断层的短期活动历史(万年时间尺度)对地震研究具有重要价值,而断层的长周期(百万年时间尺度)变形对认识活动造山带的变形过程和机制具有重要意义。2008年汶川5·12地震(Mw7.9级)的发生造成中央(映秀-北川断裂)和山前(灌县-安县断裂)两条断裂产生大规模的地表破裂,对人民的生命财产安全产生了巨大破坏。然而,位于龙门山内陆区的汶川-茂县断裂在此次地震中并未表现出明显的活动迹象。前人对汶川-茂县断裂短期和长期的活动性质、活动历史及其对造山过程的贡献程度均存在着较大的争议。针对该断裂的长期活动,有学者认为汶川-茂县断裂在晚新生代以逆冲活动吸收了显著的上地壳缩短;相反,也有学者认为该断裂为彭灌杂岩西侧发育的正断层,并以此作为青藏高原东缘晚新生代存在下地壳流动的重要证据之一;另外,基于地貌指数分析,也有学者推断该断裂在晚新生代以来沿断层倾向上很少或没有发生过活动。该地区晚新生代沉积物缺乏,传统的构造地质学方法难以制约其晚新生代以来的活动历史;同时,该区域晚新生代为脆性变形,缺乏有效的地质定年方法,是构造年代学研究的难点问题之一。
中国地震局地壳应力研究所沈晓明副研究员和中山大学田云涛教授等人在中国地震局地壳应力研究所所长基金的资助下,针对上述科学问题和争议,选取位于汶川-茂县断裂上盘、研究程度较低的雪隆包杂岩(最高峰5527m)为研究对象,对两条高差约3000米的高程剖面进行了系统的地质考察和样品采集,使用磷灰石和锆石的(U-Th)/He(AHe、ZHe)及裂变径迹(ZFT)年代学技术,运用年龄-高程数据线性拟合及三维热动力学模拟方法(Pecube)反演了岩石自晚中新世以来的剥露历史和剥露速率。
研究取得以下主要认识:(1)从~13Ma至今,汶川-茂县断裂上盘经历了一期快速剥露,剥露速率为0.9-1.2 mm/yr;(2)汶川-茂县断裂上盘的剥露速率明显高于下盘,是下盘剥露速率的2倍;(3)根据差异剥露计算的汶川-茂县断裂晚中新世以来的垂向最小滑动速率约为0.6 mm/yr;(4)龙门山地区晚新生代以来的剥蚀空间样式说明持续的上地壳缩短是青藏高原东缘的主要变形方式。
图1 研究区位置及前人低温热年代学研究结果
图2 草坡和马埝坪剖面样品低温热年代学年龄-高程关系图
图3 Pecube三维热动力学模拟,揭示剥露转换时间为约13Ma和之后的剥露速率为0.9-1.2 km/百万年
图4 龙门山中段剥露速率投影图,揭示汶川-茂县断裂两盘具有明显的差异剥露
研究成果发表于JGR- Solid Earth上:Shen X.M., Tian Y.T. *, Zhang G.H., Zhang S.M., Carter A., Kohn B., Vermeesch P., Liu R., Li W. (2019). Late Miocene hinterland crustal shortening in the Longmen Shan thrust belt, the eastern margin of the Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, doi.org/10.1029/2019JB018358. 原文链接:http://doi.org/10.1029/2019JB018358