新疆塔城盆地断裂的晚第四纪活动特征①
【类型】期刊
【作者】罗福忠，姚远，唐丽华，葛鸣，刘志坚（新疆维吾尔自治区地震局）
【作者单位】新疆维吾尔自治区地震局
【刊名】内陆地震
【关键词】 塔城盆地；晚第四纪；活动断裂；古地震形变带
【ISSN号】1001-8956
【页码】P195-202
【年份】2019
【期号】第3期
【期刊卷】7
【摘要】塔城盆地在大地构造上,位于哈萨克斯坦—准噶尔板块内,是西准噶尔山地的一山间盆地。在盆地周边及邻近地区主要分布有塔克台断裂、冬格列克断裂、裕民南断裂、巴尔鲁克山东缘断裂等。这些断裂在晚第四纪以来发生过显著的活动,断错了山前洪积扇和河流阶地及河漫滩,并形成连续分布的地表错动形变带。形变带主要由断层陡坎、断塞塘、挤压鼓包、沟槽等组成。经调查研究,形变带为古地震形变带。通过野外实地调查和大型探槽开挖及光释光年代测定,断裂在晚更新世或全新世时期发生过新活动及古地震。
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新疆塔城盆地断裂的晚第四纪活动特征①
摘要：塔城盆地在大地构造上,位于哈萨克斯坦—准噶尔板块内,是西准噶尔山地的一山间盆地。在盆地周边及邻近地区主要分布有塔克台断裂、冬格列克断裂、裕民南断裂、巴尔鲁克山东缘断裂等。这些断裂在晚第四纪以来发生过显著的活动,断错了山前洪积扇和河流阶地及河漫滩,并形成连续分布的地表错动形变带。形变带主要由断层陡坎、断塞塘、挤压鼓包、沟槽等组成。经调查研究,形变带为古地震形变带。通过野外实地调查和大型探槽开挖及光释光年代测定,断裂在晚更新世或全新世时期发生过新活动及古地震。
关键词：塔城盆地;晚第四纪;活动断裂;古地震形变带
塔城盆地在大地构造上,位于哈萨克斯坦—准噶尔板块内,是西准噶尔山地的一山间盆地。在盆地的北缘、东缘和南缘均分布有活动断裂,构成其盆地与山地的界线。塔城盆地的活动断裂,其几何展布特征、晚第四纪以来活动特征、古地震等,前人开展的工作及研究相对较少。笔者通过对新疆塔城市巴克图辽塔新区地震小区划和中电投新疆塔城热电联产新建工程场地地震安全性评价工作,两次对塔城盆地的主要活动断裂进行了地震地质调查,并开挖了大型探槽,采集了多个光释光年龄样品测定其活动年代,从而对塔城盆地活动断裂的展布、活动性及晚第四纪以来的活动特征等获得了一些粗浅的认识。
1 塔城盆地地质构造基本特征
塔城盆地位于天山和阿尔泰山之间,是西准噶尔山地的一山间盆地。北部为塔尔巴哈台山,东部为西准噶尔界山,南部为巴尔鲁克山,西部为哈萨克斯坦地块。哈萨克斯坦古地块与准噶尔古地块在古生代早期是连为一体的［1］。根据西准噶尔山的沉积建造均为晚古生代地层分析,在古生代末由于西准噶尔山的翘起而分离。因此,西准噶尔山是分隔准噶尔坳陷和哈萨克斯坦地块的华里西期褶皱造山隆起区。根据人工地震宽角反射/折射工程探测研究的结果(据马宗晋、张先康等人的图集,2001年),西准噶尔山及塔城盆地,地壳自上而下分为上地壳与下地壳。上地壳又可分为3层,第1层上部为沉积层,包含基岩及基岩上部风化壳。在西准噶尔山以西厚约2 km,纵波速度为2.6～5.8 km/s;第2层厚约20 km,纵波速度为6.2～6.4 km/s;第3层厚约12 km,纵波速度为6.6 km/s。下地壳厚12.6～18.0 km,纵波速度为6.8～7.4 km/s。不同层位波速的差异反映出介质及密度的差异性。从整体上看自上而下纵波速度是逐渐增大,但在上地壳第3层和下地壳中存在有低速带,表现为大型复杂化的逆冲双重构造体系［2］。在地下深部12 km左右存在的低速带构成了该地区逆掩断裂系统的滑脱面。该低速带延续性较好,形成向加伊尔山体方向缓倾的斜坡,倾角5°～10°,是双重构造的底板断裂。双重构造体系中的次级叠瓦状断裂由一系列NW倾的逆断层组成,这些断层大致平行,近似等间距的空间分布将底板断裂上覆的岩层切割成规模和形态较类似的楔形块体。
塔城盆地主要分布有5条活动断裂(图1)。塔克台断裂,总体走向NWW,构成塔城盆地北部边界及古生界与新生界的分界,为一条规模较大的区域性深大断裂;冬格列克断裂,总体走向NE,构成塔城盆地的东部边界;巴尔鲁克山东缘断裂,总体走向NE,断裂的北段构成托里盆地的西部边界,为深大断裂,它和冬格列克断裂应属于同一条断裂带,两条断裂呈左阶斜列,老风口以西的阿路马勒长条状山地貌,为两条断裂斜列挤压形成的岩桥区。塔城盆地的断裂,多形成于华力西时期,有较长的发育史,有过多期活动的特点,它们大部分在喜马拉雅期重新复活,在晚第四纪以来发生过显著的新活动,断裂断错了山前洪积扇和河流阶地及河漫滩,其中沿冬格列克断裂和巴尔鲁克山东缘断裂分布有清晰的地表错动形变带,它们是塔城盆地的主要地震构造。
图1 塔城盆地地质构造图
Fig.1 Geological structure of Tacheng basin
2 塔城盆地活动断裂的晚第四纪活动特征
2.1 主要活动断裂及晚第四纪活动特征
2.1.1 塔克台断裂
塔克台断裂东段,位于和布克赛尔盆地北缘;西段位于塔城盆地北缘。断裂构成塔尔巴哈台山与和布克赛尔盆地和塔城盆地的分界,向西延伸到哈萨克斯坦境内。断裂全长约438km,走向NWW向,断面N倾,具逆断层性质。在塔城盆地,断裂构成晚古生界与新生界的分界,并控制了盆地北缘新生代以来的沉积建造。
在塔城市别勒塔克村北喀浪古尔河河口西岸,可见到断裂断错了Ⅱ、Ⅲ级河流阶地,并形成清晰的断层陡坎。经在Ⅱ级阶地上实测断层陡坎地形剖面,断层陡坎高约8 m(图2)。在Ⅲ级阶地上跨断层陡坎开挖大型探槽揭露出,断裂在剖面上至少由4条次级断层(f1～f4)组成,均为正断层(图3)。断层面产状:56°∠65°,64°∠45°。断层均断错了底部中更新世灰白色胶结砂砾石层和卵砾石层与上覆灰色卵砾石层,光释光(TCH1)地质年龄距今为65.5±3.9 ka,并形成0.5～0.7 m的垂直断距。在Ⅱ级阶地取光释光年代样品(TCH2)测试,其地质年龄距今为17.4±4.1 ka。通过微地貌观察,推测主干逆断层可能发育在断层陡坎前缘与地面交接处,探槽中的正断层为Ⅲ级阶地受挤压弯曲而形成的断层。
图2 喀浪古尔河河口西岸断层陡坎实测地形剖面图
Fig.2 Topographical profile ofmeasured fault scarp on western bank of Kalanguer river
图3 喀浪古尔河河口西塔克台断裂探槽剖面图
Fig.3 Trench profile of Taketai faults on western Kalanguer river
①黄土层 ②灰色卵砾石层 ③灰色砂砾石层④灰白色半胶结卵砾石层 ⑤灰白色胶结砂砾石层⑥泥盆系灰绿色片岩
在克希伯特北河口西岸,可见到断裂断错了Ⅲ级阶地,断裂在剖面上由3条断层组成(图4),破碎带宽约50 m。南侧2条断层发育在泥盆系破碎带中,断层面产状:4°∠75°,沿断面发育30～40 cm厚灰褐色断层泥,断层顶部被Ⅲ级阶地砾石层所覆盖。北侧断层,断层面产状: 355°∠35°,断层断错了Ⅲ级阶地砾石层,泥盆系凝灰岩向南逆冲于阶地砾石层之上。
图4 克希伯特北河口西岸塔克台断裂剖面图
Fig.4 Profile of Taketai faults on northern kexibote river
(1)砾石层 (2)砾岩、砂岩 (3)凝灰岩(4)断层破碎带 (5)断层泥 (6)断层
2.1.2 冬格列克断裂
冬格列克断裂,位于塔城盆地东缘,北起额敏县喀拉也木勒乡东北,向南西延伸经喀拉也木勒乡的加拉克村、孟布拉克、克铁希、霍吉尔特蒙古族乡、托里县老风口,南至巴尔鲁克山北麓。断裂全长约110 km,走向NE,断面SE倾,具左旋逆走滑性质。断裂构成塔城盆地的东部边界。
断裂在卫星影像上线性特征非常清晰,沿断裂分布清晰的地表错动形变带,断续长约100km。形变带主要由断层陡坎、沟槽、断塞塘及沼泽地和断错冲沟、山脊等组成。在额敏县喀拉也木勒乡东,分布新、老两期断层陡坎,老的断层陡坎高大,高度约几米到十几米,由基岩与角砾层及上覆黄土层构成。在老断层陡坎前缘洪积扇上又分布1～2条较新的断层陡坎、断塞塘,断层陡坎走向35°左右,有顺坡向与反坡向断层陡坎。经实测地形剖面,断层陡坎高约1.5 m(图5)。在喀拉也木勒乡的加拉克村北,跨断层陡坎开挖大型探槽揭露出2条断层(f1、f2)(图6),f2断面产状:355°∠65°,沿断层发育构造楔;f1断面产状:355°∠70°。从探槽剖面上分析,断裂发生过两次显著活动,两次活动均断错了底部及中部灰色砾石层⑤、灰色粉砂层④和灰白色角砾层③。在灰色粉砂层④取光释光样品(TCH5)测定,其地质年龄为距今23.2±3.1 ka。但f1断层顶部被光释光(TCH4)地质年龄为距今15.5±2.1 ka断塞塘堆积的黑灰色粉砂层②覆盖。
图5 喀拉也木勒乡加拉克村北断层陡坎实测地形剖面图
Fig.5 Topographical profile ofmeasured fault scarp in northern Jialake village,Kalayemule
图6 喀拉也木勒乡加拉克村冬格列克断裂探槽东壁剖面图
Fig.6 Eastern trench profile of Donggelieke fault in Jialake village,Kalayemule
①黑色表土层 ②黑灰色粉砂层 ③灰白色角砾层④灰色粉砂层 ⑤灰色砾石层 ⑥崩塌堆积
在喀拉也木勒乡的结勒也门村南,断裂断错了洪积扇与较宽阔的沟床和河流的Ⅰ级阶地,并分布有冲沟左错,错距可达20 m。在Ⅰ级阶地上,跨断层陡坎开挖大型探槽揭露出2条断层(图7),断面产状:100°∠50°。断层南侧底部为灰色卵砾石层③,上部为黄土层②,而北侧为黑灰色具有层理细砾层④,沿断面砾石作定向排列,断层顶部被黑色表土层①覆盖。在黄土层②取光释光样品(TCH3)测定,其地质年龄为距今16.5±3.1 ka。
图7 喀拉也木勒乡结勒也门村东河流Ⅰ级阶地探槽东壁剖面图
Fig.7 Eastern trench profile of eastern river first order terrace in Jieleyemen village,Kalayemule
①黑色表土层 ②黄土层 ③灰色卵石层 ④黑灰色卵石层
在托里县老风口北一带,也分布清晰的断层陡坎,长约30 km。断层陡坎走向35°～46°,高度为0.4 m,断层陡坎构成沼泽地与由砾石层构成戈壁滩的分界线,并有多个泉水出露。
在巴尔鲁克山北麓阿路马勒乡东,在断裂的末端也分布清晰的地表错动形变带。形变带由断层陡坎、断错水系、断层泉和线状差异的植被带显示出来。断层陡坎走向55°,有反坡向陡坎和顺坡向陡坎交替分布。经实测地形剖面,断层陡坎高度约2.8 m,水系最大左旋错距可达30 m,最小的错距为3 m左右。断裂断错了河谷Ⅰ、Ⅱ级阶地及河漫滩。冬格列克断裂为全新世活动断裂。
2.1.3 巴尔鲁克山东缘断裂
巴尔鲁克山东缘断裂,位于托里盆地西缘与巴尔鲁克山中,北起托里县老风口,向南西沿托里盆地西缘延伸到巴尔鲁克山中,全长约100 km,走向NE,断面SW倾,倾角陡立,具左旋逆走滑性质。断裂在卫星影像上线性特征非常清晰。在托里县乎喀拉盖村西至老风口西南,沿断裂在山前冲洪积扇上分布清晰的地表错动形变带,长度大于34 km。形变带主要由断层陡坎、断塞塘及沼泽地、挤压鼓包、扭错水系等组成,沿断层陡坎有一系列的泉水溢出,形成串珠状的植被差异带。
在阿克塔因恰村和萨依巴克村附近,分布有地表错动形变带,主要由断层陡坎、挤压鼓包、扭错水系、断塞塘及沼泽地组成,断层陡坎高约1～1.5 m。跨断层陡坎开挖大型探槽揭露出,剖面上断裂由两条断层组成(图8)。f1断面产状:310°∠45°,为逆断层;f2断面产状:310°∠ 50°。两条断层均断错了底部黑灰色细砾石层③、灰色卵砾石层②和上覆的黄土层①。在黄土层①取光释光样品(TCH11、TCH12)测定,其地质年龄分别为距今15.4±2.3 ka、12.3±1.3 ka。在乎喀拉盖村西分布一系列左旋断错水系和断错山脊,水系最大左旋错距达150 m,一般为50 m左右。巴尔鲁克山东缘断裂为全新世活动断裂。
图8 萨依巴克村附近巴尔鲁克山东缘断裂探槽剖面图
Fig.8 Trench profile of eastern Baerluke Mountain fault near Sayibake village
①黄土层 ②灰色卵砾石层 ③黑灰色细砾石层
2.1.4 裕民南断裂
裕民南断裂,位于巴尔鲁克山的北缘,断裂向东延伸与东格列克断裂相汇,全长约50 km。走向近EW向,断面N倾,为古生界与古近系—新近系的分界断裂,具逆断层性质。由于断裂北侧山体被断错翘起,在其南侧形成了一长条状山缘断陷,其中堆积了渐新统—中新统红色泥岩、砂岩和砾岩,其上不整合覆盖有厚度不大的中更新世砾石层。
在阿勒腾也木勒河西侧冲沟沟口,断裂断错了沟谷阶地形成明显的断层陡坎,断层陡坎由晚更新世阶地砾石层构成。经实测地形剖面,断错陡坎高6.2 m。在喀英德东,断裂断错了山前晚更新世冲洪积扇,并断续分布有断层陡坎。裕民南断裂为晚更新世活动断裂。
2.1.5 加尔布拉克断裂
加尔布拉克断裂位于额敏县城以北约6 km处。西起S210省道,向东穿过霍斯巴斯陶村至北干渠水管站西,全长约15 km。走向NEE,断面N倾。在地貌上,呈阶梯状断层陡坎展布。经实测地形剖面,断层陡坎高9.6m,陡坎坡度24°～30°。断层陡坎主要由晚更新世黄土层组成,底部部分有新近系红色泥岩出露。沿断层陡坎有一系列泉水溢出。穿过断层陡坎的河流及冲沟中发育的低阶地及河漫滩未发现被断裂断错的迹象。加尔布拉克断裂为晚更新世活动断裂。
2.2 断裂的晚第四纪活动速率
塔城盆地的活动断裂,在晚第四纪以来均具有较强的活动性,新活动主要表现在对河流阶地及晚第四纪地貌面的断错与变形。变形阶地或晚第四纪地貌面的形成时间可作为变形速率的起算时间,阶地或地貌面断错的幅度可作为活动速率计算的位错量。
在河流地貌中,阶地占有非常重要的地位,阶地的形成、分布和发育程度受着气候变化、水文条件和构造运动等因素的影响。由于塔城盆地第四纪地貌面的形成与发展前人研究的程度较低,西准噶尔山及塔城盆地与北天山毗邻,其古地理及古气候应大致相同,在这里可采用北天山地貌面研究的结果进行对比。北天山地区河流一般主要发育三级阶地,其中Ⅲ级阶地为广泛分布的区域性阶地,是切割第一期冰水冲洪积扇而形成的,其形成年代为距今约7.5～13万年［3］。Ⅱ级阶地形成于距今约2.5～4.1万年［3］。Ⅰ级阶地是全新世的产物,形成于距今约0.8～1.2万年［3］。因此,断裂晚第四纪活动速率,可根据地貌面对比的结果,并结合光释光样品年代测定的结果初步估算得到。
塔克台断裂,具逆断层性质,断错了Ⅱ、Ⅲ级河流阶地,并在Ⅱ级河流阶地上形成高约8 m的断层陡坎。由此,初步估算出断裂晚更新世晚期以来平均垂直滑动速率约为0.25 mm/a。
冬格列克断裂,具左旋逆走滑性质,断错了Ⅰ级河流阶地和晚更新世—全新世冲洪积扇,在地表形成高1.5～2.8 m的断层陡坎。由此,初步估算出断裂全新世以来平均垂直滑动速率约为0.23 mm/a。
巴尔鲁克山东缘断裂,具左旋逆走滑性质,断错了晚更新世—全新世冲洪积扇,在地表形成高1.0～1.5 m的断层陡坎。由此,初步估算出断裂全新世以来平均垂直滑动速率约为0.13 mm/a。
裕民南断裂,具逆断层性质,断错了沟谷阶地形成高6.2 m的断层陡坎。由此,初步估算出断裂晚更新世以来平均垂直滑动速率约为0.12 mm/a。
加尔布拉克断裂,断错了晚更新世黄土层,在地表形成高9.6 m的断层陡坎。由此,初步估算出断裂晚更新世以来平均垂直滑动速率约为0.19 mm/a。
3 塔城盆地断裂的晚第四纪活动与地震活动的关系
许多研究表明,沿活动断裂带的地质构造及地貌的生长与断裂带的地震活动密切相关。当大地震时,地震断层断错地表,使地表洪积扇、河流阶地、冲沟水系、山脊等地形发生错移,对震前的地形地貌进行了改造,并出现新的地貌景观,称为地震断错地貌。
沿冬格列克断裂断续分布长约100 km的地表错动形变带。形变带主要由断层陡坎、沟槽、断塞塘及沼泽地和断错冲沟、山脊等组成。为了研究断裂晚第四纪以来活动及变形特征,在山前洪积扇和Ⅰ级河流阶地上开挖了大型探槽,并采集了光释光样品,以便确定断裂最新活动年代及古地震。
喀拉也木勒乡加拉克村北探槽(见图6),揭露出两条断层,当灰色砾石层⑤、灰色粉砂层④和灰白色角砾层③堆积后,f1断层发生错动,其垂直断距约为1 m。灰色粉砂层光释光地质年龄距今为23.2±3.1 ka。但断层顶部被光释光地质年龄为距今15.5±2.1 ka断塞塘堆积的黑灰色粉砂层②覆盖。f2断层也断错了灰色砾石层⑤、灰色粉砂层④和灰白色角砾层③,其顶部被黑色表土层覆盖。探槽揭露出两次古地震事件,最近一次古地震事件发生在距今约15.5±2.1 ka之后。综合分析,沿断裂分布地表错动形变带,为最近一次古地震形成的地震形变带。
根据邓起东走滑断裂地震破裂长度与震级之间的经验公式［4］
估算出最近一次古地震震级为7.7级。式中,L为地震破裂带长度,单位为km。根据兰州地震研究所提出的破裂长度与震级经验公式
估算出最近一次古地震震级为7.5级。
根据冯先岳中国西部地区走滑断裂地震破裂长度与震级之间的经验公式［5］
估算出最近一次古地震震级为7.7级。根据以上初步计算结果看,最近一次古地震震级为7.5～7.7级。
沿巴尔鲁克山东缘断裂分布长度大于34 km的地表错动形变带。形变带主要由断层陡坎、断塞塘及沼泽地、挤压鼓包、断错水系等组成。在萨依巴克村附近,跨断层陡坎开挖大型探槽揭露出断裂由两条断层组成(见图8),两条断层断错了底部黑灰色细砾石层③、灰色卵砾石层②和上覆黄土层①,其垂直断距大于1.5 m。经调查研究,沿巴尔鲁克山东缘断裂分布的地表错动形变带,为最近一次古地震形成的地震形变带。最近一次古地震事件发生在距今约12.3± 1.3 ka之后。根据冯先岳中国西部地区走滑断裂地震破裂长度与震级之间的经验公式［5］
估算出最近一次古地震震级为7.5级。
由于塔城盆地第四纪以来的气候以寒冷、干旱为主,沿断裂分布的古地震形变带能够得以较好的保存。这些微地貌构造特征是断裂晚第四纪以来最新活动的表现。
自有地震记录以来,塔城盆地及其周边附近共发生4.7～4.9级地震2次;5.0～5.9级地震4次,地震活动相对较弱。破坏性地震主要沿巴尔鲁克山东缘断裂附近分布,1962年3月28日发生5级地震,2008年4月20日发生5.2级地震。地震的发生与断裂的新活动密切相关,是断裂现代新活动所致。
4 结论与讨论
塔城盆地是西准噶尔山的一山间盆地。塔克台断裂构成塔城盆地北部边界;冬格列克断裂构成塔城盆地的东部边界;巴尔鲁克山东缘断裂的北段构成托里盆地的西部边界,其中塔克台断裂和巴尔鲁克山东缘断裂为区域性的深大断裂。塔城盆地的断裂,在晚第四纪以来发生过强烈的活动,在山前的洪积扇、冲沟及河流阶地上均可见到断裂活动的迹象。塔克台断裂,晚更新世晚期以来平均垂直滑动速率约为0.25 mm/a;冬格列克断裂,全新世以来平均垂直滑动速率约为0.23 mm/a;巴尔鲁克山东缘断裂,全新世以来平均垂直滑动速率约为0.13 mm/a;裕民南断裂,晚更新世以来平均垂直滑动速率约为0.12 mm/a;加尔布拉克断裂,晚更新世以来平均垂直滑动速率约为0.19 mm/a。
沿冬格列克断裂、巴尔鲁克山东缘断裂分布有清晰的古地震形变带,主要由断层陡坎、沟槽、断塞塘及沼泽地和断错冲沟、山脊等组成。在冬格列克断裂上开挖探槽露出两次古地震事件,最近一次古地震事件发生在距今约15.5±2.1 ka之后,其古地震震级为7.5～7.7级;巴尔鲁克山东缘断裂上开挖探槽露出一次古地震事件,古地震事件发生在距今约12.3±1.3 ka之后,其古地震震级为7.5级。近代在该断裂附近发生过两次破坏性地震,地震的发生是断裂最新活动的表现。
参考文献:
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CHARACTERISTICSOF LATE QUATERNARY FAULTS IN TACHENG BASIN,XINJIANG
Abstract：Tacheng basin was located in Kazakhstan-Junggar plate in West Junggarmountain.Taketai fault,Donggelieke fault,southern Yumin fault and eastern Baerluke fault were distributed around Tacheng basin.These faults had significant activities in Late Quaternary,thus piedmont alluvial fan,fluvial terraces,floodplains,and continuous dislocation deformation zone surface formed. Deformation zone ismainly composed of fault scarp,sag ponds,extrusion bulging,trench.After investigation,deformation band was paleoearthquake deformation belt.Stimulated by field investigation,large trench excavation and thermoluminescence(TL)dating,fault activity and ancient earthquake occurred in the epipleistocene or holocene.
Key words：Tacheng basin;Late Quaternary;Active fault;Paleoearthquake deformation belt
doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2015.03.001
文章编号：1001-8956(2015)03-0195-08
中图分类号：P315.2
文献标识码：A
收稿日期：①2014-05-14;
修回日期：2014-08-04.