新疆天山南部北輪臺(tái)斷裂古地震事件反演*

姚 遠(yuǎn) 陳建波 李 帥 宋和平 謝江麗

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局 烏魯木齊 830011）

新疆天山南部北輪臺(tái)斷裂古地震事件反演*

姚 遠(yuǎn) 陳建波 李 帥 宋和平 謝江麗

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局 烏魯木齊 830011）

北輪臺(tái)斷裂是一條全新世活動(dòng)斷裂，全長(zhǎng)約70km，構(gòu)成了南天山南麓與山前洪積扇的界線。該斷裂晚第四紀(jì)期間活動(dòng)性較強(qiáng)，為準(zhǔn)確分析北輪臺(tái)斷裂的古地震特征，在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)變形的微地貌進(jìn)行測(cè)量，在阿克艾肯和帝禾農(nóng)業(yè)兩段開挖兩個(gè)大型古地震探槽，對(duì)北輪臺(tái)斷裂古地震進(jìn)行了反演模擬推演。結(jié)果顯示：北輪臺(tái)斷裂古地震活動(dòng)頻繁，阿克艾肯段探槽剖面記錄到3次古地震事件，垂直累計(jì)位移量4.5m，根據(jù)逆斷層變形特征，建立古地震模型反演分析，多次古地震事件屬于原地同震復(fù)發(fā)，最新一次古地震事件造成的地表垂直位移量為1.5m左右；帝禾農(nóng)業(yè)段活動(dòng)性稍弱，對(duì)探槽剖面影像解譯分析，該段記錄古地震事件兩次，最新一次事件垂直位錯(cuò)量達(dá)到1.1m。北輪臺(tái)斷裂記錄的古地震事件與上盤存在侵蝕不整合面、下盤存在生長(zhǎng)地層的規(guī)律一致。

天山南部 北輪臺(tái)斷裂 構(gòu)造地貌 古地震反演

0 引 言

印度板塊與歐亞板塊在新生代早期發(fā)生劇烈的碰撞并同時(shí)向北推擠，至今為止這種板塊間匯聚作用仍在繼續(xù)進(jìn)行，不斷被青藏高原的抬升、天山的地殼縮短和帕米爾的抬升分解吸收，形成了青藏高原、帕米爾巖瘤和中亞的諸多山系。這種板塊間的擠壓、隆起、走滑和逆沖等作用造就了整個(gè)亞洲中部地區(qū)的盆山地貌，是區(qū)域構(gòu)造變形的動(dòng)力來源（Molnar et al.，1975）。新生代以來，再次遭到強(qiáng)烈的擠壓變形作用，形成了歐亞大陸內(nèi)最大的一條造山帶（Avouac et al.，1993；鄧起東等，1999），其主要構(gòu)造活動(dòng)以山前、山間盆地邊緣的逆沖推覆為主（Burchfiel et al.，1999；鄧起東等，2000），如北天山山前的推覆構(gòu)造體、南天山山前的庫(kù)車坳陷（馮先岳等，1986，1991）和柯坪坳陷（Yin et al.，1998）等，在天山兩側(cè)盆地與山前坳陷接觸位置均發(fā)育有逆沖斷裂，作為南天山與塔里木中央地塊之間界線的北輪臺(tái)斷裂（霍拉山山前斷裂）（圖1）就是典型實(shí)例。

現(xiàn)今對(duì)逆沖斷層統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)認(rèn)為是一種使基準(zhǔn)面縮短的斷層，常常伴隨著褶皺變形。一般把逆斷層－褶皺帶劃分3種類型（Suppe，1983）：斷彎褶皺、斷裂擴(kuò)展褶皺和滑脫褶皺。此后鄧起東等（1994）認(rèn)為到達(dá)地表的逆斷層大多與斷層擴(kuò)展褶皺相關(guān)。褶皺逆斷層的變形樣式存在多樣性干擾，向來是定量研究此類型斷裂古地震的重點(diǎn)、難點(diǎn)?，F(xiàn)今較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為逆斷層最初活動(dòng)主要是以“盲斷層”形式發(fā)育（張培震等，1994；McCalpin，2009），一般通過跨斷層的多級(jí)地貌面變形分析，而對(duì)于地表破裂的逆斷層，與正斷層有很多相似處，斷層上升盤的階地?cái)?shù)多對(duì)應(yīng)古地震的期次，僅在崩積楔的細(xì)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)不同。在地表形成破裂帶后其坎前崩積楔堆積物質(zhì)具有一定特殊性，斷層下部楔體中物質(zhì)主要來源于上升盤，尤其是低角度逆斷層（冉勇康等，2007，2008）。對(duì)于逆斷層古地震的研究（Chen et al.，2003）顯示，斷層的下降盤存在生長(zhǎng)地層而上升盤存在侵蝕不整合面是識(shí)別逆斷層古地震事件的重要依據(jù)。北輪臺(tái)斷裂全長(zhǎng)超過70km，斷裂帶分布寬度為1～2km，切割晚更新世和全新世洪積扇，形成高度不等的斷層陡坎，其中在阿克艾肯段斷裂切割多級(jí)洪積扇，形成平行4排高度不一的斷層陡坎，顯示出斷裂具備發(fā)生強(qiáng)震的能力，該地區(qū)歷史記載大型地震基本為零，但根據(jù)斷層遺址的規(guī)模來看，其活動(dòng)能力遠(yuǎn)不止此，是否意味著該斷裂的能量積累已經(jīng)到達(dá)了較高的水平？是否面臨大型地震的危險(xiǎn)？都是亟待去解決的問題。因此，定量研究擠壓環(huán)境下褶皺逆斷層的古地震，以及清除古地震的期次及活動(dòng)特征是防震減災(zāi)的重要基礎(chǔ)性工作。

本文基于對(duì)北輪臺(tái)斷裂進(jìn)行地表變形特征分段調(diào)查和探槽研究，通過分析各段不同的變形特征和反演古地震事件，并結(jié)合天山南部低角度逆沖推覆構(gòu)造的表現(xiàn)，討論北輪臺(tái)斷裂古地震模型及期次。

1 斷裂地表形變帶特征

北輪臺(tái)斷裂由于其活動(dòng)頻繁、劇烈，在地表發(fā)育了很多大型的斷層陡坎，其中以阿克艾肯段和帝禾農(nóng)業(yè)段尤為明顯，斷層斷錯(cuò)多級(jí)地貌面，出露地表長(zhǎng)度18km，總體走向近EW向，傾角一般在40°左右。在阿克艾肯段，斷裂主體發(fā)育在山前洪積扇上，在同一地貌面上呈梯級(jí)發(fā)育有多條斷層陡坎。

1.1 形變帶地貌特征

北輪臺(tái)斷裂晚第四紀(jì)以來有較強(qiáng)的活動(dòng)，其新活動(dòng)形成了一系列的地貌現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為斷錯(cuò)山前沖洪積扇以及河流階地形成斷層陡坎。

南天山山前一帶的沉積類型主要為層序清晰、分選性較好的沖洪積相砂礫石層，上覆薄層黃土，沖洪積扇上的斷層陡坎保留較為完整。阿克艾肯段斷層陡坎斷錯(cuò)山前洪積扇，陡坎走向?yàn)榻麰W向，延伸長(zhǎng)度約為2.5km，沖溝兩側(cè)的陡坎高度差異較大（圖2），呈現(xiàn)出多次地震活動(dòng)的跡象。阿克艾肯溝西側(cè)實(shí)測(cè)陡坎最大高度為18.5m（圖2，圖3a，圖4a），陡坎向東高度有所降低，在阿克艾肯都東側(cè)實(shí)測(cè)陡坎高度為5.1m，（圖3b，圖4b）。在阿克艾肯溝兩側(cè)發(fā)育有3級(jí)地貌面，其中溝西側(cè)為Ⅲ級(jí)地貌面，溝的東側(cè)為較新的Ⅱ級(jí)地貌面。不同級(jí)數(shù)的地貌面的垂直位錯(cuò)量不同，形成時(shí)代約老的地貌面其累計(jì)的變形量更大（圖5），這揭示出斷裂隨著時(shí)間而累計(jì)的現(xiàn)象。

圖1 北輪臺(tái)斷裂研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 The geologic structure of study area1.前新時(shí)代基巖；2.上更新統(tǒng)；3.上更新統(tǒng)－全新統(tǒng)；4.全新世活動(dòng)斷裂；5.晚更新世活動(dòng)斷裂；6.水系、沖溝及方向

圖2 實(shí)測(cè)阿克艾肯溝兩側(cè)階地?cái)噱e(cuò)變形地貌Fig.2 The deformation of terrace landform in Akeaiken part

1.2 形變帶地質(zhì)特征

阿克艾肯溝是北輪臺(tái)斷裂活動(dòng)相對(duì)劇烈的地區(qū)，發(fā)育有多級(jí)洪積扇面，地表形變帶特征清晰（圖5），其中Fan3為主洪積扇面，拔河高度為20m左右；Fan2是次一級(jí)堆積洪積扇面，拔河高度8～10m；Fan1洪積扇為最近堆積面（圖4b），拔河高度為2～3m。斷裂通過之處，阿克艾肯溝Fan3和Fan2洪積扇面上發(fā)生了明顯的斷錯(cuò)變形，地表形成順坡向的斷層陡坎，鄧起東等（2001）在此地進(jìn)行工作時(shí)測(cè)得Fan3洪積扇面的Be10年齡為20.8±2.4ka。

在帝禾農(nóng)業(yè)段，斷裂表現(xiàn)出的活動(dòng)強(qiáng)度略小于阿克艾肯段，斷錯(cuò)多級(jí)階地（圖4c）形成斷層陡坎，其中斷錯(cuò)Fan3級(jí)洪積扇面形成13.5m的斷層陡坎，新的一級(jí)Fan2扇面上斷層活動(dòng)形成垂直落差2.4m的陡坎（圖6），在Fan2扇面上開挖大型跨斷層探槽（圖8），揭示斷裂斷錯(cuò)晚更新世礫石層（圖4d），上部薄層全新世粉土層也有一定量變形。

圖3 實(shí)測(cè)阿克艾肯段階地陡坎剖面Fig.3 The terrace scarp section of Akeaiken partC1.Ⅲ級(jí)地貌面陡坎剖面；C2.Ⅱ級(jí)地貌面階地陡坎剖面

圖4 北輪臺(tái)斷裂阿克艾肯段和帝禾農(nóng)業(yè)段第四紀(jì)活動(dòng)證據(jù)Fig.4 The activity evidence of Beiluntai fault in Quaternarya.阿克艾肯段斷裂斷錯(cuò)高階地面（Fan3）形成斷層陡坎（鏡向N）；b.阿克艾肯溝東側(cè)斷層斷錯(cuò)Fan2階地面（鏡向E）；c.帝禾農(nóng)業(yè)段斷裂斷錯(cuò)T2階地（鏡向W）；d.帝禾農(nóng)業(yè)段斷層斷錯(cuò)砂礫石層及上覆薄層粉土層

2 探槽揭露斷裂地表、近地表地層變形

為了能夠直接細(xì)致地揭露北輪臺(tái)斷裂近地表地層變形樣式，選擇一些低級(jí)地貌面（冉勇康等，2012）進(jìn)行跨斷層探槽開挖，這些地點(diǎn)積累較少次的古地震事件，對(duì)于研究北輪臺(tái)斷裂的古地震特征有積極作用。

2.1 阿克艾肯段Fan2洪積扇面

阿克艾肯段屬于北輪臺(tái)斷裂上斷層陡坎保留較為完整，地表變形最大的區(qū)域，形成的斷層陡坎最大達(dá)到38m。鄧起東等（2001）在此地做過一定量的工作，包括斷層陡坎的微地貌測(cè)量，地貌面年齡測(cè)試，但由于未對(duì)斷層進(jìn)行探槽開挖，因此不能準(zhǔn)確探明北輪臺(tái)斷裂的活動(dòng)特征及古地震分析。在Fan2洪積扇面上的斷層陡坎進(jìn)行探槽開挖，揭露了北輪臺(tái)斷裂近地表變形特征。

圖5 阿克艾肯段斷層陡坎和洪積扇面分布及解譯Fig.5 The fault satellite image interpretation of proluvial fan in Akeaiken part1.斷層及陡坎方向；2.探槽位置；3.階地陡坎實(shí)測(cè)；4.洪積扇面及期次

圖6 帝禾農(nóng)業(yè)段斷層陡坎和洪積扇面分布及解譯Fig.6 The fault satellite image interpretation of proluvial fan in Dihe agriculture part1.斷層及陡坎方向；2.探槽位置；3.洪積扇面及期次

由探槽影像解譯圖（圖7）可見，探槽揭露出巖性略有差異的10個(gè)主、次地層序列。除U4和U5外，其他地層均有古地震活動(dòng)跡象，下盤U2-1、U2-2、U2-3與上盤相比上盤存在侵蝕不整合面、下盤存在生長(zhǎng)地層（冉勇康等，2012），U2-4標(biāo)志地層在靠近斷層位置發(fā)生彎褶撓曲，標(biāo)志著可能發(fā)生過多次古地震，斷層兩側(cè)的位差約2.0m，U1標(biāo)志地層在斷層兩側(cè)的位差約為4.5m，U3為崩積楔標(biāo)志著一次古地震事件，U4為角礫石層，未發(fā)生彎曲變形，說明無地震事件響應(yīng)。

從探槽剖面可以看出，兩套標(biāo)志地層的位差相差兩倍以上，并且在斷層的上盤存在侵蝕不整合面，下盤存在生長(zhǎng)地層，表明此剖面對(duì)應(yīng)不止一次古地震事件，U3為離逝時(shí)間最近的一次地震事件所形成的崩積楔。

2.2 帝禾農(nóng)業(yè)段T2階地

帝禾農(nóng)業(yè)段的活動(dòng)強(qiáng)度較阿克艾肯段稍弱一些，此處斷層斷錯(cuò)多級(jí)階地面，形成高度不一（2～20m）的多級(jí)斷層陡坎（圖4）。在T2級(jí)階地面上的斷層陡坎進(jìn)行跨斷層探槽開挖，揭露北輪臺(tái)斷裂在帝禾農(nóng)業(yè)段近地表的活動(dòng)變形特征。

根據(jù)探槽剖面解譯影像（圖8），揭露出5層清晰的沖洪積相地層系列。其中U2青灰色角礫石層位標(biāo)志地層，跨斷層上下兩盤位差為1.1m，正好對(duì)應(yīng)地表斷層陡坎位差為1.6m，說明U2的變形位差屬于最近一次古地震事件響應(yīng)，斷層下盤依舊存在生長(zhǎng)地層（U1-2），僅就此剖面綜合分析，發(fā)生過不少于兩次古地震事件。

圖7 阿克艾肯段探槽東壁影像解譯Fig.7 The photo interpret of exploratory trench in Akeaiken part（Eastwall）右側(cè)數(shù)值為同一標(biāo)志地層在斷層變形過程中積累的垂直位移量；U1等字母表示地層單元：U1為磚紅色角礫石層；U2-1青灰色角礫石層；U2-2灰黃色角礫石層；U2-3青灰色角礫石層；U2-4灰黑色礫石層；U2-5灰褐色細(xì)礫石層；U3崩積楔，褐色粉土；U4黃褐色角礫石層，混雜堆積無層理；U5土黃色粉土層，松散，根系發(fā)育

圖8 帝禾農(nóng)業(yè)段T2階地探槽東壁剖面Fig.8 The photo interpret of second terrace exploratory trench in Dihe agriculture右側(cè)數(shù)值為標(biāo)志地層及地表在斷層變形位差，U1等字母為地層單元編號(hào)：U1-1灰黑色角礫石層，含漂礫，磨圓度差，分選性好；U1-2灰褐色角礫石層，分選性差，磨圓度差；U1a為細(xì)砂層透鏡體；U2青灰色角礫石層，含圓礫，磨圓度差，松散；U3為崩積楔，灰褐色粉土夾礫；U4地表粉土層

3 北輪臺(tái)斷裂古地震事件還原

不同斷層面的切覆關(guān)系以及堆積構(gòu)造的崩積楔是判定古地震事件的兩個(gè)重要因素，然而前者易于識(shí)別斷層與地層之間的關(guān)系，但不易出現(xiàn)；后者易于出現(xiàn)，但不易被識(shí)別、判定。冉勇康（1997）將“崩積楔”的概念發(fā)展為“坎前堆積”，古地震事件的識(shí)別延伸至快速崩積和后期的慢速堆積。

根據(jù)北輪臺(tái)斷裂在阿克艾肯段典型探槽剖面，建立古地震模型，還原古地震發(fā)生事件，進(jìn)而可以推廣到北輪臺(tái)斷裂全線（圖9）。首先地層經(jīng)過原始沉積過程（圖9a），U1及U2-1、U2-2是在這個(gè)時(shí)期沉積形成，未經(jīng)歷構(gòu)造作用時(shí)地層應(yīng)為近水平具有一定順坡向傾度；第一次古地震事件后（圖9b），斷裂斷錯(cuò)U1、U2-1和U2-2，在后期的沉積過程中斷層上盤被侵蝕形成不整合面，而下盤則發(fā)育有生長(zhǎng)地層（U2-3），繼而經(jīng)歷一段時(shí)間的平靜期，U2-4沉積覆蓋在變形地層之上，第一次古地震事件使地層變形量達(dá)到約1.2m；第二次事件將U2-4與U2-5錯(cuò)斷形成約1.3m的位錯(cuò)量，U3后續(xù)堆積在斷層之上；最新的一次事件（圖9d）將U3斷錯(cuò)垂直位移達(dá)2.0m（圖7），在斷層下盤形成崩積楔，U1總位錯(cuò)量達(dá)到4.5m，U4、U5未被斷層斷錯(cuò)。U3的產(chǎn)生屬于典型堆積過程中細(xì)粒物質(zhì)被擠壓增厚，呈現(xiàn)出楔體狀。探槽中越是層位靠上的地層，變形曲折量越大，這使得總位移量趨于平衡。

結(jié)合上述解譯，共有3次古地震事件發(fā)生，3次事件所產(chǎn)生的位錯(cuò)變形量近似一致，屬于多次古地震事件的原地復(fù)發(fā)（雷啟云等，2015）。探槽中揭示出多次地震變形，均是斷層下盤存在生長(zhǎng)地層，上盤侵蝕不整合面，更加符合實(shí)際的古地震事件劃分。

圖9 北輪臺(tái)斷裂阿克艾肯探槽剖面地震地表過程恢復(fù)Fig.9 Inversion the paleoearthquake event of Beiluntai fault in Akeaiken part

4 結(jié) 論

北輪臺(tái)斷裂阿克艾肯段和帝禾農(nóng)業(yè)段全長(zhǎng)18km，是一條北傾低角度逆沖型斷裂，該斷裂全新世以來活動(dòng)劇烈，在地表形成一系列的地質(zhì)地貌現(xiàn)象，形成高達(dá)18.5m的斷層陡坎。

在阿克艾肯段和帝禾農(nóng)業(yè)段開挖的探槽中揭示出斷層活動(dòng)，阿克艾肯段的探槽顯示古地震活動(dòng)較為頻繁，結(jié)合上盤存在侵蝕不整合面及下盤存在生長(zhǎng)地層的最新理論，對(duì)古地震事件進(jìn)行反演分析，得到該段上應(yīng)有不少于3次古地震事件發(fā)生，該段內(nèi)斷裂活動(dòng)最大位移量為4.5m，同震位移量為1.2～1.5m；在帝禾農(nóng)業(yè)段斷裂斷錯(cuò)T2級(jí)階地，形成1.6m的斷層陡坎，分析探槽剖面影像，得到此處共記錄到兩次古地震事件，斷層附近近地表地層發(fā)生彎折撓曲，最新的一次古地震事件造成地層的垂直位移為1.1m，3次古地震事件所產(chǎn)生的位錯(cuò)量近似一致，屬于多次古地震事件的原地復(fù)發(fā)。

致 謝 本文的基礎(chǔ)資料是在“我國(guó)重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)‘北輪臺(tái)斷裂1∶5萬填圖’項(xiàng)目”的資助下獲得的。作為本項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人宋和平高級(jí)工程師，以及專項(xiàng)負(fù)責(zé)人陳建波高級(jí)工程師給予本文非常大的支持和指導(dǎo)，在此表示由衷的感謝。

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INVERSION THE PALEOEARTHQUAKE EVENT OF BEILUNTAI FAULT AT SOUTH OF TIANSHAN，IN XINJIANG

YAO Yuan CHEN Jianbo LIShuai SONG Heping XIE Jiangli
（Seismological Bureau of the Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011）

Beiluntai fault is a Holocene active fault.The fault total length is 70km.It is a line of south Tianshan and piedmont alluvial fan.Beiluntai fault activity is obvious and generating a series of apparent geomorphic traces on the surface.The fault had dislocated proluvial fan and terrace form fault escarpment.The fault strike is near EW，extending length is about2.5km in Beiluntai fault Akeaiken part.Themaximum height of the fault escarpment is 18.5m and the minimum height is 5.1m.We find different level geomorphic surfaces had different vertical displacement and the formation age of geomorphic surfaces older，the cumulative displacement greater.The dispalcemengt of fault is a process that accumulates over time.Based on the field geological investigation and surveying the deformation microtopography in order to accurate analysis the characteristics of paleoearthquake.We are surveying the deformation of alluvial fan near the Beiluntai fault.Use excavator to excavate two large paleoearthquake exploratory trench at Akeaiken part and Dihe agriculture part in Beiluntai fault.We had maked photomosaics of the trench profile and inverted the paleoearthquake event to analysis the times of paleoearthquake. The conclusion shows the paleoearthquake event is frequently occurred in Beiluntai fault.We use the theory of erosion unconformity on the hanging wall，growth strata on the footwall and and sudden change of maker strataposition between the hangingwall and footwall to inverting the times of paleoearthquake event.And the result shows that not less than three times paleoearthquake evet had been happened in the Beiluntai fault Akeaiken part，the cumulation amount of vertical displacement is 4.5m，the co-seismic displacement is 1.2 to 1.5m.The fault is dislocate the second terrace in Beiluntai fault Dihe agriculture part and formed the 1.6m faultscarp.We were analysis the photo of trench profile recorded two times paleoearthquake event and the latest paleoearthquake event caused 1.5m vertical displacement.Itmakes the surface layer bending deflection near the fault.Beiluntai faulthave never been occurred large-scale earthquake since the earliest recorded history，this indicates that energy accumulation of the fault has reached a high level，large-scale earthquakemay occurred in the future.

South of Tianshan，Beiluntai fault，Tectonic landform，Paleoearthquake inversion

P65

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.030

2015－04－17；

2016－06－16.

新疆地震科學(xué)基金資助課題（201513），我國(guó)重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)“北輪臺(tái)斷裂1∶5萬填圖”項(xiàng)目資助.

姚遠(yuǎn)（1988－），男，碩士，工程師，主要從事地震地質(zhì)研究.Email：yy8096658＠126.com