〔作者简介〕 艾晟, 男, 1989年生, 硕士研究生, 研究方向为活动构造, 电话: 15892927700, E-mail:aisheng@pku.edu.cn。
武威盆地南缘断裂位于河西走廊东端, 是祁连山北缘逆断裂系的重要组成部分, 是1927年古浪8级地震的发震断裂之一。基于遥感影像解译、 野外地质观测和14C年代学数据等方法对武威盆地南缘断裂进行了详细的几何学调查和运动学定量。依据平面上几何展布的不连续性和走向的变化, 该断裂可以分为5段: 康宁桥段(F1)、 南营河段(F2)、 上古城村—张流沟段(F3)、 他家庄段(F4)和严家庄段(F5)。该断裂为晚更新世以来活动断裂, 地表活动形迹长约60km, 以逆冲为主, 局部兼具左旋走滑分量, 沿断层走向断错地貌发育。断裂全新世以来的垂直滑动速率(0.44±0.08)mm/a, 南营河段(F2)晚更新世以来左旋走滑速率(1.43±0.08)mm/a。
The fault along the southern margin of the Wuwei Basin, located in the eastern Hexi Corridor, NW China, plays an important role in the thrust fault system in the northern Qilian Mountains. The activities of this fault resulted in the generation of the Gulang earthquake( MS8.0) in 1927. Based on remote sensing image interpretation, geological and geomorphic observations in the field and14C geochronological dating results, we conducted a detailed research on the geometry and kinematics of the fault. According to the discontinuous geometric distribution and variable strike directions, we divide this fault into 5 segments: Kangningqiao Fault(F1), Nanyinghe Fault(F2), Shangguchengcun-Zhangliugou Fault(F3), Tajiazhuang Fault(F4)and Yanjiazhuang Fault(F5). Results indicate that this fault, with a total of 60km long trace at the surface, has been active since the late Pleistocene. It behaves predominantly as a thrust fault and is accompanied with a locally sinistral strike-slip component along the Nanyinghe Fault(F2). Intensive activities of this fault in Holocene have caused extensive occurrence of dislocated landforms along its strike. Some measured displacements of the dislocated geologic or geomorphic units, combined with the14C dating results, yield a vertical slip rate of (0.44±0.08)mm/a on this fault in Holocene, and a sinistral strike-slip rate of (1.43±0.08)mm/a on the Nanyinhhe Fault (F2) in late Pleistocene.
武威盆地位于河西走廊的东端, 南依祁连山, 北邻阿拉善块体, 是青藏高原东北缘生长和向外扩展的最前缘(Tapponnier et al., 2001)。 高原持续的变形和扩展, 在祁连山及河西走廊地区形成了大量的活动断裂, 这些断裂晚第四纪以来活动强烈, 地震活动频繁(袁道阳等, 1997; 李步云等, 1999; 何光玉等, 2004; 陈柏林等, 2007, 2009; 郑文俊, 2009); 其中1927年古浪8级地震就发生在该地区, 受灾区域长约600km, 宽约200km(顾功叙, 1983), 是继1920年海原8.5级地震之后发生在祁连山褶皱系内的又1次特大地震。部分学者认为武威盆地南缘断裂(皇城-双塔断裂)是这次地震的发震断裂之一(贾云鸿, 1982; 陈永明等, 1999; 侯康明等, 1999; 郑文俊等, 2004a)。以往学者对该断裂的研究表明: 1)断裂沿祁连山东段山前展布, 具有明显的逆冲性质(陈文彬, 2003); 2)断裂错断山前多期冲洪积扇和多级河流阶地, 形成陡坎(郑文涛等, 2000; 胡小飞等, 2013); 3)同震地表破裂带沿线发育地震陡坎、 鼓包、 裂缝、 滑坡等变形要素(国家地震局地质研究所等, 1993; 陈永明等, 1999; 郑文涛等, 2000; 陈文彬, 2003; 郑文俊, 2009; 胡小飞, 2010); 4)断裂展布于武威盆地南缘, 断裂全新世以来的活动速率为0.57mm/a(陈文彬, 2003)。
基于高分辨率遥感数据解译和野外翔实调查, 对武威盆地南缘断裂开展了大比例尺活断层填图, 本文是填图工作获得的断裂晚第四纪活动地表形迹和活动速率的具体论述。
受到印度板块向N挤压作用及阿拉善和鄂尔多斯2块体的阻挡, 青藏高原东北缘形成了向NE凸出的弧形断裂构造体系— — 祁连山北缘断裂系(图1a), 是现今构造活动和地震活动最为强烈的地区之一(Tapponnier et al., 1990; Burchfiel et al., 1991; Gaudermer et al., 1995; George et al., 2001)。发生在该地区的古浪地震在地表形成的破裂, 沿武威盆地南缘断裂东段(皇城-双塔断裂)以及天桥沟-黄羊川断裂分布(郑文俊等, 2004a)。前人所说的皇城-双塔断裂带东起水峡口以东, 经塔儿庄、 上寺、 皇城至鸡冠山以西, 全长约140km, 总体走向NWW(贾云鸿, 1982; 陈文彬, 2003), 晚更新世以来断裂西段表现为左旋走滑运动性质, 东段为逆倾滑性质(陈文彬, 2003)。天桥沟-黄羊川断裂东起黄羊川以东夹皮沟一带, 经关家台, 西至天桥沟最西端的红腰岘一带, 断续分布, 长约75km(郑文俊等, 2004a)。武威盆地南缘断裂沿祁连山前, 展布于武威盆地南缘, 是古浪逆冲推覆体前缘活动逆断裂(陈文彬, 2003), 与皇城-双塔断裂在水峡口反接复合, 同天桥沟-黄羊川断裂共同构成古浪大震发震构造(郑文俊等, 2004a)(图1b)。
关于武威盆地南缘断裂的晚第四纪活动地表形迹有着不同的认识。陈文彬(2003)将展布于武威盆地南缘, 西起东大河, 东至白石头沟的1段称为武威盆地南缘断裂; 侯康明等(1999)提出从武威至磨咀子、 他家庄、 水峡口到关家台的1段划分为武威盆地南缘断裂。结合前人的构造-地貌观测及本次对研究区的遥感解译以及野外填图, 我们认为武威盆地南缘断裂的晚第四纪活动地表形迹西起西营河附近的康宁桥, 向SE延伸, 经徐家湾、 磨咀子, 再经由上古城村、 张流沟、 水峡口至严家庄, 长度约60km(图2)。
武威盆地南缘断裂总体走向约320° , 断面倾向多为SW, 倾角40° ~90° , 沿走向断面倾角有一定的变化, 在第四纪松散沉积物中变化最为明显。根据断裂走向的变化和不连续, 武威盆地南缘断裂从西向东可分为康宁桥段(F1)、 南营河段(F2)、 上古城村— 张流沟段(F3)、 他家庄段(F4)、 严家庄段(F5)等5个几何段。断层F1、 F2、 F3和F4段之间存在明显的不连续性, 而F5段与F4段走向变化显著(图2), 各段的几何特征和断层发育情况总结如下。
该段晚第四纪地表活动形迹西自西营乡, 经徐家湾至格楼庄子, 延伸约25km, 走向 N40° W, 倾向SW, 倾角45° ~70° (图2)。断裂表现为逆冲性质。西营河以东6km处高家碑岭观测点(37° 57'50″N, 102° 24'52″E)可见寒武纪灰绿色砂岩逆冲在晚更新世— 全新世砾石层之上(图3a), 寒武纪砂岩变形强烈, 内部发育次级断裂, 断面产状185° ∠45° , 两侧发育断层角砾岩, 胶结较好。
经吴家西新庄、 赵家大庄至磨咀子, 延伸长度约9km, 走向 N40° W, 倾向SW, 倾角为50° ~85° 。该段断层表现为逆冲兼左旋走滑运动性质。在观测点磨咀子以西1km的断层点(37° 47'13″N, 102° 38'38″E)(图2), 断裂倾向SSW, 倾角60° ~85° , 断面发育擦痕, 擦痕倾伏向 N50° W, 倾伏角大约20° , 结合断面上的擦痕, 可以判断该观测点断层具有逆冲兼左旋走滑。断裂所破裂的基岩, 形成宽约3.0m破裂带, 断层核发育断层泥, 断层下盘为晚更新世冲洪积砾石沉积(图3b, c)。
该段断裂走向约 N30° W, 向东在张流沟附近走向逐渐转变为NNW向, 断裂延伸约10km。所观测的断层和地貌现象均表明该段为逆冲运动学性质(图2)。在该段的探槽(37° 39'54″N, 102° 40'44″E)剖面上(图4), 可见断层F1错动了③、 ⑤、 ⑥、 ⑦沉积层和土壤层⑨。断层两侧地层发生褶皱, 在褶皱转折端附近靠近断裂处, 可见地层厚度明显加厚, 并见砾石沿断层面定向排列。断层断错地表土壤层⑨, 说明其年代较新, 应为1927年古浪地震所致。断层F1造成两盘相对垂向位错达(2.2± 0.2)m, 可推测该段古浪地震最大垂向同震位移不小于(2.2± 0.2)m。 断层F2延伸至④层顶部。⑤层的14C测年结果为(5.5± 0.14)kaBP(郑文俊等, 2004b), 因此, 该探槽剖面揭示了至少2次全新世以来的古地震事件。
该段断层走向 N20° W, 倾向SW, 倾角60° ~90° , 断层沿奥陶纪砂砾岩与晚更新世— 全新世冲洪积砾石堆积层之间的界限展布, 延伸约5km(图2), 具有逆冲性质, 断层两侧形成明显的地貌高差, 基岩中的断裂面陡立。
武威盆地南缘断裂晚更新世以来活动强烈, 断裂沿线发育断层陡坎、 槽谷、 垭口、 断错阶地和冲沟偏折等断错地貌。本文基于遥感影像解译和野外核查, 对研究区内的断错地貌进行了总结, 并对各段的典型地貌单元进行了滑动速率确定, 综合前人研究资料总结于表1。在滑动速率的确定过程中, 本文利用差分GPS、 跨断层陡坎测量地貌面的变形, 获得断错的垂直位移, 同时对相应的地貌面进行14C采样, 确定其形成时间, 位移与地貌面年龄的比值作为断裂的垂直滑动速率; 对河流阶地, 我们利用同一级阶地废弃年代作为陡坎位移形成的起始年龄, 计算位移和年龄的比值作为断裂的水平滑动速率。
在康宁桥段(F1)徐家湾以南, 断层断错山前洪积扇(图6a, b), 形成断续延伸的陡坎。白石头沟处(图6c, d), 地貌上显示清晰的断层陡坎, 断错了除冲沟沟床以外的2级阶地, 局部地段仍保留着自由面。陡坎主要发育在全新世中段地层上, 在Ⅱ 级阶地上陡坎高度为(1.8± 0.2)~(3.5± 0.3)m(图6e)。在实测断层陡坎位置B(图6f), 其陡坎发生(3.5± 0.3)m的垂直位错, 在顶部连续黄土层底部采得14C贝壳样品, 经测试为(7.61± 0.05)kaBP(表1③), 作为Ⅱ 级阶地的形成时代, 计算得到该处8ka以来, 垂直滑动速率为(0.46± 0.04)mm/a。在该观测点以东约1.0km处, 实测断层陡坎位置E处(图6g), 测得Ⅱ 级阶地上陡坎高度为(3.2± 0.2)m, 于陡坎顶部的连续黄土层底部取得14C贝壳样品, 测得Ⅱ 级阶地的形成年龄为(6.40± 0.09)ka(表1⑤), 计算得到该处7ka以来的垂直滑动速率为(0.50± 0.03)mm/a。
赵家大庄以西, 由于断层活动, 形成宽约12.5m, 深约20.0m, 走向 N30° W的槽谷(37° 48'12″N, 102° 35'54″E)(图7a)。沿断层槽谷走向SE方向约0.5km可以观测到1个(2.5± 0.5)m高的陡坎(37° 48'23″N, 102° 35'45″E), 陡坎线性延伸约1.0km(图7b)。磨咀子以西, NE向冲沟在横跨断裂时发生同步左旋偏折(37° 47'36″N, 102° 37'46″E)(图7c, d), 冲沟发育T1、 T2 2级阶地, 测得左旋错距为(38.5± 2.3)m。在T2阶地砾石层顶部连续黄土层底部采得14C贝壳样品, 测得年龄为(26.82± 0.1)ka(表1⑦), 作为T2阶地废弃年龄, 得出此处断裂26ka以来, 左旋滑动速率应为(1.43± 0.08)mm/a。
上古城村以东沿断层走向4km处(37° 41'41″N, 102° 38'18″E), 断层断错T1阶地, 形成陡坎。断层两盘同一水平砾石层的垂直断距为(0.9± 0.1)m(图8a), 在发生错动的砾石层顶部连续黄土层底部采得14C贝壳样品, 测得年龄为(1.35± 0.04)ka(表1⑧), 获得断层该处2ka以来的垂直滑动速率为(0.67± 0.07)mm/a。该观测点SE方向1.5km处, 断层切穿山脊, 形成垭口地貌, SW盘明显高于NE盘, 冲沟两侧的T2阶地也被断层错断(图8b)。张流沟处, 在卫星影像和航片资料上可见明显的断层陡坎行迹(图8c, d), 断层错断全新世中段地层T2洪积阶地(图8e)。断层在山前形成弧形陡坎, 并错断山脊, 形成断层垭口(图8f)。在T2阶地上测得陡坎高度为(1.9± 0.2)~(2.9± 0.4)m(图8g)。陈文彬(2003)在此处断层陡坎顶部连续黄土层的底部采得TL样品, 测得年龄为5.0ka(表1
严家庄后缘, 断层切穿黄羊河现代河床砾石层, 地貌上表现为一系列线性延伸陡坎(图9a, b), 在跨断层探槽剖面上, 断层断错了除地表风化层以外的所有地层, 表现为明显的新活动。在黄羊河东岸Ⅳ 阶地上, 测量断层陡坎高度为(2.1± 0.2)~(7.0± 0.5)m(图9c), 郑文俊等(2004b)在此处陡坎砾石层之上连续黄土层底部采得TL样品(表1
根据不同段洪积扇面陡坎和阶地垂直断错位移的测量及地貌面年龄的测定, 将断裂的垂直滑动速率表示于图10中, 计算得到武威盆地南缘断裂8~2ka以来的平均垂直滑动速率为(0.44± 0.08)mm/a, 其中最大值为(0.67± 0.07)mm/a, 最小值为(0.26± 0.03)mm/a, 局部南营河段(F2)26ka以来的左旋走滑速率为(1.43± 0.08)mm/a。武威盆地南缘断裂的倾角为40° ~90° , 取平均角度值65° 。利用垂直滑动速率、 断层倾角和地壳缩短率的关系, 计算得到断层的水平缩短速率为(0.21± 0.03)mm/a, 地表倾角方向断层滑动速率为(0.48± 0.05)mm/a。 在祁连山北缘断裂带, 深部倾角比地表断裂倾角要小, 为上陡下缓的 “ 铲式” (Gaudemer et al., 1995), 因此利用断裂地表倾角计算的地壳缩短速率偏小。由于未知断裂深部的倾角大小, 我们以断裂地表倾角计算的水平速率作为地壳缩短速率的下限, 以地表倾角方向断层滑动速率为上限, 得到断裂附近的地壳水平缩短速率为0.21~0.48mm/a。
河西走廊东段的武威盆地南缘断裂、 海原断裂带与古浪断裂是青藏高原NE向扩展的重要构造转换区(陈文彬, 2003)。海原断裂带是青藏高原东北缘的边界断裂, 断裂带具有明显的左旋走滑速率: 冷龙岭— 毛毛山一带为4~5mm/a(何文贵等, 1994)、 老虎山— 毛毛山一带为(12± 4)mm/a(Lasserre et al., 2002)。古浪断裂是近EW走向, 滑动速率为4.3mm/a的左旋走滑断裂(陈文彬, 2003)。武威盆地南缘断裂作为古浪推覆体的前缘断裂, 在深部归并于海原断裂带(图11)(Gaudemer et al., 1995; 陈文彬, 2003)。武威盆地南缘断裂吸收和转换海原断裂带的水平走滑速率, 表现逆冲兼走滑运动, 8~2ka以来的平均垂直滑动速率为(0.44± 0.08)mm/a, 断裂在南营河段(F2)以走滑活动为主, 26ka以来的左旋走滑速率为(1.43± 0.08)mm/a, 向两端逐渐转化为逆冲兼走滑、 垂直运动, 在断层平面结构上既有逆冲断裂延展波状起伏的特征, 又有走滑活动断裂斜列分布的特征。
综上所述, 获得以下结论: 武威盆地南缘断裂是1条全新世以来以逆冲为主, 局部兼具左旋走滑分量的活动断裂, 表现为SW盘向NE盘逆冲, 在空间几何展布上, 具有明显的分段性。武威盆地南缘断裂8~2ka以来的平均垂直滑动速率为(0.44± 0.08)mm/a, 其中最大值为(0.67± 0.07)mm/a, 最小值为(0.26± 0.03)mm/a, 局部的南营河段(F2)26ka以来的左旋走滑速率为(1.43± 0.08)mm/a。作为河西走廊东段青藏高原向NE推挤的构造转换区组成部分, 武威盆地南缘断裂是青藏高原与阿拉善板块边缘接触带内调节内部构造应力平衡和地壳缩短的重要构造。
致谢 感谢中国地震局地质研究所郑文俊研究员的野外指导及对本文提出的宝贵意见、 审稿人对论文修改和完善提出的宝贵意见。
The authors have declared that no competing interests exist.
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