褶皺陡坎中相關(guān)斷層在縮短量計算中的作用——以東秋里塔格背斜為例

張 玲 楊曉平 黃偉亮 李勝強(qiáng)

(中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與活動火山重點實驗室，北京 100029)

0 引言

活動逆斷裂褶皺作用區(qū)最新地殼縮短量的研究對于正確認(rèn)識該地區(qū)的構(gòu)造活動性有著重要的意義，同時，累計位移量也是地震危險性評估的一個很重要的參數(shù)(鄧起東，2002;鄧起東等，2004)。對于常見的斷層相關(guān)褶皺——斷彎褶皺、斷展褶皺和滑脫褶皺，前人已經(jīng)建立了較為成熟的幾何學(xué)與運(yùn)動學(xué)模型(Suppe，1983;Jamison，1987;Suppe et al.，1990)。而且針對不同類型的斷層相關(guān)褶皺也提出了不同的計算地殼縮短增量的模型。由于和活動褶皺伴生的被動地貌記錄了這些逆斷裂褶皺演化過程中的變形量和變形方式(Suppe et al.，1992;Lave et al.，2000;沈軍等，2001;陳杰等，2005)，因此，常被作為活動構(gòu)造研究的一個切入點而用于限定活動褶皺變形速率和生長演化史，尤其適用于無法直接測量計算深部隱伏斷層造成地殼縮短的區(qū)域。其中，近期被發(fā)現(xiàn)的褶皺陡坎是一種有別于斷層陡坎且因構(gòu)造作用形成的重要地貌類型(盧華復(fù)等，2002;Thompson et al.，2002;陳杰等，2005;Scharer et al.，2006;Chen et al.，2007;Hubert-Ferrari et al.，2007;李濤等，2014)。盧華復(fù)等(2002)和 Hubert-Ferrari等(2007)對南天山庫車地區(qū)秋里塔格背斜的研究之后，提出了褶皺陡坎的概念模型和縮短增量的計算公式，陳杰(2005)總結(jié)了6種褶皺生長與河流階地相互關(guān)系的理想化運(yùn)動學(xué)模型，并且強(qiáng)調(diào)了褶皺陡坎的重要性。這些為計算斷層相關(guān)褶皺縮短量提供了理論和定量化依據(jù)。

與斷層相關(guān)褶皺理論的不斷完善相比，褶皺相關(guān)斷層構(gòu)造的研究還存在許多不足。Mitra等(1990，2002)在總結(jié)前人關(guān)于褶皺相關(guān)斷層的研究時指出，雖然其中的次級斷層相對于主構(gòu)造帶來說只是一種二級構(gòu)造，但是卻可以具有很大的滑脫距離，并對一級構(gòu)造產(chǎn)生一定的影響，它們也是構(gòu)造帶內(nèi)部應(yīng)力分布的標(biāo)志。因此，不能忽略次級斷層在褶皺縮短過程中對縮短增量的貢獻(xiàn)，以及它對褶皺作用變形方式的指示作用(鄧洪菱等，2009)。近年來，在庫車坳陷東部對東秋里塔格背斜區(qū)的野外地質(zhì)調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)在褶皺陡坎中存在斷裂構(gòu)造，并且這些斷層是錯斷晚第四紀(jì)以來地層的活動斷層。Mitra(2002)提出了伸出向斜的逆沖斷層總切變的計算方法，卻不適用于研究區(qū)內(nèi)切頂次級斷裂縮短量的計算。因此，在對研究區(qū)詳細(xì)的地質(zhì)地貌填圖的基礎(chǔ)上，本文針對褶皺陡坎中活動的褶皺相關(guān)斷層在計算地殼縮短量中的貢獻(xiàn)和對褶皺變形機(jī)制的指示作用進(jìn)行了探討。

1 構(gòu)造背景

新生代以來，印度板塊與歐亞板塊的碰撞使得南天山庫車盆地遭受了強(qiáng)烈的擠壓縮短，新生代晚期以來的地殼縮短量達(dá)23.1km(鄧起東等，2000)，這種褶皺縮短和隆升過程一直延續(xù)至今(Molnar et al.，1994;楊曉平等，2001;盧華復(fù)等，2002;吳傳勇等，2006;Hubert-Ferrari et al.，2007)，并且1949年2月24日在褶皺帶中的康村附近還發(fā)生了級強(qiáng)烈地震(中國地震局震害防御司，1999)。庫車凹陷中自北向南發(fā)育了北部單斜帶、喀桑托開逆斷裂褶皺帶、秋里塔格逆斷裂褶皺帶和亞肯背斜帶(鄧起東等，2000)。其中，北部單斜帶基本不活動，其他3排褶皺帶吸收了大部分的晚第四紀(jì)地殼縮短，并在地表留下了大量的斷層陡坎(吳傳勇等，2006)。本文中的東秋里塔格背斜是指鹽水溝以東的秋里塔格背斜帶東段，總體長度約90km，呈NEE走向，在地貌上顯示為高聳的背斜山(圖1)。背斜區(qū)出露古近紀(jì)與新近紀(jì)砂泥巖、下更新世礫巖和中更新世礫石層，在山前沖洪積物與河道兩側(cè)分布了松散的晚更新世—全新世砂礫石。由于秋里塔格背斜帶是一個復(fù)雜的斷彎褶皺(Hubert-Ferrari et al.，2007)，深部滑脫斷層未出露地表(汪新等，2002;管樹巍等，2003)，反沖斷層的活動在地表造成了大量的斷層陡坎(吳傳勇等，2006)。

2 康村西褶皺陡坎與褶皺相關(guān)斷層

在康村西5km處的東秋里塔格背斜北翼，厚20～25m的中更新世(Q2p)礫石層不整合覆蓋于上新統(tǒng)庫車組(N2)砂泥巖之上。此處的褶皺變形以軸面遷移為特征，因此沿近EW走向的活動樞紐發(fā)育了褶皺陡坎。在褶皺陡坎上覆蓋的現(xiàn)今洪積扇上還發(fā)現(xiàn)逆斷層，其錯斷地表形成的斷層陡坎高0.5～1.8m，斷續(xù)延伸約1 300m(圖2)。

圖1 東秋里塔格背斜構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic setting of East Qiulitage anticline.

圖2 康村西褶皺陡坎與斷層陡坎分布圖Fig.2 A map showing the fold scarps and fault scarps west of Kangcun.

研究區(qū)內(nèi)背斜北翼沖溝比較發(fā)育，褶皺陡坎遭受到不同程度的侵蝕，在庫讓坎一帶褶皺陡坎保存比較完整，剖面中出露的地層、斷層也十分清晰(圖3a，b)。圖3顯示，在背斜北翼殘存的T2階地面上發(fā)育了褶皺陡坎，T2階地頂部覆蓋了原始沉積的晚更新世早中期)礫石層，中部出露中更新世)和薄層的晚更新世晚期)沉積物。褶皺陡坎北部(底部)是寬緩平坦的向斜谷地，出露晚更新世)—全新世(Qh)礫石堆積，比T2階地上沉積的晚更新世早中期礫石層新。相同的巖性出露和相似的地層產(chǎn)狀變化也表現(xiàn)在庫讓坎東2km的觀察點剖面中(圖3c)。用TRUPULSETM200激光測距儀實測出褶皺陡坎(T2)的高度為34m。實測地質(zhì)剖面上，庫車組砂泥巖傾向N，可分為3個等斜巖區(qū)，從南向北3個等斜巖區(qū)的地層傾角分別為78°、54°和18°(圖3b)。在庫讓坎剖面中還可見大量的伴生次級逆斷層，它們起始于庫車組(N2)砂泥巖，向下延伸可能切穿活動樞紐帶，向上切穿中更新世()地層到達(dá)地表(圖3 a，b)，但它們的斷距有限。

圖3 庫讓坎附近的褶皺陡坎剖面Fig.3 Photographs and profiles of fold scarps near Kurangkan.

為了詳細(xì)統(tǒng)計剖面中所有次級斷層的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)次級斷層的分布規(guī)律，在圖2所示的區(qū)域中，根據(jù)斷層成組出現(xiàn)的特點，自下而上選取了3個高度不同的露頭觀察點。高度最低的1組斷層出露于1個現(xiàn)代沖溝的邊緣(圖4)。5條斷層均切穿中更新世()地層，但未到達(dá)地表，推測斷層發(fā)生斷錯的時間為晚更新世早中期—中更新世晚期。中更新世地層為略有膠結(jié)的粗砂夾細(xì)砂礫石層，粒徑在0.5cm左右。F2、F3、F4斷層將其中的中－粗砂透鏡體錯斷，標(biāo)志層被錯斷的現(xiàn)象十分清晰，可從剖面中直接測量出斷層的斷距。由于F1和F5斷距超過了剖面所能展示的長度，找不到記錄斷距的標(biāo)志層，只能推測出其最小斷距。5條斷層的相關(guān)參數(shù)見表1。

更高1級斷層剖面(圖5)位于圖3所示的褶皺陡坎西側(cè)，剖面中發(fā)育4條斷層，它們切割中更新世地層()，且逆沖至地表，在現(xiàn)代洪積扇上造成了約1.8m高的斷層陡坎(圖2)。剖面中，每一條斷層的標(biāo)志層清晰，相應(yīng)的斷層幾何參數(shù)見表1。

最高1級的斷層剖面(圖6)位于圖3剖面的頂部，2條斷層起始發(fā)育于庫車組(N2)砂泥巖中，切穿中更新世地層()至地表。細(xì)砂粉砂透鏡體標(biāo)志層被2條斷層錯斷，并在被錯斷透鏡體尾部出現(xiàn)牽引構(gòu)造。斷層的參數(shù)見表1。

以上11條斷層都發(fā)育在褶皺樞紐一側(cè)的陡傾斜巖層段，另一側(cè)的緩傾斜巖區(qū)不發(fā)育斷層。這些逆斷層分布于東秋里塔格背斜北翼，走向總體上與褶皺樞紐走向平行，切穿組成褶皺陡坎的中更新世地層至地表。根據(jù)Wrede(2005)和鄧洪菱(2009)提出的褶皺相關(guān)斷層判別標(biāo)志，這些斷層應(yīng)為地層在活動軸面處遷移過程中伴生的褶皺相關(guān)次級斷層。

圖4 最低露頭中的次級斷層Fig.4 Photograph and interpretation of small secondary faults in the lowest outcrop.

表1 各斷層相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of secondary faults

圖5 中部露頭中的次級斷層Fig.5 Photograph and interpretation of small faults in the middle outcrop.

圖6 頂部露頭中的次級斷層Fig.6 Photograph and interpretation of small faults in the highest outcrop.

3 利用褶皺陡坎計算地殼縮短量

3.1 計算方法

褶皺陡坎又稱褶皺崖，是指初始水平或近水平的地層或未固結(jié)沉積物受到地下斷層或盲斷層的轉(zhuǎn)折沖斷作用，由于斷層相關(guān)褶皺膝折帶的遷移使得活動軸面與固定軸面分離，而在地表產(chǎn)生的單斜褶皺斜坡或陡坎，斜坡兩側(cè)的地層仍然水平或近水平(盧華復(fù)等，2002;陳杰，2005)。Hubert-Ferrari等(2007)提出用寬緩膝折帶遷移模型來解釋秋里塔格背斜南翼褶皺陡坎的形成(圖7)，地層中的質(zhì)點通過1個巖層傾角逐漸增大的向斜樞紐帶向上運(yùn)動。上部發(fā)育的階地面發(fā)生差異性抬升而暴露于地表，并在前緣產(chǎn)生褶皺陡坎。

利用褶皺陡坎的高度h、陡傾段巖層傾角θ1和緩傾段巖層傾角θ2可以計算縮短增量s(圖8)(盧華復(fù)等，2002;Chen et al.，2007;Li et al.，2013)，它們之間的定量關(guān)系為

陡坎高度隨褶皺縮短量的不斷增加而逐漸增大，陡坎坡度在縮短量達(dá)到一定值時將不再發(fā)生變化，即達(dá)到最大坡度，但陡坎高度仍繼續(xù)增加(Chen et al.，2007)。因此，陡坎坡度可以作為褶皺陡坎發(fā)展程度的1個標(biāo)度。當(dāng)活動樞紐兩側(cè)下伏基巖產(chǎn)狀不同，并且樞紐兩翼地層傾角受控并平行于斷層面時，下伏隱伏斷層傾角即是下伏基巖傾角。褶皺陡坎的最大坡度φmax只與下伏隱伏斷層傾角有關(guān)(圖7)，計算公式(Chen et al.，2007)為

圖7 寬緩膝折帶遷移模型(改自 Hubert-Ferrari et al.，2007)Fig.7 Modeling of a dimensionless wide hinge zone model(modified from Hubert-Ferrari et al.，2007).

3.2 東秋里塔格背斜的地殼縮短

在東秋里塔格背斜區(qū)，基巖中存在傾角不同的等斜巖區(qū)，并且其走向與活動樞紐帶的走向一致。綜合地震反射剖面分析結(jié)果(盧華復(fù)等，2002;汪新等，2002;管樹巍等，2003)，可知沿褶皺活動樞紐帶在階地面上產(chǎn)生的逐級地形陡坎不是高角度逆斷層所致，而是由于活動樞紐固定在深部斷層拐折處，巖層質(zhì)點通過膝折帶遷移形成的。而且同一期河流階地上褶皺陡坎前緣不斷隨樞紐向前推進(jìn)，后緣位置固定(Li et al.，2013)。在康村西剖面中，褶皺陡坎實測高度為34m，下伏基巖陡傾段傾角為78°，緩傾段傾角為18°，通過式(1)計算得到褶皺陡坎記錄的地殼縮短量為51.42m。

圖8 膝折帶遷移的褶皺陡坎的簡單運(yùn)動學(xué)模型(改自 Chen et al.，2007;Hubert-Ferrari et al.，2007;Li Tao et al.，2013)Fig.8 Simple kinematic model of fold scarp by hinge migration(modified from Chen et al.，2007;Hubert-Ferrari et al.，2007;Li et al.，2013).

但在野外調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)褶皺陡坎中伴生了大量局部擠壓作用造成的次級斷裂構(gòu)造(圖3)。這些次級斷裂構(gòu)造擁有很多共同特征:它們都源于組成褶皺陡坎的庫車組(N2)基巖，但是向下延伸深度有限且沒有與控制褶皺變形的主斷層面相連;從向斜活動樞紐帶向上切穿中更新世(Q2p)地層到達(dá)地表，有些在地表產(chǎn)生0.5～1.8m高的斷層陡坎。這些都說明這些次級斷層始于向斜樞紐核部并向著巖層曲率減小的方向延伸，形成時間晚于褶皺陡坎，活動性一直延續(xù)至今。因此，從幾何形態(tài)和形成時間都可以判定，這些次級斷層屬于與褶皺陡坎伴生的伸出向斜的逆沖斷層(Mitra，2002;鄧洪菱等，2009)。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是活動樞紐帶向深部方向上地層曲率的增加，巖層質(zhì)點在通過活動膝折帶過程中不斷變陡而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。為了調(diào)節(jié)這種巖層內(nèi)部的應(yīng)力差異，巖層發(fā)生了脆性剪切破裂。每一條斷層的斷距不大，但它們產(chǎn)生的綜合斷距和縮短量具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，因此不能忽視次級斷層對褶皺變形作用的影響。Mitra(2002)曾提出在擠壓構(gòu)造區(qū)可以利用向斜處兩端的傾角(φ1，φ2，φ12)和巖層厚度來計算總切變(Δs)(圖9)。它們之間的定量關(guān)系為

在實際中往往由于受到剖面大小范圍的限制，在計算中并不能確定受斷層影響的巖層總體厚度(t)。因此，應(yīng)用式(3)并不能計算得到總切變(Δs)。在康村西剖面中，只能通過利用褶皺陡坎的相關(guān)參數(shù)來計算得到縮短增量。但次級斷層的綜合作用卻使得褶皺陡坎的高度增加，從而使得上述計算結(jié)果較實際值偏大。

圖9 向斜核部伸出向斜的逆沖斷裂的形成機(jī)制(改自Mitra，2002)Fig.9 Mechanism of out-of-syncline thrust in the fold core(modified from Mitra，2002).

伸出向斜的逆沖斷層的斷距具有沿延伸方向不斷減小的性質(zhì)(Mitra，2002;鄧洪菱等，2009)，因此在地表露頭處一般為斷距、水平縮短量較大的位置。雖然不能計算出總斷距，但通過對切頂端部最大斷距的測量計算，能夠得出1個斷層對于褶皺作用在垂直方向上位移量貢獻(xiàn)的最小值。其中，Δh即是褶皺陡坎高度的增量，也為各次級斷層垂直位移的總和。次級斷層傾角為θ01，θ02，θ03，……，θ0n，斷距為L1，L2，L3，……，Ln，它們之間的定量關(guān)系為

次級斷層使得上盤地層沿斷層面整體向上遷移，深部陡傾段與緩傾段地層產(chǎn)狀在錯斷前后的變化量可忽略不計(圖10)。因此，地層通過膝折帶遷移產(chǎn)生的縮短量為

利用式(5)計算在次級斷層影響下，康村西褶皺陡坎地殼縮短增量為45.23m。比較上述2種計算結(jié)果可知，如果不考慮褶皺陡坎中次級逆斷層的影響，會導(dǎo)致利用褶皺陡坎相關(guān)參數(shù)計算得到的地殼縮短增量比實際值偏大6.19m，占總縮短增量的13.7%。

圖10 褶皺陡坎受到次級斷層錯斷的運(yùn)動學(xué)模型Fig.10 Schematic kinematic model of fold scarp under the action of secondary faults.

褶皺陡坎的最大坡度雖然只與下伏陡傾段和緩傾段地層傾角有關(guān)(式(2))，但是由于次級斷層的作用階地面上部發(fā)生掀斜，從而導(dǎo)致陡坎坡度增大。

4 討論和結(jié)論

次級斷層概念的產(chǎn)生由來已久，Mitra(2002)和鄧洪菱等(2009)總結(jié)歸納了4個大類、8種具體類型的次級斷層，同時指出褶皺相關(guān)斷層的關(guān)鍵特征是單條斷層位移量較小，且往往消失于某些構(gòu)造當(dāng)中，并不與主要滑脫帶相連。前人的研究主要集中在褶皺相關(guān)斷層的分類、判別標(biāo)志上，但是對于它在斷層相關(guān)褶皺系統(tǒng)中所起的作用還沒有相關(guān)的報道?？荡逦鲙熳尶财拭嬷械鸟薨櫹嚓P(guān)斷層屬于伸出向斜的逆沖斷層(Mitra，2002)，它們均可追溯至陡傾的庫車組(N2)基巖中，切穿組成褶皺陡坎的中更新世()地層而出露地表，并且斷層面沒有發(fā)生后期的被動彎曲。這些現(xiàn)象都說明次級斷層是褶皺陡坎發(fā)育過程中的伴生構(gòu)造。鄧洪菱(2009)在討論Wrede(2005)提出的識別褶皺相關(guān)斷層的5條標(biāo)志時指出，這些次級斷層是在褶皺作用之前形成，還是在褶皺變形發(fā)育到一定階段產(chǎn)生的褶皺相關(guān)斷裂構(gòu)造存在著不確定性。秋里塔格背斜北翼地區(qū)出露的伸出向斜的次級逆沖斷層給出了次級斷層發(fā)生的起始時間晚于褶皺作用的實例。

在東秋里塔格背斜北翼發(fā)育的褶皺陡坎與Hubert-Ferrari等(2007)在背斜南翼發(fā)現(xiàn)的褶皺陡坎所處基巖均為庫車組(N2)泥巖，而且褶皺陡坎具有相同的形成機(jī)制。但兩者不同的是北翼發(fā)育的褶皺陡坎中存在大量的次級斷層，而且在庫讓坎不到300m長的地質(zhì)剖面中出現(xiàn)了3級褶皺陡坎。同時，北翼陡傾段巖層傾角與緩傾段巖層傾角相差近60°，而南翼傾角大多相差30°左右(Hubert-Ferrari et al.，2007)。這些都指示了在背斜北翼存在更加強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力和更加快速的隆升作用。形成伸出向斜的逆沖斷層的一個最重要機(jī)制是地層的曲率向向斜核部的增加(Mitra，2002)。原始水平的地層面隨著褶皺陡坎的不斷發(fā)育，向活動向斜樞紐深部地層曲率不斷增加，陡傾段巖層變陡而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)擠壓應(yīng)力達(dá)到一定程度時，為了調(diào)節(jié)巖層內(nèi)部的應(yīng)力而產(chǎn)生了次級斷層。

通過計算可知，在康村西庫讓坎一帶發(fā)育的褶皺陡坎，若不考慮次級斷層的影響，計算所得的縮短增量為51.42m。若考慮褶皺陡坎中相關(guān)斷層的影響，利用式(5)計算得到的縮短增量為45.23m。因此，若不考慮褶皺陡坎中相關(guān)斷層的作用，會導(dǎo)致利用褶皺陡坎相關(guān)參數(shù)計算得到的地殼縮短增量比實際值至少偏大6.19m，占總縮短增量的13.7%，是一個不可忽視量值。

本文在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究總結(jié)了一些褶皺相關(guān)斷層發(fā)育的特征并提出了它在褶皺縮短增量中的作用。但是仍存在很多問題:1)次級斷層在垂直剖面和水平面展布上存在斷續(xù)不連續(xù)的現(xiàn)象，受到觀察剖面范圍的限制，從而不能完全統(tǒng)計所有次級斷層的活動參數(shù)。同時，伸出向斜的逆斷層的斷距具有向向斜核部不斷減小的性質(zhì)，在地層厚度(t)未知的情況下，無法計算總切變(Δs)。因此，在這2種因素的影響下會低估次級斷層對縮短量造成的影響，只能求取其對縮短量貢獻(xiàn)的最小值。2)在褶皺陡坎中出現(xiàn)的伸出向斜的逆沖斷層能夠使得階地面上部前緣發(fā)生掀斜并增大褶皺陡坎的坡度。增大的陡坎坡度與次級斷層的斷距和傾角具有怎樣的定量關(guān)系?3)若次級斷層只發(fā)生于活動向斜樞紐帶內(nèi)，并不能對褶皺陡坎的高度產(chǎn)生影響，卻能夠增加陡坎坡度。在這種情況下，次級斷層與褶皺構(gòu)造又有怎樣的定量關(guān)系?這些問題都還不夠明確，從而需要更多的褶皺相關(guān)斷裂實例來進(jìn)行更加深入的研究。