云 龍,張 進,王 駒,趙志濤,寶音圖,莊海洋,陳 蘇,張競嘉,張 佳,趙 衡,張北航
1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室,北京 100029;2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所,北京 100037;3.中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所,北京 100083;4.內(nèi)蒙古大學交通學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 210020;5.南京工業(yè)大學交通運輸工程學院,江蘇 南京 210009;6.中國地震局地球物理研究所,北京 100081
新生代以來,印度與歐亞板塊之間的碰撞導致歐亞大陸內(nèi)部大規(guī)模的板內(nèi)變形,形成了迄今面積最大和海拔最高的青藏高原(Molnar and Tapponnier, 1975;Avouac and Tapponnier, 1993;Molnar et al., 1993; Tapponnier et al., 2001; 顏丹平等,2020)。高原內(nèi)部的生長變形過程及向外的擴展機制一直是現(xiàn)今研究的熱點,但也存在諸多爭論(Yin and Harrison, 2000; Zhang et al., 2001, 2007; Yin, 2010; Wang et al., 2014)。晚第四紀以來,高原東北緣發(fā)生了強烈的構(gòu)造變形,目前已建立了幾類高原北緣的生長模型,其中楔入類模型認為高原北緣變形主要是通過高原內(nèi)部山體隆升(如祁連山、大雪山和疏勒南山等)和大型斷裂(如北祁連、昌馬和大雪山等斷裂)逆沖運動的貢獻,并強調(diào)了構(gòu)造作用是高原北東向生長的主控因素(Yue et al., 2004a, 2004b; Darby et al., 2005; Xu et al., 2005; Wu et al.,2011, 2012; Zuza et al., 2018a, 2018b; Cheng et al., 2019a, 2019b)。地殼雙沖(Zuza et al., 2018b)和地殼純剪縮短模型(Lease et al., 2012)則強調(diào)了地殼推覆縮短和氣候耦合對高原北東向擴展的重要性。同樣南蒙古地區(qū)的新構(gòu)造活動也受控于青藏高原的影響(Cunningham et al., 2009; Cunningham, 2013),然而高原北緣的北山地區(qū)的活動性卻相對微弱,因此北山是一個重要的地區(qū),關乎青藏高原如何影響南蒙古地區(qū),那么高原的北向擴展變形是否已傳遞進入北山以及如何響應就成為關鍵的問題。
北山造山帶位于中亞造山帶的最南緣,經(jīng)歷了古生代的增生造山作用(Xiao et al., 2010),中生代已經(jīng)進入陸內(nèi)變形階段(Cunningham et al., 2009; Zhang and Cunningham, 2012),新生代以來一直被認為是穩(wěn)定的地塊(又稱北山地塊)。該區(qū)地震活動水平弱,到目前為止尚未記錄到>4.7級的歷史地震(Liu et al., 2007;趙根模等,2019)。通過衛(wèi)星影像解譯,發(fā)現(xiàn)在玉門市西北側(cè)約50 km的北山造山帶內(nèi)部,發(fā)育有一系列北東向斷裂,這些斷裂控制了一系列晚新生代盆地、洪積扇的分布(如舊井盆地和板灘盆地),晚更新世以來有新活動的跡象(王峰等,2005;郭召杰等2008),其中舊井-板灘斷裂是這些斷裂中最典型也是活動最強烈的一條。此外,在北山南緣距離金塔縣城約50 km處,也發(fā)現(xiàn)了一條近東西向的活動斷裂(俄博廟斷裂)。針對俄博廟斷裂,Yang et al.(2019)給出了該斷裂新生代以來的左旋走滑和逆沖速率分別為2.69 mm/a和0.35 mm/a。云龍等(2019)對該斷裂進行了古地震研究,沿該斷裂至少發(fā)生了兩次古地震,分別發(fā)生于距今30 ka之前和8.4~3.3 ka。張波等(2020)對該斷裂上分布的正向和反向陡坎的高度進行了統(tǒng)計分析,并給出了斷裂的左旋走滑速率為1.52 mm/a。值得注意的是以上兩條斷裂的走向分別為北東向和近東西向,雖然均位于北山造山帶南緣,但是應屬于兩個不同的斷裂系統(tǒng),因此,文章選擇以上兩個系統(tǒng)中最典型、最活躍的舊井-板灘斷裂和俄博廟斷裂為研究對象,基于對典型地貌的無人機航測與實地測量、探槽開挖和光釋光測年等手段,討論其晚第四紀以來的活動成因及其對青藏高原北緣北向擴展的響應,為研究高原北緣的變形分配方式提供一個新窗口。
青藏高原北緣位于中生代北山造山帶、河西走廊西端、敦煌地塊和青藏高原北緣等四個構(gòu)造單元的結(jié)合部位,區(qū)內(nèi)不同走向和運動性質(zhì)的大型斷裂(如阿爾金斷裂、祁連山北緣斷裂和三危山斷裂等)發(fā)育,構(gòu)造環(huán)境復雜(圖1)。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育火燒溝組、白楊河組、疏勒河組、玉門礫巖組、酒泉礫石組和戈壁礫石組等新生代地層,缺失古新世地層(史正濤等,2001;趙志軍等,2001;方小敏等,2004;戴霜等,2005)。
JBF—舊井-板灘斷裂;EBMF—俄博廟斷裂;SWSF—三危山斷裂;NJSF—南截山斷裂;ATF—阿爾金斷裂;GXSF—干峽山斷裂;TDCF—塔爾灣-登登山-池家刺窩斷裂;HHF—花海斷裂;KTSF—寬灘山斷裂;HSF—黑山斷裂;YWSF—陰洼山斷裂;JYGF—嘉峪關斷裂;XMPF—新民堡斷裂;BYHF—白楊河斷裂;YMF—玉門斷裂;NQLSTFS—北祁連逆沖斷裂系;JTNSF—金塔南山北緣斷裂
研究區(qū)北部的北山造山帶是中亞造山帶的重要組成部分(Xiao et al., 2010),位于中亞造山帶的南部,西臨天山造山帶,東接阿拉善地塊,南北兩側(cè)分別為蒙古境內(nèi)阿爾泰山和敦煌地塊(Xiao et al., 2010)。由一系列微地塊和蛇綠混雜巖帶組成,經(jīng)歷古生代的一系列俯沖-增生過程(Xiao et al., 2010;Song et al., 2016)。中生代以來,北山地區(qū)進入陸內(nèi)變形階段,發(fā)育東西向逆沖斷裂或走滑斷裂,在北山地區(qū)形成一系列大型逆沖和走滑斷裂(Zheng et al., 1996; Cunningham et al., 2009; Zhang and Cunningham, 2012; Cunningham, 2013)。新生代以來,受青藏高原北向擴展遠程效應的影響,北山內(nèi)部的部分大型走滑斷裂發(fā)生復活,這些斷裂的左旋走滑運動使得位于擠壓階區(qū)內(nèi)的山體隆升(Cunningham, 2013)。晚更新世以來,隨著高原北向擴展的持續(xù)作用,位于北山南緣的小型斷裂在北東向擠壓作用下復活,發(fā)生北向逆沖兼有左旋走滑運動(云龍等,2019; Yang et al., 2019)。
研究區(qū)內(nèi)分布有多條晚第四紀以來的活動斷裂。以阿爾金斷裂及其延伸部分為界分為三組(圖1):第一組為近東西向阿爾金斷裂東段及其延伸部分,包括寬灘山斷裂和黑山斷裂(Xu et al., 2005;張寧等,2016);第二組位于北祁連斷裂與寬灘山斷裂、黑山斷裂間,包括北西、北北西方向的玉門斷裂、白楊河斷裂、新民堡斷裂、陰洼山斷裂和嘉峪關-文殊山斷裂(陳柏林等,2006,2008;Zheng et al., 2013;李安等,2016);第三組斷裂位于寬灘山、黑山斷裂北側(cè),包括北西、北北西向的塔爾灣-登登山-池家刺窩斷裂、豁陸山斷裂和花海斷裂(陳濤等,2012;Yu et al., 2015; 閔偉等,2016;云龍等,2010)。
舊井-板灘斷裂距玉門市約55 km,斷裂西側(cè)還分布有一系列北東向斷裂,舊井-板灘斷裂為最東側(cè)的一條(圖2)。衛(wèi)片解譯顯示,斷裂呈明顯的線性展布,平面上由4條分支斷裂組成,分別為JBF-1,JBF-2,JBF-3和JBF-4,呈復雜的“Y”字形分布(圖2)。最長的分支斷裂(JBF-2)長約28 km,總體走向北東40°~50°,傾向北西,傾角60°~70°,為一條正左旋走滑斷裂。斷裂構(gòu)成了花崗巖山體與兩個第四紀沉積盆地的邊界,控制了南北兩個晚更新世、全新世沖洪積、風積盆地(舊井盆地和板灘盆地)的發(fā)育。
JBF—舊井-板灘斷裂;JBF-1,JBF-2,JBF-3和JBF-4為舊井-板灘斷裂的4條分支;JTC-5和JTC-7為兩個探槽的編號
斷裂主體沿東側(cè)花崗巖山體與晚第四紀洪積扇邊界分布,其中,東側(cè)的花崗巖山丘在早期沿斷面抬升,隨后受風化和夷平作用,形成斷層三角面(圖3a),山體頂面位于同一夷平面內(nèi),落差在10~30 m。在局部位置,斷裂通過花崗巖山體,受后期的風化作用,形成寬約9 m的斷層槽谷(圖3b)。此外,斷裂的左旋運動還斷錯了一系列小型山脊和沖溝,錯距分別為4.2 m和5.5 m(圖3c,3d)。在山前一大型沖溝G1處(圖3e),沖溝南北兩側(cè)共發(fā)育兩級堆積階地(T1和T2),主要由晚更新世近源堆積的花崗巖砂礫石組成。其中,沖溝G1北側(cè)發(fā)育的階地T2呈倒三角分布,階地面受后期剝蝕形成T2′,局部還堆積有厚1~2 m的風積細砂;沖溝G1南側(cè),發(fā)育兩級階地,低階地T1受后期侵蝕作用,僅呈細條狀分布于山前,高階地T2被斷裂水平斷錯,實測斷距11.3±4 m(圖3f)。
a—斷層三角面;b—斷層槽谷;c—斷錯山脊;d—斷錯沖溝;e,f—斷錯階地衛(wèi)星影像及解譯圖
為了確定該斷裂的最新活動時代,在舊井-板灘斷裂中最長、斷錯地貌最明顯的分支JBF-2上,選擇典型斷錯階地位置開挖了兩個探槽,分別命名為JTC-5和JTC-7,位置見圖2;同時,在探槽內(nèi)采集相應的樣品進行光釋光測年,測年結(jié)果見表1。
表1 探槽內(nèi)的光釋光測年樣品分析結(jié)果
2.2.1 探槽JTC-5
在該探槽處,地貌上表現(xiàn)為東側(cè)的花崗巖剝蝕臺地和西側(cè)位于舊井盆地內(nèi)的近源坡積物及風積砂,整體地勢起伏不大,表現(xiàn)為長約4 km的北北東走向的線性陡坎,陡坎被多條近東西向的沖溝分割成若干段。沿陡坎可見由花崗巖構(gòu)成的斷層角礫巖。在陡坎西側(cè)斷層破碎帶部分出露,主要由風化的白色花崗巖斷層角礫構(gòu)成。斷層破碎帶發(fā)育于花崗巖中,地表為沖積和風積角礫石、砂層所覆蓋(圖4a)。
探槽總體走向南東東100°,長約5 m,深約1 m(圖4b)。探槽內(nèi)揭露了5套地層,地層較為簡單,由上至下分別命名為U1—U5,其中,U1為上覆蓋層,而U2—U4均為斷層破碎帶內(nèi)的物質(zhì),U5為較為完整的花崗巖,具體描述如下:
U1:灰黃、土黃色,晚更新世—全新世砂礫石層,局部夾有細砂透鏡體,選擇在其中一個較細的透鏡體內(nèi)采集光釋光樣品F21TC5-1,測年結(jié)果為距今20.12±1.71 ka。
U2:灰綠、灰黃色斷層泥,寬約60~70 cm,局部填充有灰白色斷層角礫。
U3:灰褐、灰綠色斷層角礫,不同巖性的角礫呈條帶狀相間分布。
U4:灰白色斷層泥,厚約20~30 cm。
U5:灰綠色斷層角礫巖帶,角礫主要為被強烈研磨破碎的花崗巖塊。
U5:花崗巖體,局部有節(jié)理發(fā)育。
探槽內(nèi)共揭露了6條斷層,產(chǎn)狀見圖4b。斷層與地層的切割關系較為簡單,6條斷層均切過了U1以下的各套地層,但值得注意的是最西側(cè)的3條斷層似乎有延伸進入U1地層的趨勢。
U1—U6為地層代號
2.2.2 探槽JTC-7
在另一沖溝南側(cè)的斷層陡坎處,穿越陡坎開挖了一個長約12 m的探槽,總體走向南東143°,探槽內(nèi)揭露了3套地層(圖5),由上至下分別為U1—U3,描述如下:
F1—F3為斷層;U1—U3為地層代號
U1:土黃色表層土,局部夾有小礫石,厚度在10 cm左右。
U2:灰黃色地震楔,為含礫細砂粗砂互層,有一定的韻律結(jié)構(gòu),選擇下部一較細的砂層內(nèi)采集光釋光測年樣TC7-1,結(jié)果為距今13.95±0.75 ka。
U3:斷層破碎帶,灰黃、灰綠、灰白色等不同顏色和巖性的物質(zhì)相間夾雜。
探槽內(nèi)共揭露了3條斷層F1,F(xiàn)2和F3,均為逆斷層,其中,F(xiàn)1和F2逆沖斷錯U2和U3地層,被U1地層覆蓋;F3穿越U3地層,向上延伸一直到U2地層的頂部。由于在U2地層中光釋光樣品TC7-1的采樣位置比較靠近地表,未達到一般要求的地下40 cm以下,樣品存在被部分曝光的可能性,因此,研究認為該樣品的年齡結(jié)果偏新。結(jié)合JTC-5探槽內(nèi)對應地層的測年結(jié)果,該層的埋藏年齡應該在2萬年左右。
綜合以上兩個探槽的解譯和年齡樣品分析結(jié)果,研究認為舊井-板灘斷裂在距今兩萬年以來有過活動,結(jié)合斷裂沿線4~5 m的紋溝斷錯,綜合認為該斷裂應為一條晚更新世晚期以來有過活動的斷裂。
該斷裂據(jù)金塔縣城約50 km,位于金塔盆地與北山造山帶交界位置(疏勒河斷裂)的北側(cè)(圖1)。斷裂西起大塘,向東至野馬井公路附近,主要沿山前早中更新世的沖洪積砂礫石層分布,全長約18 km。斷裂近東西走向,傾向北西,傾角60°~80°。走向上,斷裂由近東西轉(zhuǎn)為北西西,又轉(zhuǎn)為近東西向,在東端又轉(zhuǎn)為南東東(圖6),影像上呈明顯的線性分布。受山前近代水系的侵蝕作用,斷裂以間隔分布的線性陡坎在地表排布,南高北低,未出現(xiàn)明顯的幾何分段。
圖6 俄博廟斷裂衛(wèi)片及平面展布圖
衛(wèi)片解譯和實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),該斷裂穿過了除現(xiàn)代河床外的所有地貌面,斷裂逆沖形成不同高度的斷層陡坎;局部可見左旋走滑斷錯了水系。山前分布的最高一級地貌面被斷裂錯斷,形成一系列斷層陡坎。在斷層陡坎出露明顯的位置,利用激光測距儀對陡坎的高度進行了測量,測得的陡坎高度分別為1.4 m和0.3 m(圖7a)。
在斷裂通過處,斷裂斷錯了一套全新世的風積細砂層,形成北高南低的疑似反向陡坎(圖7a—7c),陡坎高約3.7 m。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),陡坎地形上盤植被發(fā)育良好,主要以保土能力較強的紅柳為主,而下盤植被稀疏,整體上表現(xiàn)為北密南疏的特征。探槽挖掘過程中,發(fā)現(xiàn)斷裂北側(cè)水位高于南側(cè),因此認為該斷裂有阻水作用,阻礙了北側(cè)山地匯水向南的流動。這種作用利于紅柳等植被生長,且這類植被利于保土,而南盤地層無植被發(fā)育,地層受到風蝕減薄,由此形成了目前觀察到的疑似反向陡坎。因此,該陡坎的形成雖與斷裂活動相關,但仍是侵蝕陡坎。此外還發(fā)現(xiàn),發(fā)育于細砂層內(nèi)穿越斷裂的4條沖溝(由西至東分別為沖溝1至沖溝4)發(fā)生同步左旋位錯(圖7a,7d—7g),實測位錯量分別為4.5±0.4 m,6.2±0.5 m,5.5±0.6 m和4.5±0.3 m,平均位錯量5.2±0.4 m。
a—斷錯地貌衛(wèi)片;b—斷層陡坎;c—侵蝕陡坎;d—g—斷錯沖溝
探槽ETC-03開挖于俄博廟斷裂東段高約0.2 m的陡坎處(圖6),探槽長、寬、深分別為12 m,3 m和4 m。探槽西壁揭露出8套地層(圖8),由老至新,分別稱為U1—U8,描述如下:
F1—F4為斷層;U1—U8為地層代號
U1:灰白、灰黃色局部鹽堿質(zhì)膠結(jié)的砂礫石層,有明顯的水平層理。
U2:棕黃色砂礫石層,呈水平層理,分選一般。
U3-1:U2層頂部白色固結(jié)的鈣質(zhì)淋濾結(jié)核。
U3-2:棕黃色砂礫石層,夾雜礫石,呈明顯水平層理,有一定的磨圓度。
U4:深棕黃色粗砂礫石層,呈明顯水平層理,有一定磨圓。在該層頂部采集光釋光樣品OSL-17,測年結(jié)果為>100 ka。
U5:棕黃色砂礫石層,位于斷層上盤的該層上部礫石已被剝蝕。
U6:灰黃色砂礫石層,水平層理發(fā)育,以細礫為主,有一定有磨圓度??拷鼣鄬犹帲[石層發(fā)生撓曲變形。在該層中部采集光釋光樣品OSL-16,測年結(jié)果為30.2±1.2 ka。
U7-1:細砂層,在斷層的逆沖作用下,發(fā)生變形。在該層內(nèi)采集光釋光樣品OSL-14,測年結(jié)果為36.4±0.4 ka。
U7-2:灰黃色砂礫石層,層內(nèi)夾有細砂層。
U8:棕黃色砂層,局部夾雜礫石,層內(nèi)采集光釋光樣品OSL-15,測年結(jié)果為3.3±2.4 ka。
探槽內(nèi)共揭露出4條斷層:F1,F(xiàn)2,F(xiàn)3和F4。其中,F(xiàn)1,F(xiàn)3和F4錯斷了U8以下各套地層,而F2 斷錯了U6以下各套地層,被U6地層覆蓋,結(jié)合光釋光樣品的分析結(jié)果,認為俄博廟斷裂在距今3萬年以來有過活動,為晚第四紀以來的活動斷裂。具體古地震分析結(jié)果在云龍等(2019)中有詳細描述,這里不再贅述。
之前對于舊井地區(qū)斷裂的活動性有過報道(王峰等,2004,2005;郭召杰等,2008),對于其晚第四紀以來的活動原因提出了兩種觀點,兩種觀點都認為高原北緣的應變擴展是舊井-板灘斷裂發(fā)生新活動的原因,但對于具體應變分配模式有不同觀點:一種觀點認為舊井-板灘斷裂及其西側(cè)的一系列北東向斷裂,受北北東向的擠壓,導致北東向斷裂與近東西向斷裂夾持“書斜構(gòu)造”發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)(王峰等,2004,2005);而另一種觀點認為上述北東向斷裂為三危山斷裂東端繼續(xù)北東向延伸部分,走滑斷裂末端的“帚”狀張性構(gòu)造(圖9a;郭召杰等,2008)。而對于俄博廟斷裂,其活動性近幾年才陸續(xù)有報道(云龍等,2019;Yang et al., 2019;張波等,2020)。Yang et al.(2019)認為高原北緣的北向逆沖前緣在金塔南山斷裂和合黎山斷裂附近,俄博廟斷裂的活動是高原北緣變形北向擴展的響應。
阿爾金斷裂西北側(cè)的三危山斷裂活動性調(diào)查(Cunningham et al., 2016;劉興旺等,2018;云龍等,2019, 2021;Yun et al., 2020;Yang et al., 2020)、深部地球物理剖面(Xiao et al., 2012, 2015)和現(xiàn)今GPS速度場等資料表明,三危山為阿爾金斷裂的一條分支斷裂,二者夾持的踏實塊體有明顯北東向運動的特征,而舊井-板灘等一系北東向斷裂位于踏實地塊的北東向變形的前緣位置,因此,文章認為舊井-板灘等一系北東向斷裂晚第四紀的復活是由于踏實地塊的北東向運動導致的(圖9a)。對于俄博廟斷裂,從地貌調(diào)查、探槽開挖(云龍等,2019)和深部地球物理剖面(Yang et al., 2019;圖9b)的解譯結(jié)果來看,斷裂具有明顯的左旋走滑兼逆沖運動性質(zhì),斷裂產(chǎn)狀近直立向深部延伸,并不像金塔南山和合黎山斷裂等有向南匯聚、并入祁連山逆沖推覆體系的特征,因此,判斷該斷裂并非屬于青藏高原前緣逆沖斷裂體系,而是屬于北山內(nèi)部斷裂。區(qū)域GPS速度場(Wang and Shen, 2020)和現(xiàn)今構(gòu)造應力場(謝富仁等,2004;Hu et al., 2017)顯示,金塔縣城周邊主要受NEE 60°~65°方向的擠壓,而俄博廟斷裂的走向為近東西向,二者夾角約25°~30°。而室內(nèi)巖石力學實驗表明(雷興林等,1991),破裂產(chǎn)生的最大剪應力與最大主應力的夾角往往是20°~30°,因此,在此區(qū)域應力背景條件下,近東西向的現(xiàn)存構(gòu)造發(fā)生復活的可能性最大。綜上,舊井-板灘斷裂和俄博廟斷裂均是位于北山造山帶南緣的先存構(gòu)造,二者雖然均受青藏高原北緣變形傳遞的遠程效應而發(fā)生復活,但二者的運動和變形方式顯示其具體地動力學條件有所不同。
JBF—舊井-板灘斷裂;EBMF—俄博廟斷裂;SWSF—三危山斷裂;NJSF—南截山斷裂;ATF—阿爾金斷裂;GXSF—干峽山斷裂;TDCF—塔爾灣-登登山-池家刺窩斷裂;HHF—花海斷裂;KTSF—寬灘山斷裂;HSF—黑山斷裂;YWSF—陰洼山斷裂;JYGF—嘉峪關斷裂;XMPF—新民堡斷裂;BYHF—白楊河斷裂;YMF—玉門斷裂;NQLSTFS—北祁連逆沖斷裂系;JTNSF—金塔南山北緣斷裂
(1)舊井-板灘斷裂由4條分支斷裂組成,呈復雜的“Y”字形分布。最長的分支長約28 km,總體走向北東40°~50°,傾向北西,傾角60°~70°,運動方式為正左旋走滑。斷裂構(gòu)成了花崗巖山體與兩個第四系沉積盆地的邊界,控制了南北兩個晚更新世、全新世盆地(舊井盆地和板灘盆地)的發(fā)育。斷裂斷錯了一系列山脊、沖溝和階地,在距今約2萬年以來有過活動,為一條晚更新世晚期以來的活動斷裂。
(2)俄博廟斷裂金塔縣城北約50 km處,長約18 km,整體呈近東西向,傾向北西,傾角60°~80°,運動方式為逆左旋走滑。斷裂北向逆沖形成清晰的、間隔性分布的線性斷層陡坎,南高北低,并斷錯了穿越斷裂的一系列沖溝。斷裂在距今約3萬年以來有過活動,為一條晚更新世晚期以來的活動斷裂。
(3)舊井-板灘斷裂和俄博廟斷裂均是位于北山造山帶南緣的先存構(gòu)造,二者在晚第四紀以來發(fā)生復活,是對青藏高原北緣北向擴展遠程效應的響應。
致謝:中國地震局地質(zhì)研究所楊曉平研究員參與了部分野外工作,審稿人提出了有益的意見和建議,這里一并表示感謝!