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阿尔金南缘断裂东段晚第四纪活动特征
阿尔金南缘断裂东段晚第四纪活动特征
邵延秀1,2,3) 袁道阳1,2) 刘兴旺1,2) 罗浩3)
1)中国地震局兰州地震研究所,兰州730000;
2)兰州地球物理国家野外科学观测研究站,兰州730000;
3)中国地震局地质研究所,北京100029
 [收稿日期]: 2016-06-06
摘要

阿尔金断裂的几何学和运动学特征对研究青藏高原构造演化和陆内地震机理非常重要。为定量科学研究较为薄弱的阿尔金南缘断裂东段的运动学参数,我们采用航卫片的解译、野外调查、地形测绘和年代学样品测试等多种方法对该段进行了初步研究。结果显示该段断裂主要以左旋走滑运动为主,且沿线存在较多的小位移,其位移空间分布的3个明显峰值分别为4.5m、8m和13m。根据河流阶地的左旋位移和相应的地貌面沉积年龄,得到晚第四纪以来阿尔金断裂东段的走滑速率约为2.7±0.9mm/a。基于所获得的定量参数,认为该段断裂向东以应变分解的形式将其应变量传递到相邻的逆冲断裂上。


引言

阿尔金断裂为青藏高原的北边界断裂,自西向东绵延1500km以上,对青藏高原隆升、扩展变形起到了重要的作用(Molnar等,1975;England等,1997;2005;Houseman等,1993;Peltzer等,1988;Tapponnier等,1990)。另外,作为一条重要的陆内大型走滑活动断裂,其构造活动强烈,历史及古地震遗迹清晰,2008年和2014年在其西段的于田分别发生过2次7.3级地震(徐锡伟等,2011;李海兵等,2015)。因此对该断裂的几何形态、滑动速率和发震时空演化特征进行详细研究,可为探索陆内构造地震发震机理提供重要的基础数据(Washburn等,2001;Elliott等,2015),为地震危险性评价提供基本参数。

阿尔金断裂从中段(约92°E处)开始分成2条近于平行的南北两支断裂,即阿尔金北缘断裂和阿尔金南缘断裂,其走向在当金山口-安南坝呈“S”形弯曲(Elliott等,2015),两者之间最宽约20km,其中阿尔金北缘断裂(NATF)从此开始向东经过当金山口、肃北、石包城,至金塔南山止。阿尔金南缘断裂(SATF)则沿着主干断裂走向继续向东延展,过当金山口之后,其走向顺时针发生变化,从NEE向变为近SE向,并继续向东延伸约60km后进入基岩山区。

由于前人认为阿尔金南缘断裂在当金山口以东活动性非常弱(国家地震局《阿尔金活动断裂带》课题组,1992),因此对最东段的调查研究较少,仅有少量定性描述。直到近期Elliott(2014)才在当金山口东约6km的地方开展了定量研究,但其并没有继续向东作追踪调查。目前,对阿尔金南缘断裂东段的几何形态和活动特征的研究依然处于空白。

阿尔金南缘断裂东段为尾端构造,对理解阿尔金断裂的发展和终止具有重要作用,也是其与区域上其他构造之间耦合关系的关键点(Meyer等,1998;Van der Woerd等,2001;徐锡伟等,2003)。该段断裂的地震活动特征与阿尔金断裂西端有何异同、是否存在大震危险性等还有待研究。本文针对以上问题,通过航卫片解译和野外调查,获得了阿尔金南缘断裂东段构造变形特征和定量参数,并尝试探讨相关的构造意义和未来的地震危险性。

1 阿尔金南缘断裂东段的几何展布和断错地貌特征

阿尔金南缘断裂位于党河南山西段的河谷地带(图1),走向顺时针旋转变化,由近EW向向东转为NW向。该段断裂西起当金山口,向东延伸切割山前晚更新世和全新世冲洪积扇面和河流阶地,经烟丹图至后塘口以东进入基岩区,表现为志留系和前震旦系基岩的分界线(图2)。该段较为连续地切穿晚第四纪沉积区,中部存在三角拉伸阶区,在整个沉积区内长约60km。


红色实线为活动断裂,红色圆圈为地震,黑色线框为研究区范围
图 1 阿尔金断裂中-东段展布图 Fig. 1Geographical distribution of middle-east segment of the Altun Tagh fault

通过航卫片解译和实地考察,发现该断裂的断错地貌主要呈线性槽谷、正反向陡坎、水系和山脊同步左旋位错等特征,且多级冲积扇面或河流阶地面均被断错,表现为不同级别的走滑位移和陡坎。基于野外考察结果,笔者重点通过以下5个研究点来描述阿尔金南缘断裂东段的变形特征(图2)。

图 2 阿尔金南缘断裂东段的几何分布图 Fig. 2Geometry of east segment of the South Altun Tagh fault

笔者在2010年的调查中发现,在距当金山口东约6km的S1研究点主要分布有2级冲积扇,扇面上部覆盖0.5—2m厚的风成黄土,并被后期雨水冲刷形成若干小冲沟;断裂断错了新老冲积扇面,形成高0.5—2m的正反向陡坎,冲积扇上发育的冲沟也被同步左旋断错,在凹陷区形成断塞塘,且有泉水出露(图3)。


(a)、(c)为为正向陡坎,坎高分别约为0.5和2m;(b)为反向陡坎,坎高约1m;
(d)为在反向陡坎处发育断塞塘沉积;红色箭头所指为断层的延伸位置
图 3 S1研究点被断错的冲积扇 Fig. 3Faulted alluvial fans at S1 site

Elliott(2014)也认为该研究点主要分布2级阶地面,并对T2阶地上的两条小冲沟的左旋位移进行了测量,结果均为9±2m(图4)。但笔者发现T2阶地面整体被左旋错断至少20m,T2/T1阶地坎被错约25±2m。由于T2阶地面东侧被错至水流经过的位置,在冲刷作用下,其下盘宽度要比上盘低,因此其位错仅为20±2m,存在后期侵蚀影响。Elliott(2014)曾认为下盘的鼓包为褶皱变形,笔者通过野外调查认为这更可能是左旋位错造成的地貌效应以及后期流水侵蚀共同作用而成的。


红色线条为断裂,红色短虚线为推测断裂,红色点线为隐伏断裂,蓝色虚线为冲沟,
白色五角星为OSL样品位置,旁边为不同深度的样品年龄(正文中详述)
图 4 S1研究点地貌解译图(改自Elliott,2014 Fig. 4Interpretationof faulted landform at S1 site(modified from Elliott,2014)

在S2研究点,断裂分为两支,形成一个三角拉分区(图2和图5)。北侧山前表现为正向陡坎,左旋走滑标志并不明显。南侧则在不同时期的冲积扇面上形成反向坎,陡坎的坡度较陡,可能遭受上游流水的冲刷。陡坎高度为0.5—4m,并且从中间向两侧减小。

在南侧次级断裂上,大部分陡坎的两侧地貌面特征表现不同,这是因为在两支次级断裂之间是低洼区,来自于上游的冲积物充填其中,使得南侧反向陡坎的高度有所降低,并可能将左旋位错的标志掩埋,使我们无法限定相应的走滑量。但在较低陡坎处(约0.5m),陡坎两侧均为同一期较新的冲积扇面(图5(c)),这应为最新地震的活动造成年轻冲积扇的错动,并且错动之后还未遭受其他因素的改造。

在S3研究点,一系列冲沟和阶地被左旋断错,位移量为4—25m不等(图6)。同时反向陡坎沿断裂分布较广,也有一段沿断裂发育的正向陡坎,正向陡坎和反向陡坎之间形成一拉分盆地和挤压脊(图6(d)),反向坎最高超过10m。在反向陡坎横穿冲沟处发育有断塞塘(图6(c)),断塞塘是走滑断层不连续阶区的地貌特征之一。

在研究区的西侧,一条河的T2/T1阶地坎被断错约14±2m,而在T2阶地面上发育的一条小冲沟却被断错16±2m(图6(e)),说明T2/T1阶地坎在断裂的下游至少被侧向侵蚀掉了2m。该河流的T2阶地面拔河高度约为4m。研究区东侧的一条冲沟也发育有2级阶地面(图6(f)),T1阶地拔河高约0.5m,T2拔河高约1.8m,T2/T1阶地坎被断错了16±2m。

另外,笔者沿断裂追踪,发现山前冲积扇上保存有最新的地震地表破裂带形迹,如地震鼓包、低矮的地震陡坎、地震沟槽和张性裂缝带等(图6(b)、(c)、(d)),其线性特征非常明显,延伸超过10km,说明这条断裂在全新世来有过强烈地震活动。


(a)为航拍照片,白色箭头为断裂展布位置;
(b)、(c)为南侧断裂反向陡坎特征,高0.5—1.5m
图 5 S2研究点断错地貌图 Fig. 5Faulted landform map at site S2

(a)为该区断裂展布,白色箭头为断裂位置,底图为ETM卫星影像;
(b)、(c)、(d)为地震沟槽等断错地貌;
(e)、(f)为阶地坎和冲沟被断错,白色虚线表示阶地面的前缘
图 6 S3研究点的被断错地貌图 Fig. 6Faulted landform map at site S3

在研究点S4处,河流的阶地面和小纹沟均被左旋断错。在该研究点主要沉积了冲洪积物,上覆有约0.5m厚的风成黄土。T2级冲洪积面广泛分布,而由于水流侵蚀强度的原因,T1却发育较少,只在个别地区的断层下游发育有T1阶地面。如图7所示,上游T2/T0阶地坎与下游T2/T1阶地坎之间位移量为15±2m,并形成高约2m的陡坎,但是由于上游并没有T1阶地发育,不好判定T1阶地是否被断错。笔者在T2阶地黄土层的底部采集了一个光释光样品。


(a)为研究区航片,(b)为解译图,红线表示断层位置,
虚线为推测或隐伏断层,黑色方框为OSL采样点及年龄结果
图 7 S4研究点的断错地貌解译 Fig. 7Interpretation of faulted landform at site S4

在S5研究点的西侧后塘口处,断层横切向北穿山而过的河流(图2和图8)。由于处于河流的上游,河流向下侵蚀能力较弱,在断层的上游河道较宽,形成了拔河高度约1.5m的T1级阶地面。断层的下游不远处即已进入基岩区,河道变窄,侵蚀强度增加,致使河道深切,且相应的阶地面保存很少。

笔者使用差分GPS对河道的东侧进行了地形测量,地形图显示断层下游的T1/T0阶地坎较陡,而上游比较平缓,这是由于从T1上有泉水侧向流出,不断冲刷阶地坎使其变得平缓,不易辨别其边界位置。即使如此,笔者也能够根据轻缓阶地坎的地貌特征,粗略估算T1/T0阶地坎被断错的位移量为46±5m(图8)。

从后塘口向东断裂分成两支(图9),北侧一支发育于山前,表现为正断陡坎,没有明显的走滑错动。南侧一支切穿了扇前的冲积扇体,形成正向和反向陡坎,坎高在1—2m,一系列冲沟被断错,走滑位移量为3—8m(图9(b)、(c))。至此,断裂继续向东进入基岩区,作为岩性分界线,卫星影像上显示至少在10km的范围内,其线性特征非常显著,再往东断层迹线被冰川所覆盖,无法辨识其具体位置。


(a)为后塘口的卫星影像(来源:Google Earth),
黑色实线为断裂,黑色点线为隐伏断层,黑色长虚线为推测断层;
(b)为后塘口断错阶地测量图
图 8 后塘口河流阶地的断错地貌 Fig. 8Faulted terrace at Houtangkou

(a)为断裂带三维视图,高程拉伸2倍,底图来源于Google Earth;(b)、(c)为断错地貌,
(b)中冲沟被断错,走滑位移约6.5m,反向坎高约1m,(c)中反向坎高约2m
图 9 后塘口东的断错地貌 Fig. 9Faulted landform at east of Houtangkou

笔者将沿断裂带分布的冲沟、纹沟和河流阶地的左旋位移量绘于图10中。从图10可见,在15m以内的走滑位移中存在3个明显的峰值,分别为4.5m、8m和13m,与前人在阿尔金南缘断裂给出的冲沟或纹沟位移的等级序列基本一致(国家地震局《阿尔金活动断裂带》课题组,1992)。Elliott等(2015)在阿尔金南缘断裂中段长45km的区域统计的左旋走滑位移分布中也存在5.6m、8.9m和11m峰值,如果考虑到误差,与笔者得到的3个峰值较接近。另外,笔者统计的3个峰值相邻的差分别为3.5m和5m,在误差范围内,他们与最小的峰值4.5m具有同一量级。如果4.5m代表阿尔金南缘断裂东段最新地表破裂的平均走滑位错,即可以推断该断裂的发震特征可能符合特征性地震复发模型(Schwartz等,1984;Wesnousky,2008;Klinger等,2011)。


(a)为位移的统计分析曲线,(b)为沿断裂带的位移空间分布
图 10 阿尔金南缘断裂东段左旋位移测量 Fig. 10Sinistral slip displacements measured along the South Altun Tagh Fault
2 阿尔金南缘断裂东段滑动速率的估算

上文所述的阿尔金南缘断裂东段的断错地貌特征表明,其主要以左旋走滑运动为主,倾向滑动特征不明显,陡坎的形成多数是由于地貌单元在水平方向上的移位造成的。在S1研究点,Elliott(2014)认为T2阶地面上的两条小冲沟的位移为9±2m(图4),且该位移起始时间与T1阶地面被废弃的时间相近。其主要依据是T2阶地面上的下盘有与断裂活动相关的褶皱变形,而T1阶地上没有,并且两条冲沟切穿了褶皱变形带。但是根据笔者野外观察分析认为,T2阶地上的褶皱变形更可能为断裂走滑运动造成的地貌效应,外加后期流水的冲刷,才造成了看似褶皱的形态。这种现象在T1阶地上也有,只是不太明显。

Elliott(2014)在T1和T2阶地上不同深度分别取了两个OSL样品,其中T1阶地上黄土底部(深约70cm)样品的年龄为10.7±0.8ka BP,而黄土层上部样品的年龄(深约35cm)为6.9±0.4ka BP。T2阶地上黄土底部(深约150cm)样品的年龄为75.2±8.4ka BP,黄土层上部的年龄(深约50cm)为9.4±1.2ka BP。从以上年龄可以看出,自约75ka BP以来T2阶地一直在接受风成黄土的沉积,而T1阶地在约10ka BP废弃之后才逐渐开始接受黄土沉积,同时T2阶地上部约50cm厚的黄土层也是在这个时间段内沉积的,且在约7ka BP时沉积过程还没有结束。因此,笔者认为T2阶地上两条冲沟应在约7ka BP以后才开始形成,并且它们的累计走滑位移的起始时间也至少在那以后,即比T1阶地的废弃时间晚很多。

笔者根据断层上下游T2阶地面的边界和宽度变化,大致可以估算出T2/T1阶地坎的累计位移为25±2m。如果将T1和T2阶地的废弃年龄分别作为T2/T1阶地坎累计位移起始年龄的上下限,可以推算该段断裂在S1研究点的滑动速率在0.3—3.3mm/a,即1.8±1.5mm/a。

在S3研究点处河流西岸的T2/T1阶地坎被左旋断错14±2m,但是T2阶地面上冲沟的位移却为16±2m,因此可以认为T2/T1阶地坎的累计位移因后期河流的侧向侵蚀作用而变小,实际位移近似为16±2m,且T2阶地的废弃年龄可以作为该累计位移的起始年龄(Cowgill,2007)。遗憾的是,在T2阶地上未采集到合适的年龄样品。

笔者采用袁道阳等(1999)给出的青藏高原东北缘地区地貌面年代和拔河高度的关系式,通过拔河高度估算T2阶地面的年龄。T2阶地的拔河高度普遍在4m左右,根据关系式计算出T2阶地的废弃年龄约为4300a BP。将此年龄作为累计位移16±2m的起始年龄,得到该点的滑动速率为3.7±0.5mm/a。由于根据关系式估算的年龄具有一定的不确定性,由其给出的滑动速率结果误差较大,因此将误差增加0.5mm/a,则滑动速率的估值为3.7±1mm/a。

在S4点,由于断层的上游河道较窄,没有形成T1阶地,测量得到上游T2/T0阶地坎与下游T2/T1阶地坎之间位移量为15±2m,作为T2阶地面被断错的累计位移量。在T2阶地上黄土的底部采集的OSL样品,其年龄为5.5±0.6ka BP,作为累计位移起始年龄的上限,并得到滑动速率为2.8±0.7mm/a。

图 11 阿尔金南缘断裂东段滑动速率估算 Fig. 11Evaluated slip rate of east segment of the South Altun Tagh Fault

通过对以上三个研究点断错地貌的分析,结合相应地貌面年代,分别估算其晚第四纪以来的滑动速率。虽然三个值相差较大,但都在误差范围内,也具有一定的重合空间(图11)。以此求出三个滑动速率的平均值为2.7±0.9mm/a,作为阿尔金南缘断裂东段晚第四纪以来的平均滑动速率。

近期,李煜航等(2015)利用1999—2007年的GPS数据,结合三维块体几何模型,反演了青藏高原东北缘活动断裂的滑动速率。该文中所标示的党河南山断裂西段其实为阿尔金南缘断裂的东段,该段反演得到的长期滑动速率为3.6±2.7mm/a,这与本研究的结果基本吻合。

3 构造意义和地震危险性讨论
3.1 断层间的相互作用

断裂间的相互作用对地壳变形和地震活动性具有重要的作用,其不仅体现在短期的库仑应力触发(King等,1994;Harris等,1998;Stein,1999),也有长期滑动量的相互转换,或应变分解(Luo等,2012)。应变分解广泛存在于断裂系内部(Molnar,1992),而其内在形成机理却不尽相同(Fitch,1972;Michael,1990;Wesnousky等,1994;Scholz,2000),青藏高原内部主干断裂也同样存在应变分解现象(King等,2005;Klinger等,2006;李陈侠等,2011)。前人研究认为阿尔金断裂通过一系列构造三联点将其变形量不断分解到周围的逆冲断裂上(Van der Woerd等,2001;徐锡伟等,2003),从而造成阿尔金断裂滑动速率向东逐渐降低,青藏高原内部地壳增厚。

在阿尔金断裂中东段的阿克塞挤压型构造双弯地区,近平行的阿尔金南北两支断裂构成了挤压双弯的主体,二者间通过位于其内部的两条正断裂实现应变转换(图12),即南缘断裂将部分应变量转移到了北缘断裂上,使北缘断裂的滑动速率在双弯内部向东增加。但是应变分解作用对北缘断裂滑动速率的贡献具体是多少,至今还没有得到广泛确认和验证。

Elliott(2014)在阿尔金南缘断裂93.018ºE处得到的滑动速率为3—4mm/a,与本文在东段得到的滑动速率相差不大。因此,笔者认为在阿克塞构造双弯内部,阿尔金南缘断裂转移到北缘断裂上的应变量并不多,而是绕过阿尔金山,将大部分变形继续传递到东段。这也与我们在东段发现的晚第四纪强烈变形带较吻合。


红色粗线为本文研究区,白色虚线为推测断裂,白色虚线框为阿克塞构造双弯范围
SATF:阿尔金南缘断裂;NATF:阿尔金北缘断裂;
NDF:党河南山北缘断裂;SDF:党河南山南缘断裂;HF:海原断裂
图 12 青藏高原北缘活动断裂分布 Fig. 12Active faults in the northern segment Qinghai-Tibetan Plateau

从后塘口向东不远处,阿尔金南缘断裂进入基岩山区,其构造形迹已不明显。该分支断裂向东的运动学特征究竟如何?从图12中可以看出,在党河南山东部南北缘分别发育两条活动的逆冲断裂:党河南山南缘断裂和北缘断裂,这两条断裂与阿尔金南缘断裂东段相距不远。推测认为,阿尔金南缘断裂东段向东以低倾角滑动方式(Vernant等,2006;Michael,1990;Tikoff等,1994),将其部分或全部应变量分解到党河南山南北缘逆冲断裂上,这种转换模式与走滑断裂带上较为常见的正花状构造一致。这一应变分解过程,使应变从青藏高原边界转移到高原内部,进而使高原内部地壳缩短增厚。

3.2 地震危险性探讨

在阿克塞构造双弯西段地区,Elliott等(2015)通过位移统计、地表破裂调查和年代样品的约束,认为阿尔金南缘断裂最新一次地震的破裂范围没有跨过双弯构造,即终止在断裂走向发生弯曲变化比较大的部位(约93.6ºE处,图12)。这说明断层弯曲构造可以作为障碍体阻止地震破裂的扩展(McCalpin等,1996;Langridge等,2002),起到了断裂带破裂分段的标志作用。因此,笔者认为至少可以将构造双弯以东的东段划分为一个破裂分段,即图12中红线部分,长约60km。

对于阿尔金南缘断裂东段的最大潜在震级,我们可以利用断层相关参数之间的经验关系进行估计。本文采用震级(MW)-平均同震位移(LAD)(公式(1))和震级(MW)-破裂长度(LSRL)(公式(2))的关系进行震级估算(Wells等,1994),其中平均同震位移取4.5±1m,破裂长度取60km,估算得到平均最大震级为MW7.7±0.3。

MW=7.04+0.89lgLAD
(1)
MW=6.16+1.12lgLSRL
(2)

发震周期是评估地震危险性的重要参数,如果同样取同震位移4.5±1m,滑动速率取2.7±0.9mm/a,可以估算复发间隔为2013±1040a。

上文中提到在S3研究点存在地震沟槽和张裂缝等最新的地震地表破裂带,空间延伸至少为10km。笔者将此地震地表破裂带与青藏高原东北缘几次大地震和历史地震的破裂带相对比,发现S3研究点的破裂带较1932年昌马地震(罗浩等,2013)和1954年山丹地震(郑文俊等,2013)的破裂带更老,而与张掖地区1609年的红崖堡地震(刘兴旺等,2014)和党河南山北缘断裂的破裂带(邵延秀等,2011)的新鲜程度基本一致。因此初步认为,在阿尔金南缘断裂东段发现的地震地表破裂带产生时间应该在1000a BP以内,可能与发生在敦煌附近的某次历史地震相关(邵延秀等,2011)。

从以上分析可知,阿尔金南缘断裂东段的大震离逝时间可能不超过1000a,而复发间隔在1000a以上,因此该段的应力累计还未达到大震的临界水平,在未来的百年尺度上不太可能会发生破坏性地震。

4 结论

本文采用航卫片解译、实地野外调查等方法对阿尔金南缘断裂东段进行研究,发现其地震活动性较强。通过位移测量和地貌面年龄的约束,并结合前人的研究结果,得到了该段晚第四纪以来的平均滑动速率为2.7±0.9mm/a。进一步分析认为阿尔金南缘断裂在阿克塞构造双弯地区的大部分应变量被传递到了阿尔金南缘断裂东段,并继续向东分解给了党河南山南北缘逆冲断裂带。初步研究认为,阿尔金南缘断裂东段具有发生MW7以上大震的潜势,但由于发震周期较长,该断裂在未来百年尺度上应不具有较大的地震危险性。

致谢:本文的OSL年龄样品由中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室测试,在此表示感谢。

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Activity Features of the East Segment of the South Altun Tagh Fault in Late Quaternary
Shao Yanxiu1,2,3), Yuan Daoyang1,2), Liu Xingwang1,2) and Luo Hao3)
1) Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, China;
2) Lanzhou National Geophysical Observatory, Lanzhou 73000, China;
3) Institute of Geology, CEA, Beijing 100029, China
Abstract

Geometry and kinematics of the Altun Tagh fault play the important role in understanding of the Qinghai-Tibetan Plateau’s tectonic revolution and continental earthquake mechanics. In order to determine kinematic parameters of the east segment of the south Altun Tagh fault, we applyseveral methods such as aerial photos and satellite imageries interpretation, field mapping, topographic measurement to study this fault preliminarily. The results show that the fault is with left-lateral slip movement, and many small displacements are reserved along the fault. There are three offset peaks: 4.5m, 8m, and 13m respectively. We calculated slip rate of about 2.7±0.9mm/a, with offset of river’s terrace and depositional age of terrace. Based on these parameters, we conclude that strain partition occurred from the east segment to adjacentthrusts, and seismic risk of this section is relatively low in the future.



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阿尔金南缘断裂东段晚第四纪活动特征
邵延秀1,2,3) 袁道阳1,2) 刘兴旺1,2) 罗浩3)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20160401