酒西盆地內(nèi)部?jī)蓷l斷裂晚第四紀(jì)滑動(dòng)速率研究

劉興旺 袁道陽 蘇琦 吳趙 柳煜

摘要：通過衛(wèi)星影像解譯、差分GPS測(cè)量和地貌年代學(xué)樣品采集，對(duì)位于酒西盆地內(nèi)部的陰洼山斷裂和新民堡斷裂晚第四紀(jì)滑動(dòng)速率進(jìn)行了研究。陰洼山斷裂發(fā)育于陰洼山東側(cè)，總體走向315°，長約25km;新民堡斷裂整體走向300°，長約20km，二者皆為全新世活動(dòng)的逆斷層。通過野外考察，選擇典型斷錯(cuò)地貌進(jìn)行斷層陡坎測(cè)量，結(jié)合所獲相應(yīng)地貌面的年代數(shù)據(jù)，得到陰洼山斷裂和新民堡斷裂晚第四紀(jì)垂直滑動(dòng)速率分別為（0.08±0.02）mm/a和（0.11±0.02）mm/a。結(jié)合斷裂傾角及前人研究資料，得到垂直祁連山方向酒西盆地內(nèi)部斷裂的地殼縮短速率約為1mm/a，整個(gè)盆地地殼縮短速率約為2.4mm/a。

關(guān)鍵詞：酒西盆地;陰洼山斷裂;新民堡斷裂;滑動(dòng)速率

中圖分類號(hào)：P315.242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2019）01-0112-08

0引言

阿爾金斷裂是青藏高原北緣一條重要邊界斷裂，其形成演化與青藏高原的隆升擴(kuò)展有著密切的聯(lián)系，該斷裂的形成時(shí)間、滑動(dòng)速率及東延問題一直是國內(nèi)外地學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題（Molnar，Tapponnier，1975;Tapponnier，Molnar，1976;Tappoinneretal，2001;Zhengetal，2013）。對(duì)于阿爾金斷裂的東延，不同學(xué)者持不同觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為阿爾金斷裂終止于寬灘山—酒西盆地一帶，根據(jù)阿爾金斷裂東段滑動(dòng)速率衰減特征，其尾端走滑量已被盆地內(nèi)部逆斷層及褶皺產(chǎn)生的地殼縮短完全吸收（Zhangetal，2007;Zhengetal，2013）;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為阿爾金斷裂切過寬灘山后繼續(xù)向東延伸至阿拉善塊體南緣，最終消失于巴丹吉林沙漠之中（Tappoinneretal，2001;Darbyetal，2005;陳文彬等，2006）;還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為阿爾金斷裂延伸至了蒙古東部的鄂霍茨克海地區(qū)（Yue，Liou，1999）。對(duì)于阿爾金斷裂尾端走滑量轉(zhuǎn)換為盆地內(nèi)部逆沖縮短量的觀點(diǎn)，需要較為可靠的酒西盆地活動(dòng)斷裂滑動(dòng)速率的支持。

對(duì)于酒西盆地內(nèi)部的陰洼山斷裂和新民堡斷裂，前人曾開展過滑動(dòng)速率的研究，閔偉等（2002）根據(jù)地層斷距及古地震年代事件熱釋光測(cè)年數(shù)據(jù)，確定這兩條斷裂的滑動(dòng)速率分別為0.18mm/a和0.24mm/a;陳柏林等（2006）根據(jù)斷層陡坎高度和斷錯(cuò)地層年代，估算新民堡斷裂的滑動(dòng)速率為0.25～0.50mm/a。前人的研究都是基于斷錯(cuò)地層年代進(jìn)行的計(jì)算，并未對(duì)斷錯(cuò)地貌面開展年代學(xué)研究，測(cè)年方法均采用熱釋光測(cè)年，不確定性較大。在本文的研究中，我們利用差分GPS測(cè)量了斷層陡坎高度，對(duì)斷錯(cuò)地貌面采取宇宙成因核素暴露測(cè)年，詳細(xì)厘定了灑西盆地內(nèi)部的陰洼山和新民堡斷裂的滑動(dòng)速率，并在此基礎(chǔ)上討論了酒西盆地地殼縮短速率。

1構(gòu)造背景

阿爾金斷裂是青藏高原北部邊界，在高原新生代構(gòu)造變形中起著重要的作用，但對(duì)其滑動(dòng)速率的研究一直存在著高和低的爭(zhēng)議（Tapponnieretal，1982;Mériauxetal，2004，2005;國家地震局阿爾金活動(dòng)斷裂帶課題組，1992;徐錫偉等，2003;Zhangetal，2007;Cowgill，2007）。Zhang等（2007）通過對(duì)河流階地遭受位錯(cuò)后的保存及侵蝕條件分析，認(rèn)為在肅北以西，阿爾金斷裂滑動(dòng)速率約為10mm/a，向東逐漸衰減，到酒西盆地一帶逐漸變?yōu)?～2mm/a。阿爾金斷裂速率衰減的原因是從黨河南山開始，出現(xiàn)一系列向祁連山內(nèi)部分離的活動(dòng)斷裂，這些斷裂將阿爾金斷裂走滑速率的衰減量轉(zhuǎn)換為祁連山內(nèi)部活動(dòng)逆斷層引起的地殼縮短及山脈的隆升，形成了黨河南山、大雪山及北祁連山等一系列NW向條帶狀山脈。最終，至酒西盆地寬灘山一帶，阿爾金滑動(dòng)速率趨于零，其尾端的滑動(dòng)速率被酒西盆地的逆沖斷裂及褶皺逐漸吸收（Zhengetal，2013）。因此，定量研究酒西盆地?cái)嗔鸦瑒?dòng)速率對(duì)認(rèn)識(shí)阿爾金斷裂應(yīng)變分配具有重要的意義。

酒西盆地位于河西走廊最西端，在新生代祁連山隆升和向NE擴(kuò)展的背景下，經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)，盆地邊緣及內(nèi)部形成了多條晚第四紀(jì)活動(dòng)斷裂（圖1b）（陳文彬等，1999;閔偉等，2002;陳柏林等，2005，2006;鄭文俊，2009;劉興旺等，2016）。對(duì)于盆地周緣斷裂，近些年來的研究已經(jīng)獲得了關(guān)于斷裂滑動(dòng)速率的定量數(shù)據(jù)（Zhengetal，2013;張寧等，2016;Liuetal，2017），而對(duì)于盆地內(nèi)部斷裂的研究則相對(duì)較少。酒西盆地內(nèi)部主要發(fā)育3條全新世活動(dòng)斷裂：陰洼山斷裂、新民堡斷裂和白楊河斷裂（圖1a）。橫跨酒西盆地的石油地質(zhì)剖面揭示這些斷裂向下收斂于同一滑脫面（閔偉等，2002）。其中陰洼山斷裂和新民堡斷裂斷面南傾、向北逆沖，白楊河斷裂則為北傾的反向逆沖斷裂（陳杰等，1998;閔偉等，2002）。白楊河斷裂位于酒西盆地中部，前人研究認(rèn)為其是一條隱伏斷裂，其活動(dòng)造成了上覆白楊河階地的形成和褶皺變形。根據(jù)階地變形量和熱釋光測(cè)年，陳杰等（1998）推斷白楊河斷裂垂直滑動(dòng)速率為0.32～0.58mm/a;Hetzel等（2002）通過褶皺陡坎測(cè)量和地貌面宇宙成因核素暴露測(cè)年，得到白楊河斷裂垂直滑動(dòng)速率約為0.35mm/a。相較于白楊河斷裂，對(duì)于陰洼山斷裂和新民堡斷裂滑動(dòng)速率的研究則存在一定的不足（閔偉等，2002;陳柏林等，2006）。

2斷裂概述及斷錯(cuò)地貌特征

陰洼山斷裂發(fā)育于陰洼山東側(cè)，陰洼山為酒西盆地內(nèi)部一個(gè)次級(jí)隆起山體，主峰高約2195m。陰洼山斷裂不僅分布于山體東側(cè)，還向SE，NW向延伸。向SE方向延伸到玉門東鎮(zhèn)附近，向NW延伸到下溝村以南，總體走向315°，長約25km（圖1a）。在NW方向，斷裂發(fā)育于白堊系組成的侵蝕臺(tái)地中，新活動(dòng)特征難以判定。在中段，斷裂構(gòu)成陰洼山山體和山前洪積扇的分界線，奧陶系灰綠色淺變質(zhì)碎屑巖逆沖于紫紅色白堊系泥巖或第四系洪積礫石層之上（圖2a）。斷層剖面顯示斷裂傾向SW，傾角約55°，斷裂斷錯(cuò)晚更新世礫石層，被全新世地層覆蓋（陳柏林等，2005）。在SE方向，斷裂則發(fā)育于黑山南麓的洪積扇上，地表形成連續(xù)分布的斷層陡坎，陡坎坡向與地形方向相反，為坡向NE的反向陡坎（圖2b）。斷層斷錯(cuò)多期洪積扇面，形成高度不等的陡坎，反映了斷裂長期持續(xù)活動(dòng)。

（a）陰洼山東北側(cè)斷層地貌（b）陰洼山斷裂洪積扇上斷層陡坎

（c）新民堡斷裂斷層剖面（d）新民堡斷裂復(fù)合斷層陡坎

新民堡斷裂位于酒西盆地內(nèi)部，東起新民堡以東，向西經(jīng)清泉村、東帝、火燒溝至清泉鄉(xiāng)一帶，長約20km，整體走向300°，傾角約30°，傾向SW，為一條逆掩斷層（圖1b）。地貌上表現(xiàn)為一系列南高北低的斷層陡坎，斷層露頭可看到斷層直通地表，形成前緣翹起的陡坎，表明斷層活動(dòng)時(shí)代較新。在新民堡西側(cè)，斷裂最東端出露斷層剖面，為一低角度逆沖斷層（圖2c），傾角約30°，斷層上盤為新近系磚紅色泥巖、砂巖，下盤主要為晚更新世青灰色礫石層，在近斷層處礫石層發(fā)生牽引轉(zhuǎn)向，并有明顯定向排列特征，地表形成高約2～3m的斷層陡坎。在清泉村西側(cè)，較老地貌面上形成的斷層陡坎高約18m，老陡坎前側(cè)疊加新的小陡坎，高1m左右（圖2d）。局部小陡坎前側(cè)保留新鮮的陡坎自由面，推測(cè)可能為1785年新民堡6級(jí)地震形成的地表破裂帶（何文貴等，2010）。

3地貌面年代學(xué)研究

沿陰洼山斷裂和新民堡斷裂均發(fā)育多級(jí)斷錯(cuò)地貌（閔偉等，2002;陳柏林等，2005，2006），這些地貌面及保存完整的斷層陡坎為研究斷層滑動(dòng)速率提供了良好的條件。在室內(nèi)影像解譯和野外踏勘的基礎(chǔ)上，分別在陰洼山斷裂東南段洪積扇及新民堡斷裂火燒溝附近選取研究點(diǎn)進(jìn)行了斷裂滑動(dòng)速率的研究（圖3，4）。這2處斷錯(cuò)地貌明顯，斷層陡坎保存較為完整，地貌表面無植被或黃土覆蓋并廣泛分布富含石英的礫石及卵石，適合宇宙成因核素10Be年代樣品的采集。在野外樣品的采集中，各級(jí)地貌每個(gè)樣品至少采集直徑為2～3cm，富含石英的50塊以上礫石塊，同時(shí)在現(xiàn)今河道內(nèi)采集一個(gè)樣品用于計(jì)算繼承濃度。送實(shí)驗(yàn)室之前，先對(duì)樣品粉碎、篩選，得到250～500μm粒徑顆粒，其后的前期化學(xué)處理在中國地震局地質(zhì)研究所國家動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。首先，利用化學(xué)蝕刻方法分離出石英顆粒（Kohl，Nishiizumi，1992;那春光等，2006），之后用HF溶解石英顆粒，并加入0.3mg的9Be載體，用陰陽離子交換層析法得到BeCl2，加入氨水中和，得到Be（OH）2，最后高溫加熱得到BeO，制成樣品測(cè)試靶樣。10Be/9Be比值測(cè)試在法國地球科學(xué)與環(huán)境研究與教育歐洲中心宇宙成因核素實(shí)驗(yàn)室完成。最終，利用原子生成率及年齡計(jì)算工具，得到了樣品的年代（Lal，1991;Grangeretal，2013;Vermeesch，2007），主要樣品參數(shù)及年代結(jié)果見表1。

4斷裂滑動(dòng)速率厘定

4.1陰洼山斷裂

在陰洼山東南側(cè)的洪積扇上，斷裂在影像上線性特征明顯，表現(xiàn)為連續(xù)分布的斷層陡坎，斷層斷錯(cuò)除現(xiàn)今河道外的各級(jí)地貌面（圖3a）。經(jīng)衛(wèi)星影像解譯與實(shí)地考察，區(qū)分了高度不等的三級(jí)階地（圖3b）。T3階地為該處最老的地貌面，經(jīng)后期侵蝕，地貌面保存不完整，階地面頂部為厚約幾十厘米的礫石層，下伏磚紅色白堊系砂泥巖。T3階地前緣形成的斷層陡坎高度最大（圖3c），經(jīng)差分GPS剖面（P3）測(cè)量（位置如圖3b所示），陡坎高度為（5.2±0.3）m（圖3e）。T2階地在斷層上盤延伸不遠(yuǎn)，遭受了后期流水的侵蝕，呈孤立的舌狀分布于斷層上盤（圖3d），經(jīng)差分GPS剖面（P2）測(cè)量（位置如圖3b所示），斷層陡坎高度為（3.0±0.2）m（圖3e）。T1階地分布較為廣泛，并不只局限于斷層沿線，經(jīng)差分GPS剖面（P1）測(cè)量（位置如圖3b所示），T1階地?cái)鄬佣缚哺叨葹椋?.1±0.1）m（圖3e）。

野外實(shí)地考察也對(duì)各級(jí)階地采集了10Be年代樣品（位置及編號(hào)如圖4b所示），在河道內(nèi)也采集了一個(gè)樣品YWS-1，用于計(jì)算繼承濃度。經(jīng)后期處理、測(cè)試，得到T1～T3階地樣品年代分別為：（24.6±2.2）ka，（51±2.9）ka，（54±3.5）ka（表1）。根據(jù)T1～T3階地陡坎高度（2.1±0.1）m，（3.0±0.2）m和（5.2±0.3）m，及其對(duì)應(yīng)的年代，得到斷裂滑動(dòng)速率分別為（0.09±0.01）mm/a，（0.06±0.01）mm/a和（0.1±0.01）mm/a，阻洼山斷裂平均滑動(dòng)速率為（0.08±0.02）mm/a。

4.2新民堡斷裂

新民堡斷裂活動(dòng)最明顯的段落位于火燒溝至清泉村段，主要表現(xiàn)為老陡坎前疊加新陡坎，新陡坎最低僅0.5m（圖4c），大部分段落保留新鮮的自由面。在火燒溝村東側(cè)，斷層陡坎衛(wèi)星影像清晰（圖4a），根據(jù)衛(wèi)星影像解譯和實(shí)地考察，此

處地貌面主要可分為4級(jí)（圖4b），最新地貌面為廣泛分布的最新一期洪積扇，T1階地上覆厚約1m的黃土，現(xiàn)在農(nóng)田主要分布在此級(jí)地貌面上，經(jīng)差分GPS剖面（P1）測(cè)量（位置如圖4b所示），陡坎高度為（3.1±0.4）m（圖4d）。T2階地可分為T2a和T2b兩級(jí)副階地，階地前緣陡坎經(jīng)后期侵蝕已嚴(yán)重后退，經(jīng)差分GPS剖面（P2，P3）測(cè)量（位置如圖4b所示），陡坎高度分別為（11±0.5）m和（12.6±0.6）m（圖4d）。T3階地經(jīng)后期侵蝕，表現(xiàn)為沿?cái)鄬由媳P孤丘狀分布的小山包，下伏新近系地層，頂部為厚1～2m的中更新統(tǒng)礫石層，經(jīng)差分GPS剖面（P4）測(cè)量，陡坎高度為（17.7±0.6）m（圖4d）。

野外實(shí)地考察在T2a，T2b和T3階地面采集了10Be樣品，采樣位置及編號(hào)如圖4b所示，經(jīng)過測(cè)試及計(jì)算（表1），T2a，T2b，T3階地的年代分別為：（36.6±2.4）ka，（102.3±3.5）ka和（171.8±4.5）ka。由斷層陡坎高度和年代數(shù)據(jù)獲得的T2a，T2ab和T3階地的斷錯(cuò)滑動(dòng)速率分別為：（0.3±0.04）mm/a，（0.11±0.02）mm/a和（0.1±0.01）mm/a。由樣品年代判斷，T2a的年代明顯偏年輕，而T2b和T3獲得的滑動(dòng)速率相對(duì)穩(wěn)定，因此在斷裂長期滑動(dòng)速率的估算中，只用了T2b和T3階地獲得的滑動(dòng)速率值，其平均值為（0.11±0.02）mm/a。

5結(jié)論與討論

陰洼山斷裂和新民堡斷裂同為酒西盆地內(nèi)部全新世活動(dòng)的逆斷裂，通過衛(wèi)星影像解譯和野外實(shí)地調(diào)查，選擇典型斷錯(cuò)地貌單元進(jìn)行了斷層陡坎差分GPS測(cè)量和地貌面宇宙成因核素測(cè)年，得到了斷裂晚第四紀(jì)滑動(dòng)速率。陰洼山斷裂和新民堡斷裂晚第四紀(jì)垂直滑動(dòng)速率分別為（0.08±0.02）mm/a和（0.11±0.02）mm/a。

酒西盆地是一個(gè)被活動(dòng)斷裂圍限的盆地（圖1a），對(duì)于其它斷裂的滑動(dòng)速率，前人也曾開展過大量研究。嘉峪關(guān)斷裂是酒西盆地東側(cè)邊界斷裂，斷裂新活動(dòng)形成醒目的斷層陡坎（鄭文俊，2009），根據(jù)斷層陡坎測(cè)量和宇宙成因核素測(cè)年，Zheng等（2013）得到其垂直滑動(dòng)速率為（0.22±0.03）mm/a。黑山斷裂是酒西盆地北邊界斷裂，為一條高角度逆斷層，斷層斷錯(cuò)洪積扇形成2～3m的斷層陡坎，根據(jù)光釋光測(cè)年和斷層陡坎測(cè)量，得到斷裂垂直滑動(dòng)速率為（0.26±0.06）mm/a（張寧等，2016）。黑山斷裂東側(cè)金塔南山斷裂的滑動(dòng)速率約為（0.11±0.03）mm/a（Zhengetal，2013）。在酒西盆地內(nèi)部，白楊河斷裂垂直滑動(dòng)速率為0.35mm/a（Hetzeletal，2002）。這些斷裂均以較低的滑動(dòng)速率為特征，表現(xiàn)出了區(qū)域上斷裂活動(dòng)的協(xié)調(diào)性和一致性。盆地南側(cè)祁連山北緣斷裂帶滑動(dòng)速率一般為0.5～1mm/a（Hetzeletal，2004;Palumboetal，2009;Liuetal，2017;Xiongetal，2017），略高于盆地內(nèi)部及北側(cè)活動(dòng)斷裂帶。

酒西盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造變形以逆沖為主要特征，并伴生大量褶皺。逆斷層的垂直活動(dòng)會(huì)引起地殼的縮短，地殼的縮短速率與斷層滑動(dòng)速率密切相關(guān)，但并不能簡(jiǎn)單將二者等同起來。斷層地表及深部的傾角不是一成不變的，一般來講，造山帶前緣逆斷層出露地表的傾角都較緩，深部逐漸變陡，到滑脫面時(shí)又逐漸變緩并近水平。Thompson等（2002）根據(jù)前人的研究（Narr，Suppe，1994），建立了地殼縮短速率與逆斷層滑動(dòng)速率的關(guān)系式，在已知斷層在地表的傾角α的情況下，則斷層引起的地殼縮短率：Vs=Vv/tanα，其中Vs為地殼縮短速率;Vv為斷層垂直滑動(dòng)速率;α為斷層傾角。

白楊河斷裂滑動(dòng)速率為0.35mm/a（Hetzeletal，2002），探槽揭露斷裂傾角約為25°（劉興旺，2017），地殼縮短速率約為0.75mm/a。本次研究得到的新民堡斷裂和陰洼山斷裂的滑動(dòng)速率分別為（0.11±0.02）mm/a和（0.08±0.02）mm/a，探槽揭露的斷裂傾角分別約為30°和55°（劉興旺，2017），則其縮短速率分別約為0.18mm/a和0.07mm/a，綜合考慮，得到酒西盆地內(nèi)部斷裂垂直祁連山方向上的地殼縮短速率約為1mm/a。酒西盆地南緣玉門—北大河斷裂的垂直滑動(dòng)速率為（0.73±0.09）mm/a（劉興旺，2017），以斷裂傾角30°估計(jì)（劉興旺等，2016），地殼縮短速率約為1.3mm/a。酒西盆地北緣黑山斷裂的滑動(dòng)速率為（0.26±0.06）mm/a，根據(jù)斷裂傾角約為70°（張寧，2016），計(jì)算得到其縮短速率約為0.07～0.12mm/a。綜合考慮，得到酒西盆地垂直祁連山方向上的縮短速率約為2.4mm/a，平行阿爾金斷裂方向的縮短率約為2mm/a，這與阿爾金斷裂東端的走滑速率相近（徐錫偉等，2003;Zhangetal，2007;張寧，2016），表明阿爾金斷裂尾端的走滑量已被酒西盆地的逆斷層褶皺所轉(zhuǎn)化吸收，本文的研究結(jié)果支持了阿爾金斷裂終止于酒西盆地一帶的觀點(diǎn)。

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鄭文俊.2009.河西走廊及其鄰區(qū)活動(dòng)構(gòu)造圖像及構(gòu)造變形模式[D].北京：中國地震局地質(zhì)研究所.

Abstract

Basedonsatelliteimageinterpretation，differentialGPSmeasurementandgeomorphologicchronologysampling，wecarriedoutadetailstudyontheLateQuaternaryslipratesoftheYinwashanandXinminpufaultslocatedintheJiuxibasin.TheYinwashanfaultislocatedattheeasternsideoftheYinwashanwithanoverallstrikeof315°andalengthofabout25km.TheXinminpufaultstrikes300°withalengthof20km.BothofthetwofaultsareHoloceneactivereversefaults.Throughthedetailedfieldinvestigation，wemeasuredthefaultscarpsatthetypicalfaultlandformsite.Combiningthechronologicaldateofthecorrespondingsurface，wegottheverticalslipratesforthetowfaultsintheLateQuaternaryare（0.08±0.02）mm/aand（0.11±0.02）mm/a，respectively.Combinedwiththefaultdipandpreviousresearchdata，itisfoundthatthecrustalshorteningrateoftheinternalfaultsintheJiuxibasinisabout1mm/a，andtheshorteningrateofthecrustintheJiuxibasinisabout2.4mm/a.

Keywords：Jiuxibasin;Yinwashanfault;Xinminpufault;sliprate