引用本文
黄伟亮, 杨晓平, 李胜强, 杨海波. 天山内部走滑断裂晚第四纪活动特征研究——以开都河断裂为例[J]. 地震地质, 2018,40(5): 1040-1058.
HUANG Wei-liang, YANG Xiao-ping, LI Sheng-qiang, YANG Hai-bo. THE LATE QUATERNARY ACTIVITY CHARACTERISTICS OF THE STRIKE-SLIP FAULTS IN THE TIANSHAN OROGENIC BELT: A CASE STUDY OF THE KAIDUHE FAULT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(5): 1040-1058.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.05.006
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天山内部走滑断裂晚第四纪活动特征研究——以开都河断裂为例
黄伟亮1,2, 杨晓平2,*, 李胜强3, 杨海波2
1长安大学地质工程与测绘学院, 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 西安 710054
2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
3河北省地震局, 石家庄 050021
*通讯作者: 杨晓平, 研究员, E-mail: yangxiaoping-1@163.com。

〔作者简介〕 黄伟亮, 男, 1987年生, 2015年于中国地震局地质研究所获构造地质学专业博士学位, 现为长安大学地质工程与测绘学院讲师, 主要从事活动构造与古地震、 新构造与地质灾害等方面研究, 电话: 029-82339296, E-mail: huangweiliang@chd.edu.cn。

收稿日期: 2017-08-28
基金项目: 国家自然基金(41602220)和长安大学中央高校基本科研业务专项(300102268101,310826161004)共同资助
摘要

天山是典型的陆内再生造山带, 其内部构造变形样式复杂且多样。其中尤为显著的是多条长度长、 线性良好的NW-SE和ENE-WSW的走滑断裂切割山体内部, 并表现出线性笔直的槽谷型地貌景观。现今天山内部的多次强震活动与这类走滑断裂关系密切, 因此精细化厘定这些断裂的活动速率和活动特征对于认识现今天山内部变形方式和变形过程具有重要的意义。文中对南天山内部1条NW-SE向右旋走滑断裂——开都河断裂的活动特征进行研究。开都河断裂起自大尤鲁都斯盆地南缘并向SE延伸, 切穿南天山焉耆盆地内部, 在盆地西南部形成线性连续且笔直的陡坎地貌, 尤其是断层在穿过中晚更新世2期洪积扇时断错了扇体上一系列不同时代的河流冲沟, 形成从3~248m不等的右旋位错量。通过利用多视角摄影测量技术沿断裂对近12km线性构造地貌进行了条带状航拍, 建立了分辨率高达0.25m的数字地形数据。精确测量了22个典型右旋位错值, 发现其位错峰值主要集中在3.5m、 7.0m、 11.8m和14.5m, 总结认为开都河断裂单次地震右旋走滑位移量大致在3~4m之间。此外, 利用原地宇宙成因核素深度剖面法测定断错洪积扇面的暴露年龄约为235.7ka。结合所测得的冲沟最大的右旋位移量 248m, 得到开都河断裂晚更新世以来最小右旋走滑速率约1mm/a。通过与天山内部其余活动构造变形速率进行对比, 认为开都河断裂在调节天山内部构造变形中起到重要作用, 应是天山内部主要的变形构造和应力应变积累区, 未来具有发生强震的危险性。

关键词: 走滑断裂; 滑动特征; 宇宙成因核素; 三维地形模型; 天山
中图分类号:P315.2 文献标志码:0253-4967(2018)05-1040-19 文章编号:0253-4967(2018)05-1040-19
THE LATE QUATERNARY ACTIVITY CHARACTERISTICS OF THE STRIKE-SLIP FAULTS IN THE TIANSHAN OROGENIC BELT: A CASE STUDY OF THE KAIDUHE FAULT
HUANG Wei-liang1,2, YANG Xiao-ping2, LI Sheng-qiang3, YANG Hai-bo2
1)College of Geological Engineering and Surveying of Chang’an University/Key Laboratory of Western China Mineral Resources and Geological Engineering, Xi’an 710054, China;
2)Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration,Beijing 100029, China
3)Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China
Abstract

As the most active intracontinental orogenic belt in the world, the Tianshan orogenic belt has complex and diverse internal structural deformation patterns, and among them, the particularly striking is the linear straight U-type valley landscapes which cut inside the mountains by multiple NW-SE and ENE-WSW strike-slip faults. Many of the modern strong earthquakes in Tianshan orogenic belt are closely related to these strike-slip faults. Therefore, it is important to elaborate the activity characteristics of these faults to understand the deformation process inside the Tianshan Mountains belt. This paper focuses on one of the NW-SE right-lateral strike-slip fault(the Kaiduhe Fault), which lies inside the southeastern Tianshan. Typical offset landforms and scarp lineaments on the western segment of the Kaiduhe Fault can be used to study the activity characteristics and strike-slip rate. In particular, the fault cuts through the late Quaternary alluvial fans and a series of river gullies were right-laterally faulted, producing dextral offsets ranging from 3 to 248m. A digital elevation model(DEM)with resolution of 0.25m was established by using multi-angle photogrammetry technique to stripe about 12km linear tectonic landforms along the Kaiduhe Fault. Geological and geomorphic mapping in DEM with 22 high-resolution dextral offset measurements reveals that the dextral offsets can be divide into four groups of 3.5m, 7.0m, 11.8m and 14.5m. It is presumed from the approximately uniformly-spaced offsets that the coseismic offset was 3~4m. In addition, the exposure age of an older alluvial fan surface was about 235.7ka by in situ10Be terrestrial cosmogenic nuclide method. Combining the exposure ages and the maximum dextral offset of 248m, we found that the strike-slip rate of the Kaiduhe Fault is about 1mm/a. It is found by this study that the Kaiduhe Fault plays an important role in regulating SN compression deformation within Tianshan Mountains, and it should also be the main stress-strain accumulation area which has the risk of occurrence of strong earthquake.

Keyword: strike-slip fault; slip behavior; cosmogenic nuclide dating; 3D surface modeling; Tianshan
0 引言

新生代以来印度板块向欧亚板块碰撞, 使远离碰撞边界2i000km的板块内部— — 天山造山带重新复活, 形成了现今横亘于中亚最为宏伟的板内造山带(Windley et al., 1990; Allen et al., 1993; 张培震等, 1996; 邓起东等, 2000)。天山主体发育有多条走向EW的逆冲断层, 将山体分割成夹持在稳定的塔里木和准噶尔地块之间的多条山脉和多个EW向展布的山间盆地(Molnar et al., 1975; Avouac et al., 1993; Thompson et al., 2002)。此外, 多条NW-SE向右行走滑断裂(如塔拉斯费尔干纳断裂、 博罗科努断裂、 开都河断裂)和ENE-WSW向左行走滑断裂(如克敏断裂、 那拉提断裂)切割山体内部, 表现出线性笔直的槽谷型地貌或成为基岩山体和山间盆地的边界断裂(图1)。这些断裂大多为古生代先存断裂, 规模巨大, 通常可延展数百km(Tapponnier et al., 1979; Selander et al., 2012; Campbel et al., 2013)。天山内部强震的孕育与发生常与这些断裂关系密切, 其中比较突出的有: 1911年克明7.8级地震发生在ENE-WSW向左行逆冲断裂之上, 在地表形成约200km的地表破裂带(Arrowsmith et al., 2017); 1812年尼勒克8级地震发生在NW-SE向的喀什河断裂上, 其右旋水平位移达4m(冯先岳, 1997; 尹光华等, 2002)等。天山内部部分5~7级地震的震源机制解也显示出具有明显的走滑分量(聂晓红等, 2005; 龙海英等, 2008), 以上均说明天山内部走滑型断裂具有发生中强地震的能力(图1)。但是, 目前对于这些断裂的活动性研究尚不充分, 尤其是晚新生代以来其是否重新活动, 活动速率是多少等, 没有明确的报道。而现今GPS观测到天山内部确实存在走滑剪切变形, 但由于天山内部GPS台站过于稀疏, 无法鉴定出某条断层的活动特征以及活动速率(Reigber et al., 2001; 杨少敏等, 2008; Zubovich et al., 2010)。

图 1 天山地区活动断层分布图
数字为该处断层的活动速率(mm/a); TFF 塔拉斯-菲尔干那断裂; KDKF 博阿断裂; KSH 喀什河断裂; NLT 那拉提断裂; BET 包尔图断裂; KDH 开都河断裂(本次研究断裂)Fig. 1 Distribution of active faults in the Tianshan Mountains region.

本文聚焦于对南天山内部1条NW-SE向右旋走滑断裂— — 开都河断裂的研究(图1), 通过对断错地貌面的高精度地形测量和统计不同期次地震的位移特征, 并借助原地宇宙成因核素对断错地貌面暴露年龄进行研究, 定量化计算该断裂晚第四纪以来的滑动速率, 这可为认识现今天山的变形过程和变形方式提供定量化的数据支持, 对于理解天山内部强震发生地点和构造条件也具有重要的现实意义。

1 地质背景

开都河断裂整体呈NW-SE向展布, 西起尤鲁都斯盆地南缘, 自西向东穿过整个焉耆盆地, 至库米什盆地西缘, 总长度> 300km, 是1条区域性大断裂 (宋和平, 2005)(图1)。该断裂所处大地构造环境为南天山褶皱带中南部, 夹持在额尔宾山复背斜和霍拉山复向斜之间。第四纪以来开都河断裂活动强烈, 在SN挤压应力的作用下形成若干近EW向的断层谷地, 并控制了现今开都河河流的发育, 在基岩山区河流刻蚀出200~300m深、 线性笔直的 “ V” 型峡谷地貌(图2a)。河谷南侧的基岩山体山脊线大多同步发生右旋位错, 位错量为700~1i200m(Lin et al., 2002), 在开都河沿岸, 断层在剖面中表现为前中生代变质岩逆冲到中新世泥岩之上, 倾角约60° ~70° (图3a)。 断层部分地段出露有宽200~300m的破碎带, 破碎带内可见有定向排列的断层角砾, 在一些硅质岩石表面留有倾伏向为SE、 倾伏角在10° ~15° 的擦痕, 说明断裂后期以水平走滑为主要运动方式(Lin et al., 2002)。1927年9月23日在察汗乌苏基岩山体一带发生6.8级地震, 震中烈度为Ⅷ 度, 从历史地震记载与现代地震资料来看, 此次地震的发震构造很可能为开都河断裂(图2a)(Lin et al., 2002)。

图2 a开都河断裂焉耆盆地段展布图; ba– a′ 地震反射剖面图; cb– b′ 地震反射剖面图; d跨断层陡坎剖面图（具体剖面位置见图4）Fig.2 SRTM image and seven topo-profiles of the Kaiduhe Fault

图 3 开都河断裂断错照片
a 基岩山区开都河断裂逆冲剖面, 拍摄位置见图2a; b 开都河断裂在Qo地貌面形成断层陡坎, 拍摄位置见图4; c、d 开都河断裂断错Qo地貌面上小型冲沟, 拍摄位置见图4Fig. 3 Field photographs of the Kaiduhe Fault and fault offsets.

开都河断裂出峡谷后进入焉耆盆地, 可分为西、 中、 东3个部分(图2a)。断裂西段在地表表现出线性明显的断层陡坎, 坎高几m到几十m不等(图3b), 并且穿过多期冲洪积扇面, 后期发育在洪积扇上各类冲沟被右旋断错, 表现出断裂具有走滑剪切的特点(图3c, d)。断层陡坎坡向大多为NE向, 但在局部地段也表现出SW向的陡坎地貌(图2a)。断裂中段在地表并未有所表现, 但根据断裂的展布方向, 应当穿过博斯腾湖南侧, 但由于断裂中段人类活动密集, 以及全新世博斯腾湖水活动, 使得现今地表无法保存断裂活动的迹象。河南油田在焉耆盆地中部进行了大规模的油气田勘探开发, 根据已公开发表的yq520和h98_686_5 2条测线分别以垂直和斜交的方式穿过开都河断裂(武金龙, 2010), 在地震反射剖面上可以清楚地看出开都河断裂为1条倾角陡立、 略向S倾的断裂, 其中中生代地层最大垂直断距可达1km(图2b, c)。断裂东段主要包括2条平行断层, 相互间隔约6km, 走向与西段一致, 并切过多个晚第四纪洪积扇, 表现出断续的陡坎地貌, 发育在洪积扇上的部分冲沟被同步右旋位错。断裂继续向东延展, 在地表表现出断续的线状陡坎地貌, 并作为限定基岩山体和第四纪沉积物的边界断裂最终进入库米什盆地与辛格尔断裂相连。

本次研究主要聚焦于开都河断裂进入焉耆盆地的西段部分(图2a), 通过建立亚米级分辨率的数值高程模型(DEM)对断裂西段近12km线性良好的断错地貌区进行了细致的活动构造解译, 获得断层不同期次的右旋走滑位移量, 并利用宇宙成因核素确定被断错地貌面的暴露年龄, 计算获得了开都河断裂晚第四纪走滑速率。

2 研究方法

近年来, 多视角移动摄影测量技术SfM(Structural from Motion)因其成本低、 效率高, 成为快速获取亚米级分辨率数值高程模型(DEM)的有效方法(Westoby et al., 2012; Fonstad et al., 2013)。本文通过该方法对开都河断裂部分典型段落断错地貌区进行亚米级分辨率的地形测绘, 旨在更精细地恢复断错地貌形态及准确测量断错位移量。具体步骤为: 首先利用小型航拍无人飞行器(DJI-phantom-4pro)对测量区域进行高覆盖率(航片重合率 > 80% )航拍飞行, 并通过利用Trimble R8差分GPS测绘地面相控点并对航拍影像进行校准; 然后利用三维地形重建软件(Photoscan)建立亚米级分辨率DEM数据, 并最终输出分辨率为0.25m的地形数据(DEM)及cm级分辨率的正射多光谱影像数据。在所获得航拍影像数据和三维地形数据的基础上进行精细的活动构造解译, 并对断错地貌标志进行系统测量。

对于被断错的地貌面的年龄限定是定量化研究断层活动速率以及研究地震复发历史的关键, 也是活断层研究中的核心问题(Walker et al., 2005; 张培震等, 2008)。本次研究中使用的原地宇宙成因核素深度剖面法是目前确定干旱地区粗颗粒快速堆积体地表暴露年龄的最为有效和准确的方法之一(Ivy-Ochs et al., 2013)。该方法通过采集不同深度的核素样品, 利用核素浓度衰减曲线对不同层位的沉积物中的核素浓度值进行拟合, 从而可以有效地剔除继承性核素浓度, 得到相对准确的地貌面暴露年龄(Anderson et al., 1996; DeVecchio et al., 2012; Stange et al., 2013)。本文主要利用石英矿物中含量较高的10Be元素, 对地貌面进行年代确定, 其半衰期为1.37Ma, 远大于地貌面的形成年龄, 因此可以确定出地貌面的暴露年代。 关于原地宇宙成因核素测年的方法和原理参见文献(Granger et al., 2007; Gosse, 2012), 本文不再叙述。

3 开都河断裂带西段活动特征
3.1 开都河断裂带西段断错地貌特征

开都河断裂进入焉耆盆地后, 在地表表现出线性明显且连续的陡坎地貌, 并在不同地貌面上展现出走滑断裂从发育到贯穿连通不同阶段的图像。在焉耆盆地西部, 霍拉山山前3期洪积扇面被系统地右旋断错, 在地表上保存了走滑断裂由萌芽到最后贯穿破裂的图像。利用SfM方法对该处的断错地貌进行了系统的航拍测绘, 并展现在图4中。

图4 开都河断裂0．25m分辨率断层陡坎分布图
图7各位错点的位置以白色虚线框所显示。左上角为走滑断裂发育模式图, 改自肖阳等（2007）Fig.4 Detailed hillshade relie fmap of Kaiduhe Fault, showing fault segments and offsets measurementsite

焉耆盆地西部被断错的洪积扇面按距现今河床的拔河高度可分为3期, 从老到新分别是Qo、 Qy、 Qh, 其中Qo还可按新老程度细分为Qo1和Qo2。在洪积扇顶端的霍拉沟沟口, 这3期洪积扇在空间上具有明显的切割叠置关系, 分别距现今霍拉河河床40~50m、 20~30m及2~3m。开都河断裂在年轻的Qy洪积扇面上形成了多条与主变形带夹角在10° ~20° 之间呈左阶雁列式排布的陡坎地貌, 每条陡坎长100~300m, 且与主变形带夹角在10° ~20° 之间, 穿过陡坎的小型冲沟等地貌标志体被右旋位错。这一地表表现形式恰恰对应于在简单剪切作用下的走滑断裂早期发育阶段(图4c), 实验室物理模型试验(肖阳等, 2017)及走滑断裂演化过程(Sylvester, 1988; Wesnousky, 1988)表明走滑断裂在早期优先发育有与主位移带走向斜交的R剪切断裂, 断裂与主位移带呈约20° 斜交, 走滑方向与整体剪切方向一致。

而在Qo2级洪积扇面上, 主要表现为2条800~1i000m的陡坎成左阶排列, 陡坎走向与主变形带夹角< 10° , 陡坎两侧的地貌标志体同样被右旋断错, 并展现出更大的右旋位移量。该地貌特征对应于走滑断裂在进一步发展过程中, 与主位移带成更小角度相交的破裂开始发育, 并且走滑带内部断裂相互连接。在Qo2与Qo1级洪积扇面交接处发育有1个宽约300m的小型挤压阶区(图4b), 最新的断层活动已斜向贯穿该阶区, 表明该阶区并未构成断层分段的边界。

在Qo1级洪积扇面上, 断层表现出线性平直的陡坎地貌, 陡坎走向连续且与主变形带平行, 多处发育有台阶状陡坎地貌(图4a)。穿越陡坎的大、 小型冲沟、 阶地均被系统地右旋断错, 保存有位错量不一的各种断错地貌(图3c, d)。该地貌特征可以对应于走滑断裂晚期贯通破裂阶段, 物理模型试验(周永胜等, 2003; 肖阳等, 2017)和野外断层表现(Sylvester, 1988)均表明随着走滑量的增加, 走滑带内部断裂相互连接, 并形成与主变形带平行的Y剪切断裂, 最终由一系列断裂相互连接合并形成具有一定宽度且连续贯通的变形带(图4a)。

开都河断裂除具有明显右旋走滑位移特征外, 还表现出一定的逆冲分量。沿断层主位移带, 表现为断层南盘向N逆冲, 形成一系列坡向N的线性陡坎地貌。在有流水下切所表现出的陡坎剖面中也可看到主断面由南向北逆冲的特征(图3b)(Lin et al., 2002)。地貌上表现为从Qo到Qy洪积扇面陡坎高度逐渐降低, 部分地段主断层陡坎由2~3级台阶状陡坎组成(图2d)。利用差分GPS及对所获得DEM数据进行陡坎高度测量, 发现Qo1地貌面断层陡坎高度较高, 平均陡坎高度> 20m(图2d、 图4a, 第①— ②剖面), 其中陡坎最大高度为25m, 向东陡坎高度逐渐降低, 在Qo2洪积扇普遍陡坎高度< 10m, 并最终在Qo2洪积扇东侧边界下降到7m左右(图2d、 图4b, 第③— ④剖面)。在较年轻的洪积扇体(Qy)上, 陡坎高度普遍集中在2~3m之间, 远低于东侧Qo期洪积扇上10~20m的陡坎高度。此外, 位于Qy洪积扇体东侧, 最新河漫滩西段(Qh)部分地区保存有高度为1m左右的断层陡坎(图2d、 图4c, 第⑦剖面), 在Qo1期地貌面大型冲沟两侧所发育最年轻河流阶地面上也保存有高0.8m左右的断层陡坎(图2d、 图4a, 第⑧剖面), 这应是开都河断裂全新世活动的证据。

3.2 开都河断裂带西段水平位错量

在断裂位错测量中, 首先要确定断层的位置、 走向和运动性质, 之后寻找断层两侧被水平或垂直断错的同一地貌标志体, 通过测量地貌标志体之间的位移可以揭示出断层活动的特征(何宏林等, 2002; 徐锡伟等, 2007; 张培震等, 2008)。

开都河断裂在穿过Qo和Qy 2期地貌面时除表现出明显的线性特征外, 还使一些大型冲沟水系发生明显的右旋位错现象。在Google Earth影像中表现为一系列自SW向NE流淌的大型冲沟被系统地右旋位错。根据冲沟形态、 流向、 宽度和深度等指标, 在野外对被断错分开的冲沟进行了比对, 主要依据断层两盘冲沟的长度、 下切深度和沟谷宽度确定了7条被明显断错的大型冲沟(图5)。这7条冲沟均分布在Qo地貌面西侧(图4a), 且在断层两侧根据沟谷宽度、 河道下切深度及河道偏转方向可以明确这7条冲沟在被断错前属于同一冲沟系统(图5)。Lin等(2002)在对开都河断裂活动性研究中, 也同样明确指出Qo地貌面上的这7条冲沟属于同源性冲沟, 可以反映开都河断裂右旋走滑的活动特征。

图5 a 开都河断裂断错大型冲沟卫星影像; b 被断错冲沟解译图; c 水系位错几何关系, 引自Ouchi(2005)Fig. 5 Google Earth image and interpretation map showing the distribution of drainage systems along Kaiduhe Fault.

利用Ouchi(2005)提出通过测量断错水系与断错区域上下2个界面的交点距离(图5c), 在校准后的Google Earth影像中初步确定了各条水系的位错量及误差(表1), 结果表明大型冲沟右旋位错距离集中在90~259m之间。尽管这种测量方法具有很大的不确定性, 没有考虑到断层的垂向运动会导致与断层斜交的冲沟出现不真实的水平位移, 但是测量结果对位移值大小的趋势反映应该是准确的, 并且也可以看出发育程度不同的冲沟展现出了不同级别的位错量。由于a冲沟处于Qo地貌面的西边界, 后期流水活动频繁, 使其在影像上表现出较出明显的宽谷状河床(图5), 其余冲沟均表现出右旋位错量的大小与冲沟发育时代的新老关系相匹配。其中d-d'冲沟表现出近260m的右旋位错量, 这也与该冲沟为洪积扇面上沟谷宽度最宽、 沟长最长的特征相符合, 说明该冲沟应是Qo地貌面发育时间最久的1条冲沟。

表1 横切开都河断裂7条冲沟的位错信息(冲沟位置见图5b) Table1 Offset of big channels measured along the Kaiduhe Fault

为了更加精确地获得大型冲沟的位错量, 对其中位错量最大的d-d'和洪积扇年代学样品采集点附近的f-f'冲沟使用Zielke等(2012)基于LidAR地形数据所开发的水系位错测量程序LaDiCaoz, 分别在所获得的亚米级分辨率DEM数据和野外利用差分GPS测量所获得的局部地形数据上对断层两侧被断错的冲沟进行了测量。基于断层走向、 河流流向、 断层两侧所测冲沟位置等参数, 通过对比被断错河流剖面形态的相似性, 获得最佳位错测量点, 得到位错量和相关测量误差。这种测量方法考虑到河流本身与断层走向斜交的角度, 以及所测量位置距断层的距离等外部因素, 可以给出合理的测量结果及误差。最终由于d-d'冲沟流向与断层走向近垂直, 得到2σ 置信区间的右旋位错量为248 +3-8m(图6a), 而f-f'冲沟与断层呈大角度斜交, 得到的右旋位错结果不确定性较大, 其峰值位错量为144m(图6b)。

图 6 a Qo洪积扇面d-d'冲沟局部位错图, 位错量约248m, 冲沟位置见图5; b Qo洪积扇面f-f'冲沟局部位错图, 位错量约144m, 冲沟位置见图5Fig. 6 Offset of stream channels measured along the Kaiduhe Fault shown in Fig. 5.

然而, 断层小级别位错量和最新活动迹象的识别是认识断裂活动历史、 强震复发规律的难点和关键点, 也是现今活动断裂研究中最有价值的定量化参数。 Ren 等(2016)和Klinger等(2011)基于高分辨率的地形数据和多光谱遥感影像, 对被大量断错地貌标志体进行了系统地测量, 分别分析了海原断裂和富蕴断裂上单次地震和多次地震的位移量, 认为这2条断裂大震复发模型属于特征地震模型, 并得到了特征滑动位移和震级大小等关键断裂活动参数。本次研究利用野外实地考察和在所获得的亚米级分辨率DEM及多光谱遥感影像上对断错地貌进行详细解译和测量, 通过制作坡度图、 地形图、 高程图、 阴影图等多种遥感图件, 更为直观地识别出被断错的地貌标志体。

在本研究区中, 开都河断裂可识别出的最小级别位错量在2~3m之间, 如在图7中的1号调查点处, 陡坎上方雨水冲刷所形成的纹沟被右旋位错, 位错量约为2.8m, 在2号调查点, 与陡坎近垂直的2条季节性冲沟均被右旋断错, 通过比对冲沟东侧沟壁位置, 恢复右旋位错量约3.7m; 其次, 还有部分地貌体保存有5~6m的位错量, 在3号调查点根据对3处不同地貌体边界的限定, 恢复断层在此处的位移量为6.4m; 而在4号调查点最新1期河漫滩处, 小型冲沟也被右旋位错了5.8m, 与地貌面上近1m高的陡坎(图2d, 第⑦剖面)共同记录了开都河断裂新近活动的特征。除此之外, 部分下切深度较深、 朔源侵蚀较远的中小型冲沟的右旋位错量可达10m左右(如1号调查点)。

图 7 沿开都河断裂各类小冲沟位错坡度图
黑色虚线均表示谷底与斜坡的分界线; 调查点 1、 2、 3、 4位置见图4Fig. 7 Offset of small channels measured along the Kaiduhe Fault shown in slope maps.

3.3 开都河断裂带西段水平位移分布特征

根据上述测量方法, 通过在野外利用Trimble R8差分GPS直接测量沟底线的水平位错距离和在所获得的亚米级分辨率DEM对断错地貌位错量进行恢复等手段, 慎重选取和测量了与断层走向近垂直相交的线性地貌标志体(主要包括小型冲沟、 废弃的河床、 地貌面边界等)。最终, 沿开都河断裂共获得了22个水平位错数据(表2), 其中大部分数据分布在Qo地貌面处, 而在Qy地貌面由于现今季节性面状流水作用仍非常显著, 仅有零星几个地貌点保留有可供测量的可靠位错证据(测量位置见图4)。根据所测地貌标志体线性延展程度、 保存情况将测量结果分为好(1)、 中(2)、 一般(3) 3等。

表2 开都河断裂水平位错量 Table2 Lateral displacement amounts of Kaiduhe Fault

为了更科学地评估开都河断裂水平位移量的分布特征, 对所获得的22组右旋位错数据进行了统计分析。将所获得的位移数据沿断裂走向投影, 得到断裂水平位移量分布图; 其次对水平位移数据进行概率密度模拟分析, 对所获得的水平位移量进行以1m为步长的频率统计分析。 统计分析结果表明, 水平位移具有形态比较好的4组峰值, 分别为3.5m、 7.0m、 11.8m、 14.5m(图8a)。

图 8 开都河断裂水平位移分布特征
a 位移量频率分布曲线; b 位移量沿断裂分布Fig. 8 Distribution of horizontal displacement along the Kaiduhe Fault.

仅从所获得水平位移分布曲线特征上来看, 开都河断裂单次地震的同震位移应大致在3~4m之间, 并且4次地震事件之间的水平位移量具有倍数关系, 这可能说明7.0m、 11.8m和14.5m分别对应2~5次强震的累计位移量, 且每次地震具有相似的滑动量, 意味着开都河断裂近2~5次地震活动可能遵循特征地震的滑动行为。但也要意识到由于统计样本数据偏少, 可能对分析结果带来较大的不确定性, 后期仍需要通过探槽等直接手段重新核实开都河断裂的古地震发生情况和位移特征。

3.4 开都河断裂带西段平均走滑速率

为了求取开都河断裂的平均走滑速率, 需要确定所被断错的地貌标志体的年代。我们选取断错地貌面保存最为丰富的Qo洪积扇体进行了原地宇宙成因核素(10Be)暴露年代测定。 Qo洪积扇表面平整, 略向盆地中心缓倾, 在霍拉沟沟口, 该洪积扇扇顶处拔河40~50m, 整个洪积扇被后期地表径流切割较为明显。洪积扇表面不发育大个砾石沉积, 以风化破碎的变质岩、 花岗碎屑岩沉积为主, 部分砾石颗粒发育有褐黑色的沙漠漆, 无后期再堆积的迹象。从部分河流深切的剖面中表现出典型的冲洪积堆积的特点, 砾石磨圆度好, 但分选差, 个别砾石直径超过1m, 砾石整体呈叠瓦状排列, 指示水流由南向北流淌。此外, 采样区位于中亚内陆干旱区, 年均降雨仅64mm, 地貌面后期所遭受的侵蚀和堆积作用非常微弱, 从堆积物剖面中也可看出仅在表层30cm处具有较弱的钙质胶结。

本次采样点选择在g-g'冲沟附近的开都河断层南盘(抬升盘), 该处距离洪积扇顶部约6km, 采样点位于1条下切较深的冲沟的垂直沟壁, 为了消除后期宇宙射线通过沟壁照射对沉积物核素浓度的影响, 向沟壁内侧挖掘了75cm(图9)。DeVecchio等(2012)在研究加利福尼亚Transverse山前地貌演化时, 证明中晚更新世沉积物从侧面(与沉积表面相垂直的面)所接受的沉积后的累计核素浓度非常有限, 厚度在50cm以上的沉积物可以很大程度减小核素的生成速率。在开挖暴露的新鲜剖面自上而下共采集了6个小砾石混合样品, 每层样品中的砾石个数≥ 50个(采样位置为图4 五角星处, 样品详细信息见表3)。

图 9 Qo地貌面宇宙成因核素深度剖面年龄及野外采样照片Fig. 9 Cosmogenic nuclide data from depth profile.

表3 开都河断裂Qo地貌面10Be年龄结果及其相关参数 Table3 Analytical results of terrestrial cosmogenic nuclide10Be geochronology

利用Hidy等(2010)所提供的Monte Carlo modeling age calculator v.2程序对深度剖面样品的年龄曲线进行拟合, 对于每1个剖面年龄均进行了100i000次的拟合运算, 所得剖面年龄均表现出很强的归一化特征, 并均通过卡方 (χ2)检验, 得到2σ置信区间的年龄拟合结果, 最终所计算得到Qo洪积扇体暴露年龄的最佳拟合结果为235. 7-30.8+17.8ka(图9)。

对于Qo级冲洪积地貌面野外没有发现保存有直接走滑断错的证据, 在计算Qo级地貌面沉积后开都河断裂的走滑活动速率时认为地貌面上保存的大型冲沟的断错量代表开都河断裂在此段时间的最小断错距离。尽管大型冲沟后期存在河床摆动以及向河岸侧蚀的可能, 但是就Qo地貌面来看, 图5表现出大型冲沟均近垂直穿过开都河断裂且具有系统性右旋位错特征。且该地貌面暴露年龄显示该地貌面形成时代在距今2× 105a以前, 所测量的大型冲沟早已废弃, 而研究区降雨稀少的气候环境也使得在一般情况下 Qo地貌面不会有流水通过, 因此流水本身的动力学特性在河道右旋偏转的过程中的作用是较为微弱的, 在所测得百m尺度的位错量中是可以忽略不计的, 但是不可否认Qo地貌面所有大型冲沟均应发育在地貌面沉积之后, 因此利用大型冲沟的位错量计算得到滑动速率, 可代表开都河断裂的最小滑动速率。

依据Qo地貌面的暴露年龄和大型冲沟的最大水平位错量(最大位错量为e-e'冲沟的 24 8-8+3m), 通过利用David和Eric所开发的Crystal ball® 软件设定年龄和位错量的分布形态, 最后计算得开都河断裂中晚第四纪以来的最小水平右旋走滑速率为(1.0± 0.2)mm/a。

4 天山内部走滑型活动断裂与天山内部构造变形机制

本文通过对断错地貌面的恢复和其年龄的限定, 研究获得了天山内部NW-SE向开都河右旋走滑断裂的活动速率和多次地震的位移量。下面讨论开都河断裂在天山内部构造变形中所起到的作用和对于理解天山内部构造变形方式的意义。

纵观整个天山内部新生代构造变形样式和变形特征可以大致将其分为2类: 一类为发育在山体内部山间盆地两侧的边界逆冲活动断裂(图1, 白色细线部分); 另一类为分割不同基岩山体具有明显剪切性质的走滑活动断裂(图1, 白色粗线部分, 开都河断裂就属于本类构造)。相比较而言这2类活动断裂共同调节和吸收了现今天山SN向的挤压缩短变形, 但又表现出不同的变形方式。

近10a来随着对天山内部构造变形方式和变形速率的关注, 研究发现第一类活动断裂集中发育在天山内部山间盆地的两侧, 其走向与山体走向一致, 表现为基岩山体以高角度逆冲于盆地第四纪沉积物之上, 部分断裂还向盆地内部持续扩展并形成多排新生的逆断裂褶皱带(如和静逆断裂褶皱带, 吐鲁番逆断裂褶皱带等)。这类断裂在地表表现为小于山间盆地规模的不连续断层, 并且以逆冲断错和褶皱变形为主要活动方式, 其长尺度的地质活动速率一般< 1mm/a(图1), 如西天山内部多条山间盆地边界逆冲断层缩短速率为0.1~1.5mm/a(Thompson et al., 2002); 伊克塞斯湖盆地北缘山前断层缩短速率为0.07~1.1mm/a(Selander et al., 2012); 伊犁盆地北缘断层水平缩短速率为0.25mm/a(Cording et al., 2014); 焉耆盆地北缘活动断裂为0.4~0.5mm/a以及盆地内部和静逆断裂褶皱带中部缩短速率为0.3mm/a等(黄伟亮等, 2015, 2018)。第二类活动断裂多为古生代先存断裂, 随着新生代天山遭受挤压变形而重新复活, 在天山内部表现为NW-SE向右行走滑断裂和ENE-WSW向左行走滑断裂。 这类断裂通常延展> 100km, 部分断裂贯穿整个天山山体, 垂向切割深度可以达到地壳底部至上地幔(宋和平, 2005)。从目前对这些断层地质活动速率的研究结果来看, 其速率普遍> 1mm/a, 如克敏断裂在Kungey山前段落左旋走滑速率为1.1~1.5mm/a(Selander et al., 2012); 博阿断裂在阿拉山口以西右旋走滑速率为2.2mm/a(Campbell et al., 2013); 那拉提断裂在大尤鲁都斯盆地北缘左旋走滑速率为1.4~1.8mm/a(吴传勇等, 2014)。 本次研究得到开都河断裂的右旋走滑速率1mm/a。

早在20世纪70年代, Tapponnier等(1979)根据天山内部构造展布形式和破裂规模提出, 天山内部NW-SE向ENE-WSW 2组走滑型活动断裂为天山在遭受近SN向挤压应力作用下, 老断裂重新复活形成的1组共轭构造(图1), 它们与天山内部所分散多条小尺度的逆冲断裂共同吸收现今天山内部的构造变形。而从目前所获得地质活动速率来看, 天山内部走滑型活动断裂的长期地质活动速率普遍要高于逆冲型活动断裂, 并且展布规模也要大很多, 但如果认为走滑型断裂为天山内部主体破裂的共轭断裂, 依然缺乏足够的定量化的数据支持。比如在天山85° E以东地区, 现已报道有NW-SE向博阿断裂和本次研究的开都河断裂为右旋走滑断裂(图1), 但仍缺乏NE-SW向左旋走滑断裂的报道。吴传勇(2016)认为吐哈盆地北缘NEE向碱泉子-洛包泉为左旋走滑断裂, 然而仍缺乏足够的数据支持。同样, 在85° E以西, NW向右旋喀什河断裂和SW向左旋那拉提断裂是否可以构成相互共轭破裂的断层也依然缺乏对其活动速率的限制。综合目前的研究成果可以看出走滑型活动断裂在调节天山内部构造变形中起到重要作用, 也是现今天山内部具备发生强震危险的控震断裂, 但是否可以认为其是天山内部主体破裂的共轭断裂并构成了不同基岩山体之间的滑动边界, 作为天山主体在SN 挤压作用下限制块体侧向运动的关键性边界断裂, 仍需要更多详细调查和研究。

5 结论

开都河断裂为南天山内部1条NW-SE向的右旋走滑断裂, 自大尤鲁都斯盆地南缘开始向SE延伸, 切穿南天山焉耆盆地内部, 最终与库米什盆地南缘断裂相连, 总长度> 300km。开都河断裂控制了现今开都河流的发育, 在基岩山区表现出线性笔直的 “ V” 型峡谷地貌, 断裂进入焉耆盆地后, 在盆地西南部形成了线性连续的断层陡坎。同时在穿过中晚更新世2期洪积扇面时, 断错了不同时代的地貌标志体表现出3~248m不等的右旋位错量。经过对22个位错点的测量和统计发现, 开都河断裂近5次地震具有特征地震的位移特点, 单次地震的特征位移量大致为3~4m。此外根据被断错地貌体最大位错量并结合地貌面的暴露年龄, 得到开都河断裂中晚第四纪以来平均走滑速率为(1.0± 0.2)mm/a。这与天山内部其他走滑断裂滑动速率均> 1mm/a的事实相符, 也说明走滑型活动断裂应是天山内部主要变形构造和应力应变积累区, 未来具有发生强震的危险性。

致谢 3位审稿人对本文提出的详细意见帮助完善了文章内容; 中国地震局地壳应力研究所吕延武博士在宇宙成因核素样品处理过程中给予了大力协助; 在此一并表示感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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