西南天山邁丹斷裂東段晚第四紀(jì)活動(dòng)的發(fā)現(xiàn)及構(gòu)造意義

吳傳勇 阿里木江 戴訓(xùn)也 吳國棟 陳建波

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

3)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 引言

新生代晚期印度板塊和歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)，導(dǎo)致天山造山帶重新活動(dòng)，發(fā)生陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)，并再次強(qiáng)烈隆升(Molnar et al.，1975;Tapponnier et al.，1979;Hendrix et al.，1994;Yin et al.，1998)，同時(shí)向兩側(cè)前陸盆地?cái)U(kuò)展，在天山南北兩側(cè)的盆－山交界地帶形成多排逆沖褶皺帶(劉和甫等，1994;Burchfie et al.，1999;鄧起東等，1999，2000;Fu et al.，2003;管樹巍等，2007)。天山兩側(cè)盆－山交會(huì)地帶的逆沖推覆構(gòu)造是現(xiàn)今變形最為強(qiáng)烈的地區(qū)(Allen et al.，1994，1999;張培震等，1996;Abdrakhmatov et al.，1996;Yin et al.，1998;Burbank et al.，1999;Burchfiel et al.，1999;鄧起東等，2000)，變形量占天山總匯聚變形的一半以上(楊少敏等，2008)，所以開展天山山前逆沖推覆構(gòu)造的研究對了解天山構(gòu)造變形具有重要意義。以往研究表明，天山山前逆沖推覆構(gòu)造屬于前展式，山根處的斷裂晚更新世晚期以來基本停止活動(dòng)，斷裂的新活動(dòng)不斷向盆地方向擴(kuò)展，活動(dòng)性最強(qiáng)的構(gòu)造帶往往位于推覆體的最前緣(Avouac et al.，1993;張培震等，1994;鄧起東等，2000)。

西南天山是中國境內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一，這一地區(qū)不僅地震活動(dòng)較為活躍，活動(dòng)斷裂也非常發(fā)育，該地區(qū)的構(gòu)造變形方式是以逆斷裂－褶皺帶為代表的山前薄皮推覆構(gòu)造(Yin et al.，1998;Allen et al.，1999;Burchfiel et al.，1999;曲國勝等，2003)。前人曾對這一地區(qū)的新生代逆斷裂－背斜進(jìn)行了大量研究，獲得了這一地區(qū)主要斷裂晚第四紀(jì)變形特征、古地震以及斷裂滑動(dòng)速率等方面的定量數(shù)據(jù)(Yin et al.，1998;Allen et al.，1999;Burchfiel et al.，1999;曲國勝等，2003;冉勇康等，2006a，b;楊曉平等，2006a，b;程建武等，2006;閔偉等，2006;宋方敏等，2007;李安等，2011;徐良鑫等，2011)。前人工作主要集中在柯坪推覆構(gòu)造最前緣的2排逆斷裂－背斜帶上，由于受自然條件的限制，目前，對于推覆體根部的邁丹斷裂尚無人進(jìn)行專門的調(diào)查研究，對該斷裂晚第四紀(jì)以來的活動(dòng)性也存在一定爭議。為了解決這一問題，筆者對邁丹斷裂東段進(jìn)行了野外調(diào)查工作，通過細(xì)致的遙感圖像解譯、探槽開挖及年代學(xué)測定，發(fā)現(xiàn)了邁丹斷裂晚第四紀(jì)以來活動(dòng)的可靠證據(jù)，這一發(fā)現(xiàn)對了解西南天山變形分配以及理解天山造山帶的構(gòu)造變形具有重要意義。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

柯坪推覆構(gòu)造又稱喀什－阿克蘇逆沖斷裂系，位于塔里木盆地西北緣，地質(zhì)上屬于塔里木地臺(tái)的一部分(Yin et al.，1998;Allen et al.，1999)，是由于印度板塊和歐亞板塊的碰撞，天山晚古生代褶皺和斷裂構(gòu)造重新復(fù)活隆起并向南推擠而形成的構(gòu)造體系(Allen et al.，1999)?？缕和聘矘?gòu)造東西長約300km，南北寬60～140km，北以邁丹斷裂與南天山晚古生代造山帶為界，南以柯坪斷裂與塔里木盆地為界，推覆體由多排近EW向的逆斷裂－背斜帶組成，形態(tài)上呈扇形。該構(gòu)造體系以皮羌斷裂為界，分為東西兩個(gè)部分，西側(cè)發(fā)育4排逆斷裂－褶皺帶，東段發(fā)育5～6排逆斷裂－褶皺帶(圖1)，這些背斜的主體由古生代地層組成，斷層在背斜南翼出露地表，柯坪推覆構(gòu)造的滑脫面發(fā)育在地下5～9km的深度(Yin et al.，1998;楊曉平等，2006b)，地表的褶皺帶是滑脫面向上翹起產(chǎn)生斷坡而形成的背斜構(gòu)造，向北緩傾的滑脫面在天山根部匯聚到邁丹斷裂上(盧華復(fù)等，1998;Allen et al.，1999;田勤儉等，2006;楊曉平等，2008)。該地區(qū)地表出露的最老地層為寒武系，古生代地層沉積連續(xù)，中生代地層缺失三疊系和侏羅系(Yin et al.，1998;Allen et al.，1999;冉勇康等，2006a)，新生代地層發(fā)育不全，厚度不大。區(qū)內(nèi)中、下寒武統(tǒng)發(fā)育較多的膏鹽層，厚約200m，成為該區(qū)構(gòu)造變形重要的控制地層(肖安成等，2002;楊庚，2003)。

2 邁丹斷裂幾何結(jié)構(gòu)

邁丹斷裂西起塔拉斯－費(fèi)爾干納斷裂帶，向東經(jīng)邁丹、阿合奇至烏什東北，總體走向NEE，全長近400km，最大寬度可達(dá)17km，斷面傾向NW，傾角30°～80°，是由多條次級斷裂組成的斷裂帶(圖1)。

圖1 西南天山主要活動(dòng)斷裂分布圖Fig.1 Distributions of major faults of the Southwest Tianshan Mountains.

圖2 烏什東北邁丹斷裂幾何結(jié)構(gòu)特征Fig.2 The geometry structure of the Maidan Fault in northeastern Wushi.

烏什以北，斷裂寬度較大，最寬處17km，斷裂主要由根部斷裂、中央斷裂和前緣斷裂組成(圖2)。根部斷裂位于闊克薩勒山山前，控制了烏什凹陷的北部邊界(鄭民等，2007;付碧宏等，2010;楊海軍等，2010)。沿?cái)嗔炎匪?，除中更新世臺(tái)地面上發(fā)現(xiàn)明顯的斷層地貌外，山前晚更新世以來的沖洪積扇上未發(fā)現(xiàn)明顯的斷層痕跡，天山山前的沖洪積扇形成于晚更新世中晚期(張培震等，1995;鄧起東等，2000)，這表明根部斷裂可能晚更新世中晚期以來已經(jīng)停止活動(dòng)。中央斷裂帶主要由烏依布拉克斷裂和英阿特?cái)嗔岩约耙幌盗胁贿B續(xù)、傾向不一的次級斷層組成。烏依布拉克斷裂發(fā)育在同名背斜的南翼，為北傾的逆斷裂，斷裂在晚更新世以來的各級地貌面上均有清晰顯示，烏依布拉克背斜在地貌上表現(xiàn)為一個(gè)寬緩的隆起，局部出露下更新統(tǒng)礫巖(圖2)。英阿特?cái)嗔咽且粭l反沖的斷裂帶，發(fā)育在英阿特背斜的北翼，背斜隆起幅度不大，高出山前沖洪積扇20～30m，局部可見新近紀(jì)泥巖出露地表(圖3)。另外，在中央斷裂帶的西端，還發(fā)育一系列傾向相反的次級斷裂，這些斷裂延伸長度有限，形態(tài)上組成一個(gè)構(gòu)造地塹，這可能是背斜變形過程中形成的彎矩?cái)鄬?圖4)。前緣斷裂主要由亞曼蘇逆斷裂－背斜帶和阿吐孜逆斷裂－背斜帶組成(圖2)，屬于烏什沖斷帶的前鋒構(gòu)造(鄭民等，2007;付碧宏等，2010)，斷裂均發(fā)育在背斜的南翼，為北傾的逆斷裂，受斷裂活動(dòng)影響，背斜南翼短促，北翼寬緩。

圖3 英阿特逆斷裂－背斜帶地貌特征Fig.3 The geomorphic features of the Yingate reverse fault-anticline belt.

在阿合奇一帶，邁丹斷裂段控制了托什干河谷地北緣，由于斷裂持續(xù)活動(dòng)，托什干河不斷向南側(cè)蝕遷移，河谷北岸，洪積扇和河流階地非常發(fā)育，平坦寬闊;河流南岸則基本不發(fā)育洪積扇和階地，部分地段河谷已經(jīng)側(cè)蝕至南岸的基巖區(qū)(圖1 c)。該段斷裂也主要由3支組成(圖1)，根部斷裂發(fā)育在山區(qū)，表現(xiàn)為古生界向南逆沖到新生界之上，斷裂破碎帶巨大，在別迭里溝可見斷裂破碎帶寬達(dá)300m左右(圖5a)，地貌上構(gòu)成中高山區(qū)與新生代低山區(qū)的界線，落差達(dá)1 300m以上。斷裂通過處，別迭里河兩岸區(qū)域性的Ⅲ級階地沒有發(fā)生斷錯(cuò)變形，表明根部斷裂晚更新世中晚期以來可能已經(jīng)不活動(dòng)。山前斷裂構(gòu)成了山前沖洪積扇的沉積邊界，斷裂北側(cè)是第四紀(jì)褶皺隆起，以南是山前沖洪積扇，邁丹斷裂新活動(dòng)主要集中在該分支斷裂上，沿?cái)嗔讯嗵幙梢姅嗔褦噱e(cuò)晚第四紀(jì)以來地貌面現(xiàn)象。另外，在距離山前數(shù)千米的山前沖洪積扇前緣附近，還斷續(xù)分布有斷層陡坎，這些陡坎高度不一，可以分為南傾和北傾兩組。在蘇木塔什北，主斷層陡坎高度4～6m(圖5c)，反向陡坎高度要低一些，僅0.5～1m，在坎前分布了堰塞堆積的粉土層(圖5d)，非常醒目。

圖4 邁丹斷裂次級斷層組成的地塹構(gòu)造Fig.4 The graben formed by secondary faults of the Maidan Fault.

圖5 邁丹斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)地質(zhì)地貌證據(jù)Fig.5 Photographs showing geological and geomorphological evidences for late-Quaternary activity of the Maidan Fault.

3 邁丹斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)地質(zhì)地貌證據(jù)

邁丹斷裂晚第四紀(jì)以來仍有較強(qiáng)的活動(dòng)，斷錯(cuò)了山前的沖洪積扇和階地面，形成了一系列的地質(zhì)地貌現(xiàn)象。在烏什縣西北的亞曼蘇背斜南翼，斷裂斷錯(cuò)了背斜山嶺南麓的沖洪積扇，形成清晰的陡坎地貌，跨斷層陡坎開挖的探槽表揭露出1條低角度的逆斷層(圖5b)。在玉山古溪出山口處，斷層地貌尤為明顯，斷層上盤河流階地非常發(fā)育，且各級階地間的高差遠(yuǎn)大于斷層下盤各級階地間的高差，較低階地面上的陡坎高度僅為2m左右(圖5e)，高階地上斷層的累積位移量較大，最高一級階地垂直斷錯(cuò)量達(dá)150m左右。為了研究邁丹斷裂晚第四紀(jì)以來的活動(dòng)特征，跨斷層開挖了2個(gè)探槽。

3.1 亞曼蘇探槽

在亞曼蘇背斜南翼，可見斷裂斷錯(cuò)山前晚第四紀(jì)地貌面，除河漫灘外，其他各級地貌面都發(fā)生了不同程度的斷錯(cuò)變形。在背斜南翼一沖溝出山口處，斷層行跡非常清晰，在河流階地上保留了明顯的陡坎(圖6)。其中，T1階地拔河高度為1.5～2m，階地面上的陡坎斷續(xù)分布，高度在1.2～1.3m(圖7)。T2階地拔河高度3～4m，階地面上陡坎較為連續(xù)(圖5f)，陡坎高度在3m左右(圖7)。在T2階地上開挖的探槽表明(圖8)，邁丹斷裂為低角度的逆斷裂，斷裂傾角為25°～30°，斷層傾向斷距為1.1m左右。另外，斷層上盤的地層還發(fā)生了明顯的褶曲變形，特別是斷層附近，礫石層牽引現(xiàn)象非常明顯，甚至發(fā)生倒轉(zhuǎn)(圖8)，斷層上盤礫石層傾角達(dá)到10°左右，下盤僅3°～5°，兩者相差達(dá)5°～7°。地表實(shí)測陡坎的寬度20m左右(圖7)，估計(jì)地層褶曲造成的垂直位移量達(dá)2m以上。

圖6 亞曼蘇背斜南麓斷層地貌Fig.6 The fault geomorphology in the south piedmont of Yamansu anticline.

圖7 實(shí)測亞曼蘇背斜南麓陡坎剖面圖Fig.7 The fault scarp profiles in the south piedmont of the Yamansu anticline.

圖8 亞曼蘇斷層探槽剖面Fig.8 The trench profile on the fault at Yamansu.

在斷層上盤粗砂層中(U5)采集熱釋光年代樣品，測定年齡為(21.78±1.85)ka BP。由于探槽揭露的地層多為粗顆粒沉積物，屬于快速堆積，很難在探槽中采集系列樣品互為補(bǔ)充驗(yàn)證。關(guān)于天山地區(qū)晚第四紀(jì)氣候與階地、沖洪積扇形成的關(guān)系，前人有過一些研究，認(rèn)為天山地區(qū)區(qū)域性T2階地于20ka之前開始堆積，(12～13)ka BP廢棄下切(張培震等，1995;鄧起東等，2000;呂紅華等，2008)，這與我們測定的T2階地年齡基本吻合。T1階地則形成于全新世早期(張培震等，1995;鄧起東等，2000)，T1階地上1.2～1.3m的陡坎高度可能代表了斷裂最新1次古地震事件的位移量。U1砂礫石層，青灰色，礫石具有一定磨圓，水平層理，粒徑多在3～6cm;U2崩積楔，青灰色，無明顯層理;U3灰黑色砂礫石層，水平層理，礫石大小混雜，次磨圓;U4土黃色礫石層，礫石具有一定分選，礫徑多在1～3cm，礫石間土黃色砂土充填，較致密;U5青灰色砂礫石層，水平層理，次磨圓，粒徑多在2cm以下，少量礫石可達(dá)5～8cm，局部可見中粗砂透鏡體，該套地層中采集了熱釋光年代樣品，測定年齡為(21.78±1.85)ka BP;U6土黃色砂礫石層，較致密，礫石粒徑多在5cm以下，土黃色砂土充填;U7青灰色砂礫石層，礫石次磨圓，分選差，層厚僅15～20cm，礫石空隙間無充填物;U8土黃色砂

礫石層，局部可見水平層理，礫石大小混雜，磨圓度一般，礫石空隙間充填土黃色砂土，該層厚度較大，未揭穿底界

3.2 玉山古溪探槽

玉山古溪是穿越斷裂的較大河流，該河流兩岸不對稱地發(fā)育多級階地，階地面平坦開闊，后期侵蝕改造作用較弱。在玉山古溪出山口處，斷裂地貌非常明顯，在T3階地面上，保留了非常清晰的陡坎地貌，陡坎走向變化較大，平面上呈蛇曲狀，但連續(xù)性較好(圖9)，在斷層上盤，局部地段還可見斷續(xù)分布的反坡向陡坎，實(shí)測陡坎高度為2.3～2.5m(圖11)。斷層上盤，階地面總體平坦開闊，地表大面積出露階地礫石層;斷層下盤，特別是陡坎附近，多沉積了風(fēng)積的粉土層，厚度不一?？鐢鄬佣缚查_挖的探槽揭露的地層層序見圖10。

圖9 玉山古溪溝口斷層地貌Fig.9 The fault geomorphology near the outlet of Yushanguxi River.

該探槽揭露出1條逆斷裂，斷層下部產(chǎn)狀為230°/N∠35°，向上傾角逐漸變緩，僅20°左右(圖10)。該探槽揭露出1次古地震事件，在U9沉積后，斷層發(fā)生快速錯(cuò)動(dòng)，并在斷層下盤形成崩積楔U8，該事件將U2垂直斷錯(cuò)2.3m左右。在U9粉土層中采集的光釋光測年樣品測定該套地層的年齡為(1.76±0.22)ka BP，該古地震事件發(fā)生在距今(1.76±0.22)ka之后。在T3階地面上實(shí)測陡坎高度為2.3～2.5m(圖11)，與探槽中揭露的古地震事件的位移量基本一致，表明該階地面上僅記錄到1次古地震事件。T4階地上的陡坎高度在4.4m左右(圖11)，位移量約是最新1次古地震事件的2倍，應(yīng)是2次古地震事件的累計(jì)位移量。

圖10 玉山古溪探槽剖面圖Fig.10 The trench profile in the T3 terrace of the Yushanguxi River.

4 分析與討論

西南天山是構(gòu)造變形最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一，利用平衡剖面計(jì)算得到柯坪地區(qū)的縮短量可達(dá)35km(Allen et al.，1999)、23km(Yin et al.，1998)和40～45km(楊曉平等，2006b)，明顯大于北天山山前的地殼縮短量。GPS觀測資料表明該地區(qū)NS向的地殼縮短可達(dá)10～13 mm/a(張培震等，2003;楊少敏等，2008)，利用平衡地質(zhì)剖面得到該推覆構(gòu)造的縮短速率為15～17 mm/a(楊曉平等，2006b)，占西天山地區(qū)地殼縮短量的一半以上。而地震地質(zhì)方法給出柯坪地區(qū)單條斷裂晚第四紀(jì)以來的地殼縮短速率都＜0.6 mm/a(冉勇康等，2006a，b;楊曉平等，2006a，b;程建武等，2006;李安等，2011;徐良鑫等，2011)。柯坪推覆構(gòu)造由4～6排構(gòu)造帶組成，其中柯坪逆斷裂－背斜帶是規(guī)模最大的前緣構(gòu)造帶，如果其他幾排構(gòu)造帶按照柯坪斷裂晚第四紀(jì)以來約0.6mm/a的縮短速率估算的話，那么4～6排逆斷裂背斜帶總的地殼縮短速率在3.6mm/a左右;另外，在柯坪推覆體內(nèi)還發(fā)育幾個(gè)晚更新世最新隆起的小型構(gòu)造帶，造成的NS向縮短速率在1.07mm/a(楊曉平等，2006a)，總體算來，利用地震地質(zhì)方法得到的柯坪地區(qū)NS向的縮短速率為4～5mm/a。當(dāng)然，冉勇康、李安等的研究主要給出了斷裂活動(dòng)造成的地殼縮短，有可能忽略了背斜的褶皺變形造成的地殼縮短，所以柯坪推覆構(gòu)造實(shí)際的地殼縮短速率可能要更大一些。但邁丹斷裂全新世活動(dòng)證據(jù)的發(fā)現(xiàn)，表明推覆體根部斷裂現(xiàn)在仍在強(qiáng)烈活動(dòng)，也吸收了一部分變形。

圖11 玉山古溪東岸階地陡坎剖面圖Fig.11 The fault scarp profiles in terraces of the Yushanguxi River.

西南天山地區(qū)的構(gòu)造變形特點(diǎn)與北天山地區(qū)具有明顯的差異。GPS觀測資料得到的北天山山前的縮短速率在4～5mm/a(楊少敏等，2008)，地震地質(zhì)給出北天山山前推覆構(gòu)造各排逆斷裂－背斜帶總的縮短速率在3.3～4mm/a(楊曉平等，2008)或3～5mm/a(鄧起東等，2000)，兩者基本相當(dāng)，說明北天山山前的變形量主要集中在山前新生代逆斷裂－褶皺上，地質(zhì)調(diào)查也表明北天山推覆體根部的清水河子斷裂晚更新世以來以來沒有明顯活動(dòng)(鄧起東等，2000)。西南天山與此構(gòu)造特點(diǎn)不同，構(gòu)造變形不僅僅分配在推覆體前緣的新生代逆斷裂－褶皺帶上，山根處的邁丹斷裂也有較強(qiáng)的活動(dòng)，吸收了很大一部分構(gòu)造變形。

已有的研究資料表明，北天山山前變形屬于典型的前展模式(Avouc，1993;張培震等，1994;鄧起東等，1999，2000)，推覆體根部斷裂晚第四紀(jì)以來停止活動(dòng)，構(gòu)造變形主要集中在推覆體前緣最新形成的逆斷裂－背斜上。西南天山柯坪推覆構(gòu)造似乎與這一變形模式不同，推覆體最前緣的柯坪斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，而根部的斷裂晚第四紀(jì)以來也有很強(qiáng)的活動(dòng)，推覆體向盆地方向擴(kuò)展的同時(shí)，根部的斷裂仍在活動(dòng)，并不完全遵從斷裂新活動(dòng)不斷向盆地方向擴(kuò)展的特點(diǎn)，這可能是另一種山前的構(gòu)造變形模式，這一構(gòu)造變形樣式在其他地區(qū)的擠壓造山帶也曾有發(fā)現(xiàn)(Kao et al.，2000;Avouac et al.，2006;Liu et al.，2009)，這對認(rèn)知天山構(gòu)造變形特點(diǎn)具有重要意義。同時(shí)，這一構(gòu)造變形樣式為準(zhǔn)確認(rèn)知斷裂的活動(dòng)習(xí)性和評估這一地區(qū)的地震危險(xiǎn)性增加了難度，因?yàn)檫@種無序或反序的變形模式，當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，地表破裂帶不一定出露在推覆體最前緣的構(gòu)造帶上，也可能會(huì)在根部斷裂上產(chǎn)生同震破裂，這種地震破裂的無序性或隨機(jī)性現(xiàn)象，造成僅單獨(dú)研究某一條斷裂，很可能會(huì)遺漏部分古地震事件的信息，導(dǎo)致得到的古地震復(fù)發(fā)周期偏長和不準(zhǔn)確，從而影響對整個(gè)推覆構(gòu)造體系地震危險(xiǎn)性的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。

5 結(jié)論

邁丹斷裂是一條有多條次級斷裂組成的復(fù)雜斷裂帶，寬度最大可達(dá)17km，晚第四紀(jì)以來，該斷裂仍有較強(qiáng)的活動(dòng)，在地表形成一系列的新活動(dòng)證據(jù)。探槽開挖表明，斷裂在全新世期間曾發(fā)生過斷錯(cuò)地表的強(qiáng)震事件，造成的垂直位錯(cuò)量 ＞2m。

以往對南天山地區(qū)縮短速率的研究多集中在推覆體內(nèi)的新生代逆斷裂－背斜帶上，得到的縮短速率小于GPS觀測給出的量值，邁丹斷裂晚第四紀(jì)以來活動(dòng)證據(jù)的發(fā)現(xiàn)，表明該斷裂也吸收部分變形量。西南天山地區(qū)的構(gòu)造變形不僅僅分配在推覆體前緣的新生代逆斷裂－褶皺帶上，山根處的斷裂也有較強(qiáng)的活動(dòng)，吸收了很大一部分構(gòu)造變形，與以往認(rèn)知的天山構(gòu)造變形樣式不同，柯坪推覆體并不完全遵從斷裂新活動(dòng)不斷向盆地方向擴(kuò)展的特點(diǎn)，推覆體前緣新生斷裂和根部斷裂都有較強(qiáng)的活動(dòng)，這可能是一種無序或反序的構(gòu)造變形樣式，此類構(gòu)造的發(fā)震構(gòu)造模型的建立及強(qiáng)震危險(xiǎn)性預(yù)測給我們帶來新的挑戰(zhàn)。