祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀以來活動特征初步研究

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觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀以來活動特征初步研究

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部造山帶地區,其構造活動反映了青藏高原的構造演化特征。本文采用活動構造和構造地貌相結合的研究方法,對該斷裂的活動性進行初步分析研究。首先采用航衛片解譯和野外調查,發現該斷裂斷錯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。通過擴散方程,并參考前人研究結果,認為祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀的抬升速率初步限定在1～2 mm/a。我們基于數字高程模型提取的地形高程縱剖面和面積-高程積分，其結果也支持祁漫塔格北緣存在構造活動。

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、柴達木南緣斷裂與塔里木地塊、阿爾金造山帶、柴達木地塊相鄰,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,海拔約5 000 m左右;東南段在青海省境內,山勢較低。

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

本研究基于航衛片的解譯方法,先對祁漫塔格北緣斷裂最新活動段落進行初步解譯,然后再進行野外考察驗證室內的解譯圖像,對典型地貌進行測量,厘定晚第四紀以來的活動變形量,并結合相應的地貌面年齡,給出其滑動速率。另外還根據構造地貌分析方法,提取祁漫塔格地區的構造地貌相關因子,以此分析該地區的構造活動性。

1 祁漫塔格北緣斷裂斷錯地貌特征

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

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

本研究區集中在祁漫塔格北緣斷裂上斷錯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。斷層斷錯了祁漫塔格山山前沖洪積扇體,形成不連續陡坎,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中三個研究點(Q1、Q2及Q3)斷錯地貌的影像圖。

Q1研究點為斷裂帶的西端,新老沖積扇面均被斷錯,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 三個研究點斷錯地貌影像圖(底圖來源于Google Earth)Fig.3 Satellite imageries of faulted landform at three sites

我們在圖4(b)點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點斷層陡坎高度較西邊低,約為1.5 m[圖4(c),(d)]。這是因為斷層下盤相應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分布以及在鴨子泉河附近未發現斷層陡坎的原因。

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。這種環境上的局限性,給限定祁漫塔格北緣斷裂的滑動速率造成了很大的困難。

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

圖4 三個研究點沖積扇面斷錯陡坎Fig.4 Scarps along faulted alluvial fans at three sites

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

(1)

由于存在非零遠場坡角,因此陡坎的斷距2a與陡坎高度2H具有如下關系:

(2)

(3)

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

通過以上計算和分析,認為Q1點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。

鴨子泉河發育多級階地,分布較廣泛的有3 級,出山口則變為洪積扇,山口處沒有明顯的新構造斷裂活動的跡象,這可能與我們在Q2和Q3研究點看到的情況類似,該地區的斷層陡坎被新沉積物覆蓋掩埋,致使現今看不到任何斷裂活動跡象。

常宏等[9]對鴨子泉階地的成因分析認為,河流下切是河流能量與坡度發生變化的一種調整。他對鴨子泉的階地類型、縱剖面變化、沉積特征及區域地質特征進行分析后,認為鴨子泉河流階地不具備氣候成因階地或者基準面升降成因階地的特點,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展過程的是構造因素,這些階地是昆侖山隆升、河流下切過程的直接產物。

河流的下切是構造隆升和氣候共同作用的結果。常宏等[9]將鴨子泉河的三級階地至現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,而將二級階地形成以來的下切速率減去由三級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,其應為構造因素導致下切的最小值,這個值約為1.18 mm/a。因此該地區的構造抬升速率至少為1.18 mm/a,與大地水準測量得到的結果基本一致[10]。

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

3 祁漫塔格地區構造地貌特征

3.1 方法原理和數據

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

地貌學奠基人Davis在1899年提出了“地貌循環理論”,認為平坦地面在構造運動的作用下被迅速抬升,經過不斷的物理和化學風化作用,抬升的地形被侵蝕破壞,這個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“準平原”。1952年美國理論地貌學家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],將該理論進一步定量化。所謂面積-高程積分曲線是流域盆地相對高度比(h/H)和相對面積比為(a/A)的關系曲線,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期;若曲線呈現下凹狀態,則表示流域地貌演化已經步入老年階段;如果面積-高程積分曲線的形狀介于兩者之間,即呈現S形,則表示流域正處于河流發育的“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,由于空間測繪技術和GIS技術的不斷發展,高精度數字高程模型數據比以往更易獲取。本文使用的DEM(Digital Elevation Model)數據來自美國免費公開的SRTM-3,該數據集的分辨率為90 m。對于有些空白區,將采用ASTER-GDEM進行補充。 ASTER測繪數據覆蓋范圍為83°N到83°S之間的所有陸地區域,其垂直精度達 20 m,水平精度達 30 m。

3.2 結果分析

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),這兩個值在一定程度上反映了構造活動和山脈地貌的演化。

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,特別是在西段,斷裂南側地形陡峭且上下浮動大,相對來說北部較為平坦,這是由于沖積扇一出山即被斷錯抬升,而北部基本上被沖洪積物所覆蓋,構造活動可能較弱。橫剖面的形態在一定程度上反映了構造的存在。

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

同時利用DEM數據提取了祁漫塔格地區的亞流域盆地(圖9),并計算了各流域盆地的HI值。通過插值可得到整個地區HI值的空間分布,該值大部分分布在0.3～0.4,山區內部高、外部低,反映了地形的粗糙度和起伏度大小。另外,該地區的整體平均HI值為0.36[圖9(b)],基本形態呈較為平緩的上凸形,且端點上具有較短反向下凹形態,或是不對稱的“S”形,說明祁漫塔格地區地貌演化正處于從幼年期到壯年期的轉化過程中。在這個過程中祁漫塔格地區遭受了較為強烈的構造抬升和外動力的侵蝕風化。

4 討論和結論

本研究通過室內航衛片解譯和野外調查,得到了對祁漫塔格北緣斷裂西段晚第四紀活動特征的初步認識。該斷裂最新活動方式以擠壓逆沖為主,斷錯了山前全新世沖洪積扇,斷層陡坎空間山不連續分布,高度在1.5～2.5 m。通過擴散方程,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。綜合該地區河流下切速率和大地水準測量研究結果,祁漫塔格北緣斷裂晚第四紀的抬升速率初步限定在1～2 mm/a。

通過對祁漫塔格地區地貌特征的分析,橫穿斷層沿山脈走向提取了系列高程剖面,并計算了流域盆地的面積-高程積分。這兩種指標的結果表明,祁漫塔格山前存在活動構造,而其地貌演化進程在構造運動的作用下正從幼年期向壯年期轉變。

由于野外環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的地貌面有效年齡樣品,而是通過擴散方程估算了一個年齡,因此本文給出的抬升速率誤差相對較大,今后的工作中還需要對其進行精確厘定。

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

References)

[1] 郝杰,劉小漢,桑海清.新疆東昆侖野牛泉石英閃長巖與英安斑巖的40Ar/39Ar同位素年齡[J].地質通報,2003,22(3):165-169. HAO Jie,LIU Xiao-han,SANG Hai-aing.Hornblende and Biotite40Ar/39Ar Ages of the Yeniuquan Quartz Diorite and Dacite-porphyry in the East Kunlun Orogenic Belt,Xinjiang[J].Geological Bulletin of China,2003,22(3):165-169.(in Chinese)

[2] 陸濟璞,李江,覃小鋒,等.東昆侖祁漫塔格伊涅克阿干花崗巖特征及構造意義[J].沉積與特提斯地質,2005,25(4):46-54. LU Ji-pu,LI Jiang,QIN Xiao-feng,et al.The Yinieke'agan Granite Mass in Qimantag,Eastern Kunlun and Its Tectonic Significance[J].Sedimentary Geology and Tethyan Geology,2005,25(4):46-54.(in Chinese)

[3] 錢壯志,胡正國,劉繼慶,等.古特提斯東昆侖活動陸緣及其區域成礦[J].大地構造與成礦學,2000,24(2):134-139. QIAN Zhuang-zhi,HU Zheng-guo,LIU Ji-qing,et al.Active Continental Margin and Regional Metallogenesis of the Palaeo-tethys in the East Kunlun Mountains[J].Geotectonica et Metallogenia,2000,24(2):134-139.(in Chinese)

[4] 黎敦朋,李新林,周小康,等.阿牙克庫木湖幅地質調查新成果及主要進展[J].地質通報,2004,23(5-6):590-594. LI Dun-peng,LI Xin-lin,ZHOU Xiao-kang,et al.New Results and Major Progress in Regional Geological Survey of the Ayakkum Lake Sheet [J].Geological Bulletin of China,2004,23(5-6):590-594.(in Chinese)

[5] 肖愛芳.東昆侖祁漫塔格山西段鴨子泉志留紀火山巖特征[J].陜西地質,2005,23(2):50-60. XIAO Ai-fang.Yaziquan Silurian Volcanic Rocks in Western Qimantahe Mountain of Eastern Kunlun[J].Geology of Shaanxi,2005,23(2):50-60.(in Chinese)

[6] Hanks T C,Wallace R E.Modification of Wave-cut and Faulting-controlled Landforms[J].J Geophys Res,1984,89:5771-5790.

[7] 侯康明,韓有珍,張守杰.斷層崖形成年代的數學模擬計算[J].西北地震學報,1995,17(2):68-75. HOU Kang-ming,HAN You-zhen,ZHANG Shou-jie.Mathematical Model Calculation of Fault Scarp Age[J].Northwestern Seismological Journal,1995,17(2):68-75.(in Chinese)

[8] Wallace R E.Profiles and Ages of Young Fault Scarps,North-central Nevada[J].Geol Soc Am Bull,1977,88:1267-1281.

[9] 常宏,張培震,安芷生,等.昆侖山北坡鴨子泉河階地發育及其構造-氣候意義[J].科學通報,2005,50(9):912-917. CHANG Hong,ZHANG Pei-zhen,AN Zhi-sheng,et al.Formation of the Yazi Spring Stream and Its Signification on Tectonics-climate on the Northern Slope of Kunlun Mountain[J].Chinese Science Bulletin,2005,50(9):912-917.(in Chinese)

[10] Bendick R ,Bilham R,Freymueller J,et al.Geodetic Evidence for a Low Slip Rate in the Altyn Tagh Fault System[J].Nature,2000,404:69-72.

[11] Burbank D W,Anderson R S.Tectonic Geomorphology[M].Masschusetts:Blackwell Science,2002:1-274.

[12] Keller E A,Pinter N.Active Tectonics:Earthquake,Uplift,and Landscape,Upper Saddle River[M].New Jersey,Prentice Hal,1996.[13] Sung Q C,Chen Y C,Chao P C.Spatial Variation of Fractalparameters and Its Geological Implications[J].Terrestria l,Atm ospheric and Oceanic Sciences,1998,9(4):655-672.

[14] Pike R J,Wilson S E.Elevation-relife Ratio,Hypsometric Integral,and Geomorphic Area-altitude Analysis[J].Geological Society of America Bulltin,1971,82:1079-1084.

[15] Kirby E,Whipple K.Quantifying Differential Rock-uplift Rates Via Stream Profile Analysis[J].Geological Society of America Bulletin,2001,29:415-418.

[16] Strahler A N.Hypsometric (Area-altitude) Analysis of Erosional Topography[J].Bulletin of the Geological Society of America,1952,63:1117-1142.

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 基金項目:中國地震局地震預測研究所基本科研業務費專項(2012IESLZ08) 作者簡介:邵延秀(1984-),男,助理研究員,在職博士生,主要從事活動構造和地震危險性評價工作。E-mail:shaoyx@geoidea.org。

P315

A

1000-0844(2016)06-0970-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0970