六盤山斷裂帶構造活動特征及流域盆地地貌響應

六盤山斷裂帶構造活動特征及流域盆地地貌響應

劉興旺1，2，3， 袁道陽1， 史志剛4， 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觀測研究站，甘肅 蘭州730000；

3.蘭州大學西部環境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州730000； 4.中國地質科學院地質研究所，北京100037)

摘要：通過航衛片解譯和野外實地調查，對六盤山斷裂帶新活動特征開展詳細研究。調查發現六盤山東麓斷裂為一條全新世活動的逆左旋走滑斷裂，而六盤山西麓斷裂為晚更新世活動的擠壓逆沖斷裂，二者的構造活動控制和影響了本區的地貌發育和地震活動。同時利用SRTM數據提取六盤山東西兩側涇河和水洛河上游流域盆地水系，得到流域盆地面積-高程積分值(HI值)分布圖，探討本區活動構造和地貌的響應關系。分析結果表明，在相同的巖性條件下六盤山東側的HI值要低于西側，反映了活動斷裂對本地區地貌演化特征的不同影響。上述地貌分析研究為認識和理解六盤山地區地貌演化以及控制因素提供了基礎數據和思路。

關鍵詞：流域盆地面積； 高程積分； 活動構造； 六盤山斷裂帶

收稿日期：*2014-04-24

基金項目：中國地震局地質研究所基本科研業務費專項(IGCEA1220)；中國科學院戰略性先導科技專項(XDB03020201)

作者簡介：劉興旺(1980-)，男，助理研究員，主要研究方向為活動構造及地貌.E-mail：lxw_27@163.com

中圖分類號:P315.2文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0168

Tectonic Activity Characteristics of the Liupanshan Fault Zone

and Geomorphologic Response of Drainage Basin

LIU Xing-wang1，2，3， YUAN Dao-yang1， SHI Zhi-gang4， SU Qi1

(1.LanzhouInstituteofSeismology，CEA，Lanzhou，Gansu730000，China；

2.LanzhouNationalObservatoryofGeophysics，Lanzhou，Gansu730000，China；

3.KeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentalSystemwiththeMinistryofEducation，LanzhouUniversity，

Lanzhou，Gansu73000，China； 4.InstituteofGeology，ChineseAcademyofGeologicalSciences，Beijing100037，China)

Abstract：Liupanshan is located at the border of the Ningxia Hui autonomous region，Gansu and Shanxi provinces.It belongs to the northern section of the north-south seismic structural zone, and according to its geological structures，it is located in the transitional region between the Ordos block of the western North China Plate and the Qilianshan orogenic belt of the northeastern Qinghai-Tibetan block.Its structures and landform development have their own specificity and sensitivity.Under the premise of the rapid uplift of the Tibetan Plateau and northeastern extension in the late Cenozoic，the Liupanshan area experienced strong deformational tectonic processes.These processes have controlled the development of regional landforms and evolution of rivers.The Liupanshan Fault zone includes the eastern and western Liupanshan piedmont faults，and based on the interpretation of aerial and satellite photos and data from field surveys，we undertook a detailed investigation of its activities.The total length of the eastern Liupanshan piedmont fault is ～90 km.The fault extends southward from Xiaokou to Majiaxinzhuang with an overall NW trend.The fault topography is very clearly defined along the fault.Analyses of its geomorphological features and of a typical fault section suggest that the eastern Liupanshan piedmont fault has characteristics of left-lateral thrust and that it moved in the late Holocene.According to the measurement of the offset terrace at Houmohe，the displacement of the T2 is about (25±3) m.The age of the T2 is about (9372±86) a based on 14C dating and therefore，we estimated the slip rate to be about (3.2±0.5) mm/a.This result was consistent with a previous study.The total length of the western Liupanshan piedmont fault is ～60 km.The fault extends southward from the Sanlidian Reservoir to the Taoshan Reservoir，then its trend changes from N-S to NNW-SSE.The fault topography is very clearly defined along the fault.Analyses of its geomorphological features and of a typical fault section suggest that the western Liupanshan piedmont fault is a high-angle reverse fault that moved in the early late-Pleistocene，but that has not dislocated since the middle late-Pleistocene.In this paper，we also discuss the geomorphologic response to the tectonic activity.Based on SRTM data，we established the Jinghe and Shuiluohe drainage basins and river systems that lie either side of Liupanshan，and we also obtained the hypsometric interval (HI) values of the drainage basins.In general，the HI values of bigger drainage basins reflect the influence of different regional neotectonic activity，while those of smaller basins reflect the influence of lithology and local tectonic activity.According to the map of HI values，there is a clear difference either side of Liupanshan；the two sides have similar lithologies，but the HI values to the east of Liupanshan are lower than those to the west.The reason for this might be connected to the different levels of activity between the eastern and western Liupanshan piedmont faults.Through the above research and geomorphological analysis，we provide basic data and interpretations to better understand the geomorphological evolution of the Liupanshan area.

Key words： area of drainage basin； hypsometric integral； active tectonics； Liupanshan fault zone

0引言

六盤山在地理位置上位于寧夏回族自治區、甘肅省和陜西省三省交界地帶；在地質構造位置上處于鄂爾多斯地塊、阿拉善地塊和青藏高原塊體的交匯復合部位，其構造、地貌發育有一定特殊性和敏感性。新生代以來由于印度板塊與亞歐板塊的持續碰撞匯聚，該地區在晚新生代發生了強烈的構造活動[1-3]。控制六盤山地質地貌發育和演化的斷裂主要包括六盤山東麓斷裂和六盤山西麓斷裂，分別發育于六盤山東、西兩側，其中六盤山東麓斷裂北端與左旋走滑的海原斷裂相連接，南端與隴縣—寶雞斷裂帶[4]相連(圖1)。在晚新生代青藏高原快速隆升及北東方向擴展擠壓的前提下，六盤山地區遭受了強烈的構造變形，這種構造變形控制了該區的地貌發育、河流水系的演化等。

在活動構造研究方面，早期的研究多集中于六盤山東麓斷裂和隴縣—寶雞斷裂帶的構造特征及相互關系上，初步得到了其第四紀左旋滑動速率為1～3 mm /a，垂直滑動速率為0.9 mm /a[5]，而對六盤山西麓斷裂的研究僅見于地震安全性評價中的踏勘性考察資料。近年來，史志剛等[6]對六盤山地區的斷裂活動與大震危險性進行了較為詳細的研究，獲得了其新活動的較多證據，但是仍缺乏對整個六盤山地區的構造活動與地貌關系的研究。

研究表明，在構造活動區水系的發育受構造活動的影響，其相對均衡的狀態由于構造活動改變而改變，河流水系不斷調整以適應構造活動或氣候變化而達到新的均衡狀態，因此水系持續記錄著地貌演化過程的構造活動信息。由于構造活動速率通常較慢，其效果需要長期積累，通過水系的地貌分析可反映出長時間尺度的構造活動特征和強度[7-8]。近年來，隨著GIS技術和DEM數據的不斷更新發展，國內外關于水系地貌的活動構造研究取得了重大進展[9-14]。本文以六盤山斷裂帶活動性為主要研究對象，通過航衛片解譯以及野外實地調查，確定其新活動特征，進而以SRTM數據為基礎，GIS技術為手段，分別提取六盤山兩側涇河和水洛河上游流域盆地，并獲得流域盆地面積-高程積分值(HI值)分布圖，根據HI值在六盤山東西兩側的不同來探討流域盆地地貌發育特征對構造活動的響應。

a.索引圖； b.六盤山地區構造地貌圖. F 1海原斷裂；F 2馬東山斷裂；F 3六盤山東麓斷裂；F 4六盤山西麓斷裂；F 5小關山斷裂；F 6固關—縣功斷裂；F 7桃園—龜川寺斷裂；F 8千陽—彪角斷裂；F 9隴縣—岐山—馬召斷裂；F 10西秦嶺北緣斷裂 圖1　六盤山地區構造地貌圖 Fig.1　Geological map of the Liupanshan region

1六盤山斷裂帶活動特征

1.1六盤山東麓斷裂

六盤山東麓斷裂是六盤山地區的主干活動斷裂，斷裂最北端與海原斷裂帶相接，南端與隴縣-寶雞斷裂帶相連。隴縣—寶雞斷裂帶從西向東包括桃園—龜川寺斷裂(F7)、固關—縣功斷裂(F6)、千陽—彪角斷裂(F8)、隴縣—岐山—馬召斷裂(F9)。海原斷裂帶、六盤山東麓斷裂帶和隴縣—寶雞斷裂帶一起構成了青藏高原東北緣與鄂爾多斯塊體西南緣之間的NW-SN-SE弧形斷裂束[4](圖1)。六盤山東麓斷裂北端自硝口一帶與海原斷裂帶相接，向東南經海子峽、開城、楊家嶺，和尚鋪、香水店、散莊子至馬家新莊附近與隴縣—寶雞斷裂帶的固關—縣功斷裂相接(圖1)。總體走向330°～335°，全長約90 km。北段具有左旋走滑特征，中南段以逆沖為主。六盤山東麓斷裂地貌上線性特征表現較為明顯，沿線多處可見斷裂最新活動的剖面及地貌，本文僅選擇2處典型斷錯地貌簡述如下。

后磨河為固原縣西南孫家莊西側發育的一條較大河流，其發育并保存了三級階地，河流階地是反映新構造活動的重要地貌標志[15-17]，其中T2、T3階地保留較為完整，T1零星分布(圖2(a))。六盤山東麓斷裂的左旋走滑使得后磨河南北兩岸的T2、T3階地均發生了左旋位錯。T3階地拔河高度20 m，階地沖積礫石層上覆蓋有黃土沉積。野外利用激光測距儀對其邊緣的左旋位錯進行了測量，其位錯值為(35±3) m。T2拔河12 m，階地邊緣左旋位錯量為(25±3) m(圖2(b))。T2階地為典型的基座階地，下部為紅色第三系砂巖，其上為河流相階地礫石層，上部覆蓋黃土層。根據對礫石層之上土層底部14C樣品的測試，測年結果為(9 372±86) a，據此得到該處六盤山東麓斷裂的左旋走滑速率為(3.2±0.5) mm/a，與前人的結果基本吻合[5]。

圖2　六盤山東麓斷裂后磨河斷錯地貌 Fig.2　Fault landforms at Houmehe river of Liupanshan eastern piedmont fault

在涇源縣南營村響龍河北岸共發育了四級階地，其中T1階地為基座階地，拔河高度5 m。在T1階地邊緣發現斷層剖面(圖3)。斷層西側為層理清楚的灰綠色與紫紅色泥巖互層的白堊紀巖層①，斷層東側依次為層理不清的淡紫紅色砂礫石層②和更東的較致密淡紫紅色、土黃色砂礫石層③構成，其時代為晚更新世早中期，構成T1階地的基座。白堊紀地層逆沖于第四紀砂礫石地層②、③之上，使得層②礫石層近斷層處發生明顯的定向排列，隱約穿過層④，但不是很清晰。層⑤底部采集了一個14C樣品，采樣位置距頂面0.7 m，樣品測定結果為(993± 59)a[13]。

對六盤山東麓斷裂前人有較多的研究[5，18-20]，結合前人的研究成果及野外實地調查，認為該斷裂為一條全新世活動的逆左旋走滑斷裂，斷裂沿線多處可見沖溝左旋及斷錯最新地貌單元的證據。

①灰綠色、紫紅色泥巖互層；②淡紫紅色砂礫石層；③淡紫紅色、土黃色砂礫石層；④青灰色礫石層；⑤表土層 圖3　響龍河斷層剖面(據文獻[13]修改) Fig.3　Fault profile in Xianglonghe river (modified accordig to reference[13])

1.2六盤山西麓斷裂

六盤山西麓斷裂位于六盤山西側(圖1)，是控制六盤山西側地質地貌發育的主要斷裂。斷裂性質為擠壓逆沖，傾向E或NE。地貌上表現為高山和中低山之間的分界。六盤山西麓斷裂北起隆德縣三里店水庫，向南經羅家峽、桃山水庫、奠安東、陳家堡東、文家峽、關地峽，最后消失于酒槽附近。斷裂全長約60 km。斷層兩側東高西低，東側為六盤山山脈，西側為隴西盆地。

六盤山西麓斷裂在羅家峽水庫附近斷層地貌明顯，水庫北岸可見到紫紅色白堊系砂巖層逆沖于磚紅色砂巖與泥巖互層夾土黃色砂巖的第三系地層之上(圖4(a))。通邊村陽洼附近斷層地貌明顯，北東高，南西低，可見白堊系逆沖到于下第三系地層之上(圖4(b))。水洛河兩岸發育Ⅰ，Ⅱ級階地，但兩級階地均未被錯斷，推測斷裂晚更新世晚期新活動并不明顯。

斷裂在奠安鄉范家峽水庫壩前的莊浪河邊出露明顯的斷層剖面(圖5)，白堊系紫紅色砂巖逆沖到磚紅色的上第三系細砂巖之上，斷層破碎帶寬約15～16 m，斷層面附近層④為1.5～2 m寬的斷層泥，其中緊靠斷面為寬1 m的紫紅色斷層泥，濕軟；向東為寬0.5 m的灰綠色斷層泥，較為堅硬。再向東層③為寬7 m的灰綠色砂巖夾泥巖陡立帶，層②為寬8 m的紫紅色斷層陡立帶。斷層面向上變緩，呈弧形，底部產狀為345°/E∠60°。斷層錯斷了上覆的莊浪河Ⅲ級階地底部礫石層，垂直斷距4.9 m。根據區域年代資料[16]，涇河Ⅲ級階地年代為晚更新世早期，由此判斷，該斷層的最新活動年代為晚更新世早中期。在層⑥處取OSL樣品一個，樣品測定確定此處斷層的最晚活動年代為(76.0±9.4) ka左右。

圖4　六盤山西麓斷裂斷錯地貌 Fig.4　Fault landforms of the Liupanshan western piedmont fault

沿六盤山西麓斷裂多處可見白堊系紫紅色或灰白色砂巖、礫巖逆沖于第三系砂巖、泥巖之上，有多個較大的河流與沖溝切穿斷層。切穿六盤山西麓斷裂的沖溝多發育Ⅰ，Ⅱ級階地，少數發育Ⅲ級階地。考察中僅在奠安剖面發現斷裂錯斷了莊浪河Ⅲ級階地，但所有Ⅰ，Ⅱ級階地均未發現斷錯現象。按照區域資料的對比，Ⅰ，Ⅱ級階地均發育于晚更新世晚期以來，綜合分析，斷裂最新活動時代為晚更新世早期，晚更新世中晚期以來活動不明顯。

①紫紅色砂巖；②寬8 m的紫紅色斷層陡立帶；③寬7 m的紫紅色斷層陡立帶；④斷層泥；⑤磚紅色細砂巖；⑥T 3階地底部礫石層，采OSL樣品一個；⑦ T 3階地上部亞砂土；⑧T 2階地上部礫石層 圖5　奠安斷層剖面(據報告 ① 蘭州地震工程研究院天平鐵路近場地震構造環境.2009.修改) Fig.5　Fault profile in Dianan village (modified according to report ①)

2構造地貌特征

基于90 m分辨率的SRTM數據，從跨六盤山地區中(圖1中AA′)，以1 km×1 km為網格提取了長150 km的高程條帶剖面(圖6)。從高程條帶剖面可以看出，受六盤山斷裂帶和小關山斷裂的影響，在地形上形成一個寬約50 km的隆起帶，包括了六盤山和崆峒山隆起及二者之間的山間盆地，其高度明顯高于西側的隴西盆地及東側的鄂爾多斯塊體。六盤山地區平均海拔約2 500 m以上，跨過六盤山斷裂帶，海拔迅速降低到2 000 m以下(圖6)，高程最大落差可達1 200余米。

圖6　跨六盤山高程條帶剖面 Fig.6　Elevation swath profile crossing the Liupanshan

六盤山兩側河流地貌是否對活動斷裂的活動差異存在不同的響應呢？這是本文研究的重點，為了比較六盤山東西兩側河流流域盆地對活動構造的響應，文中分別選擇了六盤山東麓的涇河上游流域盆地和六盤山西麓的水洛河上游流域盆地。涇河為渭河最大的支流，發源于寧夏六盤山東麓，于陜西高陵縣注入渭河，全長451 km，年平均降水量550 mm。水洛河發源于六盤山西麓，注入渭河一級支流葫蘆河，全長約100 km。同樣基于SRTM數據，我們獲得了流域盆地水系的分布(圖7)，本文利用流域盆地的面積-高程積分值來探討地貌對活動構造的響應。面積-高程積分是某區域內不同海拔所占的相對面積百分比，面積高度曲線代表流域內在給定海拔高度之上(或之下)的相對面積百分比,通過其曲線的形態被廣泛用來揭示地貌演化的階段[21]。流域盆地的面積-高度曲線形態表明了其侵蝕的階段，凸型曲線表示相對“年輕”侵蝕程度較低的區域，S型曲線表示中等程度侵蝕區域，凹形曲線表示相對“年老”且高度侵蝕的區域[21-23]。面積-高程積分值(HI值)，即曲線下方所圍限的面積，其值從0到1，在侵蝕程度較高的區域其值接近于0，而在侵蝕程度較低的地區其值接近于1。其積分值可以通過以下公式獲得[24]：

式中：Hmax、Hmean、Hmin分別為流域盆地的最大高程、平均高程和最小高程。

一般來說，較大的流域盆地HI值能反映區域性的新構造活動差異對流域盆地地形的影響，而較小流域盆地的HI值更容易反映巖性和局部構造作用的影響[21]。六盤山山體區主要出露白堊系地層，為白堊系和尚鋪組紫紅色砂質泥巖、細砂巖。六盤山東側主要出露古近系清水營組和寺口子組的砂巖及砂質泥巖，到盆地地區主要為上更新統和全新統風積黃土及沖洪積地層，其中河谷地區主要分布第四系沖洪積物(圖8)。六盤山西側古近系地層保存不完整，流域盆地內出露新近系甘肅群砂巖及泥巖，流域盆地低平地區主要分布上更新統淺黃色粉砂質黃土，沿河流地區分布全新統沖積物(圖8)。對比六盤山兩側的巖性，其巖性特征較為相似。

圖7　流域盆地水系 Fig.7　River system of the drainage basin

圖8　流域盆地地質圖 Fig.8　Geological map of the drainage basin

在本次研究中，我們利用1～3級流域盆地獲得了研究區的HI值分布圖(圖9)，從圖中可以看出，在六盤山東側，低HI值區的分布與山間斷陷盆地和河谷的分布范圍相吻合，表現出成片的低HI值區，反映了構造沉降和強烈侵蝕的結果。六盤山斷裂以西的六盤山山體區出現高HI值區。在六盤山西側，低HI值主要沿河谷分布，其余部分HI值均較高，普遍在0.5左右，跨過六盤山西麓斷裂的山體區和盆地區HI值差異并不大。六盤山山體區集中表現為高HI值，表明其仍處于強烈侵蝕期，可能反映了其仍處于不斷隆升的狀態。對比六盤山兩側地層(圖8)，主要為第三系和第四系地層，在相同的巖性條件下六盤山東側的HI值明顯低于西側，表明東側的侵蝕要高于西側，而引起六盤山東側侵蝕作用較高的因素可能來源于六盤山東麓斷裂強烈的擠壓抬升作用。相反，在六盤山西側斷裂活動性較弱，使得本區抬升較弱，相應的侵蝕作用也較低，這就從構造地貌學的角度反映了斷裂活動性強弱對地貌的控制作用。

圖9　流域盆地HI值分布圖 Fig.9　The HI values of the drainage basin

3結論與討論

本文通過詳細的航衛片解譯和野外調查工作，結合前人研究資料，確定了六盤山斷裂帶的新活動特征。六盤山斷裂帶包括六盤山東麓斷裂和六盤山西麓斷裂，其中六盤山東麓斷裂為一條全新世活動的逆左旋走滑斷裂，六盤山西麓斷裂為晚更新世早期活動的擠壓逆沖斷裂，晚更新世中晚期以來活動不明顯。通過SRTM數據，獲得了六盤山東西兩側受活動構造控制的涇河及水洛河上游流域盆地水系分布，通過1～3級流域盆地獲得流域盆地面積-高程積分值(HI)分布圖。對比發現，在相同的巖性條件下六盤山東側HI值要小于六盤山西側，反映了活動構造強弱對地貌的控制作用。上述地貌分析研究，為認識和理解六盤山地區地貌演化以及控制因素提供了基礎數據和思路。

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