祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀(jì)以來活動(dòng)特征初步研究

邵延秀, 葛偉鵬, 張 波, 蘇 琦

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀(jì)以來活動(dòng)特征初步研究

邵延秀1,2, 葛偉鵬1,2, 張 波1,2, 蘇 琦1

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

祁漫塔格北緣斷裂處于青藏高原內(nèi)部造山帶地區(qū),其構(gòu)造活動(dòng)反映了青藏高原的構(gòu)造演化特征。本文采用活動(dòng)構(gòu)造和構(gòu)造地貌相結(jié)合的研究方法,對(duì)該斷裂的活動(dòng)性進(jìn)行初步分析研究。首先采用航衛(wèi)片解譯和野外調(diào)查,發(fā)現(xiàn)該斷裂斷錯(cuò)了山前全新世沖洪積扇,形成的斷層陡坎高度在1.5～2.5 m。通過擴(kuò)散方程,并參考前人研究結(jié)果,認(rèn)為祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀(jì)的抬升速率初步限定在1～2 mm/a。我們基于數(shù)字高程模型提取的地形高程縱剖面和面積-高程積分，其結(jié)果也支持祁漫塔格北緣存在構(gòu)造活動(dòng)。

祁漫塔格北緣斷裂; 抬升速率; 高程縱剖面; 面積-高程積分

0 引言

地處青藏高原北部的昆侖山,呈近東西向橫貫新疆南部和青海中部,東部大致以溫泉斷裂為界與秦嶺相接,西連北帕米爾,北部以柯崗斷裂、阿爾金南緣斷裂、柴達(dá)木南緣斷裂與塔里木地塊、阿爾金造山帶、柴達(dá)木地塊相鄰,南部以麻扎—康西瓦—木孜塔格峰—昆南斷裂與巴顏喀拉、喀喇昆侖相接,長逾2 000 km,寬大于100 km。而祁漫塔格山脈位于東昆侖西段柴達(dá)木盆地的西南緣,西北鄰近阿爾金山,是東昆侖的北支,近EW走向,東西長約550 km,南北寬約75 km。其西北段在新疆境內(nèi),海拔約5 000 m左右;東南段在青海省境內(nèi),山勢較低。

以往對(duì)祁漫塔格的研究主要集中在古生物學(xué)、巖石學(xué)或較老構(gòu)造上[1-4],對(duì)新構(gòu)造的研究幾乎為零。祁漫塔格北緣斷裂是阿爾金斷裂和柴達(dá)木盆地西南緣的構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū),對(duì)阿爾金斷裂的變形分解和轉(zhuǎn)化起到了重要的作用。因此,確定祁漫塔格晚第四紀(jì)以來的活動(dòng)圖像是研究阿爾金斷裂與青藏高原內(nèi)部斷裂之間的耦合關(guān)系及青藏高原的構(gòu)造演化的重要基礎(chǔ)。

本研究基于航衛(wèi)片的解譯方法,先對(duì)祁漫塔格北緣斷裂最新活動(dòng)段落進(jìn)行初步解譯,然后再進(jìn)行野外考察驗(yàn)證室內(nèi)的解譯圖像,對(duì)典型地貌進(jìn)行測量,厘定晚第四紀(jì)以來的活動(dòng)變形量,并結(jié)合相應(yīng)的地貌面年齡,給出其滑動(dòng)速率。另外還根據(jù)構(gòu)造地貌分析方法,提取祁漫塔格地區(qū)的構(gòu)造地貌相關(guān)因子,以此分析該地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)性。

1 祁漫塔格北緣斷裂斷錯(cuò)地貌特征

祁漫塔格山的大地構(gòu)造處于東、西昆侖造山帶與阿爾金造山帶的交匯地帶(圖1)。在漫長的地質(zhì)歷史過程中,祁漫塔格山主要經(jīng)歷了古—中元古代基底形成、新元古代—早古生代洋陸轉(zhuǎn)化、晚古生代邊緣裂陷盆地和中新生代陸內(nèi)構(gòu)造變形四個(gè)演化階段[5]。

圖1 祁漫塔格及其鄰區(qū)活動(dòng)構(gòu)造圖(底圖來源于Google Earth)Fig.1 Active tectonic map of Qimantag Mountain and vicinity area

本研究區(qū)集中在祁漫塔格北緣斷裂上斷錯(cuò)地貌特征較為明顯的西段。該段東起鴨子泉河以西,西至庫木巴彥斷裂附近(圖2),整體走向近EW向,長約35 km,空間展布不連續(xù)。斷層斷錯(cuò)了祁漫塔格山山前沖洪積扇體,形成不連續(xù)陡坎,陡坎高度一般在2 m左右,有些陡坎高度不到0.5 m,陡坎整體坡度較陡。圖3為圖2中三個(gè)研究點(diǎn)(Q1、Q2及Q3)斷錯(cuò)地貌的影像圖。

Q1研究點(diǎn)為斷裂帶的西端,新老沖積扇面均被斷錯(cuò),較老的陡坎高度約為2.5 m,陡坎坡度約為30°[圖4(a),(b)],陡坎的上下盤地貌面為同一地貌面,并未被后期的沖積物所覆蓋,因此斷層陡坎高度可以作為斷層自該地貌面形成以來的抬升高度。

圖2 祁漫塔格北緣斷裂西段空間分布(底圖來源于Google Earth)Fig.2 Spatial distribution of west segment of the northern margin fault of Qimantag

圖3 三個(gè)研究點(diǎn)斷錯(cuò)地貌影像圖(底圖來源于Google Earth)Fig.3 Satellite imageries of faulted landform at three sites

我們?cè)趫D4(b)點(diǎn)的陡坎南盤開挖了一1.5 m深的采樣坑(圖5),地表至約30 cm深處為含砂礫石層,而底部全為成層性很差的含粗砂碎石層,無法采集到有效的測年樣品。

向東Q2和Q3點(diǎn)斷層陡坎高度較西邊低,約為1.5 m[圖4(c),(d)]。這是因?yàn)閿鄬酉卤P相應(yīng)的地貌面被覆新的沖洪積物,使地勢抬高,造成陡坎高度變低,這也可能是造成斷裂陡坎在空間上不連續(xù)分布以及在鴨子泉河附近未發(fā)現(xiàn)斷層陡坎的原因。

2 祁漫塔格北緣斷裂抬升速率估算

如上文所述,祁漫塔格北緣沉積物多為沖洪積物,顆粒較粗,很難采集到理想的14C和OSL樣品,且洪積扇的沉積厚度較淺,也不宜采用宇宙成因核素方法采集剖面樣。這種環(huán)境上的局限性,給限定祁漫塔格北緣斷裂的滑動(dòng)速率造成了很大的困難。

地貌是隨著時(shí)間而變化的,其形態(tài)在外動(dòng)力作用下不斷發(fā)生變化,通過定量分析這種變化過程,可以給出地貌在不同時(shí)間尺度上的形態(tài)。Hanks[6]首次通過對(duì)不同陡坎的定量分析,給出了相應(yīng)的擴(kuò)散方程。運(yùn)用該擴(kuò)散方程[6-7]以及Wallace[8]給出的陡坎角度和年齡關(guān)系圖(圖6)計(jì)算陡坎年代,作為限定斷層活動(dòng)的參考[式(1)～(3)]。

圖4 三個(gè)研究點(diǎn)沖積扇面斷錯(cuò)陡坎Fig.4 Scarps along faulted alluvial fans at three sites

圖5 Q1點(diǎn)1.5 m以上的沉積地層Fig.5 Sedimentary strata above 1.5 m at Q1 site

(1)

由于存在非零遠(yuǎn)場坡角,因此陡坎的斷距2a與陡坎高度2H具有如下關(guān)系:

(2)

(3)

圖6 斷層陡坎年齡和陡坎角度關(guān)系圖 (據(jù)Wallace[6]修改)Fig.6 The relation between age of fault scarp and slope (Modified after Wallace[6])

通過以上計(jì)算和分析,認(rèn)為Q1點(diǎn)斷層陡坎的的年齡在1 000～1 500 a間,陡坎高度為2.5 m,則近2 000 a以來的抬升速率為(2.0±0.5) mm/a。

鴨子泉河發(fā)育多級(jí)階地,分布較廣泛的有3 級(jí),出山口則變?yōu)楹榉e扇,山口處沒有明顯的新構(gòu)造斷裂活動(dòng)的跡象,這可能與我們?cè)赒2和Q3研究點(diǎn)看到的情況類似,該地區(qū)的斷層陡坎被新沉積物覆蓋掩埋,致使現(xiàn)今看不到任何斷裂活動(dòng)跡象。

常宏等[9]對(duì)鴨子泉階地的成因分析認(rèn)為,河流下切是河流能量與坡度發(fā)生變化的一種調(diào)整。他對(duì)鴨子泉的階地類型、縱剖面變化、沉積特征及區(qū)域地質(zhì)特征進(jìn)行分析后,認(rèn)為鴨子泉河流階地不具備氣候成因階地或者基準(zhǔn)面升降成因階地的特點(diǎn),雖然氣候因素在階地形成過程中有所影響,但主要控制階地的形成與發(fā)展過程的是構(gòu)造因素,這些階地是昆侖山隆升、河流下切過程的直接產(chǎn)物。

河流的下切是構(gòu)造隆升和氣候共同作用的結(jié)果。常宏等[9]將鴨子泉河的三級(jí)階地至現(xiàn)今的平均下切速率歸為氣候變化因素控制的,其最大值約0.77 mm/a,而將二級(jí)階地形成以來的下切速率減去由三級(jí)階地獲得的長期平均下切速率,所得到的值代表加速下切的速率,其應(yīng)為構(gòu)造因素導(dǎo)致下切的最小值,這個(gè)值約為1.18 mm/a。因此該地區(qū)的構(gòu)造抬升速率至少為1.18 mm/a,與大地水準(zhǔn)測量得到的結(jié)果基本一致[10]。

這與上文分析的結(jié)果較為吻合,綜合以上的結(jié)果,我們認(rèn)為祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀(jì)的抬升速率在1～2 mm/a。

3 祁漫塔格地區(qū)構(gòu)造地貌特征

3.1 方法原理和數(shù)據(jù)

近年來迅速發(fā)展的構(gòu)造地貌學(xué),旨在探討研究構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化控制和塑造地形地貌形成和變化。而造山帶水系的發(fā)育及其對(duì)構(gòu)造抬升和氣候變化具有一定的響應(yīng)和反饋?zhàn)饔?因此探索其內(nèi)在的關(guān)系一直都是構(gòu)造地貌和河流地貌研究的熱點(diǎn)[11]。如今將地貌分析的方法應(yīng)用到構(gòu)造活動(dòng)的分析上,利用定量的地形地貌因子來揭示描述地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征,很多地貌因子,如面積高度積分、河流縱剖面、河流陡峭系數(shù)、谷肩比等,已被廣泛用于研究造山帶地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)[12-15]。我們通過對(duì)祁漫塔格地區(qū)這些地貌指標(biāo)的提取,定性分析祁漫塔格造山帶最新的構(gòu)造活動(dòng)特征。

地貌學(xué)奠基人Davis在1899年提出了“地貌循環(huán)理論”,認(rèn)為平坦地面在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下被迅速抬升,經(jīng)過不斷的物理和化學(xué)風(fēng)化作用,抬升的地形被侵蝕破壞,這個(gè)地形改造的過程包括幼年期、壯年期以及老年期,最后演化成“準(zhǔn)平原”。1952年美國理論地貌學(xué)家Strahler基于Davis的理論,提出侵蝕流域的面積-高程積分曲線(Hypsometric Integral)分析方法[16],將該理論進(jìn)一步定量化。所謂面積-高程積分曲線是流域盆地相對(duì)高度比(h/H)和相對(duì)面積比為(a/A)的關(guān)系曲線,將地表三維體積殘存率用二維曲線來描述,曲線下方的面積即為面積-高程積分值。

如圖7所示,如果面積-高程積分曲線呈上凸形狀,則表示流域地貌演化處于幼年時(shí)期;若曲線呈現(xiàn)下凹狀態(tài),則表示流域地貌演化已經(jīng)步入老年階段;如果面積-高程積分曲線的形狀介于兩者之間,即呈現(xiàn)S形,則表示流域正處于河流發(fā)育的“壯年期”。

圖7 流域盆地的面積-高程積分定義Fig.7 Definition of drainage basin’s hypsometric integral

目前,由于空間測繪技術(shù)和GIS技術(shù)的不斷發(fā)展,高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)比以往更易獲取。本文使用的DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)來自美國免費(fèi)公開的SRTM-3,該數(shù)據(jù)集的分辨率為90 m。對(duì)于有些空白區(qū),將采用ASTER-GDEM進(jìn)行補(bǔ)充。 ASTER測繪數(shù)據(jù)覆蓋范圍為83°N到83°S之間的所有陸地區(qū)域,其垂直精度達(dá) 20 m,水平精度達(dá) 30 m。

3.2 結(jié)果分析

利用SRTM 90 m的DEM首先提取了橫跨祁漫塔格山的高程剖面、面積-高度積分(HI值),這兩個(gè)值在一定程度上反映了構(gòu)造活動(dòng)和山脈地貌的演化。

圖8是橫跨祁漫塔格山從西向東高程剖面圖,這些剖面線跨越了祁漫塔格北緣斷裂。從中可以看到祁漫塔格北緣斷裂大部分處于地形陡峭區(qū),特別是在西段,斷裂南側(cè)地形陡峭且上下浮動(dòng)大,相對(duì)來說北部較為平坦,這是由于沖積扇一出山即被斷錯(cuò)抬升,而北部基本上被沖洪積物所覆蓋,構(gòu)造活動(dòng)可能較弱。橫剖面的形態(tài)在一定程度上反映了構(gòu)造的存在。

圖8 橫跨祁漫塔格山高程縱剖面Fig.8 Elevation profiles across Qimantag Mountain

同時(shí)利用DEM數(shù)據(jù)提取了祁漫塔格地區(qū)的亞流域盆地(圖9),并計(jì)算了各流域盆地的HI值。通過插值可得到整個(gè)地區(qū)HI值的空間分布,該值大部分分布在0.3～0.4,山區(qū)內(nèi)部高、外部低,反映了地形的粗糙度和起伏度大小。另外,該地區(qū)的整體平均HI值為0.36[圖9(b)],基本形態(tài)呈較為平緩的上凸形,且端點(diǎn)上具有較短反向下凹形態(tài),或是不對(duì)稱的“S”形,說明祁漫塔格地區(qū)地貌演化正處于從幼年期到壯年期的轉(zhuǎn)化過程中。在這個(gè)過程中祁漫塔格地區(qū)遭受了較為強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升和外動(dòng)力的侵蝕風(fēng)化。

4 討論和結(jié)論

本研究通過室內(nèi)航衛(wèi)片解譯和野外調(diào)查,得到了對(duì)祁漫塔格北緣斷裂西段晚第四紀(jì)活動(dòng)特征的初步認(rèn)識(shí)。該斷裂最新活動(dòng)方式以擠壓逆沖為主,斷錯(cuò)了山前全新世沖洪積扇,斷層陡坎空間山不連續(xù)分布,高度在1.5～2.5 m。通過擴(kuò)散方程,估算2.5 m陡坎的年齡為1 000～1 500 a,可得其抬升速率為(2.0±0.5) mm/a。綜合該地區(qū)河流下切速率和大地水準(zhǔn)測量研究結(jié)果,祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀(jì)的抬升速率初步限定在1～2 mm/a。

通過對(duì)祁漫塔格地區(qū)地貌特征的分析,橫穿斷層沿山脈走向提取了系列高程剖面,并計(jì)算了流域盆地的面積-高程積分。這兩種指標(biāo)的結(jié)果表明,祁漫塔格山前存在活動(dòng)構(gòu)造,而其地貌演化進(jìn)程在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下正從幼年期向壯年期轉(zhuǎn)變。

由于野外環(huán)境較為艱苦以及沉積物粒徑較大,本研究在野外沒有采集到相應(yīng)的地貌面有效年齡樣品,而是通過擴(kuò)散方程估算了一個(gè)年齡,因此本文給出的抬升速率誤差相對(duì)較大,今后的工作中還需要對(duì)其進(jìn)行精確厘定。

圖9 祁漫塔格地區(qū)水系流域及其HI值Fig.9 Drainage basins and their HI values at Qimantag area

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Primary Study of Late Quaternary Active Features of Northern Margin Fault of Qimantag

SHAO Yan-xiu1,2, GE Wei-peng1,2, ZHANG Bo1,2, SU Qi1

(1.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China; 2.LanzhouNationalGeophysicalObservatory,Lanzhou73000,Gansu,China)

The northern margin fault of Qiamantag is located between the Qaidam basin and the Kunlun orogen. Its active features are responses to the Tibetan Plateau uplift, which we examine in this paper to better understand the Tibetan Plateau's tectonic evolution. To date, the northern margin fault of Qimantag has been little understood, including its active style and slip rate, which are important parameters in an active fault. To address this knowledge gap and to accurately determine the Qimantag fault's slip rate, we used methods related to active tectonics and tectonics geomorphology. We traced fault lines based on satellite imagery interpretation and field surveys, and found the fault scarp to be discontinuous along the strike. In this paper, we examine in detail three sites from the west to the east of this segment. Our results show that the fault widely ruptured young alluvial fans in the field to form 1.5～2.5 m high scarps in the west segment. The slopes of these scarps have angles of ～30°. Due to the lack of dateable depositions in the study area, we took no geochronological samples to date the age of the alluvial fans. However, we used a diffusion equation to constrain the age of the faulted scarps. Based on our calculations, the scarp is about 1 000～15 000 years old at the Q1 site, with a height of about 2.5 m. Based on the age and height of the scarps, we calculated their uplift rate to be about (2.0±0.5) mm/a. This value is similar to the results obtained from river incision and geodetic leveling. Based on our results, we consider the uplift rate to be 1～2 mm/a. In addition, we also established elevation longitudinal profiles and the hypsometric integrals along the Qimantag Mountain. These profiles andHIvalues indicate that the mountain is experiencing tectonic uplift.

northern margin fault of Qimantag; uplift rate; elevation longitudinal profile; hypsometric integral

2015-12-06 基金項(xiàng)目:中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2012IESLZ08) 作者簡介:邵延秀(1984-),男,助理研究員,在職博士生,主要從事活動(dòng)構(gòu)造和地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作。E-mail:shaoyx@geoidea.org。

P315

A

1000-0844(2016)06-0970-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0970