利用构造地貌分析日月山断裂晚更新世以来的演化
李智敏1,2, 李文巧4, 殷翔1, 黄帅堂3, 张军龙4,*
1)青海省地震局, 西宁 810001
2)深圳防灾减灾技术研究院, 深圳 518003
3)新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011
4)中国地震局地震预测研究所, 地震预测重点实验室, 北京 100036
*通讯作者: 张军龙, 男, 1973年生, 副研究员, 主要从事新构造、 地震地质方面的研究, E-mail: 448092692@qq.com

〔作者简介〕 李智敏, 男, 1977年生, 2005年于中国地震局兰州地震研究所获构造地质专业硕士学位, 副研究员, 现主要从事活动构造及其次生灾害方面的研究工作, 电话: 0755-82616372, E-mail: minhero_168@126.com

摘要

日月山断裂位于东昆仑断裂和祁连-海原断裂等主边界断裂控制的柴达木-祁连活动块体内部, 属于二级构造。 该断裂构造地貌发育, 研究其活动特征可获得青藏高原东北缘向外扩展的信息。 文中以晚更新世以来清晰的地貌变形为重点, 通过RTK测量方法获得沿断层走向的垂直位移量, 基于断层生长连接理论, 分析了日月山断裂的演化, 并讨论其反映的动力学背景, 主要获得了以下3点认识: 1)根据晚更新世以来洪积扇和阶地等地貌内长约200km的3期断层陡坎的发育特征, 将日月山断裂分为5段, 最重要的分段位于第三重叠区(CD-3)。 2)日月山断层3期位移量分布形态反映了断层由多条次级破裂生长连接而成, 处于断层生长连接的第二阶段。 以CD-3为界, NW侧的断层持续生长连接; 东南侧的断层活动时间相对较短, 活动强度相对较弱。 3)断层位移量分布曲线极值指示了应变集中和应力积累的位置。 以CD-3重叠区为界, NW侧应力和应变主要集中在中部及断层重叠区, 东南侧应力长期积累的范围则相对分散。 应力状态可能与区域构造应力挤压作用下块体内部的顺时针旋转有关。

关键词: 青藏高原; 日月山断裂; 晚更新世; 几何分段; 断层生长
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)05-1077-14
ANALYSIS OF EVOLUTION OF THE RIYUESHAN FAULT SINCE LATE PLEISTOCENE USING STRUCTURAL GEOMORPHOLOGY
LI Zhi-min1,2, LI Wen-qiao4, YIN Xiang1, HUANG Shuai-tang3, ZHANG Jun-long4
1)Qinghai Earthquake Agency, Xining 810001, China
2)Shenzhen Academy of Disaster Prevention and Reduction, Shenzhen 518003, China
3)Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
4)Key Laboratory of Earthquake Predication, Institute of Earthquake Forecasting, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
Abstract

The northeastern margin of Tibetan plateau is an active block controlled by the eastern Kunlun fault zone, the Qilian Shan-Haiyuan fault zone, and the Altyn Tagh fault zone. It is the frontier and the sensitive area of neotectonic activity since the Cenozoic. There are widespread folds, thrust faults and stike-slip faults in the northeastern Tibetan plateau produced by the intensive tectonic deformation, indicating that this area is suffering the crustal shortening, left-lateral shear and vertical uplift. The Riyueshan Fault is one of the major faults in the dextral strike-slip faults systems, which lies between the two major large-scale left-lateral strike-slip faults, the Qilian-Haiyuan Fault and the eastern Kunlun Fault. In the process of growing and expanding of the entire Tibetan plateau, the dextral strike-slip faults play an important role in regulating the deformation and transformation between the secondary blocks. In the early Quaternary, because of the northeastward expansion of the northeastern Tibetan plateau, tectonic deformations such as NE-direction extrusion shortening, clockwise rotation, and SEE-direction extrusion occurred in the northeastern margin of the Tibetan plateau, which lead to the left-lateral slip movement of the NWW-trending major regional boundary faults. As the result, the NNW-trending faults which lie between these NWW direction faults are developed. The main geomorphic units developed within the research area are controlled by the Riyueshan Fault, formed due to the northeastward motion of the Tibet block. These geomorphic units could be classified as: Qinghai Lake Basin, Haiyan Basin, Datonghe Basin, Dezhou Basin, and the mountains developed between the basins such as the Datongshan and the Riyueshan. Paleo basins, alluvial fans, multiple levels of terraces are developed at mountain fronts. The climate variation caused the formation of the geomorphic units during the expansion period of the lakes within the northeastern Tibetan plateau. There are two levels of alluvial fans and three levels of fluvial terrace developed in the study area, the sediments of the alluvial fans and fluvial terraces formed by different sources are developed in the same period. The Riyueshan Fault connects with the NNW-trending left-lateral strike-slip north marginal Tuoleshan fault in the north, and obliquely connects with the Lajishan thrust fault in the south. The fault extends for about 180km from north to south, passing through Datonghe, Reshui coal mine, Chaka River, Tuole, Ketu and Xicha, and connecting with the Lajishan thrusts near the Kesuer Basin. The Riyueshan Fault consists of five discontinuous right-step en-echelon sub-fault segments, with a spacing of 2~3km, and pull-apart basins are formed in the stepovers.
The Riyueshan Fault is a secondary fault located in the Qaidam-Qilian active block which is controlled by the major boundary faults, such as the East Kunlun Fault and the Qilian-Haiyuan Fault. Its activity characteristics provide information of the outward expansion of the northeastern margin of Tibet. Tectonic landforms are developed along the Riyueshan Fault. Focusing on the distinct geomorphic deformation since late Pleistocene, the paper obtains the vertical displacement along the fault strike by RTK measurement method. Based on the fault growth-linkage theory, the evolution of the Riyueshan Fault and the related kinetic background are discussed. The following three conclusions are obtained: 1)According to the characteristics of development of the three-stage 200km-long steep fault scarp developed in the landforms of the late Pleistocene alluvial fans and terraces, the Riyueshan Fault is divided into five segments, with the most important segment located in the third stepover(CD-3); 2)The three-stage displacement distribution pattern of the Riyueshan Fault reveals that the fault was formed by the growths and connections of multiple secondary faults and is in the second stage of fault growth and connection. With CD-3 as the boundary, the faults on the NW side continue to grow and connect; the fault activity time on the SE side is shorter, and the activity intensity is weaker; 3)The extreme value of the fault displacement distribution curve indicates the location of strain concentration and stress accumulation. With the stepover CD-3 as the boundary, the stress and strain on NW side are mainly concentrated in the middle and fault stepovers. The long-term accumulation range of stress on the SE side is relatively dispersed. The stress state may be related to the counterclockwise rotation inside the block under the compression of regional tectonic stress.

Keyword: Qinghai-Tibet Plateau; Riyueshan Fault; Late Pleistocene; geometric segmentation; fault growth
0 引言

青藏高原东北缘是由东昆仑断裂带、 祁连山-海原断裂带以及阿尔金断裂带控制的活动地块, 是新生代以来新构造活动的前沿地带和敏感部位。 晚新生代以来, 青藏高原东北缘构造变形强烈, 区内遍布褶皱、 逆冲和走滑断裂, 表明该区正处于地壳缩短、 左旋剪切并伴随垂直隆升作用的阶段(邓起东等, 2002, 2004, 2008; 张培震等, 2006, 2013)。 青藏高原东北缘的构造变形定量研究主要集中在北祁连山— 河西走廊地区(袁道阳等, 1997; 冉勇康等, 1998; 田勤俭等, 2000, 2006; 郑文俊等, 2004, 2009, 2012; 付碧宏等, 2006; 徐锡伟等, 2007; 郑文俊, 2009), 但关于块体内部活动断裂的构造变形量和构造变形演化过程的研究却相对缺乏, 如针对南祁连地区的日月山断裂、 鄂拉山断裂以及拉脊山断裂等的相关研究较少, 限制了地学工作者对该块体内部变形机制的认识。

日月山断裂作为一条重要的块体内部断裂, 其几何分段和地貌年龄研究取得的成果(袁道阳等, 2003b; Yuan et al., 2011; 李智敏等, 2018)为构造地貌变形的定量研究提供了有利基础。 因此, 本文选择日月山断裂作为研究区域, 通过测量晚更新世以来各段的构造地貌变形量, 基于断层生长连接理论, 讨论日月山断裂各段的构造地貌变形中所反映的构造演化过程。 本工作不仅有益于认识该断裂的活动特征, 也可为认识区域构造变形样式提供重要依据(邓起东等, 2008), 所得结论对于认识青藏高原东北缘的运动方式具有重要理论意义, 同时对评价该断裂的地震危险性具有参考作用。

1 研究区域概况

日月山断裂位于青藏高原东北缘柴达木-祁连活动地块的内部。 柴达木-祁连活动地块受东昆仑断裂、 祁连-海原断裂和阿尔金断裂所控制(图1a), 日月山断裂属于夹持于主边界断裂之间的一系列次级构造之一。 由于青藏块体向NE扩展, 致使NWW向的区域主边界断裂发生左旋走滑, 而夹持于其间的NNW向日月山断裂被剪切压扁, 其运动性质为右旋走滑兼逆冲作用(Yuan et al., 2011; 李智敏等, 2018)。

日月山断裂北部与NNW走向的托勒山北缘左旋走滑断裂相接, 南部与拉脊山逆冲断裂斜接。 断裂自北向南经过大通河、 热水煤矿、 茶拉河、 托勒、 克图和西岔, 最终在克素尔盆地附近与拉脊山断裂相接, 全长180km。 断裂由5条不连续的次级断裂段右阶羽列而成, 阶距2~3km, 在不连续部位形成拉分区。 主断裂两端则形成帚状分叉(袁道阳等, 2003a; 李智敏等, 2013)(图1b)。

青藏块体向NE的不断扩展, 使得块体内部的日月山断裂控制了区域内不同类型地貌的发育, 形成了研究区内地貌的基本骨架。 区内地貌可分为由断裂控制的青海湖盆地、 海晏盆地、 大通河盆地、 德州盆地以及盆地之间的对冲山(如大通山和日月山), 山前和盆地之间发育有古盆地面、 冲洪积扇体及多级河流阶地面。

青藏高原自湖泊扩张时期以来, 气候变化事件控制了青藏高原东北缘的地貌发育特征(施雅风等, 2002; 李建军等, 2016)。 研究区域内发育2期洪积扇面和3级河流阶地面, 这些洪积扇和阶地属于同时期中的不同沉积类型, fp1、 fp2的时代约(3.6± 0.1)kaiBP、 (21.2± 0.6)kaiBP; 3级河流阶地面T1、 T2和T3的年龄分别为4.8~7.0ka、 (12.4± 0.11)ka和23.8~33.0ka, 可相互进行对比(袁道阳等, 2003b; Yuan et al., 2011; 李智敏等, 2018)。 fp1和T1对应于早全新世温暖期向晚全新世干冷期转换的过渡时期(王燕等, 2006; 于学峰等, 2006); T2对应于深海氧同位素MIS1阶段; fp2和T3对应于深海氧同位素MIS2阶段。 日月山断层持续活动, 并伴生多种构造地貌类型, 晚更新世以来沿断裂在阶地面和洪积扇面上形成了清晰且较连续的线性陡坎, 坎高3~18m。

图 1 研究区区域地震构造图
F1龙首山北缘断裂; F2龙首山南缘断裂; F3民乐-永昌断裂; F4莲花山北缘断裂; F5民乐-大马营断裂; F6皇城-双塔断裂; F7肃南-祁连断裂(俄堡段); F8托莱山断裂; F9冷龙岭断裂; F10门源断裂; F11达坂山断裂; F12拉脊山断裂; F13日月山断裂; F14木里-江仓断裂带; F15二郎洞-茶卡杯断裂; F16青海南山北缘断裂; F17倒淌河-临夏断裂; F18畦玉香卡- 拉干断裂; F19鄂拉山断裂。 F13-1大通河段; F13-2热水段; F13-3德州段; F13-4海晏段; F13-5日月山段
Fig. 1 Seismic structural map of the study area.

2 垂向位移量测量方法与数据分析方法

基于前人对日月山断裂的几何分段和地貌面的研究成果, 本文首先识别各段晚更新世以来的地貌面(T1— T3和冲洪积扇, 为了便于对比不同地貌的垂直位移量, 参考冲洪积扇与相邻阶地的分布范围、 高度和年龄, 将2期洪积扇与2期阶地相对应, 文中统一用阶地进行叙述), 同时确定断裂通过不同地貌面的位置。 在此基础上, 在条件允许的地点(如7颗以上卫星信号覆盖、 非基岩区), 利用RTK测量断层在各级阶地和冲洪积扇形成断错陡坎的高度。 测量时, 测线垂直于断层走向, 间隔0.5~1km, 长度覆盖断层两侧各50~100m(获得未受断层影响区域的地貌面的坡度)。 获得测线数据后, 基于断层两侧未受断层影响区域的地貌面中的多个测点绘制趋势线, 延伸至断层, 计算测线的斜率、 截距以得到断层的垂直位移量。 在无法测量的区域, 参考相邻测点的位移量, 以近对称形态推测空区的位移量, 进而获得区域的位移量分布形态。 需要说明的是, 测量空区的位移量分布形态仅是推测结果, 真实形态尚需进一步研究。

获得的各级地貌面的垂直位移量记录了地貌形成和断裂演化之间的相互作用, 因此该位移量是进行断层运动学分析的最佳对象。

研究发现断层运动的结果除了引起断层位移随时间累积以外, 断层的长度也随时间增加。 针对断层侧向长度增长过程中断层表现的形态以及位移量和长度之间的关系所进行的研究也取得了丰富的成果(Kim et al., 2005; Tvedt et al., 2013; Fossen et al., 2016; Peacock et al., 2017)。

断层生长连接过程的4阶段模式(图2)具体可描述为: 1)断层各自生长, 位移和长度同时增加, 其比值保持不变, 断层之间未发生重叠或相互作用, 单一断层位移剖面呈对称的倒“ V” 形或钟形(图2a); 2)断层之间发生重叠, 通过应力域发生相互作用, 且总位移在重叠处最小, 单一断层位移剖面呈不对称的几何形状, 且位移极值偏向连接处(图2b); 3)新生的连接断层逐渐将两侧小型断层连接并持续演化, 此时位移剖面似 “ M” 形(图2c); 4)两侧小型断层被新生的连接断层贯穿成一条大规模的断层, 在连接位置存在位移极小值(图2d), 随时间增加, 连接位置位移增长至与两侧相同, 随后, 断层连接进入下一次循环(Peacock et al., 1991)。

图 2 断层生长连接过程4个阶段的位移-长度图(Peacock et al., 1991)Fig. 2 Diagrams of stages of fault development and corresponding displacement-distance graphs.

3 结果
3.1 典型地段的地貌

断裂造成的不同阶地(扇体)地貌垂直位错所形成的断层陡坎与阶地陡坎在形态上有相似之处, 这往往会影响对断裂几何位置的判断, 进而影响垂直位移量的测量精度。 为了避免阶地陡坎对断层陡坎的影响, 选择断层形迹线性特征明显且连续切割多级地貌面的位置进行测量。 野外实际调查发现, 沿断层走向上3级阶地均有分布, 且保留完整的地点较少。 阶地在热水段和德州段零星出现, 在其它段少见, 因此本文选择热水段和德州段2个典型地貌进行详细说明。

热水段典型地点(37.476i8° N, 100.524i2° E)地貌发育较完整。 T3阶地仅分布在NE方向的邻近基岩区, 呈狭长的条带状, 与河流近平行; T2和T1阶地零星分布在河流之间; 冲洪积扇分布较广。 断裂沿基岩山前分布, 呈线性切过3级阶地和冲洪积扇(图3)。 利用DGPS测量得到T3阶地被断层错断, 垂直断距约16m, 该值是沿断层所有测量点中最大的位移量; T2阶地的垂直断距约7m; T1阶地的垂直断距约2m(图3)。

图 3 热水段典型地貌解译图
a 原始的Google Earth影像, 位置见图1; b 解译图; c地形剖面, 剖面位置见3b。 fp1为洪积扇面, T1、 T2为河流阶地面。1 基岩; 2 T1阶地; 3 T2阶地; 4 T3阶地; 5 冲洪积扇; 6 断层; 7 测线位置
Fig. 3 Geomorphic interpretation at Reshui.

图 4 德州段典型地貌解译图
a 原始Google Earth影像, 位置见图1; b解译图; c 无人机航测得到的DEM, 位置见4b; d 地形剖面, 剖面位置见图c。 fp为洪积扇面, T1、 T2为河流阶地面
Fig. 4 Geomorphic interpretation at Dezhou.

另外1个典型地貌点位于德州段(37.102i8° N, 100.686i1° E), 老冲洪积扇(形成时代与T3阶地相近)分布在出山口处, T2和T1阶地切割冲洪积扇体, 近平行分布于河流两侧, T1分布范围较小。 断裂呈线性切过2级阶地和冲洪积扇(图4)。 在断层切过河流处, 选择断层陡坎明显的地点进行无人机测量, 冲洪积扇体的垂直断距约11m, T2阶地面的垂直断距约4.5m, T1阶地面的垂直断距约2m。

其它地点的地貌往往也发育2级阶地或冲洪积扇, 使用DGPS测量多级地貌面以对比各级地貌变形产生的垂直位移量。

3.2 各断裂段的陡坎特征

除各段重叠区受后期河流改造影响的区域和因山区自然条件限制无法布设测线的区域外, 在断裂各段均有测线分布, 累计149条, 间距0.6~2km, 平均间隔1km布设1条测线, 以便控制位移量的空间图形(图5)。

图 5 日月山断层分段及垂直位移量分布图
a 日月山断裂地貌图; b 日月山断裂分段及地表破裂示意图; c 沿断层走向断层垂直位移量分布图
Fig. 5 The schematic diagram of segmentation of the Riyueshan Fault and the distribution of the vertical displacement.

大通河段全长43km, 布设了18条测线, 大通河段北部陡坎不明显, 南部断层发育在基岩山区中, 中部大通河盆地冲洪积扇体和阶地上存在线性的断层陡坎。 T1期次陡坎高0.5~3.0m(平均为1.8m), 断层位移量分布呈齿状, 由3个极大值和2个极小值构成, 叠置区(CD-1)内(距断层北端点约45km处)有较小的位移量。 根据极值分布可将T1期陡坎分为长约10km、 5km及长度> 5km的3条次级破裂。 T2期次陡坎高3.0~5.6m(平均为4.1m), 断层位移量分布呈齿状, 由2个极大值和2个极小值构成, 分为长约13km及长度> 8km的2条次级破裂。 T3期次陡坎高6.0~8.4m(平均为7.2m), 仅可示倾斜形态。 T1、 T2和T3期位移量的最大值均位于此段东南约3/4 处。 T1、 T2上断层的位移量呈齿状, 表明其由多条次级断层相接而成。 位移最大处靠近叠置区CD-1, 且其内有较小位移量, 可能暗示断层向SE扩展, 以补充重叠区的位移量。

热水段全长55km, 分布了54条测线。 全段线性断层陡坎均有分布。 T1期次陡坎高0.5~2.9m(平均为1.8m), 断层位移量分布形态为齿状, 由7个极大值和7个极小值构成, 距断层北端点60~80km范围内位移量分布形态较宽缓, 与图2d的形态相似, CD-2内形迹不清楚, 可分为长度> 5km、 长约5km、 11km、 10km、 3km、 8km和3km的7条次级破裂。 T2期次陡坎高3.0~6.0m(平均为4.4m), 断层位移量分布呈齿状, 由3个极大值和2个极小值构成, 可分为长度> 8km、 长约37km及长度> 5km的3条次级破裂。 T3期次陡坎高13.6~15.8m(平均为14.7m), 仅可示倾斜形态。 T1、 T2和T3的断层位移量最大值均向CD-1偏移, 位置依次约在距断层北端点 48km、 61km和70km处, 值得注意的是, T1、 T2在距断层北端点约95km、 91km处的垂直位移也接近最大值。 T1、 T2上断层的位移量呈齿状, 表明其由多条次级断层相接而成。 T1在距断层北端点60~80km范围内位移量的分布形态可能指示部分次级破裂已经连接, 距断层北端点约70km处的位移量极小值与T3位移量最大值所在的位置相近, 推测其原因是T1时期的破裂位移量弥补了T3时期的破裂位移量, 也佐证了部分次级破裂已经连接。 T1、 T2和T3期次位移量最大值位置向CD-1偏移, 与大通河段的偏移相呼应, 与图2c形态相似, 佐证了CD-1属于断层连接区。 位移量最大值的位置不同, 随着时间增长, 向CD-1偏移的距离增加, 靠近CD-2一侧也存在类似现象, 表明热水段持续向两侧扩展, 通过位移量来平衡该重叠区域的应变分配。 CD-2内位移量不清楚, 是受茶拉河及其支流后期改造的影响。

德州段全长24km, 分布有23条测线。 在大部分地区的山前冲洪积扇体上可以发现一系列的断层陡坎, 距断层北端点115~123km处为山区, 未布设测线。 T1期次陡坎高0.8~3.0m(平均为1.6m), 断层位移量分布呈不规则齿状, 由2个极大值和2个极小值构成, 可分为长度> 2km、 长约8km的2条次级破裂。 T2期次陡坎高3.4~5.8m(平均为5.0m), T3期次陡坎高约11.0m, 断层位移量分布仅可示倾斜形态。 T1、 T2期次垂直位移量最大值出现的位置均向CD-2偏移, 位置依次在距断层北端点约105km和109km处。 T1上断层的位移量呈齿状, 表明其由2条次级断层相接而成。 T2、 T3上断层的位移量数据不支持次级分段。 T1、 T2上断层的位移量最大值位置向CD-2偏移, 随着时间增长, T2期次位移量最大值的位置向CD-2偏移的距离增加, 与热水段的偏移相呼应, 表明德州段持续向NW扩展。

海晏段全长约30km, 布设有37条测线, 中段陡坎较两端清晰。 T1期次陡坎高0.3~2.5m(平均为1.2m), 断层位移量分布呈不规则齿状, 由4个极大值和4个极小值构成, 可以极小值(距断层北端点约132km处)为界划分为长度> 9km和长约14km的2条次级破裂。 T2期次陡坎主要分布在海晏段NW侧长约5km的范围内, 高3.1~6.8m(平均为4.7m), 断层位移量分布仅可示倾斜形态。 T3面不发育, 也未发现陡坎形迹。 T1期次位移量值分布较其它段复杂, 在0.3~2.5m范围内浮动, 最大值位于距断层北端点约131km处, 略向CD-3偏移。 T2期次位移量最大值位于距断层北端点约123km处, 毗邻CD-3。

日月山段全长约48km, 布设有17条测线, 该段受人为改造较严重, 只在中段部分冲沟口有原始陡坎出露。 T1期次陡坎高0.4~2.8m(平均为1.6m), 断层位移量的分布为不规则齿状, 由5个极大值和5个极小值构成, 可以分为长约5km、 4km、 2km、 6km和长度> 17km的5条次级破裂, 以距断层北端点约183km处为界, 日月山段东南侧长度> 17km的次级破裂位移形态宽缓。 T2期次陡坎仅在日月山段NW侧山前冲沟口(距断层北端点约165km处)出现, 高4.1m, 毗邻CD-4。 T3面不发育, 其上也未发现陡坎形迹。 T1上断层的位移量呈齿状, 表明由多条次级断层相接而成。 T1期次位移量最大值位于距断层北端点约170km处, 第二大值位于距断层北端点约179km处, 与最大值相差很小, 2个位置构成的位移量分布形态显示的偏移方向不清晰, 表明2个位置所处的次级破裂具有相对独立的生长过程。 日月山段东南侧长度> 17km的次级破裂位移形态宽缓, 因日月山段南接拉脊山断裂带, 此次级破裂的形态可能是受到南侧拉脊山断裂带的影响。 另一方面, 此段大范围缺失T2、 T3阶地, 断层陡坎仅在日月山段的NW侧出现, 仅根据单一值无法确定断层位移量的形态, 只能推测其存在向NW扩展的可能, 但T2期次位移量值也仅占相邻海晏段的60%, 表明即使存在扩展, 程度也较弱。

由此可知, T1期断层陡坎断续延伸200km, 由4个重叠区划分为5个次级破裂段, 各段的形态如前文所述。 断层整体的垂直位移量呈不规则齿状分布, 两侧呈单侧平缓倾斜状, 热水段中部呈对称性平缓状, 由17个次级破裂组成, 长度多为5~11km, 最长超过17km, 位于最南侧。 各段的位移量最大值从大到小依次为大通河段、 德州段(2段相等)、 热水段、 日月山段以及海晏段。

T2期形迹清晰的断层陡坎断续延伸120km, 虽然南侧2段仅零星出露, 但仍然可以由4个重叠区划分为5个次级破裂段, 断层位移量分布的整体形态呈不规则齿状, 由超过7个次级破裂所组成, 长度多为5~13km, 最长37km, 位于热水段; 各段的位移量最大值从大到小依次为海晏段、 热水段、 德州段、 大通河段和日月山段。 除NW侧的大通河段外, 其余各段出现最大位移量的位置均向NW侧偏移。

T3期断层陡坎残留形迹分布范围较小, 在日月山断裂带NW侧的3段零星出现该期残留断层陡坎, 东南侧的2段未见该期断层陡坎, 次级破裂划分模糊。 各段位移量的最大值从大到小依次为热水段、 德州段和大通河段。

图 6 日月山断裂分段沿断层走向断层垂直位移量模型Fig. 6 Vertical along-strike displacement model of each segment of the Riyueshan Fault.

4 讨论和结论

(1)日月山断裂的构造地貌以断层陡坎最为显著, 在晚更新世以来的冲洪积扇和阶地等地貌内断续分布长约200km的断层陡坎。 从NW向SE, 沿断层走向, 均存在T1、 T2 2期断层陡坎, T3期断层陡坎在日月山断裂南部的2段缺失。 地貌面上的陡坎分布及其垂直位移曲线被重叠区分隔, 时代越新的断层陡坎受断层重叠区控制越明显, 在断层重叠区陡坎形迹模糊或缺失, 断层重叠区之间形迹连续且清晰, 根据日月山断裂陡坎的分布及其垂直位移曲线形态可将断层分为5段, 与前人根据断层展布得到的几何分段相吻合。 本文提出的最重要的分段应属于CD-3重叠区划分的NW侧(3段)和东南侧(2段), 两者的破裂形态、 陡坎分布及垂直位移量曲线形态的差异尤为显著。

(2)日月山断层各期位移量的分布形态反映该断层是由多条次级破裂生长连接而成的(图6)。 重叠区内未发现新生的连接断层的形迹, 暗示各段之间还处于断层生长连接的第二阶段。 在各段内, T1— T3期次级破裂数量逐渐减少, 表明一些次级破裂随着时间增长已经发生连接, 为了弥补前期位移量的不足, 在连接处新的位移量相对较大, 如距断层北端点20~25km和80~96km处, T1期陡坎的高位移量相对应T2期的低位移量; 相反的现象出现在距断层北端点60~75km处, T1期陡坎的低位移量相对应T2期的高位移量。 垂直位移量的持续积累形成T3期似对称形的位移量曲线形态。 以CD-3重叠区为界, T1— T3期最大(或次之)位移量基本位于NW侧3段内, 位移曲线形态基本相似, 说明存在持续的断层生长连接过程, 两侧的德州段、 大通河段的极大值向中部热水段偏移, 说明这一过程仍在持续。 东南侧2段T3期陡坎缺失, T2期陡坎在NW侧端部零星分布, T1期位移最大处相对靠近中部。 日月山断裂是青藏高原东北缘地区夹持于区域大型左旋走滑断裂内部的1套右旋走滑断裂中的一支, 并未切错大型块体的边界。 考虑到日月山断裂地质背景基本相似, 故推测东南侧2段活动的时间不长, 活动强度相对NW侧较弱。

(3)断层位移分布曲线极值偏移方向受应变场叠加影响, 所在位置指示了应变集中和应力积累的位置(Kim et al., 2005; Peacock et al., 2017)。 以CD-3重叠区为界, 日月山断裂NW侧3段内的极值多在中部热水段, 热水段两侧的德州段、 大通河段的极大值位置向中部偏移, 说明应力主要集中在中部及断层重叠区。 日月山断裂东南侧2段内T2期的极值位于NW侧端部, T1期极值相对靠近中部, 应力长期积累范围较分散。 在青藏高原东北缘整体生长和扩展的过程中, 以祁连山-海原断裂带和东昆仑断裂带为代表的NWW— NW向大型主边界断裂与夹于其间的日月山断裂和鄂拉山断裂为代表的块体内部NNW向断裂可能构成了1组共轭构造(Yuan et al., 2011), 受NE向区域构造应力的挤压作用, 日月山断裂发生剪切压扁(袁道阳等, 2004), 形成垂直陡坎, 在各段端部产生的应力集中可能与块体内部的顺时针旋转有关(国家地震局地质研究所等, 1993)。

断层的生长和连接受岩性、 几何结构和区域应力场等多因素影响, 对这些因素所造成的影响程度还需要讨论。 断层的连接生长速率关系到后续断层破裂的位置和时间, 针对该问题还需要在详细研究阶地年龄后做进一步分析。

致谢 审稿专家对论文提出了宝贵的修改意见, 在此表示衷心感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
1 邓起东, 陈立春, 冉勇康. 2004. 活动构造定量研究与应用[J]. 地学前缘, 11(4): 383392. [本文引用:1]
2 DENG Qi-dong, CHEN Li-chun, RAN Yong-kang. 2004. Quantitative studies and applications of active tectonics[J]. Earth Science Frontiers, 11(4): 383392(in Chinese). [本文引用:1]
3 邓起东, 闻学泽. 2008. 活动构造研究: 历史、 进展与建议[J]. 地震地质, 30(1): 130. [本文引用:1]
4 DENG Qi-dong, WEN Xue-ze. 2008. A review on the research of active tectonics: History, progress and suggestions[J]. Seismology and Geology, 30(1): 130(in Chinese). [本文引用:1]
5 邓起东, 张培震, 冉勇康, . 2002. 中国活动构造基本特征[J]. 中国科学(D辑), 32(12): 10201030. [本文引用:1]
6 DENG Qi-dong, ZHANG Pei-zhen, RAN Yong-kang, et al. 2002. Basic characteristic of active tectonics of China[J]. Science in China(Ser D), 32(12): 10201030(in Chinese). [本文引用:1]
7 付碧宏, 张松林, 谢小平, . 2006. 阿尔金断裂系西段——康西瓦断裂的晚第四纪构造地貌特征研究[J]. 第四纪研究, 26(2): 228235. [本文引用:1]
8 FU Bi-hong, ZHANG Song-lin, XIE Xiao-ping, et al. 2006. Late Quaternary tectono-geomorphic features along the Kangxiwar Fault, Altyn Tagh fault system, northern Tibet[J]. Quaternary Sciences, 26(2): 228235(in Chinese). [本文引用:1]
9 国家地震局地质研究所, 国家地震局兰州地震研究所. 1993. 祁连山—河西走廊活动断裂系 [M]. 北京: 地震出版社. [本文引用:1]
10 Institute of Geology, SSB , Lanzhou Institute of Seismology, SSB. 1993. The Qilian Mountains-Hexi Corridor Active Fault System [M]. Seismological Press, Beijing(in Chinese). [本文引用:1]
11 李建军, 张军龙, 郭玉涛. 2016. 晚更新世以来若尔盖盆地的地层划分及构造-气候意义[J]. 地震地质, 38(4): 950963. doi: DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2016.04.012. [本文引用:1]
12 LI Jian-jun, ZHANG Jun-long, GUO Yu-tao. 2016. Chronostratigraphic classification of Zoige Basin since Late Pleistocene and its tectonic-climate significance[J]. Seismology and Geology, 38(4): 950963(in Chinese). [本文引用:1]
13 李智敏, 苏鹏, 黄帅堂, . 2018. 日月山断裂德州段晚更新世以来的活动速率研究[J]. 地震地质, 40(3): 656671. doi: DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.03.011. [本文引用:3]
14 LI Zhi-min, SU Peng, HUANG Shuai-tang, et al. 2018. Slip rates of the Riyue Mt. Fault at Dezhou segment since late Pleistocene[J]. Seismology and Geology, 40(3): 656671(in Chinese). [本文引用:1]
15 李智敏, 李文巧, 田勤俭, . 2013. 青藏高原东北缘热水-日月山断裂带热水段古地震初步研究[J]. 地球物理学进展, 28(4): 17661771. [本文引用:1]
16 LI Zhi-min, LI Wen-qiao, TIAN Qin-jian, et al. 2013. A preliminary study on paleo-earthquake of the Reshui segment in Reshui-Riyue Mt. fault zone, Qinghai Province[J]. Progress in Geophysics, 28(4): 17661771(in Chinese). [本文引用:1]
17 冉勇康, 邓起东. 1998. 海原断裂的古地震及特征地震破裂的分级性讨论[J]. 第四纪研究, 18(3): 271278. [本文引用:1]
18 RAN Yong-kang, DENG Qi-dong. 1998. Paleoearthquakes along Haiyuan Fault and discussion of grading on rupture of large earthquakes[J]. Quaternary Sciences, 18(3): 271278(in Chinese). [本文引用:1]
19 施雅风, 贾玉连, 于革, . 2002. 40~30ka BP青藏高原及邻区高温大降水事件的特征、 影响及原因探讨[J]. 湖泊科学, 14(1): 111. [本文引用:1]
20 SHI Ya-feng, JIA Yu-lian, YU Ge, et al. 2002. Features, impacts and causes of the high temperature and large precipitation event in the Tibetan plateau and its adjacent area during 40~30ka BP[J]. Journal of Lake Sciences, 14(1): 111(in Chinese). [本文引用:1]
21 田勤俭, 丁国瑜. 2006. 青藏高原北部第四纪早期断裂活动的新生性变化初步研究[J]. 第四纪研究, 26(1): 3239. [本文引用:1]
22 TIAN Qin-jian, DING Guo-yu. 2006. Preliminary analysis on an early Quaternary new fault trace in north of Tibetan plateau[J]. Quaternary Sciences, 26(1): 3239(in Chinese). [本文引用:1]
23 田勤俭, 申旭辉, 丁国瑜, . 2000. 海原断裂带内第三纪老龙湾拉分盆地的地质特征[J]. 地震地质, 22(3): 329336. [本文引用:1]
24 TIAN Qin-jian, SHEN Xu-hui, DING Guo-yu, et al. 2000. Discovery and preliminary study of the Lanlongwan Tertiary pull-apart basin in the Haiyuan fault zone[J]. Seismology and Geology, 22(3): 329336(in Chinese). [本文引用:1]
25 王燕, 赵志中, 乔彦松, . 2006. 川北若尔盖高原红原泥炭剖面孢粉记录的晚冰期以来古气候古环境的演变[J]. 地质通报, 25(7): 827832. [本文引用:1]
26 WANG Yan, ZHAO Zhi-zhong, QIAO Yan-song, et al. 2006. Paleoclimatic and paleoenvironmental evolution since the late glacial epoch as recorded by sporopollen from the Hongyuan peat section on the Zoige Plateau, northern Sichuan, China[J]. Geological Bulletin of China, 25(7): 827832(in Chinese). [本文引用:1]
27 徐锡伟, 于贵华, 陈桂华, . 2007. 青藏高原北部大型走滑断裂带近地表地质变形带特征分析[J]. 地震地质, 29(2): 201217. [本文引用:1]
28 XU Xi-wei, YU Gui-hua, CHEN Gui-hua, et al. 2007. Near-surface character of permanent geologic deformation across the mega-strike-slip faults in the northern Tibetan plateau[J]. Seismology and Geology, 29(2): 201217(in Chinese). [本文引用:1]
29 于学峰, 周卫健, Franzen L G, . 2006. 青藏高原东部全新世冬夏季风变化的高分辨率泥炭记录[J]. 中国科学(D辑), 36(2): 182187. [本文引用:1]
30 YU Xue-feng, ZHOU Wei-jian, Franzen L G, et al. 2006. Holocene high resolution peat record of changes in a winter summer monsoon in the eastern plateau[J]. Science in China(Ser D), 36(2): 182187(in Chinese). [本文引用:1]
31 袁道阳, 刘百篪, 吕太乙, . 1997. 北祁连山东段活动断裂带古地震特征[J]. 华南地震, 17(2): 2431. [本文引用:1]
32 YUAN Dao-yang, LIU Bai-chi, Tai-yi, et al. 1997. Palaeoearthquake features along the eastern segment of north Qilianshan active fault zone[J]. South China Journal of Seismology, 17(2): 2431(in Chinese). [本文引用:1]
33 袁道阳, 刘小龙, 张培震, . 2003 a. 青海热水-日月山断裂带古地震的初步研究[J]. 西北地震学报, 25(2): 136142. [本文引用:1]
34 YUAN Dao-yang, LIU Xiao-long, ZHANG Pei-zhen, et al. 2003 a. A preliminary study on palaeo-earthquake events of the Reshui-Riyue Mt. active fault zone in Qinghai Province[J]. Northwestern Seismological Journal, 25(2): 136142(in Chinese). [本文引用:1]
35 袁道阳, 刘小龙, 张培震, . 2003 b. 青海热水-日月山断裂带的新活动特征[J]. 地震地质, 25(1): 155165. [本文引用:2]
36 YUAN Dao-yang, LIU Xiao-long, ZHANG Pei-zhen, et al. 2003 b. Characteristics of the modern activity of the Reshui-Riyueshan fault zone in Qinghai Province[J]. Seismology and Geology, 25(1): 155165(in Chinese). [本文引用:1]
37 袁道阳, 张培震, 刘百篪, . 2004. 青藏高原东北缘晚第四纪活动构造的几何图像与构造转换[J]. 地质学报, 78(2): 270278. [本文引用:1]
38 YUAN Dao-yang, ZHANG Pei-zhen, LIU Bai-chi, et al. 2004. Geometrical imagery and tectonic transformation of Late Quaternary active tectonics in northeastern margin of Qinghai-Xizang Plateau[J]. Acta Geologica Sinica, 78(2): 270278(in Chinese). [本文引用:1]
39 张培震, 邓起东, 张竹琪, . 2013. 中国大陆的活动断裂、 地震灾害及其动力过程[J]. 中国科学(D辑), 43(10): 16071620. [本文引用:1]
40 ZHANG Pei-zhen, DENG Qi-dong, ZHANG Zhu-qi, et al. 2013. Active faults, earthquake disasters and their dynamic processes in the mainland of China[J]. Science in China(Ser D), 43(10): 16071620(in Chinese). [本文引用:1]
41 张培震, 郑德文, 尹功明, . 2006. 有关青藏高原东北缘晚新生代扩展与隆升的讨论[J]. 第四纪研究, 26(1): 513. [本文引用:1]
42 ZHANG Pei-zhen, ZHENG De-wen, YIN Gong-ming, et al. 2006. Discussion on late Cenozoic growth and rise of northeastern margin of the Tibetan plateau[J]. Quaternary Sciences, 26(1): 513(in Chinese). [本文引用:1]
43 郑文俊. 2009. 河西走廊及其邻区活动构造图像及构造变形模式 [D]. 北京: 中国地震局地质研究所. [本文引用:2]
44 ZHENG Wen-jun. 2009. Geometric pattern and active tectonics of the Hexi Corridor and its adjacent regions [D]. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing(in Chinese). [本文引用:1]
45 郑文俊, 袁道阳, 何文贵. 2004. 祁连山东段天桥沟-黄羊川断裂古地震活动习性研究[J]. 地震地质, 26(4): 645657. [本文引用:1]
46 ZHENG Wen-jun, YUAN Dao-yang, HE Wen-gui. 2004. Characteristics of palaeo-earthquake activity along the active Tianqiaogou-Huangyangchuan Fault on the eastern section of the Qilianshan Mountains[J]. Seismology and Geology, 26(4): 645657(in Chinese). [本文引用:1]
47 郑文俊, 张培震, 葛伟鹏, . 2012. 河西走廊北部合黎山南缘断裂晚第四纪滑动速率及其对青藏高原向北东扩展的响应[J]. 国际地震动态, (6): 30. [本文引用:1]
48 ZHENG Wen-jun, ZHANG Pei-zhen, GE Wei-peng, et al. 2012. Late Quaternary slip rates of the southern margin thrust fault of Heli Shan at the northern Hexi Corridor and their implications for northeastward growth of the Tibetan plateau[J]. Recent Developments in World Seismology, (6): 30(in Chinese). [本文引用:1]
49 郑文俊, 张培震, 袁道阳, . 2009. GPS观测及断裂晚第四纪滑动速率所反映的青藏高原北部变形[J]. 地球物理学报, 52(10): 24912508. [本文引用:1]
50 ZHENG Wen-jun, ZHANG Pei-zhen, YUAN Dao-yang, et al. 2009. Deformation on the northern of the Tibetan plateau from GPS measurement and geologic rates of Late Quaternary along the major fault[J]. Chinese Journal of Geophysics, 52(10): 24912508(in Chinese). [本文引用:1]
51 Yuan D Y, Champagnac J D, GE W P, et al. 2011. Late Quaternary right-lateral slip rates of faults adjacent to the lake Qinghai, northeastern margin of the Tibetan plateau[J]. Geological Society of America Bulletin, 123(9-10): 20162030. [本文引用:4]
52 Fossen H, Rotevatn A. 2016. Fault linkage and relay structures in extensional settings: A review[J]. Earth-Science Reviews, 154: 1428. [本文引用:1]
53 Kim Y S, Sand erson D J. 2005. The relationship between displacement and length of faults: A review[J]. Earth-Science Reviews, 68: 317334. [本文引用:2]
54 Peacock D C P, Sand erson D J. 1991. Displacements, segment linkage and relay ramps in normal fault zones[J]. Journal of Structural Geology, 13: 721733. [本文引用:1]
55 Peacock D C P, Nixon C W, Rotevatn A, et al. 2017. Interacting faults[J]. Journal of Structural Geology, 97: 122. doi: DOI:10.1016/j.jsg.2017.02.008. [本文引用:2]
56 Tvedt A B M, Rotevatn A, Jackson A L, et al. 2013. Growth of normal faults in multilayer sequences: A 3D seismic case study from the Egersund Basin, Norwegian North Sea[J]. Journal of Structural Geology, 55: 120. doi: DOI:10.1016/j.jsg.2013.08.002. [本文引用:]