塔里木西缘明尧勒背斜的弯滑褶皱作用与活动弯滑断层陡坎

杨晓东 陈 杰 李 涛 李文巧 刘浪涛 杨会丽

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)中国地震局第二监测中心，西安 710054

0 引言

近100多年来，发生在活动褶皱和逆断层带上的一些中强地震，并不受地表已知活动断裂的控制，也未形成相应的地表破裂，如1902年新疆阿图什 8½级地震(陈杰等，1992，1997，2001)、1906年新疆玛纳斯M7.7地震(张培震等，1994)、1983年美国加州Coalinga M6.5地震(Stein et al.，1984)、1944 年阿根廷圣胡安(San Juan)MS7.4 地震(Ragona et al.，2006)、1968年新西兰的Inangahua MS7.1地震(Lensen et al.，1971)和1994年美国加州Northridge M6.7地震(Shaw et al.，1999;Guzofski et al.，2007)等。其特征为震源深部的发震断裂位移向上快速衰减，在近地表处渐趋于零，不引起或只形成很小的地表破裂及断错位移，地震时的地表变形以褶皱隆起为主(Stein et al.，1989)。虽然这类地震中的个别震例可对应已知的地表活动断裂，而更多的地震却发生在活动的褶皱构造之下，是由位于褶皱构造之下深达数十km处的隐伏逆断裂位移而形成的。Stein等(1989)将此类地震称为“褶皱地震”(folding earthquake)。如何研究和评价这类发生在挤压构造区活动褶皱和逆断裂带的褶皱地震的地震危险性和危害性，是一重要的课题。

在活动褶皱生长过程中，如果地层的初始长度保持恒定，为了调节褶皱不同部位的应变差异而往往形成一些变形级别从属于褶皱变形的次生、无根的断裂构造，即所谓调节褶皱变形的褶皱相关断层构造(Yeats，1986;Mitra，2002;Burbank et al.，2011)。由弯滑褶皱作用使地面顺层滑动而形成的弯滑断层即属于这类断层(Rockwell et al.，1981;Yeats，1986)。在弯曲滑动褶皱作用过程中，岩层弯曲，其上层相对于下层朝背斜枢纽而远离向斜枢纽滑动，褶皱枢纽处滑动量为零(Yeats，1986;彭斯震等，1994;Sanz et al.，2008)，在褶皱正常翼发育弯滑逆断层，在倒转翼发育弯滑正断层。弯滑断层因平行层面往往很难从野外露头识别，但当断层错断上覆近水平地层或地貌面在地表形成断层陡坎时(Yeats，1986;Ishiyama et al.，2004，Kelsey et al.，2008)，就会形成阶梯状的断错地貌而很容易被识别(陈杰，1990)。显然，弯滑断层陡坎是研究隐伏逆断层或“褶皱地震”的一个窗口和新途径，但迄今为止，有关弯滑断层陡坎的研究实例却很少(Yeats et al.，1981，1986;Rockwell et al.，1984;朱海之等，1990;陈杰，1990;Ishiyama et al.，2004;Ragona et al.，2006;Kelsey et al.，2008;Burbank et al.，2011;李涛等，2011)。

通过对高分辨率Google Earth遥感影像解译和野外调查，在塔里木西缘明尧勒背斜南、北两翼均发现了弯滑断层错断晚第四纪河流阶地形成的断层陡坎。这些弯滑断层陡坎具体发育在活动褶皱的什么部位，具有怎样的分布规律，变形特征和变形速率如何?通过大比例尺构造填图、槽探、高精度差分GPS测量，初步获得了这些活动弯滑断层陡坎的位移参数及其分布规律，并对这些问题进行了初步讨论。

1 明尧勒背斜地质特征

明尧勒背斜位于塔里木西缘西南天山前陆冲断带喀什－阿图什逆断裂－褶皱带的最西端，帕米尔前缘逆冲推覆体北侧(图1)。背斜走向近EW，略呈向南凸出的弧形，东西长约40km，南北宽约10km，为一北陡南缓的宽缓不对称箱状背斜(陈杰等，2005;王昌盛等，2005)。

背斜由中新统乌恰群砂泥岩(N1)、上新统阿图什组砂岩及砂砾岩(N2)和更新统西域组砾岩()组成。近SE流向的喀浪勾律克河斜穿明尧勒背斜以及近EW向克孜勒苏河斜切背斜南翼时，形成多级河流基座阶地(图1)。伴随背斜生长，这些河流阶地发生了显著变形，形成阶地面掀斜、褶皱陡坎、弯滑断层陡坎等构造(陈杰等，2005;Scharer et al.，2006;李涛，2012)，陈杰等(2005)曾报道在背斜北翼活动轴面附近喀浪勾律克河东岸高阶地上发现了活动弯滑断层陡坎。在1/5万活动褶皱填图中，在明尧勒背斜两翼活动轴面b、d和i(图1)附近的河流阶地面上发现了4处活动弯滑断层陡坎(图1A，B，C，D框)。

2 弯滑断层陡坎调查与测量

2.1 明勒背斜南翼克孜勒苏河北岸河流阶地的弯滑断层陡坎

NW－SE流向的克孜勒苏河在明尧勒背斜南翼形成4级基座阶地。阶地基座为上新统阿图什组(N2)砂岩及砂砾岩，之上的阶地堆积物以冲、洪积砾石为主，含少量砂质透镜体(图2)。河流阶地面被数条流向南的冲沟所切蚀。冯先岳等(1994)曾将这些冲沟自东向西依次命名为三道沟、四道沟和五道沟，其中四道沟和五道沟呈“Y”字形(图2)。阶地基座露头实测地层倾角自南向北在轴面i附近发生明显变化，由～14°突变为～47°。由于轴面i的持续活动，不同时期形成的河流阶地面均发生了构造变形，沿该轴面形成1个走向近EW、长约3km、高18～35m、最大坡度角17°～35°的褶皱陡坎(图2)(陈杰等，2005;李涛，2012)。

图1 塔里木西缘明尧勒背斜发育的弯滑断层陡坎(改自陈杰等，2005;李涛，2012)Fig.1 Flexural slip fault scarps in Mingyaole anticline，west of Tarim(Adapted after CHEN Jie et al.，2005，LI Tao，2012 for the lower chart).

在该褶皱陡坎以北的较陡阿图什组等斜岩区，T4和T3河流阶地面上发育了6条与下伏基岩地层走向平行排列、坡向N(与阶地面坡向相反)的反向陡坎(图1a、图2)，形似“搓板”状的地貌。该陡坎带分布在距轴面i 50～140m的范围内，总体宽约90m，陡坎呈近等间距(18m)排列。

陈杰(1990)曾在北天山的独山子背斜发现了类似的现象，这是由于褶皱轴面i(图1，2)的持续活动，为了调节该轴面两侧地层不同部位褶皱变形的应变差异而在轴面以北形成的6条弯滑断层(图2，自南向北依次命名为F1、F2、F3、F4、F5和F6)。主要证据如下:

图2 明尧勒背斜南翼克孜勒苏河北岸地质地貌图Fig.2 Geological and geomorphic map of the south limb of Mingyaole anticline，north of Kezilesu River.

图3 明尧勒背斜南翼弯滑断层F3露头(镜向SE)Fig.3 Outcrop of the flexural slip fault F3at the south limb of Mingyaole anticline(view to southeast).

(1)在横切这些陡坎的冲沟壁上，沿陡坎均可见T3阶地基座被断错，使得T3阶地基座面表现为南高北低的台阶状地貌。例如，在四道沟东支沟壁之上可见如图5所示的陡坎F3断层露头(图3)。近水平T3阶地砂砾石堆积角度不整合在下伏由阿图什组(N2)砂泥岩组成的基座上，地层产状为170°∠48°。由于弯滑断层沿基座层面的顺层滑动，错断阶地面形成反向断层陡坎F3，并在陡坎前堆积了细粒的断塞塘沉积。断层两盘地面垂直断距(VS)(2.8±0.1)m，断层倾滑位移(DS)(3.7±0.2)m，垂直位移(VD)(2.7±0.1)m，水平位移(HD)(2.5±0.5)m(表 1)。

(2)在四道沟西支沟，活动轴面i以北阿图什组地层中可见弯滑断层F4剖面，断层产状与地层产状一致，为175°∠51°。断层面上发育数条清晰的擦痕，擦痕侧伏向与地层走向265°一致;侧伏角分别是87°，84°，84°，86°，表明该断层为顺层滑动的纯逆弯滑断层。

(3)在四道沟和五道沟之间横跨陡坎F3开挖的探槽T1剖面(图4)揭示了该陡坎为弯滑断层陡坎。F3a和F3b为F3的分支断层，沿断层面向下与F3相交。F3、F3a和F3b产状分别为170°∠48°、170°∠21°和170°∠20°。探槽共揭示出2次古地震事件:第1次事件为F3活动断错河流阶地堆积A形成反向坎，在坎前堆积了B和C;第2次事件为F3再次活动，错断了B和C，并形成断层F3a和F3b，之后堆积了D。F3最近一次活动的垂直位移为0.9m，倾滑位移为1.2m。

表1 明尧勒背斜活动弯滑断层的相关参数Table1 Parameters of the active flexural-slip faults in Mingyaole anticline

图4 横跨弯滑断层陡坎F3的探槽T1西壁剖面(镜向W)Fig.4 Geological section of trench T1(view to west).

利用实测的弯滑断层陡坎地形剖面和断层产状，计算获得了各活动弯滑断层的地表垂直断距、断坎最大坡度、上、下盘阶地面坡度、断层倾滑位移、垂直位移、水平位移等参数(计算方法见杨晓东，2013)。

2.2 明尧勒背斜南翼喀浪勾律克河东岸的弯滑断层陡坎

背斜活动轴面i向东延伸至喀浪勾律克河东岸，在该轴面以北的陡倾等斜岩区阿图什组主要由中厚层砂岩、粉砂岩组成，相邻岩层间力学性质差异较小。该处T7阶地上发育8条近平行排列的弯滑断层陡坎(图1b，图6，自南向北依次为 SF1、SF2、SF3、SF4、SF5、SF6、SF7和SF8)，断层带总宽度约540m，断层与下伏地层产状一致，走向69°～75°，倾角52°～60°。该断坎带分布在距轴面260～810m的范围内。断坎间距大致可分为2组，一组断坎间距约为103m，另一组断坎间距约为58m，断坎以宽间距与窄间距交替产出(表1，图6，图5实测剖面P2)。断坎坡向N(与阶地面坡向相反)，坎高0.3～2.5m，长40～350m(表1)。

与明尧勒背斜南翼克孜勒苏河北岸的弯滑断层类似，这8条弯滑断层是由于轴面i的持续活动，为调节该轴面两侧不同部位褶皱变形的应变差异而形成。

2.3 背斜北翼近核部喀浪勾律克河东岸T7阶地上的弯滑断层陡坎

图5 横跨弯滑断层陡坎实测地形剖面(剖面位置见图4，8，9，10)Fig.5 Surveyed topographic profiles of the flexural slip fault scarps.

在明尧勒背斜北翼近核部，主要为乌恰群下部的厚层块状砂岩夹粉砂岩层，地层产状变化复杂，走向99°～125°，由北向南，地层倾角在轴面d以北为42°～47°，在轴面d以南突变为18°～20°;再向南在轴面e以南突变为6°～10°。由于背斜的持续活动，此处喀浪勾律克河东岸河流阶地面T7发生向N的反向掀斜，与河流流向相反(陈杰等，2005;Scharer et al.，2006)，阶地面总体N倾，坡度高达8.1°～9.2°(图5地形剖面P3)。在T7阶地面上褶皱轴面e以南的18°～20°等斜岩区，发育3条活动弯滑断层陡坎，自北向南依次为CF1、CF2和CF3(图1c，图7，实测剖面见图5中P3)。值得注意的是，这3条断层陡坎在平面上相互间并不平行排列，而是呈向W收敛，向E撒开状展布，总体上与轴线e的展布一致，反映了背斜核部向SEE的倾伏。断坎坡向S，最大坡度26.4°，坎高1.2～5.6m，长80～145m(表1)。断坎带总体宽约110m，分布在距轴线e 90～200m的范围内，断坎间近等间距，间距约53m。

图6 明尧勒背斜南翼喀浪勾律克河谷及东岸阶地上的弯滑断层陡坎空间展布图Fig.6 Overview map of flexural slip fault scarps at the south limb of Mingyaole anticline，east of Kalanggouluke River.

2.4 明尧勒背斜北翼喀浪勾律克河两岸的弯滑断层陡坎

在明尧勒背斜北翼，喀浪勾律克河两岸河流阶地均发生了向北的反向掀斜，阶地越老掀斜角度越大(陈杰等，2005;Scharer et al.，2006)。阿图什组地层产状在活动轴面b以北的等斜岩区为25°～35°，在轴面b以南突变为74°～89°。此处的阿图什组主要为厚层块状中粗粒砂岩夹薄层细砾岩，层厚0.3～3m。在轴面b以南的陡倾等斜岩区，不同时代河流阶地上均发育了活动弯滑断层陡坎(图1d，图8)。

河东岸高阶地T3拔河高度约65m。该阶地面上发育4条反向的弯滑断层陡坎(自北向南依次为NF1、NF2、NF3和NF4，见图5中P4)。该断层带总体宽120m，分布在距轴面b 220～340m的范围内。弯滑断层NF1—NF3坎间距分别是11m、10m，等距产出，而NF3与NF4间距约86m，是NF1—NF3坎间距的8倍左右;断层产状与下伏基岩地层一致，断坎坡向S(与阶地面坡向相反，阶地面坡向N，坡度1.6°)，最大坡度2.2°～17.6°，坎高0.5°～2.5m，长40～180m(表 1)。

图7 明尧勒背斜北翼近核部喀浪勾律克河东岸T7阶地上的弯滑断层陡坎空间展布图Fig.7 Overview map of flexural slip fault scarps on terrace T7near the core，at the north limb of Mingyaole anticline，east of Kalanggouluke River.

图8 明尧勒背斜北翼喀浪勾律克河两岸的弯滑断层陡坎空间展布图Fig.8 Overview map of flexural slip fault scarps at the valley of Kalanggouluke River，at the north limb of Mingyaole anticline.

河西岸发育T1和T2阶地，低阶地T1拔河高度8～15m，T2阶地拔河高度23～29m。T1阶地面上发育4条反向的弯滑断层陡坎(自北向南依次为NF8、NF9、NF10和NF11)，断坎规模远小于东岸。该断坎带总体宽370m，分布在距轴面b 850～1220m的范围内，断层陡坎NF5、NF8—NF10几乎是等间距排列的，间距为83～92m，NF10与NF11间距为185m，约是NF8—NF10等间距的2倍。断坎走向与下伏基岩地层一致，坡向S，坡度1.8°～10.3°，坎高0.6～1.5m，长60～470m(表1)。T2阶地面上发育3条反向的弯滑断层陡坎(自北向南依次为NF5、NF6和NF7;见图5中P5)，断坎规模大于T1阶地。该断坎带总体宽90m，分布在距轴面b 700～790m的范围内，断坎间距相对较小，为32～47m，断层产状与下伏基岩地层一致，断坎坡向S(与阶地面坡向相反，阶地面坡向N，坡度2.5°)，坡度2.6°～11.2°，坎高0.1～1.1m，长120～840m(表1)。其中NF5断坎在T1和T2阶地均发育，但在T2阶地上的规模大一些。

3 讨论

3.1 明尧勒背斜活动弯滑断层陡坎的分布规律和变形特征

Sanz等(2008)认为，当发生褶皱的相邻地层力学性质差异较大时(r＞2;r=E1/E2，E表示地层的变形模量)，大量的褶皱变形被软弱层(力学性质较弱的地层)所吸收，弯滑作用发育较弱，不产生或产生很小的弯滑断层;当相邻地层力学性质差异较小时(0.5＜r＜2)，弯滑作用强烈，层间剪应力大于内聚力和摩擦强度而产生弯滑断层。利用有限元方法模拟不对称背斜褶皱过程中沿同一层面两翼不同部位的弯滑断层变形过程(图9)，Sanz等(2008)发现，弯滑断层最先在地层陡倾一翼的中部形成。每一翼中部弯滑断层形成最早且滑动量最大，弯滑断层随后向两侧传播，其滑动量向两侧衰减直到为零，呈正弦波形。弯滑断层在地层陡倾翼的最大滑动量大于地层较缓翼的最大滑动量。

图9 沿褶皱层面顺层滑动的演化和空间变化(改自Sanz et al.，2008)Fig.9 Evolution and spatial variation of slip along bottom bedding surface(after Sanz et al.，2008).

明尧勒背斜活动弯滑断层陡坎仅发育在现今仍在活动的褶皱轴面b、e和i附近的较陡等斜岩区(图1)，地层倾角分别为 74°～89°、18°～20°和 45°～60°，翼间角分别为 147°、168°和128°。这可能是由于在这3个轴面附近的地层以力学性质近似的中－厚层砂岩、粉砂岩层为主，几乎不含力学性质较弱的泥质岩层，这与Sanz等(2008)的模拟结果是一致的。

从表1可以看出，明尧勒背斜的活动弯滑断层陡坎宽90～1000m，主要发育在距活动轴面50～1200m宽范围内。弯滑断层的产出位置主要受下伏地层岩石力学性质控制(Sanz et al.，2008)。当下伏岩石力学性质近似的基岩地层以等厚或者层厚倍数关系变化时，弯滑断层陡坎也以等间距或者间距倍数关系产出。例如，位于背斜南翼T3阶地上的弯滑断层陡坎F1—F6以约18m的等间距产出;东南翼T7阶地上SF1—SF7是以103m和58m的宽、窄等间距交替产出;北翼核部T7阶地上CF1—CF3以约54m的等间距产出。

在背斜北翼轴面b附近，除NF5在T1、T2阶地面上均有发育外，弯滑断层陡坎发育的位置、断坎间距均不同，这可能反映了弯滑断层的活动具有重复性和新生性，其中高阶地面T3的弯滑断层NF1—NF3以约11m的等间距产出，而NF3与NF4的间距85m约是前者的8倍;T2阶地上NF5—NF7以约40m的等间距产出;T1阶地上NF8—NF10以约97m的等间距产出，NF11与NF10的间距185m约是前者的2倍。

横跨断坎的槽探和实测地形剖面表明，部分弯滑断层陡坎是多次断层滑动事件形成的，具有重复活动的特点。

3.2 活动弯滑断层的滑动量及速率

总体而言，发育在活动轴面b、e和i附近的弯滑断层滑动量大、断层坎高，随着离轴线的距离加大逐渐变小。例如，明勒背斜南翼克孜勒苏河北岸河流阶地的弯滑断层F3—F6，断层倾滑位移、垂直位移和水平位移、基座垂直断距表现出随着远离活动轴面依次递减的规律。因为F3最靠近活动轴面i，地层曲率最大，弯滑断层的滑动量也最大。背斜南翼SF1—SF8总体也表现出随着远离活动轴面弯滑断层陡坎高度依次减小的趋势。

明尧勒背斜南翼克孜勒苏河北岸河流阶地(下文简称A)发育的6条紧密排列的弯滑断层陡坎中，F3、F4、F5和F6断层两盘基座垂直断距大于阶地面垂直断距(表1)，表明弯滑断层在该阶地面形成前已在活动，具有原地重复活动的特点。该处T3阶地面形成以来单条弯滑断层的地表最大水平缩短量为2.5m，最大垂直位移为2.7m。Thompson等(2013)采用阶地面深度剖面(Depth profile)法宇宙成因核素10Be测年获得T3阶地面的暴露年龄为(8.0±1.1)ka，由此估算该阶地面形成以来弯滑断层吸收的缩短速率为0.31mm/a，最大抬升速率为0.34mm/a。

明尧勒背斜南翼喀浪勾律克河东岸T7阶地(下文简称B)形成以来弯滑断层的地表最大水平缩短量为1.5m，最大垂直位移为2.6m，比背斜同一轴面西侧A处的偏小。主要原因是B处活动轴面附近阶地遭受严重侵蚀，致使最靠近活动轴面的弯滑断层陡坎被剥蚀殆尽。此外，在A处，弯滑断层陡坎紧密排列，断层带宽度仅90m左右，强烈变形被局部较小区域所吸收。在B处，断坎带宽度约540m，是A处的6倍，同一轴面的活动变形在B处被较大区域所吸收，部分层面的滑动量不足以在阶地面形成断层陡坎。当然，也不排除A处弯滑作用比B处的要强。

背斜北翼活动轴面b附近发育的弯滑断层陡坎情况也类似，但总的变形量要略大于背斜南翼的弯滑断层，这是由于背斜北翼地层较南翼陡造成的。此外，发育在不同河流阶地上的断坎规模不同，在背斜北翼轴面b附近，明尧勒背斜北翼喀浪勾律克河两岸不同河流阶地上(下文简称D)共发育11条弯滑断层反向陡坎，阶地越老弯滑断层陡坎规模越大。其中，T3阶地形成以来，弯滑断层水平缩短(2.2±0.4)m，垂直抬升(5.1±0.4)m;T2阶地形成以来，弯滑断层水平缩短(0.7±0.3)m，垂直抬升(2.3±0.3)m，T1阶地形成以来，弯滑断层水平缩短(1.2±0.3)m，垂直抬升(3.2±0.3)m。各阶地垂直抬升约是水平缩短的2～3倍。T2阶地上的部分弯滑断层陡坎已被剥蚀破坏，导致弯滑断层变形量略小于T1阶地。

上述弯滑断层陡坎均由向形轴面的活动形成(图1)，与此不同的是，背斜核部轴面e附近发育的弯滑断层陡坎是由背形轴面活动产生。在阶地面T7形成以来弯滑断层的水平缩短为(8.3±0.7)m，垂直抬升为(7.9±0.7)m。弯滑断层陡坎两侧的阶地面均发生强烈的向N反向掀斜，坡度高达8.1°～9.2°(图5地形剖面P3)。断坎总的缩短量与背斜南翼A处类似，但要大于北翼的总缩短量。

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