利用變形河流階地限定帕米爾北緣木什背斜的縮短、隆升和側(cè)向擴展

李 濤 陳 杰* 肖偉鵬 Burbank D W 黃明達 Thompson J

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2)中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083

3)Department of Earth Science，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

利用變形河流階地限定帕米爾北緣木什背斜的縮短、隆升和側(cè)向擴展

李 濤1)陳 杰1)*肖偉鵬1，2)Burbank D W3)黃明達1)Thompson J3)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2)中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083

3)Department of Earth Science，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

位于帕米爾前緣逆沖推覆體(Pamir Front Thrust，PFT)東端的木什滑脫背斜，是帕米爾弧形推覆構(gòu)造帶最前緣和最新的變形帶。對地形橫剖面、縱剖面和水系發(fā)育特征的分析表明，木什背斜總體上具有由西向東擴展生長的特征。在背斜核部及北翼發(fā)育數(shù)級開闊平坦的沿軸向展布的河流階地，階地可劃分為4期。利用階地堆積細顆粒石英光釋光測年獲得階地面T2a、T3和T4的形成年齡分別為(15.8 ±2.40)ka、(55.1 ±10.3)ka、(131.4 ±23.9)ka。伴隨背斜的生長擴展，河流階地面發(fā)生了橫向和縱向掀斜，并形成斷層陡坎和褶皺陡坎。木什背斜晚第四紀的縮短和隆升主要是通過褶皺翼旋轉(zhuǎn)機制進行的，估算其最小縮短速率為(1.6±0.3)mm/a，最小隆升速率為(1.9±0.3)mm/a。與此同時，沿軸向背斜發(fā)生了向東的側(cè)向遷移和旋轉(zhuǎn)。根據(jù)背斜垂直隆升與側(cè)向擴展之間的關(guān)系，估算背斜在131～16ka期間向東的側(cè)向遷移擴展速率較快，為 (14.6±3.6)mm/a;自16ka至今，側(cè)向遷移擴展速率迅速減小至(1.7±0.3)mm/a，背斜向東的遷移擴展可能已基本停止，而以側(cè)向旋轉(zhuǎn)為主。

帕米爾 木什背斜 晚第四紀 河流階地 褶皺生長 側(cè)向擴展

0 引言

褶皺在三維空間的生長包括縮短、隆升和側(cè)向擴展(圖1)，定量限定其生長擴展過程對于理解褶皺的生長機制、造山帶的時空演化、地震危險性和危害性評價及油氣資源前景評估等方面至關(guān)重要。隨著斷層相關(guān)褶皺定量幾何模型的建立(Suppe，1983;Suppe et al.，1990，1992)，褶皺生長理論有了突破性進展:褶皺的縮短和隆升是通過膝折帶遷移和翼旋轉(zhuǎn)2種機制進行的 (圖1a1，a2)(Suppe，1983;Suppe et al.，1990，1997;Hardy et al.，1994;Zapata et al.，1996;Casas-Sainz et al.，2002);利用與褶皺生長同步沉積的地層(生長地層)和同步變形的地貌面(如河流階地面)等帶有時間標尺的標志可較好地限定褶皺生長;結(jié)合前生長地層的變形，可恢復褶皺完整的縮短和隆升歷史(Da?ron et al.，2007;Simoes et al.，2007)。側(cè)向擴展是褶皺生長的重要部分，它包括側(cè)向遷移和側(cè)向旋轉(zhuǎn)2種機制(圖1b1，b2):前者褶皺生長過程中傾伏翼傾伏角基本恒定，褶皺端部不斷沿軸向向外緣擴展而使褶皺加長;后者褶皺端部固定，傾伏翼旋轉(zhuǎn)而使背斜不斷抬升(Keller et al.，1999)。褶皺的側(cè)向生長可能是目前所認識到的最快的構(gòu)造方式，其速率比褶皺抬升或縮短速率大一個數(shù)量級，可達每年幾個cm(Keller et al.，1998;Delcaillau et al.，1998;Burbank et al.，1999;Chen et al.，2007)。

圖1 褶皺空間生長模型Fig.1 Spatial growth models of folds.

河流階地面作為一個近似的等時面，已被很多學者用于褶皺縮短和隆升過程的研究中(Chamberlin，1910;Epard et al.，1993;Lave et al.，2000;Thompson et al.，2002;Bernard et al.，2007;Da?ron et al.，2007;Simoes et al.，2007)。例如，Rockwell 等(1988)、陳杰等(2005)和Scharer等(2006)討論了滑脫褶皺的實例;Bullard等(1993)和Molnar等(1994)討論了斷展褶皺的實例;Lave等(2000)、Thompson等(2002)和Hubert-Ferrari等(2007)討論了斷彎褶皺的實例，盧華復等(2002)、Chen等(2007)和Hubert-Ferrari等(2007)討論了與斷彎褶皺作用相關(guān)的褶皺陡坎的演化;Bernard等(2007)通過沙箱實驗模擬技術(shù)討論了純剪切斷頂褶皺的實例(Bernard et al.，2007;Da?ron et al.，2007;Simoes et al.，2007)。但利用變形河流階地研究活動褶皺側(cè)向擴展的實例尚少見。

實際上褶皺生長過程中，被動變形的階地面既記錄了褶皺縮短和隆升的歷史，也同時記錄了褶皺側(cè)向擴展的歷史。如果沿褶皺軸向階地面可連續(xù)追蹤，就可能為我們提供利用階地面限定褶皺側(cè)向擴展生長的罕有機會。位于帕米爾北緣的木什背斜(圖2)，是第四紀初期開始生長至今仍在變形的背斜。由于克孜勒蘇河的長期遷道沖切，在背斜核部及北翼形成了數(shù)級寬闊平坦的平行背斜軸展布的變形顯著的河流階地，為我們研究上述問題提供了理想場所。通過對木什背斜及其河流階地詳細的地質(zhì)地貌填圖，階地地形橫剖面和縱剖面高精度DGPS測量及光釋光(OSL)測年，我們對木什背斜晚第四紀以來的空間生長特征進行了討論，并利用變形河流階地估算了背斜的縮短、隆升和側(cè)向擴展的幅度和速率。

1 木什背斜地質(zhì)地貌特征

木什背斜位于帕米爾前緣推覆體東端(陳杰等，1997，2011)，西南天山前陸沖斷帶明堯勒-喀什背斜南側(cè)，其西部和南部分別為托姆洛安復背斜和艾斯毛拉背斜(圖2)。在地表，木什背斜為一長33km、寬3～12km、總體呈NWW-SEE展布的低緩丘陵(圖3a)?？俗卫仗K河是區(qū)域內(nèi)最大的軸向水系，在背斜區(qū)內(nèi)其流向與背斜軸近平行，呈一略向SSW凸出的弧形?？俗卫仗K河沿背斜軸將核部和北翼削平，并形成了多級開闊平坦的河流階地。背斜南翼和東緣發(fā)育多期洪積扇(圖3b)，遠離背斜洪積扇漸年輕;由西向東，洪積扇規(guī)模逐漸增大，方向由NNESSW向轉(zhuǎn)為NW-SE向，在背斜東端為近EW向。

圖2 木什背斜及其鄰區(qū)構(gòu)造圖Fig.2 Regional location and surrounding structures distribution of the Mushi anticline.

木什背斜為一南翼緩、北翼陡的不對稱背斜。背斜區(qū)內(nèi)僅出露阿圖什組和西域組2套已成巖地層(圖3b)。在背斜西北階地面上還發(fā)育一逆斷層，在地表形成了總長約5km的陡坎(尹金輝等，2001;肖偉鵬等，2011)。木什背斜為一滑脫褶皺，發(fā)育在其西北部的斷層可能是背斜褶皺生長過程中形成的背斜前翼次級剪切逆沖斷層。背斜生長起始于西域組地層開始沉積之后，最小地殼縮短量約0.7km，構(gòu)造隆升幅度可達1.5km(肖偉鵬等，2011)。

利用ASTER衛(wèi)星30m分辨率DEM數(shù)據(jù)，獲得了木什背斜地形橫剖面和縱剖面(圖3c，d)。由地形縱剖面看，背斜由西向東先是快速上升達到一地形高點，經(jīng)一低洼段后再次達到一地形高點，最后向東緩慢降低。背斜東西2個地形高點的位置均為堅硬的西域礫巖覆蓋。背斜中部地形低洼部分可能為克孜勒蘇河古河道:隨著背斜隆升，克孜勒蘇河先是被限定在狹窄的范圍內(nèi)(現(xiàn)今低洼部分);隨著背斜進一步隆升，河道廢棄，河流流向變?yōu)楝F(xiàn)今的流向。盡管背斜中部遭到強烈侵蝕，但根據(jù)5km寬條帶獲得的地形橫剖面，背斜地形起伏依然具有由西向東逐漸降低的趨勢。背斜海拔極大值、平均值與最小值的差值也具有由西向東逐漸減小的趨勢，這反映了背斜侵蝕程度由西向東逐漸減小。

在對美國西部Wheeler Ridge背斜的研究中，Keller等(1999)提出了利用地形地貌確定背斜側(cè)向擴展的6個標志分別為:1)沿背斜擴展方向水系密度減小和下切侵蝕程度降低;2)橫穿背斜風口海拔高度降低;3)沿背斜脊線海拔高度及地形高差降低;4)形成的特征水系;5)越老的沉積物或地貌面變形程度越大;6)前翼地層旋轉(zhuǎn)角度和傾角減小。木什背斜雖然不發(fā)①康玉柱，1978，新疆塔里木盆地喀什坳陷地質(zhì)構(gòu)造特征及含油氣遠景評價報告。育風口，但以下幾方面證據(jù)表明木什背斜是由西向東側(cè)向擴展生長的:1)據(jù)康玉柱填圖資料 ，木什背斜西部相對緊閉，東部相對寬緩，構(gòu)造高點距背斜西傾伏端約5km，背斜總體向東傾伏;2)背斜地形高點位于西部，沿走向背斜地形由西向東遞減(圖3c，d)，而并非常見的對稱狀“碗”形或“弓”形(Burbank et al.，1999);3)由西向東背斜水系密度、下切侵蝕程度逐漸減小，單條水系長度逐漸增大，水系流向由NNE-SSW向轉(zhuǎn)為NW-SE向，在背斜東端轉(zhuǎn)為近EW向。

圖3 木什背斜地質(zhì)地貌特征Fig.3 Geologic and geomorphic characteristics of the Mushi anticline.

2 階地發(fā)育特征

2.1 階地分布特征

克孜勒蘇河源自西部帕米爾和西南天山兩大對沖系統(tǒng)的會聚帶，其水量主要來自高原腹地冰川融水及局部和區(qū)域大氣降水，克孜勒蘇河河谷所在位置是帕米爾和西南天山構(gòu)造帶之間海拔最低部位(圖2)。在背斜西北西域組及其與阿圖什組過渡區(qū)，克孜勒蘇河河道窄直，寬500～600m，流向N50°W，河南岸階地不發(fā)育(圖3b);至背斜中、東部阿圖什組區(qū)，河流流向拐向東，河床寬度從700～800m漸寬，以過渡性辮狀水系為主，兩岸階地發(fā)育;在背斜以東河流以洪泛平原相辮狀水系為主。

圖4 木什背斜北翼克孜勒蘇河南岸階地分布a航片示河南岸不同階地面及光釋光測年樣品位置;b克孜勒蘇河南岸地質(zhì)地貌圖;c向NE眺望克孜勒蘇河南岸階地Fig.4 Terraces distribution at north limb of the Mushi anticline，south of the Kezilesu river.

背斜區(qū)內(nèi)的階地均為基座階地，基座為阿圖什組和西域組地層(圖3b)，蓋層為青灰色磨圓較好的礫石層，局部夾少量粉細砂透鏡體，厚零至數(shù)m不等。在克孜勒蘇河南岸，階地平面展布與背斜軸近乎一致，階地保存較好，階地級數(shù)明顯多于北岸，分布很不對稱。這可能是由于背斜隆升使克孜勒蘇河不斷北遷，北岸階地遭受侵蝕，南岸階地很好地保存下來。階地內(nèi)緣通常為坡積物、沖洪積物覆蓋，外緣因侵蝕而發(fā)育大規(guī)模沖溝(圖3b，4)。

在對ASTER影像和航片解譯基礎(chǔ)上，我們對河流階地進行了詳細填圖。根據(jù)階地拔河高度和表面風化程度可大致劃分為4期(圖3b，4b)。T4和T3分別位于背斜東部和核部，且僅在克孜勒蘇河南岸發(fā)育，2級階地拔河高度分別約為100m和70m，由西向東，階地拔河高度均有降低趨勢;階地內(nèi)部平坦，外緣沖溝內(nèi)下伏基巖出露。T2在河兩岸均有發(fā)育，是背斜區(qū)內(nèi)發(fā)育最廣、延續(xù)性最好的一級階地。T2又可進一步細分為T2a和T2b，在背斜核部T2a拔河高度30～40m，僅比T2b低3～5m。T1發(fā)育非常局限，在背斜核部其拔河高度6～8m。

2.2 階地年齡

為確定上述各階地形成時間，在克孜勒蘇河南岸3級階地(T2a、T3和T4)堆積物中的細粉砂透鏡體中采集了OSL樣品(圖4a，表1)。其中，在T2a中采集了1個樣品，編號為08MS-2;在T3不同位置共采集了3個樣品，編號分別為08MS-4、08MS-5和09MS-3;在T4共采集3個樣品，其中09MS-4和09MS-5在同一剖面不同層位采集，09MS-6在另一剖面采集。所有樣品等效劑量的測量是在中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學國家重點實驗室Daybreak 2200自動測試系統(tǒng)上完成的，采用的方法是4～11μm細顆粒石英簡單多片再生法(Lu et al.，2007)，詳細實驗流程及年齡計算方法參見楊會麗等(2011)。環(huán)境劑量率中U、Th含量在中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學國家重點實驗室用厚源alpha計數(shù)法獲得，K含量的測試在中國科學院環(huán)境研究所用X衍射法獲得。水對α、β、和γ輻射有一定的吸收作用，樣品含水量在埋藏期間的變化對樣品年齡有直接的影響。本批樣品目前均處于現(xiàn)今水位之上，為干樣，但這些樣品在沉積時均處于當時的水位以下，即處于飽水狀態(tài)。我們用實驗方法估算了每個樣品的飽和含水量(以此作為該樣品沉積時的含水量)。采用Fleming等(1973)提出的校正方法，分別計算了樣品飽和含水和現(xiàn)今實測含水量下的環(huán)境劑量率(表1)，由此獲得了每個樣品的上、下限年齡，取其平均值(誤差計算考慮了各種不確定性)，此即樣品所在層位的沉積年齡。由于這幾個樣品埋深很淺(表1)，可基本代表階地面的年齡。

采于T2a的樣品08MS-2年齡上限和下限分別為(17.8±1.3)ka(利用飽和含水量獲得)和(13.7 ±1.1)ka(利用實際含水量獲得)，取二者平均值作為該階地年齡為(15.8 ±2.4)ka(表1)。與全球氣候變化曲線對比表明，T2形成時間可能與氧同位素階段2相對應(圖5)，是在末次冰盛期(LGM)形成的。采于T3的3個樣品年齡跨度較大，08MS-4、08MS-5和09MS-3年齡上限和下限分別為(74.1±5.0)ka 和(57.4 ±3.9)ka、(47.6 ±3.6)ka和(37.5 ± 2.9)ka、(63.2 ± 4.1)ka和(50.3 ±3.3)ka，取年齡上限和下限平均值可得3個樣品的年齡分別為(65.8 ±9.5)ka、(42.6 ±6.0)ka及(56.8 ±7.4)ka;取 3 個樣品的平均值作為該階地年齡為(55.1±10.3)ka。對于 T4，09MS-4、09MS-5 和 09MS-6 年齡上限和下限分別為(157.8± 14.0)ka 和(115.0 ± 10.0)ka、(152.8 ± 10.7)ka 和(109.5 ± 7.7)ka、(148.2 ± 5.2)ka 和(104.8 ±8.8)ka，取年齡上限和下限平均值可得 3個樣品的年齡分別為(136.4±24.7)ka、(131.2 ± 23.6)ka 及 (126.5 ±22.9)ka;取3個樣品的平均值作為該階地年齡為(131.4±23.9)ka。T3和T4分別是在氧同位素階段4～3、6～5e的過渡階段形成的(圖5)，亦即由冰期向間冰期的過渡階段，反映了階地形成與氣候事件的對應關(guān)系。

圖5 階地形成時間與氧同位素階段的對應關(guān)系，δ18O 曲線(據(jù) Petit et al.，1999)Fig.5 Association between terraces ages and climate alternation(after Petit et al.，1999).

3 階地變形

晚第四紀以來伴隨木什背斜的持續(xù)生長，克孜勒蘇河兩岸階地發(fā)生了顯著變形:在背斜西北主要表現(xiàn)為木什背斜北翼逆斷裂的活動和多條逆斷層陡坎的形成(肖偉鵬等，2011)，在背斜中東部表現(xiàn)為不同階地面的橫向掀斜、褶皺陡坎的形成及階地面的縱向掀斜。本文重點討論階地的褶皺變形。

3.1 方法與假設(shè)

我們用E-Survey 660 RTK GPS系統(tǒng)對階地面進行了測量。RTK GPS系統(tǒng)包括基準站和流動站兩部分，兩者之間通過無線信號通訊。將基準站固定在預定位置，利用流動站對目標進行測量。由于GPS信號經(jīng)過了校正，且消除了多路徑信號的干擾，該套儀器水平定位誤差＜2cm，垂直定位誤差＜4cm。流動站采用測繪人雙肩背式測量，由此造成的測量誤差＜10cm，這遠小于階地變形量。測量時，階地地形橫剖面與構(gòu)造線方向大致垂直，階地地形縱剖面與構(gòu)造線方向大致平行。為避免后期侵蝕作用影響，測量時盡量避開遭受侵蝕的位置。最終將實測橫剖面數(shù)據(jù)投影到圖4b中的構(gòu)造橫剖面線上(N13°E方向)，縱剖面數(shù)據(jù)投影到與構(gòu)造橫剖面線垂直的方向上(103°方向)，以獲得階地面坡度(圖6，7)。

利用變形階地對背斜生長進行定量分析時，首先要通過區(qū)域基準面、河床坡度和曲率校正恢復階地面的初始形態(tài)(Lave et al.，2000)，這3個參數(shù)有時很難獲得。對于階地橫剖面，由于克孜勒蘇河及兩岸階地基本平行背斜軸線展布并未橫穿背斜，測量時為洪水期，無法獲得現(xiàn)代河床的橫向坡度。在實測剖面p3，T2a橫跨軸面e南側(cè)N∠68°和北側(cè)N∠26°兩個等傾角巖區(qū)，卻并未發(fā)生差異性變形(圖4b，圖6)。這表明自該階地面形成以來軸面e已停止活動，階地面未發(fā)生變形;因此我們將該段形態(tài)作為各階地面初始形態(tài)，坡度為(0.10±0.06)°(圖6)。對于階地縱剖面，我們以現(xiàn)代河床坡度作為各階地面初始形態(tài)，坡度為(0.35±0.00)°(圖7)。

圖6 克孜勒蘇河南岸階地橫剖面(剖面位置見圖4b)Fig.6 Topographic cross sections of terraces surfaces.

圖7 克孜勒蘇河南岸階地實測地形縱剖面Fig.7 Longitudinal topographic profiles of terraces surfaces.

3.2 階地剖面形態(tài)

橫向上，與階地面初始坡度(0.10±0.06)°相比，在軸面a和b之間T2a表現(xiàn)為反向掀斜:在 p1處坡度為(-0.31±0.02)°，旋轉(zhuǎn)角度(-0.41±0.06)°S;在 p2 處坡度為(-0.26±0.06)°，旋轉(zhuǎn)角度(-0.36 ± 0.08)°。T2b 和 T3 也發(fā)生了反向掀斜:T2b 坡度為(-0.38 ±0.03)°，旋轉(zhuǎn)角度(-0.48 ±0.07)°;T3 坡度為(-0.99 ±0.09)°，旋轉(zhuǎn)角度(-1.1 ±0.1)°。在軸面b和c之間T2a發(fā)生了掀斜(圖6):在p1處坡度為 (90.68±0.01)°(坡向北為正)，旋轉(zhuǎn)角度(0.58 ±0.06)°(向北掀斜為正);在 p2 處坡度為(0.64 ±0.04)°，旋轉(zhuǎn)角度(0.54 ±0.07)°。

階地的差異性掀斜與下伏基巖形態(tài)是對應的。T2a北部向北，T2a南部、T2b及T3向南掀斜是因其橫跨背斜軸分別位于24°N和6°S兩個傾向不同的巖區(qū)內(nèi)，表明軸面b在晚第四紀仍在活動(圖6)。在24°N等傾角巖區(qū)內(nèi)，T2a北部與現(xiàn)代河床相比發(fā)生了明顯掀斜;在6°S等傾角巖區(qū)內(nèi)，T2a、T2b和T3隨著階地年齡的增大，掀斜角度逐漸增大。這些均表明在晚第四紀兩個傾角區(qū)并非通過膝折帶遷移作為一個統(tǒng)一塊體均勻抬升，而是通過翼旋轉(zhuǎn)機制生長的(陳杰等，2005;Scharer et al.，2006)。

不同階地掀斜程度不同，同一階地在背斜不同位置掀斜程度也有較大差別。對于T2a北部，在西部旋轉(zhuǎn)角度為(0.58 ±0.06)°，東部為(0.54 ±0.07)°N;對于 T2a南部，在西部旋轉(zhuǎn)角度為(-0.41 ±0.06)°，東部為(-0.36 ±0.08)°。階地的這種變形與背斜西部相對緊閉、東部相對寬緩的形態(tài)是相似的，反映了背斜的側(cè)向擴展生長。

在T2a北部軸面c與d之間發(fā)育一走向與軸向大致平行的低緩陡坎(圖4a，b)，與下伏構(gòu)造對比表明陡坎的范圍與44°N等傾角巖區(qū)大致對應(圖6)，而與斷層作用無關(guān)，是一典型的褶皺陡坎。在剖面p2，該陡坎寬約300m，高約16m，坡度(3.1±0.1)°。關(guān)于褶皺陡坎的形成已有不少討論(盧華復等，2002;陳杰等，2005;Scharer et al.，2006;Chen et al.，2007;Hubert-Ferrari et al.，2007)，膝折帶遷移和翼旋轉(zhuǎn)2種機制均可以形成褶皺陡坎。由于膝折帶遷移機制形成的褶皺陡坎坡度與軸面兩側(cè)傾角差值相當，即在剖面p2的陡坎坡度應為約20°，而非事實上僅有的3°，我們認為該處褶皺陡坎是通過44°N傾角巖區(qū)翼旋轉(zhuǎn)形成的(圖8a1，a2)，旋轉(zhuǎn)角度(3.0±0.1)°。

河流階地不僅在橫向上變形顯著，在縱向上也發(fā)生了顯著變形。與現(xiàn)代河床縱坡降(0.35 ±0.00)°相比(圖7)，T2a 南部坡度為(0.46 ±0.04)°，旋轉(zhuǎn)角度(0.11 ±0.04)°;T2a 北部坡度為(0.44 ± 0.01)°，旋轉(zhuǎn)角度(0.09 ± 0.01)°。T3 坡度為(0.70 ± 0.04)°，旋轉(zhuǎn)角度(0.35 ±0.04)°。T4 坡度為(1.07 ±0.05)°，旋轉(zhuǎn)角度(0.72 ±0.05)°。T2a、T3 和 T4 隨著階地年齡增大，階地側(cè)向旋轉(zhuǎn)程度逐漸增大，這不僅反映了背斜向東的側(cè)向擴展，也反映了側(cè)向擴展中有側(cè)向旋轉(zhuǎn)作用(圖1b2)。

4 討論

4.1 木什背斜的縮短、隆升

根據(jù)階地變形特征，木什背斜晚第四紀的縮短和隆升主要是通過翼旋轉(zhuǎn)作用進行的。在翼旋轉(zhuǎn)機制中，背斜各翼長度基本恒定，下伏地層旋轉(zhuǎn)角度與階地面旋轉(zhuǎn)角度大致相等，各翼旋轉(zhuǎn)前后水平方向投影長度的差值即為該翼縮短增量，垂直方向投影長度的差值即為該翼隆升增量(圖8a2)，其計算公式為

其中:S為縮短增量，H隆升增量，L翼長，θ旋轉(zhuǎn)翼現(xiàn)今坡度，φ階地面旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)公式，如果能夠確定階地面旋轉(zhuǎn)角度θ和與其對應的各旋轉(zhuǎn)翼長度L，就可以確定階地形成以來背斜的縮短增量和隆升增量。

在軸面a與 b之間，p1和 p2處階地面旋轉(zhuǎn)角度分別為(-0.41±0.06)°和(-0.36±0.08)°(圖6)，取其平均值作為下伏 6°S 等傾角巖區(qū)的旋轉(zhuǎn)角度，為(-0.4 ±0.1)°。在軸面 b與 c之間，p1 和 p2 處階地面旋轉(zhuǎn)角度分別為(0.58 ±0.06)°和(0.54 ±0.07)°，取其平均值作為下伏24°N等傾角巖區(qū)的旋轉(zhuǎn)角度為(0.56±0.09)°。在褶皺陡坎處，T2a旋轉(zhuǎn)角度為(3.0±0.1)°，其下伏44°N 等傾角巖區(qū)的旋轉(zhuǎn)角度為(3.0 ±0.1)°。

圖8 褶皺縮短增量、隆升增量和側(cè)向擴展增量計算公式Fig.8 The calculating methods of incremental shortening，uplift and lateral propagation of fold.

根據(jù)木什背斜構(gòu)造橫剖面(圖8b)(肖偉鵬等，2011)，不同深度各旋轉(zhuǎn)翼長度不同。我們用西域組頂界長度對背斜縮短增量和隆升增量進行計算;考慮到解譯過程中各翼長度并不能很好地限定，取10%作為各翼長度的誤差。由此可得，6°S、24°N和44°N 3個等傾角巖區(qū)長度分別為(2300±230)m、(1100±110)m和(540±54)m(圖8b);結(jié)合階地面旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)上述計算公式可得縮短增量分別為(1.6±0.4)m、(4.6±0.8)m 和(19±2)m，隆升增量分別為(16.0 ±4.3)m、(9.8 ±1.9)m 和(20.8 ±2.2)m。

因此，自T2a形成以來，背斜最小縮短增量為(25.2±2.2)m。背斜南部最小隆升增量為(16.0±4.3)m，北部最小隆升增量為(30.6±2.9)m，取背斜北部的隆升量作為背斜的最小隆升量為(30.6 ±2.9)m。由階地面年齡(15.8 ±2.4)ka，可得背斜最小縮短速率為(1.6 ±0.3)mm/a，最小隆升速率為(1.9 ±0.3)mm/a。

4.2 背斜的側(cè)向生長擴展

褶皺的側(cè)向生長擴展包括側(cè)向遷移和側(cè)向旋轉(zhuǎn)2種機制(圖1b1，b2)。前者在褶皺生長過程中褶皺傾伏端地層傾角基本恒定，褶皺端部迅速向外緣擴展，擴展速率遠大于縮短和隆升速率(可達數(shù)十倍);此時褶皺狹長，長寬比很大。隨著生長的進行，擴展速率逐漸降低，側(cè)向旋轉(zhuǎn)的比重開始增大。最后褶皺側(cè)向擴展以側(cè)向旋轉(zhuǎn)為主:褶皺端部基本固定，褶皺傾伏端地層傾角不斷增大;此時褶皺由狹長逐漸變?yōu)闄E圓狀，長寬比逐漸減小。

褶皺的側(cè)向擴展與隆升密切相關(guān)，假設(shè)沿軸向不同位置褶皺傾伏端地層傾角一致，可得側(cè)向擴展增量與隆升增量的定量關(guān)系(圖8c)，其計算公式為

其中:U為隆升總量，ΔU隆升增量，β傾伏端地層傾角，Δβ傾伏端地層傾角增量，ΔL側(cè)向遷移擴展增量。由公式(3)可知，如果傾伏端地層傾角增量Δβ和隆升增量ΔU能夠確定，就可以估算褶皺的側(cè)向擴展增量ΔL。

對于木什背斜，背斜傾伏端地層傾角的增量可通過各階地面形成以來的旋轉(zhuǎn)量獲得。根據(jù)階地實測縱剖面(圖7)，自T2a形成以來，在2個不同位置階地面的旋轉(zhuǎn)量分別為(0.11±0.04)°和(0.09 ±0.01)°，取其平均值(0.10 ±0.04)°作為傾伏端地層旋轉(zhuǎn)量。T3 和 T4 形成以來，傾伏端地層旋轉(zhuǎn)量分別為(0.35 ±0.04)°和(0.72 ±0.05)°。假設(shè)晚第四紀背斜隆升速率保持(1.9 ±0.3)mm/a不變，可得T3和T4對應的背斜隆升增量分別為(143±17)m和(342±39)m。

木什背斜自形成以來隆升量約為1.5km(肖偉鵬等，2011)，若假定背斜自形成以來隆升速率恒定，根據(jù)階地面T3的形成年代，推測木什背斜可能開始形成于距今約0.58Ma前。構(gòu)造橫剖面所在位置距已有地貌顯示的背斜東端16～18km(圖3a)，可得背斜傾伏端地層傾角平均大小為(5.0 ±0.4)°，這與背斜東端地層傾角大小(4°～6°)基本一致。根據(jù)式(3)，T2a、T3和T4對應的側(cè)向遷移擴展增量分別為(5.3±29.4)m、(465±144)m 和(1668±162)m。據(jù)此可計算不同階段木什背斜的側(cè)向遷移擴展速率(圖9)，由圖9可見，木什背斜側(cè)向遷移擴展速率在131～16ka為(14.6±3.6)mm/a;自 16ka至今，側(cè)向遷移擴展速率減小至(0.3 ±1.7)mm/a，這表明背斜已基本停止向東側(cè)向遷移，背斜側(cè)向生長以側(cè)向旋轉(zhuǎn)為主。

圖9 木什背斜晚第四紀側(cè)向遷移擴展速率Fig.9 Lateral propagation rate of the Mushi anticline in the late Quaternary.

4.3 不確定性

在計算背斜縮短速率和隆升速率時，雖然考慮了背斜各旋轉(zhuǎn)翼長度的誤差(相對誤差10%)、階地面旋轉(zhuǎn)角度的誤差和階地面年齡的誤差。但仍存在以下諸多不確定性:1)背斜幾何形態(tài)，由于未獲得地震反射剖面，在解譯背斜的構(gòu)造橫剖面時，我們假設(shè)背斜生長過程中地層厚度保持不變。如果地層發(fā)生了不等厚變形，構(gòu)造橫剖面的形態(tài)就會發(fā)生變化，各旋轉(zhuǎn)翼的長度也就隨之變化，最終對縮短速率和隆升速率產(chǎn)生較大影響。此外，位于不同構(gòu)造位置的構(gòu)造橫剖面，背斜的幾何形態(tài)是不同的(肖偉鵬等，2011)，本文僅采用了靠近背斜核部的構(gòu)造橫剖面進行計算。2)計算模型的不確定性。縮短速率和隆升速率的計算公式是在下伏地層旋轉(zhuǎn)角度與階地面旋轉(zhuǎn)角度相當?shù)臈l件下獲得的(圖8a2)，由于背斜生長過程中層間剪切作用的影響，下伏地層旋轉(zhuǎn)的角度并不完全等同于階地面旋轉(zhuǎn)的角度。3)在野外測量過程中實測剖面與構(gòu)造線方向并未完全垂直，在計算時我們將實測點投影到與構(gòu)造線垂直的方向上，這也可能對計算結(jié)果造成一定誤差。

上述計算獲得的背斜側(cè)向擴展速率只是實際情況的一級近似，存在著以下不確定性。首先各階地的隆升量是假設(shè)隆升速率不變得到的。如果在晚第四紀背斜隆升速率發(fā)生明顯變化，會對最終計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。側(cè)向擴展速率的計算模型也會造成很大的不確定性:計算模型是假設(shè)背斜側(cè)向擴展過程中傾伏翼為一直線，如果背斜的傾伏翼為一曲線，則需要用其他模型進行計算。最后，野外測量過程中實測剖面與構(gòu)造線方向并非完全平行，而是存在一小的夾角，這也會影響側(cè)向擴展速率最終的計算結(jié)果。

4.4 與現(xiàn)今GPS縮短速率的對比

據(jù)艾斯毛拉背斜東南的GPS觀測站W(wǎng)UPA(歐亞大陸參考架下N3°E方向速度為(22.2±0.6)mm/a，觀測站W(wǎng)UPA可能位于PFT之NE)和喀什背斜南的觀測站KSH(N7°E方向速度為(18.5 ±0.4)mm/a)的觀測數(shù)據(jù)(Zubovich et al.，2010)(圖2)，兩站之間(相距約 42km)現(xiàn)今縮短速率約為3.7mm/a，此即木什背斜東部現(xiàn)今的地殼縮短速率。其中至少有(1.6±0.3)mm/a被木什背斜中部和北部的晚第四紀變形所吸收，其它可能被艾斯毛拉背斜與木什背斜之間的向斜、木什背斜南翼、木什背斜與喀什背斜之間的向斜吸收。

5 初步認識

木什背斜南翼緩、北翼陡，主軸面南傾。地形橫剖面、縱剖面和水系分布特征表明木什背斜具有由西向東擴展生長的特征。根據(jù)填圖資料和鄰區(qū)地震反射剖面，通過平衡剖面約束，推測木什背斜為一滑脫褶皺，其縮短量約為0.7km，隆升幅度可達1.5km。若假定背斜自形成以來隆升速率恒定，推測木什背斜可能開始形成于距今約0.58Ma前。

克孜勒蘇河流向與背斜軸近平行，在背斜核部與北翼發(fā)育數(shù)級開闊平坦的沿軸向展布的河流階地，可劃分為4期。根據(jù)階地堆積細顆粒石英光釋光測年結(jié)果，階地面T2a、T3和T4年齡分別為(15.8 ±2.4)ka、(55.1 ±10.3)ka 和(131.4 ±23.9)ka。伴隨背斜生長，河流階地發(fā)生了顯著變形，表現(xiàn)形式包括斷層陡坎、不同階地面的橫向掀斜、褶皺陡坎的形成及階地面的縱向掀斜及遷移。階地變形特征表明，在晚第四紀木什背斜的縮短和隆升主要是通過翼旋轉(zhuǎn)機制進行的。

根據(jù)T2a階地的變形特征和翼旋轉(zhuǎn)模型，可獲得各旋轉(zhuǎn)翼縮短速率和隆升速率的計算公式。計算結(jié)果表明，木什背斜晚第四紀最小縮短速率為(1.6±0.3)mm/a，最小隆升速率為(1.9±0.3)mm/a。階地縱剖面的形態(tài)表明背斜發(fā)生了側(cè)向遷移和旋轉(zhuǎn)，根據(jù)垂直隆升與側(cè)向擴展之間的關(guān)系，可獲得側(cè)向遷移擴展速率。計算結(jié)果表明背斜在131～16ka期間向東的側(cè)向遷移擴展速率較快，為(14.6±3.6)mm/a;自16ka至今，側(cè)向擴展速率迅速減小至(1.7±0.3)mm/a，背斜向東的側(cè)向遷移擴展可能已基本停止，而以側(cè)向旋轉(zhuǎn)為主。

致謝 感謝諸位評閱人對本文提出的寶貴修改建議!

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USING DEFORMATION TERRACES TO CONFINE THE SHORTENING，UPLIFT AND LATERAL PROPAGATION OF THE MUSHI ANTICLINE，NORTHERN MARGIN OF THE PAMIR

LI Tao1)CHEN Jie1)XIAO Wei-peng1，2)Burbank D W3)HUANG Ming-da1)Thompson J3)

1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China
3)Department of Geological Sciences，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

Locating at eastern end of the Pamir Front Thrust(PFT)，the Mushi anticline grows initiating from early-Pleistocene till now.The anticline，with a gentle south limb and steep north limb，outcrops Pliocene Atushi formation and lower-Pleistocene Xiyu formation.Topographic profiles and drainage pattern indicate the lateral growth of the anticline from west to east.Combining mapping data and seismic profiles from the neighboring area，we find the Mushi anticline is a detachment fold，with a total shortening of ～0.7km and a total uplift up to～1.5km.

Northern part of the anticline is dominated by a series of wide，flat terraces.According to OSL samples，the age of the terrace T2a，T3and T4 is 15.8 ± 2.4ka，55.1 ± 10.3ka and 131.4 ± 23.9ka respectively.Correlating with Marine Isotopic stages(MIS)，the formation of terraces has some relationship with global climate change.

As growing of the anticline，terrace surfaces deformed obviously，which is characterized by fault scarps，surface tilting or back-tilting，folding scarps and lateral tilting.Deforming patterns of the terrace surfaces indicate the Mushi anticline grows by limb rotation in late-Pleistocene.Using calculating models，we can confine the minimum shortening rate is 1.6 ± 0.3mm/a and the minimum uplift rate is 1.9 ±0.3mm/a.

Longitudinal profiles of terraces indicate the Mushi anticline grows laterally through limb rotation.According to relationship between uplift and lateral propagation，we can acquire a faster eastward lateral propagation rate of the anticline during the period of 131 ～16ka，with a rate about 14.6 ±3.6mm/a;however，since 16ka，the rate reduced to 1.7 ±0.3mm/a，implying the anticline tip stopped propagating to the east，and growing of the anticline was mainly dominated by lateral limb rotation in late Quaternary.

Pamir，Mushi anticline，late Quaternary，river terrace，fold growth，lateral propagation

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0308-15

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.005

2011-04-17收稿，2011-06-07改回。

科技部國際科技合作計劃項目(2008DFA20860)、地震動力學國家重點實驗室自主研究課題(LED2010A04)和我國地震重點監(jiān)視防御區(qū)活動斷層地震危險性評價項目共同資助。

* 通訊作者:陳杰，研究員，E-mail:chenjie@ies.ac.cn。

李濤，男，1985年生，2007年在吉林大學地球科學學院獲學士學位，現(xiàn)為中國地震局地質(zhì)研究所博士研究生，主要從事新構(gòu)造、活動構(gòu)造等方面的研究，電話:010-62009099，E-mail:litao.410@163.com。