帕米爾前緣逆沖推覆系活動斷層和活動褶皺作用

李 濤

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

帕米爾前緣逆沖推覆系活動斷層和活動褶皺作用

李 濤

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

帕米爾構(gòu)造結(jié)是印度板塊向歐亞大陸碰撞的兩個突出支點之一，是中國大陸受板塊動力作用最強烈、強震頻發(fā)的地區(qū)之一，也是揭示青藏高原形成與演化歷史的關(guān)鍵地區(qū)之一。晚新生代帕米爾構(gòu)造結(jié)北部向北楔入推移了約300km，形成了一陸內(nèi)深俯沖帶和地震帶，但對這一變形過程及方式至今未能很好的限定。沿76°E附近橫跨帕米爾—天山的最新GPS測量結(jié)果表明，其現(xiàn)今地殼縮短速率為20～24mm／a，幾乎占印度板塊現(xiàn)今向北推擠速率（40～50mm／a）的一半。帕米爾已成為全球開展現(xiàn)今陸內(nèi)再造山過程、陸內(nèi)應(yīng)變的空間分配和時間變化、陸內(nèi)強震及其預(yù)測等大陸動力學前沿問題研究的關(guān)鍵地區(qū)和最理想的天然實驗場。

在帕米爾西緣，構(gòu)造變形持續(xù)集中在帕米爾和塔吉克盆地的邊界斷層、左旋走滑的達瓦孜—卡拉庫爾斷層（Darvaz-Karakul Fault，簡稱DKF）。與西緣不同，在帕米爾北緣的阿萊谷地，變形前緣已由帕米爾前緣逆沖推覆系（Pamir Frontal Thrust，簡稱PFT）逐步向腹陸方向后退至山前的主帕米爾斷層（Main Pamir Thrust，簡稱MPT）。在帕米爾東緣，自25～20Ma以來，構(gòu)造變形主要通過帕米爾與塔里木盆地的邊界斷層喀什—葉城轉(zhuǎn)換帶（Kashgar-Yecheng Transfer System，簡稱KYTS）調(diào)節(jié)；至晚中新世或上新世，KYTS走滑速率由之前的約11～15mm／a減小至約1.7～5.3mm／a，帕米爾與塔里木盆地間的相對運動明顯減弱，兩大塊體已拼接在一起并作為一整體向北運動。區(qū)域構(gòu)造格局的變化，必然導(dǎo)致應(yīng)變的重新分配。那么最新構(gòu)造變形帶位于何處，具有怎樣的變形特征，縮短速率如何？GPS觀測的該最新構(gòu)造變形帶現(xiàn)今地殼縮短速率約為6～9mm／a，這與第四紀時期的地質(zhì)變形速率是否一致？在時間和空間上應(yīng)變是如何在塔里木與帕米爾兩個相互作用的地體間傳遞、分配的？是一個還是多個構(gòu)造帶吸收了這一構(gòu)造變形？帕米爾東緣和東北緣的應(yīng)變分配與西緣和北緣有何不同，與其北鄰的天山又有何異同？

為了回答上述問題，我們選擇帕米爾、塔里木與天山碰撞帶的最新構(gòu)造變形帶帕米爾前緣逆沖推覆系（PFT），通過對其重點地段的大比例尺地質(zhì)-地貌填圖、磁性地層年代學和更新世變形河流階地的詳細測量、分析及測年研究，獲得了以下幾方面的新認識：

（1）帕米爾東北緣活動構(gòu)造的空間展布。帕米爾東北緣晚新生代以來的構(gòu)造變形主要集中在山前的MPT、前鋒地區(qū)的PFT和兩者之間的背馱盆地內(nèi)。MPT是帕米爾和塔里木盆地的邊界斷層，是帕米爾東緣的喀什—葉城轉(zhuǎn)換帶（KYTS）沿帕米爾和塔里木盆地的邊界向西北的延伸，由數(shù)條前新生代基底卷入的高角度逆斷層組成，斷層兩側(cè)地質(zhì)地貌特征對比顯著。綜合野外調(diào)查、地震分布、GPS速率和彈性半空間模型模擬結(jié)果，可確定MPT晚第四紀已基本停止活動，構(gòu)造變形沿背馱盆地下伏的古近紀石膏層向北遷移到PFT上。PFT變形帶內(nèi)活動斷層和活動褶皺廣泛發(fā)育。出露地表的活動斷層包括瑪依卡克盆地內(nèi)的別爾托闊依前緣斷層、瑪依卡克斷層和吉勒格由特斷層以及盆地以東的托姆洛安斷層。活動褶皺包括烏拉根背斜、明堯勒背斜和木什背斜。

（2）PFT變形帶內(nèi)第四紀地層和主要地貌面的年代。準確而可靠地確定與PFT相關(guān)的第四紀地層和地貌面的年齡是本文研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。選擇PFT的分支托姆洛安斷層下盤明堯勒背斜西南一出露良好，包括阿圖什組頂部和西域礫巖厚約2 100m的地層剖面開展了詳細的磁性地層年代學研究。結(jié)合整個磁性地層剖面進行帶的分布樣式，與Lourens等的磁性極性年表進行對比，將剖面最下部的正極性帶N1對應(yīng)于Matuyama的Reunion正極性亞時，最上部的N4對應(yīng)于Brunhes正極性時，即剖面底部阿圖什組與西域礫巖的分界年齡約為2Ma，西域礫巖頂界年齡約為0.35Ma。據(jù)此獲得剖面下段1 600m厚地層的平均沉積速率約為1 150m／Ma，各段地層沉積速率大致保持恒定。

在研究區(qū)沿克孜勒蘇河、別爾托闊依河、康素河、喀帕卡河兩岸普遍發(fā)育有多期區(qū)域可對比的河流階地。本文采用光釋光測年方法對這些階地進行了系統(tǒng)測年。結(jié)果表明，這些階地面形成于氣候由冰期向間冰期的轉(zhuǎn)換階段，反映了階地形成于氣候事件的對應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)分布和發(fā)育最廣泛的階地面形成于末次冰盛期（Last Glacial Maximum，簡稱LGM），本文命之為“LGM”階地。

（3）PFT變形帶內(nèi)主要活動斷層的變形特征和速率。在瑪依卡克盆地，位于盆地SW緣的別爾托闊依前緣斷層為一向北逆沖、傾角約70°的高角度逆斷層，根據(jù)盆地內(nèi)LGM階地的斷錯量可得斷層的傾滑速率為2.1＋1.0／-0.5mm／a，縮短速率約為2.0mm／a。位于盆地北部的瑪依卡克斷層為一向南逆沖、傾角約15°的低角度逆斷層，斷層上盤階地面上發(fā)育多條逆彎滑斷層和正彎滑斷層陡坎；在彎滑斷層發(fā)育處階地面發(fā)生了明顯反向掀斜。綜合瑪依卡克斷層附近階地面變形特征和下伏構(gòu)造的形態(tài)，認為瑪依卡克斷層極有可能為烏拉根背斜南翼褶皺生長形成的逆彎矩斷層。根據(jù)LGM階地的斷錯，估算該斷層的傾滑速率為3.1＋3.0／-1.6mm／a，縮短速率約為3.0mm／a。盆地北緣的吉勒格由特斷層為一傾角約45°的向南逆沖的斷層，根據(jù)階地面斷錯，其傾滑速率約為0.25mm／a，縮短速率約為0.2mm／a。由盆地向東為PFT 的分支托姆洛安斷層，斷層活動使古近紀膏泥巖沿約15°的斷層面向北逆沖到明堯勒背斜南翼第四紀西域礫巖之上，最小縮短量約為2.1km。根據(jù)磁性地層年代學結(jié)果，估算該西域礫巖頂界年齡約為0.35Ma，由此可得，PFT的最小傾滑速率約＞6.3mm／a，縮短速率約＞6.3mm／a。

（4）PFT變形帶內(nèi)主要活動褶皺的變形特征和速率。在PFT變形帶內(nèi)，活動褶皺的變形非常強烈，對調(diào)節(jié)區(qū)域應(yīng)變具有重要作用。但僅利用出露地表的前生長地層無法限定褶皺的生長機制和變形速率。由于褶皺生長過程中，發(fā)育在褶皺區(qū)的河流階地也發(fā)生了同步變形；通過對河流階地的詳細填圖、測量和定年，確定階地面幾何形態(tài)及其與下伏基巖間的關(guān)系，可推斷活動褶皺的生長機制，估算褶皺的變形速率。

明堯勒背斜為一滑脫褶皺，自約1.6Ma以來的縮短速率約為0.9mm／a。在明堯勒背斜南翼喀帕卡河谷、采金場和背斜SW的階地面上發(fā)育著一系列褶皺陡坎。褶皺陡坎是指初始水平或近水平的地層或未固結(jié)的沉積物（或階地面、不整合面、侵蝕面等）受下伏斷層或盲斷層的轉(zhuǎn)折沖斷作用，由于膝折帶遷移使活動樞紐與固定樞紐分離而在地表形成的陡坎。根據(jù)斷層相關(guān)褶皺的基本理論，對于滑脫褶皺，盡管由于不發(fā)育斷坡而不存在斷層的轉(zhuǎn)折沖斷作用，但在理論上，褶皺的膝折帶遷移機制也會使活動軸面與固定軸面分離而形成褶皺陡坎；而在翼旋轉(zhuǎn)機制中，為調(diào)節(jié)內(nèi)部空間的減小，活動樞紐附近地層的小規(guī)模遷移也會在地表形成褶皺陡坎。盡管滑脫褶皺在理論上存在形成褶皺陡坎的可能，卻并未有相關(guān)野外實例的詳細報道。通過對河流階地變形特征的分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)育在明堯勒背斜南翼喀帕卡河谷和采金場的褶皺陡坎是通過膝折帶遷移機制形成的，在背斜西南的褶皺陡坎是通過翼旋轉(zhuǎn)形成的，是兩種新的褶皺陡坎類型。根據(jù)采金場T2階地上發(fā)育的褶皺陡坎，可得背斜晚第四紀縮短速率約＞0.6mm／a。與斷彎褶皺作用形成的經(jīng)典褶皺陡坎對比表明，這幾種不同類型的褶皺陡坎在產(chǎn)出位置、野外識別和形態(tài)上具有很多相似之處，但在形成機制、造成的階地變形和規(guī)模上也存在諸多不同，在利用褶皺陡坎計算背斜縮短增量時首先要區(qū)分褶皺陡坎的類型。

褶皺在三維空間的生長包括縮短、隆升和側(cè)向擴展。河流階地作為伴隨背斜生長被動變形的地貌面已越來越多地被應(yīng)用到褶皺縮短和隆升的研究中，但利用河流階地限定褶皺側(cè)向擴展的實例尚屬少見。發(fā)育在PFT東部的木什背斜，為一南翼緩、北翼陡由滑脫面或盲斷坡控制的斷頂褶皺，其縮短量約為700m，隆升量可達約1 300m。在背斜核部和北部發(fā)育數(shù)級開闊平坦的沿背斜軸向展布的河流階地，伴隨背斜生長河流階地發(fā)生了顯著變形。通過對階地面變形特征的分析，木什背斜晚第四紀是通過翼旋轉(zhuǎn)縮短和隆升的，其縮短速率和隆升速率分別為1.5＋1.4／-0.5mm／a和2.3＋2.3／-0.9mm／a。沿背斜軸向，河流階地縱剖面發(fā)生了明顯掀斜。根據(jù)木什背斜河流階地變形特征，提出了區(qū)分褶皺側(cè)向擴展方式的模型，與該模型對比表明，木什背斜向東的側(cè)向擴展至少自約134ka在T4階地形成之后已停止活動，側(cè)向擴展僅通過側(cè)向旋轉(zhuǎn)作用進行。

（5）帕米爾東北緣的應(yīng)變分配及其與西緣和北緣的差別。在瑪依喀克盆地，PFT的變形由別爾托闊依前緣斷層、瑪依喀克斷層和吉勒格由特斷層調(diào)節(jié)，其萬年尺度的總縮短速率約為5.0mm／a，由盆地向東PFT兩分支托姆洛安斷層和明堯勒背斜在百萬年尺度內(nèi)吸收的縮短速率共計約7～8mm／a。因此，PFT在萬年和百萬年兩個不同時間尺度內(nèi)的縮短速率大致相當，約為5～8mm／a，且該速率與由GPS數(shù)據(jù)得到的現(xiàn)今會聚速率約6～9mm／a也大致相同，表明PFT在過去的約1～2Ma吸收的縮短速率基本恒定，帕米爾東北緣的主要構(gòu)造變形可能至少自約1～2Ma以來由山前的MPT向北遷移至PFT上。該速率與研究區(qū)以西阿萊谷地內(nèi)MPT全新世縮短速率約＞5.3mm／a和以東南天山南緣喀什前陸盆地內(nèi)阿圖什—喀什褶皺帶約4Ma以來的縮短速率約5mm／a相當，表明盡管帕米爾與天山之間的相對運動在不同位置由不同構(gòu)造吸收，但可能至少自約4Ma以來，兩大塊體的會聚速率是基本恒定的，均約為5～8mm／a。

帕米爾與天山間的相對運動在不同邊界由不同構(gòu)造吸收，反映了帕米爾各邊界不同的區(qū)域構(gòu)造格局。在帕米爾東緣和東北緣，帕米爾和塔里木盆地邊界斷層MPT—KYTS活動性的明顯減弱及構(gòu)造變形前緣向北遷移至PFT-南天山南緣均表明，兩大塊體已拼接在一起并作為整體向天山推擠。在帕米爾西緣構(gòu)造變形持續(xù)集中在左旋走滑的DKF上則反應(yīng)了帕米爾和塔吉克盆地之間仍具有很強的相對運動。而在帕米爾北緣的阿萊谷地，盡管變形前緣向腹陸方向后退，但變形前緣一直位于帕米爾一側(cè)。

（6）帕米爾與天山造山作用和向前陸地區(qū)擴展方式的異同。與北鄰天山縮短變形分散在造山帶內(nèi)多條高角度逆斷層上不同，帕米爾的構(gòu)造變形主要集中在邊界斷層上，反應(yīng)了兩大塊體不同的造山過程。帕米爾和天山向前陸地區(qū)的擴展都具有脈沖式擴展遷移的特征。但不同的是，帕米爾前陸地區(qū)的構(gòu)造變形以出露地表的活動斷層為主，各分支構(gòu)造長度較小，且應(yīng)變集中在非常狹窄的范圍內(nèi)。而天山前陸地區(qū)的構(gòu)造變形則以盲斷層控制的活動褶皺為主，各分支構(gòu)造可延伸很長距離，構(gòu)造變形離散在很寬的變形帶內(nèi)。

（7）擠壓造山帶GPS速率與地質(zhì)速率一致性探討。在擠壓造山帶，GPS速率與長時間尺度內(nèi)的地質(zhì)速率是否一致，能代表多長時間尺度內(nèi)的地質(zhì)速率仍未得到很好的驗證。通過對喜馬拉雅、臺灣、天山和帕米爾的對比，我們認為，兩速率是否一致受控于斷層幾何形態(tài)和力學性質(zhì)。當造山帶內(nèi)斷層傾角越大、包括斷層越多，斷層震間變形的尺度與上地殼厚度越接近時，兩速率更趨于一致。

本論文的主要進展和創(chuàng)新點包括：

（1）給出了PFT變形帶內(nèi)活動構(gòu)造的空間展布，限定了各分支構(gòu)造的變形特征和速率；

（2）限定了帕米爾東北緣的應(yīng)變分配，揭示了帕米爾東緣和東北緣變形特征與西緣和北緣的不同，以及整個帕米爾與天山造山作用和向前陸地區(qū)擴展方式的異同；

（3）在野外首次發(fā)現(xiàn)了與經(jīng)典褶皺陡坎不同的兩種新的褶皺陡坎類型，并對其變形特征進行了總結(jié)，對其形成機制進行了探討；

（4）首次提出了利用變形河流階地限定背斜三維空間生長，尤其是側(cè)向擴展的方法和模型；

（5）首次在國內(nèi)發(fā)現(xiàn)了活動逆彎矩斷層和正彎滑斷層的實例，也是國際上僅有的幾個研究實例之一，并對其變形特征、形成機制等進行了討論；

（6）對碰撞造山帶GPS速率與長時間尺度地質(zhì)速率一致性的控制因素進行了探討；

（7）在國內(nèi)首次運用Monte Carlo模擬方法對活動斷層和活動褶皺的變形速率及其不確定性進行了定量計算。

背斜帶；斷層分布；逆沖推覆；帕米爾東緣；構(gòu)造變形；前緣斷層；活動斷層；明堯勒；縮短速率；走滑；變形特征；河流階地；邊界斷層；前陸；陡坎；滑斷層；活動褶皺；阿圖什組；滑脫褶皺；北緣

（作者電子信箱，李濤：litao.410＠163.com）

P542；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2013.08.010