晚第四紀以來香山－天景山斷裂左旋走滑量研究

尹功明 江亞風 俞 崗 韓 非 劉春茹

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029

2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083

0 引言

香山－天景山斷裂位于甘肅與寧夏的交接地區(qū)，與南側(cè)的海原斷裂和北側(cè)的煙筒山－牛首山斷裂共同組成青藏高原東北緣著名的弧形斷裂體系。香山－天景山斷裂長期以來活動強烈，早期以擠壓逆沖為主，形成香山－天景山的隆起和中衛(wèi)盆地的下降，可能在第四紀早期轉(zhuǎn)變成以左旋走滑為主兼具逆沖性質(zhì)的斷裂(張維岐等，1988)，或在距今5Ma時開始左旋運動(Wang et al.;2013)。在黃河左岸的一所附近，可以見到斷裂露頭，煤系地層逆沖在黃河T2階地礫石層之上，斷層面上擦痕明顯，側(cè)伏角為15°～20°，為典型的左旋走滑兼具逆沖分量。

有關(guān)香山－天景山斷裂左旋走滑已有一些研究，其中，汪一鵬等(1990)根據(jù)紅溝梁Ⅰ級階地研究獲得全新世平均滑動速率為3.58mm/a;戴華光等(1999)根據(jù)不同級別的沖溝、山脊和階地的80個水平位錯值計算得到天橋—黃羊川一帶晚更新世以來的左旋滑動速率為4～5mm/a;張維歧等(1988)根據(jù)堿溝與陰溝之間斷層將古－新近系與前寒武系不整合面的界限錯動指出錯動量為3.2km;丁國瑜(1993)根據(jù)黃河沙坡頭大拐彎位置距離以及推測的古河道，認為在此段黃河形成以來的總位移量約3km，但沒有具體的年齡數(shù)據(jù);另外，根據(jù)孟家灣火車站附近黃河礫石的位置，推測左旋走滑的距離約8km，但是，對于黃河礫石的原始位置沒有討論(Ding et al.，2004);張珂等(2010)根據(jù)黃河在穿過該斷層時形成的不對稱谷地，提出不對稱谷地的寬度7km是斷層左旋走滑的距離;李傳友(2005)認為本斷裂全新世的左旋走滑速率為2.81～7.48mm/a，平均2.86mm/a。顯然，有關(guān)本斷裂左旋走滑的研究程度并不高，不同地點的數(shù)值相差也較大。

橫跨走滑斷裂的沖溝和河流是研究走滑運動時常用的材料。本文根據(jù)沙坡頭大彎一帶的黃河階地特征，分析香山－天景山斷裂在此段黃河形成以來的左旋走滑量和走滑速率，豐富此斷裂的基本信息。

1 沙坡頭大彎一帶黃河階地分布特征

黃河在夜明山前緣穿越香山－天景山斷裂后，即在斷裂的北側(cè)，黃河沙坡頭大彎一帶，形成了非常美麗的“幾”字型大彎曲(圖1)。在“幾”字型突出部位，河流直接與基巖接觸，沒有階地存在。在大彎內(nèi)側(cè)發(fā)育了3級階地，從低到高分別標為T1、T2、T3(圖1)。前人對大彎處的階地有不同的劃分，丁國瑜(1993)只劃分為Ⅱ級階地和Ⅰ級南山臺子面;胡海濤等(1993)劃分出5級階地;馮希杰(2002)則劃出7級。大家對于T1和T2的劃分、位置等都是一致的。丁國瑜(1993)劃分的南山臺子面，我們認為是T3階地。而我們劃分的T3與胡海濤、馮希杰等各自劃分的最高級階地一致。胡海濤等(1993)的T3和T4、馮希杰的T3～T6認定部位，位于大灣村與小灣村之間，范圍極小，高差僅25m，基巖出露，沒有黃河礫石分布，應(yīng)該為基巖殘丘。因此，我們認為只發(fā)育3級階地。河流階地因氣候變化導(dǎo)致基準面的下降而形成，同時可以受垂向上的構(gòu)造事件的影響。本研究主要涉及的是沙坡頭大彎一帶黃河相對固定形成以來產(chǎn)生的水平位移量，因此不具體討論到底有幾級階地、階地形成過程以及階地特征等。本文對階地的劃分為:

T1階地 基座階地，拔河高約8m，階地寬度約200m。被村莊和農(nóng)田占據(jù)，表明階地上部為沙－黏土堆積。

T2階地 基座階地，拔河高約40m，階地寬度約800m。礫石層厚4～10m，部分被風沙覆蓋。

圖1 沙坡頭黃河階地分布示意圖(據(jù)丁國瑜修改，1993)Fig.1 The sketch map of distribution of the Yellow River terraces in Shapotou area(after DING Guo-yu，1993).

T3階地 基座階地，拔河高約80m，階地寬達1 400m，但大部分被風沙覆蓋。礫石層厚達15m。

此段黃河T2、T3階地堆積物全為黃河礫石，礫石磨圓度高，礫石層有層理，含豐富的長英質(zhì)礫石。礫石粒徑以8～20cm為主，并含1m以上的巨礫，幾乎不含河沙。礫石潔凈，表明黃河水動力極強。T3后緣的山地為石炭紀地層，而T1、T2基座和左岸出露地層為白堊紀和上新世的紅色砂巖和泥巖。

采自沙坡頭大彎第3級階地后緣頂部(此段為最高的黃河堆積物)礫石層中透鏡體沙樣品的光釋光年齡為 (169±6)ka，ESR年齡為(194±29)ka(表1)。2種測年方法在誤差范圍內(nèi)基本一致。而釋光測年相對較成熟。另外，采樣階地為香山－天景山斷裂北側(cè)的最高階地，張珂等(2004)研究認為，中衛(wèi)盆地在中更新世晚期隆起才使黃河固定。因此，這2個年齡值是可靠的，即沙坡頭大彎一帶最高階地(T3)形成于距今170ka左右。由于低階地的形成年齡與本文研究內(nèi)容無關(guān)，因此不予探討。

表1 沙坡頭大彎Ⅲ級階地后緣頂部樣品的OSL和ESR測年數(shù)據(jù)表Table 1 Results of OSL and ESR dating of samples from top of trailing edge of the third terrace at the Shapotou Big Bend area

圖2 沙坡頭大彎Ⅲ級階地后緣頂部采樣點剖面照片(37°27'03.6″N，104°59'34.7″E)Fig.2 Photo of the cross-section of the sampling site at top of trailing edge of the third terrace at the Shapotou Big Bend area.

2 討論和分析

橫跨走滑斷裂的沖溝和河流是研究走滑運動的很好場所，可以根據(jù)河流的拐彎位移來恢復(fù)斷裂的運動量。對于發(fā)育久遠、側(cè)蝕作用強烈的河流，在選擇斷裂兩側(cè)的測量參照物時，需要具體分析。根據(jù)左旋走滑運動特征，河流在穿過左旋走滑斷裂后的位移量與斷層位移量有如下的關(guān)系。

(1)如果兩岸沒有被河流沖刷，只形成河道拐彎形態(tài)，那么，階地左右兩岸的走滑量應(yīng)該相同(AA'=BB')，其河岸的位移量就是斷裂的位錯量(圖3)。

(2)雖然河道兩岸受斷裂左旋作用一直向左移動，但如果河流沖刷河岸導(dǎo)致了河岸后退，那么，通過被沖刷側(cè)蝕作用的河岸位錯量來計算斷裂位移量會得到錯誤的結(jié)果。圖4表示河道形成以來右岸只是在靠近斷裂附近被沖刷侵蝕，而遠離斷裂的河岸未被側(cè)蝕，同時，左岸一直被沖刷側(cè)蝕后退。在這種情況下，通過斷裂上下游左岸對比測量獲得的量值(AA')要大于右岸對比測量獲得的量值(BB')。而BB'值則代表斷裂自此段河流形成以來的位移量。

黃河在香山－天景山斷裂的南側(cè)形成了深切的黑山峽，在夜明山發(fā)育9級階地，最高拔河140m，階地發(fā)育在左岸，右岸不發(fā)育(邢成起，2006)。而在香山－天景山斷裂的北側(cè)，階地發(fā)育與斷裂南側(cè)正好相反，主要階地在右岸。

如前所述，香山－天景山斷裂至少從第四紀以來是一條以左旋為主的斷裂，對橫跨此斷裂的黃河，肯定會產(chǎn)生影響。那么其影響值(位移值)有多大?可做以下分析，黃河右岸基巖為抗沖刷作用較弱的含煤地層、泥巖和砂巖。而黃河是一條水動力極其強烈的河流，對河岸的沖刷作用非常強大?？梢酝茰y在沙坡頭大彎一帶黃河被固定之前(即T3之前)，黃河最有可能是從SW往NE直向流動。當時，黃河向右拐流動的可能性很小。即T3后緣基巖是當時“推測黃河直道”的右岸(圖5)。

圖3 左旋走滑斷裂河流兩岸都未被沖刷侵蝕Fig.3 River banks along the left-lateral strike-slip fault without scour erosion.

圖4 左旋走滑斷裂河流下游左岸被沖刷侵蝕而右岸未被沖刷侵蝕Fig.4 River banks along the left-lateral strike-slip fault with the left bank in the downstream eroded，while the right bank not.

距今170ka時，沙坡頭大彎一帶形成了T3階地，即T3后緣就脫離了黃河水的沖刷側(cè)蝕，右岸形態(tài)不再改變，成為“原生岸”。而斷裂南側(cè)的黃河右岸位置一直沒有改變，為固定的“原生岸”。把圖1簡化成圖5，其形態(tài)特征與圖4相似。因此，可以通過斷裂兩側(cè)右岸的“原生岸”來推算斷裂的位移量。在T3后緣與“黃河直道”之間作香山－天景山斷裂的平行線，獲得最大值的EE'線，EE'線的長度就是斷裂的位移量，位移值為880m。即距今170ka以來，香山－天景山斷裂左旋走滑的最大量值為880m，因此，最大速率為5.18mm/a。這個速率與戴華光等(1999)的研究結(jié)果(4～5mm/a)相近，而比李傳友(2005)獲得的全新世平均滑動速率(2.86mm/a)要大。但實際上李傳友(2005)對不同地點研究得出的速率也是不同的，其中最大值為7.48mm/a。如果考慮到這個值是最大值，而且是不同的地點，可認為此結(jié)果是比較合理的。

圖5 沙坡頭黃河地貌簡圖Fig.5 Topographical sketch of the Yellow River at Shapotou area.

另外，通過左岸獲得的位移值為3 000m(圖5中的HH'線)，這個量值也是以往文獻認為的值(丁國瑜，1993)，與通過右岸獲得的數(shù)值相差達2 100m。如果采用3 000m數(shù)值，則表明，在堆積T3時黃河在圖5中“推測黃河直道”的東邊2 100m處，而黃河過斷裂后，要向右轉(zhuǎn)流，這可能與斷裂長期左旋產(chǎn)生的效果不符。所以，通過侵蝕岸獲得的“位錯量”是不可靠的。

實際上彎曲性河流在自然界中普遍存在，是由河流的地質(zhì)條件和水文條件等多方面因素共同作用以及河流的自我調(diào)節(jié)因素導(dǎo)致的(洪笑天，1987)。因受到地球自轉(zhuǎn)科里奧利力的影響，河流不可能是順直流動的，在北半球，科氏力使運動的物體向右偏轉(zhuǎn);單位水體運動的軌跡總是走彎的(Yang，1971)。隨著河流的彎曲性形成，必然在河流凹岸發(fā)生侵蝕后退，同時，凸岸邊灘穩(wěn)定沉積且不斷擴大(圖6)。如果同時發(fā)生構(gòu)造隆升或基準面下降，還可在凸岸形成階地。從沙坡頭大彎一帶的黃河階地分布(圖1)中可看出，從距今170ka以來有過2次隆升的構(gòu)造事件或基準面下降變化。

圖6 河曲水流運動方向及平面形態(tài)示意圖Fig.6 Sketch showing water flow direction in a meandering stream and its plane geometry.

3 結(jié)論

(1)通過穿越走滑斷裂的河流拐彎程度來估算斷裂走滑量時，必須根據(jù)河流地貌發(fā)育特征，選擇合理的測量對象才能獲得相對可靠的量值。

(2)根據(jù)沙坡頭大彎一帶的黃河地貌和階地特征推測，距今170ka以來，香山－天景山斷裂左旋走滑的最大量值不超過880m，滑移速率應(yīng)＜5.18mm/a。

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