北天山中东段活动断层滑动与现代构造应力场

张红艳 谢富仁 崔效锋 杜义

1)中国地震局地质研究所，北京市朝阳区华严北里甲1号 100029

2)中国地震局地壳应力研究所(地壳动力学重点实验室)，北京德外西三旗 100085

0 引言

天山位于亚洲大陆中部，总体上呈近EW向，东起中国境内的新疆维吾尔自治区，西至哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦等国，全长约2500km，宽度达250～350km，是亚洲最主要、规模巨大的年轻山系之一(邓起东等，2000)。在中国地质学界，大体上以88°E线为界将天山山脉分为东天山和西天山。其中，西天山又被划分为北天山、中天山、南天山和西南天山(李锦轶等，2006)。位于天山北麓近EW向的北天山，横贯新疆，东延入蒙古、西进独联体，北接准噶尔盆地，南连南天山，其地理坐标为42.6°～45.3°N，80°～96°E。从新构造运动来看，北天山地区以逆断裂褶皱带依次由南向北作前展式扩展和逐渐隆起为主要特征。由南向北4排斜列的逆断裂-褶皱带分别是山麓逆断裂-褶皱带、霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁逆断裂-褶皱带、独山子-安集海逆断裂-褶皱带、西湖隆起带，它们共同组成了北天山山前活动构造带(邓起东等，1991、2000;冯先岳等，1991)。这些活动构造带是中国西北部典型的挤压型活动构造区，主要的活动断裂呈NW、NE和近EW向，分布于天山山体与盆地衔接的过渡地带。本次研究工作选择北天山中东段，即42.6°～45°N，83.5°～89°E区域范围内主要的活动断裂，开展了活动构造形迹的详细调查。通过活动断裂滑动擦痕的系统测量，利用由断层滑动反演构造应力张量的计算方法，获得了研究区内17个反映现代构造应力张量的数据，确定了各观测点的3个主应力方向和反映其相对大小的应力形因子，为了解北天山地区现代(最新构造变动时期)构造应力场的基本特征提供了重要的基础数据。

1 断层滑动实地考察与观测

北天山中东段地区活动断裂众多，结构复杂，且部分隐伏于地下。主要发育 NE、近EW、NW向3组活动断裂，可分为全新世活动断裂、晚更新世活动断裂和早、中更新世活动断裂(图1)。本次研究选择北天山中东段区域内11条重要的活动断裂，沿断裂走向追踪，进行了详细的野外地质考察，并在这些断裂的关键构造部位，开展了断层滑动数据的观测。由于测点较多，无法逐一介绍每个测点的情况，现按照研究区内3组活动断裂的不同走向，对17个断层滑动观测点位中的部分测点作详细介绍。

图1 北天山中东段活动断裂及断层滑动观测点位分布

1.1 NE向断裂

1.1.1 碗窑沟断裂F2

碗窑沟断裂是乌鲁木齐市活断层调查的重点目标之一(图1)。断裂西起鲤鱼山南侧，向东经红光山、芦草沟、铁厂沟、闷葫芦沟延伸至阜康水磨沟河以东，走向55°，倾向北，倾角60°～80°，断层总长约50km。航片上该断层线影像清晰，泉水沿断层溢出。西段隐伏于乌鲁木齐河河谷部分，据钻探资料第四纪厚度差约10～20m。在八道湾露天煤矿可见侏罗系煤层向南逆冲到上更新统黄土和砾石层上(图2)。在煤矿沟底3号测点处(43.90°N，87.67°E)可见一系列近平行排列的断裂，倾角较缓，大多为50°～60°，断层面上擦痕向北侧伏，侧伏角25°～45°，指示断层为逆冲运动，少量显示为左旋运动。高精度形变资料显示该断裂现今仍有活动(叶民权，2004);第五代区划图信息反映该断裂为晚更新世断裂。

图2 碗窑沟断裂3号测点八道湾煤矿

1.1.2 雅玛里克断裂F5

雅玛里克断裂经雅玛里克山至红山北坡，经水磨沟、铁厂沟延伸至三工河以东，全长约38km，走向NE，倾向南，倾角60°～80°，逆冲兼走滑性质。该断裂也是乌鲁木齐市活断层调查的重点目标之一，新疆地震局在活断层项目初勘阶段开挖大型探槽揭露断层剖面。最大的探槽长约200m，宽约3m，探槽揭示侏罗系逆冲于 Q3之上。断裂带宽度为50～150m，第四系厚度为0～30m，浅层地震探测表明断裂穿过市区。多年地震监测、高精度重复形变测量以及GPS测量均表明该断裂现今仍有活动(叶民权等，2004;杨继林等，2005)。7号测点位于乌鲁木齐市七一棉纺厂东的跑马场(43.83°N，87.67°E)，属雅玛里克断裂带。据两个探槽测得的擦痕数据显示，断层运动为左旋走滑。

1.2 近EW向断裂

1.2.1 西山断裂F1

西山断裂是乌鲁木齐市活断层探测项目中一条重要的、颇具规模的断层构造。该断裂总长超过35km，总体走向近EW。断层的性质以逆冲倾滑错动为主，断层面北倾。从卫星遥感、航片影像和地面地质分析后认为西山断层控制着西山岭南麓(图3)。断层西起头屯河以西的永光煤矿附近，由西向东经稍胡达坂南麓，过头屯河，沿西山、火山南麓分布，过四道岔后进入乌市近郊104团界内，在耐火材料厂附近主断面分为两支:一支向东延伸;另一支向N40°E偏转切入马料地。断层再向东进入市区，被完全覆盖。断层在地表存有断坎地貌，坎高1.0～1.5m，近EW走向。新疆地震局经探槽开挖见侏罗系煤层断至地表，逆冲到晚更新世冲积相砂砾石层之上(图4)。2号(43.80°N，87.53°E)测点位于探槽中，该测点处发育多组擦痕，走向近EW，倾向北，倾角30°～60°。断层面上发育有清晰的滑动擦痕，指示断层有逆冲运动。

1.2.2 阜康断裂F3

阜康断裂是乌鲁木齐市外围1条近EW走向的活动断裂，该断裂全长约160km，倾向南，倾角 20°～70°，具逆冲性质，分析认为该断裂为晚更新世活断层。在魏家泉沟中4号测点处(44.11°N，87.83°E)可见三叠系红色泥岩向北逆冲到上更新统砾石层上(图5)。在断裂露头处可观测到平直的断层面，断层倾角较缓，大多为40°～60°，断面上擦痕显示断层为逆断性质。

图3 西山断层形成的断崖山岭地貌

图5 阜康断裂4号测点魏家泉

1.2.3 霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁断裂F6

霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁断裂全长为170km，走向近 EW，倾向南，倾角40°～50°，断层性质为逆断层。该断裂断错Ⅰ～Ⅴ级阶地，属全新世活动断裂，并在1907年5月13日发生6级地震，有古地震形变带。8号测点位于乌鲁木齐市区外的红山子(44.07°N，86.53°E)，属霍玛吐(霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁河)断裂(图1)。该测点擦痕由第三纪红色地层中所测得(图6、图7)，除几条擦痕可能由于重力作用使其侧伏角近乎直立，其余擦痕的侧伏角不超过30°，擦痕指示断层运动为逆走滑。

图6 霍玛吐断裂8号测点红山子

图7 霍玛吐断裂8号测点断面断层擦痕

1.2.4 柴窝堡盆地南缘断裂F8

柴窝堡盆地南缘断裂总长度超过100km，总体走向近EW，有弯曲，倾向南，倾角为29°～70°。此逆冲断裂断错晚更新世洪积台地，属于晚更新世断裂(杨继林，2005)。11号测点位于乌鲁木齐市区外的乌鲁木齐河出山口(43.38°N，87.20°E)，属柴窝堡盆地南缘断裂(图1)。测点处断层倾角很陡，最小的为65°，最大的近乎直立，断面有清晰的擦痕，擦痕的侧伏角较大，多为45°～65°，断层性质为逆断层。

1.2.5 二道沟断裂F9

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二道沟断裂总长度为130km，西段走向NEE，中段近EW，东段为 NW向，倾向南，倾角为40°～70°，断层断错中更新世Ⅱ级阶地，形变测量证明现今仍有活动，属全新世活动断裂。该断裂处1965年曾发生6.6级地震，并存在古地震形变带(杨继林等，2005)。13号测点位于乌鲁木齐市区以外(43.93°N，88.08°E)，属于二道沟断裂(图1)。该测点处发育NW走向活动断层，断层的倾角较大，大部分近乎直立。断层面上擦痕发育，擦痕的侧伏角约为10°～45°，该断层为走滑断层。

1.2.6 独山子-安集海断裂F10

独山子-安集海断裂的总体走向近EW，倾向南，倾角为40°～60°，是1条全新世活动断裂。断层错断Ⅰ～Ⅳ级阶地，地表形成陡坎(冯先岳，1995)。16号测点位于独山子炼油厂以南(44.31°N，84.84°E)，属于独山子-安集海断裂(图1)。该测点处可见中新世地层逆冲到晚更新世深黄色沙土层上，显示断层为逆冲性质。地貌上表现为山鞍式地形或沟槽。在探槽内的新鲜断面上测得擦痕，较多的小擦沟显示该断裂活动较为强烈，擦痕侧伏角大都为20°～30°，较为平缓，显示断层以走滑运动为主(图8)。

图8 独山子-安集海断裂16号测点断面断层擦痕

1.3 NW向断裂

1.3.1 红雁池断裂F4

该断裂位于博格达峰南麓，沿红雁池南-柳树沟口-白杨沟一线延伸，向西被覆盖，总长度约35km。总体走向为NWW，在柳树沟以西，走向约290°，以东转向70°;断面较陡，倾角约为 58°。6号测点(43.70°N，87.58°E)位于乌鲁木齐市区内南端的红雁池水库，属红雁池断裂(图1)。该断裂是乌鲁木齐市活断层调查的重点目标之一，其遥感图片影像清晰可见，第四系厚度为0～40m，基岩断裂破碎带宽50～100m。地震勘探资料表明，断裂两侧第四系有明显落差，水准测量结果显示断裂仍有垂直变形(杨继林等，2005)。该测点处断层露头清晰可见，断层面上发育有清晰的滑动擦痕，断层擦痕数据由断层的次级断面、主断面和断层泥上测得。其中NEE向的一组活动断层的倾角很陡，近乎直立，擦痕的侧伏角为15°～50°，所指示的断层运动为逆断层运动且带一定的走滑分量。该断裂为晚更新世早期活动断裂，晚更新世晚期至今全新世活动已不明显(叶民权等，2004)。

1.3.2 依连哈比尔尕断裂F7

该断裂总长度为374km，走向NWW，倾向南，倾角为40°～70°。1976年9月18日曾发生4.8级地震，该断裂属于晚更新世断裂(杨继林等，2005)。12号测点位于乌鲁木齐市区外羊卷沟南(43.33°N，87.63°E)，属于依连哈比尔尕断裂。该测点处断层面上擦痕发育，擦痕指示断层运动为逆。

1.3.3 伊犁盆地北缘断裂(喀什河断裂)F11

伊犁盆地北缘断裂也称喀什河断裂，总长超过340km，走向 NWW，倾向北，倾角65°～85°。卫星影象极为清晰，水系沟谷同步右旋变位，北盘上升，南盘下降，属右旋逆冲走滑断裂。曾于1812年3月8日发生过尼勒克8级地震，地表出现80km长的形变带，最大右旋水平位移4m，垂直位移2～7m，分析认为该断裂属于晚更新世－全新世断裂活动(冯先岳，1987)。17号测点位于位于喀什河北岸阿尔桑萨依沟口北浙尼电站附近(43.71°N，83.61°E)，属于喀什河断裂(图1)。该测点处可见灰紫色泥岩及砂砾岩向南逆冲到晚更新世砂砾层上，断面走向为280°，倾向北，倾角约50°，断层面上擦痕非常发育，多向西侧伏，侧伏角为45°～85°，擦痕指示断层运动为逆(图9)。

图9 伊犁盆地北缘断裂17号测点断面断层擦痕

2 研究方法简述

利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法是通过最新构造运动造成的断裂滑动、古地震构造形迹、地震地表破裂来确定导致构造运动与变形的构造应力张量，这种方法使传统的构造定性分析演进为现代的计算机定量分析。该方法获得的结果表明了地质时期由于最新构造变动，也即现代构造运动引起的地壳上部的构造应力状态。从地质意义上来讲，现今是现代的一部分，现代包括现今。研究表明，现代构造应力场在一定的地质时期具有一定的稳定性(谢富仁等，2004)。利用断层滑动矢量反演构造应力张量的基本思想最初始于Bott(1959)的断层滑动机制分析。后Carey等(1974、1976)根据Bott的原则提出由断层滑动矢量反演构造应力张量的设想和计算方法。此后，Armijo(1978)，Angelier等(1979、1982、1984)、Carey(1979)、Etchecopar(1981)等对该方法不断予以改进，并作了进一步的研究分析，使之逐步完善。1982年后，又有不少学者将此方法应用于断层解析、构造应力场和震源机制解资料的分析研究，并取得重要成果(Gephart，1982;Hickman，1983;Mercier，1987;许忠淮等，1984;谢富仁等，1989;Angelier，1989;谢富仁等，1993;Plenefisch，1997;武敏捷，2011、2012)，使之成为目前研究构造应力场最有效的方法之一。

该方法根据1组含有断层运动特征的断层观测数据来确定这些断层所在区域的构造应力状态。其实质是用计算出的断面上的剪应力方向拟合断面上的滑动方向，也称滑动方向拟合法，最终给出应力张量的4个特征参量，即3个主应力(σ1、σ2、σ3)方向和1个反映主应力相对量值比关系的应力形因子R=(σ2－σ3)/(σ1－σ3)。

3 利用断层滑动资料反演构造应力场

利用断层滑动资料反演构造应力张量的方法计算了北天山中东段区域内17个测点的断层滑动观测数据，求解出各测点应力张量的4个特征参量，即3个主应力方向 σ1、σ2、σ3和相应的应力形因子R，其计算结果较好地反映了研究区现代构造应力场的特征(图10，表1)。计算结果显示，断面剪应力与滑动方向拟合的平均偏差角为11°，表明数据的拟合程度较好，计算结果的可靠程度较高(表1)。

图10 各测点构造应力张量计算结果的乌尔夫网上的投影图(下半球投影)

表1 各测点构造应力张量反演计算结果

断层滑动反演计算结果显示，北天山中东段地区现代构造应力场以近SN向挤压为主要特征(表1，图10)。按应力结构的类型可将这些构造应力造成的断层滑动分为逆冲型、走滑型、逆冲兼走滑型3种。

其中，逆冲型的构造应力张量占比最大，为所有构造应力张量结果的59%。其最大主压应力(σ1)方向为 NNW-SSE 向(如:349°、163°、173°、166°、177°)或者 NNE-SSW 向(如:2°、193°、195°、9°、18°)，平均倾角 11°;最小主压应力(σ3)近直立，平均倾角为 69°;中间主应力(σ2)方向为近 EW，位于 72°～110°或者 257°～278°之间，平均倾角 15°。

走滑型的构造应力张量结果比例占其次，为35%。其最大主压应力(σ1)方向除只有1个为 NNE-SSW 向(194°)之外，其余均为 NNW-SSE 向(如:351°、359°、153°、334°、347°)，平均倾角 16°，近水平;最小主压应力(σ3)方向为近 EW 向(如:85°、259°、243°、65°、251°、92°)，平均倾角 19°，近水平;中间主应力(σ2)近垂直，平均倾角 62°。

逆冲兼走滑的构造应力张量结果只有1个，占6%。其最大主压应力(σ1)方向为175°，倾角 18°;最小主压应力(σ3)方向为 282°，倾角为 44°;中间主应力(σ2)方向为 68°左右，倾角 41°。

4 结论与讨论

总的来看，北天山中东段地区现代构造应力场的基本特征在应力方向上表现为近南北向的挤压，这与印度板块与欧亚板块碰撞、使得位于塔里木盆地和准葛尔盆地之间的天山受到强烈挤压有直接关系。在应力结构上表现为以逆冲型为主，兼有走滑型和逆走滑型，表明研究区在南北向这一主要的挤压作用力之下，不同走向的活动断裂即使在同一构造应力作用之下，也会呈现不同的滑动性质，如北东向断裂以左旋走滑为主，兼有逆冲性质;北西向断裂以右旋走滑为主，亦兼有逆冲性质;而近东西向断裂则呈现逆断性质。

龙海英等(2008a、2008b)利用震源机制解资料反演分析了北天山中东段区域构造应力场的基本特征，结果表明该区域内主压应力P轴近南北向，倾角较小;主张应力T轴倾角较大，显示区域应力场主要受南北向水平挤压作用。这一结论与本文由断层滑动资料反演计算得到的结果基本一致。两类不同应力资料反演得到的构造应力场特征具有较好的一致性，表明该区域在一个较长的地质时期内构造应力作用存在一定的稳定性。