洪積扇頂部活動走滑斷裂的斷錯地貌分析
——以新疆塔城盆地東緣阿合別斗河沖洪積扇為例

苗樹清 胡宗凱 張 玲 楊海波 楊曉平

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

河流在出山口處形成的扇形堆積體稱為沖(洪)積扇(Drew，1873； 吳勝和等，2016； 印森林等，2017)，是山麓地帶一種常見的地貌。沖洪積扇為半圓錐體，錐體頂部位于河流出山口處，而錐底向山前平原伸展(吳勝和等，2016)。沖洪積扇表面常發(fā)育流水溝槽，是洪水期山間流水的主要排泄通道，從平面上看，這些溝槽自出山口呈放射狀向山前平原發(fā)散(Clarke，2015)。河床的地形坡度在出山口處迅速變緩，流水在出山口得以分散導(dǎo)致流速降低、搬運(yùn)能力減弱，河水?dāng)y帶的巖石碎屑等開始堆積。從平面上看，自扇頂至扇緣位置的沉積特征有所不同(圖1a)。扇頂多堆積粗大的礫石，向扇緣方向堆積物的粒徑逐漸變小，扇中部位以砂礫石為主，扇緣部位可堆積較多的黏土物質(zhì)(楊景春等，2012)。從剖面上看，沖積扇的縱剖面線為下凹形，在扇頂處地形坡度較大，向扇緣逐漸變緩甚至接近水平(圖1b)(楊景春等，2012)。洪積扇的橫剖面顯示沖積扇的形態(tài)呈對稱的上凸形，地勢自沖積扇中軸向兩側(cè)逐漸降低(圖1c)。

圖1 沖洪積扇的形態(tài)(據(jù)楊景春等，2012)Fig. 1 The morphology of alluvial-diluvium fan(after YANG Jing-chun et al.，2012).a 沖洪積扇的平面圖； b 縱剖面圖(AA′)； c 橫剖面圖(BB′)

由于特殊的大地構(gòu)造環(huán)境和現(xiàn)今的地球動力學(xué)背景，在中國西北部干旱、半干旱地區(qū)的沖洪積扇(群)上遺留了大量走滑活動斷層的斷錯地貌。晚第四紀(jì)以來斷層的持續(xù)錯動在沖洪積扇、階地等地貌面上留下了豐富的斷層構(gòu)造地貌，如拉分盆地、山脊錯斷、沖溝扭動、斷層陡坎和擠壓脊等。以往的工作多集中在沖洪積扇面、階地面的形成年齡，沖洪積扇、階地的形成與氣候變化以及斷層活動速率的定量研究(Molnaretal.，1994； Thompsonetal.，2002； 張培震等，2008)。Zhang等(2007)提出了河流階地響應(yīng)走滑斷層活動的演化模型，認(rèn)為被斷層活動錯入河道的階地將受到更多河流侵蝕從而導(dǎo)致斷層下游兩岸階地的不對稱發(fā)育，并總結(jié)了獲得河流階地位錯量以及計(jì)算斷層活動速率的不同方法。李海兵等(2008)在Zhang等(2007)提出的河流階地演化模型的基礎(chǔ)上又考慮了河流側(cè)向侵蝕對河流階地發(fā)育的影響，分析了其對斷層滑移速率的影響。任治坤等(2014)提出了在考慮河流側(cè)向侵蝕情況下根據(jù)河流階地位錯量計(jì)算斷層滑動速率的計(jì)算方法。許斌斌等(2019)在Zhang等(2007)的模型基礎(chǔ)上，考慮了地形因素對河流階地發(fā)育的影響，認(rèn)為在地形較高的一側(cè)河流階地更易保存，以該側(cè)階地位錯量計(jì)算的斷裂滑動速率更為可靠。這些方法與模型等只考慮了直立的純走滑斷層，而未考慮可能存在的斷層傾滑分量對斷錯地貌產(chǎn)生的影響。本文介紹了洪積扇頂部受走滑斷層錯動形成的斷層陡坎地貌特征，并以新疆塔城地區(qū)冬別列克斷裂南段的阿合別斗河洪積扇上的斷層地貌特征為例，從斷層運(yùn)動和洪積扇頂部地形特征分析斷層陡坎的成因和類型。

1 沖洪積扇頂部的錯斷地貌

走滑斷層斷錯具有較大坡角、扇狀分布的沖洪積扇頂部時(shí)，在河道兩側(cè)的同一級扇面上往往形成坡向相反的斷層陡坎地貌，即使在河道的同一側(cè)，位于沖洪積扇不同部位的斷層陡坎的高度也相差較大。在考慮走滑斷層的傾滑分量時(shí)，往往會形成更復(fù)雜的斷錯地貌(Walkeretal.，2006； 李傳友等，2007)。下文將從純走滑斷層、兼具傾滑分量的走滑斷層活動在山前洪積扇面上形成的斷層陡坎入手，分析不同傾向、不同傾滑分量的走滑斷層錯動洪積扇頂部形成的斷層陡坎的坡向和高度變化等地貌特征。

1.1 純走滑斷層的斷錯地貌

直立的走滑斷層(以左旋走滑運(yùn)動為例，下同)斷錯沖洪積扇頂部的扇形或半圓錐狀地貌時(shí)，由于地形坡度的影響往往會在洪積扇表面形成斷層視陡坎(圖2a，b)(Oskinetal.，2012； 任俊杰，2013)。由于山前的沖積扇地形具有中軸線部位高、向河流下游和左右兩側(cè)降低的地形特征，在洪積扇左側(cè)(面對洪積扇，下同)的地貌面，斷層左旋走滑錯動將上游盤(位于河流上游一側(cè)的斷層盤，一般指地勢較高的一盤)向左錯動，使得上游盤洪積扇中軸部位上凸的高地勢地形與下游盤(位于河流下游一側(cè)的斷層盤，一般指地勢較低的一盤)洪積扇中軸左側(cè)的低地勢地形相接觸，形成與地形坡向一致的斷層陡坎(正向陡坎)。在洪積扇右側(cè)，上游盤洪積扇中軸右側(cè)的低地勢地形(相對于本盤洪積扇中軸部位)與下游盤中軸處的高地勢地形直接接觸，形成陡坎坡向與整體地形坡向相反的斷層陡坎(反向陡坎)(圖2b)。當(dāng)斷層存在一定傾角時(shí)，無論傾向山區(qū)或山前平原，斷層陡坎的坡向均不變(圖2c，d)，但陡坎的視高度可能會發(fā)生一定變化。

圖2 走滑斷層活動影響下的沖洪積扇地貌特征Fig. 2 Geomorphic characteristics of alluvial-diluvium fan under the influence of strike-slip fault activity.a 未受斷層活動影響的洪積扇地貌； b、c、d 斷層直立、傾向山區(qū)、傾向山前平原的純走滑斷錯地貌模型； e、f 斷層傾向山區(qū)、傾向山前平原的逆走滑斷錯地貌模型； g、h 斷層傾向山區(qū)、傾向山前平原的正走滑斷錯地貌模型

圖3 冬別列克斷裂的衛(wèi)星影像解譯Fig. 3 Interpretation of satellite image of the Dongbielieke Fault.a 冬別列克斷裂的衛(wèi)星影像； b 研究區(qū)位置； c 阿合別斗河段沖洪積扇的斷錯地貌； d 阿合別斗河的河流階地

1.2 逆走滑斷層的斷錯地貌

當(dāng)逆走滑斷層傾向山區(qū)時(shí)(圖2e)，上游盤為斷層上盤、下游盤為斷層下盤。斷層的逆沖分量使斷層上盤整體地形抬升，增大了斷層走滑活動在洪積扇左側(cè)形成的正向斷層陡坎的高度。在洪積扇中軸線右側(cè)，斷層的逆沖活動降低了斷層走滑產(chǎn)生的反向視陡坎的高度，如果斷層逆沖分量足夠大，則可形成正向斷層陡坎； 如果逆沖分量較小，則仍表現(xiàn)為反向斷層陡坎； 當(dāng)逆沖分量與水平錯動在洪積扇面形成的視陡坎高度相等時(shí)，在洪積扇面上則不表現(xiàn)為斷層陡坎。

當(dāng)逆走滑斷層傾向山前平原時(shí)，其地貌特征如圖2f所示。斷層的下游盤為逆斷層上盤，上游盤為逆斷層下盤，斷層逆沖活動增大了斷層左旋走滑在洪積扇右側(cè)產(chǎn)生的反向斷層陡坎的高度，降低了左側(cè)正向斷層陡坎的高度甚至反轉(zhuǎn)了陡坎坡向。

1.3 正走滑斷層的錯斷地貌

當(dāng)正走滑斷層傾向山區(qū)時(shí)，此時(shí)上游盤為斷層上盤，下游盤為斷層下盤，其地貌特征表現(xiàn)如圖2g所示。斷層的正斷活動使斷層上盤整體地勢降低，在地形上增大了右側(cè)由于斷層左旋走滑產(chǎn)生的反向斷層陡坎的高度，降低了左側(cè)正向斷層陡坎的高度甚至反轉(zhuǎn)了陡坎坡向。

當(dāng)正走滑斷層傾向山前平原時(shí)，斷錯地貌特征如圖2h所示，此時(shí)上游盤為斷層下盤，下游盤為斷層上盤。斷層的正斷活動增大了斷層左旋走滑在洪積扇左側(cè)產(chǎn)生的正向斷層陡坎的高度，降低了右側(cè)反向斷層陡坎的高度甚至反轉(zhuǎn)了陡坎坡向。

結(jié)合以上洪積扇形態(tài)特征與斷層活動特征，提出了對應(yīng)的洪積扇斷層地貌模型。需要注意的是，在洪積扇走滑斷層地貌中觀察到的斷層陡坎高度并非斷層真實(shí)的垂直位錯量，其中包含了地形效應(yīng)的視陡坎高度(任俊杰，2013)，易導(dǎo)致走滑斷層傾滑分量測量的偏差。

2 冬別列克斷裂阿合別斗河洪積扇上的斷錯地貌

2.1 冬別列克斷裂的構(gòu)造背景

塔城盆地為西準(zhǔn)噶爾山地內(nèi)的一個(gè)山間盆地，位于天山與阿爾泰山之間。冬別列克斷裂為塔城盆地的東邊界斷裂，斷裂以東為巴爾魯克山，以西為塔城盆地(圖3a，b)。西準(zhǔn)噶爾山為華里西期褶皺造山隆起區(qū)(羅福忠等，2015)，塔城盆地是在此基底上發(fā)育的新生代山間盆地(馮乾文等，2009)。在塔城盆地北、東、南三緣皆有活動斷裂分布，構(gòu)成了盆地與山地之間的地質(zhì)分界線(羅福忠等，2015)。

冬別列克斷裂為NE-SW走向，北起喀拉也木勒鎮(zhèn)，向SW經(jīng)加拉克村、布谷吐村、霍吉爾特、老風(fēng)口，在裕民縣東與裕民南斷裂交會，衛(wèi)星影像上線性特征明顯(圖3a)，總長約120km。現(xiàn)有研究成果表明，該斷裂是一條斷面傾向SE、以左旋走滑運(yùn)動為主兼有逆沖分量的全新世活動斷裂(羅福忠等，2015； 姚遠(yuǎn)等，2015，2019)。

2.2 阿合別斗河段的洪積扇與河流階地

阿合別斗河發(fā)源于巴爾魯克山北麓，向NW流經(jīng)冬別列克斷裂進(jìn)入塔城盆地，在山前地帶發(fā)育2期沖洪積扇(Fan1和Fan2)和1期殘留的山前臺地(S1)(圖3c)。洪積扇Fan1發(fā)育規(guī)模較大，扇緣部位延伸至距巴爾魯克山約6km的阿合別斗鄉(xiāng)附近。洪積扇Fan1的中軸線為NW向，扇體SW側(cè)的地勢高于NE側(cè)，在河流兩岸皆有分布。Fan2扇體是由多個(gè)新沖溝洪積扇組成的洪積扇裙，覆蓋于Fan1之上(圖3c)。該區(qū)域洪積扇表面發(fā)育多條N或NW流向的沖溝，斷層活動使得沖溝發(fā)生左旋位錯(圖3c)。

2.3 地貌面的斷錯特征

2.3.1 位移測量方法簡介

為獲得阿合別斗河段斷層活動的位移數(shù)據(jù)，我們利用無人機(jī)獲取了該區(qū)域的高精度DEM數(shù)據(jù)(圖3d)，并結(jié)合Olaf Zielke開發(fā)的DispCalc_Bathy_v2程序?qū)鄬拥奈诲e量進(jìn)行了測量。將目標(biāo)區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入該程序之后，進(jìn)行以下操作： 1)根據(jù)影像上的斷錯地貌選取2個(gè)地貌點(diǎn)進(jìn)行連線以確定斷層位置； 2)在斷層兩盤進(jìn)行地貌點(diǎn)選擇確定被錯斷的線性標(biāo)志物(如河流沖溝、山脊、河流階地前緣等)的分布形態(tài)，此步驟可獲得所測量測線位置的水平位錯量(圖4a，c，e，g)以及測線的高程剖面； 3)選取高程剖面上的2點(diǎn)對高程剖面進(jìn)行線性擬合，兩盤在斷層位置的高程差值即為斷層的垂直位錯量(圖4b，d，f，h)。該程序在測量斷層垂直位錯時(shí)利用了彎折剖面的測量方法，與簡單的直線剖面測量方法相比能更加真實(shí)地反映斷層的垂直位錯量，減少地形因素的影響(Langridgeetal.，2017)。為減小操作過程中人為造成的誤差，每條測線的地貌點(diǎn)選取均進(jìn)行10次。剖面位置見圖3d(P1—P8)，測量結(jié)果見圖4 和圖5。

圖4 河流階地的水平及垂直位錯量(通過DispCalc_Bathy_v2程序測得)Fig. 4 Horizontal and vertical displacement of river terraces.黑色直線表示斷層位置，空心圓為確定斷層位置的地貌選點(diǎn)，紅色與藍(lán)色圓點(diǎn)為測量時(shí)選擇的地貌點(diǎn)，紅色與藍(lán)色線段為2盤的標(biāo)志測量線，白色線段為地貌點(diǎn)連線向斷層方向的延長線，與斷層相交于方點(diǎn)處，白色雙向箭頭指示斷層的水平位錯量。黃色圓點(diǎn)為擬合高程剖面線性關(guān)系時(shí)的選點(diǎn)位置，黃色線段為擬合后的線性關(guān)系并延伸至斷層的位置，黃色方點(diǎn)為其 交點(diǎn)，黑色雙向箭頭指示斷層的垂直位錯量

圖5 反向斷層陡坎的高度變化(測量位置見圖3d)Fig. 5 Heights at different locations of uphill-facing scarps.圖中點(diǎn)、線等要素標(biāo)志說明同圖4

2.3.2 斷層的水平位移

線性地貌的同步位錯是斷層水平運(yùn)動的地貌表現(xiàn)(Allenetal.，1984； Kelleretal.，1996)，河流階地被斷層活動所影響，其地貌特征可以很好地反映斷層的活動性質(zhì)(馬保起等，2005； 嚴(yán)珍珍等，2013； 任治坤等，2014)。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，阿合別斗河附近洪積扇面上的沖溝發(fā)生明顯的左旋扭動現(xiàn)象，水平位移量約為8m(圖6f)，并發(fā)育斷頭溝(圖3c)。阿合別斗河的多級河流階地受斷層活動影響發(fā)生左旋水平位移，多個(gè)地貌標(biāo)志的同步位錯可以很好地限定斷層的滑動速率。

2.3.3 斷層陡坎的高度、坡向

在阿合別斗河西南約1～3km處，斷層活動在洪積扇Fan2與山前臺地S1之間形成了正向斷層陡坎(圖3c)。陡坎坡向NW，高1～5m不等，多數(shù)約為3m(圖6e)。在其中一條沖溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層露頭，斷層傾向?yàn)?65°，傾角為80°，新近紀(jì)紅色砂巖逆沖到晚更新世洪積礫石層之上(圖6a)。

圖6 野外斷層露頭及地貌斷錯現(xiàn)象的照片F(xiàn)ig. 6 Field photos showing fault and landform features.a 阿合別斗河左岸1km處的逆斷層露頭； b、c 阿合別斗河左岸溝壁的斷層露頭； d 阿合別斗河右岸的反向陡坎地貌； e 阿合別斗河左岸1km處的正向陡坎地貌； f 發(fā)生左旋錯斷的沖溝； g 河流左岸沿?cái)鄬臃植济艿木€狀植被

受斷層活動影響，在河流右岸T4階地、左岸T2階地均形成反向斷層陡坎，分別測得陡坎的高度約為3.6m(圖4d)和1.5m(圖4b)。河流左岸T4階地、右岸T3階地因分布局限，未發(fā)現(xiàn)斷層兩盤相應(yīng)的地貌標(biāo)志被斷錯。右岸T1階地(高漫灘)受到人工建造水渠的影響，也未發(fā)現(xiàn)斷層錯動的構(gòu)造微地貌。

在阿合別斗河?xùn)|北約1km處，斷層活動在地貌面形成正向斷層陡坎，該段正向斷層陡坎發(fā)育在沖積扇Fan1與臺地面S1的分界處，陡坎坡向NW(圖3c)，陡坎高度最高可達(dá)5m。

河流的左、右兩岸，在反向斷層陡坎與正向斷層陡坎之間分別存在一段無斷層陡坎發(fā)育的地段，斷層活動使得阿合別斗河附近的斷錯地貌整體自NE-SW呈現(xiàn)出正向斷層陡坎—無陡坎—反向斷層陡坎—無陡坎—正向斷層陡坎的地貌特征(圖3c)。

3 討論與初步認(rèn)識

3.1 阿合別斗河洪積扇頂部反向斷層陡坎的形成

姚遠(yuǎn)等(2015，2019)的研究表明，冬別列克斷裂南段的運(yùn)動性質(zhì)為左旋逆走滑，結(jié)合上文的洪積扇頂部錯斷地貌模型分析，阿合別斗河沖洪積扇頂部應(yīng)發(fā)育如圖2e所示的斷錯地貌特征，即斷層活動導(dǎo)致洪積扇的中軸左側(cè)形成正向斷層陡坎，而在右側(cè)不發(fā)育或發(fā)育高度很低的反向斷層陡坎或正向斷層陡坎。野外調(diào)查和陡坎高度測量結(jié)果顯示，洪積扇Fan1上阿合別斗河左、右兩岸反向陡坎的最大高度分別為4.7m和5.2m，河流T2階地也發(fā)育高1.5m的反向斷層陡坎，與圖2e中表示的斷錯地貌特征不一致。張波等(2016)在青藏高原東北緣金塔南山斷裂開展的工作表明，走滑斷層的斷層面傾向通常不固定，導(dǎo)致同一斷層在不同位置發(fā)育不同坡向的斷層陡坎。但在河床左、右各1km之外的山前洪積扇上，斷層陡坎轉(zhuǎn)變?yōu)槠孪騈W的正向斷層陡坎(圖3c)，陡坎高1～5m不等。河流階地錯斷地貌特征顯示，最近一次斷層活動約發(fā)生在9.5kaiBP(姚遠(yuǎn)等，2019)，斷層錯斷了T2階地，導(dǎo)致T2階地發(fā)生約10m的左旋位錯，并形成了高約1.5m的反向斷層陡坎，結(jié)合圖6a、b中斷層傾向SE的事實(shí)，認(rèn)為冬別列克斷裂阿合別斗河段最新活動應(yīng)為正斷左旋走滑運(yùn)動性質(zhì)。而在河流左岸1.5km處的斷層露頭上，冬別列克斷裂顯示為逆斷層(圖6a)，這些實(shí)際材料表明斷層的傾滑運(yùn)動性質(zhì)可能發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

圖7 阿合別斗河段的陡坎地貌發(fā)育模型Fig. 7 Model showing the development of fault scarps in Ahebiedou River section.

根據(jù)阿合別斗河洪積扇上的斷錯地貌特征，我們重建了斷錯地貌的發(fā)育過程。在山前洪積扇Fan1形成之前，地貌面S1廣泛分布于巴爾魯克山前(圖7a)，斷層的左旋逆沖活動使得沿山前地帶的洪積扇上形成連續(xù)的正向斷層陡坎，陡坎累積高度應(yīng)約等于Fan1洪積扇上反向陡坎的高度(5.2m)與其以北約1km處正向斷層陡坎的高度(約5m)之和，即約10m(圖7b)； 之后洪積扇Fan1開始發(fā)育，上疊在地貌面S1之上，同時(shí)將阿合別斗河出山口處的正向斷層陡坎埋藏或侵蝕，此時(shí)洪積扇Fan1南、北兩側(cè)仍保存正向斷層陡坎地貌(圖7c)。約44.85kaiBP之后(姚遠(yuǎn)等，2019)阿合別斗河開始下切洪積扇Fan1，在河流左、右兩岸形成階地。之后冬別列克斷層的運(yùn)動性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂姓龜喾至康淖笮呋顒?，多次活動使阿合別斗河左、右兩岸的正向陡坎高度逐漸降低。T2階地形成之前，阿合別斗河?xùn)|北約1km處的正向斷層陡坎的高度約為6.3m，洪積扇Fan1(對應(yīng)T5階地)上的斷層陡坎高約3.7m(圖7d)。T2階地形成之后，斷層再次發(fā)生左旋正斷錯動，在T2階地形成高約1.5m的反向斷層陡坎，同時(shí)T2階地發(fā)生約10m的左旋水平位移，洪積扇Fan1上的反向斷層陡坎高度增至約5.2m。且在此期間，洪積扇Fan1西側(cè)被新洪積扇Fan2覆蓋，不同程度地影響了河流左岸先存的正向斷層陡坎的高度(圖7e)。河流左岸1.5km處的正向斷層陡坎與河流右岸類似，現(xiàn)今陡坎高1～5m不等。至此，在阿合別斗河附近形成了自NE-SW、連續(xù)分布的正向斷層陡坎—無陡坎—反向斷層陡坎—無陡坎—正向斷層陡坎的斷錯地貌現(xiàn)象。

3.2 冬別列克斷裂阿合別斗段的晚第四紀(jì)活動性質(zhì)

冬別列克斷裂阿合別斗河段的斷層活動性質(zhì)在晚第四紀(jì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原先的左旋逆沖走滑轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龜嘧呋再|(zhì)，并發(fā)生多次活動。洪積扇Fan1的堆積埋藏了出山口位置先存地貌面的正向斷層陡坎地貌，隨著斷層發(fā)生左旋正走滑活動，在出山口位置的洪積扇上開始發(fā)育反向斷層陡坎，而出山口兩側(cè)原有的正向斷層陡坎的高度下降，最終形成了自SW-NE連續(xù)的正向斷層陡坎—無陡坎—反向斷層陡坎—無陡坎—正向斷層陡坎的斷錯地貌現(xiàn)象。

另外，本文關(guān)于研究點(diǎn)上斷層運(yùn)動性質(zhì)變化的推測僅僅是依據(jù)構(gòu)造地貌演化和有限的斷層露頭得到的初步認(rèn)識，對塔城盆地東緣冬別列克斷裂晚第四紀(jì)的運(yùn)動性質(zhì)還需要進(jìn)一步的研究才能得到全面認(rèn)識。

致謝在本文寫作過程中得到了中國地震局地質(zhì)研究所張偉恒博士的幫助； 審稿專家對本文提出了許多有益的修改意見。在此一并表示感謝!