引用本文
黄帅堂, 胡伟华, 杨攀新, 李帅, 伊力亚尔. 东天山唐巴勒-塔斯墩断裂带晚第四纪活动特征[J]. 地震地质, 2020,42(5): 1058-1071.
HUANG Shuai-tang, HU Wei-hua, YANG Pan-xin, LI Shuai, Yiliyaer. LATE QUATERNARY ACTIVITY CHARACTERISTICS OF THE TANGBAL-TASDUN FAULT ZONE IN THE EASTERN TIENSHAN AREA[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(5): 1058-1071.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.05.003
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东天山唐巴勒-塔斯墩断裂带晚第四纪活动特征
黄帅堂1), 胡伟华1),*, 杨攀新2), 李帅1), 伊力亚尔1)
1)新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011
2)中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
*通讯作者: 胡伟华, 男, 1970年生, 副研究员, 主要从事活动构造研究, E-mail: 893912979@qq.com。

〔作者简介〕 黄帅堂, 男, 1990年生, 2016年于中国地震局地震预测研究所获构造地质学专业硕士学位, 工程师, 目前研究方向为活动构造与构造地貌, 电话: 0991-3853817, E-mail: shuaith@126.com。

收稿日期: 2020-02-08 修回日期: 2020-04-20
基金项目: 新疆地震局科技创新团队计划(XJDZCXTD2020-2)、中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项重点项目(援疆项目)(2016IES0103)、 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室重点专项(2020EEEVL0203)、 地震应急青年课题(CEAEDEM201916)和新疆地震局基金(201910)共同资助
摘要

有历史记载以来, 东天山地区发生过多次7级左右强震, 是天山地震带的重要组成部分。 唐巴勒-塔斯墩断裂是东天山巴里坤盆地NW侧一条晚更新世活动的左旋走滑断裂带, 研究其晚第四纪活动特征是认识巴里坤地区强震危险性的重要基础工作之一。 文中采用高分辨率卫星影像解译、 野外地质地貌考察、 微地貌测量及古地震探槽研究相结合的方法, 厘定了唐巴勒-塔斯墩断裂的几何展布特征, 揭示了断裂的运动性质与活动性, 初步获得了断裂晚更新世以来的活动参数。 结果表明, 断裂为左旋走滑兼具逆冲的运动性质; 在芨芨台子村以东断裂发育有地表破裂带, 长约50km; 芨芨台子村附近断层断错地貌的线性较好, 断错T2阶地的垂直位移量约为0.9m, 水平位移量为9~11m, T3阶地的垂直位移量约为1.6m, 水平位移量为13~20m; 在红井子镇及塔什巴斯他乌村以西, 断裂在卫星影像上呈直线状展布, 断层断错了最新地貌面, 其中最小垂直位移量约为0.1m, 最大垂直位移量约为2m, 水平位移量为1.8~4.3m, 断裂的水平位移大于同期的垂直滑动位移。 在芨芨台子村附近开挖的探槽表明, 断层具有明显的走滑活动特征, 根据断层、 喷砂冒水现象及地层的切盖关系, 探槽共揭示出2次古地震事件, 最新一次事件断错地表。

关键词: 唐巴勒-塔斯墩断裂; 活动特征; 古地震; 定量参数; 破裂带
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)05-1058-14
LATE QUATERNARY ACTIVITY CHARACTERISTICS OF THE TANGBAL-TASDUN FAULT ZONE IN THE EASTERN TIENSHAN AREA
HUANG Shuai-tang1), HU Wei-hua1), YANG Pan-xin2), LI Shuai1), Yiliyaer1)
1)Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
2)Institute of Earthquake Forecasting, CEA, Beijing 100036, China
Abstract

There were several strong earthquakes of MS≥7.0 occurring in the eastern Tianshan in the history, which is an important part of Tianshan earthquake zone. The Tangbal-Tasdun Fault is a left-lateral strike-slip fault zone of Late Pleistocene in the northwest of Barkol Basin. The study of the characteristics of its late Quaternary activities is one of the important basic work to understand the risk of strong earthquakes in Barkol area. Due to the low level of research in the eastern Tianshan region, there is a lot of controversy over the historical earthquakes. But there is no doubt that this area has the ability of generating earthquakes of magnitude greater than 7.0. Current GPS monitoring data on both sides and inside of Tianshan Mountains shows an about 20mm/a northward movement of the Pamir and Tarim plates, but a 4mm/a crustal movement rate of eastern Tianshan. This indicates that the tectonic activity of the western section of Tianshan Mountains is obviously stronger than that of the eastern section. However, according to the historical earthquake records of eastern Tianshan, there are at least two earthquakes of magnitude 7 or above happening in Barkol region. This indicates that the tectonic activity in the Barcol area is intense and the area has the condition for generating strong earthquakes.
In this paper, the methods of high resolution satellite image interpretation, field observation and analysis, micro-geographic survey and trenching are used. The geometric distribution characteristics of the Tangbal-Tasdun Fault are determined, which reveals the movement and activity of the fault zone. The activity parameters of the fault since late Pleistocene are preliminarily obtained. The results show that the fault is left-handed strike-slip with thrust motion. A surface rupture zone with a length of about 50km is developed in the east of Jijitaizi Village. The fault offset the T2 terrace with a vertical displacement of about 0.9m and a horizontal displacement between 9m and 11m. The vertical displacement of T3 terrace is about 1.6m, and the horizontal displacement is between 13m and 20m. To the west of Hongjingzi Town and Tashbastawu Village, the fault is distributed in a straight line on satellite images. The fault offset the latest geomorphic surface, with the minimum vertical displacement of about 0.1m, the maximum vertical displacement of 2m, and the horizontal displacement of 1.8~4.3m. The horizontal displacement of the fault is larger than the vertical displacement of the same period. The excavation of a trench near Kutaizi village shows that the fault has obvious characteristics of strike-slip movement. According to the phenomena of water spraying and sand emitting along the fault and the relation of cut and cover between the fault and strata, two ancient seismic events are revealed in the trench. The most recent event ruptured the ground surface. According to the empirical formula for magnitude estimation, M=7.13+0.68lg D, it is calculated and inferred that this fault section is qualified for the occurrence of M7.3~7.4 earthquake.

Keyword: Tangbal-Tasdun Fault(TTF); activity characteristics; ancient earthquake; quantitative parameter; rupture zone
0 引言

新生代以来, 印度板块和亚欧板块的强烈碰撞, 造成了亚欧大陆内部的广泛变形(田勤俭等, 2006), 而绵延超过2 000km, 夹持于塔里木古板块与哈萨克斯坦-准噶尔古板块之间的天山地区是挤压构造显著的新生代复活造山带, 同时也是中国大陆内部变形和中、 强地震最为活跃的地区之一, 其构造活动是大陆内部对印度板块与亚欧板块碰撞及其持续向N推挤的远程构造响应(Molnar et al., 1975; Tapponnier et al., 1979; Windley et al., 1990; Allen et al., 1993; Lu et al., 1994; 张培震等, 1996; 邓起东等, 2000)。 天山两侧及内部现今的GPS监测数据显示, 帕米尔和塔里木板块向N的运动速率约为20mm/a, 而天山东段地壳的运动速率仅为4mm/a(王琪等, 2000; 王晓强等, 2005), 表明天山西段的构造活动明显强于东段。 然而, 统计天山东段地区的历史地震记录可发现, 仅巴里坤地区就至少发生过2次7级以上地震, 这也预示着天山东段巴里坤地区的构造活动较强, 具备发生强震的条件。

巴里坤盆地南、 北两侧发育了多条活动断裂, 包括碱泉子-洛包泉断裂、 巴里坤盆地南缘断裂、 巴里坤盆地北缘断裂以及唐巴勒-塔斯墩断裂等。 前人利用历史文献资料和野外地震地质考察结果对1842年巴里坤7.5级地震及1914年巴里坤7.5级地震进行过深入研究①(杨章等, 1987; 冯先岳, 1997; 吴富峣等, 2016), 但在确定2次地震的发震构造和地震地表破裂带时存在分歧。 杨章等②(1987)认为1842年地震的发震构造为巴里坤南缘断裂, 地表破裂带位于巴里坤县城南山前地带至石仁沟附近, 1914年地震的发震构造为洛包泉断裂, 地震地表破裂带位于雄库尔一带。 冯先岳(1997)则认为1842年地震的发震构造位于碱泉子-洛包泉断裂带的东段— — 巴里坤盆地南缘断裂上, 地表破裂带位于巴里坤盆地西侧雄库尔一带, 同时将1914年地震的发震断裂定位在碱泉子-洛包泉断裂带的西段上, 地表破裂带位于鄯善北塔孜布拉克一带。 吴富峣等(2016)通过野外地质考察认为雄库尔的地表破裂带是由1842年历史地震产生的, 盐池破裂带与1914年历史地震相关, 塔孜布拉克的地表破裂带可能代表了1次漏记的历史强震事件。 因此, 找到最新的地震地表破裂带对确定1914年巴里坤7.5级地震的发震构造至关重要。

由于东天山地区的研究程度相对较低, 其历史地震的讨论也一直存在许多争议, 但该地区具有发生7.0级以上地震的能力是毋庸置疑的。 为了更好地确定唐巴勒-塔斯墩断裂的活动特征, 本文依据前人的研究结果, 对研究区的地貌和活动断裂进行了详细的遥感影像解译, 并结合地震地质调查和微地貌测量、 古地震研究成果, 揭示出唐巴勒-塔斯墩断裂的几何学展布、 位移分布特征并获得断裂晚更新世以来的活动速率。

1 地质构造背景

太古代以来, 天山地区经历了漫长而复杂的大地构造演化过程, 基于地球动力学特征可将其划分为3个阶段: 1)前震旦纪大陆基底及新疆联合古陆形成演化阶段; 2)震旦纪— 石炭纪新疆古陆块解体、 古亚洲洋洋陆转化阶段; 3)二叠纪至今亚洲北大陆板内的演化阶段(张良臣等, 1985; 肖序常等, 1991, 1992)。 前人根据地貌和由此引起的重力异常标志以及地质构造标志, 将天山划分为东天山造山带和西天山造山带(马瑞士等, 1997), 其中东天山泛指吐哈盆地以北的博格达山、 巴里坤山、 哈尔里克山及麦钦乌拉山, 山势陡峻。 本文的研究区位于新疆巴里坤盆地NW侧的盆山交界部位(图 1), 在大地构造上属于哈萨克斯坦-准噶尔板块南缘, 准噶尔微型板块— — 博格达晚古生代裂谷带的东部, 构造活动强烈。 山体内部出露古生界泥盆系中统大南湖组, 石炭系下统奇尔古斯套群, 石炭系中统居里得能组, 中生界侏罗系煤窑沟群黄绿色砂岩、 页岩、 砾岩、 煤层夹菱铁矿透镜体, 新生界古近-新近系中新统桃树园组深红色砂岩、 粉砂岩、 泥岩, 上新统葡萄沟组砖红色细粒砂岩、 泥岩、 砾岩及第四系堆积物(楼法生等, 1994, 1995; 姜晓, 2018)。

图 1 巴里坤及周边地区的构造地貌简图
a 新疆活动断层分布图, 黑色框代表研究区位置; b ASTER数字地貌图, 红色断层线为唐巴勒-塔斯墩断裂。 ZFF 纸房断裂; TTF 唐巴勒-塔斯墩断裂; JLF 碱泉子-洛包泉断裂; HMNF 哈密盆地北缘断裂; BLNF 巴里坤盆地北缘断裂; YWSF 伊吾盆地南缘断裂; HESF 哈尔里克山断裂; SP1 塔孜布拉克破裂带; SP2 雄库尔破裂带; SP3 东盐池破裂带Fig. 1 Map showing tectonics, terrain and earthquake around Balikun.

2 唐巴勒-塔斯墩断裂的展布特征

唐巴勒-塔斯墩断裂(TTF)又称红井子断裂或黑尔巴斯套南西大断裂, 是巴里坤盆地西北缘一条总体走向近EW、 倾向N的左旋走滑活动断裂带。 断裂西起鄯善牧业村, 向E经七城子村、 下涝坝牧点、 芨芨台子村、 红井子镇, 最终止于巴里坤县城西北的西户村, 全长约140km, 在遥感影像上表现为一条近EW向的线性构造带(图2a)。 该断裂是一条区域性断裂, 控制着区内铜矿、 铅锌矿等矿物的发育(姜晓, 2018), 具备长期活动特征。 在地貌上唐巴勒-塔斯墩断裂位于巴里坤盆地西北缘, 与盆-山交界断裂— — 碱泉子-洛包泉断裂平行展布, 第四纪堆积物不发育, 断裂形迹不明显, 但在断裂带附近的冲洪积物上可见断层出露。

图 2 唐巴勒-塔斯墩断裂的地貌特征Fig. 2 Geomorphological characteristics of the TTF.

由于基岩区第四纪地层不发育, 且鲜有相关的地震地质资料, 以往的研究认为该断裂属第四纪断裂。 通过本次野外地质地貌调查和古地震研究发现, 该断裂在基岩区的线性特征明显; 在芨芨台子村以东至塔什巴斯他乌一带, 断裂走向近EW, 断面N倾, 倾角为60° ~80° , 全新世以来有明显的活动迹象, 山前的洪积扇几乎均被断错, 形成0.5~10m不等的断层陡坎及断塞塘(图2b— e)。 在遥感影像上, 该段陡坎线性明显、 连续性好, 通过对下涝坝乡以东的山前地貌面开展详细调查, 发现该区晚第四纪地层与全新世沉积物呈断层接触, 在主断层上还发育反向逆冲断层。

3 唐巴勒-塔斯墩断裂的晚第四纪活动特征
3.1 断裂位移分布特征

利用Google Earth高分辨率卫星影像和高分二号影像, 结合局部地区无人机测绘, 对唐巴勒-塔斯墩断裂带进行了详细的野外地震地质考察和填图工作, 发现断裂带上不同时代地貌面陡坎的高度和冲沟位移不同。 为了尽可能准确地限定各陡坎的高度, 采用海星达差分GPS对断错地貌面进行测量, 共获得57条垂直位移陡坎测线和15条左旋走滑位移测线的数据(表1, 表2)。

表1 断层陡坎的垂向位移 Table1 Heights of scraps on profiles of the Tangbale-Tasidun Fault
表2 断层的水平位移统计 Table2 Horizontal displacement of the Tangbale-Tasidun Fault

沿唐巴勒-塔斯墩断裂对断层陡坎及水平位移量剖面进行野外实地测量, 这些剖面主要分布于芨芨台子以东的冲洪积台地上。 该地区的断裂表现为山前冲洪积扇和冲沟阶地被断错, 基岩山体逆冲到晚第四纪堆积物上。 最新陡坎的高度约为0.1m, 最老陡坎的高度达7.2m, 水平位移量主要为1.2~5.0m, 最大水平位移可达90m, 说明断裂晚第四纪以来发生过多期活动。

在芨芨台子附近, 断裂在遥感影像上的线性特征明显(图3a), 在断裂沿线可见断错冲沟、 槽谷地貌、 断错不同时期阶地陡坎等现象(图3c— f)。 用差分GPS对不同地貌面进行了详细的地形测量, 初步划分出4期地貌面, 最新地貌面的垂直位移量为0.1~0.87m, 水平位移量约为6.5m, 最大垂直位错量约为7m, 断错山脊的最大水平位移量约为90m。 此外还发育2期地貌面, 其垂直位移量分别为0.9~1.6m和2.7~3.8m, 水平位移量为9~13m, 并在最新的洪积扇上开挖了古地震探槽(图3a)。 经野外考察发现, 芨芨台子村西侧附近的冲沟至少发育3级阶地(图3b, c), 其中T1阶地的拔河高度为4m, T2阶地的拔河高度为7~10m, T3阶地的拔河高度为11~15m; T1阶地和T2阶地局部发育, T3阶地为山前发育最为广泛的洪积扇。 断层断错T2、 T3 2级阶地, 未见T1阶地被断错的地貌迹象。 差分GPS测量显示T2阶地的垂直位移量约为0.9m, 水平位移量为9~11m, T3阶地的垂直位移量约为1.6m, 水平位移量为13~20m。

图 3 芨芨台子村西侧断裂的卫星影像及位移特征测量(卫星影像来自Google Earth)
a 紫色测线的垂直位移量最大, 蓝色测线的垂直位移量为2.7~3.8m, 白色测线的垂直位移量为0.9~1.6m, 黄色测线的垂直位移量为0.1~0.87m, 黑色测线代表水平位移测量剖面, 黑色框代表探槽位置Fig. 3 Satellite imagery and displacement characteristics measurement of the fault on the west side of Jijitaizi.

在红井子镇以西, 断裂在卫星影像上呈直线状展布(图4a), 断层断错晚第四纪以来的3期洪积台地(图4a, b)。 通过野外考察和测量共获得20条断层陡坎剖面和7条水平位移测线的数据, 其中最小的垂直位移量约为0.1m, 最大垂直位移量约为2m, 水平位移量为1.8~4.3m, 断裂的水平位移大于同期的垂直滑动位移, 但该段断层活动产生的位移明显小于断裂西段。 通过野外调查发现, 断层的活动不仅造成了断层陡坎和冲沟位移(图4c— e), 还在晚第四纪冲洪积台地上形成了宽约3m的地堑(图4f), 推测这些构造变形由巴里坤附近的一次古地震造成, 构造变形共同吸收了地震所释放的能量。

图 4 红井子镇西侧断裂的卫星影像及位移特征测量(卫星影像来自Google Earth)
b 白色测线的垂直位移量为0.9~1.6m, 黄色测线的垂直位移量为0.1~0.87m, 黑色测线代表水平位移测量剖面Fig. 4 Satellite imagery and displacement characteristics measurement of the fault on the west side of Hongjingzi.

在塔什巴斯他乌村西侧, 断裂横切全新世冲洪积扇, 在地表形成明显的线性陡坎(图5a, b), 沿断裂进行了详细的地质考察和测量, 获得了19条陡坎数据, 高度多为0.1~0.5m(图5c), 局部地区发育高度为0.9~1.6m的陡坎(图5d), 分析认为高度最小的陡坎应为最新一次地震产生的。

图 5 塔什巴斯他乌村西侧断裂的卫星影像及位移特征测量(卫星影像来自Google Earth)
黄色测线代表测量剖面的位置Fig. 5 Satellite imagery and displacement characteristics measurement of the fault on the west side of Tashbasta.

综合分析断裂带东、 西两侧的断层活动特征可知: 在芨芨台子村以西, 断层断错发育最广泛的冲洪积扇面(T3)及T2阶地, 但未发现最新河流阶地被断错的痕迹; T2阶地的垂直位移量约为0.9m, 水平位移量为9~11m, T3阶地的垂直位移量约为1.6m, 水平位移量为13~20m; 在芨芨台子村以东地区, 断层活动断错更新的冲洪积扇面, 在地表形成高0.1~0.87m的断层陡坎, 水平位移量为1.8~4.3m, 分析认为这是最新一次地震的同震位移量。 若考虑基岩区断层, 则断层破裂带的长度约为50km, 现今断层东段的活动强于西段。

3.2 断裂古地震研究的初步结果

古地震学是通过研究地质记录中大地震的地表破裂带以探讨活动构造大地震复发特征的学科。 古地震研究在很大程度上弥补了仪器和历史记录的短暂性和局限性, 使得我们能够在几个地震重复周期的时段上认识断裂的长期活动习性并估计未来大地震发生的危险性(Weldon et al., 1996; 王虎等, 2011, 2013, 2014; 冉勇康等, 2012)。

在古地震研究中首要的关键问题是开挖探槽的地点, 探槽点的选取要满足地震事件具有多期性和能够采集到合适的限定事件发生的测年样品这2个条件(冉勇康等, 2012)。 我们以此为原则, 在芨芨台子村东侧最新一期冲洪积扇(坎高约1.0m)上布设了一条长30m、 宽3m、 深3~3.5m古地震探槽(图6a, b)。 探槽开挖点的堆积物连续、 具有一定的沉积环境, 能够采集到年代学样品。 由于唐巴勒-塔斯墩断裂地处内陆干旱地区, 细颗粒沉积物缺乏, 可用于14C测年的木炭样品较为稀少。 但探槽内不同程度地保留了细颗粒风积砂层或透镜体, 满足OSL测年的条件, 故根据释光样品的采样要求, 严格采集曝光比较充分的样品。 然而, 由于样品量较少, 无法进行详细对比, 地表样品的可靠性有待商榷。 同时, 垂直断层陡坎的方向布设的探槽清晰地揭露了断层的活动特征, 在断裂带附近的砾石层较为松散、 破碎, 沿断层面的砾石具有定向排列的特征。 探槽西壁的主断层倾向为2° , 倾角为60° , 沿主断层发育多条次级断层, 其中反倾的次级断层规模较大, 断层产状为178° ∠79° (图6c), 表现出走滑断裂特有的花状构造。 根据断层、 坎前堆积、 喷砂冒水及地层切盖关系进行分析可知, 探槽揭示了2次古地震事件, 最新一次事件发生在U6地层形成后((15.64± 1.52)ka BP)。

图 6 唐巴勒-塔斯墩断裂古地震探槽剖面Fig. 6 Paleo-seismic trench profile of TTF.

在探槽西壁剖面共揭露出6套地层, 描述如下:

U6, 腐殖层: 第2次事件断错的现代地表面, 灰白色、 黄褐色黏土层, 富植物根系, 成分以粉细砂夹卵砾石为主, 层厚10~15cm, 年龄为(15.64± 1.52)ka;

U5, 冲洪积砾石层: 灰黄色、 青灰色, 分选、 磨圆较差, 呈棱角、 次棱角状, 砾径为1~10cm, 近水平层理, 剖面上可见青灰色砾石条带拖曳变形, 断层断错该层, 垂直位错约为30cm;

U4, 洪积砾石层: 以青灰色细砾石层为主, 砾径以1~5cm为主, 分选较好, 磨圆度差, 呈棱角、 次棱角状, 层内含土黄色粉细砂条带, 层厚约40cm, 在该层取得光释光样品JJT-02-OSL, 获得的年龄为(54.26± 4.93)ka;

U3, 风积砂层: 土黄色粉细砂, 偶含砾石, 第1次事件发生后形成的坎前堆积, 出露于主断层下盘, 具有一定的胶结;

U2, 洪积砾石层: 青灰色, 分选一般, 磨圆度较差, 以棱角、 次棱角状为主, 第1次事件导致层内发育喷砂冒水的粉细砂条带;

U1, 洪积砾石层: 灰黄、 黄褐色, 分选、 磨圆差, 呈棱角、 次棱角状, 砾石呈青灰色, 砾径为3~10cm, 近水平层理, 断层垂直断距为110cm。

对探槽揭示的2次古地震事件的分析如下: 在原始快速沉积的洪积地层U1、 U2形成后, 断层活动将这2套地层同时断错, 形成U3坎前堆积, 在U1、 U2层中还可见喷砂冒水现象, 该次事件为第1次古地震事件, 发生在(54.26± 4.93)ka BP之前。 此后, U4、 U5和U6 3套地层不断堆积, 并在U6形成后发生第2次事件, 断层断错坎前堆积物U3及地表沉积物。

4 结论

通过调查唐巴勒-塔斯墩断裂两侧不同时代地貌面变形特征, 初步认为断裂带东、 西两侧的活动性不一致, 其中芨芨台子村以西, 断层断错T2、 T3 2级阶地, 最小垂直位移约为0.9m, 最小水平位移为9.0~11m, 断层未断错T1阶地面。 古地震探槽揭示断层断错地表的时间为(15.64± 1.52)ka BP, 断层以ka为时间尺度活动的可能性较小。 芨芨台子村以东地区的冲洪积扇面揭示的活动时代更新, 且垂直位移量多约0.1m, 水平位移为1.8~4.3m, 若考虑基岩区有断层经过, 则地震破裂带长度约为50km, 根据震级估算经验公式M=7.13+0.68lgD计算推测该断裂段具备发生7.3~7.4级地震的条件。

致谢 中国地震局地震预测研究所任金卫研究员、 新疆地震局尹光华研究员及中国地震局地质研究所郭鹏博士在文章写作方面给予了指导和建议; 中国地震局地震预测研究所研究生郭春衫、 陈志华在野外工作中提供了帮助; 审稿专家对本文进行了详细的审阅并提出了宝贵意见。 在此一并表示感谢!

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