新疆北天山烏蘇南斷層晚第四紀活動特征及其構(gòu)造意義*

陳建波， 羅福忠， 胡偉華， 常想德， 譚 明

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

天山是遠離板塊邊界的大陸內(nèi)部山系，在地質(zhì)歷史上作為古生代俯沖碰撞帶曾起到過極其重要的作用[1]。新生代以來，天山又遭受了強烈擠壓和隆升等構(gòu)造變形作用 ，形成了歐亞大陸內(nèi)部再生造山帶[2-3]。天山南、北山前地區(qū)或山間發(fā)育多個坳陷盆地，其中中、新生代地層中發(fā)育薄皮構(gòu)造，表現(xiàn)為逆斷裂—褶皺帶，如天山北麓的烏魯木齊坳陷、天山南麓的庫車坳陷等[4-8]。近年來，國內(nèi)外學者對天山山前的新生代構(gòu)造變形開展了不同程度的研究[9-16]，這些研究成果為認識天山山體的構(gòu)造變形提供了寶貴的資料。作為天山北麓由南向北發(fā)育的3～4排新生代活動逆斷裂—褶皺帶，是典型的大陸內(nèi)部新生代活動褶皺和逆斷裂帶，其構(gòu)造變形方式，主要以準噶爾南緣斷裂帶的逆沖推擠，沿底部滑脫面向北運動，同時發(fā)生逆斷裂和褶皺[17-20]。而在近東西向的水平方向上，這些逆斷裂—褶皺帶變形起始多從中部開始向兩側(cè)擴展抬升，形成了獨立或多個孤立的褶皺隆起，平面上呈近平行或斜列展布。盡管前人對天山新生代構(gòu)造變形做了大量的研究，但是很少關(guān)注天山山前這些逆斷裂—褶皺帶除了在南北向的縮短和東西向擴展外，這些平面看似近平行發(fā)育的逆斷裂背斜帶之間是如何過渡，是否存在構(gòu)造相關(guān)性？近年來，我們在開展烏蘇市地震動小區(qū)劃的野外地質(zhì)調(diào)查時發(fā)現(xiàn)的北天山山前的第3排背斜帶(獨山子逆斷裂—背斜帶)和第4排背斜帶(西湖隆起)之間發(fā)育多條斜列的新生斷層，通過細致的遙感圖像解譯、野外地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)探槽開挖 ，發(fā)現(xiàn)烏蘇南斷裂晚第四紀以來活動的可靠證據(jù)，這一發(fā)現(xiàn)對了解北天山山前逆斷裂—褶皺帶變形分配有了更新一步的認識。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

烏蘇市主要位于北天山山前的烏魯木齊山前坳陷區(qū)西段，以烏魯木齊為界可以將烏魯木齊坳陷劃分為東西兩部分，以東為博格達推覆構(gòu)造系 ，以西為北天山山前斷展褶皺系，后者由3～4排逆斷裂—背斜帶組成，背斜帶由南往北依次出露三疊—侏羅系、第三系和第四系，背斜呈南緩北陡的不對稱狀，其核部及北翼平行背斜軸的縱向斷裂發(fā)育，由于第四紀時期斷裂的強烈活動，使背斜構(gòu)造更為復雜，形成與逆斷裂有關(guān)的斷裂擴展褶皺，這些逆斷裂—背斜帶之間以第四紀的向斜構(gòu)造分開，構(gòu)造式樣是由山體向準噶爾盆地呈疊瓦狀逆沖[17]。

烏蘇市主要位于北天山山前第4排構(gòu)造隆起—西湖隆起區(qū)附近，西湖隆起是一個更新的正在發(fā)展的活動背斜，它位于獨山子—斜西北，烏蘇縣城以南，該背斜不僅在地表上表現(xiàn)為隆起，而且地震反射剖面揭示出地表以下3.5～5 km處的三疊紀、侏羅紀地層中存在向南傾斜的逆斷層斷坡，傾角約30°，在斷坡之上發(fā)育一個南緩北陡的不對稱背斜[17]。地表橫穿西湖隆起的深切溝谷中已能觀察到北翼傾角約10°的晚更新世沖洪積礫石層，說明這一逆斷裂—背斜正在發(fā)展之中，并開始在地貌和地層傾斜上有所反映和表現(xiàn)。通過穿越背斜的晚第四紀河流階地面變形結(jié)果，可間接反映了西湖隆起變形量與速率西段明顯大于東段，表明西湖隆起目前向西擴展的速率大于向東擴展的速率[21]。在空間分布上，獨山子逆斷裂—背斜帶與西湖隆起呈明顯的NWW向斜列展布，而烏蘇南斷裂帶就發(fā)育這2個背斜帶之間(圖1)。野外調(diào)查顯示，烏蘇南斷層組晚第四紀以來斷層活動強烈，沿斷層斷錯山前沖洪積扇，形成明顯的線性陡坎地貌，斷層活動性質(zhì)為高傾角逆走滑型斷裂。

圖1 北天山烏蘇地區(qū)地震構(gòu)造圖

2 烏蘇南斷層地質(zhì)地貌特征

烏蘇南斷裂組主要發(fā)育于北天山山前的獨山子逆斷裂—背斜帶(第3排)和西湖背斜(第4排)之間(圖1)，在衛(wèi)星影像顯示為4～5排近平行斷層陡坎組成(圖2a、b)、呈斜列展布于烏蘇西南的山前沖洪積扇上，依據(jù)平面幾何展布將斷層由東向西劃分為Fw-1，F(xiàn)w-2，F(xiàn)w-3，F(xiàn)w-4，斷層總體走向320°，與南北向天然河流水系、沖溝呈約30°的夾角，并沿斷層斷錯河流階地前緣，形成右旋水平位錯30±0.5 m(圖2c)。其次，斷層陡坎的高度發(fā)育程度也略有不同，總體表現(xiàn)為南北高、中間低，其中北段僅Fw-1，F(xiàn)w-2斷層在山前洪積扇上有比較明顯的分布，而Fw-3和Fw-4斷層陡坎主要發(fā)育在烏蘇隆起區(qū)附近(圖2b)。沿斷層陡坎追索發(fā)現(xiàn)，沿洪積扇分布的Fw-1，F(xiàn)w-2斷層陡坎坡向呈現(xiàn)南北段不一致的現(xiàn)象，即南段與獨山子背斜相交匯的區(qū)域表現(xiàn)為東高西低，北段延入烏蘇城區(qū)至西湖隆起區(qū)一帶則坡向相反，陡坎高度在1～2 m(圖2e、f)，陡坎向北至西湖隆起區(qū)內(nèi)逐漸增大至4～6 m，陡坎最大坡角在5°～25°之間，總體呈斷續(xù)展布，全長3～12 km。在上述4條斷層陡坎，主要以Fw-1和Fw-2斷層地貌特征保留相對完整。

圖2 烏蘇南斷層組地質(zhì)地貌圖

圖3 烏蘇市南Fw-1斷層斷錯階地礫石層剖面

在烏蘇南的G30連霍高速公路兩側(cè)新規(guī)劃的物流園區(qū)內(nèi)對斷層組Fw-1斷裂進行野外追索調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在高速公路南側(cè)的采砂坑坑壁東側(cè)可見Fw-1斷層斷錯山前沖洪積扇(河流T3級階地)礫石層(圖3)，由北向南發(fā)育2條逆沖型斷層，兩斷層水平間隔約3.5 m，斷層產(chǎn)狀為45°∠42°～62°，受斷層擠壓牽引礫石層呈明顯的定向排列，形成的寬約20 cm斷層帶，實測被斷錯上下盤砂礫石層最大垂直位移約1.0 m。沿該斷層出露點繼續(xù)向東南追索，在一寬緩的南北向發(fā)育的沖溝中，可見發(fā)現(xiàn)Fw-1斷層斷錯沖溝東岸T1級階地，該階地沉積物為二元結(jié)構(gòu)，下伏砂卵礫石層，上覆厚約30～50 cm的黃土層，沿斷層面礫石呈明顯定向排列，斷層面寬約20cm，斷層頂部向上斷錯上覆黃土層(圖2d)，斷層面產(chǎn)狀：36°∠54°，并在地表形成走向ES的斷層陡坎，陡坎高度約0.5 m(圖2e)。

3 斷層晚第四紀活動特征

圖4 烏蘇南斷層組Fw-1斷層北段TC01探槽北壁地質(zhì)剖面圖

烏蘇南斷裂組主要發(fā)育于北天山山前的獨山子逆斷裂—背斜帶(第3排)和西湖背斜(第4排)之間，平面上呈4～5排斜列展布的斷層陡坎組成。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)w-3，F(xiàn)w-4斷層主要發(fā)育在西湖隆起區(qū)內(nèi)，受人工植樹造林影響，斷層帶最新活動跡象已無法更好的辨識，且斷層陡坎相對高差較大，坡面較長，地表現(xiàn)已被人工林覆蓋。而Fw-1，F(xiàn)w-2斷層陡坎主要發(fā)育在山前洪積扇上，野外地質(zhì)調(diào)查確認，F(xiàn)w-1斷層中南段天然露頭均顯示斷層產(chǎn)狀為：傾向35°～45°，傾角42°～65°，為進一步驗證該斷層北段的活動特征及斷層向北是否延入烏蘇市的城區(qū)，我們在該斷層北段的洪積扇開挖探槽TC01(圖4)，探槽南壁揭示的地層層序如下圖(圖4)。

層①：土黃色砂卵礫石層，松散，分選磨圓度較好，層理清晰，局部夾薄層細砂，礫石直徑一般在5～20 cm，最大礫徑35 cm；

層②：青灰色砂卵礫石層，松散，分選磨圓度較好，層理清晰，局部夾薄層細砂，斷層上盤附近礫石層松散，易垮塌，礫石直徑一般在3～10 cm，最大約15 cm；

層③：土黃色角礫石層，含粉土，層內(nèi)包裹角礫石層，角礫石層層理較差，無明顯分選，礫徑在1～3 cm，角礫石層密實度較好；

層④：地表黃土層，上盤略薄，厚度在10～20 cm，下盤厚度0.5～0.8 m；

該探槽剖面揭示，沿斷層面礫石層具有明顯的定向排列，由東向西分布有兩條高傾角逆沖斷層，斷層面產(chǎn)狀：傾向220°，傾角65°～75°。斷層帶內(nèi)礫石層彎曲變形，受斷層斷錯影響，兩盤礫石層牽引褶曲，實測斷層層①最大垂直位移約0.7 m。沿斷層斷錯層②和層③，向上斷錯層④底部，但是被上覆黃土層覆蓋，未斷錯至地表。

烏蘇南斷層組Fw-2斷層是該斷層組延伸最長的一條斷裂，斷層走向NW，地貌上線性影像特征明顯，陡坎傾向ES，高度為南北高中間低，局部被侵蝕殆盡。Fw-2斷層南段接近獨山子背斜一帶，沿斷層斷錯地貌清晰，斷錯山前洪積扇，在地表形成高約2～3 m的陡坎。斷層北段主要位于西湖隆起附近，沿斷層在地表形成高3～5 m的陡坎，陡坎走向與河流沖溝水系形成明顯的夾角，線性特征清晰(圖5a)。

在斷層南段的沖洪積扇上，沿斷層錯斷現(xiàn)代河流沖溝的T1、T2級階地，在地表形成0.5～2 m的斷層反向陡坎(圖5b)，陡坎傾向NW，垂直陡坎開挖探槽TC02，探槽剖面顯示(圖6)，探槽剖面揭露地層層序與TC01相當，除了缺少TC01中的層③，其他地層層序基本一致。探槽TC02剖面揭露，沿斷層礫石呈明顯的定向排列，由北向南發(fā)育兩條高角度逆沖斷層，其中在f1斷層南側(cè)還發(fā)育一條反沖的逆斷層。與TC01探槽相比，TC02探槽的斷層產(chǎn)狀為傾向35°，傾角57°～75°，沿斷層斷錯層層①，層②，斷層頂部斷錯斷層③至地表，實測f2斷層最大垂直位移量可達1.2 m。

圖5 烏蘇南斷層組Fw-2斷層南段斷錯現(xiàn)代河流階地(a)及探槽位置(b)衛(wèi)星影像解譯圖

通過對探槽TC01和探槽TC02進行對比，發(fā)現(xiàn)兩探槽所在洪積扇衛(wèi)星影像色調(diào)基本一致，探槽揭露地層層序基本相當，地層沉積巖性類似，地貌上看應歸屬于同一期地貌單元。不同點是，探槽TC01和TC02斷層陡坎坡向相反，斷層傾向亦相反，但斷層傾角相當，均為高角度逆沖斷層。根據(jù)探槽剖面，斷層斷錯地層層序顯示，沿斷層頂部均發(fā)育有薄層的黃土層，斷層下盤的沉積厚度明顯大于上盤沉積厚度，尤其在TC02探槽，沿斷層多次錯斷上覆黃土層，說明該斷裂至少有過兩次古地震事件。即第一次古地震事件斷層斷錯層①和層②，而后被層③覆蓋；第二次事件斷層繼續(xù)活動，斷錯上覆地層③。因此，可根據(jù)TC01探槽和TC02探槽，判斷Fw-1斷層和Fw-2斷層至少發(fā)生過1～2次古地震事件。

圖6 烏蘇南斷層組Fw-2斷層南段TC02探槽南壁地質(zhì)剖面圖

4 結(jié)論與討論

烏蘇市主要位于北天山山前的烏魯木齊山前坳陷區(qū)西段，以準噶爾南緣斷裂為界，天山北麓發(fā)育了這3～4排逆斷裂-褶皺帶，由南向北，其形成時代逐漸變新，其中第2排和第3排逆斷裂-褶皺帶在晚第四紀仍在活動，第4排背斜帶(西湖隆起)是一個新的，正在發(fā)育的背斜。根據(jù)石油地質(zhì)勘探成果和平衡地質(zhì)剖面方法[17-20]，計算天山北麓逆斷裂—褶皺帶的地殼縮短量和縮短速率：第2排逆斷裂—褶皺帶地殼水平縮短量為5.5～6.5 km，縮短速率為2.02～2.23 mm/a；第3排逆斷裂—褶皺帶地殼水平縮短量為1.3～2.9 km，縮短速率為1.87～3.97 mm/a；第4排褶皺帶(西湖隆起)地殼水平縮短量為0.134～1.065 km[21]，縮短速率0.07～0.64 mm/a。而烏蘇南斷裂組主要發(fā)育于北天山山前的第3排(獨山子逆斷裂—背斜帶)和第4排(西湖背斜)之間，沿斷層斷錯山前沖洪積扇，形成斷續(xù)分布線性陡坎地貌，這些線性陡坎，坡向時東時西，且同一條斷層陡坎，北段陡坎呈NE傾，南段則呈SW傾，通過野外探槽開挖，確認該斷層活動性質(zhì)為高傾角逆沖斷裂。其次，由于該斷層與山前河流水系沖溝的夾角較小，部分地段與河流、沖溝呈平行展布，因此沿斷層未發(fā)現(xiàn)更多的水平位錯特征，僅在局部地段可見該斷層斷錯沖溝及階地，形成明顯的右旋走滑位移，但是從各分支斷層的時空分布特征及陡坎坡向的變化來看，該斷層應屬于走滑型逆沖斷層。

根據(jù)前人對天山北麓山前的洪積扇及河流階地的形成時間及洪積扇期次的劃分[22-24]，將天山北麓奎屯河山前的洪積扇劃分為3期(圖7)[22]：第1期洪積扇主要發(fā)育在山前高臺地(Fan1U)，向北被第2期洪積扇(Fan2)覆蓋，之后又被第3期洪積扇(Fan3)覆蓋，在烏蘇西形成西湖隆起(Fan1U)，在奎屯—烏蘇以北形成平原。對山前洪積扇及河流階地ESR和10Be測年結(jié)果顯示，奎屯河山前第1期洪積扇主要形成于中更新世中期約600 ka；第2期洪積扇形成于晚更新世末期約24 ka。其次，根據(jù)洪積扇于奎屯河河流階地的關(guān)系，奎屯河III級階地的形成年齡為～24 ka，II級階地形成年齡為～10 ka，I級階地形成的年齡為～7 ka。由此，根據(jù)本次野外實際調(diào)查和影像解譯對比，認為烏蘇南斷層主要發(fā)育在奎屯河山前的第2期洪積扇上，其第2期洪積扇的對應的形成時代為24 ka。同時，沿斷層斷錯山前第2期洪積扇的I～III河流級階地礫石層及上覆黃土層，并在地表形成0.5～3 m的斷層陡坎，說明該斷層的最新活動時間應為7～24 ka，

圖7 奎屯河山前洪積扇與斷層帶分布圖(據(jù)陳正位，2013修改)

由此計算斷層晚更新世以來的平均活動速率約0.125 mm/a。根據(jù)斷層斷錯河流階地前緣，形成右旋水平位錯30±0.5 m，計算斷層晚更新世以來的右旋走滑活動速率為1.25±0.02 mm/a。

其次，在幾何平面展布上獨山子逆斷裂—背斜帶和西湖隆起呈明顯的右階斜列展布，而烏蘇南斷裂組就發(fā)育于這兩組背斜帶之間，呈左列雁行展布。根據(jù)前人對獨山子逆斷裂背斜帶的研究[25]，發(fā)育在獨山子背斜軸部的逆斷層，略呈向北凸出的弧形，斷面S傾，傾角約60°，使背斜南翼斜沖于北翼之上。斷裂帶內(nèi)擦痕發(fā)育，傾向SW，傾角45°，表明上盤向NE斜沖。且在斷裂上盤發(fā)育數(shù)條正斷層，組成向西收劍(斂)的張性帚狀斷裂群，并伴隨泥火山發(fā)育，表明獨山子背斜的主干斷裂曾發(fā)生過反向剪切運動，而獨山子主斷裂上盤發(fā)育的這些張扭性帚狀斷裂，也表明獨山子逆斷裂—背斜帶是在以反向剪切為特征的壓扭性作用下所形成的，而且西強東弱。形成上述斷裂的活動特征，很可能是由于獨山子背斜帶受南北向推擠速度的不均衡或者兩側(cè)壓力不平行所導致。根據(jù)烏蘇南斷層帶所處的位置、斷層性質(zhì)及規(guī)模，筆者認為這些斷層的形成很可能與獨山子逆斷裂—背斜局部環(huán)境相類似，該斷層應為天山山前獨山子背斜與西湖隆起之間的過度轉(zhuǎn)換斷層，對背斜東西的擴展及隆升起到一定的調(diào)節(jié)作用。