【类型】期刊

【作者】刘兴旺，袁道阳，邵延秀，张波（兰州大学西部环境教育部重点实验室；中国地震局兰州地震研究所；兰州地球物理国家野外科学观测研究站）

【作者单位】兰州大学西部环境教育部重点实验室；中国地震局兰州地震研究所；兰州地球物理国家野外科学观测研究站

【刊名】地震工程学报

【关键词】 玉门—北大河断裂；断错地貌；晚第四纪；滑动速率

【资助项】中国地震局行业专项(201408023)；国家自然科学基金青年基金(41402186)

【ISSN号】1000-0844

【页码】P948-954

【年份】2019

【期号】第6期

【期刊卷】1;|7

【摘要】通过卫星影像解译、野外实地调查并结合前人研究成果,对位于祁连山北缘的玉门—北大河断裂晚第四纪构造活动特征进行研究。结果表明,玉门—北大河断裂为一条全新世活动的逆冲断裂,该断裂西起玉门青草湾,向东经老玉门市、大红泉止于骨头泉,全长约80km,整体走向NWW。根据断裂的几何结构及活动习性可将其分为三段:东段构造形态简单连续,为逆冲断层陡坎为主的古地震地表破裂带;中段结构复杂,由多条次级断层组成,以逆冲扩展为主;西段未出露地表而成为盲断裂-褶皱带。通过对断层陡坎差分GPS测量及相应地貌面年代测试,得到断裂晚更新世以来逆冲速率约为(0.73±0.09)mm/a。

【全文】 文献传递

祁连山北缘玉门—北大河断裂晚第四纪活动特征

刘兴旺1,2,3, 袁道阳2,3, 邵延秀2,3, 张 波2,3

(1.兰州大学西部环境教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000; 2.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;3.兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

摘要：通过卫星影像解译、野外实地调查并结合前人研究成果,对位于祁连山北缘的玉门—北大河断裂晚第四纪构造活动特征进行研究。结果表明,玉门—北大河断裂为一条全新世活动的逆冲断裂,该断裂西起玉门青草湾,向东经老玉门市、大红泉止于骨头泉,全长约80 km,整体走向NWW。根据断裂的几何结构及活动习性可将其分为三段:东段构造形态简单连续,为逆冲断层陡坎为主的古地震地表破裂带;中段结构复杂,由多条次级断层组成,以逆冲扩展为主;西段未出露地表而成为盲断裂-褶皱带。通过对断层陡坎差分GPS测量及相应地貌面年代测试,得到断裂晚更新世以来逆冲速率约为(0.73±0.09) mm/a。

关键词：玉门—北大河断裂; 断错地貌; 晚第四纪; 滑动速率

0 引言

新生代以来,印度板块与欧亚板块挤压碰撞,青藏高原开始形成并分阶段隆升[1-5],同时受区域挤压应力作用的影响,青藏块体持续向北东方向推挤扩展,在其前缘形成了一系列挤压逆冲断裂带,祁连山北缘断裂即为其重要的逆冲断裂带之一[6-10]。位于河西走廊盆地南缘西段的玉门—北大河断裂是祁连山北缘断裂带的重要组成部分。根据前人研究,酒西盆地南缘断裂由多条逐渐向盆地内部挤压逆冲的断裂系组成,构成了一个大型的推覆构造[11],其前锋断裂即为玉门—北大河断裂,其构造活动特征反映了酒西盆地南缘断裂的最新活动特性。

对于玉门—北大河断裂,前人曾开展过一些研究工作,但对其活动时代和活动性质都有不同的认识。国家地震局地质研究所等[7]认为其活动时代为中更新世末以前,晚第四纪以来不活动;陈杰等[12]认为断裂自中更新世以来的活动从未停止过,以挤压逆冲和褶皱变形为主;陈文彬等[8]认为其最新活动时代为晚更新世末,全新世期间不活动;闵伟等[9]、陈柏林等[13]认为其为一条全新世活动断裂带,并初步得到其逆冲速率和古地震事件。对其活动性质的研究也有两种不同的认识:有研究者认为该断裂为逆冲断层,无走滑分量[7,14-15];也有研究者认为该断裂有左旋走滑的分量[7-8,13]。这些认识上的差异反映了对该断裂研究缺少有力的最新活动证据。笔者通过对前人资料的收集和实地野外调查,认为玉门—北大河断裂为一条全新世活动的逆冲断裂,断裂沿线未发现左旋走滑的地质地貌证据,并通过断层陡坎差分GPS测量及相应地貌面测年得到了断裂晚更新世以来的逆冲滑动速率。

1 玉门—北大河断裂分段活动特征

玉门—北大河断裂分布在祁连山西端的北部边缘,是酒西盆地与祁连山的分界线,也是祁连山北缘断裂带的重要组成部分。该断裂西起青草湾,向东经老玉门市、青头山、大红泉、小红泉、止于骨头泉一带,整体走向NWW,倾角20°～60°,总长约80 km(图1)。断裂穿过了石油河、白杨河及北大河等河流,为一条逆冲推覆断裂。根据断层几何展布特征及活动特点可将该断裂分为东、中、西3段。各段的几何结构与活动特征叙述如下:

1.1 东段(F2-1)

断裂东段西起西沟矿以西,向东经北大河到骨头泉一带,长约20 km(图1)。该段断裂几何形态较为简单,展布于祁连山山前洪积扇上,连续发育,距山边约有2 km,以断层陡坎形态保存。根据各洪积扇面的新老程度,陡坎高度从小于1 m至7 m不等(图2),大部分陡坎高度在2 m左右,在最新的冲洪积扇上陡坎高度不足1 m(图2S1、S8)。部分断层陡坎段类似古地震地表破裂带,保留有较为新鲜的陡坎自由面。在骨头泉附近冲沟内发现天然断层剖面,揭露的地层如图3所示:U1 全新统松散黄土;U2 崩积楔,含砾石较多;U3 灰色土层;U4 土灰色松散砂砾石层,粒径较大;U5 灰色冲积砂砾石层,粒径小,近断层侧褶皱弯曲,断层带内砾石定向;U6 青灰色砂砾石层,粒径大,轻微胶结。断裂活动形成一个断层带,其间砾石定向排列,断层逆冲于原先地表土层之上并形成崩积楔,被最新沉积的全新世松散黄土覆盖,已接近地表,断层上盘靠近断层处砾石层产生褶皱变形,断层倾角35°,断距约1 m。根据断错地貌特征及剖面判断,该段断裂为全新世活动断裂。

1.2 中段(F2-2)

断裂中段西起青头山,向东经大红泉、小红泉,东到西沟矿以西,长约20 km。该段断层连续性不好,沿走向由6个不连续的雁列状次级断层组成(图1)。地貌上表现为断层三角面和不同高度的断层陡坎,陡坎一般发育于各冲沟两侧阶地之上,其保存高度明显高于东段。在南山村南,发源于祁连山的一条未知名河流两侧共发育3级阶地,T2、T3阶地之上均保留断层陡坎。T2阶地主要分布于河流西岸,其上保留的断层陡坎高度约8 m[图4(a)],T3阶地主要分布于河流东岸,其上陡坎高约20 m,这种断层陡坎高度的变化表明断裂在晚第四纪以来是持续活动的。河道内出露断层剖面,第三系红色砂岩逆冲于第四系砂砾层之上,断层向上延伸已近地表,倾角约25°[图4(b)]。

在大红泉冲沟西壁出露断层剖面,第三系红色砂岩形成背斜褶皱并派生若干张性小断层,未见主断层(图5),但主断层的活动使得其上覆砾石层产生挠曲、位错及定向排列,据此可以推断主断层古地震事件。根据前人的研究[8],从剖面上可分辨出两次古地震事件:第一次事件发生在距今(26.8±2.1) ka,造成覆盖于N面上砾石层的错动及定向排列;第二次事件发生在距今(14.1±1.1) ka,造成砾石层与上覆砂砾石层的不整合面发生挠曲错动。根据野外实地考察,发现灰色砂砾石层上部一套淡粉色粉砂层也发生了弯曲变形,根据其年代,推测断裂最新活动发生在距今(4.9±0.7) ka以来。

1.3 西段(F2-3)

断裂西段西起青草湾,向东经老玉门市到白杨河以东一带,长约40 km。该段断裂未出露地表而成为盲断裂-褶皱带,但物探及钻孔资料不仅证实了断层的存在,而且其表现出逆冲的特征。断裂在该段横切了石油河和白杨河等河流,这些河流都发育有河流阶地,而河流阶地是记录构造变形过程的良好地貌证据,利用阶地变形资料研究活动断裂也是活动构造研究的一种重要手段[16-18]。陈杰等[12]根据石油河阶地变形资料,分析认为该段断裂自中更新世以来有持续活动。Hetzel等[19]对石油河的阶地开展了差分GPS测量及年代学研究,认为石油河低阶地可能存在着微小变形,且根据变形阶地的年代可以推断断裂在全新世有过活动。2002年12月14日玉门发生MS5.9地震,有研究者认为其发震断裂为玉门—北大河断裂南侧的旱峡大黄沟断裂[20];荣代潞等[21]通过对主震及余震序列的精定位,分析认为在北东向的压应力作用下,玉门—北大河断裂和旱峡—大黄沟断裂在深部汇合的断层面上发生逆推错动,共同参与了此次地震。因此,玉门—北大河断裂为此次地震的发震断裂之一,国内类似的活动挤压构造带也有发生这种“褶皱地震”的例子[22-23]。

综上所述,玉门—北大河断裂为一条全新世活动断裂,野外考察发现断裂以逆冲推覆为主要活动特征,断裂沿线未发现左旋走滑的证据。

2 玉门—北大河断裂滑动速率的厘定

沿祁连山前的河西走廊发育有一系列规模不等的洪积扇,活动断裂常发育于洪积扇之上,断层陡坎是识别断裂位置的重要标志。在断裂中段的大红泉村,发源于祁连山的一条大冲沟西侧发育有多级阶地[图6(a)],在断层通过处形成了高度不等的断层陡坎,阶地越老,陡坎越高[图6(b)]。根据航片解译及野外实地考察,在该冲沟西侧至少发育了5级阶地,均为基座阶地,基座为第三系红色砂岩。T1及T4阶地发育于断层南侧,未穿过断层。T2阶地可分为T2a和T2b两级亚阶地,拔河高度分别约为11.5 m和13 m,T3阶地拔河高度约21 m,T5阶地拔河高度约37.5 m。野外利用差分GPS对各级阶地的断层陡坎进行了实地测量[图6(a) P1～P4],得到其高度分别为(9.8±0.4) m、(12.4±0.3) m、(18.5±1) m和(30±2) m[图6(c)]。

为确定各阶地年代,野外采集了系列样品[图6(a)]。各级阶地面之上几乎无黄土覆盖,其上有大量裸露的小砾石,适合利用宇宙成因核素测量阶地的暴露年龄。我们在各阶地面上采集了大量(约50块)富含石英的砾石,直径约3～5 cm,同时在河道内也采集了一个样品,用于计算10Be继承浓度。样品前期处理由中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室完成,之后10Be与9Be比值由法国地球科学与环境研究与教育欧洲中心宇宙成因核素实验室测定。根据测试结果,计算各级阶地暴露年龄T2a为(12.6±0.7) ka、T2b为(17.5±0.8) ka、T3为(24.2±0.8) ka、T5为(44.9±1.7) ka。结合断层陡坎高度,得到断裂的逆冲速率分别为(0.78±0.05)、(0.71±0.04)、(0.76±0.05)和(0.67±0.04) mm/a,这些滑动速率在误差范围内大致一致,晚更新世以来平均逆冲速率为(0.73±0.09) mm/a,表明该断裂晚更新世期间逆冲速率较为均匀。需要指出的是,由于断裂下盘各阶地面被同一期洪积扇覆盖,得到的断层陡坎高度较真实值可能偏小,因此该滑动速率可作为断裂的最小滑动速率。

3 结论与讨论

根据前人资料、航卫片解译及野外实地考察,综合判断玉门—北大河断裂为一条全新世活动的断裂,其活动特征有明显的分段性。东段几何形态简单,发现有古地震地表破裂带的遗迹,断层陡坎上保留新鲜的自由面;中段形态复杂,由多条次级断层组成,以逆冲扩展为主,断层三角面和高陡坎为其显著的地貌特征;西段未出露地表,形成盲断层-褶皱带,为2002年玉门5.9级地震的发震断裂之一。

玉门—北大河断裂表现为逆冲推覆特征,断裂沿线未发现左旋走滑的证据,根据断层陡坎测量及年代学测试,得到断裂晚更新世以来逆冲速率约为(0.73±0.09) mm/a。祁连山北缘断裂带由一系列构造背景类似的断裂组成,玉门—北大河断裂东侧的佛洞庙—红崖子断裂的逆冲速率为(0.61±0.28) mm/a[24],榆木山北缘断裂为(0.55±0.15) mm/a[25],张掖断裂为0.6～0.9 mm/a[10],这些断裂的滑动速率大致相当,反映了祁连山北缘断裂带在区域构造活动上具有整体性和协调性。

致谢:文中样品前期处理由中国地震局地震动力学国家重点实验室完成,测试由法国地球科学与环境研究与教育欧洲中心宇宙成因核素实验室完成,在此表示感谢。

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Characteristics of Late Quaternary Activity of Yumen—Beidahe Fault in North Margin of Qilian Mountain

LIU Xing-wang1,2,3, YUAN Dao-yang2,3, SHAO Yan-xiu2,3, ZHANG Bo2,3

(1. Key Laboratory of Western China's Environmental System with the Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 73000, Gansu, China; 2. Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, Gansu, China; 3. Lanzhou National Observatory of Geophysics, Lanzhou 730000, Gansu, China)

Abstract：As the boundary of the Qilian Mountain and Jiuxi Basin, the Yumen—Beidahe fault is located along the western part of the southern margin of the Hexi Corridor, and is an important part of the north Qilian Mountain fault system. The Yumen—Beidahe fault extends from Qingcaowan in the west in an ESE trending for 80 km to near Gutouquan. Considering its geometric structure and active behavior, the fault can be divided into three segments. The eastern segment, whose length is about 20 km, is located on the two sides of Beidahe and about 2 km from the Qilian Mountain. This fault segment is preserved in the form of continuous fault scarp, whose height ranges from less than 1 m to 7 m. At the most recent alluvial fan, some fault scarps still retain a fresh free surface, which suggests that the segment is an earthquake rupture zone. The structure of the middle segment is complex and mainly exhibits thrust characteristics. Its length is about 20 km and it comprises six discrete faults. The topography is expressed as a fault triangle and a fault scarp of different heights. The fault section suggests that the latest earthquake event occurred about 5 000 years ago. The western segment, whose length is about 40 km, does not appear on the ground and becomes a blind thrust-fold belt. Some rivers, such as the Shiyou and Baiyang Rivers, cross over this blind thrust-fold belt. The terraces of these rivers have been described as fold deformation in previous work. This fault segment is also the seismogenic structure of the 2002 YumenMS5.9 earthquake. Based on previous data and field surveys, we believe the Yumen—Beidahe fault to be an active thrust fault in the Holocene, and there is no geological or geomorphic evidence of any left-lateral slip along the fault. According to a differential GPS survey of the fault scarps and geomorphic surface dating, we infer the average thrust rate of the Yumen-Beidahe fault since the late Pleistocene to be about (0.73±0.09) mm/a.

Key words：Yumen—Beidahe fault; faulted landform; late Quaternary; slip rate

收稿日期：2016-04-20 基金项目：中国地震局行业专项(201408023);国家自然科学基金青年基金(41402186) 作者简介：刘兴旺(1980-),男,副研究员,主要研究方向为活动构造及地貌。E-mail:lxw_27@163.com。

中图分类号：P534.63;P542+.3

文献标志码：A

文章编号：1000-0844(2016)06-0948-07

DOI：10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0948