沿祁连山展布的近900 km长的祁连—海原断裂系是青藏高原东北扩展前缘最主要的边界构造带，也是青藏、鄂尔多斯和戈壁阿拉善3个构造块体的重要边界。该断裂系分为东、西两段，西段主要由冷龙岭单条断裂带构成，东段分为南、北两支弧形断裂带。在过去一段较长的时间里，人们根据断错构造地貌的遥感解译及相应地貌形成年代，估计断裂系东段北支弧形带内的天桥沟—黄羊川断裂带的走滑速率仅为3—5 mm/a，断裂系其他各断层的滑动速率普遍在10—20 mm/a之间，两者之间相差约一个数量级。因此，天桥沟—黄羊川断裂带的构造作用长期以来受到较少的关注，甚至被忽略。但近年来，一些更为详细的野外地质工作将冷龙岭断裂和海原断裂的平均地质滑动速率限制在了4—7 mm/a，与天桥沟—黄羊川断裂的速率相近，因此，对该断裂系内各断裂之间既有的构造变形转换模型提出了挑战，并相应地引出一系列新的科学问题：断裂系内东、西两段的构造变形是如何调整分配的？天桥沟—黄羊川断裂在该区域的构造运动中起什么作用？对青藏高原东北缘乃至以青藏高原为代表的大陆内部构造变形机制有什么启示？

地震活动在祁连—海原断裂系上也十分强烈，最近100年内就发生过1920年海原M8.5地震和1927年古浪M8地震。相对于发震断裂明确的海原地震，在断裂系中西段附近发生的古浪地震，发震构造一直以来争议较大，而天桥沟—黄羊川断裂是否参与古浪地震破裂则是主要的争议点。而且，天桥沟—黄羊川断裂缺少M＞5历史地震记录，因此，该争议给该区域特别是天桥沟—黄羊川断裂的地震危险性评价带来了很大的不确定性。

为回答上述问题，有必要对天桥沟—黄羊川断裂的晚第四纪活动特征和古地震序列开展更细致深入的研究。本论文即以天桥沟—黄羊川断裂为研究对象，在高分辨率影像遥感解译的基础上，开展了详细的野外地质填图调查和测量、测年，分析了断裂的几何展布、滑动速率和古地震活动历史，探讨了其在祁连—海原断裂系中的构造作用，最后给出了青藏高原东北缘的构造变形演化模式。取得了如下主要认识：

（1）天桥沟—黄羊川断裂西端与冷龙岭断裂相接，自冷龙岭北侧起向东大致沿天桥沟、黄羊川河等一系列负地形展布，向东过大靖河沿山、盆边界延展直到岳家滩消失，以约3 km宽的岳家滩阶区同长岭山北麓断裂斜列相接。断裂近东西向展布，总长约120 km，宽度为100—900 m。根据走向变化和连续性，可将其分为3段，自西向东依次是天桥沟段、黄羊川段和大靖段。天桥沟段与黄羊川段连续性很好，二者以关家台东仅数百米宽的南泥沟小阶区为界，西段天桥沟段长约45 km，走向NWW，中段黄羊川段长约47 km，走向转为NEE，东段大靖段较短，由两条斜裂次级段落组成，总长仅13 km左右，与黄羊川段中间有约15 km的间断。

（2）断裂以左旋走滑运动为主，根据断错地貌获得最大累积位错约为5 km，最小断错量约5 m。我们利用无人机高精度地貌位错测量，结合放射性碳和光释光测年，分析了火烧台、哈溪河、柳条河、松树湾、古浪河和打喇水下沟等地点的河流阶地断错，获得断裂全新世以来左旋走滑速率（3.1±0.1） mm/a，垂向滑动速率仅为 0.1—0.4 mm/a。

（3）基于精细遥感解译和野外调查，本研究在红腰岘、磨台子、宽沟、郭地湾、韭菜沟和胡家井开挖了系列古地震探槽，并分析了断裂各段落的古地震活动行为。探槽揭示出断裂全新世以来共发生至少 5 次古地震事件，事件年代分别为：（1.8±0.2） ka、（3.8±0.1） ka、（5.9±0.3） ka、（8.2±0.5） ka和（10.3±0.5） ka。平均复发间隔约 2.1 ka，古地震行为特征倾向于天桥沟段与黄羊川段的全段破裂，最新一次地震事件的离逝时间约1.8 ka。另外，对前人报道的在1927年地震中出现破裂的杨家湾、关家台、右扎沟和盘道沟等地点，我们进行了细致的野外核实，均未发现地表破裂的确切证据。因此，我们认为，天桥沟—黄羊川断裂没有参与1927年古浪8级地震的地表破裂。

（4）古地震探槽揭示的多期次古地震事件表明，天桥沟—黄羊川断裂在晚更新世以来活动强烈。1.8 ka的地震离逝时间表明，该断裂构成了该区域一个长达百余公里的地震空区段，具有M≥7地震的发震能力。考虑到同在断裂系中部断裂交汇点的天祝地震空区，应对该区域今后地震危险性给予更多重视。

（5）将祁连—海原断裂系东段南、北两条弧形断裂带的滑动速率投影到断裂系西段冷龙岭断裂的走向上，二者之和大致与冷龙岭断裂的左旋走滑速率相当。此外，北支弧形断裂带内各分支断裂的滑动速率呈自西向东减小趋势，该左旋滑动速率的亏损可能转换为了断裂带东端近天景山和烟筒山断裂带的逆冲滑动，表明天桥沟—黄羊川断裂在青藏高原通过祁连山逆冲带向天景山和烟筒山逆冲带发生地壳缩短和扩展变形的过程中起着重要的构造转换作用。

（6）祁连—海原断裂系中的各断层地震复发周期显示的相对活动性与滑动速率显示的相对活动性相似，都揭示了天桥沟—黄羊川断裂作为阿拉善地块与青藏地块之间的主要构造边界，在青藏高原东北缘向北东方向挤压扩展过程中，发挥了重要的调节作用。

（7）祁连—海原断裂系东段南、北两支围限成一个近三角形次级块体-天景山块体。既有研究表明，天景山块体南、北两弧形边界带的运动方式在新生代均经历了由挤压逆冲到左旋走滑的转化过程，而且在左旋走滑阶段，块体南边界海原断裂的滑动速率呈增大之势，北边界的天桥沟—黄羊川断裂和天景山断裂均呈减小之势。这种运动趋势的差异表明，在青藏地块、鄂尔多斯地块和阿拉善地块之间的天景山块体正逐渐与陇中盆地块体解体分离，青藏高原东北部地块东向挤出的主边界正逐渐集中到海原断裂上。

（8）祁连—海原断裂系百万年尺度和万年尺度的平均左旋滑动速率都不支持“刚性块体模型”预测的高速率边界滑动；断裂系内部次级块体的差异性运动以及块体本身的剪切变形也都表明，不能用简单的刚性块体模型分析青藏高原的构造变形。