引用本文
董金元, 李传友, 郑文俊, 李涛, 李新男, 张培震, 任光雪, 董绍鹏, 刘金瑞. 宗务隆山南缘断裂构造地貌特征与晚第四纪滑动速率[J]. 地震地质, 2019,41(2): 341-362.
DONG Jin-yuan, LI Chuan-you, ZHENG Wen-jun, LI Tao, LI Xin-nan, ZHANG Pei-zhen, REN Guang-xue, DONG Shao-peng, LIU Jin-rui. GEOMORPHIC FEATURES AND LATE QUATERNARY SLIP RATE OF THE SOUTHERN ZONGWULONG SHAN FAULT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(2): 341-362.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.02.006
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宗务隆山南缘断裂构造地貌特征与晚第四纪滑动速率
董金元1, 李传友1,*, 郑文俊3, 李涛3, 李新男1, 张培震2,3, 任光雪1, 董绍鹏1, 刘金瑞1
1)中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
2)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
3)中山大学地球科学与工程学院, 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室, 广州 510275
*通讯作者: 李传友, 研究员, E-mail: chuanyou@ies.ac.cn。

〔作者简介〕 董金元, 男, 1988年生, 中国地震局地质研究所构造地质学在读博士研究生, 研究方向为活动构造, E-mail: dongjinyuan@163.com。

收稿日期: 2018-12-05
基金项目: 国家自然科学基金(41590861, 41472200, 41372200, 41661134011)共同资助
摘要

宗务隆山南缘断裂位于柴达木盆地东北缘, 是祁连山南缘与柴达木盆地的边界逆断裂, 对其晚第四纪活动性进行研究对于理解祁连山地区应变分配模式以及该地区断裂向柴达木盆地内部的挤压扩展过程具有重要意义。文中通过遥感影像解译和野外地质调查, 结合GPS地形剖面测量以及宇宙成因核素与光释光定年, 对宗务隆山南缘断裂拜京图和蓄集乡等段落开展了详细的研究。综合分析拜京图和蓄集乡地区不同期次洪积扇的垂直位错以及相应地貌面的年龄, 得到宗务隆山南缘断裂晚第四纪以来的平均垂直滑动速率为(0.41±0.05)mm/a, 水平缩短速率为0.47~0.80mm/a, 约占祁连山地区地壳缩短速率的10%。这些结果有助于进一步理解祁连山地区的应变分配模式以及柴达木盆地北缘地区的构造变形机制。

关键词: 宗务隆山南缘断裂; 柴达木盆地北缘; 祁连山; 滑动速率
中图分类号:P931.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)02-0341-22
GEOMORPHIC FEATURES AND LATE QUATERNARY SLIP RATE OF THE SOUTHERN ZONGWULONG SHAN FAULT
DONG Jin-yuan1, LI Chuan-you1, ZHENG Wen-jun3, LI Tao3, LI Xin-nan1, ZHANG Pei-zhen2,3, REN Guang-xue1, DONG Shao-peng1, LIU Jin-rui1
1)Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration,Beijing 100029, China
3) Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Science and Engineering,Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China
Abstract

With the continuous collision of the India and Eurasia plate in Cenozoic, the Qilian Shan began to uplift strongly from 12Ma to 10Ma. Nowadays, Qilian Shan is still uplifting and expanding. In the northern part of Qilian Shan, tectonic activity extends to Hexi Corridor Basin, and has affected Alashan area. In the southern part of Qilian Shan, tectonic activity extends to Qaidam Basin, forming a series of thrust faults in the northern margin of Qaidam Basin and a series of fold deformations in the basin. The southern Zongwulong Shan Fault is located in the northeastern margin of Qaidam Basin, it is the boundary thrust fault between the southern margin of Qilian Shan and Qaidam Basin. GPS studies show that the total crustal shortening rate across the Qilian Shan is 5~8mm/a, which absorbs 20% of the convergence rate of the Indian-Eurasian plate. Concerning how the strain is distributed on individual fault in the Qilian Shan, previous studies mainly focused on the northern margin of the Qilian Shan and the Hexi Corridor Basin, while the study on the southern margin of the Qilian Shan was relatively weak. Therefore, the study of late Quaternary activity of southern Zongwulong Shan Fault in southern margin of Qilian Shan is of great significance to understand the strain distribution pattern in Qilian Shan and the propagation of the fault to the interior of Qaidam Basin. At the same time, because of the strong tectonic activity, the northern margin of Qaidam Basin is also a seismic-prone area. Determining the fault slip rate is also helpful to better understand the movement behaviors of faults and seismic risk assessment.

Through remote sensing image interpretation and field geological survey, combined with GPS topographic profiling, cosmogenic nuclides and optically stimulated luminescence dating, we carried out a detailed study at Baijingtu site and Xujixiang site on the southern Zongwulong Shan Fault. The results show that the southern Zongwulong Shan Fault is a Holocene reverse fault, which faulted a series of piedmont alluvial fans and formed a series of fault scarps.The 43ka, 20ka and 11ka ages of the alluvial fan surfaces in this area can be well compared with the ages of terraces and alluvial fan surfaces in the northeastern margin of Tibetan Plateau, and its formation is mainly controlled by climatic factors. Based on the vertical dislocations of the alluvial fans in different periods in Baijingtu and Xujixiang areas, the average vertical slip rate of the southern Zongwulong Shan Fault since late Quaternary is(0.41±0.05)mm/a, and the average horizontal shortening rate is 0.47~0.80mm/a, accounting for about 10% of the crustal shortening in Qilian Shan. These results are helpful to further understand the strain distribution model in Qilian Shan and the tectonic deformation mechanism in the northern margin of Qaidam Basin. The deformation mechanism of the northern Qaidam Basin fault zone, which is composed of the southern Zongwulong Shan Fault, is rather complicated, and it is not a simple piggy-back thrusting style. These faults jointly control the tectonic activity characteristics of the northern Qaidam Basin.

Keyword: southern Zongwulong Shan Fault; northern Qaidam Basin; Qilian Shan; slip rate
0 引言

祁连山是青藏高原东北缘最大的陆内造山带, 长约800km, 宽约270km, 沿NW-SE向延伸, 由一系列近平行的山脉及其所围限的山间盆地所组成, 分隔了南部的柴达木盆地和北部的河西走廊及阿拉善地块。随着新生代印度-欧亚板块的持续碰撞, 祁连山不断隆升与扩展(Tapponnier et al., 2001), 现今平均海拔超过4i000m, 最高峰达5i500m。祁连山在12~10MaiBP起开始发生强烈的隆升(Zheng et al., 2010; Wang et al., 2017), 并且其扩展模式是从中部向北部渐进式地扩展(Zheng et al., 2017)。现今, 祁连山仍在不断地隆升与扩展, 在祁连山北部, 构造活动向河西走廊盆地扩展, 并已影响到阿拉善地区(Darby et al., 2005; Yu et al., 2016), 在祁连山南部, 构造活动向柴达木盆地扩展, 形成了柴北缘的一系列逆冲断裂以及盆地内的一系列褶皱变形。

GPS研究表明, 横跨祁连山地区总的地壳缩短速率为5~8mm/a, 吸收了印度-欧亚板块会聚速率的20%(Zhang et al., 2004; Zheng et al., 2013c)。针对祁连山地区总应变是如何在单条断裂上分配的问题, 前人的研究主要集中于祁连山北缘及河西走廊盆地内(闵伟等, 2002; Hetzel et al., 2004; Palumbo et al., 2009; Champagnac et al., 2010; Hetzel, 2013; Zheng et al., 2013a, b, c; Yang et al., 2018), 而对祁连山南缘断裂滑动速率的研究相对薄弱。

在祁连山南缘、 柴达木盆地北缘, 发育了一系列逆冲断裂, 统称为柴达木盆地北缘逆冲断裂带(图1), 其中, 宗务隆山南缘断裂位于柴达木盆地的东北缘, 是祁连山南缘与柴达木盆地的边界断裂。获得该断裂的地质滑动速率不仅对于研究祁连山向柴达木盆地内部的扩展过程具有重要意义, 同时也对进一步明确整个祁连山地区的应变分配模式具有重要意义。另外, 确定断裂滑动速率也有助于更好地认识断裂的活动习性和地震危险性。由于构造活动强烈, 柴达木盆地北缘地区也是地震频发区, 2003年发生了德令哈6.7级地震(孙长虹等, 2012), 2008和2009年在大柴旦地区发生了2次6.3级地震(李智敏等, 2010; Elliott et al., 2011; 温少妍等, 2016)(图1c)。大柴旦地震的发震构造为大柴旦-宗务隆山断裂, 震源机制以逆冲性质为主, 兼具少量左旋走滑分量(李智敏等, 2010; 温少妍等, 2016)。前人对宗务隆山南缘断裂滑动速率的研究结果存在很大差异。刘小龙等(2004)基于热释光年代学方法对宗务隆山南缘断裂滑动速率进行了限定, 获得的滑动速率为(0.41± 0.27)mm/a。 Shao等(2018)对宗务隆山南缘断裂进行古地震研究时, 获得该断裂垂直滑动速率为(0.48± 0.08)mm/a。 德令哈市活断层探测项目对该断裂的滑动速率进行了研究, 获得的垂直滑动速率为2.16mm/a(杨丽萍等, 2017), 明显大于前两者。那么导致这种差异的原因是什么?分析认为, Shao(2018)只通过单期地貌面和探槽中的年龄获得了滑动速率; 杨丽萍等(2017)通过单期地貌面6ka的年龄和约12m的断层陡坎获得了滑动速率, 但其使用的地貌面年龄可能偏小, 而且其未给出计算滑动速率的研究点位置, 因此不能和其它结果进行很好的对比; 刘小龙等(2004)所使用的热释光测年方法与光释光和宇宙成因核素定年方法相比精度较低。

图 1 青藏高原东北缘及柴达木盆地北缘区域构造图
a 指示青藏高原东北缘在青藏高原的位置; b 青藏高原东北缘区域构造; c 柴达木盆地北缘区域的构造和地貌Fig. 1 Regional structural map of the NE Tibetan Plateau and the northern Qaidam Basin.

基于上述问题, 本研究通过高精度GPS地形剖面测量, 宇宙成因核素和光释光联合定年, 确定宗务隆山南缘断裂垂直位错量和相关地貌面年代, 以获得该断裂晚更新世以来的垂直滑动速率和水平缩短速率, 进而讨论柴达木盆地北缘断裂带的变形模式, 及其在整个祁连山地区构造应变分配中的作用。

1 区域地质背景

祁连山造山带经历了漫长的地质演化史, 中生代祁连山地区经历了大尺度的伸展作用, 沉积了很厚的侏罗-白垩系陆相地层。新生代以来, 由于印度-欧亚板块会聚的远程作用, 祁连山开始重新剥露和隆升, 并向柴达木盆地和河西走廊盆地逆冲扩展。祁连山地区的逆冲断裂通常沿盆山边界发育, 并且平行于主要山脉。古生代的构造边界和现今的构造及地貌纹理相平行(Song et al., 2013)。祁连山及邻区发育有近EW— NEE向的大型左旋走滑断裂带(阿尔金断裂和祁连-海原断裂), NWW向的逆冲断裂带(祁连山内部及边缘断裂)和NNW向的右旋走滑断裂带(鄂拉山断裂、 日月山断裂)(Yuan et al., 2011)这3组不同方向和不同运动性质的活动断裂。这些断裂共同控制着青藏高原东北缘的构造格局和强震的发生(郑文俊等, 2016)。

柴达木盆地北缘地区是祁连山和柴达木盆地的过渡地带, 柴北缘断裂带分隔了柴达木盆地和祁连山地块, 是青藏高原东北缘一条重要的地质边界。柴北缘断裂带在西端从阿尔金断裂处向E延伸, 在东端被鄂拉山断裂所截, 包括赛什腾山断裂、 绿梁山断裂、 大柴旦断裂、 锡铁山断裂、 阿木尼克山断裂、 欧龙布鲁克断裂、 宗务隆山南缘断裂等一系列断裂(图1)。Yin等(2008)对柴达木盆地北缘地区的新生代构造演化开展了详细的研究, 认为柴北缘断裂带受到阿尔金断裂的驱动, 经历了自西向东的扩展过程, 新生代的地壳缩短向E逐渐变小。叶建青等(1996)对柴北缘的活动构造进行了初步野外调查与定性描述, 但未给出定量的运动学约束。庞炜等(2015)对大柴旦断裂的运动性质、 断错地貌进行了研究, 但未给出具体的滑动速率。

宗务隆山南缘断裂位于柴达木盆地北缘断裂系的东端, 断裂北侧是宗务隆山, 主要由上石炭统和震旦系达肯达坂群构成, 南侧为宗务隆山与布赫特山所围限的山间盆地。前人研究认为宗务隆山南缘断裂为逆冲性质, 刘小龙等(2004)通过古地震探槽研究得到3次古地震事件, 认为该断裂的古地震活动具有不均匀性。Shao等(2018)通过古地震探槽研究得到4次古地震事件, 地震复发间隔为(2i300± 500)a, 由此认为它是一条全新世活动断裂。

2 研究方法
2.1 断层陡坎高度的测量

断层陡坎高度的测量是研究断层垂直滑动速率的必要步骤。宗务隆山南缘断裂为逆冲断裂, 不同期次地貌面上断层陡坎发育, 并且陡坎高度随地貌面年龄的增加而增大。随着技术的进步, 陡坎测量方法呈现出多样化, 如差分GPS测量、 无人机SfM(Structure from Motion)摄影测量和LiDAR等。本次研究使用了差分GPS进行断层陡坎地形剖面测量, 使用的仪器是Trimble公司生产的R8差分GPS, 动态测量水平精度为± 10mm+1ppm RMS, 垂直精度为± 20mm+1ppm RMS, 精度较高。在洪积扇期次划分的基础上, 对每一期洪积台地布设数量适当的测线。测线尽量与断层陡坎迹线相垂直。

表1 OSL样品测年数据 Table1 Results of OSL dating
2.2 地貌面定年

本研究采用光释光(OSL)和宇宙成因核素(10Be)定年相结合的方法进行定年。在柴达木盆地北缘等干旱地区, 植被发育较少, 沉积物中有机物含量很少, 故14C测年并不适用。光释光测年的样品是石英或长石, 在绝大多数沉积物中含量丰富, 所以该方法可广泛应用, 并可直接对沉积物进行测年。样品采集于有沉积水平层理的粉砂、 细砂以及黄土中。本工作中光释光测年使用粗颗粒石英SA-SGC方法和SMAR细颗粒石英方法, 测年实验在中国地震局地质研究所完成。

另外, 宇宙成因核素测年技术的发展为第四纪定年提供了新的手段, 其得到的暴露年龄是地貌面的废弃年龄。该方法可以运用于冰碛物、 洪积扇、 河流阶地、 滑坡等多种地貌(Cerling et al., 1994)。在不同期次的洪积扇面上选择最平坦且未经侵蚀的原始面采集宇宙成因核素样品。每组样品采集约100颗粒径为2~3cm的石英颗粒。沉积前的母岩风化侵蚀和运输过程中将产生继承性浓度, 其对定年工作是不可忽视的影响因素(Schmidt et al., 2011)。因此, 在采样时于大型冲沟的河床上采集了河道样品, 以评估继承性核素浓度并将其剔除。宇宙成因核素样品的预处理在中国地震局地壳应力研究所进行, 加速器质谱 AMS 测试在法国国家科学研究中心完成。利用Balco等(2008)提供的计算工具进行在线计算① , 获得了样品的暴露年龄。

3 构造地貌特征
3.1 断裂的空间展布

宗务隆山南缘断裂是祁连山与柴达木盆地的边界逆断裂, 全长约95km, 总体走向为EW向。其最东端被鄂拉山断裂所截, 向W经蓄集乡北侧、 巴音郭勒河口。在巴音郭勒河口西边, 断裂沿着巴音郭勒河北侧的山前洪积扇延伸, 经红山煤矿、 拜京图, 一直延伸到德令哈市西北侧的白水河附近(图2)。

图 2 宗务隆山南缘断裂展布Fig. 2 Distribution map of the southern Zongwulong Shan Fault.

巴音郭勒河自宗务隆山从蓄集峡口自北向南流出, 然后发生拐弯, 沿着宗务隆山南缘向W流淌, 切割山前洪积扇, 经德令哈市, 最终汇入柯鲁柯湖。巴音郭勒河口河流阶地发育, 但是在野外并未发现阶地被断裂错断的迹象。而在巴音郭勒河口东侧以及西侧河流北岸发育不同期次的洪积扇, 并被宗务隆山南缘断裂错断, 这为我们研究断裂的滑动速率提供了很好的对象。以巴音郭勒河口为界, 根据断错地貌的发育情况, 在东段和西段分别选取断层陡坎连续性好、 不同期次地貌面发育的拜京图和蓄集乡地区开展研究。

表2 宇宙成因核素测年数据 Table2 Results of 10Be dating
3.2 拜京图研究区

宗务隆山南缘断裂错断了山前不同期次的洪积扇。 通过野外实地调查, 综合对比不同期次洪积扇的特征, 根据地貌面的颜色、 粗糙度、 冲沟切割深度等特征(Bi et al., 2018), 在宗务隆山南缘山前划分出5期(Fan0— Fan4)洪积扇。Fan0和Fan1洪积扇是该区最新的堆积物质, Fan0是河道及河道摆动所形成的最新的洪积扇。Fan1在遥感影像上呈现的颜色较深, 是冲沟在断层陡坎处下切, 发育在断层下盘的较新的洪积扇, 主要分布于蓄集乡北侧一带。Fan2是该区规模最大的一期地貌面, 冲沟发育较多, 但冲沟切割深度比Fan3浅, 其上断层陡坎发育, 陡坎高度多为3~6m, 在断层不同段落可进一步划分出Fan2a和Fan2b。Fan3上发育的冲沟密度比Fan2小, 但其上冲沟切割较深、 规模较大, 由于经历的构造过程更久, 断层上盘被抬升得更高, 断层陡坎高度一般可达10~20m。Fan4是最老一期地貌面, 以残丘、 小山为特征, 分布于该区域的局部地区。

在拜京图段, 结合Google Earth遥感影像和野外实地调查, 划分出Fan2a、 Fan3、 Fan4共3期洪积扇(图3), 每一期洪积扇都被断层错断, 且地貌面越老, 断层陡坎越高。Fan2a为该处最新一期洪积扇, 用差分GPS对2条地形剖面(P1、 P2)进行了测量, 得到的陡坎高度为(6.6± 0.6)m和(4.4± 0.4)m, 均值为(5.5± 0.4)m。Fan3为该处最主要的一期洪积扇, 用差分GPS对3条地形剖面(P3— P5)进行了测量, 陡坎高度分别为(17.9± 1.8)m、 (18.8± 0.5)m以及(19.3± 0.7)m, 均值为(18.7± 0.6)m(图5)。该处发育了几条大型的冲沟, 在冲沟中可以观测到洪积扇的盖层厚度为3.5~8m, 成份为冲洪积相的粗粒砂砾石堆积物, 基座为新近系的红色砂泥岩, 产状为8° ∠30° , 洪积扇底部角度不整合于新近系地层之上。冲沟以下切作用为主, 侧蚀作用弱, 深度在断层陡坎处达到最大, 最深可达20多m, 在局部发育有1级冲沟阶地。Fan4为最老的一期洪积扇, 由于形成年代久远, 侵蚀严重, 以隆起的小山、 残丘为特征, 可见新近系红色砂泥岩基座(图4)。

图 3 拜京图遥感影像(a)及地貌分期解译(b)Fig. 3 Satellite image(a)and geomorphic interpretation(b)of Baijingtu area.

图 4 拜京图地区断错地貌特征
a 洪积扇分布及断层陡坎; b Fan3断错地貌特征及大型冲沟; c Fan2a断错地貌特征; d 洪积扇结构; e 断层剖面Fig. 4 Characteristics of faulted landform in Baijingtu area.

图 5 拜京图断层陡坎实测剖面Fig. 5 Topographic profiles of fault scarp in Baijingtu area.

在该区域使用宇宙成因核素方法进行测年, 尽量选取断层上盘洪积扇上平坦且未经侵蚀的原始面进行取样, 每组样品采集约100颗粒径为2~3cm的石英砾石, 同时, 在河道里采集了编号为17DLHBe-10的样品, 用以剔除继承性核素浓度。在Fan3的不同位置采集了3个宇宙成因核素样品D17Be-1、 D17Be-2和D17Be-3, 剔除继承性浓度后得到的年龄分别为(30.63± 3.01)ka、 (43.18± 4.22)ka和(43.29± 4.24)ka(图6)。在Fan2a上采集了宇宙成因核素样品D17Be-5, 其年龄为(11.03± 1.22)ka。

图 6 拜京图宇宙成因核素采样点照片Fig. 6 Sampling photos in Baijingtu area.

在该点东侧2km处, 1条季节性河流自北向南从宗务隆山流出, 在该处形成了1个规模较大的洪积扇。洪积扇上断错地貌发育, 并在局部发育了2道陡坎, 坎高分别约2m和2.7m(图7)。在河岸东侧(37.387° N, 97.509° E)发现天然断层露头, 断层产状为35° ∠41° , 可见细粒的黄土标志层被断层错开, 断距为0.8m(图7c)。砾石沿断层面定向排列, 断层接近错断到地表, 相应的地表断层陡坎高度< 1m, 可能为最新一次地震事件的地表破裂。

图 7 拜京图东侧天然断层露头及2道陡坎
a 断层展布及断层剖面位置; b 2道陡坎, 高度分别为2m和2.7m; c 天然断层剖面特征及解译, 断层产状为35° ∠41° Fig. 7 Fault outcrop and two scarps on the eastern side of Baijingtu.

3.3 蓄集乡研究区

蓄集乡北侧的宗务隆山山前洪积扇上断错地貌发育, 在遥感影像上线性特征明显, 断层错断不同期次的洪积扇。洪积扇上冲沟或季节性河流发育, 冲沟同样以下切作用为主, 侧蚀作用弱, 河流阶地发育较为局限。

在该段选取蓄集乡西北侧的断层陡坎为研究对象, 结合Google Earth遥感影像及野外实地调查, 对该研究区进行了详细的断错地貌解译。在该处共划分出5期洪积扇(Fan1、 Fan2a、 Fan2b、 Fan3和Fan4)(图8), 由于冲沟和季节性河流的切割, 导致越老的洪积扇越粗糙。Fan4为最老的一期洪积扇, 由于剥蚀作用, 只剩一些残丘分布于Fan3之上(图9a)。Fan3洪积扇上冲沟发育, 用差分GPS测量了2条地形剖面, 得到断层陡坎(P1、 P2)的高度为(9.8± 0.8)m和(10.3± 0.7)m, 均值为(10.1± 0.5)m(图10)。在断层陡坎处, 由于下切作用强烈, 冲沟深度陡然增大, 最深可达十几m。Fan2b上侵蚀作用也比较强烈, 冲沟发育, 在2条地形剖面(P3、 P4)所获得的断层陡坎高度为(4.4± 0.1)m和(4.9± 0.1)m, 均值为(4.7± 0.1)m(图10)。Fan2a发育的冲沟较Fan2b少, 侵蚀切割稍弱, 在Fan2a上的2条地形剖面(P5、 P6)所获得的断层陡坎高度为(1.8± 0.3)m和(2.9± 0.1)m, 均值为(2.4± 0.2)m(图10)。Fan1为该区最新的一期洪积扇, 在遥感影像上呈现的颜色较深, 地貌面没有发生错断, 分布较广, 主要分布于断层下盘。早期洪积扇因断层的构造掀斜导致洪积扇的坡度超过了稳定临界值, 在扇头出现下切, 发育冲沟, 从而形成了新一期洪积扇Fan1。

图 8 蓄集乡遥感影像(a)及地貌面分期解译(b)Fig. 8 Satellite image(a)and geomorphic interpretation(b)of Xujixiang area.

图 9 蓄集乡断错地貌及探槽
a Fan3断层陡坎; b Fan2b断层陡坎及探槽位置; c 探槽特征Fig. 9 Faulted landform and trench in Xujixiang area.

在Fan2b的断层陡坎上, Shao等(2018)开挖了2个古地震探槽, 探槽揭示的主断层产状为60° ∠27° 、 沿着断层面可见地层发生牵引挠曲, 在顶部(图9c), 砾石层逆冲于黄土之上, 但未突破地表, 表明该断裂是1条全新世活动断裂, 断距约0.9m。根据此探槽得到4次古地震事件, 地震复发间隔为(2i300± 500)a, 最新一次地震事件发生在272BC— 572AD之间(Shao et al., 2018)。

图 10 蓄集乡实测断层陡坎GPS剖面(剖面位置见图8)Fig. 10 Topographic profiles of fault scarp in Xujixiang area.

为限定洪积扇的废弃年代, 即台地顶面脱离沉积的年代, 我们尽量选取含粉— 细砂细颗粒物质较多、 岩性均匀、 层理发育的沉积夹层作为采样层位。受条件所限, 只在Fan2b采集到了4个光释光样品, 样品17DLH-06采集于洪积扇冲沟壁上的粉细砂夹层, 距顶面3.2m, 年龄结果为(19.4± 2.9)ka(图11b); 样品17DLH-03采集于洪积扇冲沟壁上的粉细砂夹层, 距顶面2.8m, 年龄结果为(21.6± 2.9)ka(图11a); 样品17DLH-04采集于探槽中的粉砂夹层中, 埋深2.8m, 年龄为(14.2± 1.1)ka; 样品17DLH-07采集于洪积扇顶部的黄土沉积层底部, 埋深0.7m, 年龄为(8.3± 0.8)ka。此外, 蓄集乡与拜京图黄土沉积特征明显不同的是, 拜京图的黄土沉积只有表面很薄的一层, 厚约0.1m, 而蓄集乡可达1.5m, 这可能与地理位置有关。柴达木盆地是黄土的物源区, 黄土沿宗务隆山与布赫特山所围限的山间盆地向E搬运, 在盆地东侧, 由于山脉的阻挡, 黄土开始沉积, 所以越接近东侧山脉, 黄土沉积越厚。

图 11 蓄集乡Fan2b采样照片Fig. 11 Sampling photos in Xujixiang area.

4 讨论
4.1 断裂的滑动速率

断裂的滑动速率是活动断裂定量研究的重要参数, 可用于评价断裂的地震危险性, 同时还是地球动力学研究的重要基础资料(张培震等, 2008)。在拜京图研究区的Fan2a上采集的宇宙成因核素样品D17Be-5的年龄为(11.03± 1.22)ka, 将其作为该期洪积扇的年龄, 结合Fan2a之上的断层陡坎高度为(5.5± 0.4)m, 可得到该处自11kaiBP以来的垂直滑动速率为(0.51± 0.09)mm/a。在Fan3上采集的3个宇宙成因核素样品D17Be-1、 D17Be-2和D17Be-3的年龄分别为(30.63± 3.01)ka、 (43.18± 4.22)ka和(43.29± 4.24)ka。由于在Fan3不同点采集的宇宙成因核素样品D17Be-2与D17Be-3的年龄具有很好的一致性, 综合考虑以上年龄结果, 我们认为43ka能很好地代表Fan3的形成年龄。结合Fan3上断层陡坎高度为(18.7± 0.6)m, 得到该处自43kaiBP以来断层的垂直滑动速率为(0.43± 0.04)mm/a。该处断层剖面的倾角约30° , 由此得到该处的水平缩短速率为(0.74± 0.07)~(0.88± 0.16)mm/a。

蓄集乡西北侧地区, Fan1为最新一期洪积扇, 发育于断层下盘, 其未被断层错断, 在其上未采集年龄样品。在Fan2b采集了光释光样品, 其中17DLH-03、 17DLH-06采集于冲沟壁上的粉砂透镜体, 年龄分别为(21.6± 2.9)ka、 (19.4± 2.9)ka。 17DLH-04采集于前人所挖的探槽中, 年龄为(14.2± 1.1)ka。 17DLH-07采集于洪积扇顶面覆盖的黄土底部, 年龄为(8.3± 0.8)ka。 Shao等(2018)在探槽中采集的黄土年龄最老为9ka, 表明该区黄土沉积不早于9kaiBP。由于洪积扇废弃与黄土沉积之间可能存在沉积间断, 黄土底部的年龄并不能代表Fan2b的地貌面年龄。探槽中断层下盘的地层存在坎前堆积和构造扰动等作用, 因此在探槽中断层下盘粉砂层处获得的14.2ka的年龄结果可能也不能很好地限定地貌面年龄。我们认为样品17DLH-03、 17DLH-06的约20ka的年龄结果更能代表洪积扇的废弃年龄。对探槽顶部黄土层之下的古土壤层(Shao et al., 2018)进行测量, 得到的垂直位移量为(6.2± 0.5)m, 考虑到陡坎下盘可能存在坎前堆积作用, 在探槽中获得的垂直位移量可能更能代表真实情况。因此, 在计算该点的垂直滑动速率时使用在探槽中获得的垂直位移, 得到Fan2b洪积扇废弃以来的断层垂直滑动速率为(0.31± 0.05)mm/a。 结合探槽中主断裂的倾角为27° , 计算得到断裂的水平缩短速率为(0.61± 0.10)mm/a。

综合拜京图和蓄集乡不同期次的洪积扇获得的断层垂直滑动速率, 得到宗务隆山南缘断裂的垂直滑动速率为0.30~0.51mm/a, 平均垂直滑动速率为(0.41± 0.05)mm/a(图12)。结合本次工作在野外3个断层剖面点实测的断层倾角为27° ~41° , 计算得到宗务隆山南缘断裂水平缩短速率为0.47~0.80mm/a。

图 12 宗务隆山南缘断裂滑动速率Fig. 12 Slip rates of the southern Zongwulong Shan Fault.

4.2 气候与构造在地貌演化中的作用

在中亚构造活动活跃的地区, 不同期次的洪积扇和河流阶地的形成主要受控于气候变化(Porter et al., 1992; Molnar et al., 1994; Hetzel, 2013)。祁连山地区、 阿尔金地区、 东昆仑地区末次冰期后的阶地形成集中于16~12kaiBP、 10~9kaiBP、 约6kaiBP和4kaiBP, 而更老一期阶地的形成时期是30~40kaiBP(Hetzel, 2013)。本次工作在宗务隆山南缘断裂拜京图地区获得Fan2a洪积扇的废弃年龄为11ka, Fan3洪积扇的年龄为43ka, 在蓄集乡西北地区获得的Fan2b的年龄为20ka。这些年龄可以与青藏高原东北缘地区地貌面的形成时代进行很好的对比, 说明地貌面的形成具有同期性, 不同构造位置的地貌面形成的时代接近, 说明洪积扇的形成主要受气候控制。拜京图Fan3洪积扇的形成年代43kaiBP属于古里雅冰芯的阶段3, 该阶段的温度高于阶段2、 4, δ 18O高于现代, 在青藏高原古湖泊与古植物研究中也发现了这一暖期的存在(姚檀栋等, 1997), 因此该期地貌面的形成可能与阶段3的温暖气候事件相关。拜京图Fan2a洪积扇的形成年代11kaiBP在新仙女木事件之后, 其形成与新仙女木冷期结束向温暖的全新世转变有关。

洪积扇形成的同时, 断裂活动持续进行, 由于断层活动洪积扇发生掀斜, 产生断层陡坎, 如果洪积扇的坡度超过了稳定坡度值, 在断层陡坎的位置将发生下切, 形成冲沟, 并进一步发生溯源侵蚀, 冲沟规模不断扩大, 并且在断层下盘产生局部小规模的洪积扇。因此, 在该区地貌的演化中, 气候的扰动产生了大规模的洪积扇, 随后断层的构造活动使洪积扇发生变形, 气候和构造作用共同控制了地貌的演化。

4.3 区域构造变形的讨论

本次工作获得的断裂滑动速率和刘小龙等(2004)获得的0.41mm/a、 Shao等(2018)获得的0.48mm/a的速率接近, 不支持杨丽萍等(2017)提出的2.16mm/a的滑动速率, 认为其滑动速率结果偏大。同时, 宗务隆山南缘断裂的滑动速率与祁连山北缘一系列断裂的滑动速率可以很好地进行对比, 祁连山北缘玉门断裂的垂直滑动速率为(0.35± 0.05)mm/a(Hetzel et al., 2002), 榆木山断裂的垂直滑动速率为0.48~0.77mm/a(Palumbo et al., 2009), 张掖断裂的垂直滑动速率为0.6~0.9mm/a(Hetzel et al., 2004), 佛洞庙-红崖子断裂的垂直滑动速率为1.1mm/a(Yang et al., 2018)。这些结果表明, 祁连山北缘和南缘边界断裂的滑动速率较低, 均< 1mm/a。宗务隆山南缘断裂的水平缩短速率为0.47~0.80mm/a, 约占祁连山地区地壳缩短速率的10%, 该结果有助于进一步理解祁连山地区的应变分配模式。

宗务隆山南缘断裂与怀头他拉背斜、 欧龙布鲁克断裂、 锡铁山-阿木尼克山断裂等共同构成了柴达木盆地北缘逆冲断裂带, 不同的学者对于该区的变形机制与模式提出了不同的认识。袁道阳(2003)认为怀头他拉、 欧龙布鲁克山、 阿木尼克山逆断裂-褶皱带各自均为较标准的前展式逆冲推覆构造体, 3排构造共同组合又形成了1个复合式逆冲推覆构造带, 它们在SW-NE向区域应力作用下发生强烈变形, 并且在深部具有构造成生联系。Yu等(2017)认为德令哈凹陷主要受控于NE向逆冲的欧龙布鲁克断裂, 并且柴达木盆地东北部的构造演化并不像中西部一样受控于SW向逆冲的构造。Allen等(2017)认为祁连山下部存在1个区域性拆离逆冲带, 祁连山地区所有的断裂最终都会聚于此拆离面上, 并且该拆离面可能是向祁连山下部俯冲的华北板块的上表面。同时, 柴北缘断裂系的形成可能受到阿尔金断裂的影响(Fang et al., 2007, Yin et al., 2008)。因此, 柴达木盆地北缘断裂系的变形机制并不是简单的由山体前缘向盆地向内部扩展的前展式, 其形成与扩展的方式比较复杂, 这些断裂共同控制了该区的构造活动特征(图13)。

图 13 柴达木盆地东北缘地区构造变形模式(据Fang et al., 2007修改)Fig. 13 Tectonic deformation model in the northeastern margin of Qaidam Basin(modified after Fang et al., 2007).

5 结论

通过对宗务隆山南缘断裂进行野外地质调查和地貌面定年, 获得了该断裂的构造地貌特征, 建立了研究区的时间标尺。结合断错标志和地貌面年代, 获得了断裂晚更新世以来的滑动速率, 并得到以下几点认识:

(1)宗务隆山南缘断裂是一条全新世活动逆断裂, 断错地貌发育, 断裂逆冲错断了一系列山前洪积扇, 在拜京图地区识别出了3期洪积扇, 其中Fan2a和Fan3的垂直位错量分别为(5.5± 0.4)m和(18.7± 0.6)m, 在蓄集乡地区识别出了5期洪积扇, 其中Fan2a、 Fan2b和Fan3的垂直位错量分别为(2.4± 0.2)m、 (4.7± 0.1)m和(10.1± 0.5)m, 断裂活动对该区洪积扇的发育演化具有重要作用。

(2)获得的该区的洪积扇地貌面年龄为43ka、 20ka和11ka, 可以很好地与东北缘地区的地貌面年龄进行对比, 其形成主要受气候因素控制。

(3)宗务隆山南缘断裂晚更新世以来的垂直滑动速率为(0.41± 0.05)mm/a, 水平缩短速率为0.47~0.80mm/a, 约占祁连山地区地壳缩短速率的10%。宗务隆山南缘断裂所构成的柴北缘断裂带变形机制比较复杂, 并不是简单的前展式。这些断裂共同控制了该区的构造活动特征。

致谢 审稿专家对论文的修改和完善提出了宝贵意见, 在此表示衷心感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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