【类型】期刊

【作者】吴明，何文贵，张波，王朋涛，刘兴旺（中国地震局兰州地震研究所；中国地震局地质研究所）

【作者单位】中国地震局兰州地震研究所；中国地震局地质研究所

【刊名】地震工程学报

【关键词】 肃北断裂；野马河-大雪山断裂；活动构造；古地震；无人机摄影测量

【资助项】地震行业科研专项野马河—大雪山断裂1∶5万活动断层填图(201408023)

【ISSN号】1000-0844

【页码】P285-293

【年份】2019

【期号】第2期

【期刊卷】1;|7

【摘要】前人对野马河—大雪山断裂肃北段的晚第四纪活动特征研究相对薄弱,缺少有关断层最新活动的证据。本文在高分辨率遥感解译的基础上,对肃北断裂开展全段1∶5 000的地质地貌填图,通过探槽开挖、放射性碳(14C)测年以及低空无人机摄影测量（small Unmanned Aerial Vehicles,简称sUAV）等工作,对该断裂晚第四纪活动性进行系统研究。发现肃北断裂为一条全新世的逆冲活动断裂,晚第四纪以来具有多期活动,西水沟探槽剖面揭示出2次古地震事件,古地震离逝时间为（4 192.5±97.5）a B.P.之后。

【全文】 文献传递

野马河—大雪山断裂肃北段晚第四纪活动特征研究①

吴 明1, 何文贵1, 张 波1,2, 王朋涛1, 刘兴旺1

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000; 2.中国地震局地质研究所,北京 100029)

摘要：前人对野马河—大雪山断裂肃北段的晚第四纪活动特征研究相对薄弱,缺少有关断层最新活动的证据。本文在高分辨率遥感解译的基础上,对肃北断裂开展全段1∶5 000的地质地貌填图,通过探槽开挖、放射性碳(14C)测年以及低空无人机摄影测量(small Unmanned Aerial Vehicles,简称sUAV)等工作,对该断裂晚第四纪活动性进行系统研究。发现肃北断裂为一条全新世的逆冲活动断裂,晚第四纪以来具有多期活动,西水沟探槽剖面揭示出2次古地震事件,古地震离逝时间为(4 192.5±97.5) a B.P.之后。 关键词： 肃北断裂; 野马河-大雪山断裂; 活动构造; 古地震; 无人机摄影测量

0 引言

阿尔金断裂是青藏块体北部的边界断裂,从地质和地貌上清晰地分隔了青藏块体和塔里木盆地。自20世纪70年代以来,大量科研人员对其开展了多学科的研究,其中阿尔金断裂的左旋走滑速率和端部构造运动转换模式一直是研究的热点。早期的一些观点认为其走滑速率为20～30 mm/a或更大[1-4],目前比较流行的观点是阿尔金断裂中段具有～10 mm/a的滑动速率,向东由于受到党河南山断裂、野马河—大雪山断裂、昌马断裂等活动逆左旋断裂的吸收和分配,其左旋走滑速率逐渐减小至1～2 mm/a[5-6]。徐锡伟等[7]将其归纳为三联点的构造转换模式,每一个侧向分支断裂与主断裂之间的交点即为地质上的三联点,在阿尔金断裂东段存在肃北、石包城和疏勒河3个左旋走滑速率“突变点”。肃北县城西南为野马河—大雪山断裂(图1)与阿尔金断裂的交点,阿尔金断裂的左旋走滑速率在该点两侧有2～3 mm/a的滑动速率差异[5],左旋滑动速率的亏损量将分配到野马河—大雪山断裂上。前人对该断裂与阿尔金斜交的肃北断裂的晚第四纪活动特征的研究工作相对较少,仅开展过遥感解译分析[8]和逆冲缩短速率的研究[9],赵朋[10]做过活动断层调查,没有给出肃北段断裂全新世活动性的可靠地质证据。

本文的目的在于通过大比例尺填图、低空无人机摄影测量(sUAV)、探槽研究和放射性碳测年(14C)等方法,给出肃北断裂晚第四纪活动性的地质和地貌证据,探讨阿尔金东段三联点的构造转换模式。

1 研究现状

野马河—大雪山断裂主要由三段组成,分别是肃北段(西段)、野马河段(中段)和大雪山段(东段)。野马河段和大雪山段均以左旋走滑为主,形成洪积扇左旋、拉分盆地等典型地貌。野马河段断裂晚更新世以来的平均水平滑动速率为(1.27±0.18) mm/a,平均逆冲速率为(0.4±0.07) mm/a[11]。野马河—大雪山断裂的东段和中段的平均滑动速率为(2.81±0.32) mm/a。而肃北段无左旋走滑的报道,Van Der Woerd等[9]认为该断裂以逆冲缩短为主,通过全站仪对地貌变形测量并结合样品测试,得到其地表缩短速率为5 mm/a。而肃北县处于阿尔金断裂与野马河—大雪山断裂的交汇处,由于野马河-大雪山断裂带上记录过1次5.2级地震和6.0级地震(图1),所以肃北段断裂的新活动特征和地震危险性亦值得关注。

2 断裂几何结构特征及断错地貌特征

野马河—大雪山断裂肃北段位于肃北盆地西南侧,西北起西水沟西侧,向南东经二道水、红沟、付家沟、拉排沟至草大阪附近,走向N40°W,倾向SW,倾角21°～54°,总长约17 km(图2)。断裂西端与阿尔金断裂相交,南东侧与野马河断裂相接。在解译分辨率为0.5 m的WorldView影像的基础上,对断层及其周边区域开展细致的野外考察和大比例尺地质填图,全面掌握了断裂的展布和地质地貌表现。肃北段断裂几何结构复杂,是由十几段不连续的断层陡坎所组成的,断层在地表形成醒目而壮观的陡坎,为向北东倾斜正向断层陡坎。各段陡坎长度不一致,单段断裂陡坎长度一般为几十米到几百米。大陡坎保存较差,小陡坎保存较好。陡坎高度亦有差别,最低的为0.1 m,最高的超过20 m,如赵朋[10]在红沟口东南侧测得断层陡坎高度为(23.41±3.86) m,有些大陡坎上可见多级低陡坎叠加的情况[图3(a)],但多数是以单条陡坎形式出现[图3(b)]。在西水沟西侧,有2条断层陡坎发育在晚更新世晚期洪积扇上,高度约2～4 m,长度分别为0.7 km和0.5 km,走向分别为305°和290°,二者最近距离为0.7 km。在西水沟东侧,有4条断层陡坎,北侧3条为小陡坎发育在晚更新统洪积扇上,高度为1.4～4 m,长约0.25 km,相距约15 m,南侧大陡坎发育在晚更新统洪积扇与全新统洪积扇之间,高度大于10 m,陡坎长约0.4 km,南北两侧陡坎近于平等,走向295°,呈向北突出的弧形[图3(c)]。在二道水以西,断层陡坎多位于上新统红色砂岩、泥岩与中晚更新统洪积扇的交界位置,常见新近系地层覆盖于T2或T3阶地上,并在地表形成较高的陡坎,陡坎一般高度数米至十几米不等,以单级陡坎为主,也有双陡坎近于平行排列[图3(d)]。在红沟东南,断裂渐渐转入基岩区,陡坎特征不明显。切过山后在草大坂附近与野马河段断裂相连接。

为了进一步研究断层地貌和陡坎发育特征,在西水沟东侧使用低空无人机摄影进行断错地貌的测量工作,共获得了407张航拍数码影像照片(表2),并测量了8个地面控制点(表3)。经过室内数据处理,输出覆盖13万m2的点云数据,将表面点云数据经过插值后得到DEM数据,其精度达到0.1 m/pixel以上[13]。通过逐像元摄影修正、镶嵌、图幅载剪,生成效果比较理想的三维图像(图4)。由图4可以看出,陡坎总体上连续发育,且3排陡坎近于平行。为获得断层陡坎的形态,在DEM数据图上横跨断层陡坎做3条地形剖面(图5)。3条剖面平均长度约55 m,垂直于西水沟东的多级陡坎,从左向右依次排列。从3条剖面的形态上看,三级陡坎特征比较明显,用sUAV技术生成的DEM上获得的陡坎高度信息与在野外实地使用激光测距仪测量的陡坎高度值[图3(c),表3]是基本吻合的。

3 断层剖面特征

肃北断裂位于阿尔金断裂和野马河-大雪山断裂两条走滑断裂之间,形成挤压逆冲构造。断裂由南西向北东逆冲,大部分断错在新近系与第四系之间,断裂带西南侧与野马河断裂相接附近断错在基岩内部。通过野外调查和地质填图,沿断裂带发现较多的逆冲断层剖面。

勘察点一(Pt1,N39.495 65°,E94.790 25°,位置见图2)。位于西水沟以东约2 km的一冲沟西壁出露有断层剖面(图6),沟西岸地貌面相当于T3级阶地。剖面显示西南侧的上新统砖红色泥岩与砾岩向北东逆冲于晚更新统砂砾层之上。上新统地层倾向188°、倾角46°。断层走向310°、倾向SW,倾角约为50°。在断层部分的阶地面上形成明显的断层陡坎,陡坎高度大于10 m。

勘察点2(Pt2,N39.485 08°,E94.799 55°,位置见图2)。在西水沟与二道水沟中间的一条冲沟内发现一个断层剖面,剖面位于冲沟切出的沟壁上,地貌上为冲沟T2级阶地(图7),该阶地的拔河高度约7 m,阶地面发育有明显的断层陡坎。剖面上发育有3套地层:

①表土层。由土黄色黄土夹小砾石组成,厚约10～20 cm。

②青灰色砂砾石层。冲积成因,砾石具有一定的分选性和磨圆性,成层性较好,水平层理,有砂层透镜体;未见底。

③砖红色砂砾石层。冲积成因,砾石具有一定的分选性,磨圆性较差,成层性较好,被断层作用抬升,其倾向180°,倾角14°,该层应是由新近系红层经过剥蚀、搬运后再沉积形成的;未见底。

剖面上见1条逆断层,断层倾向255°、倾角54°。沿断层有砾石定向排列,层②内的砾石标志层被垂直断错2 m,且靠近断层处出现牵引挠曲现象,指示断层性质为逆断层。断层顶部断错在层②顶部,被砂层透镜体所覆盖。估计T2级阶地上部地层(层②)的年代应为晚更新世晚期至全新世早期。因此该断层剖面说明断裂在晚更新世晚期或全新世早期有过活动。

勘察点3(Pt3,N39.460 72°,E94.835 93°,位置见图2)。该点位于红沟的西侧,地貌上见T3级阶地被断错。砖红色上新统红色泥岩与砾岩向东北逆冲于晚更新世水平沉积的青灰色砾石层之上。上新统红色泥岩与砾岩被断层作用抬升,产状为214°、倾角65°。断层产状为220°、倾角45°。阶地面上形成十几米高的断层陡坎。

4 探槽古地震特征

由于野外调查所见到的天然剖面较少,且多为T2或T3级阶地剖面,缺少古地震证据。为进一步查清断层最新活动特征和获得古地震资料,分析古地震活动特征,笔者在西水沟东侧晚更新世晚期至全新世洪积扇上横跨断层陡坎用机械开挖了一个大型探槽[图9、位置见图2、图3(c)、图4],此处位于干旱戈壁地区,陡坎保存完好(断层陡坎高约2 m),未受到后期的人为改造,是此次野外调查过程中见到的最新断层地貌之一。探槽方向垂直于断层走向,长约18.5 m,深2～3.8 m,宽约5.4 m。探槽剖面揭露的地层特征描述如下:

①风成次生黄土:土黄色,质地疏松,在断层上盘较薄、下盘较厚,厚度约0.5～1.3 m。在该层中部和底部分别取了3个14C样品,编号为SB-C14-27、SB-C14-25和SB-C14-26,测年结果分别为(4 192.5±97.5) a B.P.、(3 980±100) a B.P.和(5 775±115) a B.P.(表4),地层中部靠近断层附近的2个样品,编号为SB-C14-27和SB-C14-25,测年结果有倒置,但整套地层应为全新世中晚期堆积物。

②灰白色砂砾石层:在断层上盘保留较少,为粗砂含小砾石;断层下盘逐渐过渡为大砾石层,砾石粒径一般为5～8 cm,大者可达30 cm,磨圆度较好,呈次圆状,厚约40 cm。靠近断层两侧为粗砂含小砾石,被断层错动变形。

③粉质黄土:土黄色,质地疏松,靠近断层处被错动变形。在该层底部取14C样品,编号为SB-C14-24,测年结果为(4 632.5±177.5) a B.P.,虽然与层①中底部测年结果倒置,但仍可以认为其为全新世中晚期堆积物。该地层厚约20 cm,位于断层附近,向两侧逐渐尖灭。

④青灰色砂砾石层:为粗砂夹小砾石,砾石粒径一般为2～3 cm,次棱角状,分选较好,磨圆度较差,夹有土黄色细砂透镜体,属冲积成因,下盘具水平层理,上盘被断层抬升,向下倾斜,靠近断层处被错动产生牵引挠曲变形。在断层上盘的厚度达1.7 m,下盘未见底。

⑤黄褐色砂砾石层:为粗砂夹砾石,砾石粒径一般为3～5 cm,次棱角状,分选较差,层理不明显,属冲洪积成因,在断层上盘厚约1.4 m,下盘未见底。

⑥土黄色粉质黄土:质地疏松,位于断层上盘,厚约0.5 m,含有有机物质较多。从该层中取得14C样品,编号为SB-C14-22,测年结果为(6 722.5±62.5) a B.P.,应属全新世中期堆积物,未见底。

该探槽剖面上可见一条走向320°、倾向SW、倾角较缓仅为21°的逆断层,断层断错了剖面上所有地层,终止于层①中部。由于逆断层逆冲作用,使断层两侧的地层产生牵引变形,其形态如反“Z”字型。测得层②和层③的垂直位移为0.7 m,层④的垂直位移为1.8 m,总位移略大于地表陡坎高度,说明地表陡坎可能有崩塌剥蚀作用,造成高度的降低。由此可见该剖面揭露出2次古地震事件。较早一次古地震事件,断错层④以下的地层,其断错位移应为实测位移1.8 m减去最新一次地震的位移0.7 m,为1.1 m。最新一次古地震事件,断错层①以下的地层,使层②和层③产生0.7 m的位移。在层①中靠近断层终止点的下部取到14C样品,编号为SB-C14-27,限定最新一次古地震事件的时间应为(4 192.5±97.5) a B.P.之后。较早一次古地震事件用层③和层⑥采集到的2个样品来限定(编号为SB-C14-24和SB-C14-22),限定的时间范围为(4 632.5±177.5)～(6 722.5±62.5) a B.P.间。

4 讨论

肃北断裂位于两条走滑断裂即阿尔金断裂和野马河断裂之间,具有强烈的逆冲活动性质,断层剖面上表现出低角度的逆冲构造。前人对肃北断裂的研究多是逆冲缩短速率的研究[8-10],未给出断裂晚第四纪最新活动的证据。同本文一样,赵朋[10]也在肃北断裂发现多个断层剖面,多是断错T2和T3级冲沟阶地,未见断错T1级阶地。 本研究通过该断裂的野外调查和地质填图,选择在西水沟东侧开挖探槽,该剖面不仅证明肃北断裂有全新世活动,还发现2次古地震事件。遗憾的是只开挖了1个大型探槽,计划在以后的填图工作中,再补充探槽开挖工作。

通过以上野外考察与探槽开挖的分析结果来看,野马河—大雪山断裂肃北段是一条逆冲性质的断裂,该断裂在晚第四纪以来有持续的活动。研究结果符合徐锡伟等的三联点理论和阿尔金断裂东段的构造转换模式。肃北断裂应该与其他一系列与阿尔金断裂斜交的分支断裂一样,将阿尔金断裂的左旋走滑运动的一部分转化为挤压逆冲作用。肃北断裂与阿尔金断裂共同作用,形成一个楔状压陷的肃北盆地。

5 结论

(1) 肃北断裂是一条全新世活动断裂,位于肃北盆地西南侧,走向N40°W,倾向SW,总长约17 km,具有强烈的逆冲活动性质。

(2) 肃北断裂几何结构复杂,是由十几段不连续的断层陡坎所组成,断层在地表形成醒目而壮观的陡坎,为向北东倾斜正向断层陡坎。各段陡坎长度不一致,单段断裂陡坎长度一般为几十米到几百米。陡坎高度不等,低者只有0.5 m左右,高者越过20 m。

(3) 通过探槽开挖和14C样品测年,确定断裂全新世有2次古地震事件,限定最新一次古地震事件的时间应为(4 192.5±97.5) a B.P.之后,较早一次古地震事件时间为(4 632.5±177.5)～(6 722.5±62.5) a B.P.之间。古地震离逝时间为(4 192.5±97.5) a B.P.之后。

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Investigation of Late Quaternary Activity along Subei Fault

WU Ming1, HE Wen-gui1, ZHANG Bo1,2, WANG Peng-tao1, LIU Xing-wang1

(1. Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, Gansu, China；2. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China)

Abstract：The Subei Fault is located in the western part of the Yema River—Daxue Mountain fault, which is located in the northeast of the Tibetan Plateau. This fracture is about 17 km long, trends northwest 40°, and crosses the Altyn Tagh Fault in the Subei area. The conventional view is that the power of the Altyn Tagh Fault with a high slip rate (about 10 mm/a) was absorbed by the Tanghe Nan Shan fault, the Yema River—Daxue Mountain fault, the Changma fault, and so on. Some of this power was also tranversed to form a thrust fault, after which the slip rate of the Altyn Tagh Fault decreased to 1～2 mm/a. There has been little formal research and no systematic study made of the late Quaternary activity along the Subei Fault. Using high-resolution satellite imagery and systematically studying the Subei Fault area, we generated complete geology maps of the Subei area at a scale of 1∶25,000 and some maps at a scale of 1∶5,000. In addition, we completed other tasks, including a trench study,14C sample dating, and measurements made by small unmanned aerial vehicles (sUAVs). Our conclusions are as follows: The Subei fault is a Holocene thrust fault that has exhibited multiple-staged activity since the late Quaternary, based on the structure transform mode put forward by Xu Xiwei in 2003. Moreover, our study shows the sUAV to have broad application prospects. We can rebuild a digital elevation mode based on hundreds of pictures collected by sUAVs with a very high precision. Using this technology, we can also build digital orthoimages any places we wish. Using digital elevation models (DEMs), we chose typical landforms and extracted their profiles to show the altitude of the scarps. We compared the altitudes measured by the DEM profile with measurements by the laser range finder, and found the measurement results to be basically the same. Combining several fault profiles along the Subei Fault and that of a trench excavated in Xishuigou, we determined that the Subei Fault is mainly a thrust fault, with linear and continuous scarps along the fault.

Key words：Subei fault; Yema River—Daxue mountain fault; active tectonics; paleoseismic; small Unmanned Aerial Vehicles (sUAV)

doi：10.3969/j.issn.1000-0844.2017.02.0285

①收稿日期：2016-06-17 基金项目：地震行业科研专项野马河—大雪山断裂1∶5万活动断层填图(201408023)

作者简介：吴 明(1991-)，男，硕士,主要研究领域为活动构造与地震危险性分析、构造地貌。E-mail:362668293@qq.com。

通讯作者：何文贵，男，正研级高工。E-mail:hewengui321@163.com。

中图分类号：P542.3

文献标志码：A

文章编号：1000-0844(2017)02-0285-09

DOI：10.3969/j.issn.1000-0844.2017.02.0285

吴明,何文贵,张波,等.野马河—大雪山断裂肃北段晚第四纪活动特征研究[J].地震工程学报，2017,39(2):0285-0293.

WU Ming,HE Wen-gui,ZHANG Bo,et al.Investigation of Late Quaternary Activity along Subei Fault[J].China Earthquake Engineering Journal,2017,39(2):0285-0293.doi:10.3969/j.issn.1000-0844.2017.02.0285