中国东北部伊兰-义同断层带的第四纪火山活动与分段破裂

《Geomorphology》：Quaternary volcanism and segmented rupture of the Yilan-Yitong Fault Zone, NE China

第四纪火山活动通过高温体、断层结构异质性和近火山口力学性质差异影响活动断裂分段破裂机制，基于高分辨率卫星影像、地质地貌测绘和磁电探测等综合数据揭示该过程，为类似构造区强震风险评估提供新依据

　　

余中原|赵凌强|杨彦林|李鲁伟|陈百旭

中国河北省防灾研究所，06201

摘要

尽管有猜测认为第四纪火山活动可能影响了活动断层的分段破裂，但其背后的机制仍不清楚。走向东北的伊兰-伊通断层带（YYFZ）长约700公里，作为中国东北部滩城-卢江断层带（TLFZ）的主要分支，为验证这一假设提供了很好的实验室条件，因为它具有明显的第四纪火山喷发和晚第四纪的分段活动特征。先前的研究表明，YYFZ的淑兰段在晚第四纪期间经历了强烈的变形，而在伊通段则没有发现任何地表构造变形的证据，尽管后者沿线的第四纪火山喷发强度和空间分布更为广泛。一个有趣的现象是，YYFZ活动段的地表破裂“绕过了”或“终止于”第四纪火山。因此，本研究选择了伊通段和淑兰段，通过高分辨率卫星图像解释、大尺度地质和地貌测绘、大地电磁（MT）探测、沟槽挖掘以及第四纪年代测定等方法，进一步分析了第四纪火山活动与分段破裂之间的关系。综合数据表明，第四纪火山活动影响了YYFZ的强地震破裂传播过程。MT数据揭示了伊通段深层存在热岩浆房，而淑兰段深层则没有。这些岩浆房可能通过高温体机制、断层结构及其附近力学性质的异质性以及扩散调整，影响了活动断层的破裂传播过程和分段。这一新发现对于研究中国东北部的第四纪火山活动和活动断层的分段破裂，以及全球类似构造环境下的强地震危险性评估具有重要意义。

引言

有假设认为第四纪火山活动可能影响了活动断层的破裂分段或终止过程，但其背后的机制仍不清楚。国际地质学家基于地球物理勘探、精确地震定位、震源机制分析、应力反演和数值模拟等方法，研究了岩浆活动与活动断层分段活动之间的关系。例如，John等人（2010年）利用地震学和数值模拟方法表明，Lonelier火山区的最新火山喷发活动改变了断层的当前应力积累状态，从而显著高估了潜在的地震危险性。Enneking（2012年）使用蒙特卡洛方法认为，Rongguo火山区的深部热岩浆侵入（约17公里）可能对断层的当前变形和地震活动产生了重大影响。Kendrick等人（2014a）、Kendrick、Lavallée和Hirose等人（2014b）进行了关于粘滑运动和岩浆摩擦熔化引起的鼓槌式火山地震的实验模拟研究，表明摩擦熔化起到了粘性制动的作用。岩浆熔化后固化，压力逐渐增加，导致断层持续滑动。Lin等人（2016年）和Lin（2017年）基于地震波形和电磁观测数据进行分析，发现日本Asao火山区下的岩浆库在影响和阻止2016年Mw7.1级地震地表破裂方面发挥了重要作用。在中国大陆地区，对山西省大同盆地第四纪火山与地震活动关系的研究表明，断层的活动为火山活动提供了通道，断裂的地壳以中小地震的形式释放了该地区的应力（Dou和Zhang，1996年）。Huang等人（1996年）对黑龙江省五大连池火山区以及滩城-卢江断层带（TLFZ）的山东和江苏段进行了类似研究。上述研究表明，第四纪岩浆库的几何形状和温压条件以及断层带的力学和结构差异可能在地震的成核、破裂的起始和传播过程中起着重要作用。然而，这些研究主要基于数值模拟和大尺度地球物理观测，而非直接的地表地质调查证据。关于活动断层的几何分布与分段破裂以及岩浆侵入之间影响机制仍存在很大不确定性。

滩城-卢江断层带（TLFZ）是中国东部最大的走向北北东的走滑构造（图1a；Zhu等人，2015年；Gu等人，2017年；Zhang等人，2025年），由多组斜向分布的分支断层组成，宽度在100至5公里之间，总延伸长度超过3500公里，其中在中国境内的长度约为2400公里（图1a）。TLFZ的新活动特征是明显的分段。根据几何形状、演化历史、当前变形和地震活动的显著差异，TLFZ进一步被划分为四个相对独立的段（Chao等人，1995年）：（1）位于中国东北部的鲁北-铁岭段，主要由敦化-密山断层带（DMFZ）和伊兰-伊通断层带（YYFZ）组成。尽管沿DMFZ发生了一系列深源地震（震源深度H≥300公里）和晚新生代喷发，但至今未记录到浅源强地震，且自晚第四纪以来也未发现强地震地表破裂的证据。作为TLFZ的另一个主要分支，伊兰-伊通断层带自第四纪以来活动较弱。（2）小辽河-莱阳湾段主要分布在渤海海域及其邻近陆地区域（图1a）。最近的多次海洋石油勘探剖面显示，该段存在强烈的第四纪构造活动（Wang、Deng、Huang等人，2006a；Wang、Deng、Du等人，2006b）。该段的现代地震活动以高强度和高频率为特征，例如，渤海中部及其邻近地区经历了多次地震，包括1548年的M7.0级地震、1597年的M7.5级地震、1888年的M7.5级地震、1969年的M7.4级地震以及1975年的海城M7.3级地震。（3）潍坊-贾山段主要分布在山东省南部和江苏省北部。该段在公元前70年经历了安丘M7.0级地震和1668年的郯城M8.5级地震。该段的现代地震活动以高强度和低频率为特征（Shu，2023年），但中强地震的数量显著减少。历史遥感图像解释和构造地貌研究表明，该段在晚第四纪的右旋走滑速率约为2.2–2.6毫米/年，强地震破裂通常表现出约9米的右旋水平滑移特征（Jiang等人，2017年）。（4）贾山-光济段主要位于江苏省和安徽省。该段自晚新生代以来的构造活动相对较弱，现代地震活动以中小地震为主。值得注意的是，最近的研究在某些局部段发现了晚第四纪的新地表活动证据（Zhang等人，2015年；Cao等人，2018年；Zheng等人，2023年）。

如上所述，伊兰-伊通断层带（YYFZ）不仅是TLFZ的关键分支，也是中国东北部最大规模的强地震（M≥7）发生地（图1）。与其他TLFZ段不同，自1973年建立地震观测网络以来，YYFZ沿线未记录到任何震级≥6的地震事件。因此，早期研究认为YYFZ不活跃，没有强地震（M≥7）的构造背景，沿YYFZ的地震防护等级较低，仅为VI级强度标准。然而，过去十年的古地震学和构造地貌研究表明，YYFZ在晚第四纪表现出明显的分段破裂特征，且不同段的火山活动和强地震地表破裂特征存在显著差异（图1b；Min等人，2011年；Min等人，2013年；Shu、Min、Liu和Yu，2014年；Shu等人，2020年；Zhu等人，2015年；Yu等人，2016年；Yu等人，2018年；Gu等人，2016年；Gu等人，2017年；Zhai等人，2016年；Yu等人，2024年；2025年）。在这些新研究中，沿YYFZ观察到的一个独特现象是：在第四纪有明显火山活动的段（伊通段）期间，没有地表断层活动的证据；而在晚第四纪有明显地表破裂的段，则没有第四纪火山活动或地表破裂“绕过”或“终止于”第四纪活火山口（淑兰段）。

因此，沿YYFZ观察到的这一独特地质现象为研究第四纪岩浆活动与活动断层分段破裂之间的关系提供了极好的实验窗口。这些第四纪火山活动是否影响了晚第四纪的断层活动和地表破裂过程？如果是这样，潜在的影响机制是什么？这些问题直接关系到我们对第四纪岩浆活动与YYFZ活动断层分段破裂之间关系的科学理解，以及YYFZ和中国东北平原及全球类似构造环境中的强地震危险性评估。

章节摘录

YYFZ

伊兰-伊通断层带（YYFZ）是分隔中国-蒙古和中国-朝鲜两个活跃陆块的重要边界断层（Zhang等人，2003年；Zhang等人，2014年）。它与DMFZ一起构成了TLFZ北部的主要部分（Xu和Ma，1992年）。从几何上看，YYFZ主要由两条大致平行分布的分支断层组成，间距约为5–25公里，沿其走向形成了一个狭窄的地堑（图2；Huang和Zhao，2006年；Li等人，2013年；Gu等人，2017年）。

野外地质和地貌调查

为了研究活动断层段的末端几何结构特征以及非活动段中火山口的空间分布特征，我们采用了大尺度地质和地貌测绘方法，基于数字高程模型（DEM）、高分辨率SPOT-5卫星图像、ALOS和OVISAT图像解释。我们收集并整理了以往的研究结果和该地区的地震目录，并选择了一系列

伊通盆地段的地质结果

在对伊通段进行野外调查时，选择了两个火山调查点和两个断层观测点（地点1和2）。它们的具体位置如图3所示。我们对莫里青火山和大姑山火山进行了详细的野外地质调查（图4a–f），使用无人机获取了火山口的高分辨率DEM数据，并利用地形剖面测量了火山口的垂直高度，从而得出了

第四纪火山活动对强地震地表破裂传播的影响机制

根据野外调查，YYFZ的伊通段通常以更新世-早第四纪火山群和小地震（大多数震级<3.0）为特征；断层带宽度相对较宽；然而，断层的完整性和连续性较差。野外地表调查未发现晚第四纪以来的新活动地质或地貌证据。相比之下，这些第四纪

结论

基于高分辨率卫星图像解释、大尺度地质和地貌测绘、MT探测、沟槽挖掘以及第四纪年代测定的综合数据，我们讨论了第四纪火山与强地震传播和破裂过程之间的关系，并分析了影响中国东北部YYFZ分段活动的可能机制。本研究的主要结果如下：

(1)

野外

CRediT作者贡献声明

余中原：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源获取，调查，资金申请。赵凌强：方法论。杨彦林：撰写 – 原稿，调查。李鲁伟：调查。陈百旭：调查。

未引用参考文献

Fu, Sun, Wei和Gou, 2009

Koketsu, Kobayashi和Miyake, 2016

Tong, 2002

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中央防灾学院基本研究基金（资助编号：20215110）和中国博士后科学基金会（资助编号：2018M631534）的联合支持。我们感谢Pei-zhen Zhang、Wei Min、Wen-jun Zheng、Wei-tao Wang和Chuan-you Li教授在实验室和野外的大力协助。同时，也要感谢黑龙江地震局的同事们，包括Qing-hai Wei和Jian Kang等人的帮助。