帕米尔北缘木什背斜第四纪滑脱褶皱作用与北翼逆断裂的生长

肖伟鹏 陈 杰 李 涛 李文巧 Thompson J

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

帕米尔北缘木什背斜第四纪滑脱褶皱作用与北翼逆断裂的生长

肖伟鹏1，2)陈 杰1)*李 涛1)李文巧1)Thompson J3)

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

发育在帕米尔弧形推覆构造带最前缘的木什活动背斜是一南缓北陡的第四纪滑脱褶皱，背斜的最小地壳缩短量为0.7km，构造隆升幅度可达1.5km。木什背斜北翼逆断层由一系列坡向北的反向断层陡坎组成，不同断坎间垂直位移分布呈现此消彼长的特征，不论是整个北翼逆断层西段还是单条断坎，其垂直位移均呈东高西低的不对称分布，位移梯度东高西低，这可能反映了背斜西段晚第四纪褶皱作用的东强西弱。该断层可能是背斜生长过程中为了调节褶皱逐渐紧闭时不断减小的核部空间形成的浅部、无根的前翼次级剪切逆冲断层，本身不会产生中强地震。该断层晚第四纪平均水平缩短速率为0.8mm/a，仅吸收了该区现今GPS地壳缩短速率的1/5。木什背斜和背斜北翼逆断层的生长均遵从根据全球断层数据获得的断层长度＞100m的标度律。木什背斜北翼逆断层西段陡坎的幂律回归标度指数n=1.37(R2=0.88)，其断层最大位移(Dmax)与断层长度(L)的比值(k)远小于木什背斜的约4.3%，但比全球地震地表破裂带的k值(10-4～10-5)要大1～2个数量级，这表明木什背斜北翼断裂陡坎可能是数个中强震的派生产物，但尚处于断层发育的早期。

帕米尔 木什背斜 褶皱相关逆断层 断层陡坎 断层位移-长度标度律

0 引言

断层和褶皱作用是地壳变形的基本类型(Scholz，1990)。造山作用起始于断层和褶皱的成核、生长和扩展(Armstrong et al.，1965)。褶皱和断层是如何成核、生长扩展和相互关联的?褶皱和逆断层间是如何相互作用的?沿单条断层位移是如何变化的，沿整个断裂带累积位移又是如何变化的?生长是以单向不对称扩展为主还是以双向扩展为主?相邻2条断层之间位移是如何分配和传递的?褶皱与逆断裂长度和位移的关系遵从何种标度律(scaling laws)?这些问题不论对于认识褶皱和逆断层本身，还是对于评价活动褶皱和逆断层未来地震危险性都具有十分重要的意义。对断裂带形成和生长过程的研究多集中在正断层和走滑断层(Dawers et al.，1995;Manighetti et al.，2001;Walsh et al.，2003)，对于逆断层的研究实例则非常少(Davis et al.，2005;Amos et al.，2010)。

帕米尔弧形推覆构造带最前缘和最新的变形带——木什活动背斜以及背斜北翼河流阶地上发育的数条断层陡坎是开展上述问题研究的理想场所。我们对该背斜进行了1/5万的活动构造地质-地貌填图，采用不同方法和技术对背斜北翼断层陡坎进行了详细测量，结合探槽开挖和露头观察，对断层的生长过程和位移分布特征进行了分析，对该断层与木什背斜之间的关系进行了讨论。

1 研究区背景

木什背斜位于塔里木西部帕米尔和南天山2个晚新生代再生造山带的汇聚带内，是帕米尔弧形推覆构造带最前缘和最新的变形带(陈杰等，2011;图1)。新生代印度板块与欧亚大陆强烈挤压碰撞，帕米尔高原强烈隆升并向北推覆，南天山再度崛起并向南逆冲，使得两者之间的盆地强烈凹陷，堆积了8～12km巨厚的碎屑沉积物。受软弱岩性控制，盆地内发育2个深浅不同层次的滑脱面(肖安成等，2000)。深层滑脱面由寒武纪白云岩、白云质灰岩和膏泥岩组成，深度约10km，是区域主滑脱面。浅层滑脱面由古近纪石膏岩、灰岩组成，区域深度有一定变化。

图1 (a)帕米尔高原、西天山和塔里木西部GTOPO30 DEM;(b)塔里木西部ASTER影像和主要新生代构造带，GPS速度矢量(据Zubovich et al.，2010)Fig.1 (a)Tectonic setting of the Kashi foreland basin;(b)the ASTER image，main structures and GPS velocity vectors of the Kashi foreland basin(after Zubovich et al.，2010)

西南天山构造变形起始于距今约25Ma(Sobel et al.，2006)，构造变形前缘分25～20Ma、16.3 ～13.5Ma、13.5 ～4.0Ma、4.0Ma至现今4 个阶段，由腹陆(北)向前陆盆地(南)脉冲式迁移扩展，迁移速度＞10mm/a，地壳缩短总量达7～12km，由西向东缩短量和速率有减小趋势(Scharer et al.，2004;Chen et al.，2007;Heermence et al.，2008)。在第四纪，西南天山变形前缘已向南迁移到盆地中部的阿图什-喀什滑脱褶皱带，形成了明尧勒、喀什、阿图什等多个第四纪活动背斜(图1)。

新生代以来，帕米尔通过主帕米尔逆冲断裂(Main Pamir Thrust，MPT)、帕米尔前缘逆冲推覆体(Pamir Front Thrust，PFT)及其之间的乌帕尔背驮盆地吸收了约300km塔里木-塔吉克块体向南的俯冲(Burtman et al.，1993;Thomas et al.，1994)。MPT 的活动起始于距今 25 ～18Ma(Sobel et al.，1997;Yin et al.，2002)，其空间展布和演化历史至今未能很好地限定(图1)。帕米尔的第四纪变形集中在帕米尔前缘逆冲推覆体(PFT)上。PFT是帕米尔的最前缘和最新变形带(图1)，又称乌帕尔断裂带(刘胜等，2005;陈汉林等，2010)或卡兹克阿尔特断裂(冯先岳，1987)，断裂以古近系底部的膏泥岩层作为滑脱面向北推覆，由喀孜克阿尔特复背斜及其北缘的卡兹克阿尔特逆掩断裂带组成(刘胜等，2005;陈汉林等，2010)。PFT由多个向北逆冲的次级推覆体及其间的横向撕裂断层组成，由西向东包括卡巴加特断裂、吉勒格由特断裂、托姆洛安断裂和木什背斜(陈杰等，1997)。

PFT和喀什-阿图什褶皱带的现今GPS缩短速率为6～9 mm/a(Yang et al.，2008;Zubovich et al.，2010)。据艾斯毛拉背斜东南的GPS观测站WUPA和喀什背斜南的KSH站观测数据(Zubovich et al.，2010)，两站之间现今缩短速率约为 3.7mm/a。

2 木什背斜的构造变形特征

木什背斜位于西南天山喀什前陆盆地明尧勒-喀什背斜带南侧，属帕米尔前缘逆冲推覆体的东端(陈杰等，1997;尹金辉等，2001)。背斜西起波孜塔格峰东，向SEE方向延伸，东止于疏附县城以西，背斜北侧以宽缓的卡帕卡向斜与明尧勒-喀什背斜带相隔，西倾伏端以狭窄的向斜与明尧勒背斜交接。在背斜西南，帕米尔前缘逆冲推覆体的分支断裂——波孜塔格逆断裂上盘的古近系和新近系向北逆掩在木什背斜西南翼的西域砾岩之上(图1和图3a;陈杰等，1997)。在背斜南侧，PFT的另一条分支断裂——艾斯毛拉逆断裂及上盘古近系和新近系向北逆掩在木什背斜南翼之上。

康玉柱等 对该背斜进行了1/5万石油地质填图，对地层组成和构造发育特征进行了较详细描述。在前人工作基础上，我们对该背斜进行了1/5万的活动构造地质-地貌填图(图2a)。木什背斜区内出露的最老地层为阿图什组(N2a)和西域组(Q)。阿图什组分布在背斜核部，北翼河流阶地基座也有零星分布，是一套河流相的土黄色、苍棕色、灰绿色泥岩、砂泥岩、砂岩层夹砂砾岩层，交错层理发育，向上粒度渐粗，出露厚度700～900m。西域组主要分布在背斜南翼和东西倾伏端，北翼的阶地基座仅零星出露，岩性为深灰色砾岩，局部夹少量砂岩透镜体;砾岩成分为变质砂岩、沉积砂岩、灰岩、花岗岩等，粒径3～10cm，大者超过1m;出露厚度300～500m。西域组与下伏阿图什组之间为整合渐变接触(图2b，c)。

在平面上木什背斜呈一略向SSW凸出的扁豆形。背斜总体呈NWW-SEE向展布，构造地形长约35km，宽6～12km。背斜西窄(窄处约6km)东宽(图2d)，背斜最宽逾12km，沿走向延伸最长达35km，长宽比为2.9。若以地表出露的阿图什组顶界面计算，背斜长约17.5km，宽约5.3km，为一短轴背斜。

木什背斜在剖面上为一南翼缓、北翼陡倾甚至直立的不对称歪斜背斜(图2d)。阿图什组和上覆西域组下部构成了背斜的基本几何形态，相互间近于平行，地层厚度及产状没有显著变化，为一套生长前地层。背斜南翼近核部，阿图什组产状较缓，倾角为4°～6°，向南至库木塔格山脊附近的阿图什组与西域砾岩过渡带倾角变为15°～20°，再向南至西域组中、上部地层产状变缓至4°～8°。背斜核部与北翼地表几乎全部被向东流的克孜勒苏河所切蚀，形成多级开阔平坦的基座阶地。从零星的露头看，北翼近核部阿图什组产状较缓，倾角为22°～26°，向北迅速变陡甚至直立。纵向上，背斜西部相对紧闭，地层较陡，隆升幅度较高;向东褶皱逐渐变宽缓，隆升幅度渐小(图2d)s。背斜脊线以6°～10°向两端平缓倾伏，东端尤为平缓，地层倾角只有4°～5°;在西端下倾迅速，在不足2.5km 的范围内地层倾角由10°增大到25°、40°，最后以10°左右过渡至卡帕卡向斜。显然，背斜的构造变形起始于西域砾岩下部沉积之后。但由于地层倾角较缓，我们并未在露头上观察到生长地层。

在区域上，阿图什组属新近纪上新统，西域组属下更新统，但两者间的界限具有穿时性，至少变化于0.7～1.9Ma(Chen et al.，2007;陈杰等，2007)。据明尧勒背斜南翼明尧勒剖面的磁性地层年代学结果，西域砾岩的底界年龄为(1.5±0.2)Ma。显然，背斜的构造变形要晚于(1.5 ±0.2)Ma。

晚第四纪以来伴随着背斜的持续生长，克孜勒苏河两岸阶地发生了显著变形，在背斜西北角主要表现为木什背斜北翼逆断裂的活动和多条断层陡坎的形成，在背斜的中东部则表现为不同阶地面的横向掀斜及褶皱陡坎的形成和阶地面的纵向掀斜(李涛等，2011)。本文重点讨论背斜北翼逆断裂及其与褶皱作用的关系。

3 木什背斜北翼逆断裂变形特征

木什背斜北翼逆断裂位于背斜区西北部轴线以北2km处(图1，3，4)，在克孜勒苏河北岸阶地面T2b上形成了数十条长约5km、走向N63°W的断层陡坎，向西延伸终止于1985年乌恰MS7.4地震地表破裂带(冯先岳，1994;陈杰等，1997;尹金辉等，2001)。需要指出的是，这些断层陡坎在1985年乌恰MS7.4地震中并未发生同震破裂。由于修建喀什一级电站引水渠，这些断坎北部遭到破坏。我们对引水渠修建前、摄于1971的航片对(比例尺约为1/5万)，引水渠修建后、摄于1983年的航片对(比例尺1/1万)进行了正射校正和数字化，结合Google Earth 2010年发布的高分辨率SPOT卫星影像进行了细致的解译。在此基础上对未被破坏的断层陡坎及断错地貌进行了大比例尺填图和地形测量。

3.1 几何学特征

木什背斜北翼逆断裂带在克孜勒苏河北岸阶地面T2b上表现为一系列坡向北的反向断层陡坎，与坡向南的区域地形相反。断坎总体走向与背斜轴线一致，可分为东西两段。

3.1.1 东段

东段断坎规模较大但较为简单，由坡向北、走向N55°W的断坎组成(图2，4)，与下伏基岩走向一致。该段断坎长约2.1km，向SE延伸至克孜勒苏河消失，向NW延伸其西端被喀什一级电站引水渠所破坏。由于断坎较高且坡向NE，断坎北侧向南流的冲沟水系被阻挡而改道沿陡坎前缘流向SE(图3a)，形成与断坎平行的SE向深切沟谷，并在两岸特别是南岸形成阶地，沟床西窄向东渐宽。南岸1～2级冲沟阶地的存在使得有些地点难以区分阶地陡坎和断层陡坎(图4a)。断层上盘发育了多条短小、NE流向的现代小冲沟，汇入此SE流向的水系中，这些小冲沟显然是在断坎形成后切蚀断坎而成。

图3 木什背斜北翼逆断裂陡坎分布Fig.3 The spatial distribution of northern Mushi anticline surface rupture.

据康玉柱等1978年的填图资料①同291页①。，在喀什一级电站落水坝施工时揭露出一断层剖面(图4b)，阿图什组苍棕色砂泥岩向北逆冲到晚第四纪阶地砂砾石堆积之上，断层面产状为190°∠46°。断层破碎带内阿图什组遭受强烈挤压，岩层直立、弯曲、揉皱、甚至局部倒转，泥岩被挤压成透镜体。断层下盘阶地砂砾石堆积在断层面附近受到明显牵引，砾石沿断层面呈定向排列。遗憾的是该图中对晚第四纪阶地砂砾石的断错细节及断层的上断点未作细致观察和描述，目前该剖面已经被水坝等建筑物所掩埋。

在断层陡坎东端的喀什一级电站落水坝基处，可见西域组青灰色砾岩(地层产状为30°∠68°)向北逆冲到晚第四纪阶地砾石层之上，形成较宽的断层破裂带，断层面附近砾石定向排列(图4c，d)。破裂带内发育3条断层，F1和F2仅发育在西域砾岩中，未断错上覆阶地堆积。F3断层面产状180°∠22°，西域砾岩沿该断层向北逆冲在近水平阶地河床相砂砾石层之上，并在地表形成4.6m高的断层陡坎(图4a)。F3断层下盘虽未见阶地堆积底界及西域砾岩，但其垂直断距应＞4.6m。剖面右上角近地表F3下盘发育一楔状粉细砂堆积，近断层处厚约0.6m，远离断层渐薄，可能是一古地震楔状堆积。由于F3已逆冲在该楔状粉细砂堆积之上，说明该断层至少经历了2次活动:第1次活动在地表形成一陡坎，随后在其前缘沉积了楔状粉细

砂堆积;第2次活动使F3断错该楔状粉细砂堆积。需要指出的是，该露头向南10～15m即为阿图什组与西域砾岩的过渡带，亦见数条向北逆冲的断层。

图4 喀什一级电站落水坝基处木什背斜北翼逆断层Fig.4 The outcrop of Mushi Fault at the dam foundation of the Kashgar's first hydropower station.

如假定克孜勒苏河北岸阶地面T2b与南岸T2a阶地的形成时代一致，即为约13.7ka，木什背斜北翼逆断裂东段在T2b形成以来的垂直位移为4.6m，若按F3断层的产状计算其倾滑位移为12.3m，水平缩短量为11.4m，则其平均垂直滑动速率为 0.34mm/a，平均倾滑速率为0.9mm/a，平均水平缩短速率为 0.8mm/a。

3.1.2 西段

喀什一级电站引水渠以西为木什背斜北翼逆断裂带的西段，断坎规模明显小于东段。据1971年拍摄的航片(图3a)，该段在地表由数十条右阶或左阶斜列、坡向北的反向断层陡坎组成，长约3km。沿这些断坎多处可见冲沟被断错，发育了断头沟、断尾沟和断塞塘沉积。在断层上盘发育3～4条规模较大的南流深切沟谷(图3b)，均为断头沟，谷内发育3～4级小阶地，下盘却基本不发育阶地。断层上盘的这些小阶地地貌可能反映了断层的多次间歇性活动。

在平面上，木什背斜北翼逆断裂带西段的东部由6条反向断层陡坎组成，呈扫帚状向西撒开，最宽处可达400m，向东逐渐合并为东段所在的“扫帚柄”。南部3条断坎向西延伸规模渐小，向西1km后渐消失。北部3条断坎虽被电站引水渠破坏，但在1971年航片上可见其向西延伸约1.8km后向西散开，规模渐小，终止于1985年乌恰MS7.4地震地表破裂带(冯先岳，1994;陈杰等，1997;尹金辉等，2001)。每条陡坎实际上又由数条次级陡坎组成。单条断坎走向NWW-SEE，与下伏基岩地层走向基本一致，蛇曲状展布，延续性较好。单条断坎长短不一，长300～1 100m。阶区断坎间距(隔离量，separation)30～90m，阶区断坎重叠量(overlap)100～200m。断坎间距20～140m不等。在大多数阶区，断坎端部彼此向相邻断层汇聚。

在断坎FS10中部断塞塘沉积发育的部位开挖了一探槽。该处断坎高度为(1.1±0.1)m(图5a)。探槽出露地层以砂砾石层为主夹数层砂、粉砂和黏土层。探槽剖面揭示出F1和F22条断层。向北逆冲的主断层F1呈台阶状，由下断坡-断坪-上断坡组成。F1下盘地层除在断层附近发生轻微牵引变形外，远离断层呈近水平。F1下断坡产状188°∠34°，地层垂直断距(1.2±0.1)m。沿F1上断坡，地层断距向上渐小，地层变形渐以褶皱为主。在F1下断坡顶端发育向南逆冲的反冲断层F2，产状为8°∠12°，断距较小，至断层端部表现为地层的褶曲，并未出露地表。F1和F2断层是在层⑧沉积之后开始活动的，在地表形成断坎并在坎前堆积了楔状沉积层⑨。显然，该探槽仅揭露了一次断层活动事件。

3.2 位移分布特征

木什背斜北翼逆断裂陡坎高度由东向西有减小趋势。东段单条断坎高度3.9～6.4m不等，累积高度 (11.0±1.0)m。西段断坎规模明显较东段小，单条断坎高度0.2～2.5m不等，累积高度不超过3.5m，向西渐小。

图5 横跨断坎FS10探槽剖面Fig.5 The cross-section of trench FS10 crossing fault scarp.

为了更进一步研究沿单条断坎位移是如何变化的，我们选择木什背斜北翼断层西段保存较好的8条断层陡坎进行了系统测量(图6a)。测量仪器为UniStrong集思宝E660T GNSS差分GPS测量系统，其水平精度＜2cm，垂直定位精度＜4cm，流动站采用测绘人双肩背式测量，由此造成的测量误差＜10cm，小于断层陡坎的高度。测量时，沿断坎每隔数m测一数据对(断坎坡顶和坡脚各测一点)，数据对两点的连线与陡坎走向大致垂直，测量时尽量避开冲沟等后期改造强烈的位置，由此获得每条坎的高度。为了检验断坎坡顶-坡脚数据对测量的有效性，同时还进行了跨断层的地形剖面连续测量，根据断坎上下盘地形坡度、陡坎坡度，利用Thompson等(2002)提出的方法，可计算得到断坎的垂直位移。此外，利用Leica ScanStation三维(3D)激光扫描仪选择典型地段对断坎FS8，9，10进行了高精度测量。测量时，用差分GPS对3个标靶分别进行了定点，以备数据的后期处理时配准使用。数据的配准是在Leica Geosystems HDS Cyclone 3D点云处理软件中进行的，将事先获取标靶的大地坐标按要求导入，设其为母站，然后对每站的数据进行拼接，这样拼接好的数据就具有绝对地理坐标。

图6d给出了沿断坎FS10走向3种方法测量结果的对比。由于地形不规则或局部侵蚀，位移分布并非平滑的曲线，而是表现为轻微的起伏和波动。对比这3种测量方法的精度和准度，理论上而言，3D激光测量应该最好，地形剖面连续测量次之，但数据对测量法最省时。测量时该地发育不少10～30cm高的骆驼刺、灌木丛等植被，因而导致3D激光测量数据的起伏。从图6d可看出，虽然数据对法测量结果系统性略低于其他2种方法，但3种方法测量结果在误差范围内是一致的。断坎FS8，9也获得了类似的结果。因此，数据对法获得的断坎高度是可信的。

对于木什背斜北翼断裂西段，单条逆断层陡坎垂直位移量变化于0.2～2.6m之间，沿断坎走向其分布起伏较大，通常呈不对称三角形、箱形或椭圆形，由于后期人为改造，只有5条断坎可以较好地沿走向追踪其起止(图6a)。其中4条断坎(FS3，4，6，9)的高度从峰值向两端衰减，从断坎垂直位移-长度分布图上可见(图6g)，这些断坎的垂直位移分布呈不对称三角形，其峰值位于其东段，向东快速衰减即位移梯度大，向西缓慢衰减即位移梯度小。断坎FS8虽然两端保存完好(图6b)，从西端向东垂直位移逐渐增大，当达到约1.2m时基本恒定，在断坎东端进入与FS7重叠的阶区内甚至与FS7合并时位移量仍约1.3m;随即FS8突然终止于FS7，与其合并，FS8消失，其位移传递到FS7，使得FS7垂直位移增大。与FS8不同，断坎FS9垂直位移由西端向东增大到约1.8m时因与FS7合并而迅速消失，断坎最大垂直位移处并未表现为一坪区，在合并前已衰减至约1m。断层陡坎FS8和FS9的位移分布特征可能是因两断层陡坎之间相互关联和级联破裂造成的。FS10断坎的垂直位移分布呈不对称箱形，这可能是因不同断层陡坎之间连接和相互作用造成的(Scholz et al.，1993;Cartwright et al.，1995;Dawers et al.，1995;Willemse et al.，1997)。

在不同断坎之间，垂直位移分布呈现此消彼长的特征。例如图6h，在2条断层陡坎的阶区，垂直位移由西向东表现为沿FS5陡坎逐渐降低，伴随着另一条断层陡坎FS6位移逐渐增大，与图1c类似。FS5和FS6的垂直位移峰值一致，虽然该阶区内2条断坎的累加位移与位移峰值相比存在位移亏损，但这一位移亏损可能被与FS5，6近平行展布的FS3，4所补偿(7b)，在500m至850m的距离内所有断坎的累加垂直位移约为3m，表现为一坪区，这反映了位移在不同断坎之间的迁移和传递。

将木什背斜北翼断层西段保存较好的8条断层陡坎垂直位移累加，可得到如图6b所示的该断裂西段累积位移分布。尽管沿单条断坎位移起伏较大，但其累积位移却较为平滑，由西而东，在170～500m的距离内位移总量由西向东缓慢增大，至约3m时基本恒定，在500～850m的距离内累加垂直位移表现为一坪区;再向东，由于北部几条断坎已被电站引水渠破坏，使得我们无法进一步获得其累积垂直位移的变化情况。

图6 木什背斜北翼逆断裂带西段断坎垂直位移分布Fig.6 The vertical displacement distribution of scarps along the west segment of Mushi anticline northern thrust fault.

4 讨论

4.1 木什背斜与北翼逆断裂的关系

关于褶皱与断裂构造之间的关系，至今仍存在“鸡和蛋”之争:一种观点认为先断裂后褶皱变形，由于断层作用导致了褶皱的形成和生长，此即断层相关褶皱作用(McClay，2004;何登发等，2005)。另一种观点认为先褶皱变形后断裂，断层作用从属于褶皱变形，断裂是为了调节褶皱作用过程中岩层不同部位应变差异而产生的，此即褶皱相关断层作用(Mitra，2002;邓洪菱等，2009)。

木什背斜北翼逆断层是背斜区内出露的惟一一条断裂，其形成与背斜之间必然具有内在关联。陈杰等(1997)根据前人资料曾推测木什背斜为一第四纪活动的断展褶皱。目前尚无穿过背斜的地震反射剖面。从背斜以东约30km的近SN向JC-A1地震反射剖面(南起英吉沙向北穿过喀什背斜至阿图什市区)看，喀什背斜的滑脱面为5～7km(4～5s深处)深的近水平古近系底部膏泥岩层(T8强反射波组，Chen et al.，2007)，该滑脱面是一区域性滑脱面(肖安成等，2000;钱俊锋等，2008)，可向南连续追踪至英吉沙背斜附近。木什背斜是帕米尔前缘逆冲推覆体PFT的NE段分支构造，刘胜等(2005)通过对地震反射剖面的分析认为，帕米尔前缘逆冲推覆体沿古近系底部的膏泥岩层(T8强反射波组)滑移，并向上逆冲推覆至地表。在木什背斜西南1～2km处，清晰可见PFT的分支断裂(波孜塔格逆断裂带)露头，断层上盘数百m厚的古近系底部阿尔塔什组膏泥岩向北逆掩在木什背斜和明尧勒背斜的第四系之上。据上述资料推测木什背斜的滑脱面应该为深5～7km处的古近系底部膏泥岩。

假定地层长度不变，综合地表填图资料，利用构造平衡恢复软件2D Move对木什背斜进行了构造建模。假设木什背斜深部存在一断坡，北翼逆断裂陡坎是深部断坡断错地表形成的，该断坡倾角与背斜南翼地层倾角相近，为18°～22°，那么从断层露头向下延伸5～7km与滑脱面的交点至少要在该断层露头以南12km，这已大大超出地表木什背斜的范围，与实际不符。因此，该断坡是不存在的。如假设木什背斜为一滑脱褶皱，利用2D MOVE软件模拟获得如图7的结果，剖面中轴面位置的确定除依据野外观察资料外，还采用了尽量减少陡倾等倾斜岩层长度使缓倾等倾斜岩层长度最大化的原则，由此获得背斜生长前地层的最小地壳缩短量为0.7km;尽管现今地表起伏只有500余m，而背斜构造隆升幅度可达1.5km。该模型较好地解释了现有实际资料，因此我们更倾向于认为木什背斜是一滑脱褶皱，这与明尧勒背斜和喀什背斜褶皱类型一致(Scharer et al.，2004;陈杰等，2005;Chen et al.，2007)。这也说明木什背斜北翼逆断裂陡坎可能并非形成木什背斜的主断层。

图7 木什背斜构造平衡剖面Fig.7 Balanced cross-section of the Mushi anticline.

木什背斜北翼逆断层具有以下发育特征:1)数条断层陡坎近平行展布，但延续性不好，单条断坎长度较短，沿走向位移变化很大;2)断层发育在背斜陡倾的北翼，断层与下伏地层之间交角很大;3)在空间上，断层仅在背斜较紧闭的西北部出露，在背斜中部和东部均无出露;4)地表断坎的高度和断层垂直位移由东向西渐小;5)木什背斜总长度约35km，而木什背斜北翼逆断层出露长度仅约5km，其规模与背斜规模不相匹配。这些均表明木什背斜北翼逆断层具有褶皱相关断层的特征，可能是背斜生长过程中为了调节褶皱逐渐紧闭时不断减小的核部空间形成的浅部、无根次级断层，属背斜前翼剪切逆冲断层(Mitra，2002;邓洪菱等，2009)。

4.2 木什背斜北翼逆断层位移分布及其与断层长度的关系

断裂带的形成和生长是自然界中构造变形的基本方式之一(Scholz，1990)。断裂最大位移(Dmax)和断裂长度(L)之间的关系为观察断层生长的机制提供了条件，可作为考察变形特征的大小和构造变形速率的工具。研究结果表明，断层长度(L)和最大位移(Dmax)之间遵循幂指数律:Dmax=kLn，式中 k和 n 均为常数，可通过统计数据获得(Cowie，1992b;Scholz et al.，1993;Dawers et al.，1995;Schlische et al.，1996;Manighetti et al.，2001)。根据不同构造背景、岩性条件和断层规模获得的数据，断裂带长度＜100m时，Dmax和L之间大致呈线性关系(n≈1)。对于断裂带长度超过100m的断层Dmax和L之间是否仍遵循线性关系还存在争议(Nicol et al.，1996)。上述研究多集中在正断层，对于逆断层生长过程的研究实例很少(Davis et al.，2005;A-mos et al.，2010)，逆断层带内各段长度和各段最大位移之间是否与正断层具有相同的统计规律?这种规律在不同时间尺度是否一致?

不论是整个断裂带还是单条断坎，木什背斜北翼断裂的垂直位移均呈东高西低的不对称分布，其位移梯度亦东高西低(图6b)。前人也曾报道过这种不对称的位移分布特征，认为这可能反映了断层由位移峰值向断层端部的侧向生长扩展(Medwedeff，1992;Manighetti et al.，2001)。木什背斜北翼断裂陡坎均发育在克孜勒苏河北岸的T2b阶地上，该阶地与河南岸的T2a阶地为同一级阶地，T2a阶地的年龄约(15.8±2.4)ka(李涛等，2011)，显然这些断坎是在阶地形成后发育的。很难想象在这么短的时间内，木什背斜北翼逆断层陡坎由东向西侧向扩展了2～3km。因此，我们认为木什背斜北翼逆断层陡坎不对称位移分布并非由东向西的侧向扩展造成的。从木什背斜构造横剖面看(图2d)，由剖面CC'向西至AA'，背斜构造高点是向西递减的，这反映了西段褶皱作用的东强西弱。作为与褶皱作用相关的次级断层，木什背斜北翼断裂陡坎位移梯度的东高西低与背斜构造高点的分布特征是一致的，其生长显然主要受控于褶皱作用的强弱。

为了进一步研究木什背斜北翼断裂陡坎最大垂直位移(Dvmax)与断坎长度(L)间的关系，我们利用1971年拍摄的航片对，对已遭破坏的FS5、7和10等3条断坎的长度和陡坎相对高度进行了判读。获得了这3条断坎的长度(表1)，未被破坏段的最大陡坎高度应该代表了整条断坎的最大高度。从图8可见，不论线性还是幂律最小二乘回归均能较好地描述木什背斜北翼逆断裂带西段断坎最大垂直位移与断坎长度的统计关系。线性回归(图8a)给出的斜率即上述公式中的k为0.0035(R2=0.84)，幂律回归(图8b)给出的标度指数即上述公式中的n为1.37(R2=0.88)。如果假定各断坎断层面倾角为22°(据图4c断层露头)，可推算得到各断坎的最大倾滑位移量Ddmax(表1)，据此进行线性回归得k=0.009(R2=0.84)，幂律回归的n不变。这一结果表明，不同断坎间的最大位移与断坎长度间具有自相似的标度律，即断坎越长其最大位移越大。

木什背斜北翼断裂西段断坎的最大倾滑位移和长度资料与Schlische等(1996)统计全球断层资料给出的标度律是匹配的，实际上弥补了中等尺度(长100～1 000m)断层资料较少的空白，并与Davis等(2005)在新西兰Ostler逆断层带的研究结果一致(图9)。木什背斜北翼断裂西段断坎的Ddmax/L比值，即k值为约0.9%，这与Davis等(2005)在新西兰Ostler逆断层带的研究结果一致，但要比正断层的小(Dawers et al.，1995，k=1% ～ 2%;Manighetti et al.，2001，k=1.5%)，比Elliott(1976)在加拿大Rockies地区逆断层的数据(k=7%)小得多。断层陡坎数据的离散度、构造背景和岩性的不同以及断层倾角沿走向的不确定性，均可能会对计算结果产生很大影响。造成木什背斜北翼断裂西段断坎k值较小的更主要原因是，我们测量的克孜勒苏河T2b阶地上发育的断坎是阶地形成(即14ka)以来的位错量。木什背斜北翼断裂已经断错基岩(图4b)，其在该阶地形成前的断错量可能已被剥蚀，因此阶地的断错量仅是该断层累积位移的最小值。

图8 木什背斜北翼逆断裂带西段断坎最大垂直位移与断坎长度关系图Fig.8 The relationship of maximum displacement with fault length.

35km长的木什背斜的构造隆升量可达1.5km(图7)，其Dmax/L比值约4.3%，比北翼断裂西段单条断坎或整个西段的Ddmax/L比值要大得多。如果将木什背斜的资料投在图9上，可见木什背斜的生长遵从断层长度＞100m的标度律。Wells等(1994)、Scholz(1982)收集了全球地震地表破裂带资料，发现地表最大同震位移和破裂长度间的比值k为10-4～10-5(图9)。木什背斜北翼断裂西段单条断坎的Ddmax/L比值(表1)至少比这些地震地表破裂带的k值要大1～2个数量级。这表明木什背斜北翼断裂陡坎可能是数个中强震的派生物，但尚处于断层发育的早期。需要指出的是，木什背斜北翼断裂陡坎与上述全球地震地表破裂带及新西兰Ostler逆断层带不同，它是褶皱相关断层，是发育较浅的无根次级断层。这类断层本身不会产生中强地震，不是地震断层的地表出露，可能只是木什背斜同震作用派生的产物。

图9 全球断层最大位移与断层长度关系图(据Schlische et al.，1996和Davis et al.，2005)Fig.9 The relationship of maximum displacement with fault length based on global fault dataset(after Schlische et al.，1996 and Davis et al.，2005).

5 初步认识

在对帕米尔弧形推覆构造带最前缘和最新的变形带——木什活动背斜进行1/5万活动构造地质-地貌填图的基础上，采用不同方法和技术对保存完好的背斜北翼8条断层陡坎进行了详细测量，结合探槽开挖和露头观察，对断层的生长过程和位移分布特征进行了分析，获得以下初步认识:

(1)木什活动背斜是一南缓北陡的第四纪滑脱褶皱，其滑脱面可能为5～7km深处的古近系底部膏泥岩。背斜西部紧闭向东渐宽缓，构造高点在西部，反映其构造变形西强东弱。背斜的最小地壳缩短量为0.7km，构造隆升幅度可达1.5km。

(2)发育在背斜西北部的木什背斜北翼逆断裂带，在克孜勒苏河北岸阶地面T2b上表现为一系列坡向北的反向断层陡坎。断坎总体走向与背斜轴线一致，长约5km，可分为东西2段。东段断坎规模较大但较为简单，陡坎高度4.6m;西段由数十条右阶或左阶斜列、坡向北的反向断层陡坎组成，不同断坎间垂直位移分布呈现此消彼长的特征，累加垂直位移逾3m。不论是整个西段还是单条断坎，其垂直位移均呈东高西低的不对称分布，其位移梯度亦东高西低，这可能反映了晚第四纪背斜西段褶皱作用的东强西弱。

(3)地质露头和探槽剖面均表明，木什背斜北翼逆断裂是由一系列向NE低角度逆冲的断层组成。该断层在 T2b形成((15.8±2.4)ka，李涛等，2011)以来的垂直位移和速率分别为4.6m、0.34 mm/a;倾滑位移和速率分别为 12.3m、0.9 mm/a;水平缩短量和速率分别为11.4m、0.8 mm/a，仅吸收了该区现今地壳缩短速率的1/5。

(4)构造平衡剖面模拟表明，木什背斜北翼逆断层可能属背斜前翼剪切逆冲断层，是背斜生长过程中为了调节褶皱逐渐紧闭时不断减小的核部空间形成的浅部、无根次级断层。这类断层本身由于较浅且从属于木什背斜构造，不会产生中强地震，可能只是木什背斜同震作用的派生产物。木什背斜构造和1985年乌恰地震可能是2个独立的震源体和发震构造，这也解释了木什背斜北翼逆断层为何在该地震中未发生同震破裂。

(5)从断层最大位移(Dmax)与断层长度(L)的比值(k)看，尽管背斜北翼逆断层是褶皱相关断层，是无根次级断层，不论木什背斜还是背斜北翼逆断层的生长均遵从根据全球断层数据获得的断层长度＞100m时的标度律(Schlische et al.，1996;Davis et al.，2005)。木什背斜北翼逆断层西段陡坎的幂律回归标度指数n=1.37(R2=0.88)，其k值远小于木什背斜的约4.3%，但比全球地震地表破裂带的k值(10-4～10-5)要大1～2个数量级，这表明木什背斜北翼断裂陡坎可能是数个中强震的派生产物，但尚处于断层发育的早期。

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QUATERNARY DETACHMENT FOLDING AND PROPAGATION OF NORTH LIMB FAULT OF MUSHI ANTICLINE，NORTHERN MARGIN OF THE PAMIR

XIAO Wei-peng1，2)CHEN Jie1)LI Tao1)LI Wen-qiao1)Thompson J3)
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 Mushi anticline locates at the frontier Pamir arcuate nappe tectonics belt(PFT)，which is a detachment fold with a gentle south limb and steep north limb，and its earth crust minimum shortening is ～0.7km with uplift up to 1.5km.The north limb fault of Mushi anticline is composed of a series of obsequent slope fault scarps，and the distribution of vertical displacements among different fault scarps presents a pattern of one increasing and the other decreasing.No matter of the entire western segment of the northern limb faults or a single fault，the displacement distribution is asymmetric，that is，high in the east and low in the west，and the same to displacement gradient.This may reflect the late Quaternary folding of Mushi anticline as being intensive in the east and feeble in the west.The fault may be a shallow，rootless secondary fault formed during the growth process of the anticline in order to accommodate the constantly decreased space of anticline nucleus as the fold tightened gradually.The late Quaternary shortening rate of the fault is 0.8mm/a，absorbing only one fifth of the nowadays crustal shortening rate of the region.The growth of Mushi anticline and the north limb fault of Mushi anticline both are in accordance with global fault dataset scaling relationship，that is，fault length is over 100m.The power-law regression scaling exponent of west segment of the northern limb fault of Mushi anticline is n=1.37(R2=0.88)，and its specific value(k)of maximum fault displacement and fault length is far less than that of the Mushi anticline，which is ～4.3%，but 1 ～2 orders of magnitude larger than that of global fault dataset(10-4～10-5).This may show that the northern limb fault of Mushi anticline is the offshoot of several moderate strong earthquakes，and it is still in initial stages.

Pamir，Mushi anticline，fold-related thrust fault，fault scarp，displacement-length scaling relationship

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0289-19

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.004

2011-04-09收稿，2011-05-17改回。

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

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

肖伟鹏，男，1986年生，中国矿业大学(北京)地球探测与信息技术专业，在读硕士研究生，主要研究方向为新构造与年代学，电话:15110084560，E-mail:xiaoweipeng 008@163.com。