北阿爾金斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)構(gòu)造特征

葉雨暉 吳 磊* 王依平 樓謙謙 陳力琦 高石寶 林秀斌 程曉敢 陳漢林

1)浙江大學(xué)，地球科學(xué)學(xué)院，浙江省地學(xué)大數(shù)據(jù)與深部資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027

2)浙江省第三地質(zhì)大隊(duì)，金華 321001

3)浙江省國土資源廳信息中心，杭州 310007

0 引言

圖 1 研究區(qū)的地形與主要斷裂特征Fig. 1 Topographic characteristics and major faults of the study area.a 青藏高原主要斷裂和研究區(qū)(白色實(shí)線矩形框)的位置與范圍，構(gòu)造線數(shù)據(jù)來自Taylor等(2009)； b 研究區(qū)的主要斷裂與水系分布； c 北阿爾金斷裂的地形條帶剖面(條帶寬1km)，剖面位置如圖1b所示。ATF 南阿爾金斷裂； NAF 北阿爾金 斷裂； EKF 東昆侖斷裂； XSHF 鮮水河斷裂； KKF 喀喇昆侖斷裂； LMSF 龍門山斷裂帶

在南、北阿爾金斷裂之間的阿爾金山中發(fā)育了數(shù)十條NW走向的河流。它們大都起源于南阿爾金斷裂附近，向NW穿過北阿爾金斷裂流入塔里木盆地內(nèi)(圖1b)。因此，這些河流地貌中蘊(yùn)含著豐富的、有關(guān)北阿爾金斷裂構(gòu)造活動(dòng)特征的信息。本文利用數(shù)字高程模型(DEM)提取了阿爾金山中穿過北阿爾金斷裂的水系和分水嶺特征，并通過河流縱剖面、標(biāo)準(zhǔn)化河流長度坡度指數(shù)(SLK)、河流陡峭指數(shù)(Ksn)、流域面積-高程曲線及其積分(HI)等地貌指標(biāo)綜合定量刻畫了北阿爾金斷裂晚第四紀(jì)以來的構(gòu)造活動(dòng)性及其走向變化。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感解譯分析了北阿爾金斷裂晚第四紀(jì)以來的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，探討了其與南側(cè)南阿爾金斷裂之間的相互作用關(guān)系，所得結(jié)論對(duì)認(rèn)識(shí)整個(gè)阿爾金斷裂系的新生代演化過程具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

2 方法

本文利用90m空間分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)對(duì)穿過北阿爾金斷裂的18條河流及相應(yīng)匯水盆地的形態(tài)進(jìn)行了提取(圖 1)，分析了河流縱剖面形態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)化河流長度坡度指數(shù)(SLK)、河流陡峭指數(shù)(Ksn)、面積-高程曲線及其積分(HI)等多項(xiàng)構(gòu)造地貌參數(shù)。

2.1 河流縱剖面

河流縱剖面反映了侵蝕速率與巖石隆升速率之間的關(guān)系(Sinhaetal.，1996； Kirbyetal.，2003)。均衡條件下，河流縱剖面表現(xiàn)為平滑上凹的形態(tài)(Sinhaetal.，1996)。一旦這種均衡狀態(tài)被打破(如由于構(gòu)造巖石隆起、巖性變化或基準(zhǔn)面降低)，河流就會(huì)處于一種瞬態(tài)不均衡狀態(tài)，在河流縱剖面中出現(xiàn)局部異常上凸的情形，即發(fā)育裂點(diǎn)。在巖性、基準(zhǔn)面和氣候變化不大的流域，河流裂點(diǎn)的出現(xiàn)往往是斷裂構(gòu)造活動(dòng)的反映。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化河流長度坡度指數(shù)(SLK)

河流長度坡度指數(shù)(stream-length gradient index，SL)最先由Hack(1973)提出，其為單位距離的坡度與河流源頭距離的乘積，即

SL=(ΔH/ΔL)L

(1)

其中，ΔH/ΔL代表坡度，L為所研究河段距源頭的距離(沿河道)。后又引入標(biāo)準(zhǔn)化河流長度坡度指數(shù)(SLK)，用以比較不同長度河流的SL值(Hack，1973； Chenetal.，2003； Pérez-Peaetal.，2009)：

SLK=SL/K

(2)

其中，K=ΔH0/ln(L0)，代表整條河流的SL值，ΔH0為整條河流的高程差，L0為整條河流的長度。研究發(fā)現(xiàn)，SLK值可敏感地檢測出河流坡度的變化，識(shí)別裂點(diǎn)的位置和范圍，從而判定構(gòu)造活躍性(Monteiroetal.，2010； Gaoetal.，2013； Wuetal.，2014)。在一條河流中，突然增高的SLK值往往代表坡度的異常增大，從而指示裂點(diǎn)的存在。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化河流陡峭指數(shù)(Ksn)

在構(gòu)造抬升強(qiáng)烈的地區(qū)主要發(fā)育基巖河道或基巖-沖積混合河道，這些河道的侵蝕速率通常是由河流的侵蝕能力所決定的。在均衡條件下(巖石抬升速率U=侵蝕速率E)，局部河段河道坡度S和相應(yīng)的匯水面積A符合冪函數(shù)關(guān)系：

S=Ks×A-θ

(3)

其中，Ks為河道的陡峭指數(shù)，用公式(U/K)1/n表示(K為侵蝕系數(shù)，n為坡度指數(shù))；θ為河道的上凹程度，與流域形狀、基巖及沉積物供給等有關(guān)(Wobusetal.，2006)?？梢?，陡峭指數(shù)Ks與構(gòu)造抬升速率成正比，可以在坡度-面積雙對(duì)數(shù)圖解上求解獲得(李雪梅等，2017)。為了對(duì)比不同流域的河道陡峭程度，對(duì)Ks進(jìn)行歸一化處理(即在坡度-面積雙對(duì)數(shù)圖解上令θ為恒定值，一般為0.45)后得到標(biāo)準(zhǔn)化河流陡峭指數(shù)(Ksn)。在排除巖性、氣候等因素影響的條件下，Ksn與構(gòu)造抬升速率(河流侵蝕速率)成正比，即Ksn值越大、抬升速率越高(Whippleetal.，1999； Sklaretal.，2001)。

2.4 面積-高程曲線及其積分(HI)

面積-高程曲線的研究對(duì)象為匯水盆地，目的是將匯水盆地中的高程與位于該高程之上的面積進(jìn)行對(duì)比分析，用來描述該匯水盆地內(nèi)的海拔分布情況。為了對(duì)比具有不同海拔范圍的匯水盆地，往往將高程和面積統(tǒng)一歸一化至0～1(Strahler，1952)。面積-高程曲線的形狀一般可分為上凸、S型和上凹3種，并與匯水盆地的地形發(fā)育階段有關(guān)： 上凸曲線表示相對(duì)年輕(或新形成)的階段； 上凹曲線表示成熟的準(zhǔn)平原階段； 而S型曲線代表介于2種曲線之間的較成熟期(Strahler，1952； Walcottetal.，2008)。面積-高程積分(HI)是面積-高程曲線與橫縱坐標(biāo)軸所圍限區(qū)域的面積，反映了地質(zhì)體經(jīng)過一定的地表過程后的三維體積殘存率，其值介于0～1之間。Strahler(1952)根據(jù)Davis(1899)的地貌侵蝕循環(huán)理論分析認(rèn)為，當(dāng)HI值相對(duì)較大時(shí)，對(duì)應(yīng)著上凸型的面積-高程曲線，在地貌發(fā)育階段中處于幼年期或壯年期，可能反映該地區(qū)存在持續(xù)的構(gòu)造活動(dòng)。

3 結(jié)果

18條河流的平面形態(tài)見圖1b，可以發(fā)現(xiàn)它們沒有沿著北阿爾金斷裂發(fā)生系統(tǒng)的走向偏轉(zhuǎn)。河流縱剖面形態(tài)及相應(yīng)的裂點(diǎn)分布如圖 2 所示。其中，編號(hào)為1～9、11、16、17的河流縱剖面總體呈較平穩(wěn)的上凹形態(tài)，在河流上游或北阿爾金斷裂附近發(fā)育較多小規(guī)模裂點(diǎn)，對(duì)河流總體形態(tài)影響不大； 編號(hào)為12～14的河流縱剖面呈直線形態(tài)，河流中發(fā)育的裂點(diǎn)較小，河流形態(tài)總體上可視為上凹與上凸的過渡階段； 編號(hào)為10、15、18的河流縱剖面則呈現(xiàn)較明顯的上凸形態(tài)，河流上游發(fā)育較大規(guī)模的裂點(diǎn)。

圖 2 河流縱剖面與河流長度坡度指數(shù)(SLK)Fig. 2 River longitudinal profiles and standardized river length-gradient index(SLK).

圖 3 北阿爾金斷裂地區(qū)的河流長度坡度指數(shù)(SLK)和河流陡峭指數(shù)(Ksn)平面圖Fig. 3 Plan of standardized river length-gradient index(SLK) and normalized river steepness index(Ksn)of North Altyn Fault area.

主要匯水盆地的面積-高程曲線及其積分(HI)的計(jì)算利用前人開發(fā)的ArcGIS插件CalHypso(Pérez-Peaetal.，2009)完成，結(jié)果如圖 4 所示。1、2、5、8、9、11、16號(hào)匯水盆地的面積-高程曲線總體呈現(xiàn)上凹形態(tài)； 3、4、6、7、10、13、14、15號(hào)匯水盆地的面積-高程曲線總體呈S型形態(tài)； 12、17、18號(hào)匯水盆地的面積-高程曲線總體呈現(xiàn)上凸形態(tài)?？傮w而言： 1)北阿爾金斷裂西段(1～9號(hào))匯水盆地的面積-高程曲線形態(tài)較為一致，其積分值HI較小，均在0.5以下，平均值為0.42602； 2)北阿爾金斷裂東段(10～18號(hào))匯水盆地的面積-高程曲線形態(tài)較復(fù)雜，既有S型也有明顯的上凸形態(tài)，其HI值分布在0.4～0.62之間，平均值為0.49866。

圖 4 北阿爾金斷裂地區(qū)18個(gè)匯水盆地的測高曲線及其積分Fig. 4 Area-elevation curve and their integrals of 18 catchment basins in the North Altyn Fault area.

4 討論

4.1 晚第四紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)的走向差異性及其機(jī)制

構(gòu)造地貌指數(shù)一般受巖性、氣候、構(gòu)造等3種因素的影響(張會(huì)平，2006)。北阿爾金斷裂上盤的巖性較為單一，主要為前寒武紀(jì)基底變質(zhì)巖及一些花崗侵入巖，單條河流流經(jīng)區(qū)以及整個(gè)東、西段之間均不存在明顯的巖石強(qiáng)度差異(圖5a)。由于本文研究的河流地貌均位于阿爾金山，EW向延伸250～300km，SN向延伸則只有40～50km，且東、西段之間也無明顯的地貌阻隔(圖1b)，可以推測東、西2段的氣候在晚第四紀(jì)也不存在明顯的差異。據(jù)此我們認(rèn)為構(gòu)造作用是導(dǎo)致東、西2段地貌活動(dòng)性差異的主要因素。由于所有地貌指標(biāo)中活動(dòng)性強(qiáng)的區(qū)域均位于北阿爾金斷裂上盤且緊鄰斷裂的位置(圖 2，3)，因此這種地貌活動(dòng)性的差異很大程度上反映了北阿爾金斷裂活動(dòng)性的走向差異，即北阿爾金斷裂東段的構(gòu)造活動(dòng)性(或抬升速率)比西段強(qiáng)。

圖 5 北阿爾金斷裂的地質(zhì)簡圖(a)及NAF北部前鋒斷裂的平面形態(tài)(b)和剖面形態(tài)(c)Fig. 5 Geological map of North Altyn Fault(a)，plane shape(b)and vertical shape(c)of northern NAF front fault.

4.2 對(duì)北阿爾金斷裂晚第四紀(jì)以來活動(dòng)方式的啟示

目前對(duì)北阿爾金斷裂新生代以來的運(yùn)動(dòng)學(xué)方式還存在左旋走滑為主(Cowgilletal.，2000； Yinetal.，2002)和逆沖為主(Yueetal.，2004)這2種不同的觀點(diǎn)。從本文所提取的河流形態(tài)來看，所有河流在穿過北阿爾金斷裂時(shí)，均能基本保持其較為平直的形態(tài)，沒有發(fā)生系統(tǒng)的左旋偏轉(zhuǎn)(圖1b)。河流裂點(diǎn)、高SLK和Ksn值等能夠反映相對(duì)快速構(gòu)造抬升的地貌指標(biāo)均出現(xiàn)在北阿爾金斷裂的上盤(圖 3)。此外，我們?cè)谌羟伎h西南側(cè)、13號(hào)河流西北發(fā)現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)斷第四紀(jì)沖積扇的活動(dòng)斷裂(圖5b)。該斷裂長約30km，走向NE，傾向SE，與南側(cè)的北阿爾金斷裂平行，可能是北阿爾金斷裂系向盆地內(nèi)擴(kuò)展的前鋒斷裂。其構(gòu)造活動(dòng)使得南側(cè)的沖積扇被抬升了200m以上，且抬升量沿走向具有自中間向兩側(cè)(NE和SW向)逐漸減小并消失的趨勢，形成了一個(gè)兩側(cè)近對(duì)稱且與斷裂近平行的背斜(圖5c)，穿過該斷裂的小河道的走向也沒有發(fā)生系統(tǒng)性偏轉(zhuǎn)(圖5b)，這些均表明該前鋒斷裂為一條逆沖斷裂。結(jié)合上述證據(jù)可以推測，北阿爾金斷裂在晚第四紀(jì)以來以逆沖活動(dòng)為主，左旋走滑分量較小(但并不能完全排除)，這與前人在北阿爾金斷裂東端的GPS觀測結(jié)果(Bendicketal.，2000)吻合。然而，前人對(duì)北阿爾金斷裂帶內(nèi)次級(jí)構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)學(xué)測量結(jié)果反映其曾發(fā)生過一定量的左旋走滑(Cowgilletal.，2000)，可能暗示北阿爾金斷裂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方式在新生代存在從左旋走滑向逆沖的轉(zhuǎn)變，與前人對(duì)阿爾金斷裂南側(cè)柴達(dá)木盆地西北緣的新生代變形特征開展研究得出的推論(Wuetal.，2019)一致。

5 結(jié)論

本文對(duì)阿爾金山中穿過北阿爾金斷裂的18條河流形態(tài)、SLK、Ksn值 及其匯水盆地面積-高程曲線和積分等地貌指數(shù)進(jìn)行了分析，揭示了北阿爾金斷裂晚第四紀(jì)以來的構(gòu)造活動(dòng)性特征，得出以下2點(diǎn)認(rèn)識(shí)： 1)北阿爾金斷裂地區(qū)的地貌活動(dòng)性存在東西差異，東段的活動(dòng)性明顯強(qiáng)于西段，并受控于南側(cè)南阿爾金斷裂幾何形態(tài)變化導(dǎo)致的局部應(yīng)力場變化； 2)北阿爾金斷裂晚第四紀(jì)以來的活動(dòng)方式以逆沖為主，在整個(gè)新生代可能存在從早期走滑向晚期逆沖的轉(zhuǎn)換。