〔作者简介〕 许斌斌, 男, 1994生, 2017年于中山大学地球科学与工程学院获地球信息科学与技术专业学士学位, 主要从事构造地貌、 活动构造方面的研究, 电话: 15622113353, E-mail: xubb3@mail2.sysu.edu.cn。
滑动速率是活动断裂定量研究的重要参数, 是指在一段时间内断裂两盘相对运动的平均速度, 是断裂带上应变能累积速率的重要表现, 常被用于评价断裂的地震危险性。 区域河流地貌特征及水系演化会受到构造活动的显著影响, 因此分析河流地貌演化是研究构造变化特征的重要方法, 也是限定断裂滑动速率较为可靠的方法。 在总结河流地貌演化过程模式的基础上, 考虑地形地貌因素的影响, 建立了河流阶地位错模式和位错量的测量方法, 并以阿尔金断裂东端断裂近垂直穿过的高岩沟为例, 建立了其河流阶地的演化过程及其与断裂位错的关系, 得到了不同阶地因断裂活动形成的位错量。 结合前人的阶地测年结果, 估算得到了阿尔金断裂在该段的水平滑动速率为(1.80±0.51)mm/a。
Slip rate is one of the most important parameters in quantitative research of active faults. It is an average rate of fault dislocation during a particular period, which can reflect the strain energy accumulation rate of a fault. Thus it is often directly used in the evaluation of seismic hazard. Tectonic activities significantly influence regional geomorphic characteristics. Therefore, river evolution characteristics can be used to study tectonic activities characteristics, which is a relatively reliable method to determine slip rate of fault. Based on the study of the river geomorphology evolution process model and considering the influence of topographic and geomorphic factors, this paper established the river terrace dislocation model and put forward that the accurate measurement of the displacement caused by the fault should focus on the erosion of the terrace caused by river migration under the influence of topography. Through the analysis of the different cases in detail, it was found that the evolution of rivers is often affected by the topography, and rivers tend to migrate to the lower side of the terrain and erode the terraces on this side. However, terraces on the higher side of the terrain can usually be preserved, and the displacement caused by faulting can be accumulated relatively completely. Though it is reliable to calculate the slip rate of faults through the terrace dislocation on this side, a detailed analysis should be carried out in the field in order to select the appropriate terraces to measure the displacement under the comprehensive effects of topography, landform and other factors, if the terraces on both sides of the river are preserved. In order to obtain the results more objectively, we used Monte Carlo method to estimate the fault displacement and displacement error range. We used the linear equation to fit the position of terrace scarps and faults, and then calculate the terrace displacement. After 100, 000 times of simulation, the fault displacement and its error range could be obtained with 95%confidence interval. We selected the Gaoyan River in the eastern Altyn Tagh Fault as the research object, and used the unmanned air vehicle aerial photography technology to obtain the high-resolution DEM of this area. Based on the terrace evolution model proposed in this paper, we analyzed the terrace evolution with the detailed interpretation of the topography and landform of the DEM, and inferred that the right bank of the river was higher than the left bank, which led to the continuous erosion of the river to the left bank, while the terraces on the right bank were preserved. In addition, four stages of fault displacements and their error ranges were obtained by Monte Carlo method. By integrating the dating results of previous researches in this area, we got the fault slip rate of(1.80±0.51)mm/a. After comparing this result with the slip rates of each section of Altyn Tagh Fault studied by predecessors, it was found that the slip rate obtained in this paper is in line with the variation trend of the slip rate summarized by predecessors, namely, the slip rate gradually decreases from west to east, from 10~12mm/a in the middle section to about 2mm/a at the end.
自20世纪70年代至今, 活动构造研究已从定性描述逐步发展到定量化研究阶段(邓起东等, 2004)。 断裂运动的长期平均滑动速率体现了断裂带上应变能累积的速率, 常被用于评价地震危险性等(Molnar, 1978; Anderson, 1979; Peng et al., 2012)。 此外, 平均滑动速率也是研究地壳变形的重要依据。 以青藏高原为例, 不同研究者在各自得到的不同断裂滑动速率的基础上, 提出了不同的变形模式(Molnar et al., 1975; England et al., 1986, 1997; Peltzer et al., 1988; Tapponnier et al., 2001; van der Woerd et al., 2002; Zhang et al., 2004; 张培震等, 2008; Gold et al., 2009; 郑文俊等, 2009, 2016; Hetzel, 2013; Zheng et al., 2013a, b, c)。 因此, 定量研究断裂滑动速率有着重要的地质意义。
目前, 断裂全新世滑动速率主要利用地貌面的总位移量除以其累积时间来限定(Allen, 1962; Huang, 1993; Maruyama et al., 2000, 2002; Yan et al., 2015)。 洪积扇、 河流阶地面上细小冲沟的位错通常是断裂近期活动的标志, 可作为未来发震的可能性、 强度等相关研究的有力依据(Weldon et al., 1985; Huang, 1993; 张培震等, 2008; Li et al., 2009)。 大的走滑位错往往记录着多次重复发生的走滑断裂水平错动, 因此详细研究河流阶地的演化过程, 准确获取地貌面的位错量, 并结合河流阶地中的时间信息, 则有可能限定较长时期内断裂的平均滑动速率(Zhang et al., 1995; Maruyama et al., 2000, 2002; 张培震等, 2008; Li et al., 2009; 任治坤等, 2014)。 此外, 在河流演化过程中, 由于受断裂活动影响, 河流经常有袭夺和重组现象, 乃至出现断头沟或断尾沟(Costa et al., 1982; 张培震等, 2008)。 通过拼接复原被错断的水系和地貌, 得到不同时期内的位错量, 可估算得到断裂的长期平均滑动速率(Allen et al., 1984; Zhang et al., 1995; Replumaz et al., 2001; Maruyama et al., 2002; Frankel et al., 2007; Klinger et al., 2011)。 本文通过分析河流阶地及冲沟演化对走滑断裂活动的响应, 同时考虑地形因素的影响, 建立走滑断裂滑动速率的获取方法, 并将此方法运用于阿尔金断裂东端通过的高岩沟, 获取该断裂全新世以来的滑动速率。
河流下切侵蚀, 原先的河谷底部(河漫滩或河床)超出一般洪水位以上, 呈阶梯状分布在河谷谷坡上, 这种地貌称为河流阶地(杨景春等, 2012)。 河流发育到一定阶段, 河床侧蚀迂回, 展宽河谷, 河流暂时接近相对平衡状态, 这时进入河流的冲积物和河流搬运的冲积物近似相等。 当进入河流的冲积物多于河流搬运的冲积物, 即河流以侧蚀作用和堆积作用为主时, 则会在河床上形成河漫滩和冲积层; 当进入河流的冲积物少于河流搬运的冲积物, 河流加速侵蚀, 河漫滩就会因为下切转化为河流阶地而被废弃。 国内外诸多学者将河流下切形成阶地归因于构造运动、 气候变化和地方性侵蚀基准面的下降等, 构造运动会增大河道比降, 促使河流加速下切, 河漫滩就有可能被废弃形成阶地(Rockwell et al., 1988; England et al., 1990; Burbank et al., 1996; Hetzel et al., 2002; 李有利等, 2012); 气候变化主要通过降雨等方式影响河流水量, 使得河流的水动力增强, 河流加速下切, 以此影响河流的地貌演化(Whipple et al., 2000; Pan et al., 2003, 2007, 2009; 李有利等, 2012; Hu et al., 2015); 地方性侵蚀基准面的下降可由构造运动和气候变化共同作用导致, 也可通过增大河道比降, 使得河流加速下切形成阶地(Chappell, 1983; 李有利等, 2012; 田晴映等, 2017)。
国内外诸多学者的研究表明, 河流阶地的形成演化往往会受到地壳变形的影响, 不同的构造活动方式会导致不同的阶地变形(Burnett et al., 1983; Antoine et al., 2000; Maddy et al., 2000; 郑文涛等, 2000; 杨景春等, 2012)。 在同一时期内, 地壳大面积均匀上升的地区, 河流普遍下切侵蚀, 在河流的整个流域内都将形成阶地: 如果某地区地壳上升幅度大、 速度快, 而另一地区上升幅度小、 速度慢, 那么前一地区的阶地高度比后一地区大; 如果不同地段的构造运动方向不一致, 上升地区将会形成侵蚀或基座阶地, 下降地区形成埋藏阶地; 如果河流的某一段受褶皱构造抬升影响, 那么阶地将在这一段呈上拱状, 反映出褶皱变形的形态, 而且阶地的级数也可能增加; 如果活动断裂横断河谷, 阶地在穿过断裂时会被错断, 如果断裂有水平或垂向上的运动, 阶地面则可能在水平或垂向上表现出不连续的特征(胡小飞, 2010; 吕红华等, 2010; 李有利等, 2012; 刘兴旺等, 2013; Pan et al., 2013; 李涛等, 2014; 张天琪等, 2014; 田晴映等, 2017)。
国内外诸多学者通过分析河流阶地对走滑断裂的响应, 计算得到了较为准确的断裂滑动速率, 认为河流阶地的演化与走滑断裂之间有很好的响应(van der Woerd et al., 2002; 徐锡伟等, 2003; Cowgill, 2007; Zhang et al., 2007; 张培震等, 2008)。 目前, 学者们主要通过重建地形地貌, 分析其演化过程的方式来计算断裂滑动速率(Lensen, 1968; Cowgill, 2007; 李海兵等, 2008; 张培震等, 2008), 但是在地貌重建过程中存在不确定性, 最后可能导致滑动速率相差甚远(Zhang et al., 2007; 张培震等, 2008)。 很多学者已经注意到这一问题, 并着重分析河流的演化过程以建立不同的计算模式, 根据不同河流的演化过程, 利用不同的地貌重建模式进行计算。 其中, Cowgill(2007)、 Zhang等(2007)和李海兵等(2008)对这些演化模式进行了总结, 提出了高阶地再建模式和低阶地再建模式, 并可通过高、 低阶地进行控制得到可靠的滑动速率范围。
针对基座阶地, Zhang等(2007)提出了一种河流演化模式, 也是目前利用河流阶地研究断裂滑动速率较为可靠的方法: 山前河流被活动断裂错断, 在继续下切形成阶地前, 断裂下游盘被断裂错入河道的一侧阶地会受到河流侵蚀, 另一侧阶地被断裂错离河道, 受到地貌保护而免遭侵蚀, 断裂位移在错离河道一侧的阶地陡坎上进行积累。 但是, 结合野外调查发现, 河流被断裂错断后演化结果不尽相同, 这是由于出山口的冲洪积扇形态由出山口向外辐射, 中间高、 两边低, 发育在洪积扇两侧的河流被断裂错断后, 受地形控制发生迁移而进行侧蚀, 将演化得到不同的阶地样式(图1)。 因此, 本文在Zhang等(2007)提出的河流演化模式基础之上加入对地形的考虑, 进一步分析河流阶地对走滑断裂的响应。
图1a展示了冲洪积扇的基本形态, 假定左、 右扇体各发育有1条河流, 在这2条河流的下切和堆积作用的影响下, 形成T3, 如图1b所示。 此后这2条河流受到同一断裂左旋错动的影响, 表现出不同的演化过程:
(1)以左扇体为例(图1b左侧), 被错离河道一侧的阶地(左岸阶地)高于被错入河道一侧的阶地(右岸阶地)。 T3被断裂错断, 导致阶地出现位错d3(图2a), 受到右岸低、 左岸高的地形影响, 河流向右岸迁移, 右岸阶地遭受侧蚀, 导致下游盘的右岸阶地陡坎逐渐后退(图2b)。 河流发生进一步的下切和堆积作用, 新的阶地T2开始形成, 断裂继续活动导致T2出现位错d2, T3积累位错为d3+d2(图2c)。 在断裂持续活动下, 下级阶地重复T3和T2的演化过程, 河流左岸的阶地陡坎会不断积累断裂的左旋走滑位移, 而右岸阶地遭受侧蚀。 这一分析得到的河流演化结果与Zhang等(2007)提出的理想的河流演化模式结果一致。
(2)以右扇体为例(图1b右侧), 被错入河道一侧的阶地(右岸阶地)高于被错离河道一侧的阶地(左岸阶地)。 T3被断裂错断, 导致阶地出现位错d3(图3a)。 河流右岸地形高于左岸, 河流逐渐向左岸迁移, 河流的左岸阶地遭受侧蚀, 使得左岸阶地陡坎不断后退(图3b)。 河流发生进一步的下切和堆积作用, 新的阶地T2开始形成, 断裂继续活动导致T2出现位错d2, T3积累位错为d3+d2(图3c)。 在断裂持续的左旋错动下, 下级阶地重复T3和T2的演化过程, 河流左岸阶地陡坎因受到河流侵蚀而不断后退, 右岸阶地陡坎则不断积累断裂的左旋走滑位移。 这一分析得到的河流演化结果与Zhang等(2007)提出的理想的河流演化模式结果不同。
因此, 准确测量阶地因断裂错动产生的位错量, 需要重点考虑河流在地形影响下对阶地的侵蚀情况。 通过上面的分析可见, 地形较高一侧的阶地通常能够被保存下来, 并较为完整地积累断裂位移量, 通过该侧的阶地位错量计算断裂的滑动速率较为可靠。 对于河流两侧阶地均保留的情况, 则需要在野外进行详细的分析, 综合地形、 地貌等因素的影响, 选取合适的一侧阶地进行测量。
对地貌位错的准确测量是计算断裂滑动速率和研究断裂活动性的重要条件。 对于阶地位错的测量, 通常选取断裂两盘对应的阶地前缘作为线性标志(Sieh et al., 1984; Weldon et al., 1985; Mé riaux et al., 2004; 张培震等, 2008)。 为了获得阶地前缘的位错量, 即断裂的水平位错量, 通常利用研究区的正射影像(或DEM影像)进行详细的地貌解译, 得到各阶地前缘的位置与断裂的走向, 用以计算断裂的各种活动参数(Mé riaux et al., 2004; Zhang et al., 2007; 张培震等, 2008; 毕海芸等, 2017)。 利用图 4所示的模式图对断裂的水平位错量进行计算, 具体方法如下: 首先假设阶地在被错断之前, 阶地前缘是连续平直的, 然后通过断裂两盘的阶地前缘和断裂的平面坐标在水平面上进行线性拟合得到相应的线性公式(图4b):
上游盘阶地前缘:
下游盘阶地前缘:
断裂:
此时, 根据阶地前缘和断裂的交点计算水平位错量为
在误差分析过程中, 常用的方法是利用测量方程推导出误差传递方程, 再通过不确定度的合成公式获得间接测量值的标准不确定度和扩展不确定度。 因此在有些情况下, 研究误差的特性需要借助模拟统计的方式进行计算。 本文使用蒙特· 卡洛(Monte Carlo)模拟进行误差计算。 这种模拟误差的方法是根据各自变量的概率分布进行随机抽样, 计算因变量, 通过多次重复抽样计算获得统计样本的分布, 利用样本的概率分布得出包括置信区间在内的各统计量。 这种误差计算方法可以同时考虑计算中所有自变量的误差。 由于变量ku、 bu、 kd、 bd与阶地前缘的分布有关, 可分析和统计断裂两盘的阶地陡坎形态, 进而进行线性拟合得到其阶地前缘的分布。 如图4b所示, 上游盘的阶地陡坎较陡, 下游盘阶地陡坎较缓, 可以统计得到不同的分布; 由于变量kf、 bf的取值分布与断裂的形态和位置相关, 可以对断裂的形态和位置进行统计计算得到这2个变量的分布。 在计算断裂滑动速率时, 每次模拟抽样计算100 000次, 取95%置信区间。
阿尔金活动断裂带是青藏高原北部边界的大型左旋走滑断裂带, 也是欧亚板块板内活动断裂中左旋走滑最显著的断裂带(Molnar et al., 1975; 丁国瑜, 1995; Wittlinger et al., 1998; Tapponnier et al., 2001; Cowgill, 2007; 徐锡伟等, 2007; Zhang et al., 2007; Zheng et al., 2013c)。 该断裂西起西藏北部的郭扎错附近, 东至甘肃玉门的宽滩山一带, 在卫星影像上清晰可见, 由一系列断裂段组成, 全长1 500km, 总体呈NEE向(N60° ~70° E)展布。 在断裂北侧可以清晰地看到昌马洪积扇上的河流演化呈现逐渐向东侧发育的趋势, 表现为单侧发育的现象, 这是前文提及的洪积扇中间高、 两边低的地形形态所导致的。 可以看出, 洪积扇的地形形态对河流的演化有着显著的影响。 本文选取阿尔金断裂东端疏勒河以东22km左右的高岩沟为例(图5), 该河流的发育因受到地形的影响, 其演化结果与Zhang等(2007)提出的被错离河道一侧阶地会被保留的特征不一致, 这是由于该地区的地形右高左低, 河流逐渐向左侧迁移, 左侧的阶地不断遭受侵蚀而未能保留。 因此, 需要结合本文阐述的河流阶地演化对断裂位错的响应和位错测量方法进行研究。
本文利用近年来新兴的无人机摄影测量方法对研究区进行测量(陈桂华等, 2006; 刘华国等, 2011; 毕海芸等, 2017; Bi et al., 2018), 得到了研究区的数字高程模型(DEM)(图6a), 并进行仔细的地貌解译(图6b), 垂直河道作剖面A-A', 如图6c所示, 河流的右岸明显高于左岸, 与图 3所示的模型一致。 由于在断层上盘和下盘, 河道的左岸均遭受了明显的侧蚀, 河流右岸高于左岸导致了河道的迁移, 使得河流右岸(即被错入河道的一岸)的阶地T2— T5得以保留, 在断裂持续的左旋错动影响下, 在河流的右岸积累了相应的断裂位移; 而在河流的左岸(即错离河道的一岸)仅有最高级阶地T5保留, 其他阶地均完全被侵蚀, 未积累断裂位移。 通过分析该河流的演化历史, 进行简单的阶地恢复(图6d— g), 在河流的右岸测量得到了各级阶地积累的断裂位移(表1)。 为准确测量断裂的位错并估计误差, 对断裂的形态和位置进行了统计(图7a, b), 利用式(5)和各自变量参数的分布形态对各阶地的位错量和误差进行了蒙特· 卡洛模拟计算, 计算结果取95%的置信区间。 经计算, 得到T2— T5的阶地位错量分别为: (3.45± 1.75)m、 (6.15± 1.34)m、 (8.14± 1.63)m和(22.60± 5.96)m(图7c— f)。
由于难以定量确定流水对阶地陡坎冲刷侵蚀的程度, 不同研究者对阶地陡坎累计位错的起始时间持有不同的观点(van der Woerd et al., 2002; Cowgill, 2007; Zhang et al., 2007; 张培震等, 2008), 李海兵等(2008)根据河流阶地的演化及其对走滑断裂错动的响应过程分析讨论了这一问题。 本研究对该地区进行了详细的野外调查, 利用相邻的阶地陡坎除以上级阶地的废弃年龄得到断裂的滑动速率。 参考张宁(2016)在该地区利用宇宙成因核素方法获得的阶地面年龄(图6a, 表1), 计算得到该地区的阿尔金断裂滑动速率为(1.80± 0.51)mm/a(图7g)。 将这一结果与前人得到的阿尔金断裂各段的滑动速率进行对比后发现, 本文得到的滑动速率符合前人总结的滑动速率的变化趋势, 即自西向东的速率逐渐减小, 由中段的10~12mm/a迅速下降至端部的2mm/a左右(Zhang et al., 2007; Zheng et al., 2013c)。
本文通过分析河流阶地对断裂走滑位移的响应, 充分考虑地形地貌因素的影响, 讨论不同地形情况下河流阶地对走滑断裂位错的响应结果, 认为利用地形较高一侧的阶地积累的位错量计算断裂滑动速率较为可靠, 并提出了利用蒙特· 卡洛方法计算阶地位错量并估计误差的方法, 可以更为准确有效地给出阶地位错的范围。 本文以阿尔金断裂东端高岩沟为研究实例, 通过野外踏勘, 认为应采用陡坎上级阶地的废弃年龄限定开始积累位移的年代, 并结合模拟计算得到的各阶地位错量, 得到该地区阿尔金断裂平均滑动速率为(1.80± 0.51)mm/a。
致谢 论文写作过程得到中山大学地球科学与工程学院李涛博士和王洋博士的帮助; 数据计算处理方法得到了中山大学地球科学与工程学院张博譞博士的帮助。 在此一并表示感谢!
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