新疆天山南部北轮台断裂带晚第四纪活动速率

日期:2019.12.24 阅读数:54

【类型】期刊

【作者】姚远,宋和平,陈建波,李帅,贾海梁(新疆维吾尔自治区地震局;西安科技大学建筑与土木工程学院)

【作者单位】新疆维吾尔自治区地震局;西安科技大学建筑与土木工程学院

【刊名】地震地质

【关键词】 天山;北轮台断裂带;逆冲变形;褶皱变形;晚第四纪

【资助项】地震科技星火计划(XH17042Y);北轮台断裂东段1:5万地质填图项目与国家自然科学基金(41702334)

【ISSN号】0253-4967

【页码】P71-86

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|6;|7;|8;|2

【摘要】北轮台断裂是1条全新世活动断裂,为南天山与塔里木盆地的分界断裂。晚第四纪以来,北轮台断裂的持续活动使得多期洪积地貌面发生了断错变形与褶皱隆升。利用高精度差分GPS,对北轮台断裂阿克艾肯段和砖厂段内的多期地貌面的断层陡坎形态进行了测量。通过大比例尺活动断层填图发现,阿克艾肯段以逆冲作用为主,而砖厂段则是以褶皱隆升为主。利用光释光测年方法,分别得到了不同期次地貌面(Fan4,Fan3b,Fan3c和Fan2)的年龄,发现自Fan4地貌面形成以来,阿克艾肯段的地壳缩短速率(约2.4mm/a)基本保持恒定;同时,晚第四纪以来砖厂段的SN向地壳缩短速率为1.43~1.81mm/a,较阿克艾肯段有明显下降,推测北轮台断裂带的SN向地壳缩短速率由西向东递减。综合对比南天山山前的逆断裂-褶皱带体系,同样反映出地壳缩短速率由西向东递减的特征。

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<span class="emphasis_bold">新疆天山南部北轮台断裂带晚第四纪活动速率</span>

新疆天山南部北轮台断裂带晚第四纪活动速率

姚 远1) 宋和平1) 陈建波1) 李 帅1) 贾海梁2)

1)新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011 2)西安科技大学建筑与土木工程学院, 西安 710000

摘 要 北轮台断裂是1条全新世活动断裂, 为南天山与塔里木盆地的分界断裂。晚第四纪以来, 北轮台断裂的持续活动使得多期洪积地貌面发生了断错变形与褶皱隆升。利用高精度差分GPS, 对北轮台断裂阿克艾肯段和砖厂段内的多期地貌面的断层陡坎形态进行了测量。通过大比例尺活动断层填图发现, 阿克艾肯段以逆冲作用为主, 而砖厂段则是以褶皱隆升为主。利用光释光测年方法, 分别得到了不同期次地貌面(Fan4, Fan3b, Fan3c和Fan2)的年龄, 发现自Fan4地貌面形成以来, 阿克艾肯段的地壳缩短速率(约2.4mm/a)基本保持恒定; 同时, 晚第四纪以来砖厂段的SN向地壳缩短速率为1.43~1.81mm/a, 较阿克艾肯段有明显下降, 推测北轮台断裂带的SN向地壳缩短速率由西向东递减。综合对比南天山山前的逆断裂-褶皱带体系, 同样反映出地壳缩短速率由西向东递减的特征。

关键词 天山 北轮台断裂带 逆冲变形 褶皱变形 晚第四纪

0 引言

天山位于欧亚大陆腹地, 是晚新生代以来印度板块与欧亚板块剧烈碰撞的产物, 也是新生代大陆内部变形和强震活动最为强烈的地区之一, 夹持于塔里木盆地与准噶尔盆地2个构造稳定体之间。相关学者的研究成果表明(Abdrakhmatov et al., 1996; Burchfiel et al., 1999; 王琪等, 2000; 张培震等, 2013), 天山地区的构造变形主要发生在其内部和两侧山前。天山两侧山前分布了一系列的 “薄皮构造”, 是天山的主体沿根部的逆断裂向南北两侧逆冲, 形成了多排活动逆冲-褶皱带(Avouac et al., 1993; 邓起东等, 2000; 杨晓平等, 2012; Li et al., 2013), 如北天山山前的齐古褶皱带、 霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁褶皱带和安集海-独山子褶皱带(冯先岳, 1985; 1986; Hendrix et al., 1994; Yin et al., 1998; 邓起东等, 1999)以及南天山山前的秋里塔格褶皱带、 喀什褶皱带、 柯坪推覆构造和阿图什褶皱带(邓起东等, 2000)。相关学者对天山的构造变形的工作取得了一系列的研究成果, 对不同地区不同时间段的滑动速率和缩短量均开展了详细讨论。

新生代以来天山地区的隆升和地壳缩短等定量参数的确定是研究天山构造变形的重要数据, 对认识天山造山带的地球动力学问题有重要意义。天山两侧及内部的GPS监测数据显示(Reigber et al., 2001; 张培震等, 2003), 76°E附近(喀什一带)的天山西段地壳运动速率为20mm/a, 而87°E附近(库尔勒一带)的天山东段地壳运动速率为4mm/a(王琪等, 2000), 表明天山东西2段现今的运动速率有明显的差异。南天山山前推覆构造带的地壳缩短速率同样具有很大的差异, 如柯坪逆冲推覆构造带的地壳缩短速率为15.4~17.3mm/a(杨晓平等, 2006a)、 库车逆断裂-褶皱带的地壳缩短速率为10.4~14.2mm/a(杨晓平等, 2008), 运动强度由西向东依次降低。近年来, 对西南天山GPS站点的加密以及测量精度的提升、 积累, 基于更高密度、 精度的GPS观测结果; Zubovich等(2010)发现天山作为典型的板内造山带, 具有连续分布式的地壳形变特征, 这使得整个天山的地壳形变速率很大一部分被天山内部和山间盆地的变形所吸收, 其GPS速度剖面(黄伟亮等, 2015; Huang et al., 2015)在横跨天山内部的一系列山间盆地时出现了陡变且连续的速度梯度带, 说明山间盆地内部的一系列断层对整体应变的调节、 吸收, 例如: 昭苏盆地、 伊犁盆地以及伊塞克湖盆地。而在库车坳陷以东的天山地区, GPS站点数量明显减少, 无法通过GPS速度场来判定构造变形的活动特征及习性。这一地区盆山结合处的新生代构造是何种变形方式?其滑动速率又是如何?与西南天山相比地壳缩短速率是怎样?

为了探讨上述问题, 本文对库车坳陷以东的北轮台断裂带进行了定量研究。北轮台断裂是塔里木盆地与南天山的界线断裂, 同时也是库车逆断裂-褶皱带的根部控制断裂, 全长约200km。GPS观测资料表明, 北轮台断裂向S的逆冲缩短速率为(4.7±2.5)mm/a(杨少敏等, 2008), 但其变形量、 滑动速率和变形特征都不清楚。我们近期完成了北轮台断裂带的 1︰5万活动构造地质填图, 对南天山东段山前逆断裂-褶皱带的形态和特征有了更近一步认识; 利用高精度差分GPS测量、 计算逆断裂-褶皱带的地壳缩短, 讨论各段的变形速率及其在天山形成中的构造意义。

图 1 天山南部东段地质构造图(a)和缩略图(b)
Fig. 1 Simplified geologic map of eastern part of southern Tian Shan.
SSD 松树达坂断裂, HLS 霍拉山断裂, YQN 焉耆盆地南缘断裂, BLT 北轮台断裂, TZK 特孜阔勒断裂; ①夏尔木背斜, ②哈尔莫墩背斜, ③阿尔夏特背斜, ④库车坳陷

1 北轮台断裂的构造地质背景

南天山的构造运动强烈, 各时期亦有明显差异。元古代发生了较广泛的构造运动, 使元古代地层褶皱断裂, 并伴有大量岩浆侵入活动, 构成了褶皱基底。古生代构造运动更加广泛且强烈, 使早期的褶皱断裂再次褶皱隆起, 使得天山地槽区遭受褶皱回返。中新生代新构造运动更加显著, 基底断裂继续活动, 天山快速隆升。喜马拉雅运动使得塔里木地台急剧下降, 沉积巨厚的堆积。新生代以来塔里木盆地北缘的南天山山体开始快速隆升, 使得山前发育了一系列的山前逆断裂-褶皱带。根据相关学者的研究成果(张培震等, 1996)库尔勒一带新生代地层的最大厚度为2i162m, 表明新生代以来南天山剧烈的构造活动。

北轮台断裂最新活动痕迹主要位于南天山山前1~4km的范围内, 沿断裂切割晚更新世和全新世洪积扇, 并形成高度不等的断层陡坎(邓起东等, 2001; 杨晓平等, 2004; 姚远, 2017)。本次研究集中在第四纪地貌面保存完好、 活动断裂遗迹保存完整的阿克艾肯段和砖厂段(图1)。 阿克艾肯段位于库尔楚西北10km处, 地表断层出露长度8km, 分布宽度约4km, 走向近EW, 属于N倾的逆冲断层, 断层倾角一般在30°~50°; 砖厂段位于库尔勒市西北18km, 地表出露长度6km, 分布宽度约3km, 走向近NWW。

2 北轮台断裂地貌面划分

2.1 阿克艾肯段地貌面划分

在北轮台断裂阿克艾肯段, 断裂多次活动使得山前发育了多级地貌面, 冲沟的侵蚀冲刷分隔了遭受变形断错的不同级地貌面(图2b)。

图 2 阿克艾肯断裂段卫星影像(b)及解译图像(a)
Fig. 2 Google Earth image of Ake’aiken segment of the Beiluntai fault(b)and the interpreted geomorphic map of the Beiluntai fault showing the spatial extent of pluvial fans as well as the locations of topographic profiles measured on the surface and structural data(a).

图 3 砖厂断裂段卫星影像(b)及解译图像(a)(A-A′、 B-B′见图7)
Fig. 3 Google Earth image of Zhuanchang segment of the Beiluntai fault(b), and the interpreted geomorphic map of the Beiluntai fault showing the spatial extent of pluvial fans as well as the locations of topographic profiles measured on the surface and structural data(a).

阿克艾肯断裂段的各级地貌面沉积结构基本相似, 表现为一定厚度的冰水堆积物或冲洪积砾石层角度不整合覆盖在早更新世的西域砾岩上; 部分地貌面上(Fan5, Fan4, Fan3a)冲沟呈辫状分布, 切割较深, 因此认为这几期地貌面为洪积台地(图2b)。根据拔河高度以及地貌面特征, 将阿克艾肯断裂段的地貌面从高到低划分为5期, 分别为Fan5、 Fan4、 Fan3、 Fan2、 Fan1(图3a)。Fan5和Fan4洪积台地是阿克艾肯断裂段中最高一级地貌面, 仅局部分布在山前, 不整合覆盖在山前花岗岩体上, 拔河高度为70~105m; 由于该地貌面时代较老, 表面冲沟发育, 已不存在现今水流的侵蚀和堆积作用。Fan3洪积扇是阿克艾肯断裂段分布面积最大、 保存最完整的一级地貌面(图3a), 主要分布在阿克艾肯沟和喀拉萨喀拉阿塔木沟两侧(图3a); Fan3洪积扇又可以细分为3个次级的地貌面Fan3a、 Fan3b和Fan3c, 拔河高度依次约为40m、 31m和13m。Fan2、 Fan1洪积扇为阿克艾肯断裂段最新堆积物质, 最大拔河高度3~5m。

各地貌面上覆盖的冲洪积堆积物质由磨圆度较好的砾石层组成, 砾石之间充填花岗岩风化颗粒及中粗砂。砾石主要以花岗岩为主, 也含有一些灰岩和变质岩, 砾石的分选性较差, 大小混杂填充, 排列无序。各洪积扇表面较平整, 由风化破碎的花岗岩和花岗岩碎屑嵌套组成, 砾石表层发育1套灰褐色的戈壁漆, 是典型的干旱地区铺石状地貌面。Fan5和Fan4洪积台地的沉积层剖面中, 砾石排列无序, 大小混杂, 包含一定数量的巨砾, 说明该沉积层为冰川堆积的冰碛物(张培震等, 1995), 其形成时代远远老于其余几期地貌面。

2.2 砖厂段地貌面划分

北轮台断裂砖厂段断层以背斜的形式活动, 背斜的持续生长发育了多级地貌面, 大、 小冲沟的形成使遭到变形隆升的地貌面被切割, 形成大小不一的 “倒三角”台地(图3)。由于背斜活动速率较弱、 冲刷较为严重等, 砖厂段仅保留3级地貌面; 根据地貌面测年结果, 将其与阿克艾肯断裂段的地貌面进行对应分类, 分别为: Fan4, Fan3b, Fan1(图3a)。Fan4为砖厂段最高一级地貌面, 分布面积较大, 表面被冲刷较严重, 冲沟发育, 地表堆积物质以砾石为主, 成分以花岗岩和灰岩为主, 砾石粒径为十几cm到几cm不等, 均匀平铺于地表; Fan3b是保存最为完好、 面积分布最大的一级地貌面, 最大拔河高度12m; Fan1为最新形成的一级洪积扇, 大面积分布于推测枢纽的南侧。

3 地貌面的年龄

3.1 采样方法和样品测试

本次采用光释光(Optically Stimulated Luminescence, OSL)测年方法对阿克艾肯段以及砖厂段地貌面的形成年龄进行了限定。光释光测年是目前较为成熟的一种针对第四纪沉积物年龄测定的方法。尤其是在干旱、 半干旱的南天山山前, 洪积扇的物质主要由冲积、 洪积带来, 石英、 长石等矿物信号能够晒退较快、 较好, 比较适宜采用光释光测年方法。在阿克艾肯段山前不同级地貌面Fan3b、 Fan3c、 Fan2以及砖厂段Fan4、 Fan3b采集了11组光释光测年样品。在带有沉积水平层理的粉砂、 细砂中, 利用不锈钢套管(20~30cm长)平行于沉积层以敲击方式采集样品。套管两头用黑色塑料袋做避光处理, 外部用胶带包裹锡箔纸, 完全隔绝光线2次照射。

样品的处理在中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室完成, 样品均为粉砂及以下粒径, 故采取4~11μm细颗粒组分进行试验测试。

3.2 年龄结果

在阿克艾肯断裂段的不同级地貌面上采集光释光年代样品BLT1—8(图2, 4g, 4h; 表1), 以最新的几期洪积扇地貌面为主。 未能在Fan3a扇面上采集到光释光(OSL)样品, 邓起东等(2001)利用宇宙成因核素10Be测得该地貌面的废弃年龄为(27±3)ka; 在Fan3b扇面上开挖的探槽中得到了1组年代数据, 初步认为Fan3b洪积扇面的废弃年龄为(14.64±1.81)ka(BLT8)。在Fan3c洪积扇面上的探槽及冲沟侧壁采取了6组光释光年代样品, 为静水沉积带水平层理的粉砂或风沉积分选性好的粉土, 6组样品的平均年龄(7.13±0.88)ka为Fan3c地貌面被废弃的年龄(图5b)。在Fan2洪积扇面上发育的冲沟侧壁上采集1组粉砂光释光年代样品, 代表Fan2地貌面被废弃的年龄为(3.32±0.43)ka。

砖厂断裂段仅发育3级地貌面, 在Fan4洪积扇上探槽及冲沟沟壁上采集的OSL年代样品(BLT9、 10), 认为该地貌面年龄为49.14~58.51ka; 在Fan3b地貌面的冲沟侧壁采集到光释光年代样品(BLT11), 其年龄为(13.72±1.9)ka。

图 4 北轮台断裂野外构造活动照片
Fig. 4 Photographs of the Beiluntai fault scarps(view to scarps in c, d, e and f).
a 阿克艾肯段断裂与地貌面; b 砖厂段变形地层; c 阿克艾肯段不同地貌面上的断层陡坎; d 阿克艾肯段Fan3c地貌面断层陡坎; e 砖厂段褶皱变形; f 探槽揭露出北轮台断裂及其倾角; g 光释光BLT5样品采 样点; h 光释光BLT1样品采样点; 照片位置见图2, 3

表 1 北轮台断裂沉积物光释光年龄测定值
Table1 Optically stimulated luminescence dating of sediments from the Beiluntai fault

样品序号采样位置放射性元素含量环境剂量率/Gy·ka-1等效剂量/Gy样品年龄/kaU/μg·g-1Th/μg·g-1K/%BLT1Fan2冲沟,地表下0.3m粉砂透镜体2.1913.24.466.9222.98±1.933.32±0.43BLT2Fan3c探槽内,地表下0.2m黄褐色粉土3.4612.81.544.3328.53±1.776.59±0.78BLT3Fan3c冲沟,地表下0.3m水平层理粉砂层4.4615.61.965.4138.16±1.747.05±0.77BLT4Fan3c冲沟,地表下0.25m粉砂4.0612.11.654.5931.79±1.646.93±0.78BLT5Fan3c冲沟,地表下0.3m水平层理粉砂层5.0020.43.377.5654.08±4.017.15±0.89BLT6Fan3c冲沟,地表下0.3m粉土层透镜体2.4917.72.976.0347.42±3.717.86±1.00BLT7Fan3c冲沟,地表下0.15m粉土层透镜体3.7525.02.796.9950.34±5.217.2±1.04BLT8Fan3b探槽内,地表下0.15m灰黄色粉土3.5224.53.737.83114.62±8.3014.64±1.81BLT9Fan4探槽内,地表下1.5m粉砂层透镜体3.0316.62.085.12299.39±18.4958.51±6.88BLT10Fan4冲沟,地表下1.6m粉砂层透镜体1.6713.34.937.22355.01±13.8949.14±5.28BLT11Fan3b冲沟,地表下0.7m粉砂透镜体2.409.251.733.8152.22±5.0113.72±1.90

图 5 阿克艾肯断裂段不同地貌面断层陡坎剖面
Fig. 5 Fault scarp profiles of different landform surfaces on the Ake’aiken fault segment.
各剖面位置见图2b; A 断层陡坎侵蚀变化模型, B 各地貌面年龄数据

图 6 阿克艾肯断裂段地壳缩短随时间变化曲线
Fig. 6 Crustal shortening increments versus time of Ake’aiken fault segment.
a地壳缩短变形计算模型

4 讨论

4.1 阿克艾肯段和砖厂段的变形机制

北轮台断裂作为南天山山前的1条主要的盆山分界断裂, 具有特殊的变形机制。根据野外实地观察, 北轮台断裂的阿克艾肯段和砖厂段各有不同的变形机制(图5, 6)。阿克艾肯断裂段被断错的洪积台地表现出了几个基本特征(图5): 1)断层断错地貌面处形成了顺坡向的断层陡坎, 断层两盘洪积台地面未发现掀斜, 上、 下盘近水平(图4d); 2)各级洪积台地的地形剖面在断层下盘近水平(图4c); 3)随着拔河高度的增加, 不同期次的洪积台地的断层陡坎高度逐渐增大(图4a)。这些特征表明自最老一级洪积台地(Fan5)形成以后, 北轮台断裂阿克艾肯段以逆冲断错为主要活动方式。

砖厂断裂段与阿克艾肯段不同(图7), 其中Fan4洪积台地面的掀斜方向与下伏地层的掀斜变化近似一致(图4b), 地层倾角向S逐渐增大(图4e), 在靠近断层处倾角达到最大, 表明自Fan4洪积台地形成以来, 砖厂断裂段以背斜隆升为主要模式。

4.2 阿克艾肯断裂段各级地貌面缩短速率

从整个阿克艾肯断裂段的地形剖面形态可以看出, 地层的缩短变形主要是以断层逆冲抬升为主, 缩短变形的主要吸收区应该发生在断层的两侧, 利用Lavé等(2000)提出的地壳缩短变形计算模型(图6a)对阿克艾肯断裂段的缩短量进行了计算。

阿克艾肯断裂段共发育5期地貌面, 而最高1期地貌面(Fan5)由于时代较老, 被侵蚀冲刷严重, 仅在洪积扇根部位残留一部分, 而最新的地貌面Fan2、 Fan1断层活动变形痕迹微弱, 因此未测量其断层陡坎位错。选取Fan4、 Fan3(a, b, c)2期地貌面计算阿克艾肯断裂段地壳缩短速率。

d=u/sinθ

(1)

以阿克艾肯断裂段断层陡坎为例, 可以通过式(1), 如图6a所示, 得到阿克艾肯段各级地貌面的地壳缩短量(表2)。式(1)中θ角为断层的倾角, 阿克艾肯段断层的倾角约为30°(图4f); u为断层陡坎的垂直位错量, 实测得到各级地貌面的垂直位错(图5), Fan4、 Fan3(a, b, c)的垂直位错分别为67m、 37m、 22m、 9m; d为计算得到的地壳缩短量, 通过式(1)计算得到缩短量分别为60m、 30m、 26m、 18m。结合各地貌面的年龄结果, 可以得到自Fan4洪积扇面被废弃以来阿克艾肯断裂段不同时间段的平均缩短速率分别为(2.31±0.41)mm/a、 (2.45±0.24)mm/a、 (3.52±0.43)mm/a和(2.56±0.31)mm/a。因此, Fan4地貌面形成以来, 通过逆断裂变形吸收的缩短速率基本相同, 约为2.4mm/a; 而Fan3b洪积扇面形成后缩短速率略有增加。通过式(1)计算得到的阿克艾肯段自58ka以来的缩短量大致保持恒定(图6); 因此, 结合不同地貌面断层陡坎剖面(图5), 可以认为自Fan4地貌面形成以来, 各级地貌面的位错量是以线性等比例累积的。

表 2 阿克艾肯断裂段洪积台地变形参数表
Table2 Deformation values of pluvial fans platforms on Ake’aiken fault segment

台地编号拔河高度/m年龄/ka垂直位移量/m缩短量/m绝对年龄间隔时间垂直位错量/m间隔垂直位错量/m垂直滑动速率/mm·a-1缩短量/m缩短速率/mm·a-1Fan3c107.13±0.887.13±0.88991.28±0.16182.56±0.31Fan3b2113.72~14.647.51±0.9322131.76±0.22263.52±0.43Fan3a3427±312.36±1.1937151.22±0.11302.45±0.24Fan47049.14~58.5126.83±7.4367301.15±0.2602.31±0.41

图 7 砖厂段背斜地貌面地形剖面
Fig. 7 Geomorphic and topographic profile of Zhuanchang anticline.
各剖面位置见图3b; a为背斜地壳缩短模型

4.3 砖厂段背斜SN向地壳缩短

从砖厂段背斜的几何形态(图7)中可以看出, 整个背斜的缩短吸收量主要集中在背斜核部, 背斜下部的古近纪、新近纪泥岩地层产状变化很大, 因此利用Woodward等(1985)提出的盲逆断层-背斜地壳缩短模型(图7a), 计算砖厂段地壳缩短变形量。背斜顶面(Fan4)曲线AA′(图7)的长度与其在地面的垂直投影长度BB′的差值基本等于背斜形成以来的地壳缩短量ΔL

ΔL=L-L

(2)

从图7 中可以看到背斜北翼Fan4地貌面坡度仅3°, 在背斜核部地貌面坡度约为5°, 利用式(3)计算得到Fan4地貌面背斜顶面曲线长度L为2i647m。

(3)

式(3)中, x为背斜投影水平距离(m), y为背斜投影垂直距离(m)。

砖厂段背斜的投影长度可利用式(4)计算得到, L′为2i553m。

L′ =∑(xn-xn-1)

(4)

故此, 可以得到砖厂段背斜自形成以来引起的地壳缩短量为: ΔL=L-L′=94m。结合Fan4地貌面的年龄结果(表1), 可以得到砖厂段背斜自形成以来, SN向地壳缩短速率为1.43~1.81mm/a。

北轮台断裂带在南天山山前向盆地逆冲变形的过程中发育了2种形式的断裂, 在阿克艾肯段以主逆断裂模式发育, 在砖厂段背斜抬升过程中发育大量的弯矩断层(图7)(Philip et al., 1983; Yeats, 1986; 邓起东等, 2000; 李安等, 2011); 这一系列弯矩断层主要发育在砖厂段背斜的核部, 反映出背斜在形成过程中的应力状态(图8)。

图 8 砖厂段背斜断层样式及成因(改自Philip et al., 1983; 李安等, 2011)
Fig. 8 Model of the Zhuanchang anticline and its genesis(adapted from Philip et al., 1983 and Li An et al., 2011).
a 背斜核部弯矩断层形成模式; b 弯矩断层成因

现场调查发现, 砖厂段背斜具有盲逆断裂-背斜隆起特征, 同时在背斜核部伴生了一系列的弯矩断层。根据Suppe(1983)和Erslev(1991)提出的变形背斜褶皱核部的顶端处在张应力环境, 其应力释放即造成在背斜顶部地表发生拉张破裂, 形成正断层, 而破裂也多发生在地层弯曲变形最大的地段即背斜的核部(图8b)。这些弯矩断层一般为浅表破裂(图8a), 延伸深度有限; 背斜形成时间越长, 受侵蚀作用影响越大, 因此一般不易在地表出现变形。

4.4 与邻区构造变形速率的对比

北轮台断裂作为南天山与塔里木盆地的分界逆断裂, 其缩短速率可以很好地反映天山与盆地的相对运动趋势。塔里木盆地北部发育了1组逆断裂-褶皱带体系, 绵延1i200余km, 由东向西依次为北轮台断裂带、 南天山中段库车坳陷、 柯坪逆冲推覆构造带和喀什活动逆断裂-褶皱带。晚第四纪以来南天山中段的地壳缩短速率为4.5~14mm/a(Allen et al., 1999; 杨晓平等, 2008), 其中库车坳陷SN向的地壳缩短速率为5.0~7.0mm/a(吴传勇等, 2006)。杨晓平等(2006b)发现柯坪逆冲推覆构造带的地壳缩短量为40~45km, 得到该构造带自形成以来其地壳缩短速率为15.4~17.3mm/a。76°E附近(喀什一带)的南天山山前发育了喀什活动逆断裂-褶皱带, 该褶皱带晚第四纪以来的地壳缩短速率为10mm/a(沈军等, 2001; 陈杰等, 2011; 李涛等, 2011), 其北侧的纳伦盆地以北地区的晚第四纪地壳缩短速率为11mm/a(Thompson et al., 2002), 把两者相加得到该段天山地区的地壳缩短速率为21mm/a。而据南天山地区的GPS观测数据获得该区段的地壳缩短速率为20mm/a(王琪等, 2001), 与上述地质分析结果一致, 因此该段的地壳缩短速率为20~21mm/a。综合以上数据, 揭示出塔里木盆地北侧的一系列逆断裂-褶皱体系的地壳缩短速率由西向东呈现依次降低的现象; 结合杨少敏等(2008)的GPS研究成果, 塔里木地块相对于稳定欧亚大陆以0.520i3(°)/Ma的速度作顺时针旋转, 这一数据很好地对应了南天山山前的逆断裂-褶皱带的地壳缩短速率由西向东依次降低的特点(图9)。

图 9 天山南部山前逆断裂-褶皱体系SN向地壳缩短速率
Fig. 9 NS-directed crustal shortening rates of of the reverse fault-fold system in southern Tian Shan.

5 结论

北轮台断裂带是南天山与塔里木盆地之间的1条分界断裂, 第四纪以来北轮台断裂带活动性明显, 位于断裂带中部的阿克艾肯段和东部的砖厂段完好地保留了多期第四纪地貌面。阿克艾肯段共保留了5期清晰的地貌面, 伴随着断裂的活动, 不同期次的地貌面上均保存了断裂的活动痕迹, 该段断裂以逆冲断错为主, 发育了一系列 “高大”的断层陡坎, 最大累积高度可达67m; 晚第四纪以来砖厂段断裂活动性相对较弱, 仅保留3期地貌面, 通过对变形地貌面进行测量及下伏地层倾角的研究, 判定砖厂断裂段以背斜隆升为主要的生长模式, 并在背斜核部发育一系列的弯矩断层。

根据不同地貌面的变形量并结合各地貌面的年龄, 计算得到了阿克艾肯段和砖厂段的地壳缩短速率。结果表明, 晚更新世以来阿克艾肯段的地壳缩短速率约2.4mm/a, 基本保持恒定, 同时各级地貌面也是以线性等比例累积位错量; 晚更新世以来砖厂段SN向的地壳缩短量为94m, 缩短速率为1.43~1.81mm/a, 比阿克艾肯段有明显的降低, 说明北轮台断裂的缩短速率由西向东递减。综合对比南天山山前的一系列逆断裂-褶皱带体系, 其SN向的地壳缩短速率也表现出明显的由西向东递减的特征, 这一特征也与现今所观测的GPS数据有很好的一致性。

致谢 巴音郭楞蒙古自治州地震局对于本次活断层填图工作给予了大力支持, 审稿专家对本文提出的意见和建议完善了文章内容, 在此一并致谢。

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LATE QUATERNARY CRUSTAL SHORTENING RATE OF THE BEILUNTAI FAULT IN SOUTHERN TIAN SHANXINJIANG

YAO Yuan1) SONG He ping1) CHEN Jian bo1) LI Shuai1) JIA Hai liang2)

1)Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous RegionUrumqi 830011, China 2)School of Architecture and Civil EngineeringXian University of Science and TechnologyXian 710000, China

Abstract

The Beiluntai Fault is a Holocene active fault. It is the boundary between southern Tian Shan and Tarim Basin. Since the late Quaternary, steady activities of the Beiluntai fault have resulted in offsets, folds, and uplift of pluvial terraces. We used the high-resolution RTK topographic surveys to reveal that the fault scarp morphology on the Akeaiken(Ak)segment and Zhuanchang(Zc)segment of the Beiluntai fault. We found that the crustal shortening of Ak and Zc segments are dominated by thrusting and folding-uplift, respectively. We employed th optically stimulated luminescence(OSL)dating method to develop a new chronology for the different pluvial terraces, indicating that they formed at 49.14~58.51, 27±3, 13.72~14.64, 7.13±0.88, (3.32±0.43)ka, respectively. These data permitted to estimate the crustal shortening rate(about 2.4mm/a)remains largely constant on the Ak segment, while the crustal shortening rate of Zc segment was 1.43~1.81mm/a since the Fan4 pluvial terraces was abandoned. Compared with the Ak segment, the crustal shortening rate of the Zc segment declined obviously. This shows that the NS-trending crustal shortening rate of the Beituntai fault decreased gradually from west to east. A comprehensive comparison of the reverse fault-fold belt system in the front of southern Tian Shan also indicates that the crustal shortening rate drops from west to east.

Key words Tian Shan, Beiluntai fault, thrust, fold, late Quaternary

〔作者简介〕 姚远, 男, 1988年生, 2012年于中国地质大学(武汉)工程学院获得硕士学位, 工程师, 主要从事第四纪地质、 构造地质方面的研究工作, 电话: 0991-3853817, E-mail: yy8096658@126.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2018.01.006

中图分类号: P315.2

文献标识码:A

文章编号:0253-4967(2018)01-0071-16

〔收稿日期〕 2017-11-15收稿, 2017-12-12改回。

〔基金项目〕 地震科技星火计划(XH17042Y)、 北轮台断裂东段 1︰5万地质填图项目与国家自然科学基金(41702334)共同资助。

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