西南天山邁丹斷裂阿合奇段左旋走滑的證據(jù)及其最新活動(dòng)

西南天山邁丹斷裂阿合奇段左旋走滑的證據(jù)及其最新活動(dòng)

賈啟超1， 吳傳勇2，沈軍3， 吳國(guó)棟2， 任鵬3

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州730000； 2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊830011；

3.防災(zāi)科技學(xué)院,北京101601)

摘要：柯坪推覆構(gòu)造的根部斷裂記錄到的地震活動(dòng)相對(duì)較弱，以至于多數(shù)學(xué)者認(rèn)為該斷裂晚第四紀(jì)以來活動(dòng)性不強(qiáng)。筆者根據(jù)遙感影像解譯和野外調(diào)查得到邁丹斷裂的幾何展布，確認(rèn)F3阿合奇段為最新地表破裂帶，并通過一系列河流階地的左旋位移測(cè)量確定其晚更新世以來有過走滑活動(dòng)。結(jié)合地貌測(cè)量和探槽開挖得到斷層垂直錯(cuò)距，探槽揭示的古地震事件發(fā)生在距今(1.76±0.22) ka之后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察獲得的活動(dòng)構(gòu)造定量數(shù)據(jù)，依據(jù)不同震級(jí)與地表破裂關(guān)系式推算出該次古地震震級(jí)為7.5級(jí)。研究成果可能對(duì)區(qū)域活動(dòng)斷裂的研究以及區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造圖像的完整性提供基礎(chǔ)資料，同時(shí)最新地表破裂證據(jù)的發(fā)現(xiàn)可能有助于更新認(rèn)識(shí)該斷裂的危險(xiǎn)性。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造地貌； 地表破裂； 左旋； 古地震； 邁丹斷裂

收稿日期：*2014-08-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41102137)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)課題(2012DFR20440K02)；中國(guó)地震局教師科研基金(20120101)

作者簡(jiǎn)介：賈啟超，男(漢族)，在讀碩士研究生，主要從事活動(dòng)構(gòu)造與地震危險(xiǎn)性分析研究.E-mail：jiaqichao1988@163.com

中圖分類號(hào):P315.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0222

Evidence of Left-lateral Strike-slip along the Aheqi Segment of Maidan

Fault in Southwest Tianshan Mountains，China and its Latest Activity

JIA Qi-chao1， WU Chuan-yong2， SHEN Jun3， WU Guo-dong2， REN Peng3

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

2.EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion，Urumqi，Xinjiang830011，China；

3.InstituteofDisasterPreventionScienceandTechnology，Beijing101601，China)

Abstract：Maidan Fault is the boundary fault of the Tianshan Mountains and Tarim Basin.The geometric and historical seismic distributions revealed relatively weak seismic activity at the foot of Kalpin nappe；thus，the majority of scholars have reported that Maidan Fault has undergone low activity since the late Quaternary.On the basis of remote sensing image interpretation and field investigation，we obtain the geometric distribution of Maidan Fault.The fault distribution map of Aheqi Segment shows that the fault zone，with a length of approximately 60 km，is mainly composed of three approximately parallel NE faults；F3 is confirmed as its freshest surface fracture zone.At present，the fracture feature is still in dispute.Some researchers have reported that Maidan Fault was caused mainly by strike slip，whereas others have stated that no evidence exists for the westward continuation of the Maidan fault zone across the Pamirs.We believe that strike-slip activity created a series of river terraces with sinistral displacement during the late Pleistocene.Through topography measurement and trench exploration，we obtain the fault's offset.A cross section of the trench across Maidan Fault shows that a paleoearthquake occurred before (1.76±0.22) ka.We used different regression equations and quantitative date of active faults to determine that the magnitude this earthquake was 7.5.This research can provide new information on regional active faults.The regional active tectonic images and the discovery of the new surface rupture zone may help us to recognize the danger of this fault.

Key words： tectonic landform； surface rupture； sinistral strike-slip； paleoearthquakes； Maidan Fault

0引言

柯坪塔格推覆構(gòu)造縱向上位于西南天山與塔里木盆地之間，是西南天山前陸構(gòu)造的一部分。在邁丹斷裂兩側(cè)僅40 km的范圍內(nèi)，海拔高度由7 345 m快速降至山前盆地的2 000 m，地形高差達(dá)5 000 m以上，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的幅度甚至超過了龍門山地區(qū)。該斷裂是柯坪推覆構(gòu)造的根部斷裂[1]，前人對(duì)該地區(qū)的研究主要集中于柯坪推覆構(gòu)造內(nèi)部的近東西向等間距排列的多排單斜或倒轉(zhuǎn)背斜以及逆斷裂，對(duì)于其根部斷裂鮮有涉及。受帕米爾向北推擠、天山向南逆沖以及塔里木順時(shí)針旋轉(zhuǎn)及陸內(nèi)俯沖作用，該地區(qū)受擠壓活動(dòng)而變形強(qiáng)烈[2]，然而該地區(qū)地震活動(dòng)集中于推覆體前緣的柯坪斷裂等構(gòu)造之上，且根部斷裂記錄到的地震活動(dòng)相對(duì)較少，僅發(fā)生過1969 年烏什北6級(jí)地震、1987年烏什6.4 級(jí)地震和2009年阿合奇5.4級(jí)地震，以至于多數(shù)學(xué)者認(rèn)為根部邁丹斷裂晚第四紀(jì)以來活動(dòng)性不強(qiáng)，發(fā)震能力有限，但也有學(xué)者認(rèn)為邁丹斷裂可能是1902 年阿圖什8級(jí)大地震的發(fā)震構(gòu)造[3]。對(duì)該斷裂的研究可能為區(qū)域活動(dòng)斷裂的研究，以及區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造圖像的完整性提供基礎(chǔ)資料，同時(shí)最新地表破裂證據(jù)的發(fā)現(xiàn)可能有助于重新認(rèn)識(shí)該斷裂的危險(xiǎn)性。

圖1　邁丹斷裂幾何形態(tài)及歷史地震活動(dòng)分布 Fig.1　The geometriy of Maidan Fault and drstribution of historical earthquakes on it

邁丹斷裂西起塔拉斯—費(fèi)爾干納斷裂帶，向東經(jīng)邁丹、阿合奇至烏什段呈NE向展布，由于新近紀(jì)以來斷裂構(gòu)造發(fā)育的不均衡性，烏什以東段轉(zhuǎn)為近NEE向[4]，全長(zhǎng)近400 km，由多條次級(jí)斷裂組合而成，最大寬度可達(dá)15～17 km，斷面傾向NW，傾角30～80°(圖1)。斷裂西鄰阿圖什推覆體，東鄰柯坪推覆體，與斷裂帶共同構(gòu)成統(tǒng)一的前緣逆沖推覆構(gòu)造系統(tǒng)[1-5]。兩個(gè)推覆構(gòu)造分別向北收斂于南天山山前，造成山前強(qiáng)烈的擠壓縮短運(yùn)動(dòng)[6-8]。新生代以來，該地區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，且變形集中在一個(gè)很窄的帶內(nèi)，很容易孕育和發(fā)生地震(圖1)，張希等[9]據(jù)GPS速度場(chǎng)反演，亦表明該地區(qū)大震孕育背景顯著。

陳杰等[3]認(rèn)為邁丹斷裂晚更新世晚期以來以垂直運(yùn)動(dòng)為主，左旋走滑并不明顯。也有學(xué)者[10-11]認(rèn)為該斷裂是一條向南逆沖的大型左旋壓扭斷裂。郭建明[12]研究認(rèn)為，邁丹斷裂晚第四紀(jì)以來以左行走滑運(yùn)動(dòng)為主，是一條左行逆走滑斷裂。Mark B. Allen等[13]則指出邁丹斷裂并無明顯走滑證據(jù)。付碧宏等[14]認(rèn)為，塔里木板塊處于持續(xù)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，導(dǎo)致本區(qū)域斷裂系表現(xiàn)出不同程度的左旋走滑運(yùn)動(dòng)特征；由于逆沖兼左旋走滑的活動(dòng)特征，使得構(gòu)造體系在烏什逆沖斷褶帶中段突然轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生了垂直構(gòu)造體系的局部高擠壓應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致烏什北地震活動(dòng)頻發(fā)(圖1)。沿邁丹斷裂發(fā)生的幾次中強(qiáng)地震的震源機(jī)制解也表明該斷裂具有明顯的走滑特征(圖1)，其中2009年阿合奇5.4級(jí)地震，震源機(jī)制解主壓應(yīng)力P軸方位355°，近南北向，傾角3°，主壓應(yīng)力T軸傾角為10°，其烈度分布也呈北東向，由此認(rèn)為其發(fā)震構(gòu)造邁丹斷裂具走滑特征[15]。

前人的研究多是基于遙感影像解譯的基礎(chǔ)之上或是對(duì)區(qū)域震源機(jī)制的推測(cè)，并未進(jìn)行詳實(shí)的野外實(shí)地考察。斷裂的基本性質(zhì)是以走滑運(yùn)動(dòng)為主，還是以逆沖為主尚未有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，而對(duì)于斷裂的古地震問題更加無人研究，影響了我們對(duì)該斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)特征的準(zhǔn)確認(rèn)知，無法科學(xué)地評(píng)價(jià)其地震危險(xiǎn)性。筆者根據(jù)遙感影像解譯和野外調(diào)查得到邁丹斷裂的幾何展布，確認(rèn)F3阿合奇段為最新地表破裂帶，并通過一系列河流階地的左旋位移測(cè)量確定其晚更新世以來有過走滑活動(dòng)。結(jié)合地貌測(cè)量和探槽開挖得到斷層垂直錯(cuò)距，并得到該斷裂上古地震離逝時(shí)間為(1.76±0.22) ka。

2邁丹斷裂阿合奇段空間展布

邁丹斷裂阿合奇段由3條產(chǎn)狀相近且大致平行的次級(jí)逆斷層組成，傾向北，傾角20～50°，平面上具有良好的線性展布(圖2、圖3)，以下分別稱F1、F2、F3。此處F3是Q2與Q3地層的分界斷裂，并且錯(cuò)斷了Q3上零星分布的全新世地層。F3可分為阿合奇段和烏什段，兩段呈左階斜列。阿合奇段錯(cuò)斷了玉山古溪T3級(jí)階地，而烏什段并未錯(cuò)斷別迭里河T3級(jí)階地，故阿合奇段活動(dòng)性更強(qiáng)。工作區(qū)地處南疆，降水量小，侵蝕速率低，構(gòu)造地貌保存較好。根據(jù)遙感影像解譯和野外調(diào)查，阿合奇段的影像顯示出古地震形變帶和斷層露頭，以及斷塞塘、地震陡坎、河流階地位移等明顯的古地震遺跡和斷錯(cuò)地貌現(xiàn)象。

圖2　阿合奇段斷裂展布圖 Fig.2　Fault distribution map of Aheqi Segement

地表破裂由南天山逆沖推覆構(gòu)造的南北向構(gòu)造應(yīng)力引起，形成的三條相距很近的疊瓦狀逆斷層。根據(jù)南天山山前其他斷裂帶的空間分布推知，這三條斷裂呈平行疊瓦狀向下收斂于同一滑脫面之上[16]。就這三條斷裂中的某一條而言，也是由更次一級(jí)的水平排列的多條小斷裂組成，這種情況下形成的這一系列逆斷層構(gòu)造上并不彼此獨(dú)立(圖3)。

圖3　邁丹斷裂阿合奇段地質(zhì)剖面圖 Fig.3　Cross section through the Aheqi Segement of Maidan Fault

南天山山前發(fā)育有多期晚更新世至全新世的沖洪積扇，F(xiàn)3在阿合奇段沖洪積扇上留下許多錯(cuò)斷痕跡，且在玉山古溪西T1級(jí)階地上發(fā)現(xiàn)錯(cuò)斷全新世地層的一次反向破裂(圖4)；F2錯(cuò)斷了上新世地層；F1錯(cuò)斷了中新世地層(圖3)。由于構(gòu)造變形的多期性和復(fù)雜性，以及缺乏深部資料的限定，各排斷裂間變形的相關(guān)性尚未得出。

圖4　玉山古溪以西T 1階地地表反向破裂 Fig.4　The surface reverse rupture of terrace T 1 west of Yushan ancient creek

3斷裂地質(zhì)地貌特征

受新生代構(gòu)造活動(dòng)控制，斷裂北側(cè)南天山多次抬升形成深切河谷、河流階地和沖洪積扇等地貌形態(tài)(圖2)，這些地貌現(xiàn)象對(duì)斷裂活動(dòng)有很好的響應(yīng)。另外斷裂帶所在位置有史以來均人跡罕至， 因此地震痕跡不會(huì)遭到人類活動(dòng)的破壞，同時(shí)研究區(qū)處于干旱少雨的山間谷地及緊鄰山前的洪積扇， 地震遺跡長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)會(huì)保存完好。在對(duì)斷裂幾何形態(tài)整體追蹤調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)F3段的最新活動(dòng)特征和垂直位移等進(jìn)行了詳細(xì)的觀察與測(cè)量， 同時(shí)對(duì)斷裂所斷錯(cuò)的地貌面進(jìn)行了光釋光樣品采集， 特別是對(duì)其地表破裂帶進(jìn)行了重點(diǎn)考察，認(rèn)為該斷裂段存在明顯的最新地震活動(dòng)痕跡， 并開挖探槽驗(yàn)證推測(cè)。

圖5　玉山古溪階地地貌解譯 Fig.5　Geomorphic interpretation of Yushanguxi ancient creek terrace

在玉山古溪出山口處，階地面總體平坦開闊，地表大面積出露階地礫石層，斷錯(cuò)地貌非常明顯。在T3階地面上保留有非常清晰的陡坎地貌，陡坎走向變化較大，實(shí)測(cè)陡坎高度在2.1～2.3 m左右，左旋量約5.3 m，平面上呈蛇曲狀，但連續(xù)性較好(圖5)。在斷層上盤局部地段還可見斷續(xù)分布的反坡向陡坎；斷層下盤，特別是陡坎附近，多沉積有風(fēng)積的粉土層，厚度不一(圖5)。

野外實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，斷裂具有明顯的走滑特征。阿合奇西北有很多左旋的大沖溝(位置見圖2)，沖溝左旋地貌顯著，將此處斷層走滑活動(dòng)完整地保存下來(圖6(a)、6(b))。我們選擇了一處典型的地點(diǎn)進(jìn)行了地貌測(cè)量(位置見圖6(a))。此處T5階地上斷層陡坎垂直位移(11.2±2.2) m，左旋位錯(cuò)為(72.5±5.3) m。

圖6　阿合奇西北河流階地左旋 Fig.6　The sinistral offset of river terrace on northeast Aheqi

4探槽與古地震

于玉山古溪河?xùn)|岸T3級(jí)階地上跨陡坎開挖了一個(gè)探槽(位置見圖5)，揭露出一條逆斷裂，斷層下部產(chǎn)狀：230°/N∠35°，向上傾角逐漸變緩，僅20°左右(圖7)。該探槽揭露出一次古地震事件，在U10發(fā)生沉積之后，斷層發(fā)生快速錯(cuò)動(dòng)，并在斷層下盤形成崩積楔U9，該次事件將U2垂直斷錯(cuò)1.95 m左右。U8隨后形成，并坡積在U9上部，上盤的U10已剝蝕殆盡，并在下盤堆積了U7，使上盤的U1出露地表。U10粉土層中采集的光釋光測(cè)年樣品OSL-02測(cè)定該套地層的年齡為(1.76±0.22) ka B.P.，推測(cè)該次古地震事件發(fā)生在距今(1.76±0.22) ka之后。

圖7　玉山古溪探槽剖面 Fig.7　Cross section of trench in Yushan ancient creek

在T3階地面上實(shí)測(cè)陡坎高度在2.3～2.5 m，與探槽中揭露的古地震事件的垂直位移量基本一致，表明該級(jí)階地面上僅記錄到一次古地震事件。T4階地上的陡坎高度在4.4～4.9 m，位移量是最新一次古地震事件的2倍，應(yīng)是兩次古地震事件累計(jì)位移量。

綜合以上測(cè)量結(jié)果，可以做如下分析：T3級(jí)階地遭受過一次錯(cuò)動(dòng)，錯(cuò)動(dòng)事件發(fā)生在距今(1.76±0.22) ka，垂直錯(cuò)距約為2.1 m，同震左旋位移量為5.3 m。T4級(jí)階地至少遭受過2次錯(cuò)動(dòng)，形成4.4～4.6 m的斷層陡坎。

表 1不同關(guān)系式得到的F3段古地震震級(jí)

Table 1Magnitude of the paleoearthquake on F3using different equations

關(guān)系式適用條件震級(jí)參考文獻(xiàn)M=6.03+0.76lgL全球,斷裂性質(zhì)不分7.4[17]M=6.430+0.666lgL中國(guó)西部,斷裂性質(zhì)不分7.6[18]M=4.69+1.46lgL+0.48lgD(東亞,逆斷裂)7.4[19]M=3.78+2.09lgL(東亞地區(qū),逆斷裂)7.5[19]M=5.44+0.980lgL+0.334lgD中國(guó)西部走滑型活動(dòng)斷裂7.4[20]

基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果，根據(jù)震級(jí)(M)與地震地表破裂帶參數(shù)(L，D)，不同作者得出不同的關(guān)系式，取F3阿合奇段最新破裂帶長(zhǎng)度為60 km，垂直錯(cuò)距2.3 m，左旋錯(cuò)距5.3 m，可得如下震級(jí)(表1)。

以上關(guān)系式得到的幾個(gè)震級(jí)基本在7.5級(jí)附近，由于斷裂處于擠壓構(gòu)造區(qū)，地表變形與破裂的表現(xiàn)形式復(fù)雜多樣，變形帶分布范圍很大，很大一部分能量被地表擠壓吸收，造成沉積蓋層逆沖疊瓦狀變形，因此實(shí)際震級(jí)可能更大。

5結(jié)論

(1) 邁丹斷裂存在明顯的走滑特征，是一條逆沖走滑型活動(dòng)斷裂。

(2) 邁丹斷裂阿合奇段由3條產(chǎn)狀相近且大致平行的次級(jí)逆斷層組成，傾向N，傾角20～70°。

(3) 邁丹斷裂發(fā)生過多次中強(qiáng)地震，是一條發(fā)震斷裂，地震離逝時(shí)間為(1.76±0.22) ka，震級(jí)應(yīng)不小于MS7.5。

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