〔作者简介〕 哈广浩, 男, 1990年生, 2019年于中国地质科学院获构造地质学专业博士学位, 助理研究员, 主要从事青藏高原及邻区活动断裂研究, E-mail:haguanghao@163.com。
青藏高原东北缘地区的构造变形以NE向挤压缩短、 顺时针旋转和向E挤出为主要特征, 在NE向挤压作用下形成了NNW向的右旋走滑断裂, 进一步将东北缘地区分为多个次级块体。 其中, 鄂拉山断裂与东昆仑断裂围限形成的柴达木次级块体整体以向NW方向的旋转挤出为主要特征, 但处于这2条边界断裂交会部位的柴达木盆地东缘都兰地区的构造变形方式却不清楚。 近期在针对都兰地区的野外地质调查中, 发现了一条NW走向、 长60~70km的右旋走滑断裂带, 即夏日哈断裂带。 该断裂带位于鄂拉山断裂西侧, 由2条近平行的断裂组成, 分别为夏日哈断裂和英德尔康断裂。 经遥感解译与野外地质调查发现, 该断裂线性特征明显, 断错了多期冲积扇、 河流阶地等晚第四纪地质地貌体, 发现了多个断错晚第四纪沉积物的剖面, 显示该断裂带为晚更新世—全新世活动断裂。 综合分析认为, 该断裂与前期发现的近EW走向的热水-桃斯托河全新世左旋走滑断裂, 分别在鄂拉山断裂和东昆仑断裂的影响下共同调节柴达木块体端部的挤出旋转变形。 同时, 该断裂为该区新发现的活动断裂, 具有中强地震的潜在发震能力, 这不仅对理解区域构造变形模式具有重要意义, 也导致对该区域地震危险性的认识发生较大改变。 因此, 亟待在该区域开展更进一步研究工作, 以增进对区域应变分配模式的理解, 为区域地震安全问题提供参考。
The deformation pattern in the northeastern margin of Tibetan plateau is characterized by NE compression, clockwise rotation and eastward extrusion, forming the NNE trending dextral strike-slip faults which further divide the region into several sub-blocks. The deformation of Qaidam secondary block is dominant by northwestward extrusion and rotation, which is controlled by the Elashan and East Kunlun faults. However, the deformation style of Dulan area, the junction of these two faults, remains unclear. We discovered a new active fault zone with a length of 60~70km west to Elashan Fault during our recent field geological survey around Dulan area, named Xiariha fault zone(XFZ), which is a dextral strike-slip fault zone trending NW, consisting of the Xiariha and Yingdeerkang faults. According to the remote sensing interpretation and field investigation, it is found that the Xiariha fault zone showed distinct linear characteristics, reverse scarp, sag pond and ridge dislocation on the satellite images and displaced multi-levels of alluvial fans and river terraces. According to previous studies, the exposed age of T1 terraces is Holocene in the Elashan area, which is located at east of Dulan. During the field investigation, we used the unmanned aerial vehicle(UAV)to get the fine geomorphology features along the XFZ. Also, to define the active era, we tried to find the fault section of the XFZ that could provide the information of the contact between the fault and late Quaternary strata. Based on the high-resolution DEM obtained by UAV, the offset of T1 is about 2.5m, indicating its activity in Holocene compared with the Elashan area. Along the XFZ, the fault displaced late Quaternary strata revealed on the section. The geomorphic features and fault section show that the XFZ is a late Pleistocene to Holocene active fault. The Dulan area is located at the convergence of East Kunlun Fault and Elashan Fault, the southeastern end of Qaidam secondary block, which is affected by the regional NE and SW principal compressive stress and shear stress. Under this circumstance, the Qaidam block is experiencing extrusion and rotation and there are a series of NW-trending dextral strike-slip faults parallel to the Elashan Fault and EW-trending sinistral strike-slip faults parallel to the East Kunlun Fault, such as Reshui-Taosituo River Fault, developed in the Dulan area. Therefore, we suggest that the Xiariha Fault and the nearly EW trending, Holocene sinistral Reshui-Taosituo River Fault adjust the extrusion rotation deformation jointly at the southeast end of the Qaidam block under the control of the Elashan Fault and the East Kunlun Fault, respectively. Meanwhile, the new discovery of Xiariha Fault and its activity in Holocene is not only of great significance to understand the regional tectonic deformation model, but also leads to a great change in the understanding of regional seismic risk because of its capabliliby of generating strong earthquakes. Therefore, it is urgent to carry out further research work in this area, improve the understanding of regional strain distribution mode, and provide reference for regional seismic safety issues.
活动断层空间展布特征为地震地表破裂和地震动模型的建立提供了重要信息, 为准确评估地震灾害, 降低构造活动区的风险, 在地震发生前正确识别和定位断层至关重要。 丁国瑜院士在《中国地震历史资料拾遗》的序言中谈到:有时候, 一个历史地震的发现, 一条新的重要现象记载的发现, 会改变人们对一个地点、 一个地区地震活动状况的认识, 改变对一项重大工程地震危险性程度的评估结果(刘昌森, 2003)。 因此, 新的活动断裂的发现可能会对区域地壳变形特征的理解产生重要影响, 也可能会改变对区域地震危险性的认识。
青藏高原东北缘是高原向N扩展的最前缘, 由NE向的阿尔金断裂带、 NWW向的祁连-海原断裂带和NWW向的东昆仑断裂带3条巨型左旋走滑断裂带及其所围限的活动地块组成(图 1)。 该地区正在经历地壳缩短、 剪切变形和块体挤出等强烈的地壳变形过程, 发育了一系列逆冲与走滑断裂、 褶皱等活动构造(邓起东等, 2002, 2004, 2008; 张培震等, 2006, 2013)。 由于受NE向区域构造应力的挤压作用, 块体内部发生剪切压扁, 产生NNW向右旋走滑断裂, 其中最为显著的是鄂拉山断裂和日月山断裂, 这些NNW向的右旋走滑断裂进一步将青藏高原东北缘划分为多个次一级的活动断块(袁道阳等, 2004)(图 1)。 多年来, 国内外学者对高原东北缘的主要边界断裂和块体内活动显著的右旋走滑断裂开展了大量研究工作, 在活动速率、 构造变形样式及古地震研究领域取得了丰富的成果(袁道阳, 2003; Zhang et al., 2004; Duvall et al., 2010; Yuan et al., 2011; Ren et al., 2015; 李智敏等, 2018)。 然而, 目前对青藏高原东北缘的次级块体内部及各次级块体之间的构造变形研究还比较少, 对其变形方式、 应变分配等的认识还不够深入, 这些问题是理解青藏高原东北缘块体内部构造变形的关键所在。
近期在都兰周边开展的野外地质调查中, 在柴达木盆地东缘的都兰地区发现了一条NW走向的右旋走滑断裂, 即夏日哈断裂带, 其具有晚第四纪活动的构造变形特征。 该新发现可为认识和理解青藏高原东北缘的构造变形特征提供新的约束。
青藏高原东北缘受NE向区域构造应力的挤压, 形成右旋走滑的鄂拉山断裂和日月山断裂, 将其划分为多个次级块体, 其中最西侧的次级块体主要由柴达木盆地构成(图 1)。 该次级块体被阿尔金断裂、 东昆仑断裂、 祁连-海原断裂和鄂拉山断裂所围限, 块体东南角, 即柴达木盆地东缘为都兰-茶卡高地, 是鄂拉山断裂和东昆仑断裂交会之处(图 2)。
鄂拉山断裂是分割青海乌兰盆地与茶卡-共和盆地的一条重要的边界断裂, 表现为右旋走滑特征。 根据地质体的错断情况估计, 断裂长期以来的滑动速率约为4mm/a(Wang et al., 2004), 与GPS反映的结果也比较接近(王敏等, 2003; 简慧子等, 2020)。 基于晚第四纪地质地貌体的位错与定年结果显示, 鄂拉山断裂晚更新世以来的走滑速率约为(1.1±0.3)mm/a(Yuan et al., 2011)。 东昆仑断裂是青藏高原中部的一条区域性活动断裂带, 其南侧为巴颜喀拉块体, 北侧为柴达木盆地, 晚第四纪以来的走滑速率约为10mm/a, 沿该断裂带发生过多次大地震活动, 如2001年昆仑山口西MS8.1地震和1937年花石峡MS 7 1/2地震等, 形成了地震鼓包、 陡坎、 地裂缝等一系列地震变形遗迹(肖振敏等, 1988; 徐锡伟等, 2002, 2007; Harkins et al., 2010; Lin et al., 2011)。 除鄂拉山与东昆仑主要活动断裂外, 昆中断裂的东端延伸进入该区, 位于东昆仑断裂北部, 研究表明昆中断裂除大干沟段外, 其余段落的活动性明显减弱(国家地震局地质研究所, 1992)。 此外, 在都兰-茶卡高地的NE侧还形成了哇洪山逆冲断裂(图2a)。 研究认为, 这可能是柴达木块体发生顺时针旋转, 并受鄂拉山断裂影响, 在哇洪山形成挤压构造应力场的结果(Wang et al., 2004)。
近期的研究发现, 在都兰县南部发育了一条NWW向的热水-桃斯托河断裂(图2b), 呈左旋走滑运动特征, 可能是东昆仑断裂和鄂拉山断裂控制的楔形块体向NW “ 挤出” 作用的结果(李智敏等, 2020)。
夏日哈断裂带位于鄂拉山断裂西侧, 走向NW, 由2条近平行的断裂组成, 分别为夏日哈断裂和英德尔康断裂, 均为右旋走滑断裂。 夏日哈断裂起自夏日哈镇北侧的锡龙沟附近, 向S经羊场, 一直到热水乡东侧桃斯托河源头, 沿线均有断裂发育, 长60~70km(图 3)。 断裂在夏日哈镇北侧的线性特征不明显, 南侧断裂穿过基岩山区和山前冲洪积扇, 在老断裂出露的位置可发现一定宽度的断层破碎带及擦痕。 无人机测图和野外实地考察表明, 部分段落的线性比较明显, 沿断裂发现山脊、 水系错断现象, 在冲沟壁上可见多个断裂剖面。 英德尔康断裂位于夏日哈断裂西侧, 长约18km, 走向NW, 与夏日哈断裂的走向基本一致, 基本沿三叠系安山岩、 侵入花岗岩体与第四系地层的界限分布。 沿断裂走向的无人机测图结果也显示明显的线性地貌, 多条冲沟以及地质体有明显的右旋特征。
沿断裂进行了初步野外地质调查, 发现了多个断裂错动晚第四纪地质地貌体的错动点(图3a)。 下文将分别对其进行描述。
2.1.1 锡龙沟(S0点)
锡龙沟(S0点)位于夏日哈镇SE侧的锡龙沟沟口, 野外地质调查表明, 该处地貌主要由多期冲洪积扇体及河流阶地组成。 无人机航拍DEM显示, 断裂在该处分为2支, 线性特征显著, 主要为切过多期冲洪积扇及河流阶地的陡坎, 断裂经过位置的水系及阶地、 冲洪积扇发生偏转(图3b)。 野外地质调查在T1阶地上发现断裂错动晚第四纪的断层剖面, 剖面发育多条次级断层, 断层两侧表现出地层产状变化并有一定的位移(图 4), 详细的地层描述如下:
①表土层, 厚约10cm;
②细砂层, 水平层理;
③细砂层中间夹砾石透镜体;
④粉砂层-黏土层, 水平层理, 下部暗红色细粉砂层和灰白色黏土层互层, 部分层位靠近断层处层理弯曲;
⑤细砂层, 斜层理, 靠近断层处层理倾斜;
⑥坡积物, 杂乱。
地貌特征及剖面显示, 夏日哈断裂错动了T1阶地, 与邻近鄂拉山断裂T1阶地的年龄进行对比后认为, 该阶地的年龄应为全新世, 因此推断该断裂为全新世活动断裂。
2.1.2 夏日哈南(S1点)
S1点位于夏日哈镇东南 14km处的冲沟内, 在冲沟内发现基岩破碎带(图 5)。 断裂两侧为灰褐色三叠纪安山岩, 中间为灰绿色断层破碎带, 在破碎带内部可清理出断层面, 有近水平的擦痕, 断层产状为30°/SE∠70°(图 5), 断层破碎带的宽度约为1.2m。
该点处冲沟两侧主要发育晚第四纪风成黄土堆积和冲沟阶地, 阶地面平坦, 黄土堆积起伏不平, 显示出后期风成沉积作用的痕迹。 遥感影像显示沿断裂方向具有显著的线性影像特征(图6a), 冲沟发生右旋位移, 累积右旋位移量约为18m。 清理冲沟壁后发现断层剖面, 断层未断错顶部黄土层, 底部断层两侧物质有明显差异, 西侧以松散粗砂层和细砂层为主, 东侧是胶结较好的粉细砂层, 中间夹粗砂层条带(图6b)。 两者之间为断层接触, 断裂上盘的砂层有轻微变形, 断裂以走滑运动为主, 产状为325°/NE∠53°。
2.1.3 羊场(S2点)
S2点位于察汗乌苏镇东侧山前羊场附近, 草地内发现夏日哈断裂在此处表现为显著的线性影像特征, 部分断裂与主断裂之间呈小角度相交, 可能发育分支断裂。
断裂走向近NW, 无人机航测DEM显示断裂的线性特征显著, 造成山脊右旋位错(图7a), 并错断多期晚第四纪沉积及地貌单元。 DEM及野外地质调查显示, 该点处冲沟发育形成多期冲洪积扇体及河流阶地, 并被后期黄土堆积覆盖, 其上发育季节性冲沟。 断裂通过位置造成水系位错及断塞塘等典型的断层地貌特征(图7b, c, d)。 山前冲洪积扇扇体的形态相对完整, 在断裂经过处形成线性反向陡坎的地貌特征(图7e)。 受后期河流改造, 冲洪积扇形成2级阶地, 被断裂右旋走滑错动, 其中T1阶地的位错量约为2.5m, T2阶地约为5.6m。 鄂拉山断裂断错的T1阶地为全新世地层(袁道阳等, 2004), 由于两者距离较近, 气候条件相似, 与之对比认为该处T1阶地的时代为全新世, 因此推断该断裂为全新世活动断裂。
沿英德尔康断裂进行活动断裂地质调查、 无人机测图等, 发现断裂晚第四纪活动的剖面证据, 且地貌线性特征显著, 多条冲沟及地质地貌体发生右旋位移。
2.2.1 农场(S3点)
S3点位于英德尔康农场附近(图3a), 该处位于都兰盆地东缘的盆山边界部位, 沉积物主要为冲洪积扇及后期黄土堆积, 并形成沙漠地貌, 受后期河流侵蚀切割形成多级河流阶地。 遥感影像显示, 断裂经过的位置线性特征显著。 在支沟的二级阶地中发现断层剖面, 断层表现为走滑性质, 兼具倾滑运动分量, 产状为345°/NEE∠70°(图8b), 断层两侧的薄砾石层和细砂层为明显标志层, 被断层错断。 剖面分层描述如下:
①表层腐殖土覆盖层, 含有草根, 厚约10cm;
②粉细砂层, 断层两侧均有分布, 东侧呈灰黄色, 硬度大, 胶结较好, 中间夹一较大砾石;
③中间夹的薄砾石层, 厚度不连续, 较薄, 约为5cm, 砾石粒径较小, 分选中等, 磨圆较差;
④灰白色粗砂层, 较松散, 分选磨圆较好;
⑤标志砾石层, 分选磨圆较差, 厚10~15cm, 断层两侧的厚度有一定差异, 东侧层间夹个别较大砾石;
⑥标志砾石层下较厚的灰白色粗砂层, 较松散, 分选磨圆较好, 层理不明显;
⑦冲沟砾石层, 分选磨圆较差, 粒径为3~5cm, 有个别较大砾石, 粒径可达约15cm, 有一定水平层理, 厚度较大, 层⑥与层⑦为侵蚀接触。
2.2.2 克措(S4点)
在察汗乌苏镇东部、 克措沟东南发现断裂位于山前展布, 线性特征明显。 在此处通过无人机获取了DEM数据以及野外照片, 均显示出明显的线性特征(图 9)。 断裂走向近NW, 该点处发育多级河流阶地及冲洪积扇体。 无人机航测DEM显示断裂的线性特征显著(图9a), 在冲洪积扇上形成线性陡坎(图9c)。 同时, 断裂造成山脊位错以及水系冲沟的右旋位错, 水系位错量最大可> 200m(图9a)。 晚第四纪以来, 断裂的右旋运动造成了2级河流阶地位错, 根据阶地拔河高度及区域地层对比分析认为, 该断裂为全新世活动断裂, 表明断裂具有较长期的活动历史。
以上遥感解译、 野外地质调查等结果表明, 夏日哈断裂带是一条NW走向的全新世活动断裂, 以右旋走滑运动为主, 可能存在少量倾滑分量。
新生代以来, 印度板块与欧亚板块的持续碰撞会聚作用不仅导致了青藏高原的隆升, 而且使高原及邻区地壳强烈变形(Tapponnier et al., 1977; Molnar et al., 1978)。 青藏高原东北缘作为高原向N扩展的前缘, 其构造变形主要表现为NE向地壳缩短、 块体向E挤出和顺时针旋转, 以调节印度与欧亚板块的会聚变形(张培震等, 2003; Zhang et al., 2004)。 在NE向挤压作用下, 东北缘块体内部发育2条NNW向的次级右旋走滑断裂, 即鄂拉山断裂和日月山断裂(袁道阳等, 2004), 这2条断裂可进一步将东北缘块体分为多个次级活动块体(图 1)。
鄂拉山断裂和东昆仑断裂所夹持的次级块体位于青藏高原东北缘的最西侧, 主要由柴达木盆地组成。 已有观测数据表明, 作为柴达木次级块体的边界断裂, 东昆仑断裂的滑动速率远大于鄂拉山断裂(van der Woerd et al., 2000; Tapponnier et al., 2001; 王敏等, 2003; Kirby et al., 2007; 李陈侠等, 2011; Loveless et al., 2011; Yuan et al., 2011; 葛伟鹏等, 2013; Ren et al., 2013; 简慧子等, 2020)。 因此, 在断裂不同滑动速率的影响下, 该块体在运动学上应表现出顺时针 “ 旋转” 特征, 这与晚新生代以来柴达木盆地旋转变形的模式(Wang et al., 2004)具有一致性。 同时, 鄂拉山断裂发生右旋走滑运动, 东昆仑断裂发生左旋走滑运动, 这导致柴达木次级块体还具有NW向的运动趋势(图 10), 但柴达木次级块体的这种旋转挤出机制与刚性块体的挤出模式明显不同, 属于块体内部变形。 在这种变形方式下, 位于柴达木盆地东缘的都兰地区处于应力集中的端部(图 10), 构造变形更为复杂。 已有研究表明, 新发现的热水-桃斯托河断裂位于都兰地区的南侧, 走向近EW, 可能是受东昆仑断裂影响在都兰南部形成的次级分支断裂, 吸收或转换该块体的剪切应力(李智敏等, 2020)。 本研究发现的夏日哈断裂带走向NW, 表现为右旋走滑运动, 其运动学机制可能与热水-桃斯托河断裂相似, 是与鄂拉山断裂平行的次级断裂, 与左旋走滑的热水-桃斯托河断裂共同调节柴达木块体的旋转挤出变形(图 10)。
(1)夏日哈断裂带位于柴达木盆地东缘, 主要由2条近平行的NW向断裂组成, 分别为夏日哈断裂和英德尔康断裂, 为晚更新世—全新世右旋走滑断裂。
(2)受东昆仑断裂和鄂拉山断裂控制的柴达木块体具有向NW旋转挤出运动的趋势, 在此构造背景下, 右旋走滑的夏日哈断裂与左旋走滑的热水-桃斯托河断裂共同调节块体端部的旋转挤出变形。
致谢 本研究的野外工作得到了中国地震局地震预测研究所田勤俭研究员、 应急管理部国家自然灾害防治研究院张世民研究员、 陕西省地震局冯希杰研究员的指导, 在此表示衷心感谢!
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