引用本文
董金元, 李传友, 郑文俊, 李涛, 李新男, 任光雪, 罗全星. 柴达木盆地北缘石底泉背斜构造地貌特征及地质意义[J]. 地震地质, 2021,43(3):521-539.
DONG Jin-yuan, LI Chuan-you, ZHENG Wen-jun, LI Tao, LI Xin-nan, REN Guang-xue, LUO Quan-xing. TECTONIC GEOMORPHIC FEATURES AND GEOLOGICAL SIGNIFICANCE OF THE SHIDIQUAN ANTICLINE IN THE NORTHERN MARGIN OF THE QAIDAM BASIN[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2021,43(3):521-539.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2021.03.004
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柴达木盆地北缘石底泉背斜构造地貌特征及地质意义
董金元1), 李传友1,)*, 郑文俊2), 李涛1), 李新男1), 任光雪1), 罗全星1)
1)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
2)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, 男, 1971年生, 研究员, 现主要研究方向为活动构造, E-mail:chuanyou@ies.ac.cn。

〔作者简介〕 董金元, 男, 1988年生, 现为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:2020-04-27 修回日期:2020-07-20
基金项目:第2次青藏高原科学考察研究(2019QZKK0901)和国家自然科学基金(41590861)共同资助
摘要

石底泉背斜位于柴达木盆地北缘宗务隆山与红山围限的山间盆地内, 与怀头他拉背斜、 德令哈背斜构成宗务隆山山前的第1排褶皱构造, 限定石底泉背斜的构造地貌特征对研究柴达木盆地北缘构造变形、 地壳缩短和青藏高原的向N扩展具有重要意义。 文中通过地质地貌填图、 高精度差分GPS地形剖面测量、 地质剖面测绘和宇宙成因核素定年等方法, 获得了石底泉背斜的构造地貌特征。 基于宇宙成因核素定年获得构成褶皱主体的Fan3洪积扇的年龄为(158.32±15.54)ka, 该年龄与共和运动同期, 表明石底泉背斜的形成响应了青藏高原东北缘的共和运动。 综合洪积扇变形量和废弃年代, 获得石底泉背斜自158ka BP以来的隆升速率为(0.06±0.01)mm/a, 缩短速率为(0.05±0.01)mm/a。 石底泉背斜的褶皱作用表明, 在柴达木盆地北缘, 山间盆地的褶皱作用与山前逆断裂的逆冲缩短相同, 均对造山带前陆的地壳缩短具有重要的调节作用。

关键词: 石底泉背斜; 柴达木盆地北缘; 祁连山; 褶皱变形; 共和运动
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2021)03-0521-19
TECTONIC GEOMORPHIC FEATURES AND GEOLOGICAL SIGNIFICANCE OF THE SHIDIQUAN ANTICLINE IN THE NORTHERN MARGIN OF THE QAIDAM BASIN
DONG Jin-yuan1), LI Chuan-you1), ZHENG Wen-jun2), LI Tao1), LI Xin-nan1), REN Guang-xue1), LUO Quan-xing1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
Abstract

In the process of intense compression and shortening of the orogenic belt, a series of thrust faults and folds related to reverse faults developed in the piedmont. Determining the kinematic characteristics of these reverse faults and folds is of great significance for understanding the deformation mode of the orogenic belt. The Qilian Shan is located on the northeastern margin of the Tibetan plateau and is the front edge of the plateau expansion. The area has undergone strong tectonic activity since the Late Quaternary, with developed active structures and frequent earthquakes. There are a series of piedmont thrust faults and thrust related folds in the northern and southern margins of Qilian Shan. Compared with a large number of research results of active folds in Tian Shan area, the study of active folds in Qilian Shan is relatively weak. In the northern margin of the Qilian Shan, in addition to the study of individual active folds, most previous studies focused on the thrust faults in the northern margin of the Qilian Shan and the Hexi Corridor, and obtained the active characteristics of these faults. In the southern margin of Qilian Shan, that is, the northern margin of the Qaidam Basin, some studies have been carried out on paleoearthquakes and slip rate of the fault in the southern margin of Zongwulong Shan. However, the study on the late Quaternary folds in this area is relatively weak and there are only some sporadic works.
Shidiquan anticline is located in the intermountain basin surrounded by Zongwulong Shan and Hongshan in the northern margin of Qaidam Basin. It forms the first row fold structure in front of Zongwulong Shan with Huaitoutala and Delingha anticline. Constraining the tectonic geomorphic features of the Shidiquan anticline is of great significance for studying the crustal shortening in the northern margin of the Qaidam Basin and the expansion of the Qilian Shan to the Qaidam Basin. In this paper, the tectonic and geomorphic characteristics of Shidiquan anticline are obtained by means of geological mapping, high-precision differential GPS topographic profile survey, geological profile survey and cosmogenic nuclide dating. Field investigation shows that Shidiquan anticline is an asymmetric fold with steep south limb and gentle north limb, and is controlled by a blind reverse fault dipping northward. The age of the alluvial fan3 obtained from cosmogenic nuclide dating is(158.32±15.54)ka. This age coincides with the Gonghe Movement, indicating that the formation of Shidiquan anticline responds to the Gonghe Movement in the northeast margin of Tibetan plateau. The uplift rate of Shidiquan anticline since 158ka is(0.06±0.01)mm/a, and the shortening rate is(0.05±0.01)mm/a. The folding effect of Shidiquan anticline indicates that the folding of the intermountain basin in the northern margin of the Qaidam Basin, similar to the thrust shortening of the piedmont fault, plays an important role in regulating the shortening of the foreland crust.

Keyword: Shidiquan anticline; northern Qaidam Basin; Qilian Shan; fold deformation; Gonghe Movement
0 引言

新生代印度板块和欧亚板块的碰撞及其后的向N推挤导致青藏高原的不断隆升与扩展, 塑造了中国西部乃至整个中亚地区的构造与地貌格局(Molnar et al., 1975; Tapponnier et al., 2001)。 一些先存的古老构造带, 如天山、 祁连山等, 由于板块会聚的远程效应在新生代复活, 开始重新剥露与隆升, 形成了欧亚大陆内部规模庞大的再生造山带(Molnar et al., 1975; Avouac et al., 1993)。 造山带在强烈的挤压缩短隆升的过程中, 在山前发育了一系列逆冲断裂及逆断裂相关褶皱(邓起东等, 1999), 确定这些逆断裂及褶皱的运动学特征对理解造山带变形模式具有重要意义。 在天山地区, 天山北麓发育了3排逆断裂-褶皱带, 天山南麓发育了柯坪逆断裂褶皱带、 库车逆断裂褶皱带等逆断裂相关褶皱。 前人通过平衡地质剖面、 河流阶地变形测量等方法对这些活动褶皱开展了大量研究(Avouac et al., 1993; 邓起东等, 2000; 沈军等, 2001; 杨晓平等, 2006, 2008, 2012; 吕红华等, 2010)。 祁连山位于青藏高原东北缘, 是高原扩展的前缘部位, 该区晚第四纪构造活动强烈, 活动构造发育, 地震频发。 在祁连山北缘和南缘同样发育了一系列山前逆冲断裂及逆断裂相关褶皱(图 1),

图 1 柴达木盆地北缘—祁连山区域构造图Fig. 1 Regional structural map of the northern margin of the Qaidam Basin-Qilian Shan.

但与天山地区相比, 针对祁连山地区活动褶皱的研究相对薄弱。 在祁连山北缘, 除已对个别活动褶皱开展了相关研究外(Hu et al., 2015, 2017; 刘睿等, 2017; Yang et al., 2018), 前人的研究大多集中于祁连山北缘及河西走廊盆地内的逆冲断裂, 并已获得了这些断裂的活动特征(Hetzel et al., 2004; Palumbo et al., 2009; Champagnac et al., 2010; Hetzel, 2013; Zheng et al., 2013a, b, c; Yang et al., 2018; Cao et al., 2019)。 而在祁连山南缘, 即柴达木盆地北缘, 前人对宗务隆山南缘断裂的古地震和滑动速率等方面开展了一些研究(刘小龙等, 2004; Shao et al., 2018; 董金元等, 2019), 但对该地区晚第四纪褶皱的研究相对薄弱, 只开展了一些零星工作。 例如, 叶建青等(1996)通过野外调查对怀头他拉和德令哈背斜进行了初步的定性描述; 袁道阳(2003)根据估算的年龄对怀头他拉背斜的中更新世以来的变形速率进行了初步约束。 石底泉背斜为柴达木盆地北缘的一个晚第四纪活动褶皱, 位于柴达木盆地北缘宗务隆山与红山围限的山间盆地内, 与怀头他拉背斜、 德令哈背斜构成了宗务隆山山前的第1排褶皱。 获得该褶皱的活动特征对于认识青藏高原北部的构造变形机制、 高原向NE扩展的动力学过程具有重要意义。 另外, 2008年和2009年在石底泉附近发生了2次MW6.3地震, 开展针对石底泉背斜构造地貌特征的研究也对该区的地震危险性评价具有重要作用。

为了确定石底泉背斜的几何结构和活动性, 我们对其进行了详细的地质地貌填图, 综合应用高精度差分GPS地形剖面测量、 地质剖面测绘和宇宙成因核素定年等方法, 获得了石底泉背斜的构造地貌特征; 进而综合洪积扇变形量和宇宙成因核素定年结果计算了石底泉背斜的变形速率; 最后以此为基础讨论石底泉背斜的活动特征及其在柴达木北缘地区构造变形中的作用。

1 区域地质构造背景

柴达木盆地北缘逆断裂褶皱带是连接柴达木盆地与祁连山地块的边界性构造, 由一系列活动逆断裂和褶皱带构成, 包括赛什腾、 绿梁山、 锡铁山、 阿木尼克山、 大柴旦、 宗务隆山南缘等一系列断裂和石底泉、 怀头他拉、 德令哈等一系列背斜构造(图 2)。 其中, 盆地最内侧的一排构造由赛什腾、 绿梁山、 锡铁山、 阿木尼克山等断裂组成, 统称为赛什腾-锡铁山逆冲推覆构造(王根厚等, 2001; 冉书明, 2003), 走向NW, 呈雁列式反 “ S” 形展布, 该推覆构造中的这几条断裂分别被鱼卡凹陷和红山凹陷分隔为3段。 中间一排构造由欧龙布鲁克断裂组成, 该断裂主要以逆冲运动为主, 晚第四纪活动性相对较弱。

图 2 柴达木盆地东北缘的构造展布Fig. 2 Structural distribution of the northeastern margin of Qaidam Basin.

宗务隆山山前的一排褶皱构造为石底泉背斜、 怀头他拉背斜和德令哈背斜, 呈右阶雁列式展布, 走向NWW(图 2)。 石底泉背斜位于这一排构造的最西段, 其形态与地层特征将在下文详述。 怀头他拉背斜长约60km, 地表出露的宽度约为5km, 其东、 西2段为NWW走向, 中段近EW向, 褶皱核部由中新统油砂山组(N1y)和上新统狮子沟组(N2sz)构成, 翼部出露第四系七个泉组( QP1)砾石层。 德令哈背斜位于怀头他拉背斜SE侧, 背斜长约25km, 最宽处约6km, 走向110°, 背斜核部由上新统狮子沟组(N2sz)构成, 两翼由下更新统七个泉组( QP1)构成。 祁连山南缘的盆山边界断裂主要由大柴旦断裂和宗务隆山南缘断裂构成。 大柴旦断裂位于柴达木山南缘, 构成柴达木盆地北缘中段的盆山边界断裂, 是一条全新世活动断裂, 断裂总体表现为山脉向盆地挤压的逆冲性质, 但其在中段大柴旦镇北侧一带的地貌特征和断层剖面特征表现为右旋走滑(庞炜等, 2015), 调节断层东、 西段的差异性逆冲。 宗务隆山南缘断裂是一条全新世活动逆断裂, 位于柴达木盆地北缘逆冲断裂系的东端, 构成了祁连山南缘与柴达木盆地的盆山边界断裂, 断层滑动速率为0.4~0.5mm/a, 通过古地震研究获得了4次古地震事件, 复发间隔为(2 300±500)a(刘小龙等, 2004; Shao et al., 2018; 董金元等, 2019)。 最靠近山里的构造为宗务隆山断裂, 该断裂发育于山体内部, 海拔较高难以到达, 对其一直缺乏认识。

2 石底泉背斜的地质地貌特征及年龄限定
2.1 石底泉背斜的基本特征

石底泉背斜位于宗务隆山与南侧红山所围限的小型带状山间盆地内(图 2, 3)。 该盆地EW长约60km, SN最宽处宽约9km。 盆地东侧被怀头他拉背斜所限定, 西侧为柴达木山。 盆地南侧的红山由红山背斜和红山向斜等若干构造组成(图 3), 称为红山构造带, 卷入的新生界地层包括路乐河组(E1-2l)、 干柴沟组(E3N1g)、 油砂山组(N1y)和狮子沟组(N2sz)。 盆地北侧的宗务隆山主要由奥陶系和志留系组成(图 3)。 盆地沉积物主要由晚更新世—全新世冲洪积物组成。 盆地西端出露古近系, 而且在范围更大的地质图上, 盆地东端出露古近系和新近系, 从地层的空间延伸可以判断盆地底部存在古近系和新近系。 由于盆地相较周缘地势更低, 沉积了第四系, 盆地中的古近系和新近系被第四系所覆盖。 在空间上, 石底泉背斜轴与背斜东、 西部基岩中NWW-SEE走向的基岩断裂具有一致性(图 3), 存在二者为同一构造的可能性。 先存断裂晚第四纪以来响应共和运动开始重新活动, 在红山与宗务隆山所围限的山间盆地内, 断层活动导致石底泉背斜的隆升发育。 在这种情况下, 石底泉背斜可能是该断裂在盆地第四纪隐伏段的断展褶皱。

图 3 石底泉背斜及邻区地质图Fig. 3 Geological map of Shidiquan anticline and its adjacent area.

石底泉背斜的走向为NWW, 在地表延伸约20km, 呈线状展布, 宽约3km。 相比东侧的怀头他拉背斜, 石底泉背斜的褶皱幅度和变形范围比较有限, 地貌上表现为红山山前洪积扇上的隆起(图4a, b)。 河流及冲沟中出露的背斜核部地层主要由更新世冲洪积物构成, 岩性为砾岩和砂岩(图4c, d)。 砂岩中层理发育, 沉积物颜色为砖红色, 分选及磨圆较差, 物源显示其主要来自南侧的红山。 根据石底泉背斜所处位置的构造背景、 地貌特征、 地形剖面特征等综合分析认为背斜受控于断层。 该背斜在SN向地形剖面上显示为南翼陡且短、 北翼缓而长的不对称特点, 并且南翼在红山山前表现为山麓上的反向陡坎(图4e), 这些均指示控制褶皱的盲逆断层为N倾逆断层, 在深部由北往南逆冲。 褶皱两翼产状较缓(图4c, d), 岩层倾角皆在15°以内, 北翼产状为N∠7°~12°, 南翼产状为SW∠8°~14°。 本次工作沿着横穿背斜的河流实测了构造剖面AB(图 5, 7c), 将所测产状投影到垂直背斜轴向的N30°E向, 构造剖面也显示了褶皱南、 北两翼的不对称特征。

图 4 石底泉背斜的野外地质地貌特征
a 背斜南翼的地貌特征; b 背斜北翼的地貌特征; c 背斜南翼的产状; d 背斜北翼的产状; e 背斜地表延伸及切穿背斜的河流Fig. 4 Field geological and geomorphological characteristics of Shidiquan anticline.

图 5 石底泉背斜地貌面的分期解译Fig. 5 Stage interpretation of geomorphic surface of Shidiquan anticline.

2.2 地貌面的划分

在石底泉背斜东段对组成背斜的洪积扇进行了划分, 共分出4期洪积扇, 分别为Fan1、 Fan2、 Fan3和Fan4(图 5)。 Fan1是该区最新的堆积物质, 是由河道及河道摆动所形成的最新一期洪积扇。 Fan2发育在石底泉背斜南侧与红山北侧之间, 洪积扇表面较平坦, 侵蚀作用较弱, 冲沟密度较小, 切割深度浅。 Fan3是该区规模最大的一期洪积扇, 构成背斜的主体。 构造抬升作用导致Fan3洪积扇上的冲沟发育与下切, 冲沟密度> Fan2。 Fan3的地表堆积物以砾石为主, 成分以石英颗粒和变质岩砾石为主, 粒径从1cm到数cm不等, 磨圆较差, 属于近源沉积的产物。 Fan3与Fan2所处位置在石底泉背斜发育前应该为同一期洪积扇面, 由于后期褶皱作用引起构造抬升, Fan3被抬高从而废弃, Fan2的位置则相对Fan3降低而接受持续的加积作用覆盖了新的沉积物, 形成了现在的Fan2。 Fan4是该区最老的一期洪积扇, 发育于石底泉背斜南侧红山山前, 分布范围较小, 冲沟发育密集且规模较大。

2.3 地貌面的年龄

采用宇宙成因核素法对石底泉背斜地区最主要的2级地貌面的年龄进行了确定。 采集样品时尽量选择平坦且未经侵蚀的原始面, 每个样品采集约100颗粒径为2~4cm的石英颗粒。 同时, 在现代河床中采集河道样品用以估算继承性核素浓度(Schmidt et al., 2011)。 根据该原则, 在Fan2、 Fan3洪积扇分别采集了宇宙成因核素样品17DLHBe-20、 17DLHBe-18, 在河道里采集了样品17DLHBe-19(图 6)。

图 6 宇宙成因核素采样点的照片Fig. 6 Photographs of cosmogenic nuclide sampling sites.

宇宙成因核素样品的前处理在应急管理部国家自然灾害防治研究院完成。 首先将样品粉碎, 筛选250~800μ m粒径的石英颗粒, 用磁选仪分选去除云母等磁性矿物。 分别利用盐酸、 HF和HNO3混合酸进行样品提纯, 将30g提纯后的石英样品加入0.2~0.25g载体9Be, 置于HF酸中并加热使其完全溶解, 通过离子交换树脂柱提取Be2+离子; 在过柱后的溶液中加入氨水得到Be(OH)2沉淀, 将Be(OH)2沉淀烘干后放入马弗炉中煅烧为BeO。 制靶和加速器质谱AMS测试在法国国家科学研究中心宇宙成因核素实验室完成。 利用Balco等(2008)的宇宙成因核素测年CRONUS在线计算工具, 计算得到样品的暴露年龄。

测试结果显示, Fan3样品17DLHBe-18剔除继承性浓度后的年龄为(158.32±15.54)ka。 Fan2样品未剔除继承性浓度的年龄为(9.13±0.85)ka, 由于其10Be浓度小于河床, 无法计算剔除继承性浓度的年龄, 可能是由于Fan2上存在季节性流水使得其上的沉积物受到干扰, 沉积了最新的物质所致。 构成背斜主体的Fan3洪积扇的年龄为(158.32±15.54)ka, 表明背斜自158ka BP开始构造隆升, 使得Fan3洪积扇被废弃。

表1 宇宙成因核素的测年数据 Table 1 Results of 10Be dating
3 地貌面的变形特征及变形速率
3.1 地貌面的变形特征

我们使用Trimble公司的R8差分GPS对褶皱的地貌面进行了测量。 测量时, 剖面线与褶皱轴向大致垂直。 为避免后期侵蚀作用的影响, 尽量避开冲沟等侵蚀较严重的位置, 选取平坦未被侵蚀或侵蚀作用弱的路线进行测量。 本次共测量了4条地形剖面, 分别为Fan3洪积扇剖面l1、 l2、 l3与河道剖面l4(图 5, 7a)。 3条洪积扇的地形剖面长度近5km, 河道剖面的长度> 2km。 最终, 将4条剖面统一投影到与褶皱轴近垂直的N30°E方向上。

通过最小二乘线性拟合, 利用背斜形态最完整的剖面l1得到河床的坡度为向N缓倾1.78°, 背斜北翼的坡度为2.09°, 背斜南翼的坡度为0.58°。 在背斜北翼, Fan3相对于河床掀斜0.29°, 在背斜南翼, Fan3相对于河床掀斜1.20°, 背斜南翼的掀斜幅度大于背斜北翼。 背斜核部的最大拔河高度约为17m。 在实测地形剖面中剔除河床坡度, 可以更直观地表现褶皱的变形特征(图7b)。 地形剖面l1、 l2、 l3在其北端略微上翘, 坡度与背斜北翼不一致, 这是由于测线在北端进入了Fan1洪积扇, 坡度发生了变化。

图 7 石底泉背斜Fan3的地形剖面及构造剖面(剖面位置见图 5)
a Fan3的原始地形剖面; b 剔除河床坡度后的地形剖面; c 构造剖面; d 面积守恒模型Fig. 7 Fan3 topographic profile and structural profile of Shidiquan anticline.

3.2 褶皱的变形速率

自红山流出的季节性流水受到背斜南翼的阻挡, 其中一部分切穿背斜形成垂直背斜走向的冲沟, 另外一部分沿着背斜南翼平行于褶皱的轴向流淌, 不断侵蚀背斜南翼形成侵蚀陡坎, 使得部分段落的褶皱弧形态不完整。 在Fan3上测量的3条地形剖面中, l2和l3的南翼皆经受了不同程度的侵蚀(图 7), 显示的褶皱形态不完整, 而l1侵蚀较弱, 保留了褶皱的弧形形态, 因此我们用l1计算褶皱的隆升量和缩短量。

利用Epard等(1993)提出的面积守恒法对石底泉背斜的缩短量进行计算(图7d)。 位于德令哈背斜东端的德参1井揭示干柴沟组以上的岩性以粗碎屑为主, 下干柴沟组泥岩层较发育(甘贵元等, 2007), 而泥岩具有较低的摩擦系数, 比较容易发生顺层滑动, 因此推测石底泉背斜的滑脱层可能同样位于新生界底部的古近系内。 类似地, 黄伟亮等(2015)推测南天山山前和静凹陷区的滑脱层位于新生界底部的古近系内。 根据石油钻井资料, 德令哈背斜北侧的宗务隆山山前缺失侏罗系和白垩系, 下干柴沟组直接覆盖于花岗岩基底之上, 深度为1 210m(Yu et al., 2017), 同时穿过石底泉背斜东侧怀头他拉背斜的地震反射剖面也显示宗务隆山山前的新生界底部较浅(Yu et al., 2017)。 因此, 我们用约1 200m的深度近似代表石底泉背斜滑脱层的深度。 利用地形剖面, 得到总盈余面积为(9 900±500)m2。

面积守恒模型(图7d):

A=S×H(1)

其中, A为盈余面积, S为地壳缩短量, H为滑脱层的深度。

用盈余面积除以滑脱层深度, 计算得到Fan3废弃以来的地壳缩短量为(8.25±0.42)m。 结合Fan3洪积扇面的废弃年龄(158.32±15.54)ka, 计算得到Fan3废弃以来褶皱的缩短速率为(0.05±0.01)mm/a。 根据地形剖面得到褶皱的抬升量为9m, 计算得到Fan3废弃以来褶皱的隆升速率为(0.06±0.01)mm/a。

4 讨论
4.1 洪积扇的成因及构造意义

河流阶地或洪积扇的发育通常是由构造运动和气候变化所控制的(Hetzel et al., 2002; Burbank et al., 2011)。 构造抬升使得河流纵剖面的坡度发生变化, 从而导致河流动力增强, 发生下切导致阶地或洪积扇被废弃(Maddy et al., 2001)。 气候变化对阶地或洪积扇形成的影响主要反映于河流中的水量和含沙量的变化中, 具体表现为:冰期河流含水量少、 含沙量相对增多, 河流发生堆积; 间冰期气候湿润, 河流中含水量增多、 泥沙含量小, 河流下切作用增强, 导致阶地或洪积扇被废弃(张培震等, 2008; 杨景春等, 2012)。

构成石底泉背斜主体的Fan3洪积扇的形成年代为(158.32±15.54)ka BP, 对比深海氧同位素曲线, 该年代属于MIS6阶段(图 8), 而深海氧同位素偶数阶段表现为气候干冷, 处于冰期环境(胡春生等, 2006), 由此可知Fan3形成于冰期环境。 由于冰期环境不利于阶地或洪积扇的形成, 气候成因显然不能解释Fan3废弃的原因。 鹿化煜等(2004)在湟水流域西宁—互助地区识别出至少11级河流阶地, 并认为其发育主要受构造抬升控制, 其中T3阶地的年龄为150ka。 李吉均等(2001)得到兰州黄河阶地T3和祁连山东段北麓T2的年龄为150ka, 它们的形成对应于一期构造抬升事件。 胡春生等(2006)总结了河西走廊地区最近150ka BP以来的河流阶地年龄, 认为年龄为150ka和70ka的2级阶地代表了河西地区2期主要的构造抬升。 李吉均等(1996, 2001)将青藏高原东北缘约为150ka BP的构造抬升事件称为共和运动, 该事件对高原东北缘地区的影响极其深刻, 青藏高原东北缘正是经过共和运动才达到现在的高度。 针对本次工作在柴达木盆地北缘识别出的形成年龄约为150ka的洪积扇, 通过深海氧同位素曲线比对和区域构造活动分析, 发现其为构造成因, 是共和运动在柴达木盆地北缘的反映。 基于本次工作, 我们认为共和运动不仅在湟水流域西宁—互助地区、 黄河兰州段、 河西走廊等地区有响应, 在柴达木盆地北缘地区同样也有体现, 它应该是青藏高原东北缘一次区域性的构造事件。 此外, 在西南天山柯坪推覆构造区存在年龄约为142ka的地貌面年代, 表明发生在青藏高原东北缘的共和运动可能也影响了西南天山地区(杨晓平等, 2006)。

图 8 Fan3洪积扇年代与深海氧同位素曲线的对比(据Petit et al., 1999)Fig. 8 Comparison of Fan3 alluvial fan age and deep sea oxygen isotope curves(after Petit et al., 1999).

4.2 区域中强地震的孕震构造讨论

近10多a来, 石底泉背斜附近发生过多次中强地震, 其中2008年11月10日和2009年8月28日在石底泉南侧红山地区发生的2次MW6.3地震影响较大。 前人通过InSAR手段对地震的同震形变、 断层参数等开展了研究(Elliott et al., 2011; 温扬茂等, 2012; 王乐洋等, 2013; 温少妍等, 2016)。 余震的重定位结果显示, 2008年地震的余震主要分布在5~20km的深度, 且集中在较窄的范围内; 2009年地震的余震也主要分布在5~20km的深度, 但分布范围较2008年分散(图 9)。 同时, 2009年地震的余震主要分布在2008年地震余震的北侧。 Elliott等(2011)认为2008年和2009年大柴旦地震的发震构造与石底泉背斜相对应, 但他通过遥感影像和InSAR反演将石底泉背斜解译为一条逆断层, 断层倾向S, 向N逆冲。 Elliott等(2011)同时提出了断层的深部分段模型, 2008年地震破裂了断层的下段, 2009年地震破裂了断层的上段。 我们的野外实地调查结果表明, 遥感影像上显示的线性构造为一背斜褶皱, 并且根据地貌特征推断控制该褶皱的盲逆断层N倾、 向S逆冲, 与Elliott解释的断层倾向相反。 由此来看, Elliott等(2011)提出的关于2次大柴旦地震的发震构造和模型与野外的实际情况并不完全符合。 由于2次地震的主震和多数余震位于石底泉背斜南侧, 而控制石底泉背斜的盲逆断层是N倾逆断层, 故石底泉背斜是2次地震发震构造的可能性较小。 Chen等(2013)认为2008年大柴旦地震的发震构造是锡铁山南缘的锡铁山断裂, 2009年大柴旦地震的发震构造是宗务隆山北侧的宗务隆山断裂。 锡铁山断裂距2008年地震的震中约有50km, 该断裂的震中距偏大, 其作为2008年地震发震构造的可能性很小。 发生2次地震的红山地区由红山构造带构成, 深部构造十分复杂(王菁菁, 2009), 地震反射剖面显示在该区深部有数条断裂(付锁堂等, 2013)。 同时, 红山构造带是不同方向构造会聚转换的地区, 东侧为近EW向的怀头他拉背斜和宗务隆山南缘断裂, 西侧为NW向的大柴旦断裂, 这种构造方向发生变化的区域可能更容易积累应力, 易发生地震, 由此我们认为红山构造带可能是2008年地震的发震构造。 对于2009年地震, 其余震主要分布于红山构造的北侧, 从构造产状和震源深度分布看, 红山构造不应是其发震构造。 位于北侧的宗务隆山断裂正好为一S倾断裂, 其在深度上可与余震分布的深度相对应, 因此, Chen等(2013)所认为的宗务隆山断裂是其发震构造的结论应该是合理的。

图 9 2008年和2009年大柴旦地震的余震分布(余震重定位数据引自Chen et al., 2013)
a 2008年和2009年大柴旦地震余震平面分布; b AB剖面Fig. 9 Distribution of aftershocks of the 2008 and 2009 Dachaidan earthquakes (Relocation data of aftershocks are from Chen et al., 2013).

4.3 石底泉背斜在高原扩展中的意义

在活动造山带, 地壳缩短通常由山前逆断裂和分布在山间盆地的断层相关褶皱所调节(Burbank et al., 1999)。 祁连山由一系列近平行的山脉和山间盆地构成, Hu等(2017)对祁连山北缘祁连山与榆木山山间盆地的大河背斜开展了研究, 讨论了山间褶皱变形在祁连山北缘地壳缩短中的作用, 认为如果只用断层陡坎计算地壳缩短, 将大大低估该地区的地壳缩短率。 与祁连山北缘类似, 在柴达木盆地北缘, 山前和山间盆地存在一系列晚第四纪褶皱, 如石底泉背斜、 怀头他拉背斜、 德令哈背斜等, 这些褶皱吸收了一部分地壳缩短。 石底泉背斜的褶皱作用表明, 在柴达木盆地北缘, 山间盆地的褶皱作用与山前断裂的逆冲缩短相同, 均对吸收造山带前陆的地壳缩短具有重要作用。

此外, 石底泉背斜等柴北缘一系列山间和山前褶皱在祁连山南缘的造山过程中起着重要作用。 柴达木盆地是一个多旋回叠置、 多成因类型的复合盆地, 经历了早中侏罗世到新近纪-第四纪的漫长演化阶段(罗群, 2008)。 与北祁连的隆升时间同步, 南祁连宗务隆山自18~11Ma BP开始快速剥露隆升(Pang et al., 2019), 逆冲扩展导致柴达木盆地北缘出现广泛的构造变形。 柴达木盆地北缘的欧龙布鲁克山自(7±2)Ma BP开始隆起, 位于宗务隆山与欧龙布鲁克山山间盆地的怀头他拉背斜自3.5~2.5Ma BP开始发生褶皱变形(Pang et al., 2019)。 因此, 柴北缘的扩展模式并不符合前陆逆冲系统扩展的前展式或后展式单一模式, 而是一种相对复杂的扩展模式。 先存的构造薄弱带由于应力作用逆冲造山(如柴北缘欧龙布鲁克山、 阿木尼克山), 形成背驮式盆地, 随后背驮式山间盆地在石底泉背斜、 怀头他拉背斜等逆断裂相关褶皱的构造作用下不断挤压隆升, 山间盆地随时间逐渐被抬升和破坏, 卷入山体并成为造山带的一部分, 高原由此不断增生(图 10)。

图 10 祁连山南缘可能的造山模式(改自Burbank et al., 2011)Fig. 10 Possible orogenic models in the southern margin of Qilian Shan(Adapted after Burbank et al., 2011).

5 结论

本文通过遥感影像解译、 野外地质地貌调查和宇宙成因核素测年等方法, 得到以下认识:

(1)获得了柴达木盆地北缘石底泉背斜的构造地貌特征, 石底泉背斜在形态上呈南翼陡、 北翼缓的不对称褶皱, 深部受控于一条N倾的盲逆断层。

(2)利用宇宙成因核素定年得到构成背斜主体的Fan3洪积扇的年龄为(158.32±15.54)ka。 通过区域构造活动的对比分析, 我们认为石底泉背斜的形成响应了青藏高原东北缘约150ka BP的共和运动, 是共和运动在柴达木盆地北缘的反映。 158ka BP以来, 石底泉背斜的隆升速率为(0.06±0.01)mm/a, 缩短速率为(0.05±0.01)mm/a。

(3)通过对石底泉背斜南侧2008年、 2009年2次大柴旦地震的讨论, 我们认为石底泉背斜不是这2次地震的发震构造, 红山构造带和宗务隆山断裂可能分别是2008年和2009年地震的发震构造。

(4)石底泉背斜的褶皱作用表明, 在柴达木盆地北缘地区, 山间盆地的褶皱作用和山前逆断裂的逆冲缩短相同, 对造山带前陆的地壳缩短具有重要的调节作用。

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!

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