北天山中東段活動斷層滑動與現(xiàn)代構造應力場

張紅艷 謝富仁 崔效鋒 杜義

1)中國地震局地質(zhì)研究所，北京市朝陽區(qū)華嚴北里甲1號 100029

2)中國地震局地殼應力研究所(地殼動力學重點實驗室)，北京德外西三旗 100085

0 引言

天山位于亞洲大陸中部，總體上呈近EW向，東起中國境內(nèi)的新疆維吾爾自治區(qū)，西至哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦等國，全長約2500km，寬度達250～350km，是亞洲最主要、規(guī)模巨大的年輕山系之一(鄧起東等，2000)。在中國地質(zhì)學界，大體上以88°E線為界將天山山脈分為東天山和西天山。其中，西天山又被劃分為北天山、中天山、南天山和西南天山(李錦軼等，2006)。位于天山北麓近EW向的北天山，橫貫新疆，東延入蒙古、西進獨聯(lián)體，北接準噶爾盆地，南連南天山，其地理坐標為42.6°～45.3°N，80°～96°E。從新構造運動來看，北天山地區(qū)以逆斷裂褶皺帶依次由南向北作前展式擴展和逐漸隆起為主要特征。由南向北4排斜列的逆斷裂-褶皺帶分別是山麓逆斷裂-褶皺帶、霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯逆斷裂-褶皺帶、獨山子-安集海逆斷裂-褶皺帶、西湖隆起帶，它們共同組成了北天山山前活動構造帶(鄧起東等，1991、2000;馮先岳等，1991)。這些活動構造帶是中國西北部典型的擠壓型活動構造區(qū)，主要的活動斷裂呈NW、NE和近EW向，分布于天山山體與盆地銜接的過渡地帶。本次研究工作選擇北天山中東段，即42.6°～45°N，83.5°～89°E區(qū)域范圍內(nèi)主要的活動斷裂，開展了活動構造形跡的詳細調(diào)查。通過活動斷裂滑動擦痕的系統(tǒng)測量，利用由斷層滑動反演構造應力張量的計算方法，獲得了研究區(qū)內(nèi)17個反映現(xiàn)代構造應力張量的數(shù)據(jù)，確定了各觀測點的3個主應力方向和反映其相對大小的應力形因子，為了解北天山地區(qū)現(xiàn)代(最新構造變動時期)構造應力場的基本特征提供了重要的基礎數(shù)據(jù)。

1 斷層滑動實地考察與觀測

北天山中東段地區(qū)活動斷裂眾多，結構復雜，且部分隱伏于地下。主要發(fā)育 NE、近EW、NW向3組活動斷裂，可分為全新世活動斷裂、晚更新世活動斷裂和早、中更新世活動斷裂(圖1)。本次研究選擇北天山中東段區(qū)域內(nèi)11條重要的活動斷裂，沿斷裂走向追蹤，進行了詳細的野外地質(zhì)考察，并在這些斷裂的關鍵構造部位，開展了斷層滑動數(shù)據(jù)的觀測。由于測點較多，無法逐一介紹每個測點的情況，現(xiàn)按照研究區(qū)內(nèi)3組活動斷裂的不同走向，對17個斷層滑動觀測點位中的部分測點作詳細介紹。

圖1 北天山中東段活動斷裂及斷層滑動觀測點位分布

1.1 NE向斷裂

1.1.1 碗窯溝斷裂F2

碗窯溝斷裂是烏魯木齊市活斷層調(diào)查的重點目標之一(圖1)。斷裂西起鯉魚山南側，向東經(jīng)紅光山、蘆草溝、鐵廠溝、悶葫蘆溝延伸至阜康水磨溝河以東，走向55°，傾向北，傾角60°～80°，斷層總長約50km。航片上該斷層線影像清晰，泉水沿斷層溢出。西段隱伏于烏魯木齊河河谷部分，據(jù)鉆探資料第四紀厚度差約10～20m。在八道灣露天煤礦可見侏羅系煤層向南逆沖到上更新統(tǒng)黃土和礫石層上(圖2)。在煤礦溝底3號測點處(43.90°N，87.67°E)可見一系列近平行排列的斷裂，傾角較緩，大多為50°～60°，斷層面上擦痕向北側伏，側伏角25°～45°，指示斷層為逆沖運動，少量顯示為左旋運動。高精度形變資料顯示該斷裂現(xiàn)今仍有活動(葉民權，2004);第五代區(qū)劃圖信息反映該斷裂為晚更新世斷裂。

圖2 碗窯溝斷裂3號測點八道灣煤礦

1.1.2 雅瑪里克斷裂F5

雅瑪里克斷裂經(jīng)雅瑪里克山至紅山北坡，經(jīng)水磨溝、鐵廠溝延伸至三工河以東，全長約38km，走向NE，傾向南，傾角60°～80°，逆沖兼走滑性質(zhì)。該斷裂也是烏魯木齊市活斷層調(diào)查的重點目標之一，新疆地震局在活斷層項目初勘階段開挖大型探槽揭露斷層剖面。最大的探槽長約200m，寬約3m，探槽揭示侏羅系逆沖于 Q3之上。斷裂帶寬度為50～150m，第四系厚度為0～30m，淺層地震探測表明斷裂穿過市區(qū)。多年地震監(jiān)測、高精度重復形變測量以及GPS測量均表明該斷裂現(xiàn)今仍有活動(葉民權等，2004;楊繼林等，2005)。7號測點位于烏魯木齊市七一棉紡廠東的跑馬場(43.83°N，87.67°E)，屬雅瑪里克斷裂帶。據(jù)兩個探槽測得的擦痕數(shù)據(jù)顯示，斷層運動為左旋走滑。

1.2 近EW向斷裂

1.2.1 西山斷裂F1

西山斷裂是烏魯木齊市活斷層探測項目中一條重要的、頗具規(guī)模的斷層構造。該斷裂總長超過35km，總體走向近EW。斷層的性質(zhì)以逆沖傾滑錯動為主，斷層面北傾。從衛(wèi)星遙感、航片影像和地面地質(zhì)分析后認為西山斷層控制著西山嶺南麓(圖3)。斷層西起頭屯河以西的永光煤礦附近，由西向東經(jīng)稍胡達坂南麓，過頭屯河，沿西山、火山南麓分布，過四道岔后進入烏市近郊104團界內(nèi)，在耐火材料廠附近主斷面分為兩支:一支向東延伸;另一支向N40°E偏轉(zhuǎn)切入馬料地。斷層再向東進入市區(qū)，被完全覆蓋。斷層在地表存有斷坎地貌，坎高1.0～1.5m，近EW走向。新疆地震局經(jīng)探槽開挖見侏羅系煤層斷至地表，逆沖到晚更新世沖積相砂礫石層之上(圖4)。2號(43.80°N，87.53°E)測點位于探槽中，該測點處發(fā)育多組擦痕，走向近EW，傾向北，傾角30°～60°。斷層面上發(fā)育有清晰的滑動擦痕，指示斷層有逆沖運動。

1.2.2 阜康斷裂F3

阜康斷裂是烏魯木齊市外圍1條近EW走向的活動斷裂，該斷裂全長約160km，傾向南，傾角 20°～70°，具逆沖性質(zhì)，分析認為該斷裂為晚更新世活斷層。在魏家泉溝中4號測點處(44.11°N，87.83°E)可見三疊系紅色泥巖向北逆沖到上更新統(tǒng)礫石層上(圖5)。在斷裂露頭處可觀測到平直的斷層面，斷層傾角較緩，大多為40°～60°，斷面上擦痕顯示斷層為逆斷性質(zhì)。

圖3 西山斷層形成的斷崖山嶺地貌

圖5 阜康斷裂4號測點魏家泉

1.2.3 霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯斷裂F6

霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯斷裂全長為170km，走向近 EW，傾向南，傾角40°～50°，斷層性質(zhì)為逆斷層。該斷裂斷錯Ⅰ～Ⅴ級階地，屬全新世活動斷裂，并在1907年5月13日發(fā)生6級地震，有古地震形變帶。8號測點位于烏魯木齊市區(qū)外的紅山子(44.07°N，86.53°E)，屬霍瑪吐(霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯河)斷裂(圖1)。該測點擦痕由第三紀紅色地層中所測得(圖6、圖7)，除幾條擦痕可能由于重力作用使其側伏角近乎直立，其余擦痕的側伏角不超過30°，擦痕指示斷層運動為逆走滑。

圖6 霍瑪吐斷裂8號測點紅山子

圖7 霍瑪吐斷裂8號測點斷面斷層擦痕

1.2.4 柴窩堡盆地南緣斷裂F8

柴窩堡盆地南緣斷裂總長度超過100km，總體走向近EW，有彎曲，傾向南，傾角為29°～70°。此逆沖斷裂斷錯晚更新世洪積臺地，屬于晚更新世斷裂(楊繼林，2005)。11號測點位于烏魯木齊市區(qū)外的烏魯木齊河出山口(43.38°N，87.20°E)，屬柴窩堡盆地南緣斷裂(圖1)。測點處斷層傾角很陡，最小的為65°，最大的近乎直立，斷面有清晰的擦痕，擦痕的側伏角較大，多為45°～65°，斷層性質(zhì)為逆斷層。

1.2.5 二道溝斷裂F9

現(xiàn)代社會中的信息資源具有高度的開放性和共享性，社會中的每個人都有可能成為記者或者編輯，這就使得網(wǎng)絡建設具有較強的分散性。高校思政教育體系的建設涉及到家庭、學校、社會和學生以及傳播技術、媒體資源建設等許多方面，涵蓋了平臺搭建、思政教育隊伍的建設、政策支持、環(huán)境保障等多方面的內(nèi)容，這也是信息化背景下高校思政工作運行的內(nèi)容。

二道溝斷裂總長度為130km，西段走向NEE，中段近EW，東段為 NW向，傾向南，傾角為40°～70°，斷層斷錯中更新世Ⅱ級階地，形變測量證明現(xiàn)今仍有活動，屬全新世活動斷裂。該斷裂處1965年曾發(fā)生6.6級地震，并存在古地震形變帶(楊繼林等，2005)。13號測點位于烏魯木齊市區(qū)以外(43.93°N，88.08°E)，屬于二道溝斷裂(圖1)。該測點處發(fā)育NW走向活動斷層，斷層的傾角較大，大部分近乎直立。斷層面上擦痕發(fā)育，擦痕的側伏角約為10°～45°，該斷層為走滑斷層。

1.2.6 獨山子-安集海斷裂F10

獨山子-安集海斷裂的總體走向近EW，傾向南，傾角為40°～60°，是1條全新世活動斷裂。斷層錯斷Ⅰ～Ⅳ級階地，地表形成陡坎(馮先岳，1995)。16號測點位于獨山子煉油廠以南(44.31°N，84.84°E)，屬于獨山子-安集海斷裂(圖1)。該測點處可見中新世地層逆沖到晚更新世深黃色沙土層上，顯示斷層為逆沖性質(zhì)。地貌上表現(xiàn)為山鞍式地形或溝槽。在探槽內(nèi)的新鮮斷面上測得擦痕，較多的小擦溝顯示該斷裂活動較為強烈，擦痕側伏角大都為20°～30°，較為平緩，顯示斷層以走滑運動為主(圖8)。

圖8 獨山子-安集海斷裂16號測點斷面斷層擦痕

1.3 NW向斷裂

1.3.1 紅雁池斷裂F4

該斷裂位于博格達峰南麓，沿紅雁池南-柳樹溝口-白楊溝一線延伸，向西被覆蓋，總長度約35km?？傮w走向為NWW，在柳樹溝以西，走向約290°，以東轉(zhuǎn)向70°;斷面較陡，傾角約為 58°。6號測點(43.70°N，87.58°E)位于烏魯木齊市區(qū)內(nèi)南端的紅雁池水庫，屬紅雁池斷裂(圖1)。該斷裂是烏魯木齊市活斷層調(diào)查的重點目標之一，其遙感圖片影像清晰可見，第四系厚度為0～40m，基巖斷裂破碎帶寬50～100m。地震勘探資料表明，斷裂兩側第四系有明顯落差，水準測量結果顯示斷裂仍有垂直變形(楊繼林等，2005)。該測點處斷層露頭清晰可見，斷層面上發(fā)育有清晰的滑動擦痕，斷層擦痕數(shù)據(jù)由斷層的次級斷面、主斷面和斷層泥上測得。其中NEE向的一組活動斷層的傾角很陡，近乎直立，擦痕的側伏角為15°～50°，所指示的斷層運動為逆斷層運動且?guī)б欢ǖ淖呋至?。該斷裂為晚更新世早期活動斷裂，晚更新世晚期至今全新世活動已不明顯(葉民權等，2004)。

1.3.2 依連哈比爾尕斷裂F7

該斷裂總長度為374km，走向NWW，傾向南，傾角為40°～70°。1976年9月18日曾發(fā)生4.8級地震，該斷裂屬于晚更新世斷裂(楊繼林等，2005)。12號測點位于烏魯木齊市區(qū)外羊卷溝南(43.33°N，87.63°E)，屬于依連哈比爾尕斷裂。該測點處斷層面上擦痕發(fā)育，擦痕指示斷層運動為逆。

1.3.3 伊犁盆地北緣斷裂(喀什河斷裂)F11

伊犁盆地北緣斷裂也稱喀什河斷裂，總長超過340km，走向 NWW，傾向北，傾角65°～85°。衛(wèi)星影象極為清晰，水系溝谷同步右旋變位，北盤上升，南盤下降，屬右旋逆沖走滑斷裂。曾于1812年3月8日發(fā)生過尼勒克8級地震，地表出現(xiàn)80km長的形變帶，最大右旋水平位移4m，垂直位移2～7m，分析認為該斷裂屬于晚更新世－全新世斷裂活動(馮先岳，1987)。17號測點位于位于喀什河北岸阿爾桑薩依溝口北浙尼電站附近(43.71°N，83.61°E)，屬于喀什河斷裂(圖1)。該測點處可見灰紫色泥巖及砂礫巖向南逆沖到晚更新世砂礫層上，斷面走向為280°，傾向北，傾角約50°，斷層面上擦痕非常發(fā)育，多向西側伏，側伏角為45°～85°，擦痕指示斷層運動為逆(圖9)。

圖9 伊犁盆地北緣斷裂17號測點斷面斷層擦痕

2 研究方法簡述

利用斷層滑動資料反演構造應力張量的方法是通過最新構造運動造成的斷裂滑動、古地震構造形跡、地震地表破裂來確定導致構造運動與變形的構造應力張量，這種方法使傳統(tǒng)的構造定性分析演進為現(xiàn)代的計算機定量分析。該方法獲得的結果表明了地質(zhì)時期由于最新構造變動，也即現(xiàn)代構造運動引起的地殼上部的構造應力狀態(tài)。從地質(zhì)意義上來講，現(xiàn)今是現(xiàn)代的一部分，現(xiàn)代包括現(xiàn)今。研究表明，現(xiàn)代構造應力場在一定的地質(zhì)時期具有一定的穩(wěn)定性(謝富仁等，2004)。利用斷層滑動矢量反演構造應力張量的基本思想最初始于Bott(1959)的斷層滑動機制分析。后Carey等(1974、1976)根據(jù)Bott的原則提出由斷層滑動矢量反演構造應力張量的設想和計算方法。此后，Armijo(1978)，Angelier等(1979、1982、1984)、Carey(1979)、Etchecopar(1981)等對該方法不斷予以改進，并作了進一步的研究分析，使之逐步完善。1982年后，又有不少學者將此方法應用于斷層解析、構造應力場和震源機制解資料的分析研究，并取得重要成果(Gephart，1982;Hickman，1983;Mercier，1987;許忠淮等，1984;謝富仁等，1989;Angelier，1989;謝富仁等，1993;Plenefisch，1997;武敏捷，2011、2012)，使之成為目前研究構造應力場最有效的方法之一。

該方法根據(jù)1組含有斷層運動特征的斷層觀測數(shù)據(jù)來確定這些斷層所在區(qū)域的構造應力狀態(tài)。其實質(zhì)是用計算出的斷面上的剪應力方向擬合斷面上的滑動方向，也稱滑動方向擬合法，最終給出應力張量的4個特征參量，即3個主應力(σ1、σ2、σ3)方向和1個反映主應力相對量值比關系的應力形因子R=(σ2－σ3)/(σ1－σ3)。

3 利用斷層滑動資料反演構造應力場

利用斷層滑動資料反演構造應力張量的方法計算了北天山中東段區(qū)域內(nèi)17個測點的斷層滑動觀測數(shù)據(jù)，求解出各測點應力張量的4個特征參量，即3個主應力方向 σ1、σ2、σ3和相應的應力形因子R，其計算結果較好地反映了研究區(qū)現(xiàn)代構造應力場的特征(圖10，表1)。計算結果顯示，斷面剪應力與滑動方向擬合的平均偏差角為11°，表明數(shù)據(jù)的擬合程度較好，計算結果的可靠程度較高(表1)。

圖10 各測點構造應力張量計算結果的烏爾夫網(wǎng)上的投影圖(下半球投影)

表1 各測點構造應力張量反演計算結果

斷層滑動反演計算結果顯示，北天山中東段地區(qū)現(xiàn)代構造應力場以近SN向擠壓為主要特征(表1，圖10)。按應力結構的類型可將這些構造應力造成的斷層滑動分為逆沖型、走滑型、逆沖兼走滑型3種。

其中，逆沖型的構造應力張量占比最大，為所有構造應力張量結果的59%。其最大主壓應力(σ1)方向為 NNW-SSE 向(如:349°、163°、173°、166°、177°)或者 NNE-SSW 向(如:2°、193°、195°、9°、18°)，平均傾角 11°;最小主壓應力(σ3)近直立，平均傾角為 69°;中間主應力(σ2)方向為近 EW，位于 72°～110°或者 257°～278°之間，平均傾角 15°。

走滑型的構造應力張量結果比例占其次，為35%。其最大主壓應力(σ1)方向除只有1個為 NNE-SSW 向(194°)之外，其余均為 NNW-SSE 向(如:351°、359°、153°、334°、347°)，平均傾角 16°，近水平;最小主壓應力(σ3)方向為近 EW 向(如:85°、259°、243°、65°、251°、92°)，平均傾角 19°，近水平;中間主應力(σ2)近垂直，平均傾角 62°。

逆沖兼走滑的構造應力張量結果只有1個，占6%。其最大主壓應力(σ1)方向為175°，傾角 18°;最小主壓應力(σ3)方向為 282°，傾角為 44°;中間主應力(σ2)方向為 68°左右，傾角 41°。

4 結論與討論

總的來看，北天山中東段地區(qū)現(xiàn)代構造應力場的基本特征在應力方向上表現(xiàn)為近南北向的擠壓，這與印度板塊與歐亞板塊碰撞、使得位于塔里木盆地和準葛爾盆地之間的天山受到強烈擠壓有直接關系。在應力結構上表現(xiàn)為以逆沖型為主，兼有走滑型和逆走滑型，表明研究區(qū)在南北向這一主要的擠壓作用力之下，不同走向的活動斷裂即使在同一構造應力作用之下，也會呈現(xiàn)不同的滑動性質(zhì)，如北東向斷裂以左旋走滑為主，兼有逆沖性質(zhì);北西向斷裂以右旋走滑為主，亦兼有逆沖性質(zhì);而近東西向斷裂則呈現(xiàn)逆斷性質(zhì)。

龍海英等(2008a、2008b)利用震源機制解資料反演分析了北天山中東段區(qū)域構造應力場的基本特征，結果表明該區(qū)域內(nèi)主壓應力P軸近南北向，傾角較小;主張應力T軸傾角較大，顯示區(qū)域應力場主要受南北向水平擠壓作用。這一結論與本文由斷層滑動資料反演計算得到的結果基本一致。兩類不同應力資料反演得到的構造應力場特征具有較好的一致性，表明該區(qū)域在一個較長的地質(zhì)時期內(nèi)構造應力作用存在一定的穩(wěn)定性。