東南天山焉耆盆地洪水溝斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)特征及構(gòu)造意義

殷 娜，付國(guó)超，孫晶巖，王艷萍

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201；2.河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北三河 065201；3.中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100010；4.天津市地震局，天津 300201）

0 引言

受印度和歐亞板塊在新生代早期碰撞作用的遠(yuǎn)程影響，天山遭受了強(qiáng)烈擠壓和隆升，成為大陸內(nèi)部典型的新生代復(fù)活造山帶［1-5］，并形成了一系列的大型褶皺和逆沖斷裂以及山脈兩側(cè)近東西向延伸的山間盆地，南部塔里木盆地與天山及北部準(zhǔn)噶爾盆地的地形起伏高達(dá)3000m（圖1）。進(jìn)入晚第四紀(jì)以來(lái)，這些山間盆地內(nèi)的活動(dòng)斷裂帶持續(xù)發(fā)生變形，控制著諸多強(qiáng)震事件的孕育、破裂和傳播過(guò)程（圖1）。其中主要活動(dòng)斷裂包括（圖1）：秋里塔格斷裂（F1-1）、哈桑托開(kāi)斷裂（F1-2）、庫(kù)姆格列木斷裂（F1-3）、興地?cái)嗔眩‵2）、庫(kù)爾勒斷裂（F3）、霍拉山南緣斷裂（F4）、洪水溝斷裂（F5）、北輪臺(tái)斷裂（F6）、哈拉毛墩斷裂（F7）、焉耆盆地北緣斷裂（F8）、可肯達(dá)坂斷裂（F9）、包爾圖斷裂（F10）、巴音布魯克斷裂（F11）、特克斯斷裂帶（F12）、新源斷裂（F13）、雅馬渡斷裂（F14）、阿吾拉勒山南緣斷裂（F15）、博羅科努斷裂（F16）、準(zhǔn)噶爾南緣斷裂（F17-1）、西山斷裂（F17-2）、博格達(dá)北緣斷裂（F17-3）、獨(dú)山子-安集海-霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯斷裂帶（F18）、阜康斷裂（F19）、火焰山斷裂帶（F20）、闊克沙勒斷裂（F21）、拱拜孜斷裂（F22）、塔斯特-巴爾雷克斷裂（F23）、托里斷裂（F24）和達(dá)爾布特?cái)嗔眩‵25）。因此，研究這些山間盆地內(nèi)部活動(dòng)斷裂現(xiàn)今變形的幾何學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，對(duì)于理解天山內(nèi)部的現(xiàn)今構(gòu)造變形具有重要的科學(xué)意義，同時(shí)對(duì)于該地區(qū)的地震風(fēng)險(xiǎn)防范工作具有重要的實(shí)踐意義。

焉耆盆地位于東天山南部，盆地內(nèi)部發(fā)育了以開(kāi)都河斷裂為代表的一系列活動(dòng)斷裂帶［6-10］（圖1）。其中，可肯達(dá)坂斷裂、夏爾木特?cái)嗔?、洪水溝斷裂和松?shù)達(dá)坂斷裂共同構(gòu)成了開(kāi)都河斷裂西北端的主要分支（圖2、圖3）。洪水溝斷裂沿線分布有5個(gè)現(xiàn)代中小地震（3.0≤M≤5.0），斷裂的南端對(duì)開(kāi)都河河谷似有一定的控制作用。此外，1927年9月23日在開(kāi)都河斷裂北部的察汗烏蘇一帶曾經(jīng)發(fā)生過(guò)MS6.8地震，震中破壞強(qiáng)烈，烈度達(dá)到Ⅷ度。但是受研究條件所限，前人對(duì)洪水溝斷裂晚第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造變形特征研究基礎(chǔ)很薄弱，取得的認(rèn)識(shí)有限。同時(shí)，對(duì)于1927年MS6.8地震的發(fā)震構(gòu)造研究也存在爭(zhēng)議［9-12］。因此，本文基于野外地質(zhì)地貌調(diào)查、探槽開(kāi)挖、年代測(cè)試等工作，對(duì)洪水溝斷裂晚第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造變形特征進(jìn)行了調(diào)查研究。研究結(jié)果有助于我們更全面地認(rèn)識(shí)東南天山內(nèi)部的構(gòu)造變形特征，以及印度和歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程響應(yīng)。

圖3 洪水溝斷裂及鄰區(qū)影像解譯圖Fig.3 The interp reted satellite m ap of Hongshuigou fau lt and its ad jacen t area by Google earth im ages

1 地質(zhì)構(gòu)造與地震背景

研究區(qū)地處天山褶皺構(gòu)造帶的南部，與塔里木地臺(tái)具有相同的基底和震旦、寒武紀(jì)蓋層發(fā)育，即早古生代階段為塔里木地臺(tái)的北部大陸邊緣，自?shī)W陶紀(jì)后期逐漸與塔里木地臺(tái)分化，以天山南緣斷裂（北輪臺(tái)-辛格爾斷裂）與塔里木地臺(tái)為界。該褶皺帶是經(jīng)加里東、華力西運(yùn)動(dòng)而逐步形成的向南、向北倒轉(zhuǎn)的疊瓦狀扇形造山帶。燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)使褶皺帶進(jìn)一步隆起并產(chǎn)生斷塊差異運(yùn)動(dòng)。晚第四紀(jì)以來(lái)構(gòu)造活動(dòng)以整體隆升為主，斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈。

研究區(qū)地層從太古界、古生界至新生界均有出露，其中古生界只有泥盆系和石炭系，分布最廣，中生界缺失。研究區(qū)內(nèi)第三系分布于東北地區(qū)，巖性為磚紅色、粉紅色、淺灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、砂巖及礫巖，厚度約920m。第四系以沖洪積物和殘坡積物為主，局部見(jiàn)冰川堆積物，分布于開(kāi)都河和察汗烏蘇河的河谷中，局部地段組成河流階地。夷平面上的殘積紅土厚數(shù)米，最厚可達(dá)十余米。

研究區(qū)地貌類型以侵蝕中高山為主?？傮w地勢(shì)由西北向東南方向傾斜，并逐漸過(guò)渡至塔里木盆地。區(qū)內(nèi)最高峰哈勒哈特達(dá)坂地區(qū)海拔4220m，最低處的渡口村野云溝海拔為980m，最大高差可達(dá)3240m以上，一般相對(duì)高差1000～1500m，表現(xiàn)出構(gòu)造侵蝕地貌的特征。

開(kāi)都河是區(qū)內(nèi)主干河流，由西北向東南流經(jīng)全區(qū)。河流強(qiáng)烈下切，河谷深狹，形成巨大的“V”型河谷。根據(jù)鄧起東等［13］的研究結(jié)果，開(kāi)都河發(fā)育7級(jí)階地，T1級(jí)階地屬全新世階地，T2、T3級(jí)階地屬晚更新世階地，T4級(jí)（含T4級(jí)）以上階地均為中更新世階地。

研究區(qū)內(nèi)的主要斷裂構(gòu)造為近東西方向，并以高角度逆沖斷層和不對(duì)稱擠壓褶皺為主，呈現(xiàn)出對(duì)沖式斷層-褶皺組合形式。以開(kāi)都河斷裂帶為界，北部地區(qū)自北向南逆沖，南部地塊則向北逆沖，從而形成區(qū)域上以松樹(shù)達(dá)坂斷裂帶和可肯達(dá)坂斷裂帶為邊界的壓陷構(gòu)造帶。

受這些斷裂活動(dòng)的控制和影響，截至2020年12月31日，研究區(qū)內(nèi)共記錄到破壞性地震（MS≥4.7）地震63次，其中，MS6.0～6.9地震3次、MS7.0～7.9地震2次、MS8.0地震1次（圖1）。研究區(qū)內(nèi)記錄最早的一次地震為1812年新疆尼勒克東8級(jí)地震，該地震也是區(qū)域內(nèi)震級(jí)最大的地震。距離洪水溝斷裂最近的是1927年MS6.8地震，其震中推測(cè)在察汗烏蘇一帶。

2 洪水溝斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)的地表地質(zhì)調(diào)查

洪水溝斷裂為開(kāi)都河斷裂帶的一條次級(jí)斷裂（圖1～3），西起烏拉斯臺(tái)以西，經(jīng)察汗烏蘇河口、大山口、小山口，向東延入焉耆盆地西側(cè)，全長(zhǎng)約210km。斷裂走向N290°W，傾向NE，傾角約70°。斷裂地貌清楚，主要表現(xiàn)為斷層槽地、斷層崖、斷階地貌，并控制開(kāi)都河的分布和流向。前人研究認(rèn)為該斷裂以逆沖擠壓變形為主。據(jù)鄧起東等研究結(jié)果［13］，斷裂活動(dòng)斷錯(cuò)了開(kāi)都河Ⅳ級(jí)階地，其垂直位錯(cuò)量達(dá)20m，斷裂東段錯(cuò)斷開(kāi)都河晚更新世階地堆積物，使泥盆紀(jì)火山凝灰?guī)r逆沖于階地沖積物之上，被現(xiàn)代坡積礫石覆蓋，為晚更新世活動(dòng)斷裂［13］。本次研究圍繞該斷裂的晚第四紀(jì)活動(dòng)開(kāi)展了調(diào)查（圖4、圖5），在此將7個(gè)代表性調(diào)查點(diǎn)的特征介紹如下，調(diào)查點(diǎn)分布位置見(jiàn)圖2。

圖5 洪水溝斷裂斷錯(cuò)地貌及探槽特征圖（調(diào)查點(diǎn)D5～D6分別對(duì)應(yīng)于a和b）Fig.5 The geom orphic characteristics of fault d islocation and trench characteristics along the Hongshuigou fault zone（typical investigation sites D5-D6 are corresponding to m ap a and b respectively）

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斷裂形成了長(zhǎng)約25km的地表破裂帶，主要由一系列近東西向展布的斷層陡坎組成，同時(shí)伴隨有比較明顯的沖溝右旋位錯(cuò)和扭曲變形（圖4、圖5，D1～D6）。其中，斷層陡坎的高度范圍為0.8～0.9m，沖溝的右旋位錯(cuò)量分布介于2.0～5.0m。

野外調(diào)查工作同時(shí)開(kāi)挖清理了一個(gè)探槽（調(diào)查點(diǎn)D7）。探槽位置位于開(kāi)都河T2階地上，與斷裂走向基本正交。探槽長(zhǎng)約30m，寬約4m，深約3m，野外編錄共揭示了3套不同的地層。其中，第1層為近地表灰白的現(xiàn)代沖洪積物，平均厚度約20cm，主要成分為小顆粒的礫石，磨圓和分選較好；第2層為棕黃色的礫石層夾中粗砂，下盤(pán)可見(jiàn)厚度約80cm，上盤(pán)平均厚度約30cm，具有明顯的分選和層理；第3層為黑褐色的卵石層夾中粗砂，上盤(pán)可見(jiàn)厚度約130cm，分選和層理比較清楚。根據(jù)地層的變形特征與彼此的交切關(guān)系，在該探槽中識(shí)別出比較明顯的斷裂帶F1。斷裂帶F1整體傾向NW，3個(gè)分支斷層都表現(xiàn)為擠壓逆沖性質(zhì)，傾角約70°。該斷裂帶的構(gòu)造變形明顯擾動(dòng)了地層3-2。地層1可能為坎前加積地層，其右端厚度相對(duì)左端明顯加厚（圖6，調(diào)查點(diǎn)D7）。根據(jù)探槽中斷層上下盤(pán)地層2的厚度估算，該斷層造成約0.9m的垂直斷距，和地表觀測(cè)的垂直位移量基本一致。

圖6 洪水溝斷裂調(diào)查點(diǎn)D7探槽特征圖（A和B分別為原始圖與編錄圖）Fig.6 The trench characteristics of D7 investigation site of the Hongshuigou fault（A and B represent the original photo and in terpreted m ap respectively）

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所在該地區(qū)開(kāi)展某建設(shè)工程的地震安全性評(píng)價(jià)時(shí)［12］，對(duì)洪水溝斷裂開(kāi)展了調(diào)查，獲得了與本研究類似的研究結(jié)果（圖7）。

圖7揭示泥盆系（D2s）灰褐色千枚巖、砂巖逆沖到上第三系磚紅色粉砂巖、細(xì)砂巖之上。斷層產(chǎn)狀325°／NE∠79°。斷裂通過(guò)的地方，有90m寬的斷層破碎帶。斷裂在地貌上形成高差約50～70m的斷層槽地，谷底平坦，在山脊處形成埡口。斷層面斷錯(cuò)上更新統(tǒng)（Q3）灰黃色含礫砂土。

圖7 洪水溝斷層小山口電站剖面圖［12］Fig.7 Profile of Xiaoshankou hyd ropower station in Hongshuigou fau lt［12］

為了進(jìn)一步揭示該處的最新活動(dòng)時(shí)代，本次野外工作采集了1個(gè)光釋光（OSL）年代學(xué)樣品，采樣位置見(jiàn)調(diào)查點(diǎn)D7，并在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所新構(gòu)造年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用SMAR細(xì)顆粒石英方法完成年代測(cè)試，結(jié)果為44.29±5.35ka，所得到的結(jié)果與中國(guó)地震局地質(zhì)研究所1998年對(duì)開(kāi)都河階地年齡的研究結(jié)果基本一致。因此，綜合探槽剖面和年代測(cè)試結(jié)果及野外調(diào)查認(rèn)為，洪水溝斷裂在晚第四紀(jì)期間構(gòu)造變形強(qiáng)烈。

根據(jù)斷裂最新活動(dòng)時(shí)代、位移量、地表破裂長(zhǎng)度和震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系式［5，13］，可以估算該古地震事件的震級(jí)約為7.0。

3 結(jié)果與討論

洪水溝斷裂在晚第四紀(jì)期間曾發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的右旋走滑為主兼逆沖的構(gòu)造變形。野外調(diào)查同時(shí)發(fā)現(xiàn)沿洪水溝斷裂發(fā)生過(guò)1次強(qiáng)震地表破裂變形，形成約25km的地表破裂帶，震級(jí)估算為7.0級(jí)。

受印度和歐亞板塊在新生代早期碰撞作用的遠(yuǎn)程影響，天山的現(xiàn)今構(gòu)造變形表現(xiàn)為逆沖縮短。但本研究揭示，以洪水溝斷裂為代表的山間盆地內(nèi)這些斷裂晚第四紀(jì)的走滑剪切變形在天山內(nèi)部構(gòu)造變形調(diào)節(jié)與分配過(guò)程中的作用不容忽視。

致謝：野外調(diào)查和探槽古地震研究得到了中國(guó)地震局地質(zhì)研究所和新疆維吾爾自治區(qū)地震局及焉耆縣地震局的大力協(xié)助。論文審稿專家與編輯提出了寶貴的修改意見(jiàn)。謹(jǐn)致謝忱。