库车坳陷区喀桑托开逆断裂-背斜带晚第四纪以来变形特征及活动速率
【类型】期刊
【作者】张同良，陈建波，沈军，吴传勇，向志勇，李军（新疆工程学院；新疆维吾尔自治区地震局）
【作者单位】新疆工程学院；新疆维吾尔自治区地震局
【刊名】新疆地质
【关键词】 库车坳陷；喀桑托开；晚第四纪活动；活动速率
【资助项】中国地震局科技部国际合作重点项目(2004dfba0005)；新疆地震科学基金(201112)共同资助
【ISSN号】1000-8845
【页码】P53-57
【年份】2019
【期号】第1期
【期刊卷】1;|7;|8;|4;|5
【摘要】通过对喀桑托开逆断裂-背斜带的野外地质调查,对构造带的几何展布及断裂的晚第四纪新活动特征取得了新成果。研究认为喀桑托开逆断裂-背斜是拜城盆地北缘近EW向展布的活动逆断裂-背斜带,它由库热格热木-巴什基齐克逆断裂-背斜带和吐孜麻扎-喀桑托开逆断裂-背斜带组成,呈北缓南陡的不对称紧闭线状褶皱。喀桑托开逆断裂-背斜属典型的断层扩展褶皱,此类构造的地壳缩短主要是由控制背斜发展演化的断裂上盘整体抬升引起,褶皱隆起作用相对偏弱,变形量主要集中于断裂附近,背斜带晚更新世以来地壳缩短速率约为0.8~1.1 mm/a。通过对背斜南翼断裂古地震陡坎的测量,获得断层最后一次地震形成的陡坎高0.3~0.5 m,由此计算得到断裂全新世中期以来的垂直位移速率为0.3~0.45 mm/a,表明喀桑托开背斜带未来具备发生强震的构造条件。
【全文】 文献传递
库车坳陷区喀桑托开逆断裂-背斜带晚第四纪以来变形特征及活动速率
摘 要：通过对喀桑托开逆断裂-背斜带的野外地质调查，对构造带的几何展布及断裂的晚第四纪新活动特征取得了新成果。研究认为喀桑托开逆断裂-背斜是拜城盆地北缘近EW向展布的活动逆断裂-背斜带，它由库热格热木-巴什基齐克逆断裂-背斜带和吐孜麻扎-喀桑托开逆断裂-背斜带组成，呈北缓南陡的不对称紧闭线状褶皱。喀桑托开逆断裂-背斜属典型的断层扩展褶皱，此类构造的地壳缩短主要是由控制背斜发展演化的断裂上盘整体抬升引起，褶皱隆起作用相对偏弱，变形量主要集中于断裂附近，背斜带晚更新世以来地壳缩短速率约为0.8～1.1 mm/a。通过对背斜南翼断裂古地震陡坎的测量，获得断层最后一次地震形成的陡坎高0.3～0.5 m，由此计算得到断裂全新世中期以来的垂直位移速率为0.3～0.45 mm/a，表明喀桑托开背斜带未来具备发生强震的构造条件。
关键词：库车坳陷；喀桑托开；晚第四纪活动；活动速率
库车坳陷位于塔里木盆地北部，为塔里木盆地内的一个二级构造单元，走向NEE，与南天山南缘相平行，地处南天山造山带和塔北隆起之间。该坳陷北以南天山山前断裂带为界，南以亚南断裂、索格当他乌断裂和温底北断裂为界，东西延伸约600 km，南北宽l 070 km，面积约3l 200 km2[1-3]。喀桑托开逆断裂-背斜带是库车推覆构造区内的第3排构造带（图1），是库车推覆构造区（断褶区）拜城盆地北缘近EW向展布的活动逆断裂-背斜带。20世纪50年代以来，石油部门通过在库车坳陷及邻区的地震反射剖面资料对该区的深部构造取得了一定认识[4-7]，认为该逆断裂-背斜带的形成演化史可分为3个阶段：①晚中生代（约89 Ma前）北部的库热格热木-巴什基齐克逆断裂-背斜带始缓慢隆起，该隆升过程造成研究区内晚白垩世地层的缺失；②上新世末期—早更新世早期的喀什运动，是区域内一次规模较大的构造运动，褶皱滑脱面向南扩展，使南部的古近系和新近系褶皱成岭，喀桑托开逆断裂-背斜带的构造格局基本形成；③早更新世末期—中更新世早期的西域运动，使该背斜带近一步隆升，最终形成现代的地貌形态。从目前喀桑托开逆断裂-背斜带地层岩性组成来看，该背斜带由北向南卷入的变形地层逐渐变新，反映逆断裂-背斜带的最新活动具逐渐向南迁的趋势。20世纪90年代末期开始，许多学者对南天山库车坳陷及邻区活动构造的几何学、运动学和年代学等问题进行了一定的研究与讨论，尤其对库车坳陷区内的秋里塔格背斜带进行了大量详细的科学研究[8-14]。笔者于近期对库车坳陷的第3排活动构造带——喀桑托开背斜进行了重点考察，对该活动构造的整体格架和变形特征有了进一步认识。重点对喀桑托开逆断裂-背斜带的晚第四纪以来背斜的变形特征及背斜前缘逆断裂带的最新活动特征进行详细介绍。
1 喀桑托开背斜带的基本特征
喀桑托开逆断裂-背斜位于拜城盆地北缘，西起库如克厄肯，东至图孜滚一带，长约100 km，是第3排逆断裂-背斜带内规模最大、活动性最为强烈的构造之一（图1）。背斜带在地貌上表现为走向近东西的长条状隆起山地，地势高差不大，总体地势西高东低。在背斜西段的台勒外丘克河和喀拉苏河附近平均海拔约1 900 m，最高峰位于喀拉苏河东岸，海拔2 039 m，喀拉苏河以东，地势降低，平均海拔1 600～1 700 m。横向上，分水岭位于山体的南侧，北为一巨大缓坡与向斜谷地（图舍科向斜）相连，南为地势平缓的拜城盆地。该背斜轴向近EW向（260°），整体为一南翼稍陡，北翼相对较平缓的不对称背斜。组成背斜的地层从老到新为：①中新统吉迪克组。岩性主要为红色砂岩、砾岩、泥质粉砂岩和含石膏粘土；②上新统库车组。岩性主要为橙黄色泥质粉砂岩、砂岩；③下更新统西域砾岩；④中更新统砾石层零星出露在背斜两翼的局部地段，与下伏的下更新统砾岩层呈角度不整合接触，并因遭受褶皱作用而倾斜变形；⑤上更新统砾石层主要分布在背斜南翼的山前地带和横穿背斜的河流中低阶地上。喀桑托开背斜的核部位于背斜山地的南部，南翼的中新统吉迪克组由于受到逆断裂破坏而残缺不全，仅零星分布在西部的喀拉苏河和中部的玉树滚艾肯附近。北翼地层较完整，构成了塔格克吐鲁山的主体。喀桑托开背斜为一典型的线形长轴背斜，若以地表出露的中新统顶界面作为背斜主体计算，其长轴约为30 km，短轴只有1.4~1.8 km，该背斜的长短轴之比为17∶1~ 21∶1（图2）。
图1 库车坳陷构造略图
Fig.1 Kuqa Depression's tectonic schematic
1.山间盆地；2.背斜山岭；3.基岩山区；4.逆断裂
据背斜地貌形态及构造活动特征，以喀拉苏河、玉树滚艾肯和克孜纳河为界，可将喀桑托开背斜划分为4段：①喀拉苏河以西为背斜的西倾伏端；②喀拉苏河-玉树滚艾肯段，是喀桑托开背斜的主体部分；③玉树滚艾肯-克孜纳河段；④克孜纳河以东为喀桑托开背斜的东倾伏端。从喀桑托开背斜的几何形态来看，该背斜是一个近EW向的线状构造，核部出露的最老地层为中新统，次为上新统，背斜北翼缺失下更新统，南翼下更新统较发育，上更新统主要分布在背斜南翼的山前地带和横穿背斜的河流中低阶地上，在断层附近也发生了一定程度的变形(图3)。背斜轴在平面上呈略向南凸起的弧形，两翼不对称，南翼稍陡，断层发育在核部或南翼，属典型的断层-扩展褶皱。同时，据石油物探剖面显示[7]，喀桑托开背斜是由深部（古—中生代）背斜和浅部（新生代）背斜叠加而成。浅部（新生代地层）背斜南翼陡、北翼缓，这与背斜的地表表现形式一致，核部及南翼发育有北倾的逆断裂，属断展褶皱。深部背斜位于喀桑托开断裂的下盘，两翼较对称，南翼受断层控制。该处滑脱面的深度在10 km以下的古生代地层中。
喀桑托开逆断裂-背斜带还包括吐孜麻扎、克孜纳、依奇克里克、托格尔明等多个逆断裂-背斜。该背斜长短轴之比为3∶1~10∶1，组成地层差异较大。西部的吐孜麻扎背斜核部为中新统，往东地层逐渐变老，至托格尔明背斜，其核部地层为侏罗系，局部出露古生代地层。这些背斜大都南陡北缓，其南翼或核部发育了北倾的逆断裂，控制了背斜的发展演化。
图2 喀桑托开逆断裂-背斜地质略图
Fig.2 The Kasangtuokai thrusting fault-folding tectonic schematic
1.中新统;2.上新统;3.断层;4.背斜轴;5.地质剖面位置Q3-4——上更新统—全新统砂砾石层；Q3——上更新统砾石层；Q2——中更新统冲洪积物；Q1——下更新统砾岩；N2——上新统橙黄色泥质粉砂岩、砂岩；N1——中新统红色砂岩、砾岩、泥质粉砂岩和含石膏粘土
图3 喀桑托开逆断裂-背斜地质剖面（位置见图2）
Fig.3 The Kasangtuokai thrusting fault-folding tectonic section
1.冲洪积砾石层;2.砾岩;3.砂岩、泥岩;4.砂岩;5.砂岩、页岩互层；5.断层
2 喀桑托开逆断裂带几何展布特征及新活动性
喀桑托开逆断裂带位于喀桑托开背斜核部附近及南翼山前地带，由两条右阶斜列的次级断裂组成。西段（F1）发育在背斜核部，走向近EW向，北倾，长约32 km；东段位于背斜南翼，呈向南凸起的弧形，北倾，长约31 km（图2）。该断裂全新世以来仍在强烈活动，穿过背斜的河流和冲沟的低级阶地发生了明显构造变动。
核部逆断裂 该断裂位于喀桑托开背斜轴部附近及南侧400 m范围内，西起喀拉苏河以西，向东经切得根艾肯、帕曼艾肯，延至玉树滚艾肯附近，长约32 km,大体沿中新统与上新统界线展布。断裂在平面上呈舒缓波状展布，总体近EW向（83°~111°），北倾，倾角为20°~45°。该断裂晚更新世以来的活动性非常强烈，喀拉苏河东岸拔河高度近40 m的Ⅲ级基座阶地受断裂活动的影响发生明显的错动变形，形成高约15 m，走向近EW向的断层陡坎，阶地基座（上新统库车组砂岩）在断层上盘受牵引形成一个小背斜。
在喀拉苏河西岸，可见到该断层剖面。在棕红色泥岩、砂岩中，该断裂主断面倾向345°，倾角45°。上盘的棕红色泥岩、砂岩（N1）在断层附近直立，局部甚至倒转（图3）。断层错断了河流Ⅱ级阶地的冰水堆积物，我们利用差分GPS对断层上下两盘阶地砾石层的底界高差进行了精确测量，其值为15.6 m，该值基本上代表了阶地堆积以来的断层垂直断距。因时间关系，在阶地堆积物中未找到理想的测年样品，只能通过区域对比来估算该级阶地的年代值。类比北天山山前的冰水堆积物[7]，该处冰水堆积物应属第二期（上望峰冰期）冰水冲积物，其年龄距今为1.6~ 2.7万年[7]，由此可初步计算断裂F1晚更新世末期以来的垂直位移速率为0.58~0.98 mm/a。
背斜南翼逆断裂 背斜南翼断裂位于喀桑托开背斜的南翼，大体与背斜轴平行展布，平面上呈向南凸起的弧形。该断裂西起玉树滚艾肯西4 km处，向东延伸至克孜纳河以东，全长约31 km，与核部逆断裂呈右阶斜列。在克孜纳河水文站以北，库车组向南逆冲到西域砾岩之上，引起向南缓倾的西域组砾岩在断裂面100 m范围内岩层陡立。在玉树滚艾肯东岸，断裂倾向13°，倾角为31°。上新统库车组粉红色砂岩、泥岩向南逆冲到砾石层上（图4），该套砾石层上部的细砂层热释光年龄为（11.2±1.3）kaB.P，为晚更新世末期堆积。断层上盘的上新统陡倾，甚至近直立，下盘晚更新世砾石层发生牵引变形。该断层坎上明显存在一次坡折现象，表明断裂在晚更新世末期以来至少有过两次活动。同时，在玉树滚艾肯东，该断裂还使冲沟内的Ⅰ级基座阶地发生了明显的拱曲变动（图4）。冲沟内Ⅰ级阶地的基座顶界（上新统砂质泥岩）在断层上下盘存在明显的高差，岩层北倾，在断层附近直立，甚至倒转。断层上盘的全新世阶地砾石层薄而不均匀，局部出露基岩地层，下盘砾石层厚而稳定。断层上下盘的高差约0.5 m，应为断裂最新一次活动所形成，表明喀桑托开断裂在全新世曾有过明显活动。
图4 喀桑托开核部F1断层照片及地质剖面
Fig.4 F1 fault Photograph and tectonic section on Kasangtuokai core
①——灰黄色含砾粗砂与粉土互层；②——灰色冰水堆积卵砾石层；③——棕红色泥岩、砂岩
在背斜南翼玉树滚艾肯的两岸普遍发育有两级河流阶地：Ⅰ级阶地低平，断层上盘阶地面高出现代戈壁面约1.8 m，在断层下盘Ⅰ级阶地不发育，该级阶地由全新世晚期的砂砾石组成。Ⅱ级阶地为基座阶地，在河流两岸连续分布，表面被厚2~3 m的晚更新世砾石层覆盖，基座为库车组泥岩。野外调查发现，在玉树滚艾肯东，断错地貌十分显著，断裂构成上新统与下更新统西域砾岩的分界线。并在玉树滚艾肯出山口处，断裂断错了该河平坦的Ⅰ、Ⅱ级阶地和山前的冲洪积台地，形成明显的断层陡坎（图5）。Ⅰ、Ⅱ级阶地的上下原始面保存较完好，Ⅰ级阶地陡坎坡度一般为15°，Ⅰ级阶地陡坎高1.5~1.8 m；Ⅱ级阶地陡坎高8.5~10 m。陡坎剖面上存在多个坡折，反应出断裂多次活动的结果。据Ⅰ级阶地上陡坎最高为1.8 m，该级阶地的形成与全新世第二次气候湿暖时期有关，其年龄距今为4~6 ka[15-16]，断裂在全新世中期以来的垂直位移速率为0.3~0.45 mm/a（图6）。
据最新研究，喀桑托开逆断裂-背斜的地壳缩短主要集中在喀桑托开断裂上，晚更新世以来的地壳缩短速率约为0.8~1.1 mm/a[17]。沿喀桑托开断裂发现了清楚的古地震陡坎，据测量，最新一次事件所形成的陡坎高0.3~0.5 m，最近的2次事件所形成的陡坎高度为1.5~1.8 m，这两次事件均发生在全新世。晚更新世晚期(约30 ka)以来，多次古地震事件形成陡坎的累积高度为8~10m，古地震复发周期约为2000~4000a[18-19]。
3 结论与讨论
库车坳陷区北部的喀桑托开逆断裂-背斜是拜城盆地北缘近EW向展布的活动逆断裂-背斜带，它由库热格热木-巴什基齐克逆断裂-背斜带和吐孜麻扎-喀桑托开逆断裂-背斜带组成，呈北缓南陡的不对称紧闭线状褶皱。其中，喀桑托开逆断裂-背斜是库车坳陷区内第3排逆断裂-背斜带内规模最大、活动性最为强烈的构造之一。喀桑托开背斜变形方式和发展演化具阶段性变化特点，背斜缓慢隆起。上新世末期到早更新世初期开始褶皱变形，早更新世末期经历了一次强烈的构造运动，褶皱滑脱面向南扩展，使南部的古近系和新近系褶皱成岭，喀桑托开逆断裂-背斜带构造格局基本形成。石油地震剖面资料显示，喀桑托开逆断裂-背斜属典型的断层扩展褶皱，此类构造的地壳缩短主要是由控制背斜发展演化的断裂上盘的整体抬升所引起，褶皱隆起作用相对偏弱，变形量主要集中于断裂附近。
喀桑托开逆断裂由西向东呈斜列展布，西段主要位于喀桑托开背斜核部附近，东段主要发育在背斜南翼山前地带，沿断裂带发育了清楚的断裂露头和古地震陡坎。喀桑托开逆断裂自背斜形成以来到全新世不同时期，断裂都曾有过活动。此次研究认为，喀桑托开断裂在全新世以来活动强度有所降低，断面角度变缓，并表现为后展式叠瓦扇构造，断层上盘产生的次级小断层吸收了主断层的部分形变量，从而使发生在主断层的错动量有所减小。
通过对背斜南翼断裂古地震陡坎的测量，发现喀桑托开断裂的古地震具有明显的重复性特征。在背斜南翼的玉树滚艾肯一带，实测断层陡坎剖面上存在多个坡折，反应出断裂多次活动的结果。据最新的研究，喀桑托开逆断裂-背斜的变形量主要集中在喀桑托开断裂上，晚更新世以来的背斜带地壳缩短速率约为0.8~1.1 mm/a。沿喀桑托开断裂发现了清楚的古地震陡坎，据测量数据，最新一次事件所形成的陡坎高0.3~0.5 m，最近的2次事件所形成的陡坎高1.5~1.8 m，这两次事件均发生在全新世，全新世中期以来的垂直位移速率为0.3~0.45 mm/a。另外，据晚更新世晚期(约30 ka)以来多次古地震事件形成陡坎的累积高度为8~10 m，计算古地震的复发周期约为2 000~4 000 a。与库车坳陷区内的秋里塔格和东秋里塔格逆断裂-背斜带相比，喀桑托开逆断裂-背斜带现代中小地震活动较弱，一方面与该背斜带的运动强度低于秋里塔格和东秋里塔格外，另一方面也表明该背斜带已积累了较高的地震能量，中小地震不易发生，但发生大震的可能性相对较高。
图5 喀桑托开断层断错上更新统（左）和冲沟Ⅰ级阶地（右）剖面图
Fig.5 Section of Kasangtuokai fault in upper Pleistocene(left)and gully terrace level I(right)
1.阶地砾石层;2.上新统砂岩;3.砾石层;4.砂质泥岩;5.断层
图6 喀桑托开断裂古地震陡坎及实测地形剖面
Fig.6 Kasangtuokai fracture seismic relics scarp and measured terrain section
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Deformation Characteristics and Activity Rate Since Late Quaternary in Kasangtuokai Thrusting Fault-anticline Tectonic Belt,Kuqa Depression
Abstract：Through the inverse fracture cob santo open-anticline belt of field geological investigation,geometric distribution of tectonic belt and new achievements of fracturein the late quaternary have been obtained.Research suggests that the Kasangtuokai thrusting fault-anticline is in the north rim of baicheng basin,it consists of kuregeremu-bashjiqike thrusting fault-anticline belt and tuzimazha-kasangtuokai thrusting faults-anticline belt,was a closed linear fold.Kasangtuokai is a typical Fault extension fold,this kind of structure of the crust shortening is mainly controlled by the anticlinedevelopment evolution on the fracture of plate caused the overall uplift,fold uplift effect is relatively weak,the deformation is mainly focused on the fracture near the anticline belt since late pleistocene crustal shortening rate of about 0.8~1.1 mm/a.Through measuring the ancient earthquake rupture anticline scarp of the southwing of the anticline,obtained 0.3~ 0.5 m high of the fault scarp formed by earthquake for the last time,thus calculated rupture the vertical displacement rate since the middle holocene is 0.3~0.45 mm/a,shows that the kasangtuokai anticline zone have the tectonic conditions of earthquake in the future.
Key words：Kuqa depression;Kasangtuokai;Late quaternary activity;Activity rate
文章编号：1000-8845(2014)01-53-05
中图分类号：P534.63
文献标识码：A
收稿日期：2013-01-18;
修订日期：2013-06-07;作者E-mail:809924204@qq.com，lskuo@sina.com