張　波　何文貴　龐　煒　吳　趙　邵延秀　袁道陽(yáng)

1)中國(guó)地震局蘭州地震研究所、蘭州　730000　2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所、北京　100029　3)中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心、西安　710054

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青藏塊體北部金塔南山斷裂晚第四紀(jì)走滑活動(dòng)的地質(zhì)地貌特征

張波1，2)何文貴1)龐煒3)吳趙1)邵延秀1，2)袁道陽(yáng)1)

1)中國(guó)地震局蘭州地震研究所、蘭州7300002)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所、北京1000293)中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心、西安710054

前人對(duì)位于青藏塊體北部與阿拉善塊體接觸帶的金塔南山斷裂是否存在左旋走滑新活動(dòng)一直存在爭(zhēng)議。文中基于航空照片和高分辨率遙感影像解譯、地質(zhì)地貌調(diào)查與填圖、差分GPS測(cè)圖、開挖剖面等方法、詳細(xì)研究了金塔南山斷裂的地質(zhì)、地貌表現(xiàn)、分析是否存在左旋走滑的新活動(dòng)特征。結(jié)果表明：金塔南山斷裂晚第四紀(jì)以來有左旋走滑活動(dòng)、地貌上表現(xiàn)為正、反向交替的斷層陡坎、沖溝和微地貌的左旋位錯(cuò)、拉分盆地和擠壓隆起等現(xiàn)象；地質(zhì)剖面上表現(xiàn)為高傾角的斷層面、傾向和性質(zhì)不固定的斷層面、花狀構(gòu)造。通過對(duì)比分析、得到金塔南山斷裂晚更新世以來的左旋走滑速率約為(0.19±0.05)mm/a、與傾滑速率以及地表抬升速率相當(dāng)、但遠(yuǎn)小于阿爾金斷裂的走滑速率。綜合分析認(rèn)為、祁連山逆沖斷裂系向NE的擠壓擴(kuò)展與應(yīng)變分配可能是金塔南山斷裂左旋走滑運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)來源。

金塔南山斷裂左旋走滑滑動(dòng)速率

0　引言

始于新生代早期的印度板塊和歐亞板塊的碰撞楔入作用、導(dǎo)致青藏高原內(nèi)部和周緣地區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形和環(huán)境演變(Molnaretal.、1975；李吉均等、1979；Molnaretal.、1993；Tapponnieretal.、2001；Zhangetal.、2004；Hetzel、2013；Yuanetal.、2013)。 位于青藏高原東北邊緣的祁連山-河西走廊構(gòu)造帶是高原向NE擴(kuò)展的前緣(國(guó)家地震局蘭州地震研究所、1993；鄭文俊、2009；Zhengetal.、2013)。該區(qū)新構(gòu)造活動(dòng)十分強(qiáng)烈、發(fā)育了多條晚第四紀(jì)強(qiáng)烈活動(dòng)的逆-走滑活動(dòng)斷裂系、如佛洞廟-紅崖子斷裂、昌馬斷裂等、并有多次中強(qiáng)以上甚至大地震的發(fā)生(鄭文俊、2009、2013；羅浩、2010、2013；劉興旺等、2012；圖1)、位于河西走廊西段酒泉盆地北側(cè)的金塔南山斷裂即是其中的主要活動(dòng)斷裂之一。

圖1　青藏高原東北邊緣地形與主要活動(dòng)構(gòu)造Fig. 1　Topography and main active tectonics in northeast margin of Qinghai-Tibet Plateau.a中的黑色矩形框?yàn)閳Db的范圍；b中的部分活動(dòng)斷裂特征據(jù)袁道陽(yáng)(2004)和鄭文俊(2009)、AB為橫跨金塔盆地的人工地震剖面；F1 阿爾金斷裂；F2 祁連山北緣斷裂；F3 昌馬斷裂；F4 旱峽-大黃溝斷裂；F5 玉門斷裂；F6 佛洞廟-紅崖子斷裂；F7 榆木山北緣斷裂；F8 白楊河斷裂；F9 新民堡斷裂；F10 陰洼山斷裂；F11 嘉峪關(guān)斷裂；F12 塔爾灣-登登山-池家刺窩斷裂；F13 花?！嗔?；F14 黑山斷裂；F15 金塔南山斷裂；F16 合黎山南緣斷裂；F17 慕少梁斷裂；F18 俄博廟斷裂；F19 鼎新斷裂

金塔南山斷裂總體走向近EW、傾向N或S、長(zhǎng)約60km。其西端為黑山斷裂、該斷裂是阿爾金斷裂與金塔南山斷裂之間的過渡斷裂；東端則與慕少梁斷裂相連。有研究認(rèn)為金塔南山斷裂屬于阿爾金大型左旋走滑斷裂的東延段、仍然存在左旋走滑活動(dòng)、是塊體邊界斷裂之一(鄭劍東、1991；Darbyetal.、2005；陳文彬等、2006；張進(jìn)等、2007)。例如、陳文彬等(2006)曾報(bào)道金塔南山斷裂左旋斷錯(cuò)了一系列沖溝和洪積扇、何文貴等(2012)也發(fā)現(xiàn)斷裂西段澗溝一帶有9條沖溝發(fā)生4.6～25.5m的左旋位錯(cuò)。也有研究認(rèn)為阿爾金斷裂向E延伸時(shí)、由于受到寬灘山-黑山-文殊山等NNW向隆起的阻擋而終止了、金塔南山斷裂應(yīng)屬于祁連山向N推擠擴(kuò)展的組成部分、其構(gòu)造活動(dòng)以擠壓逆沖為主、不存在明顯的走滑特征(國(guó)家地震局“阿爾金活動(dòng)斷裂帶”課題組、1992；丁國(guó)瑜、1995；王峰等、2002；何光玉等、2007；鄭文俊、2009；邱愛美等、2011；Zhengetal.、2013；俞晶星等、2013)。例如、鄭文俊(2009)認(rèn)為斷裂的最新活動(dòng)應(yīng)以逆沖為主；何文貴等(2012)所見到的左旋走滑現(xiàn)象是地貌發(fā)育過程中形成的 “假左旋”；并得到斷裂晚更新世以來的地表抬升速率為 (0.11±0.03)mm/a。由此可見、研究金塔南山斷裂的晚第四紀(jì)活動(dòng)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方式、獲得其是否存在走滑活動(dòng)的地質(zhì)地貌證據(jù)、是探討本區(qū)晚第四紀(jì)構(gòu)造變形的運(yùn)動(dòng)學(xué)模式和動(dòng)力學(xué)機(jī)制的重要方面。

基于上述討論、本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上、通過詳細(xì)的航片和高分辨率遙感影像解譯、地質(zhì)地貌調(diào)查和斷層剖面特征觀察等、分析金塔南山斷裂晚第四紀(jì)是否具有左旋走滑的新活動(dòng)特征；若存在、其滑動(dòng)速率是多少；并從區(qū)域構(gòu)造上探討其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)來源。

1　斷層幾何展布和斷層陡坎的特征

1.1斷層的幾何展布

在前人研究的基礎(chǔ)上、我們通過航空照片、Google Earth和P5衛(wèi)星影像的構(gòu)造解譯以及野外地質(zhì)地貌調(diào)查、獲得了該斷裂精細(xì)的幾何展布(圖2)。從圖中可見、金塔南山活動(dòng)斷裂主要由洪積扇上2排斷續(xù)延伸的斷層陡坎和數(shù)條離散分布的斷層陡坎組成、2排陡坎間距為0.5～4.7km。斷層總體走向100°～90°、傾向S或N、傾角大多>60°。前人根據(jù)金塔南山斷裂的幾何展布特征、將其分為3段(何文貴等、2012)：西段為梧桐墩以西至瓜勾山以東、斷層線性較好；中段為瓜勾山以東至大口子山一帶、與西段之間形成右階階區(qū)、階距為2～2.5km；東段為大口子山以東、與中段之間形成左階階區(qū)、階距約為1.2km。

(1)梧桐墩以西至瓜勾山以東段。該段由2條近平行的陡坎組成、走向約100°、呈直線延伸。南側(cè)以反向陡坎(反向陡坎表示陡坎坡向與山坡坡向相反；正向陡坎表示陡坎坡向與山坡坡向一致、后文與此相同)為主。澗溝以東正、反向陡坎交替出現(xiàn)、殷家截路山以東、斷層進(jìn)入基巖侵蝕區(qū)、斷層地貌表現(xiàn)不明顯。澗溝以東斷層面傾向S、傾角約80°、斷層性質(zhì)為逆斷。北側(cè)陡坎在地貌上表現(xiàn)為正、反向陡坎交替出現(xiàn)、梧桐墩以西發(fā)育正向陡坎、長(zhǎng)山一帶以反向陡坎為主、澗溝以西正、反向陡坎交替出現(xiàn)、林場(chǎng)至瓜勾山以西為反向陡坎、瓜勾山以東為正向陡坎。沿正向陡坎出露的斷層面傾向S或N、兼具正、逆斷層、傾角60°～84°。

(2)瓜勾山以東至大口子山段。瓜勾山以東至鴛鴦池水庫(kù)以西、是1條連續(xù)的主陡坎和多條離散分布的短陡坎、與西段之間形成右階階區(qū)、階距為2～2.5km、總體走向約為100°。黃土崖子以北2.2km內(nèi)形成階距約700m的左階拐彎。地貌上以正向陡坎為主、局部為反向陡坎。在野外點(diǎn)jt3以西有長(zhǎng)約2.5km、走向NEE的反向陡坎。

(3)大口子山以東段。斷層走向近EW、與中段形成階距為1.2km的左階階區(qū)。北側(cè)陡坎從鴛鴦池水庫(kù)向E延伸至紅墩以西。地貌上正、反向陡坎交替出現(xiàn)：金鼎湖西側(cè)發(fā)育反向陡坎、金鼎湖向東至麻黃河一帶正、反向陡坎交替出現(xiàn)、麻黃河以東以正向陡坎為主。斷層剖面上兼具正斷層和逆斷層：金塔陵園西側(cè)斷層性質(zhì)為傾向S的逆斷層(圖3a)①、金塔陵園東側(cè)為傾向N的正斷層(圖3b)；麻黃河一帶多為傾向N的正斷層、也有傾向N、向S逆沖的逆斷層；紅墩以西為傾向S、向N逆沖的逆斷層。斷層傾角為25°～81°。

南側(cè)陡坎為剖面p10(圖2)以東的段、連續(xù)性不如北側(cè)陡坎。麻黃河一帶的斷層陡坎連續(xù)性很好、地貌上以反向陡坎為主、斷層性質(zhì)為正斷、多傾向S、傾角77°～83°。最東端為早更新世砂巖(風(fēng)化破碎)反向陡坎、但形態(tài)新鮮。

1.2斷層陡坎之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

(1)平行斷裂走向上斷層段的組合關(guān)系和轉(zhuǎn)換特征。沿?cái)嗔炎呦?、斷層陡坎的坡向呈N、S向交替變化(圖2)、如梧桐墩兩側(cè)、澗溝一帶、麻黃河一帶等；相應(yīng)地、斷層面的傾向呈N、S向交替變化的特征、斷層性質(zhì)也在短距離內(nèi)發(fā)生交替變化、例如金塔陵園西側(cè)發(fā)育向N逆沖的逆斷層(圖3a)*甘肅省地震工程院、2012、大型核燃料后處理廠金塔廠址可研階段地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告。、東側(cè)卻發(fā)育傾向N的正斷層(圖3b)。斷層跡線拐彎或不連續(xù)處、常形成小盆地或隆起。例如麻黃河以西、斷層拐彎處出現(xiàn)向N凸出的弧形褶皺隆起(圖3c)；在大口子山北側(cè)陡坎的左階階區(qū)、發(fā)育匯水盆地(圖3d)。

圖3　斷層陡坎及陡坎之間的關(guān)系Fig. 3　Fault scarps and their arrangements.a金塔陵園西側(cè)探槽剖面(圖2 中的p8)*甘肅省地震工程院、2012、大型核燃料后處理廠金塔廠址可研階段地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告。；b金塔陵園東側(cè)斷層剖面(圖2 中的p9)；c p10西側(cè)斷層跡線拐彎處的褶皺隆起；d 大口子山一帶1︰60 000航片及斷層陡坎特征；e 橫跨2道陡坎的地形剖面、其中jp3為差分GPS實(shí)測(cè)地形剖面

(2)垂直斷裂走向上斷層段的組合關(guān)系和性質(zhì)轉(zhuǎn)換。為了了解2條主陡坎之間的關(guān)系、我們?cè)诖怪边@2條陡坎的方向上做了3條地形剖面(圖2)。剖面jp1位于澗溝以東、2條陡坎之間為負(fù)地形(圖3e)。北側(cè)陡坎可能為傾向S的正斷層作用所致、南側(cè)陡坎為向N逆沖的逆斷層所致。jp2位于大口子山一帶、剖面上亦呈負(fù)地形、北側(cè)斷層向N逆沖導(dǎo)致后緣拉張、從而在南側(cè)形成傾向N的正斷層*甘肅省地震工程院、2012、大型核燃料后處理廠金塔廠址可研階段地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告。。jp3位于麻黃河一帶、地貌上為2條明顯的反向陡坎、北側(cè)陡坎兼具正斷層和逆斷層、傾向N、S兼具、從陡坎地形推斷以傾向N的逆斷層為主；南側(cè)陡坎與北側(cè)陡坎相似、但以傾向S的正斷層為主。

從斷層的幾何展布、斷層陡坎特征和斷層陡坎的相互關(guān)系可知、該斷裂未呈現(xiàn)一致的逆沖活動(dòng)特征。

2　斷層走滑活動(dòng)的地貌現(xiàn)象

2.1正、反向交替的斷層陡坎

由于走滑斷層以走滑分量為主、斷層傾角往往較陡、容易出現(xiàn)斷層面傾向的不固定、從而導(dǎo)致陡坎坡向的不固定；而逆斷層的斷層面傾向相對(duì)穩(wěn)定、傾角往往較緩、斷層陡坎通常具有一致的坡向(鄧起東、1994；徐錫偉、2002；冉勇康、2008、2012)。金塔南山斷裂斷層陡坎的坡向具有N、S交替的特征、甚至同一條陡坎的坡向也不一致(圖2)。沿?cái)鄬幼呦蛏隙缚财孪蚍磸?fù)變化的特征說明金塔南山斷裂可能存在走滑活動(dòng)。

2.2沖溝和微地貌的左旋位錯(cuò)

長(zhǎng)山一帶(野外點(diǎn)jt1)、斷層在地表形成幾十厘米至數(shù)米高的反向陡坎。何文貴等(2012)在野外點(diǎn)jt1發(fā)現(xiàn)9條左旋位錯(cuò)4.6～25.5m的沖溝；鄭文俊(2009)認(rèn)為某些左旋地貌具有不確定性、可能是水系被陡坎擋住而發(fā)生改道所致、陡坎北側(cè)的主沖溝由上游的多條次級(jí)紋溝匯入。因此、對(duì)陡坎上游的水系分級(jí)并識(shí)別上游的主沖溝、是掌握真實(shí)的水系位錯(cuò)特征和斷裂是否具有水平運(yùn)動(dòng)的重要切入點(diǎn)。在IRS-P5衛(wèi)星影像上、依據(jù)沖溝的長(zhǎng)度、切割深度來識(shí)別匯水區(qū)內(nèi)的主沖溝(圖4a、b)。結(jié)合野外測(cè)量、得到該段斷層水系的位錯(cuò)特征(圖4c)。

圖4b中畫出了斷層兩側(cè)所有的沖溝、雖然沖溝A—D、I、J、L呈現(xiàn)出左旋走滑的形態(tài)、但是沖溝E—H、K、M確實(shí)是由多條紋溝匯入。圖4c畫出了斷層兩側(cè)的主沖溝、可見沖溝E—H的主溝在斷層兩側(cè)確實(shí)發(fā)生了左旋位錯(cuò)：沖溝E呈現(xiàn)出不典型的左旋位錯(cuò)；沖溝F呈現(xiàn)出明顯的左旋位錯(cuò)、位錯(cuò)量為34.0m；沖溝G上游發(fā)育2條規(guī)模相當(dāng)?shù)闹鳒?、下游分別出現(xiàn)10.6m和22.5m的左旋位移；沖溝H上游2條主溝、其中1條無水平錯(cuò)動(dòng)、另1條主溝的左旋位錯(cuò)為16.3m。沖溝K仍為多條紋溝匯入、然而、沖溝K上游的4條主溝在斷層經(jīng)過處仍發(fā)生量級(jí)較小的左旋位錯(cuò)。僅沖溝M上游的1條主溝與下游呈現(xiàn)出與其他沖溝不一致的現(xiàn)象。因此、可以得出如下結(jié)論：野外點(diǎn)jt1處的沖溝確實(shí)具有同步的左旋位錯(cuò)、說明金塔南山斷裂確實(shí)存在左旋走滑運(yùn)動(dòng)。

差分GPS實(shí)測(cè)得到2個(gè)典型點(diǎn)(沖溝C、D和I)的左旋位移為18.0～20.4m，相應(yīng)的反向陡坎高度為1.7～3.5m(圖4d、e)。圖4d中沖溝i2原為1條沖溝、斷層使其水平錯(cuò)動(dòng)(17.5±3.5)m、形成斷頭溝和斷尾溝等走滑位錯(cuò)標(biāo)志。

圖4　野外點(diǎn)jt1處水系斷錯(cuò)及典型點(diǎn)差分GPS實(shí)測(cè)Fig. 4　Offset of gullies and typical sites mapping by differential GPS at field site jt1.a 野外點(diǎn)jt1處的p5遙感影像；b 斷裂帶兩側(cè)所有沖溝的形態(tài)；c 斷裂帶兩側(cè)主沖溝的形態(tài)；d—f 差分GPS實(shí)測(cè)2個(gè)典型點(diǎn)的左旋位錯(cuò)和垂直位錯(cuò)

圖5　野外點(diǎn)jt2處的衛(wèi)星影像及第四紀(jì)沉積特征Fig. 5　Satellite image and Quaternary stratigraphies at field site jt2.a 野外點(diǎn)jt2處的衛(wèi)星影像圖；b 野外點(diǎn)jt2處的第四紀(jì)地貌特征左旋點(diǎn)1和2分別為圖6a、b和c

在野外點(diǎn)jt2處、斷層錯(cuò)斷了早更新世至全新世的所有地貌面。大沖溝左旋位移約330m、東側(cè)形成正向陡坎、西側(cè)形成反向陡坎(圖5)。在左旋點(diǎn)1、洪積扇上的小沖溝及其漫灘(T0)、Ⅰ級(jí)階地(T1)發(fā)生同步左旋。T0和T1的左旋位移為(3.8±0.3)m、(4.6±0.4)m、T0、T1上的反向陡坎高度約為0.1m和(0.8±0.1)m(圖5a、b；6)。在左旋點(diǎn)2、沖溝Ⅲ級(jí)階地(T3)的左旋位移為(6.7±0.9)m、T3上的反向陡坎高度為(3.5±0.4)m(圖5b、6)。左旋點(diǎn)1、2處各級(jí)階地的左旋位移均大于陡坎高度(表1)。

表1　野外點(diǎn)jt2處不同時(shí)期的左旋位移和垂直位移比較

Table1　Comparison between temporal-based left-lateral and vertical displacements at field site jt2

地貌面時(shí)代(估算)左旋位移L/m陡坎高度D/m總結(jié)T3Q3p6.7±0.93.5±0.4L>DT1Q1h4.6±0.40.8±0.1L>DT0Q2h3.8±0.3約0.1L>D

野外點(diǎn)jt3處、正、反向陡坎交替發(fā)育、斷層左旋斷錯(cuò)了大沖溝和一系列紋溝(圖7a、b)。T1上形成的正向陡坎高30～50cm(圖7d中的p1、p2)、T2上的反向陡坎高(2.0±0.2)m(圖7d中的p3)、T2左旋位錯(cuò)約20m。差分GPS實(shí)測(cè)2條紋溝及其階地、得到紋溝高階地左旋位錯(cuò)(4.9±0.3)m和(4.0±0.8)m、紋溝低階地左旋位錯(cuò)(1.6±0.4)m、紋溝高階地面上的正向陡坎高度僅為0.50～0.75m(圖7c、d)。沖溝T2和紋溝階地的左旋位錯(cuò)均大于相應(yīng)地貌面的陡坎高度。圖7d中陡坎剖面p4—p6的北側(cè)發(fā)育反向陡坎、p4的反向陡坎甚至可以識(shí)別出2級(jí)、剖面上形成寬約40m的地塹、說明野外點(diǎn)jt3處斷層兼具左旋走滑和SN方向的拉張。

從上述3個(gè)野外點(diǎn)的斷錯(cuò)地貌特征可知、多級(jí)地貌面均發(fā)生明顯的左旋位錯(cuò)、左旋位移量1.2～330m、晚第四紀(jì)以來地貌面左旋1.2～34.0m、且左旋位移大于相應(yīng)地貌面的陡坎高度、說明金塔南山斷裂存在明顯的左旋走滑活動(dòng)。

圖6　野外點(diǎn)jt2處的典型斷錯(cuò)地貌及差分GPS實(shí)測(cè)Fig. 6　Typical offset geomorphologies and mapping by differential GPS at field site jt2.a 左旋點(diǎn)1的斷錯(cuò)地貌圖；b 左旋點(diǎn)1的差分GPS地形實(shí)測(cè)圖、p1、p2分別為T0和T1的陡坎剖面；c 左旋點(diǎn)2的差分GPS實(shí)測(cè)圖、p3為T3的陡坎剖面

圖7　野外點(diǎn)jt3處的斷錯(cuò)地貌及差分GPS實(shí)測(cè)Fig. 7　Offset geomorphologies and mapping by differential GPS at field site jt3.a 野外點(diǎn)jt3處的衛(wèi)星影像、矩形虛線框?yàn)閏的位置；b 野外點(diǎn)jt3處斷層的幾何展布和沖溝形態(tài)；c 差分GPS實(shí)測(cè)左旋地貌；d 差分GPS實(shí)測(cè)6條陡坎剖面

2.3走滑斷層伴生構(gòu)造地貌：拉分盆地和擠壓隆起

走滑活動(dòng)斷層在特殊部位容易形成一系列伴生構(gòu)造地貌：如擠壓隆起、拉分盆地等(Sylvester、1988；Cowgilletal.、2004a、b；Renetal.、2010; Burbanketal.、2012；Ren、2013、2014；王虎等、2014)。左旋走滑斷層的左階階區(qū)具有拉張性質(zhì)、常形成拉分盆地。圖3d中北側(cè)陡坎的左階階區(qū)形成匯水低地、說明斷層可能具有左旋走滑的活動(dòng)性質(zhì)。

圖8　與左階排列的左旋走滑斷層相伴生的小拉分盆地Fig. 8　Small-scale pull-apart basin caused by left-step sinistral strike-slip fault.a 衛(wèi)星影像上的斷層展布特征和斷錯(cuò)地貌；b 探槽剖面揭露出的具有逆斷特征的主斷層(據(jù)何文貴(2012)的tc2簡(jiǎn)化、即圖2 中的p3)；c 小拉分盆地的形態(tài)及成因(陡坎高度(4.1±0.5)m、據(jù)文獻(xiàn)Zheng et al.、2013)；早更新世—中更新世地貌晚更新世地貌； 全新世早期地貌； 全新世晚期地貌

圖9　斷層剖面p2東西2壁的斷層形態(tài)Fig. 9　Fault pattern exposed on east and west wall of profile p2.a 斷層剖面p2東壁揭露出的高角度逆斷層、主斷層兩側(cè)地層無法對(duì)應(yīng)、NE盤地層近斷層處發(fā)生牽引褶皺；b 斷層剖面p2西壁揭露出的高角度正斷層、斷層兩側(cè)地層可以對(duì)應(yīng)、近斷層處發(fā)生牽引褶皺；1 礫石層；2 砂層；3 細(xì)砂層、無層理；4 粗砂層；5 正斷層；6 逆斷層

野外點(diǎn)jt4處斷層跡線呈左階拐彎、階區(qū)內(nèi)發(fā)育1個(gè)小菱形塘地。菱形塘地北側(cè)有高度低于50cm的反向陡坎、最低處幾乎不可見；塘地東側(cè)是高(4.1±0.5)m和約1m的正向陡坎；塘地西側(cè)是高約1m的正向陡坎。斷層剖面p3(圖8b)的主斷層具有逆斷特征。斷層剖面p2東壁(圖9a)的主斷層為高角度逆斷層、傾向SW、地層靠近斷層處有輕微的牽引褶皺、斷層兩盤無可對(duì)應(yīng)的地層；p2西壁(圖9b)為高角度正斷層、傾向NE、發(fā)育明顯的牽引褶皺。斷層剖面p2東、西2壁呈現(xiàn)出完全相反的活動(dòng)性質(zhì)和斷面傾向、p2附近多條紋溝發(fā)生左旋位錯(cuò)、而且陡坎坡向頻繁交替(圖8a)、說明斷層存在左旋走滑。左階展布的左旋走滑斷層活動(dòng)時(shí)形成的局部張剪應(yīng)力場(chǎng)是菱形拉分盆地及其兩側(cè)低陡坎形成的控制因素(圖8c)。

左旋走滑活動(dòng)斷層在右階拐彎處或右階階區(qū)等構(gòu)造部位會(huì)形成擠壓隆起、例如圖3c中的褶皺隆起、可能是斷層拐彎部位的壓剪應(yīng)力場(chǎng)所致。黃土崖子?xùn)|側(cè)的弧形隆起和逆斷層可能也屬于此構(gòu)造成因(圖2)。

3　斷裂左旋走滑的地質(zhì)剖面特征

不同類型的活動(dòng)斷層在地質(zhì)剖面上的表現(xiàn)亦不同。以傾滑活動(dòng)為主的斷層通常具有一致的性質(zhì)和斷面傾向、斷面兩側(cè)地層對(duì)應(yīng)較好、有明顯的牽引構(gòu)造或逆牽引構(gòu)造；走滑斷層以斷層兩盤的剪切錯(cuò)動(dòng)為主、斷層面通常具有高傾角、斷層面的性質(zhì)和傾向不一致、斷面兩盤的地層有時(shí)無法對(duì)應(yīng)、剖面上常出現(xiàn)花狀構(gòu)造。金塔南山斷裂的斷層剖面更符合走滑斷層的剖面特征。

(1)高傾角的斷層面、不固定的斷層傾向和斷層性質(zhì)(表2)。表2羅列了2排斷層陡坎上15個(gè)斷層剖面的主斷層傾角、其中11個(gè)點(diǎn)的剖面主斷層傾角>60°、8個(gè)點(diǎn)的剖面主斷層傾角>75°、斷層傾角普遍較高。斷層的傾向N、S兼具。斷層性質(zhì)亦不固定、正、逆斷層兼具(圖2)。

表2　金塔南山斷裂各斷層剖面的主斷層特征

Table2　Main fault characteristics of fault profiles on Jinta Nanshan Fault

屬性p1p2p3p4p5p6p7p8p9p10p11p12p13p14p15傾向SS/NSSSSNSNSNNSNS傾角/(°)6079/825880788060/75254860/70717577/834081斷層性質(zhì)逆正/逆逆逆逆逆正逆正正正正正/逆逆逆

注p1、p3來自于何文貴等、2012；p5、p6來自于中國(guó)地震局地質(zhì)研究所*中國(guó)地震局地質(zhì)研究所、2001、西部原油成品油管道工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)。；p7、p8來自于甘肅省地震工程研究院*甘肅省地震工程院、2012、大型核燃料后處理廠金塔廠址可研階段地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告。；其余為野外實(shí)測(cè)；傾角 “60/75”表示該點(diǎn)有2個(gè)剖面、或剖面有2壁、從而得到2個(gè)主斷層傾角。

高傾角的斷層面、不固定的斷層傾向和活動(dòng)性質(zhì)說明斷層不具有統(tǒng)一的傾向活動(dòng)、而具有明顯的走滑活動(dòng)。

(2)花狀構(gòu)造。斷層剖面p12揭露出的斷層具有花狀構(gòu)造的幾何形態(tài)(圖10)。探坑長(zhǎng)5m、寬3m、深約8m。剖面兩壁顯示出不同的斷層形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)。東壁(圖10a)為近直立的高角度逆斷層、傾角83°、向上擴(kuò)展為2支相向傾斜的近直立的逆斷層、形成背沖式構(gòu)造、其間地層略呈背形、凸面向上、斷層面下陡上緩、呈正花狀構(gòu)造、反映了壓剪應(yīng)力環(huán)境。西壁(圖10b)為高角度正斷層、傾角為77°、從下往上斷層擴(kuò)展為2支相向傾斜的高角度近直立的正斷層、斷層之間形成地塹式構(gòu)造、被斷錯(cuò)的地層略微下凹、呈負(fù)花狀構(gòu)造、代表張剪應(yīng)力環(huán)境。剖面東壁和西壁分別呈現(xiàn)出正、負(fù)花狀構(gòu)造的形態(tài)、說明斷層具有明顯的走滑活動(dòng)。

圖10　斷層剖面p12揭露出斷層具有花狀構(gòu)造的幾何形態(tài)Fig. 10　Flower structures of the fault distribution exposed on profile p12.1 上新統(tǒng)、2 砂層、3 粉砂層、4 逆斷層、5 正斷層；N2 上新世淺紅色泥巖、 早更新世至晚更新世灰色、灰黃色砂層、具水平層理

4　斷層左旋走滑速率估計(jì)

前文從斷層的幾何結(jié)構(gòu)、斷錯(cuò)地貌特征和地質(zhì)剖面分析、認(rèn)為斷裂晚第四紀(jì)以來存在左旋走滑的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。那么其左旋走滑速率如何？與斷裂傾滑速率相比、哪一個(gè)更占優(yōu)勢(shì)？

金塔南山斷裂晚第四紀(jì)以來微地貌左旋位錯(cuò)1.2～34m、晚更新世以來斷層陡坎的最大高度約為12m(Zhengetal.、2013)。圖4c中的山前洪積扇由下部早第四紀(jì)的玉門礫巖和上部晚第四紀(jì)的礫石層組成、拔溝高度約8m。澗溝以西的(圖8a)與圖4c的山前洪積扇面為同級(jí)地貌面、主要由晚第四紀(jì)礫石層組成、拔溝高度7m。圖4c中的山前洪積扇上一系列沖溝同步左旋、其中最具代表性的是沖溝C、D的左旋位錯(cuò)以及洪積扇上保存完整的反向陡坎(圖4f)。通過差分GPS實(shí)測(cè)、獲得沖溝C、D之間洪積扇面頂部脊線的左旋位移為(19.2±1.2)m、使用Zhengetal.(2013)獲得的該山前洪積扇的同級(jí)地貌面——澗溝以西的Be10埋藏年齡((115.3±21.6)ka和(113.5±28.8)ka)、計(jì)算得到金塔南山斷裂晚更新世以來的左旋走滑速率為(0.19±0.05)mm/a。

圖11　兼具走滑和傾滑特征的簡(jiǎn)易模型斷層面及區(qū)域構(gòu)造模式Fig. 11　Simple fault plane model with both strike-slip and dip-slip and regional tectonic interpretation.a 兼具左旋走滑和傾滑特征的簡(jiǎn)易斷層面模型；b 區(qū)域構(gòu)造模式圖、山影圖據(jù)Aster GDEM生成(分辨率為30m)；c 跨金塔盆地的人工地震剖面(剖面位置見圖1)；d 1︰60 000航空照片上的線性隆起；e 隱伏斷層或褶皺活動(dòng)導(dǎo)致的深部和地表變形；①玉門盆地、②酒東盆地、③金塔盆地；F1 阿爾金斷裂、F2 祁連山北緣山前斷裂、F3黑山斷裂、F4 金塔南山斷裂；V 祁連山-河西走廊相對(duì)于阿拉善塊體的運(yùn)動(dòng)速度矢量、V1 垂直于金塔南山斷裂走向的速度矢量、V2 平行于金塔南山斷裂走向的速度矢量；α、d、du同式(1)、β側(cè)俯角、u斷層面上的速度矢量、s走滑速度分量；ds平行于地表的縮短分量

圖11a表示1個(gè)既有左旋走滑、又有傾滑的簡(jiǎn)單斷層面模型。其中斷層面傾角(α)、傾滑速率分量(d)和斷層垂直于地表的速度分量(du)具有如下關(guān)系式：

(1)

由于斷層2盤地表坡度較低、因此可將晚更新世以來的地表抬升速率(0.11±0.03)mm/a(Zhengetal.、2013)等同于斷層面垂直于地表的速率(Kanedaetal.、2008)。假定斷層傾角為(70±13)°、根據(jù)式(1)得到晚更新世以來斷層的傾滑速率(d)為(0.13±0.05)mm/a。金塔南山斷裂的左旋走滑速率((0.19±0.05)mm/a)與傾滑速率和地表抬升速率相當(dāng)。

5　左旋走滑的動(dòng)力源討論

晚第四紀(jì)以來、金塔南山斷裂具有左旋走滑活動(dòng)、而且晚更新世以來的左旋走滑速率與傾滑速率大小相當(dāng)。金塔南山斷裂的左旋走滑活動(dòng)可能有2種動(dòng)力來源。

5.1阿爾金東延段

阿爾金斷裂西起藏北的郭扎錯(cuò)、龍木錯(cuò)一帶、向NEE延伸至玉門寬灘山一帶(“阿爾金活動(dòng)斷裂帶”課題組、1992)、是青藏高原北側(cè)的邊界斷裂、也是1條備受關(guān)注的巨型走滑活動(dòng)斷裂帶(Molnaretal.、1987；丁國(guó)瑜、1995；徐錫偉等、2003；李海兵等、2006；Zhangetal.、2007；李煜航等、2015)。前人對(duì)該斷裂的東端點(diǎn)是否終止于玉門寬灘山一帶存在爭(zhēng)議(Darbyetal.、2005; Zhengetal.、2013)。

從幾何結(jié)構(gòu)上看、黑山斷裂、金塔南山斷裂與阿爾金斷裂幾乎線性延伸、走向幾乎一致；金塔南山斷裂以東為合黎山斷裂(F17)、幕少梁斷裂(F16)等一系列的NWW—EW向斷裂呈帚狀分散開(圖11)。

從最新的活動(dòng)特征來看、斷裂的地質(zhì)表現(xiàn)(高傾角的斷層面、不穩(wěn)定的斷層傾向、正斷層和逆斷層同時(shí)出現(xiàn))和地貌表現(xiàn)(正反向陡坎交替發(fā)育、沖溝和微地貌的左旋位移、左階不連續(xù)的小盆地和右階不連續(xù)部位的隆起)均說明金塔南山斷裂存在明顯的左旋走滑活動(dòng)。

從斷裂最新活動(dòng)速率來看、阿爾金斷裂主走滑段滑動(dòng)速率達(dá)(10±2)mm/a(Zhangetal.、2007)、東端衰減為(1.4±0.4)mm/a、其衰減的滑動(dòng)速率轉(zhuǎn)換為祁連山系的擠壓逆沖活動(dòng)(徐錫偉等、2003)。Zhengetal.(2013)得到的玉門盆地內(nèi)部平行于阿爾金斷裂走向的縮短速率為0.90～1.43mm/a、可能全部吸收了阿爾金東端的走滑速率、也可能殘余很小的左旋走滑分量。本文從斷錯(cuò)地貌和地質(zhì)剖面發(fā)現(xiàn)金塔南山斷裂存在左旋走滑的運(yùn)動(dòng)、左旋走滑速率僅為(0.19±0.05)mm/a、與阿爾金東端可能殘余很小左旋分量的推論一致。

玉門寬灘山以東的金塔南山斷裂確實(shí)存在左旋走滑的運(yùn)動(dòng)、滑動(dòng)速率也符合阿爾金斷裂向東衰減的特征。但是、筆者通過遙感圖像解譯和參考前人成果(鄭文俊、2009)、發(fā)現(xiàn)阿爾金斷裂與金塔南山斷裂之間的黑山斷裂(圖1、F14)是1條高角度逆沖斷裂、未見左旋走滑的活動(dòng)跡象。

綜合上述分析、認(rèn)為金塔南山斷裂可能已經(jīng)不是阿爾金左旋走滑活動(dòng)斷裂系的組成部分了、或僅為其走滑分量向E傳遞的殘余。

5.2祁連山-河西走廊斷裂系向NE的擴(kuò)展

祁連山逆沖斷裂系相對(duì)于阿拉善塊體的速度矢量(圖11 中的V)與金塔南山走向不呈正交關(guān)系。一部分速度矢量(圖11 中的V2)被分配到平行于金塔南山斷裂的走向上、使其沿走向發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)。另一部分速度矢量(圖11 中的V1)被分配到垂直于金塔南山斷裂走向的方向上、導(dǎo)致金塔南山的隆升和地表的縮短變形。第四紀(jì)以來形成的金塔南山最大高程為130m(Zhengetal.、2013)、便是V1作用的體現(xiàn)。與此類似、北祁連山前的佛洞廟-紅崖子斷裂也具有逆沖和左旋走滑的特征、劉興旺等(2012)得到其晚第四紀(jì)垂直滑動(dòng)速率為(0.61±0.28)mm/a、左旋走滑速率為(1.27±0.58)mm/a。

金塔南山斷層的性質(zhì)和斷面傾向不固定、在地表并未發(fā)現(xiàn)全段一致向N逆沖的活動(dòng)斷層?？缃鹚璧氐娜斯さ卣鹌拭?圖11c)顯示、金塔南山斷裂既包括山前斷錯(cuò)地表的斷層、也包括盆地內(nèi)部斷錯(cuò)第四系、卻未斷錯(cuò)到地表的斷層。1︰60 000的航空影像(圖11d；圖2b北側(cè)推測(cè)逆斷層)顯示盆地內(nèi)部存在長(zhǎng)約6km的線性隆起、隆起幅度小、坡度平緩。實(shí)地考察認(rèn)為、該線性隆起不像是斷層直接錯(cuò)動(dòng)形成的陡坎、可能是盆地內(nèi)部隱伏斷層活動(dòng)造成的地表變形(圖11e)。該區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)很可能類似于北祁連山前斷裂、在青藏塊體持續(xù)向N推擠的過程中、由于應(yīng)變分配、使金塔南山斷裂具有逆沖兼具左旋走滑的活動(dòng)特征、只是其量級(jí)較小。

總之、通過上述對(duì)金塔南山斷裂的構(gòu)造歸屬及其晚第四紀(jì)左旋走滑運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源的對(duì)比分析、本文傾向于上述的第2種觀點(diǎn)、但還需要更多的工作來證實(shí)。

6　結(jié)論

基于前人的工作、航空照片和高分辨率衛(wèi)星影像解譯、野外地質(zhì)地貌調(diào)查分析、差分GPS測(cè)圖等方法、對(duì)金塔南山斷裂晚第四紀(jì)走滑特征的地質(zhì)地貌現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究、得到如下結(jié)論：

(1)金塔南山活動(dòng)斷裂主要由2排斷續(xù)延伸的斷層陡坎、數(shù)條離散分布的斷層陡坎組成。2段陡坎間距為0.5～4.7km。斷層總體走向100°～90°、傾向S或N、傾角25°～84°、以>60°為主。

(2)晚第四紀(jì)以來、斷層存在明顯的左旋走滑運(yùn)動(dòng)。左旋走滑形成的地貌現(xiàn)象有：正、反向陡坎交替出現(xiàn)、沖溝和微地貌的左旋位錯(cuò)、拉分盆地和擠壓隆起、斷頭溝和斷尾溝等；左旋走滑形成的地質(zhì)剖面有如下特征：高傾角的斷層面、不固定的斷層傾向和斷層性質(zhì)、花狀構(gòu)造。

(3)金塔南山斷裂晚更新世中期以來的左旋走滑速率約為(0.19±0.05)mm/a、遠(yuǎn)小于阿爾金斷裂的走滑速率、而與前人得到的地表抬升速率和傾滑速率大小相當(dāng)。

(4)金塔南山斷裂晚第四紀(jì)以來存在與傾滑速率相當(dāng)?shù)淖笮呋⑦@個(gè)事實(shí)將促使人們更深入地研究青藏高原東北邊緣地區(qū)的活動(dòng)構(gòu)造變形和區(qū)域構(gòu)造模式、也為阿爾金斷裂東延終止于何處等科學(xué)問題的研究提供了新的線索和思路。

致謝感謝田勤儉研究員、王愛國(guó)副研究員在文章撰寫過程中的建議、同時(shí)非常感謝審稿人中肯有益的修改意見!

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Abstract

Jinta Nanshan Fault is an important fault in northeast front of Qing-Zang Plateau、and it is crucial for determining the eastern end of Altyn Tagh Fault. However、there is still debate on its significant strike-slip movement.

In this paper、we study the Late Quaternary activity of Jinta Nanshan Fault and its geological and geomorphic expressions by interpreting aerial photographs and high-resolution remote sensing images、surveying and mapping of geological and geomorphic appearances、digging and clarifying fault profiles and mapping deformation characteristics of micro-topographies、then we analyze whether strike-slip activity exists on Jinta Nanshan Fault.

We get a more complete fault geometry than previous studies from most recent remote sensing images. Active fault traces of Jinta Nanshan mainly include 2 nearly parallel、striking 100°～90°fault scarps、and can be divided into 3 segments. West segment and middle segment form a left stepover with 2～2.5km width、and another stepover with 1.2km width separates the middle and east segment.

We summarize geomorphic and geologic evidence relating to strike slip activity of Jinta Nanshan Fault. Geomorphic expressions are as follows: First、fault scarps with alternating facing directions; second、sinistral offset of stream channels and micro-topographies; third、pull-apart basins and compressive-ridges at discontinuous part of Jinta Nanshan Fault. Geologic expressions are as follows: First、fault plane characteristics、including extremely high fault plane angle、unstable dip directions and coexistence of normal fault and reverse fault; second、flower structures.

Strike-slip rate was estimated by using geomorphic surface age of Zhengetal.(2013)and left-lateral offset with differential GPS measurements of the same geomorphic surface at field site in Fig. 4e. We calculated a strike-slip rate of (0.19±0.05)mm/a、which is slightly larger than or almost the same with vertical slip rate of (0.11±0.03)mm/a from Zhengetal.(2013).

When we confirm the strike-slip activity of Jinta Nanshan、we discuss its potential dynamic sources: First、eastern extension of Altyn Tagh Fault and second、strain partitioning of northeastward extension of Qilian Shan thrust belt. The first one is explainable when it came to geometric pattern of several E-W striking fault and eastward decreasing strike slip rate、but the former cannot explain why the Heishan Fault、which locates between the the Altyn Tagh Fault and Jinta Nanshan Fault、is a pure high angle reverse fault. The latter seems more explainable、because oblique vectors may indeed partition onto a fault and manifest strike-slip activity.

GEOLOGICAL AND GEOMORPHIC EXPRESSIONS OF LATE QUATERNARY STRIKE-SLIP ACTIVITY ON JINTA NANSHAN FAULT IN NORTHERN EDGE OF QING-ZANG BLOCK

ZHANG Bo1，2)HE Wen-gui1)PANG Wei3)WU Zhao1)SHAO Yan-xiu1，2)YUAN Dao-yang1)

1)LanzhouInstituteofSeismology、ChinaEarthquakeAdministration、Lanzhou730000、China2)InstituteofGeology、ChinaEarthquakeAdministration、Beijing100029、China3)SecondCrustMonitoringandApplicationCenter、ChinaEarthquakeAdministration、Xi′an710054、China

Jinta Nanshan Fault、left-lateral、slip rate

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.001

2014-12-08收稿、2015-11-12改回。

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2013IESLZ07)資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0001-21

張波、男、1986年生、2012年于中國(guó)地震局蘭州地震研究所獲構(gòu)造地質(zhì)學(xué)碩士學(xué)位、現(xiàn)于中國(guó)地震局地質(zhì)研究所攻讀博士學(xué)位、研究實(shí)習(xí)員、主要從事活動(dòng)構(gòu)造、構(gòu)造地貌、遙感與GIS結(jié)合在活動(dòng)構(gòu)造中的應(yīng)用研究、電話：13919015394、E-mail: kjwxn999@163.com。