西南天山前缘乌拉根背斜南翼逆断层的发现及其地质意义

李 涛 陈 杰* 肖伟鹏 Burbank D WThompson J 杨晓东

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083

3)Department of Earth Science，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

西南天山前缘乌拉根背斜南翼逆断层的发现及其地质意义

李 涛1)陈 杰1)*肖伟鹏1，2)Burbank D W3)Thompson J3)杨晓东1)

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083

3)Department of Earth Science，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

塔里木盆地新疆喀什以西部分是西南天山和帕米尔两大对冲构造系统的会聚带，关于两者变形前缘和分界的确切位置存在不同认识。在乌恰县以南的玛依卡克盆地南缘，清晰可见属于帕米尔构造带、向N或NNE逆冲的帕米尔前缘逆冲推覆体(PFT)。最近野外调查在盆地北部发现了西南天山前缘的最新变形带:向南逆冲的乌拉根背斜南翼断层。断层总体近EW走向，在克孜勒苏河南岸和别尔托阔依河两岸河流阶地上形成了长约12km、坡向南的逆断坎，近地表断层产状为6°∠15°。由于乌拉根背斜及其南翼断层的活动，断层上盘阶地面上形成了多条弯滑断层，并发生了明显的反向掀斜。高阶地形成以来(区域对比表明，该阶地与木什背斜北翼T2大致为同一期阶地，其光释光年龄约为16ka)，西南天山南缘吸收的总缩短量约71.4km，平均缩短速率约4.5mm/a。

天山 帕米尔 塔里木盆地 乌拉根背斜南翼断层 弯滑断层 阶地变形

0 引言

塔里木盆地新疆喀什以西部分是向南逆冲的西南天山构造带和向北逆冲的帕米尔构造带的会聚带(图1)。新生代以来，印度板块与欧亚大陆的碰撞挤压使帕米尔强烈隆升和向北推覆，西南天山再度崛起并向南逆冲。夹持在两大构造带之间的塔里木盆地西部发生了强烈坳陷和隆起，在巨厚的新生代碎屑沉积内发育了数排逆断层-褶皱带(陈杰等，1997，2011;Heermence et al.，2008)。该地区构造变形强烈、强震频发，GPS观测数据表明其现今缩短速率高达6 ～10mm/a(Yang et al.，2008;Zubovich et al.，2010)。由于两大构造带的相互对冲和相互改造(陈杰等，1997;尚新璐等，2004;陈汉林等，2010)，对于该地区新生代构造变形的时间、方式、幅度和速率等尚不清楚，特别是对于两大构造体系的空间展布、范围界线、相互作用和改造等问题目前仍存在很大争议(陈杰等，1997，2001;肖安成等，1999;尚新璐等，2004;Scharer et al.，2004;Heermence et al.，2008;潘家伟等，2009;陈汉林等，2010;Fu et al.，2010)。

图1 玛依卡克盆地及邻区主要构造分布图Fig.1 Structures distribution surrounding the Mayikake Basin.

位于乌恰县以南的玛依卡克盆地是残留在西南天山和帕米尔两大对冲构造系统间的山间盆地(图1)。盆地南缘清晰可见属于帕米尔构造带、向N或NNE逆冲的帕米尔前缘断裂带(Pamir Front Thrust，简称PFT)(陈杰等，1997，2011;尹金辉等，2001)。该断层托姆洛安段引发了1985年7.4级乌恰地震，并在明尧勒背斜南翼形成了长约15km的地表破裂带(冯先岳，1994)。最近野外调查中，在盆地北部发现了一条向南逆冲的具有较强活动性的断层——乌拉根背斜南翼断层(图1，2)。由于该断层以北地区不发育规模较大的向北逆冲的断层，我们认为乌拉根背斜南翼断层是西南天山前缘的最新变形带。在对Google Earth 2010年发布的该地区约1m分辨率卫星影像详细解译的基础上，对乌拉根背斜南翼断层进行了野外地质地貌填图和高精度差分GPS测量，对其空间展布和变形特征进行了分析和讨论，并估算了其在晚第四纪的平均缩短速率。

1 区域地质背景

乌恰县以南的玛依卡克盆地位于西南天山和帕米尔构造带之间(图1)，因盆地内的玛依卡克村而得名，也有人称之为卡拉贝利盆地。该盆地是一总体走向NW、长约15km、宽约10km的晚第四纪菱形盆地。盆地内部晚第四纪冲洪积物厚10～40m，其周缘为新生代地层环绕。盆地北缘的克孜勒苏河河谷是西南天山和帕米尔之间海拔最低的部位，克孜勒苏河及其支流强烈切蚀西南天山和帕米尔构造带，并将剥蚀沉积物向东搬运至下游的喀什盆地沉积下来。

图2 乌拉根背斜南翼断层陡坎空间展布图Fig.2 Overview map of fault scarps at south limb of the Wulagen anticline.

盆地西边界和南边界分别为向N或NNE逆冲的吉勒格由特推覆体、托姆洛安推覆体，它们均属于帕米尔前缘逆冲推覆体的一部分，是帕米尔构造带的最新变形带(陈杰等，1997;尹金辉等，2001)。盆地北边界为属于西南天山构造带的乌拉根复背斜。该背斜总体走向SWW-NEE，核部出露元古代变质岩，两翼由侏罗系、白垩系和古近系、新近系组成。背斜北翼变形复杂，南翼相对简单，主要为厚7～8km的南倾新近纪砂岩和第四纪西域砾岩单斜层。盆地东部为明尧勒背斜西倾伏端，主要由西域砾岩组成，但已被克孜勒苏河切蚀破坏，在河南岸形成一孤岛。

流向东的克孜勒苏河是区内最大的轴向水系，北有源自天山的康苏河汇入，南有源自帕米尔的别尔托阔依河汇入。克孜勒苏河南岸阶地可划分为3期(图3a)，均为以西域砾岩为基座的基座阶地。Tk1和Tk2拔河高度分别为3～5m和30～40m。Tk3可进一步细分为Tk3a和Tk3b，Tk3a仅比Tk3b低4～5m，两者拔河高度均超过60m。别尔托阔依河流向NNE，在河东岸发育3级阶地(图3a)。Tb1拔河高度仅数m，阶地堆积为砾石层夹多个棕黄色粉细砂透镜体;Tb1可进一步细分为Tb1a和Tb1b，Tb1b比Tb1a高2～3m。Tb2拔河高度约20m，Tb3拔河高度超过30m;Tb2和Tb3阶地堆积为分选磨圆较好的砾石，几乎不含粉细砂。Tb3和克孜勒苏河南岸的Tk3连成一片，形成了盆地内宽阔平坦的戈壁面。区域对比表明，该戈壁面与木什背斜北翼T2大致为同一期阶地面(尹金辉等，2001)，年龄约16ka(李涛等，2011)。

图3 别尔托阔依河以东乌拉根背斜南翼断层空间展布特征Fig.3 Characteristics of fault scarps at south limb of the Wulagen anticline，east of the Bieertuokuoyi River.

肖安成等(1999)认为玛依卡克盆地所在位置是喀孜克阿尔特复背斜(文中称之为阿克脱拉尔背斜)的核部，是帕米尔前缘逆冲推覆体的斜断坡。从克孜勒苏河南岸出露的阶地基座来看，盆地下伏地层主要为乌拉根复背斜南翼和明尧勒背斜西倾伏端的西域砾岩(图1，3a)，而非喀孜克阿尔特复背斜核部的古近纪海相地层。

2 乌拉根背斜南翼逆断层

向南逆冲的乌拉根背斜南翼逆断层发育在背斜南翼的西域砾岩中，在克孜勒苏河南岸和别尔托阔依河两岸的阶地面上形成了一系列断坎(图2，3)。断坎总长约12km，近EW走向，蛇曲状延伸，总体呈一向南凸的弧形。断坎坡向南，与总体坡向北的区域地形相反，是一反向坎。在高阶地上，断坎高7.5～17.6m不等(图4)。向东延伸，断坎分叉为2、3条，局部因高阶地边缘冲沟的改造而难以识别，断层向东最终隐伏于克孜勒苏河河谷之下。断层向西切过别尔托阔依河谷时断错了所有阶地，在 Tb1a、Tb1b、Tb2和 Tb3上断坎高度分别为(1.2±0.2)m、(2.8±0.4)m、(7.3 ±1.3)m 和(9.1 ±0.4)m，是一条全新世活动断层。断层上盘附近阶地面可能由于逆断层作用而发生了一定反向掀斜(向南掀斜，掀斜方向与区域坡向相反)，其坡度均小于下盘坡度(图3d)。在别尔托阔依河西岸，断层可能分叉为2条，断坎高度明显小于河东岸。断层向西隐伏于河西岸山前现代洪积扇裙之下。再向西在克孜勒苏河南岸可见一NW走向、长约2km的挤压鼓包(图2b)，可能属该断层的西延部分。

在该断层东端，可见一断层露头(图3c)。青灰色中粗砾石层向南逆冲到青灰色中细砾石层之上，断层产状6°∠15°。断层面附近，砾石有很好的定向排列，地层因牵引而褶皱变形，远离断层地层近水平。在断层端部，下盘地层中发育一楔状棕黄色含砾中细砂堆积，远离断层迅速尖灭，这可能是一推覆楔沉积。该断层可能至少有2次活动:第1次活动在地表形成一断坎，断坎前缘因汇水堰塞而沉积了该套含砾中细砂层;第2次活动使断层上盘逆冲到该套地层之上。断层露头处的阶地面断坎高约4.2m，与下伏地层垂直断距基本一致，表明阶地面与下伏地层的断错是同步的。

3 乌拉根背斜南翼逆断层上盘弯滑断层与阶地变形

在乌拉根背斜南翼逆断层上盘克孜勒苏河南岸不同阶地面上，还发育多条近平行展布、高0.9～4.1m不等、坡向北的断层陡坎(图2，4)。断坎走向与下伏基岩走向基本一致，单条断坎长度较短，延伸性不好，是典型的向北逆冲的弯滑断层坎。断坎走向在阶地西部通常为N40°W，向东转为N70°W，这显然是由下伏西域砾岩走向变化造成的。弯滑断层坎仅发育在背斜南翼轴面(西域砾岩在轴面以北倾角82°，以南倾角52°)附近，远离轴面断坎不发育(图3a)。由于阶地面上古河道发育，且其走向局部与弯滑断层走向相近，野外调查中有时很难将二者区分。弯滑断层坎不仅发育在高阶地上，沿其走向在低阶地甚至河漫滩上也有发育(图2)，表明这些弯滑断层在全新世仍在活动。在乌拉根背斜南翼断层西端挤压鼓包以北残留的阶地面上发育多条近平行的陡坎(图2b)，其空间展布特征与弯滑断层陡坎相似，但究竟是弯滑断层坎还是古河道有待进一步考证。

由于差异性构造变形，乌拉根背斜南翼断层上盘河流阶地发生了不同程度的掀斜。为定量限定掀斜量，我们用差分GPS横跨断层对别尔托阔依现代河床和高阶地进行了测量，共获得5条高精度地形剖面(水平精度＜2cm，垂直精度＜4cm)(图3a，4)。为了便于对比，将所有实测数据投影到N10°E方向上。

图4 别尔托阔依河东岸变形阶地实测地形剖面(剖面位置见图3a)Fig.4 Survey profiles of deformed terraces lying at east of the Bieertuokuoyi River.

现代河床实测地形剖面pt0与别尔托阔依河流向一致，反映了现代河床坡向NNE，坡度1.0°(坡向北为正，向南为负，图4a，b)。对于Tb3边缘的剖面pt1(图4a)，断坎高约7.5m。阶地面坡度在断层下盘为1.0°，上盘为0.9°，与现代河床基本一致，阶地面没有明显变形。在剖面pt2(图4b)，断坎高约13m，断层上盘剖面南段阶地面坡度为1.1°，没有明显变形。剖面北段阶地面发生了明显反向掀斜:坡度-4.4°，向北变为-2.5°，坡度变化的位置发育弯滑断层。实测剖面pt1和pt2所在阶地面均位于背斜南翼轴面以南(图3a)。

在剖面pt3，断坎高约17.6m(图4c)。断层下盘阶地面坡度0.5°，小于现代河床坡度。断层上盘附近阶地面正向掀斜，坡度为1.2°。远离断层向北约300m，阶地面转为向南掀斜，坡度由 -2.1°，向北依次递减为 -1.6°、-0.3°和 -0.1°。阶地面坡度由 -2.1°变为 -1.6°的位置为Tk3b 和 Tk3a的界线，由 -1.6°减为 -0.3°、-0.1°的位置发育弯滑断层，断坎高度向北依次约为1.9m和1.5m(图4d)。剖面pt3横跨背斜南翼轴面，阶地面坡度在轴面两侧一致(图4c，d)。

在剖面pt4，断坎分叉为2～3条(图3a)。断层下盘阶地面坡度0.3°，明显小于现代河床坡度。断层上盘阶地面坡度反向掀斜，坡度由 -2.7°向北依次递减为 -2.7°、-1.5°和 0.1°(图4e)。阶地面坡度变化的位置与弯滑断层对应，断坎高度向北依次约为0.9m、4.1m和1.2m(图4f)。剖面pt4也横跨背斜南翼轴面;轴面附近，阶地面坡度没有变化(图4e，f)。

综上所述，乌拉根背斜南翼阶地面变形具有如下特征:1)断层下盘，靠近别尔托阔依河阶地面坡度与现代河床基本一致(剖面pt1，p1，p2，p3);远离别尔托阔依河，阶地面坡度小于现代河床(剖面pt3，pt4)。2)断层上盘附近阶地面正向掀斜(剖面pt3)或反向掀斜(剖面p1，p2，p3，p4)。3)弯滑断层发育地区，阶地面反向掀斜(剖面pt2，pt3，pt4)，掀斜角度向北依次递减，角度变化的位置除在一处与阶地陡坎对应外，其它位置均与弯滑断层对应，与背斜南翼轴面无对应关系(剖面pt3，pt4)。4)远离南翼断层和弯滑断层发育区，阶地面没有明显变形(剖面pt1和pt2南段)。

4 讨论

4.1 阶地面差异性变形的成因

变形阶地发育在乌拉根背斜南翼，背斜生长和断层活动均可能造成阶地面差异性掀斜(Rockwell，1988;陈杰等，2005;Scharer et al.，2006;Amos et al.，2007;李涛等，2011)。褶皱生长过程中，生长翼的旋转会使发育其上的阶地面同步掀斜，差异性掀斜的位置与轴面位置对应(陈杰等，2005;Scharer et al.，2006;李涛等，2011)。在乌拉根背斜南翼轴面附近，轴面以南的实测剖面pt1和pt2南段阶地面无明显变形，横跨轴面的实测剖面pt3和pt4在轴面两侧阶地面坡度没有变化，说明轴面两侧未发生旋转变形，该轴面自高阶地形成以来可能不再活动。剖面pt3和pt4断层下盘阶地面坡度小于别尔托阔依现代河床坡度，可能是由于此处距别尔托阔依河较远，阶地面是克孜勒苏河或2条河流共同作用形成的，断层下盘阶地面坡度为其原始坡度。

断层活动时，其断层面倾角随深度的变化也会造成阶地面掀斜(Amos et al.，2007)。别尔托阔依东岸断层上盘阶地面坡度小于断层下盘和现代河床坡度(图3d)，可能由于南翼断层由深到浅倾角逐渐减小造成的。剖面pt3处断层上盘阶地面向北掀斜(坡度1.2°，图4d，e)，则可能由于南翼断层由深到浅倾角逐渐增大造成的，断层在近地表表现为一铲状断层(图6)。

在弯滑断层发育地区，弯滑断层作用也会造成阶地面差异性掀斜(Yeats，1981;Rockwell，1984)。在乌拉根背斜南翼阶地面反向掀斜地区也是弯滑断层发育地区，阶地面掀斜角度变化的位置与弯滑断层对应，表明阶地面的反向掀斜是由弯滑断层作用造成的。综合Yeats(1981)和Rockwell(1984)的模式，我们提出了该地区弯滑断层作用下的阶地面变形模型(图5):1)乌拉根背斜发生弯滑褶皱作用过程中，由于层间剪切作用会在地层间的砂泥岩层等软弱夹层形成很多软弱面，即潜在滑动面(图5a)。2)乌拉根背斜南翼断层的活动会在局部形成反冲挤压力，沿地层中软弱面滑动形成弯滑断层1。由于轴面附近由深到浅地层倾角逐渐增大，形成的弯滑断层倾角也是由深到浅逐渐增大，这造成了上覆阶地面的反向掀斜(图5b);3)随着乌拉根背斜南翼断层的持续活动，滑脱断层2形成，它不仅使断层1和2之间的阶地面反向掀斜，也造成断层1上覆阶地面的同步掀斜(图5c);4)最终在断层上盘背斜南翼轴面附近形成了一系列弯滑断层，并在弯滑断层作用下造成了阶地面差异性旋转，阶地面旋转角度远离南翼断层递减(图5d)。

图5 弯滑断层作用下阶地变形模型(据Yeats et al.，1981修改)Fig.5 Terraces deformation as growth of flexural-slip faults(adapted from Yeats et al.，1981).

4.2 缩短增量与缩短速率

乌拉根背斜南翼的缩短由南翼断层和弯滑断层共同吸收。在剖面pt3(图4，6)，南翼断坎高约17.6m，假设此处近地表断层倾角与断层露头处倾角一致，为15°(图3c)，则南翼断层倾滑位移量，亦即吸收的缩短增量约为68m。剖面pt3共跨过2条弯滑断层，断坎高度分别约为1.9m和1.5m，由于弯滑断层倾角与下伏地层倾角基本一致，均为82°，可得其吸收的缩短增量分别约为1.9m和1.5m。因此，高阶地形成以来，乌拉根背斜南翼总缩短量约为71.4m。由于高阶地面与木什背斜北翼T2大致为同一阶地面(尹金辉等，2001)，约16ka(李涛等，2011)，可得乌拉根背斜南翼在晚第四纪平均缩短速率约为4.5mm/a。

图6 剖面pt3处阶地变形几何模型Fig.6 Geometric models of the deformed terraces at profile pt3.

5 结论

乌拉根背斜南翼逆断层是西南天山前缘的最新变形带，距帕米尔构造带最前缘的帕米尔前缘逆冲推覆体(PFT)仅3～5km。该断层以西，西南天山和帕米尔构造带已叠加在一起。乌拉根背斜南翼断层断错了别尔托阔依河两岸所有阶地，形成了高度不等的断坎，是一条全新世活动断层。由于断层活动，在断层上盘阶地面上形成了数条弯滑断层;在弯滑断层作用下阶地面发生了不同程度的反向(向南)掀斜。高阶地形成(距今约16ka)以来，乌拉根背斜南翼缩短量约为71.4m，平均缩短速率约4.5mm/a。

在帕米尔构造带向北推覆和南天山向南逆冲这一对冲碰撞过程中，无论在构造上还是地貌上均发育了一系列正处于“青年”、“中年”、“老年”等不同阶段的逆断层-褶皱带。相对于西段已进入“中年”、“老年”阶段的对冲带而言(尚新璐等，2004;陈杰等，2005;陈汉林等，2010)，玛依卡克晚第四纪山间盆地可能正处于对冲的“青年”阶段。乌拉根背斜南翼逆断层的发现表明，西南天山构造带仍在持续向南逆冲推覆，并已断错切割玛依卡克山间盆地。可以预见，该盆地在不久的将来也会消亡。

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THE DISCORVERY AND GEOLOGIC SIGNIFICANCE OF THE THRUST AT SOUTH LIMB OF THE WULAGEN ANTICLINE，SOUTH MARGIN OF THE SOUTHWESTERN TIANSHAN

LI Tao1)CHEN Jie1)XIAO Wei-peng1，2)Burbank D W3)Thompson J3)YANG Xiao-dong1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China
3)Department of Geological Sciences，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

>The western Tarim Basin is a convergent zone of the Southwestern Tianshan and the Pamir，and there have been big debates about its exact boundary.However，in the Mayikake Basin，the boundaries of two tectonic systems are very clear:the north-vergent Pamir Front Thrust is the leading edge of the Pamir，and south-vergent thrust at south limb of the Wulagen anticline，which was discovered in recent field study，is the south margin of the Southwestern Tianshan.

The thrust created 7.5 ～17.6m high scarps on the Tk3(the high terrace of the Kezilesu river)and Tb3(the high terrace of the Bieertuokuoyi river)，with an occurrence of 6°∠15°.To the west，the thrust cuts all terraces of the Bieertuokuoyi river and the underlying youngest alluvial fans ultimately.The total length of thrust trace is about 12km.As activity of the thrust，lots of subparallel flexural-slip scarps are formed on terrace surfaces，which make terrace surfaces obviously differential back-tilted(tilted to south)，and the locations of tilted degrees changed are corresponding to locations of flexuralslip faults.

Shortening at south limb of the Wulagen anticline is absorbed by the thrust and flexural-slip faults，which is about ～71.4m since abandonment of the high terrace.Regional correlation indicates the high terrace is the same surface as the T2 located at north limb of the Mushi anticline with the age of～16ka，which indicates the average shortening rate of south limb of the anticline in late Quaternary is～4.5mm/a.

Tianshan，Pamir，Tarim Basin，thrust at south limb of the Wulagen anticline，flexural-slip fault，terrace deformation

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0277-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.003

2011-04-07收稿，2011-06-18改回。

科技部国际科技合作计划项目(2008DFA20860)、地震动力学国家重点实验室自主研究课题(LED2010A04)和我国地震重点监视防御区活动断层地震危险性评价项目共同资助。

* 通讯作者:陈杰，研究员，E-mail:chenjie@ies.ac.cn。

李涛，男，1985年生，2007年在吉林大学地球科学学院获学士学位，现为中国地震局地质研究所博士研究生，主要从事新构造、活动构造等方面的研究，电话:010-62009099，E-mail:litao.410@163.com。