重新討論1985年8月23日新疆烏恰MS7.4地震地表破裂帶*

胡偉華, 常想德， 陳建波， 張 勇， 黃帥堂， 伊力亞爾·阿不力孜

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

1985年8月23日20時(shí)41分，新疆烏恰縣發(fā)生MS7.4地震，地震造成67人死亡，200余人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失超過1億元[1]。前人對(duì)本次地震災(zāi)害和發(fā)震構(gòu)造開展了深入細(xì)致的調(diào)查研究[2-5]。結(jié)果表明，本次地震烈度存在2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的Ⅸ度區(qū)(圖1)，面積均為14 km2。南部Ⅸ度區(qū)包括疏附縣烏帕爾鄉(xiāng)，鄰近的克孜勒蘇河谷區(qū)階地上，地震產(chǎn)生了一條長(zhǎng)15 km的地表破裂帶，斷層面傾向160°～210°，傾角約30°，最大水平縮短量1.16～1.8 m，最大垂直斷距0.66～1.08 m，屬于卡茲克阿爾特?cái)鄬訋А１辈竣葏^(qū)包括烏恰老縣城至楊葉農(nóng)場(chǎng)一帶，老縣城(現(xiàn)在是黑孜葦鄉(xiāng)駐地)已經(jīng)成為一片廢墟[6-7]，倒塌和嚴(yán)重破壞的建筑物占總量的3/4以上[5]，但當(dāng)時(shí)震后調(diào)查沒有關(guān)于老縣城附近發(fā)現(xiàn)地震斷層的報(bào)道。鑒于災(zāi)情嚴(yán)重，新疆維吾爾自治區(qū)人民政府決定遷址新建烏恰縣城[6]，新縣城位于老縣城東北6 km處。長(zhǎng)期以來一直困擾我們的是，老縣城相距南邊的克孜勒蘇河谷區(qū)卡茲克阿爾特?cái)鄬訋У乇砥屏褞Ъs25 km，既然老縣城距離發(fā)震斷層較遠(yuǎn)，為什么會(huì)遭受到毀滅性破壞？近些年在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)1985年震區(qū)開展了詳細(xì)的地震地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)烏恰盆地南緣出露一條近東西走向逆沖斷層，我們稱之為烏恰盆地南緣斷層，也是本次地震發(fā)震構(gòu)造之一，1985年地震產(chǎn)生了約24 km長(zhǎng)的地表破裂帶。采用差分GPS和無人機(jī)等技術(shù)手段，對(duì)該斷層進(jìn)行了詳細(xì)勘探。

1 震區(qū)地震構(gòu)造背景

帕米爾構(gòu)造結(jié)也稱為喜馬拉雅—青藏高原造山帶西構(gòu)造結(jié)，是當(dāng)今全球大陸最活躍的陸內(nèi)造山帶，活動(dòng)構(gòu)造發(fā)育，地震活動(dòng)強(qiáng)烈。帕米爾構(gòu)造結(jié)是青藏高原的西北延續(xù)，是印度板塊與歐亞板塊碰撞的結(jié)果[8]。印度板塊在約45～55 百萬(wàn)年(Ma)時(shí)與歐亞大陸板塊相撞[9-12]。自20 Ma以來，印度板塊向歐亞大陸板塊運(yùn)動(dòng)的方向不僅發(fā)生變化，而且印度板塊西北角的速率從44 mm/a下降到34 mm/a[9]，青藏高原的地殼增厚是印度板塊新生代減速的主要原因[13]。帕米爾構(gòu)造結(jié)新生代晚期以來，沿傾向內(nèi)陸的俯沖帶將塔里木—塔吉克盆地向北俯沖推移了約300 km[14]，還有大量的山間地殼縮短，長(zhǎng)達(dá)300 km，這意味著在新生代期間帕米爾的南部邊緣已經(jīng)向北移動(dòng)至少600 km[8]。在帕米爾構(gòu)造結(jié)前緣地帶，原本寬廣的塔里木—北阿富汗—南塔吉克盆地，正是由于南傾的逆沖斷層—褶皺帶持續(xù)向北強(qiáng)烈擠壓推覆作用，才變成現(xiàn)今狹長(zhǎng)陡峻的克孜勒蘇河—阿賴谷地。帕米爾北緣俯沖帶自西向東依次分布有外阿賴山山前逆沖斷層、斯木哈納—烏魯克恰提逆沖斷層、烏恰盆地南緣逆沖斷層和塔什普什塔—喀拉塔格逆沖斷層(圖2，圖中方框代表圖3的范圍)[15]。

阿圖什背斜位于南天山西段南麓，屬南天山山前第二排新生代褶皺(圖3斷層編號(hào)與圖2相同)。該背斜西起烏恰縣康蘇鎮(zhèn)南，東至伽師縣古勒魯克鄉(xiāng)北，總體走向近EW—NEE，略呈“S”型展布，背斜全長(zhǎng)173 km。背斜出露表現(xiàn)為西寬東窄，以恰克馬克河為界，西段寬度10～15 km，長(zhǎng)寬比為(4.2～6.3)∶1，屬短軸背斜構(gòu)造；東段寬度5～7 km，長(zhǎng)寬比為15.7～22.0∶1，屬線狀背斜構(gòu)造。該背斜與北側(cè)的南天山山前第一排褶皺塔什普什塔—喀拉塔格背斜呈平行展布，兩者相距4.5～8.5 km。

Fig.2 Distribution of the main active faults in the north of Pamir plateau[15]

烏恰群的磁性地層學(xué)研究表明[17]，安居安組的底界年齡為14.9 Ma，安居安組的頂界(即帕卡布拉克組底界)年齡為13.7 Ma，結(jié)合逆沖斷層與褶皺的幾何關(guān)系，可以較為準(zhǔn)確的厘定烏恰盆地南緣斷層的起始活動(dòng)時(shí)間在13.7～14.9 Ma之間，即烏恰盆地南緣斷層自中新世中期以來至今持續(xù)活動(dòng)。

2 烏恰盆地南緣斷層和地表破裂帶

烏恰盆地南緣斷層，西自康蘇東南，東至恰克馬克河西岸，全長(zhǎng)約50 km，近EW走向，略呈舒緩波狀，為南傾的逆斷層。在中新世背斜中通常表現(xiàn)為60°～80°高傾角逆沖性質(zhì)，而在晚第四紀(jì)洪積扇礫石層卻表現(xiàn)為15°～30°緩傾角逆掩性質(zhì)。在烏恰盆地南緣，昆侖山最北緣的新生代褶皺帶不斷向北擴(kuò)展，代表著昆侖山向天山山前俯沖的最新構(gòu)造活動(dòng)證據(jù)。位于斷層西端的巴喀布拉克吉勒尕溝西岸可見，背斜前緣由中侏羅統(tǒng)泥巖、砂巖組成，由南向北發(fā)育有3條逆沖斷層，南側(cè)的2條斷層(第四紀(jì)以來已經(jīng)停止活動(dòng))之間的中侏羅世地層已發(fā)生強(qiáng)烈褶曲，形成緊閉和倒轉(zhuǎn)褶皺構(gòu)造。最北側(cè)前緣斷層，即烏恰盆地南緣斷層呈低角度不斷向北俯沖，吞噬南天山前陸，造成昆侖山褶皺帶主動(dòng)向南天山靠攏。第四紀(jì)以來烏恰盆地屬于南天山山前磨拉石建造，粗碎屑物質(zhì)不斷由南天山向盆地堆積，地勢(shì)北高南低，昆侖山前褶皺隆起阻斷了來自南天山上游地表徑流，在褶皺前緣斷層帶附近形成堰塞沉積并出露斷層泉。斷層泉含較高濃度刺鼻的H2S氣體，很可能與斷層帶深部有化學(xué)聯(lián)系，在泉水中H2S與O2和H2O反應(yīng)生成H2SO4，將泉溪河床礫石表面腐蝕成灰白色。

在烏恰盆地西南緣的喀拉克色克塔什，斷層切割現(xiàn)代沖洪積扇形成反坡向斷層陡坎(反坎)，采用差分GPS橫跨斷層陡坎共測(cè)量了13條地形剖面(圖3、5)。測(cè)量結(jié)果表明垂直位移量?jī)H為0.2～0.8 m，均值及方差為0.55±0.19 m。

在江結(jié)爾農(nóng)場(chǎng)以西3.5 km處盆地南緣，可見沖溝處高河漫灘形成反坎，高差約0.5～1.0 m，在其附近開挖探槽揭露，一條南傾的緩傾角逆斷層已錯(cuò)斷到地表(圖6)，坐標(biāo)為39.696 6°N、75.107 2°E，斷層產(chǎn)狀為180°∠20°，斷錯(cuò)最明顯的標(biāo)志層是第②層灰黃色粉土夾薄層礫石層，垂直斷距為0.5 m，近地表僅被約20 cm厚的斷塞沉積物所覆蓋，此規(guī)模的垂直位移在地表很難肉眼識(shí)別，而且一次規(guī)模較大的洪水就可能將斷層陡坎沖刷抹平。通過對(duì)比震害資料，判斷該斷層活動(dòng)事件為現(xiàn)代地震的產(chǎn)物，即1985年烏恰MS7.4地震地表破裂帶。

在江結(jié)爾農(nóng)場(chǎng)南側(cè)可見斷層沿阿圖什背斜北緣展布，一系列現(xiàn)代洪積扇被地震斷層錯(cuò)斷形成清晰可見的斷層陡坎(圖7)，坐標(biāo)為39.688 7°N、75.173 0°E，判斷為1985年地震地表破裂帶。

圖5 喀拉克色克塔什附近13條地震斷層陡坎垂直位移測(cè)量剖面示意圖

圖7 江結(jié)爾農(nóng)場(chǎng)南側(cè)地表破裂帶google earth影像圖

斷層沿黑孜葦鄉(xiāng)南部低山前緣展布，一條引水渠開挖揭露出斷層剖面(圖8)，坐標(biāo)為39.693 9°N，75.190 0°E，表明中新世紅褐色泥巖逆沖于晚更新世青灰色礫石層之上，斷層面呈緩傾—陡傾—緩傾的彎折形狀。附近一條橫跨斷層帶的圍墻發(fā)生擾曲變形。

圖8 黑孜葦鄉(xiāng)南側(cè)烏恰盆地南緣斷層出露剖面

在烏恰盆地東南緣的奧伊特斯干沖溝谷地內(nèi)地震斷層穿過河漫灘和Ⅰ級(jí)階地形成反坎(圖3、9)，測(cè)量9條陡坎剖面的垂直位移量為0.3～1.2 m(圖10)，統(tǒng)計(jì)均值及方差為0.64±0.37 m。從地表現(xiàn)代沉積物和紋溝等微地貌判斷應(yīng)該是1985年地震的產(chǎn)物。

圖9 奧伊特斯干附近地震斷層航拍圖

在烏恰縣城以東的烏加克河至恰克馬克河之間，烏恰盆地南緣斷層?xùn)|段分支成2條斷層(圖3)，近平行展布，走向NEE。南側(cè)主斷層長(zhǎng)約26 km，沿阿圖什背斜西段北緣發(fā)育；北側(cè)斷層長(zhǎng)約14 km，沿山前洪積扇展布。這兩條斷層雖然錯(cuò)斷晚更新世洪積扇，但未斷錯(cuò)現(xiàn)代洪積扇和沖溝，據(jù)此判定該斷層段在1985年地震中沒有破裂。

圖10 奧伊特斯干9條地震斷層陡坎垂直位移測(cè)量剖面示意圖

綜上所述，1985年8月23日烏恰MS7.4地震的發(fā)震構(gòu)造分為南北兩支，南支地震斷層是卡茲克阿爾特?cái)鄬拥闹卸蝃2，4]，地表破裂帶全長(zhǎng)15 km[3，5]。北支地震斷層為烏恰盆地南緣斷層的西段，該地表破裂帶主要沿阿圖什背斜西段北緣展布，西起喀拉克色克塔什，東至奧伊特斯干，近EW走向，略呈舒緩波狀，全長(zhǎng)24 km，斷層錯(cuò)斷山前現(xiàn)代洪積扇礫石層形成反坎，逆掩性質(zhì)，斷層面南傾，傾角15°～30°。實(shí)測(cè)地表破裂帶最大垂直位移量為1.2 m，最小垂直位移量?jī)H0.2 m，平均垂直位移量0.55～0.64 m，斷層陡坎在地表只是呈現(xiàn)輕微的隆起，肉眼通常難以識(shí)別，因此也是震后未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的重要原因。探槽開挖揭露出斷層傾角僅為20°，計(jì)算平均水平縮短位移量為1.51～1.76 m，平均傾滑位移量為1.61～1.87 m，與東南面的卡茲克阿爾特?cái)鄬拥乇砥屏褞н\(yùn)動(dòng)性質(zhì)相同、斷錯(cuò)位移量相當(dāng)。結(jié)合1985年烏恰震害調(diào)查，烏恰盆地南緣斷層西段地表破裂帶穿過了整個(gè)北部Ⅸ度區(qū)，并延伸到了Ⅷ度區(qū)內(nèi)。破裂帶與烏恰老縣城最近距離僅300 m，這也是烏恰老縣城遭受毀滅性地震破壞、震后遷址新建的重要原因。

3 討論

3.1 斷層帶典型的堰塞沉積

烏恰盆地南緣斷層西段走向近EW向，以南傾逆斷層為主，位于阿圖什背斜西段北翼，斷層活動(dòng)方式表明該背斜屬背駝式構(gòu)造。其構(gòu)造表現(xiàn)為帕米爾向南天山山前擴(kuò)展，前緣斷層發(fā)育在褶皺靠近山體的前緣(北緣)，傾向帕米爾，隨著褶皺和斷層逆向河流方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，必將導(dǎo)致上盤抬升和河流侵蝕基準(zhǔn)面的降低，河流勢(shì)能隨之減小，河流下切作用減小，搬運(yùn)能力減弱，沉積能力加強(qiáng)。斷層帶附近的堰塞沉積物質(zhì)有別于山前普遍發(fā)育的沖洪積相卵礫石，以砂土和粉土等細(xì)粒土層為主。除了個(gè)別較大型河流能夠穿過背斜低山形成小型沖洪積扇外，其余地表水流都被阻擋在背駝式褶皺的前緣地帶。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，在烏恰盆地南緣，均分布有地下水高、沖積和風(fēng)積為主的砂土、粉土層沉積，厚度數(shù)米至數(shù)十米不等，局部出露有斷層泉。以老烏恰縣城(現(xiàn)為黑孜葦鄉(xiāng))場(chǎng)地為例，鉆探揭露全新世—晚更新世河流相沉積，上覆19.8 m厚的粉土、粉砂夾細(xì)砂、粉質(zhì)粘土，下伏卵礫石，地下水位埋深5.4 m。該鉆孔距烏恰南斷層帶700 m，位于斷層下盤(北盤)，屬于典型的斷層多次地震形成的堰塞沉積。老縣城場(chǎng)地位于平坦和低洼的沖洪積扇上，如果知道該沖洪積扇的形成年代，上覆堰塞沉積物厚度相當(dāng)于斷層的垂直位移量，那么就可以計(jì)算出斷層的垂直活動(dòng)速率。后續(xù)將重點(diǎn)開展帕米爾前緣俯沖帶運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究工作。

3.2 兩條斷層的同震破裂

3.3 帕米爾與南天山現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系

1985年地震發(fā)生在烏恰地區(qū)的帕米爾—天山匯聚帶上，也是帕米爾和南天山相距最近的地帶。在這條狹窄的、強(qiáng)烈活動(dòng)的擠壓碰撞帶內(nèi)，我們沒有發(fā)現(xiàn)北傾的逆沖活動(dòng)斷層發(fā)育(圖4)，即南天山前陸地帶在晚近紀(jì)以來沒有發(fā)育向南俯沖的褶皺斷層。這也正好驗(yàn)證了新縣城向北靠近南天山山前而避開了南邊帕米爾主要活動(dòng)斷層的選址遷建方案的合理性。烏恰盆地南緣斷層活動(dòng)始于中新世中期(13.7～14.9 Ma)，與天山古生代造山帶在晚近紀(jì)復(fù)活的年齡基本一致，而其北面的吉爾吉斯斯坦境內(nèi)的天山重新建造的時(shí)間不到10 Ma[21-22]。因此可以斷定，帕米爾是主動(dòng)的，而天山是被動(dòng)的，當(dāng)帕米爾前緣俯沖帶擠壓到天山山前時(shí)，觸發(fā)了南天山古生代構(gòu)造的活動(dòng)變形。而天山造山帶的縮短是通過寬廣變形區(qū)域內(nèi)多條近平行的EW走向逆沖斷層，以低滑動(dòng)速率[23]和分布式活動(dòng)[24]方式共同來吸收的。

4 結(jié)語(yǔ)

前人研究1985年8月23日烏恰MS7.4地震在卡茲克阿爾特?cái)鄬由掀屏蚜?5 km，本次研究確定在烏恰盆地南緣斷層上也破裂了24 km，最終確定本次地震總破裂長(zhǎng)度為39 km。在最大主壓應(yīng)力南北方向投影顯示，兩條破裂帶基本不重合，即本次大地震的極震區(qū)西部的應(yīng)變能量是由烏恰盆地南緣斷層破裂釋放，東部的應(yīng)變能量則由卡茲克阿爾特?cái)鄬悠屏厌尫?，隱含著烏恰盆地南緣斷層和卡茲克阿爾特?cái)鄬又g構(gòu)造關(guān)系密切。這兩條斷層深部很可能歸并為同一條軟弱的膏鹽滑脫面，均屬于帕米爾俯沖帶的薄皮構(gòu)造。