大。球状体变形尺度及球状半径大小,也与震级大小有一定的正相关关系,即球状半径越大,其震级越大。而岩性与地震震级大小没有直接的对应关系。利用软沉积物变形所对应的地震震级估算距震中距离,或者采用软沉积物变形距断层距离估算地震震级的方法都是可行的。(4)根据软沉积物变形类型、变形强弱、扰动厚度、累积厚度、最大液化距离等方法进行古地震震级估算。SW剖面可能记录了6次6.0～7.0级和1次7.0级以上地震;XMCⅠ剖面可能记录了3次5.0～6.0级和2次6.0～7.0级地震;XMCⅡ剖面可能记录了2次5.0～6.0级和3次6.0～7.0级地震;TP剖面可能记录了1次6.0～7.0级地震。(5)基于粒度的粒径分布、频率及累积曲线、岩性三角图、C-M图、粒度象限及萨胡判别公式对XMCⅠ、XMCⅡ和TP 3个湖相沉积剖面进行成因厘定,沉积物多为粘土、粉砂和极细砂沉积,均显示风成成因特点,多为近距离风力搬运并迅速堆积到湖泊中;而SW湖相沉积剖面则为风成和水成两种成因特点。通过对XMCⅠ、XMCⅡ、XMCⅢ和TP 4个剖面粒度数据的端元模拟显示,均可以分离出2个粒径端元,其中EM1为非地震期间的湖泊沉积;EM2为极端灾变(地震、滑坡等)期间的湖泊沉积。SW剖面可以分离出3个粒径端元,EM1代表非地震期间的湖泊沉积,EM2和EM3代表极端灾变(地震、滑坡等)期间的湖泊沉积。结合粒度、磁化率、地球化学及端元模型,XMCⅠ、XMCⅡ、XMCⅢ、TP和SW 5个湖相沉积剖面分别识别出22次,18次,26次,23次和12次可能的地震事件层。地震事件层与非地震事件层区别明显,虽然各个事件层所处的演化阶段(AB、BC和CD段)不太一样,但事件层都具有相同或类似的演化模式,即粒度突然变粗,向上缓慢变细,进而逐渐变细到以粉砂质粘土为主的正常沉积。基本对应于地震发生时粗颗粒碎屑物质的突然释放;地震短时间尺度内粗碎屑颗粒与细颗粒物质充分混合阶段;震后长时间尺度,以分选好的细颗沉积阶段。(6)根据宏观软沉积物变形层、微观粒度和磁化率识别的地震事件层,并对这两种方法识别的地震频次、震级大小进行对比分析和相互校正,初步获得了古地震发生的频次和震级大小。其中,XMCⅠ剖面初步识别了15次5.0～6.0级,5次6.0～7.0级,2次7.0～8.0级,共22次地震事件。XMCⅡ剖面初步识别了11次5.0～6.0级,5次6.0～7.0级,2次7.0～8.0级,共18次地震事件。XMCⅢ剖面初步识别了4次5.0～6.0级,18次6.0～7.0级,4次7.0～8.0级,共26次地震事件。SW剖面初步识别了4次5.0～6.0级,5次6.0～7.0级,3次7.0～8.0级,共12次地震事件。TP剖面初步识别了6次5.0～6.0级,15次6.0～7.0级,2次7.0～8.0级,共23次地震事件。(7)新磨村剖面(XMC)共发现227层丘状交错层理,其中XMCⅠ剖面为135层,XMCⅡ剖面为76层,XMCⅢ剖面为16层。二维形态测量显示:长度为1.7～24 cm,平均8.40 cm;厚度仅0.1～2.7 cm,平均0.56 cm,长度与厚度比为10～20;三维形态为波浪的薄板状,波长2.6～10 cm,平均5.9 cm;波高0.4～6 cm,平均2.3 cm;波长与波高比在2～5之间,并有明显的铁锈氧化圈。丘状交错层理的粒度测量显示,沉积物颗粒较细,多为粉砂和极细砂,显示风成成因特点。进一步的地球化学数据表明,沉积物多为近距离风力搬运并迅速堆积到湖泊中。丘状交错层理明显受水流作用影响,作为一种非常重要的沉积构造,常出现在正常的浪基面与风暴浪基面之间,可能为极端气候条件下的风暴波浪成因。类似的变形构造在堰塞湖中也可以保存。(8)从青藏高原东缘的岷江上游到四川盆地,采集8个样品(基岩、湖相沉积物、现代河砂、风成沉积物)进行碎屑锆石U-Pb定年及粒度测量,结果显示,岷江上游的基岩(XMC15-08、DL15-03和LX15-01),现代河砂(WC15-01)和风成沉积物(DY15-01)的锆石颗粒较粗;而湖相沉积(XMC15-01、DL15-02和LX-14)锆石颗粒较细。有趣的是,河砂样品与风成沉积碎屑锆石颗粒度参数很相似。碎屑锆石主要有5个年龄组分,分别是180～350 Ma(早侏罗纪—石炭纪);350～550 Ma(泥盆纪—寒武纪);700～1 000 Ma(新元古代);1 600～2 200 Ma(中元古代—古元古代);2 200～2 600 Ma(古元古代—新太古代),大致对应于长江流域5次花岗岩岩浆事件的年龄(印支—震旦系/燕山期、海西、加里东期、晋宁期、吕梁期)。基于碎屑锆石年龄分布和非计量多元尺度模拟(MDS)显示:岷江连接着理县的湖相沉积;汶川、乐山、宜宾和大渡河的现代河砂及大邑砾岩,暗示着大邑砾岩是由河流搬运堆积,而非冰川侵蚀搬运。伴随着青藏高原东缘频繁的地震活动,诱发了大量的滑坡等碎屑物质,随后经过河流搬运到四川盆地西部,堆积形成厚的沉积物,并有2个巨厚的沉积中心,而相对较细的沉积物又被地形风或者阵风搬运至四川盆地北部,例如德阳地区。因此,岷江搬运的碎屑物质是四川盆地西部主要的物质来源,同时也为四川盆地北部提供大量的粉尘物质。而嘉陵江和大渡河对四川盆地西部的物质贡献较小。