柴達木盆地北緣石底泉背斜構造地貌特征及地質意義

董金元 李傳友* 鄭文俊 李 濤 李新男 任光雪 羅全星

1)中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029 2)中山大學地球科學與工程學院，廣東省地球動力作用與地質災害重點實驗室，廣州 510275

0 引言

圖1 柴達木盆地北緣—祁連山區(qū)域構造圖Fig. 1 Regional structural map of the northern margin of the Qaidam Basin-Qilian Shan.

新生代印度板塊和歐亞板塊的碰撞及其后的向N推擠導致青藏高原的不斷隆升與擴展，塑造了中國西部乃至整個中亞地區(qū)的構造與地貌格局(Molnaretal.，1975； Tapponnieretal.，2001)。一些先存的古老構造帶，如天山、祁連山等，由于板塊會聚的遠程效應在新生代復活，開始重新剝露與隆升，形成了歐亞大陸內部規(guī)模龐大的再生造山帶(Molnaretal.，1975； Avouacetal.，1993)。造山帶在強烈的擠壓縮短隆升的過程中，在山前發(fā)育了一系列逆沖斷裂及逆斷裂相關褶皺(鄧起東等，1999)，確定這些逆斷裂及褶皺的運動學特征對理解造山帶變形模式具有重要意義。在天山地區(qū)，天山北麓發(fā)育了3排逆斷裂-褶皺帶，天山南麓發(fā)育了柯坪逆斷裂褶皺帶、庫車逆斷裂褶皺帶等逆斷裂相關褶皺。前人通過平衡地質剖面、河流階地變形測量等方法對這些活動褶皺開展了大量研究(Avouacetal.，1993； 鄧起東等，2000； 沈軍等，2001； 楊曉平等，2006，2008，2012； 呂紅華等，2010)。祁連山位于青藏高原東北緣，是高原擴展的前緣部位，該區(qū)晚第四紀構造活動強烈，活動構造發(fā)育，地震頻發(fā)。在祁連山北緣和南緣同樣發(fā)育了一系列山前逆沖斷裂及逆斷裂相關褶皺(圖1)，但與天山地區(qū)相比，針對祁連山地區(qū)活動褶皺的研究相對薄弱。在祁連山北緣，除已對個別活動褶皺開展了相關研究外(Huetal.，2015，2017； 劉睿等，2017； Yangetal.，2018)，前人的研究大多集中于祁連山北緣及河西走廊盆地內的逆沖斷裂，并已獲得了這些斷裂的活動特征(Hetzeletal.，2004； Palumboetal.，2009； Champagnacetal.，2010； Hetzel，2013； Zhengetal.，2013a，b，c； Yangetal.，2018； Caoetal.，2019)。而在祁連山南緣，即柴達木盆地北緣，前人對宗務隆山南緣斷裂的古地震和滑動速率等方面開展了一些研究(劉小龍等，2004； Shaoetal.，2018； 董金元等，2019)，但對該地區(qū)晚第四紀褶皺的研究相對薄弱，只開展了一些零星工作。例如，葉建青等(1996)通過野外調查對懷頭他拉和德令哈背斜進行了初步的定性描述； 袁道陽(2003)根據(jù)估算的年齡對懷頭他拉背斜的中更新世以來的變形速率進行了初步約束。石底泉背斜為柴達木盆地北緣的一個晚第四紀活動褶皺，位于柴達木盆地北緣宗務隆山與紅山圍限的山間盆地內，與懷頭他拉背斜、德令哈背斜構成了宗務隆山山前的第1排褶皺。獲得該褶皺的活動特征對于認識青藏高原北部的構造變形機制、高原向NE擴展的動力學過程具有重要意義。另外，2008年和2009年在石底泉附近發(fā)生了2次MW6.3地震，開展針對石底泉背斜構造地貌特征的研究也對該區(qū)的地震危險性評價具有重要作用。

為了確定石底泉背斜的幾何結構和活動性，我們對其進行了詳細的地質地貌填圖，綜合應用高精度差分GPS地形剖面測量、地質剖面測繪和宇宙成因核素定年等方法，獲得了石底泉背斜的構造地貌特征； 進而綜合洪積扇變形量和宇宙成因核素定年結果計算了石底泉背斜的變形速率； 最后以此為基礎討論石底泉背斜的活動特征及其在柴達木北緣地區(qū)構造變形中的作用。

1 區(qū)域地質構造背景

柴達木盆地北緣逆斷裂褶皺帶是連接柴達木盆地與祁連山地塊的邊界性構造，由一系列活動逆斷裂和褶皺帶構成，包括賽什騰、綠梁山、錫鐵山、阿木尼克山、大柴旦、宗務隆山南緣等一系列斷裂和石底泉、懷頭他拉、德令哈等一系列背斜構造(圖2)。其中，盆地最內側的一排構造由賽什騰、綠梁山、錫鐵山、阿木尼克山等斷裂組成，統(tǒng)稱為賽什騰-錫鐵山逆沖推覆構造(王根厚等，2001； 冉書明，2003)，走向NW，呈雁列式反 “S”形展布，該推覆構造中的這幾條斷裂分別被魚卡凹陷和紅山凹陷分隔為3段。中間一排構造由歐龍布魯克斷裂組成，該斷裂主要以逆沖運動為主，晚第四紀活動性相對較弱。

圖2 柴達木盆地東北緣的構造展布Fig. 2 Structural distribution of the northeastern margin of Qaidam Basin.

圖3 石底泉背斜及鄰區(qū)地質圖Fig. 3 Geological map of Shidiquan anticline and its adjacent area.

2 石底泉背斜的地質地貌特征及年齡限定

2.1 石底泉背斜的基本特征

石底泉背斜位于宗務隆山與南側紅山所圍限的小型帶狀山間盆地內(圖2，3)。該盆地EW長約60km，SN最寬處寬約9km。盆地東側被懷頭他拉背斜所限定，西側為柴達木山。盆地南側的紅山由紅山背斜和紅山向斜等若干構造組成(圖3)，稱為紅山構造帶，卷入的新生界地層包括路樂河組(E1-2l)、干柴溝組(E3N1g)、油砂山組(N1y)和獅子溝組(N2sz)。盆地北側的宗務隆山主要由奧陶系和志留系組成(圖3)。盆地沉積物主要由晚更新世—全新世沖洪積物組成。盆地西端出露古近系，而且在范圍更大的地質圖上，盆地東端出露古近系和新近系，從地層的空間延伸可以判斷盆地底部存在古近系和新近系。由于盆地相較周緣地勢更低，沉積了第四系，盆地中的古近系和新近系被第四系所覆蓋。在空間上，石底泉背斜軸與背斜東、西部基巖中NWW-SEE走向的基巖斷裂具有一致性(圖3)，存在二者為同一構造的可能性。先存斷裂晚第四紀以來響應共和運動開始重新活動，在紅山與宗務隆山所圍限的山間盆地內，斷層活動導致石底泉背斜的隆升發(fā)育。在這種情況下，石底泉背斜可能是該斷裂在盆地第四紀隱伏段的斷展褶皺。

圖4 石底泉背斜的野外地質地貌特征Fig. 4 Field geological and geomorphological characteristics of Shidiquan anticline.a 背斜南翼的地貌特征； b 背斜北翼的地貌特征； c 背斜南翼的產狀； d 背斜北翼的產狀； e 背斜地表延伸及切穿背斜的河流

2.2 地貌面的劃分

在石底泉背斜東段對組成背斜的洪積扇進行了劃分，共分出4期洪積扇，分別為Fan1、Fan2、Fan3和Fan4(圖5)。Fan1是該區(qū)最新的堆積物質，是由河道及河道擺動所形成的最新一期洪積扇。Fan2發(fā)育在石底泉背斜南側與紅山北側之間，洪積扇表面較平坦，侵蝕作用較弱，沖溝密度較小，切割深度淺。Fan3是該區(qū)規(guī)模最大的一期洪積扇，構成背斜的主體。構造抬升作用導致Fan3洪積扇上的沖溝發(fā)育與下切，沖溝密度>Fan2。Fan3的地表堆積物以礫石為主，成分以石英顆粒和變質巖礫石為主，粒徑從1cm到數(shù)cm不等，磨圓較差，屬于近源沉積的產物。Fan3與Fan2所處位置在石底泉背斜發(fā)育前應該為同一期洪積扇面，由于后期褶皺作用引起構造抬升，F(xiàn)an3被抬高從而廢棄，F(xiàn)an2的位置則相對Fan3降低而接受持續(xù)的加積作用覆蓋了新的沉積物，形成了現(xiàn)在的Fan2。Fan4是該區(qū)最老的一期洪積扇，發(fā)育于石底泉背斜南側紅山山前，分布范圍較小，沖溝發(fā)育密集且規(guī)模較大。

圖5 石底泉背斜地貌面的分期解譯Fig. 5 Stage interpretation of geomorphic surface of Shidiquan anticline.

2.3 地貌面的年齡

采用宇宙成因核素法對石底泉背斜地區(qū)最主要的2級地貌面的年齡進行了確定。采集樣品時盡量選擇平坦且未經侵蝕的原始面，每個樣品采集約100顆粒徑為2～4cm的石英顆粒。同時，在現(xiàn)代河床中采集河道樣品用以估算繼承性核素濃度(Schmidtetal.，2011)。根據(jù)該原則，在Fan2、Fan3洪積扇分別采集了宇宙成因核素樣品17DLHBe-20、17DLHBe-18，在河道里采集了樣品17DLHBe-19(圖6)。

宇宙成因核素樣品的前處理在應急管理部國家自然災害防治研究院完成。首先將樣品粉碎，篩選250～800μm粒徑的石英顆粒，用磁選儀分選去除云母等磁性礦物。分別利用鹽酸、HF和HNO3混合酸進行樣品提純，將30g提純后的石英樣品加入0.2～0.25g載體9Be，置于HF酸中并加熱使其完全溶解，通過離子交換樹脂柱提取Be2+離子； 在過柱后的溶液中加入氨水得到Be(OH)2沉淀，將Be(OH)2沉淀烘干后放入馬弗爐中煅燒為BeO。制靶和加速器質譜AMS測試在法國國家科學研究中心宇宙成因核素實驗室完成。利用Balco等(2008)的宇宙成因核素測年CRONUS在線計算工具，計算得到樣品的暴露年齡。

圖6 宇宙成因核素采樣點的照片F(xiàn)ig. 6 Photographs of cosmogenic nuclide sampling sites.

表1 宇宙成因核素的測年數(shù)據(jù)Table1 Results of 10Be dating

3 地貌面的變形特征及變形速率

3.1 地貌面的變形特征

通過最小二乘線性擬合，利用背斜形態(tài)最完整的剖面l1得到河床的坡度為向N緩傾1.78°，背斜北翼的坡度為2.09°，背斜南翼的坡度為0.58°。在背斜北翼，F(xiàn)an3相對于河床掀斜0.29°，在背斜南翼，F(xiàn)an3相對于河床掀斜1.20°，背斜南翼的掀斜幅度大于背斜北翼。背斜核部的最大拔河高度約為17m。在實測地形剖面中剔除河床坡度，可以更直觀地表現(xiàn)褶皺的變形特征(圖7b)。地形剖面l1、l2、l3在其北端略微上翹，坡度與背斜北翼不一致，這是由于測線在北端進入了Fan1洪積扇，坡度發(fā)生了變化。

3.2 褶皺的變形速率

自紅山流出的季節(jié)性流水受到背斜南翼的阻擋，其中一部分切穿背斜形成垂直背斜走向的沖溝，另外一部分沿著背斜南翼平行于褶皺的軸向流淌，不斷侵蝕背斜南翼形成侵蝕陡坎，使得部分段落的褶皺弧形態(tài)不完整。在Fan3上測量的3條地形剖面中，l2和l3的南翼皆經受了不同程度的侵蝕(圖7)，顯示的褶皺形態(tài)不完整，而l1侵蝕較弱，保留了褶皺的弧形形態(tài)，因此我們用l1計算褶皺的隆升量和縮短量。

圖7 石底泉背斜Fan3的地形剖面及構造剖面(剖面位置見圖5)Fig. 7 Fan3 topographic profile and structural profile of Shidiquan anticline.a Fan3的原始地形剖面； b 剔除河床坡度后的地形剖面； c 構造剖面； d 面積守恒模型

面積守恒模型(圖7d)：

A=S×H

(1)

其中，A為盈余面積，S為地殼縮短量，H為滑脫層的深度。

4 討論

4.1 洪積扇的成因及構造意義

河流階地或洪積扇的發(fā)育通常是由構造運動和氣候變化所控制的(Hetzeletal.，2002； Burbanketal.，2011)。構造抬升使得河流縱剖面的坡度發(fā)生變化，從而導致河流動力增強，發(fā)生下切導致階地或洪積扇被廢棄(Maddyetal.，2001)。氣候變化對階地或洪積扇形成的影響主要反映于河流中的水量和含沙量的變化中，具體表現(xiàn)為： 冰期河流含水量少、含沙量相對增多，河流發(fā)生堆積； 間冰期氣候濕潤，河流中含水量增多、泥沙含量小，河流下切作用增強，導致階地或洪積扇被廢棄(張培震等，2008； 楊景春等，2012)。

圖8 Fan3洪積扇年代與深海氧同位素曲線的對比(據(jù)Petit et al.，1999)Fig. 8 Comparison of Fan3 alluvial fan age and deep sea oxygen isotope curves(after Petit et al.，1999).

4.2 區(qū)域中強地震的孕震構造討論

近10多a來，石底泉背斜附近發(fā)生過多次中強地震，其中2008年11月10日和2009年8月28日在石底泉南側紅山地區(qū)發(fā)生的2次MW6.3地震影響較大。前人通過InSAR手段對地震的同震形變、斷層參數(shù)等開展了研究(Elliottetal.，2011； 溫揚茂等，2012； 王樂洋等，2013； 溫少妍等，2016)。余震的重定位結果顯示，2008年地震的余震主要分布在5～20km的深度，且集中在較窄的范圍內； 2009年地震的余震也主要分布在5～20km的深度，但分布范圍較2008年分散(圖9)。同時，2009年地震的余震主要分布在2008年地震余震的北側。Elliott等(2011)認為2008年和2009年大柴旦地震的發(fā)震構造與石底泉背斜相對應，但他通過遙感影像和InSAR反演將石底泉背斜解譯為一條逆斷層，斷層傾向S，向N逆沖。Elliott等(2011)同時提出了斷層的深部分段模型，2008年地震破裂了斷層的下段，2009年地震破裂了斷層的上段。我們的野外實地調查結果表明，遙感影像上顯示的線性構造為一背斜褶皺，并且根據(jù)地貌特征推斷控制該褶皺的盲逆斷層N傾、向S逆沖，與Elliott解釋的斷層傾向相反。由此來看，Elliott等(2011)提出的關于2次大柴旦地震的發(fā)震構造和模型與野外的實際情況并不完全符合。由于2次地震的主震和多數(shù)余震位于石底泉背斜南側，而控制石底泉背斜的盲逆斷層是N傾逆斷層，故石底泉背斜是2次地震發(fā)震構造的可能性較小。Chen等(2013)認為2008年大柴旦地震的發(fā)震構造是錫鐵山南緣的錫鐵山斷裂，2009年大柴旦地震的發(fā)震構造是宗務隆山北側的宗務隆山斷裂。錫鐵山斷裂距2008年地震的震中約有50km，該斷裂的震中距偏大，其作為2008年地震發(fā)震構造的可能性很小。發(fā)生2次地震的紅山地區(qū)由紅山構造帶構成，深部構造十分復雜(王菁菁，2009)，地震反射剖面顯示在該區(qū)深部有數(shù)條斷裂(付鎖堂等，2013)。同時，紅山構造帶是不同方向構造會聚轉換的地區(qū)，東側為近EW向的懷頭他拉背斜和宗務隆山南緣斷裂，西側為NW向的大柴旦斷裂，這種構造方向發(fā)生變化的區(qū)域可能更容易積累應力，易發(fā)生地震，由此我們認為紅山構造帶可能是2008年地震的發(fā)震構造。對于2009年地震，其余震主要分布于紅山構造的北側，從構造產狀和震源深度分布看，紅山構造不應是其發(fā)震構造。位于北側的宗務隆山斷裂正好為一S傾斷裂，其在深度上可與余震分布的深度相對應，因此，Chen等(2013)所認為的宗務隆山斷裂是其發(fā)震構造的結論應該是合理的。

圖9 2008年和2009年大柴旦地震的余震分布(余震重定位數(shù)據(jù)引自Chen et al.，2013)Fig. 9 Distribution of aftershocks of the 2008 and 2009 Dachaidan earthquakes(Relocation data of aftershocks are from Chen et al.，2013).a 2008年和2009年大柴旦地震余震平面分布； b AB剖面

4.3 石底泉背斜在高原擴展中的意義

在活動造山帶，地殼縮短通常由山前逆斷裂和分布在山間盆地的斷層相關褶皺所調節(jié)(Burbanketal.，1999)。祁連山由一系列近平行的山脈和山間盆地構成，Hu等(2017)對祁連山北緣祁連山與榆木山山間盆地的大河背斜開展了研究，討論了山間褶皺變形在祁連山北緣地殼縮短中的作用，認為如果只用斷層陡坎計算地殼縮短，將大大低估該地區(qū)的地殼縮短率。與祁連山北緣類似，在柴達木盆地北緣，山前和山間盆地存在一系列晚第四紀褶皺，如石底泉背斜、懷頭他拉背斜、德令哈背斜等，這些褶皺吸收了一部分地殼縮短。石底泉背斜的褶皺作用表明，在柴達木盆地北緣，山間盆地的褶皺作用與山前斷裂的逆沖縮短相同，均對吸收造山帶前陸的地殼縮短具有重要作用。

圖10 祁連山南緣可能的造山模式(改自Burbank et al.，2011)Fig. 10 Possible orogenic models in the southern margin of Qilian Shan(Adapted after Burbank et al.，2011).

5 結論

本文通過遙感影像解譯、野外地質地貌調查和宇宙成因核素測年等方法，得到以下認識：

(1)獲得了柴達木盆地北緣石底泉背斜的構造地貌特征，石底泉背斜在形態(tài)上呈南翼陡、北翼緩的不對稱褶皺，深部受控于一條N傾的盲逆斷層。

(3)通過對石底泉背斜南側2008年、2009年2次大柴旦地震的討論，我們認為石底泉背斜不是這2次地震的發(fā)震構造，紅山構造帶和宗務隆山斷裂可能分別是2008年和2009年地震的發(fā)震構造。

(4)石底泉背斜的褶皺作用表明，在柴達木盆地北緣地區(qū)，山間盆地的褶皺作用和山前逆斷裂的逆沖縮短相同，對造山帶前陸的地殼縮短具有重要的調節(jié)作用。

致謝審稿專家對論文的修改和完善提出了寶貴意見，在此表示衷心感謝!