東天山東段堿泉子-巴里坤斷裂系晚第四紀左旋走滑的地質(zhì)證據(jù)

吳富峣　冉勇康　李　安　徐良鑫　曹　筠

1)中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點實驗室，北京　100029 2)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京　100029 2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京　100085

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東天山東段堿泉子-巴里坤斷裂系晚第四紀左旋走滑的地質(zhì)證據(jù)

吳富峣1)冉勇康1，2)*李安3)徐良鑫1)曹筠1)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點實驗室，北京100029 2)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京100029 2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085

東天山走滑斷裂系區(qū)域主應(yīng)力晚第四紀活動特征

0　引言

圖1　東天山東段及其附近地區(qū)新生代斷裂分布圖(據(jù)Tapponieer et al.，1979；Cunningham et al.，1996，2003；Walker et al.，2007)Fig. 1　Cenozoic fault distribution of east segment of eastern Tienshan and its vicinity(after Tapponieer et al.，1979；Cunningham et al.，1996，2003；Walker et al.，2007).F1堿泉子-托萊泉斷裂，F(xiàn)2巴里坤盆地南緣斷裂，F(xiàn)3哈爾尼克山中央斷裂；GPS 速度矢量來自Calais et al.，2003；Liang et al.，2013；震源機制來自哈佛大學GMT圖解

1　構(gòu)造背景

東天山最東段位于戈壁阿爾泰、阿爾泰和東天山3大造山帶的交會處，向東以戈壁-天山斷裂系(GTSFS)與西蒙古戈壁阿爾泰山脈毗連(Tapponieeretal.，1979)，南部發(fā)育吐哈盆地(圖1)。山脈沿EW—NW向延伸，往N凸出近似弧形，南以哈密盆地北緣斷裂與吐哈盆地為界，北部發(fā)育七角井盆地、巴里坤盆地和伊吾盆地等一系列山間盆地，分別以堿泉子-托萊泉斷裂、巴里坤盆地南緣斷裂和哈爾尼克山北麓斷裂為界與盆地分開。

東天山東段東部鄰區(qū)主要展布2組共軛狀發(fā)育的斷裂組(Cunninghametal.，1995)，即右行擠壓轉(zhuǎn)換的阿爾泰NW向斷裂帶和左行擠壓轉(zhuǎn)換的戈壁阿爾泰NE、NEE向斷裂帶(圖1)。其中，戈壁阿爾泰NE、NEE向左行斷裂帶向W直接與東天山相連接，使區(qū)域斷裂系統(tǒng)比較復雜，以NEE向、近EW向斷裂發(fā)育為主，夾雜少量的NW向斷裂，幾何上呈菱形雙彎構(gòu)造。更靠北的阿爾泰NW向右行斷裂帶向S通過紙房斷裂切入東天山山脈(馮先岳等，1997)。東天山東段位于2組共軛斷裂系統(tǒng)的交互地帶，其晚第四紀以來的隆升受這2組斷裂系統(tǒng)活動的影響十分明顯(Cunninghametal.，1996)。

2　斷裂系晚第四紀的走滑活動

在東天山東段，通過遙感解譯和野外地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合前人資料，發(fā)現(xiàn)自西向東展布了堿泉子-托萊泉斷裂、巴里坤盆地南緣斷裂和哈爾尼克山中央斷裂等具有明顯走滑分量的斷裂。這些斷裂組成堿泉子-巴里坤斷裂系，其活動特征是晚第四紀東天山東段最新變形過程的直接反映。以下將按照自西向東的順序分別敘述幾條斷裂活動的地質(zhì)、地貌證據(jù)。

2.1堿泉子-托萊泉斷裂(F1)

堿泉子—托萊泉一帶是西側(cè)博格達山和東側(cè)巴里坤山的過渡部位，平均海拔明顯低于兩側(cè)山脈，暗示這一帶并不純粹是擠壓變形，實地考察發(fā)現(xiàn)變形并不完全集中于山脈根部，NEE向(約80°)展布的斷裂控制了晚第四紀以來的最新變形。斷裂西端消失在博格達山山麓前的沖積扇上，往東沿斷裂發(fā)育西鹽池、七角井和托萊泉一系列山間盆地，斷裂以水平運動為主要特征，左旋位錯了一系列第四紀沖溝，切割了晚第四紀最新扇體，斷裂平面展布具有類似走滑構(gòu)造尾端的馬尾狀發(fā)散幾何特征(圖2)。

博格達山麓堿泉子一帶，斷層跡線平直，最新的地震活動在山麓前靠近盆地一側(cè)的沖積扇上造成清晰的古地震形變帶(約20km)，沿形變帶可見沖溝同步位錯、擠壓脊和堰塞塘等典型的走滑斷層相關(guān)地貌。最新的沖積扇緣和沖溝都具有明顯的左旋位錯，最新1次沖溝左旋位錯量約4m，累積的垂直位錯約1m(圖2)。斷裂走向在堿泉子以東變?yōu)榻麰W向，左階左旋排列，沿斷裂發(fā)育西鹽池、七角井和托萊泉等一系列線性展布的拉分盆地，佐證了斷層左旋運動的活動特征。

圖2　堿泉子-托萊泉斷裂地形地貌和堿泉子段的左旋位錯(DEM數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM，衛(wèi)星圖片來自Google Earth；DEM影像位置見圖1)Fig. 2　Shade relief map of Jianquanzi-Tuolaiquan Fault and sinistral offset at Jianquanzi site (DEM data from ASTER GDEM，satellite images download from Google Earth；see Fig. 1 for DEM location).a 堿泉子一帶的衛(wèi)星圖片；b 對圖a的地貌解譯；c 破裂帶上的最新左旋位錯沖溝的實測；d 拉分盆地遠觀照片

斷裂最東段與巴里坤盆地南緣斷裂相接的地方發(fā)育一典型的拉分盆地，平面上呈菱形，即托萊泉拉分盆地，從盆地長度來看，斷裂總的走滑量最大可能達到約7km(田勤儉等，2001)，但具體值目前尚不能精確確定。盆地內(nèi)發(fā)育3期沖積扇(T1，T2，T3)，最老1級的中更新世沖積扇被累積位錯約1.2km(羅福忠等，2002)，但考慮到?jīng)_積扇體(T3)邊緣被剝蝕，若以其最邊緣來估算被累積位錯，認為累積位錯可能約600m左右(圖3)。若按照沖積扇的年齡來粗略估計，斷裂中更新世以來的滑動速率≤6mm/a。山體邊緣垂直位移不明顯，但盆地內(nèi)發(fā)育明顯的斷層槽谷和反向斷層陡坎。 沿反向陡坎實測了沖溝位錯，可能發(fā)育 (4±0.5)m的單次位錯和約 (9±0.5)m的累積位錯(圖3)。

拉分盆地是走滑構(gòu)造活動最明顯的構(gòu)造證據(jù)，沿堿泉子-托萊泉斷裂發(fā)育的不同尺度的拉分盆地構(gòu)造暗示了該斷裂晚第四紀活動以走滑為主，雖然斷裂整體位于擠壓構(gòu)造環(huán)境之中，但逆沖分量在地表的表現(xiàn)十分微弱，沿斷裂并未發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀隆升地貌發(fā)育。

圖3　托萊泉拉分盆地的DEM影像和實測沖溝位錯Fig. 3　Shade relief map of Tuolaiquan pull-apart basin and gully offset.DEM影像位置見圖2

2.2巴里坤盆地南緣斷裂(F2)

巴里坤盆地南緣斷裂自雄庫爾—洛包泉一帶向E延伸約300km，斷裂走向與巴里坤盆地的幾何邊緣重合，控制了巴里坤山和巴里坤山間盆地的發(fā)育(圖4)。斷裂走向在奎蘇以西為近EW向，向東轉(zhuǎn)為NW向，進入哈爾尼克山后又變?yōu)榻麰W向，總體上呈現(xiàn)出1個向E凸出的弧形，與區(qū)域地應(yīng)力方向幾乎垂直(Zoback，1992)。斷裂的活動性質(zhì)與斷裂走向的變化具有較好的分段對應(yīng)，1842年M7.5歷史地震在斷裂最西端雄庫爾一帶產(chǎn)生了長度>10km的地表破裂帶，1914年M7地震在斷裂東段哈爾尼克山中也保留下了至少10km的地表破裂帶遺跡，2條破裂帶保存較好(吳富峣等，2016)。

圖4　巴里坤山-哈爾尼克山地形地貌圖和巴里坤盆地南緣斷裂雄庫爾段的地貌照片和地形實測(源數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM)Fig. 4　Shade relief map of Barkoltagh-Karliktagh and landforms along Xiongkuer segment of South Barkol Basin Fault(DEM data downloaded from ASTER GDEM).a 雄庫爾一帶的Google Earth衛(wèi)星影像，紅箭頭所指為斷裂；b 差分GPS實測的最新沖溝位錯，綠色區(qū)域為斷層陡坎；c 被位錯的沖溝實拍；d 斷層槽谷

2.2.1雄庫爾-洛包泉斷裂

利用UAV無人機對雄庫爾東約2km的同步位錯沖溝進行了航空測量，后期通過photoscan軟件處理得到了高精度地表3D數(shù)據(jù)。斷層左旋性質(zhì)十分明顯，最東段的基巖被位錯了約110m(圖5)。

圖5　雄庫爾東利用UAV技術(shù)獲得的左旋走滑斷層DEM模型Fig. 5　Sinistral fault DEM model derived from UAV measurement at east of Xiongkuer.

雄庫爾探槽開挖在因擠壓脊隆升堵水形成的槽谷內(nèi)(圖4)，跨反向陡坎(擠壓脊)開挖的探槽解譯結(jié)果表明，探槽具有明顯的走滑斷層花狀結(jié)構(gòu)(圖7)，最近1次事件造成的同震裂隙被最新的沉積物充填。差分GPS測量揭示探槽東側(cè)發(fā)育了1條左旋位錯量達到4m的沖溝(圖5)，但無論從探槽中還是地貌上都未見明顯的構(gòu)造抬升分量，斷裂活動還是以左旋走滑為主要特征，逆沖分量并不明顯。

圖6　雄庫爾探槽解釋圖Fig. 6　Log of Xiongkuer trench，a and b are detailed fault information.a、b 探槽局部放大，探槽位置見圖4；①黑色現(xiàn)代土壤層，顆粒細，1842年地震活動造成同震裂隙發(fā)育；②淺黃色、淺紅色黏土層夾礫石層，在其中取得C401、C403樣品的14C年齡為(1 850±30)a和(2 250±30)a；③堰塞塘靜水沉積層，礫石層，水平層序清楚，與周圍地層以不整合接觸；④淺白色黏土層夾水平礫石層；⑤黃色細粒黏土層，沉積形狀不規(guī)則；⑥白色黏土層，細粒沉積，底部見少量礫石；⑦大礫石層，分選磨圓差；⑧黃色細礫石層，夾黏土層

圖7　UAV無人機實測的DEM模型和地貌照片F(xiàn)ig. 7　DEM model derived from UAV measurement and landform photos.a 斷層槽谷遠觀；b 為沿斷層發(fā)育的帶逆沖分量的陡坎

雄庫爾往東斷裂走向與主應(yīng)力的夾角開始起了略微變化，斷裂的運動模式有了一定的變化，利用UAV無人機對雄庫爾東洛包泉一帶進行了航空測量，獲得了洛包泉一帶高精度的DEM數(shù)據(jù)，從建立的地貌模型上發(fā)現(xiàn)斷裂雖然仍以走滑運動為主，但逆沖分量開始明顯發(fā)育(圖7)，具體表現(xiàn)為： 斷裂在山體后緣的活動形成了明顯的斷層槽谷，位錯了多個山脊，位錯量在230～280m，在山體前緣，逆斷層陡坎的高度約為8m，但不能排除基巖巖檻的干擾。依據(jù)地貌觀察，我們認為巴里坤盆地南緣斷裂在洛包泉一帶的深部運動模式仍然以走滑為主，但斷裂在淺部可能表現(xiàn)為花狀結(jié)構(gòu)，這造成了斷裂在山體前緣形成了明顯的逆沖陡坎，這種模式在該段斷裂上可能具有代表意義。

圖8　奎蘇南巴里坤盆地南緣斷層地貌實測(具體位置見圖4)Fig. 8　Tectonic landforms along South Barkol Basin Fault in south Kuisu(see Fig. 4 for location).

圖9　哈爾尼克山白楊溝ETM影像和出露的斷層槽谷、堰塞塘和基巖斷裂Fig. 9　ETM image，fault trough，sagpond and bedrock fault in Baiyanggou，Karliktagh.a、b 沿哈爾尼克山中央斷裂發(fā)育的斷層槽谷，紅箭頭標示斷層位置；c 線性展布的堰塞塘和馬鞍形山脊，紅箭頭標示斷層位置；d基巖中發(fā)育的斷層破碎帶

2.2.2奎蘇

斷裂在洛包泉到巴里坤縣城之間的走向雖然有輕微的轉(zhuǎn)變，但總體仍然保持近EW向。從巴里坤往東直到奎蘇和盆地最東端，斷層走向陡然轉(zhuǎn)變NW向，與區(qū)域主應(yīng)力的夾角近乎垂直，斷層也展現(xiàn)出明顯的逆沖分量，但沿陡坎發(fā)育的沖溝依然發(fā)育明顯的左旋位錯?？K南李家溝一帶可以見到復式陡坎發(fā)育，后緣大陡坎高約35m，前緣小陡坎高4～5m，沿陡坎發(fā)育沖溝，沖溝在越過前緣陡坎時，被左旋位錯，現(xiàn)今沖溝和廢棄沖溝的累計左旋位錯量約16m(圖8)。從地貌表現(xiàn)來看，斷裂在該段轉(zhuǎn)換為逆沖性質(zhì)，同時兼具走滑分量。斷裂的垂直運動與水平運動的比例明顯增大到約 2︰1，但我們測定的是單一沖溝和陡坎，更為精確的變形參數(shù)需要通過探槽來約束。

2.3哈爾尼克山中央斷裂

圖10　臺合曼一帶哈爾尼克中央斷裂的地質(zhì)地貌特征(具體位置見圖4)Fig. 10　Geological and geomorphic features of central Karlik Fault in Taiheman(see Fig. 4 for location).左上圖為臺合曼一帶的Google Earth 衛(wèi)星影像，紅箭頭標示斷層位置；a 沿破裂帶發(fā)育的堰塞塘和(4±0.2)m的左旋位錯， 紅箭頭標示斷層位置；b 斷層遠觀，紅箭頭標示斷層位置；c第四紀沉積物中發(fā)育的斷層

綜上所述，堿泉子-托萊泉斷裂、巴里坤盆地南緣斷裂和哈爾尼克山中央斷裂晚第四紀以來展現(xiàn)出明顯的左旋運動特征。隨著斷層走向與區(qū)域主壓地應(yīng)力夾角的變化，斷層左旋運動分量與垂向運動分量的比例也相應(yīng)地有所變化。具體來說，近EW向的雄庫爾—巴里坤斷層段展現(xiàn)出以走滑為主的特征，巴里坤—奎蘇斷層段的NW向斷裂具有明顯的逆走滑特征(楊章等，1988)，而NWW—近EW向的哈爾尼克山中央斷裂則又呈現(xiàn)出走滑為主的特征。

3　討論和結(jié)論

3.1斷裂晚第四紀變形特征

堿泉子-托萊泉斷裂、巴里坤盆地南緣斷裂和哈爾尼克山中央斷裂系統(tǒng)在平面上呈明顯的向N凸出的弧形，尾端通過GTSFS向E延伸進入蒙古構(gòu)造系統(tǒng)(Cunninghametal.，2003)，具有明顯的左行轉(zhuǎn)換擠壓造山帶性質(zhì)，我們沿斷裂系進行的野外調(diào)查研究證實了這一說法。

(1)堿泉子-托萊泉斷裂帶在堿泉子一帶發(fā)育的古地震遺跡顯示，斷裂帶最新活動仍然以左旋水平運動為主，在平面上展布出典型的馬尾狀走滑構(gòu)造形狀，一系列各種尺度的拉分盆地也證實了斷層的左旋特征。斷裂走向(NEE向)與區(qū)域主應(yīng)力NE方向夾角較小，使斷裂具有明顯的走滑運動特征，如果我們按照托萊泉盆地的幾何結(jié)構(gòu)推測，斷裂的左旋走滑量≥7km(圖3)，但傾滑分量在地貌上并不明顯，粗略估計斷裂的滑動速率 ≤6mm/a。

(3)哈爾尼克山中央斷裂在黨參溝—白楊溝一帶地貌上最為典型(圖9)，斷層槽谷發(fā)育，古地震遺跡豐富，左旋位錯約為(4±0.2)m，斷裂斷錯至地表，剖面上斷層為花狀構(gòu)造，顯示斷裂此段為左旋水平運動，錯斷的沖溝位錯最大約為1.1km。近EW向的斷裂與主應(yīng)力之間夾角與奎蘇一帶相比變小，斷裂的活動性質(zhì)也變得以走滑為主，沒有找到相關(guān)地貌證據(jù)來約束逆沖變形分量。

3.2東天山東段走滑斷裂系的構(gòu)造轉(zhuǎn)換意義

東天山一帶發(fā)育的走滑構(gòu)造與青藏高原北部耦合的中、下地殼應(yīng)力場有著極為良好的對應(yīng)(Fleschetal.，2005)，但與GPS矢量和地應(yīng)力方向近垂直分布的走滑構(gòu)造吸收不了巨大的縮短分量(約10mm/a)，轉(zhuǎn)換擠壓構(gòu)造是對區(qū)域應(yīng)力場的調(diào)整適應(yīng)。GPS速度模式顯示區(qū)域內(nèi)存在大量的向E的側(cè)向運動分量，這個分量自東天山東段往東至蒙古境內(nèi)一直存在，單純的山脈根部逆沖變形導致的縮短難以解釋這種上地殼的運動，左旋走滑構(gòu)造的發(fā)育是地殼變形調(diào)整的必然，東天山東段幾個GPS點近10多年來的觀測也發(fā)現(xiàn)山脈兩側(cè)的縮短量很小(Liangetal.，2013)。結(jié)合東天山各條斷裂晚第四紀活動特征，我們認為晚第四紀以來造山帶根部的擠壓變形在東天山東段變形過程中雖然可能占據(jù)主要地位，但堿泉子-巴里坤走滑斷裂系的調(diào)節(jié)也是整個造山帶變形中重要的組成部分。

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LATE-QUATERNARY GEOLOGICAL EVIDENCE OF JIANQUANZI-BARKOL SINISTRAL FAULT SYSTEM IN EASTERNMOST TIENSHAN

WU Fu-yao1)RAN Yong-kang1，2)LI An3)XU Liang-xin1)CAO Jun1)

1)KeyLaboratoryofActiveTectonicsandVolcano，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China2)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China3)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China

As we all know，Eastern Tienshan and Altaid in central Asia accommodate～10mm/a crustal shortening，accounting for 1/4 shortening between India and Eurasia(～40mm/a). A substantial portion of these deformations was absorbed in Altaid in the north through a combination of right-lateral strike-slip and counterclockwise vertical axis rotation of crustal blocks，but how the crustal deformation was accommodated in Eastern Tienshan is still in debate. Based on the field investigation in Jianquanzi，Barkol Tagh and Karlik Tagh in Eastern Tienshan in recent years，we identified a sinistral strike-slip fault system mapped in Eastern Tienshan. From west to east，the Jianquanzi-Tuolaiquan Fault(JTF)，South Barkol Basin Fault (SBF) and Central Karliktagh Fault(CKF)constitute the tectonic frame of this large-scale fault system，which plays an important role in adjusting the strain distribution during the process of orogening in Eastern Tienshan in Quaternary even since Ceonozoic era. The fault system displays different late-Quaternary characteristics when its orientation changes with regional tectonic principal stress(NE). Specifically，the EW-trending JTF exhibits sinistral slip with little vertical component which can extend to Xiongkuer segment on EW-NW-trending SBF. The EW-NW SBF displays sinistral slip from east of Luobaoquanto，Barkol County and reverse slip with little horizontal component at east of Barkol County. In easternmost，the WNW-EW trending CKF shows sinistral slip with no obvious vertical motion. This fault system’s activity coupled in the orogenic process of easternmost Tienshan，adjusting and accommodating a portion of deformation included in the orogenic process，and in turn we suggest that the deformation associated with range front fault in the orogen root may not be the only decisive way of deformation releasing.

Eastern Tienshan，strike-slip fault system，regional tectonic principle stress，late-Quaternary active characteristics

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.03.009

2015-06-24收稿，2016-03-17改回。

財政部項目 “中國重點監(jiān)視防御區(qū)活動斷層地震危險性評價”(1521044025)資助。

冉勇康，男，研究員，E-mail： ykran@263.net。

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0253-4967(2016)03-0617-14

吳富峣，男，1985年生，在讀博士研究生，研究方向為活動構(gòu)造與工程地震，電話：010-62009140，E-mail： woaiac1899@163.com。