西南天山迈丹断裂东段晚第四纪活动的发现及构造意义

吴传勇 阿里木江 戴训也 吴国栋 陈建波

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)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011

3)中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

0 引言

新生代晚期印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应，导致天山造山带重新活动，发生陆内造山运动，并再次强烈隆升(Molnar et al.，1975;Tapponnier et al.，1979;Hendrix et al.，1994;Yin et al.，1998)，同时向两侧前陆盆地扩展，在天山南北两侧的盆－山交界地带形成多排逆冲褶皱带(刘和甫等，1994;Burchfie et al.，1999;邓起东等，1999，2000;Fu et al.，2003;管树巍等，2007)。天山两侧盆－山交会地带的逆冲推覆构造是现今变形最为强烈的地区(Allen et al.，1994，1999;张培震等，1996;Abdrakhmatov et al.，1996;Yin et al.，1998;Burbank et al.，1999;Burchfiel et al.，1999;邓起东等，2000)，变形量占天山总汇聚变形的一半以上(杨少敏等，2008)，所以开展天山山前逆冲推覆构造的研究对了解天山构造变形具有重要意义。以往研究表明，天山山前逆冲推覆构造属于前展式，山根处的断裂晚更新世晚期以来基本停止活动，断裂的新活动不断向盆地方向扩展，活动性最强的构造带往往位于推覆体的最前缘(Avouac et al.，1993;张培震等，1994;邓起东等，2000)。

西南天山是中国境内构造运动最为强烈的地区之一，这一地区不仅地震活动较为活跃，活动断裂也非常发育，该地区的构造变形方式是以逆断裂－褶皱带为代表的山前薄皮推覆构造(Yin et al.，1998;Allen et al.，1999;Burchfiel et al.，1999;曲国胜等，2003)。前人曾对这一地区的新生代逆断裂－背斜进行了大量研究，获得了这一地区主要断裂晚第四纪变形特征、古地震以及断裂滑动速率等方面的定量数据(Yin et al.，1998;Allen et al.，1999;Burchfiel et al.，1999;曲国胜等，2003;冉勇康等，2006a，b;杨晓平等，2006a，b;程建武等，2006;闵伟等，2006;宋方敏等，2007;李安等，2011;徐良鑫等，2011)。前人工作主要集中在柯坪推覆构造最前缘的2排逆断裂－背斜带上，由于受自然条件的限制，目前，对于推覆体根部的迈丹断裂尚无人进行专门的调查研究，对该断裂晚第四纪以来的活动性也存在一定争议。为了解决这一问题，笔者对迈丹断裂东段进行了野外调查工作，通过细致的遥感图像解译、探槽开挖及年代学测定，发现了迈丹断裂晚第四纪以来活动的可靠证据，这一发现对了解西南天山变形分配以及理解天山造山带的构造变形具有重要意义。

1 区域构造背景

柯坪推覆构造又称喀什－阿克苏逆冲断裂系，位于塔里木盆地西北缘，地质上属于塔里木地台的一部分(Yin et al.，1998;Allen et al.，1999)，是由于印度板块和欧亚板块的碰撞，天山晚古生代褶皱和断裂构造重新复活隆起并向南推挤而形成的构造体系(Allen et al.，1999)。柯坪推覆构造东西长约300km，南北宽60～140km，北以迈丹断裂与南天山晚古生代造山带为界，南以柯坪断裂与塔里木盆地为界，推覆体由多排近EW向的逆断裂－背斜带组成，形态上呈扇形。该构造体系以皮羌断裂为界，分为东西两个部分，西侧发育4排逆断裂－褶皱带，东段发育5～6排逆断裂－褶皱带(图1)，这些背斜的主体由古生代地层组成，断层在背斜南翼出露地表，柯坪推覆构造的滑脱面发育在地下5～9km的深度(Yin et al.，1998;杨晓平等，2006b)，地表的褶皱带是滑脱面向上翘起产生断坡而形成的背斜构造，向北缓倾的滑脱面在天山根部汇聚到迈丹断裂上(卢华复等，1998;Allen et al.，1999;田勤俭等，2006;杨晓平等，2008)。该地区地表出露的最老地层为寒武系，古生代地层沉积连续，中生代地层缺失三叠系和侏罗系(Yin et al.，1998;Allen et al.，1999;冉勇康等，2006a)，新生代地层发育不全，厚度不大。区内中、下寒武统发育较多的膏盐层，厚约200m，成为该区构造变形重要的控制地层(肖安成等，2002;杨庚，2003)。

2 迈丹断裂几何结构

迈丹断裂西起塔拉斯－费尔干纳断裂带，向东经迈丹、阿合奇至乌什东北，总体走向NEE，全长近400km，最大宽度可达17km，断面倾向NW，倾角30°～80°，是由多条次级断裂组成的断裂带(图1)。

图1 西南天山主要活动断裂分布图Fig.1 Distributions of major faults of the Southwest Tianshan Mountains.

图2 乌什东北迈丹断裂几何结构特征Fig.2 The geometry structure of the Maidan Fault in northeastern Wushi.

乌什以北，断裂宽度较大，最宽处17km，断裂主要由根部断裂、中央断裂和前缘断裂组成(图2)。根部断裂位于阔克萨勒山山前，控制了乌什凹陷的北部边界(郑民等，2007;付碧宏等，2010;杨海军等，2010)。沿断裂追索，除中更新世台地面上发现明显的断层地貌外，山前晚更新世以来的冲洪积扇上未发现明显的断层痕迹，天山山前的冲洪积扇形成于晚更新世中晚期(张培震等，1995;邓起东等，2000)，这表明根部断裂可能晚更新世中晚期以来已经停止活动。中央断裂带主要由乌依布拉克断裂和英阿特断裂以及一系列不连续、倾向不一的次级断层组成。乌依布拉克断裂发育在同名背斜的南翼，为北倾的逆断裂，断裂在晚更新世以来的各级地貌面上均有清晰显示，乌依布拉克背斜在地貌上表现为一个宽缓的隆起，局部出露下更新统砾岩(图2)。英阿特断裂是一条反冲的断裂带，发育在英阿特背斜的北翼，背斜隆起幅度不大，高出山前冲洪积扇20～30m，局部可见新近纪泥岩出露地表(图3)。另外，在中央断裂带的西端，还发育一系列倾向相反的次级断裂，这些断裂延伸长度有限，形态上组成一个构造地堑，这可能是背斜变形过程中形成的弯矩断层(图4)。前缘断裂主要由亚曼苏逆断裂－背斜带和阿吐孜逆断裂－背斜带组成(图2)，属于乌什冲断带的前锋构造(郑民等，2007;付碧宏等，2010)，断裂均发育在背斜的南翼，为北倾的逆断裂，受断裂活动影响，背斜南翼短促，北翼宽缓。

图3 英阿特逆断裂－背斜带地貌特征Fig.3 The geomorphic features of the Yingate reverse fault-anticline belt.

在阿合奇一带，迈丹断裂段控制了托什干河谷地北缘，由于断裂持续活动，托什干河不断向南侧蚀迁移，河谷北岸，洪积扇和河流阶地非常发育，平坦宽阔;河流南岸则基本不发育洪积扇和阶地，部分地段河谷已经侧蚀至南岸的基岩区(图1 c)。该段断裂也主要由3支组成(图1)，根部断裂发育在山区，表现为古生界向南逆冲到新生界之上，断裂破碎带巨大，在别迭里沟可见断裂破碎带宽达300m左右(图5a)，地貌上构成中高山区与新生代低山区的界线，落差达1 300m以上。断裂通过处，别迭里河两岸区域性的Ⅲ级阶地没有发生断错变形，表明根部断裂晚更新世中晚期以来可能已经不活动。山前断裂构成了山前冲洪积扇的沉积边界，断裂北侧是第四纪褶皱隆起，以南是山前冲洪积扇，迈丹断裂新活动主要集中在该分支断裂上，沿断裂多处可见断裂断错晚第四纪以来地貌面现象。另外，在距离山前数千米的山前冲洪积扇前缘附近，还断续分布有断层陡坎，这些陡坎高度不一，可以分为南倾和北倾两组。在苏木塔什北，主断层陡坎高度4～6m(图5c)，反向陡坎高度要低一些，仅0.5～1m，在坎前分布了堰塞堆积的粉土层(图5d)，非常醒目。

图4 迈丹断裂次级断层组成的地堑构造Fig.4 The graben formed by secondary faults of the Maidan Fault.

图5 迈丹断裂晚第四纪活动地质地貌证据Fig.5 Photographs showing geological and geomorphological evidences for late-Quaternary activity of the Maidan Fault.

3 迈丹断裂晚第四纪活动地质地貌证据

迈丹断裂晚第四纪以来仍有较强的活动，断错了山前的冲洪积扇和阶地面，形成了一系列的地质地貌现象。在乌什县西北的亚曼苏背斜南翼，断裂断错了背斜山岭南麓的冲洪积扇，形成清晰的陡坎地貌，跨断层陡坎开挖的探槽表揭露出1条低角度的逆断层(图5b)。在玉山古溪出山口处，断层地貌尤为明显，断层上盘河流阶地非常发育，且各级阶地间的高差远大于断层下盘各级阶地间的高差，较低阶地面上的陡坎高度仅为2m左右(图5e)，高阶地上断层的累积位移量较大，最高一级阶地垂直断错量达150m左右。为了研究迈丹断裂晚第四纪以来的活动特征，跨断层开挖了2个探槽。

3.1 亚曼苏探槽

在亚曼苏背斜南翼，可见断裂断错山前晚第四纪地貌面，除河漫滩外，其他各级地貌面都发生了不同程度的断错变形。在背斜南翼一冲沟出山口处，断层行迹非常清晰，在河流阶地上保留了明显的陡坎(图6)。其中，T1阶地拔河高度为1.5～2m，阶地面上的陡坎断续分布，高度在1.2～1.3m(图7)。T2阶地拔河高度3～4m，阶地面上陡坎较为连续(图5f)，陡坎高度在3m左右(图7)。在T2阶地上开挖的探槽表明(图8)，迈丹断裂为低角度的逆断裂，断裂倾角为25°～30°，断层倾向断距为1.1m左右。另外，断层上盘的地层还发生了明显的褶曲变形，特别是断层附近，砾石层牵引现象非常明显，甚至发生倒转(图8)，断层上盘砾石层倾角达到10°左右，下盘仅3°～5°，两者相差达5°～7°。地表实测陡坎的宽度20m左右(图7)，估计地层褶曲造成的垂直位移量达2m以上。

图6 亚曼苏背斜南麓断层地貌Fig.6 The fault geomorphology in the south piedmont of Yamansu anticline.

图7 实测亚曼苏背斜南麓陡坎剖面图Fig.7 The fault scarp profiles in the south piedmont of the Yamansu anticline.

图8 亚曼苏断层探槽剖面Fig.8 The trench profile on the fault at Yamansu.

在断层上盘粗砂层中(U5)采集热释光年代样品，测定年龄为(21.78±1.85)ka BP。由于探槽揭露的地层多为粗颗粒沉积物，属于快速堆积，很难在探槽中采集系列样品互为补充验证。关于天山地区晚第四纪气候与阶地、冲洪积扇形成的关系，前人有过一些研究，认为天山地区区域性T2阶地于20ka之前开始堆积，(12～13)ka BP废弃下切(张培震等，1995;邓起东等，2000;吕红华等，2008)，这与我们测定的T2阶地年龄基本吻合。T1阶地则形成于全新世早期(张培震等，1995;邓起东等，2000)，T1阶地上1.2～1.3m的陡坎高度可能代表了断裂最新1次古地震事件的位移量。U1砂砾石层，青灰色，砾石具有一定磨圆，水平层理，粒径多在3～6cm;U2崩积楔，青灰色，无明显层理;U3灰黑色砂砾石层，水平层理，砾石大小混杂，次磨圆;U4土黄色砾石层，砾石具有一定分选，砾径多在1～3cm，砾石间土黄色砂土充填，较致密;U5青灰色砂砾石层，水平层理，次磨圆，粒径多在2cm以下，少量砾石可达5～8cm，局部可见中粗砂透镜体，该套地层中采集了热释光年代样品，测定年龄为(21.78±1.85)ka BP;U6土黄色砂砾石层，较致密，砾石粒径多在5cm以下，土黄色砂土充填;U7青灰色砂砾石层，砾石次磨圆，分选差，层厚仅15～20cm，砾石空隙间无充填物;U8土黄色砂

砾石层，局部可见水平层理，砾石大小混杂，磨圆度一般，砾石空隙间充填土黄色砂土，该层厚度较大，未揭穿底界

3.2 玉山古溪探槽

玉山古溪是穿越断裂的较大河流，该河流两岸不对称地发育多级阶地，阶地面平坦开阔，后期侵蚀改造作用较弱。在玉山古溪出山口处，断裂地貌非常明显，在T3阶地面上，保留了非常清晰的陡坎地貌，陡坎走向变化较大，平面上呈蛇曲状，但连续性较好(图9)，在断层上盘，局部地段还可见断续分布的反坡向陡坎，实测陡坎高度为2.3～2.5m(图11)。断层上盘，阶地面总体平坦开阔，地表大面积出露阶地砾石层;断层下盘，特别是陡坎附近，多沉积了风积的粉土层，厚度不一。跨断层陡坎开挖的探槽揭露的地层层序见图10。

图9 玉山古溪沟口断层地貌Fig.9 The fault geomorphology near the outlet of Yushanguxi River.

该探槽揭露出1条逆断裂，断层下部产状为230°/N∠35°，向上倾角逐渐变缓，仅20°左右(图10)。该探槽揭露出1次古地震事件，在U9沉积后，断层发生快速错动，并在断层下盘形成崩积楔U8，该事件将U2垂直断错2.3m左右。在U9粉土层中采集的光释光测年样品测定该套地层的年龄为(1.76±0.22)ka BP，该古地震事件发生在距今(1.76±0.22)ka之后。在T3阶地面上实测陡坎高度为2.3～2.5m(图11)，与探槽中揭露的古地震事件的位移量基本一致，表明该阶地面上仅记录到1次古地震事件。T4阶地上的陡坎高度在4.4m左右(图11)，位移量约是最新1次古地震事件的2倍，应是2次古地震事件的累计位移量。

图10 玉山古溪探槽剖面图Fig.10 The trench profile in the T3 terrace of the Yushanguxi River.

4 分析与讨论

西南天山是构造变形最为强烈的地区之一，利用平衡剖面计算得到柯坪地区的缩短量可达35km(Allen et al.，1999)、23km(Yin et al.，1998)和40～45km(杨晓平等，2006b)，明显大于北天山山前的地壳缩短量。GPS观测资料表明该地区NS向的地壳缩短可达10～13 mm/a(张培震等，2003;杨少敏等，2008)，利用平衡地质剖面得到该推覆构造的缩短速率为15～17 mm/a(杨晓平等，2006b)，占西天山地区地壳缩短量的一半以上。而地震地质方法给出柯坪地区单条断裂晚第四纪以来的地壳缩短速率都＜0.6 mm/a(冉勇康等，2006a，b;杨晓平等，2006a，b;程建武等，2006;李安等，2011;徐良鑫等，2011)。柯坪推覆构造由4～6排构造带组成，其中柯坪逆断裂－背斜带是规模最大的前缘构造带，如果其他几排构造带按照柯坪断裂晚第四纪以来约0.6mm/a的缩短速率估算的话，那么4～6排逆断裂背斜带总的地壳缩短速率在3.6mm/a左右;另外，在柯坪推覆体内还发育几个晚更新世最新隆起的小型构造带，造成的NS向缩短速率在1.07mm/a(杨晓平等，2006a)，总体算来，利用地震地质方法得到的柯坪地区NS向的缩短速率为4～5mm/a。当然，冉勇康、李安等的研究主要给出了断裂活动造成的地壳缩短，有可能忽略了背斜的褶皱变形造成的地壳缩短，所以柯坪推覆构造实际的地壳缩短速率可能要更大一些。但迈丹断裂全新世活动证据的发现，表明推覆体根部断裂现在仍在强烈活动，也吸收了一部分变形。

图11 玉山古溪东岸阶地陡坎剖面图Fig.11 The fault scarp profiles in terraces of the Yushanguxi River.

西南天山地区的构造变形特点与北天山地区具有明显的差异。GPS观测资料得到的北天山山前的缩短速率在4～5mm/a(杨少敏等，2008)，地震地质给出北天山山前推覆构造各排逆断裂－背斜带总的缩短速率在3.3～4mm/a(杨晓平等，2008)或3～5mm/a(邓起东等，2000)，两者基本相当，说明北天山山前的变形量主要集中在山前新生代逆断裂－褶皱上，地质调查也表明北天山推覆体根部的清水河子断裂晚更新世以来以来没有明显活动(邓起东等，2000)。西南天山与此构造特点不同，构造变形不仅仅分配在推覆体前缘的新生代逆断裂－褶皱带上，山根处的迈丹断裂也有较强的活动，吸收了很大一部分构造变形。

已有的研究资料表明，北天山山前变形属于典型的前展模式(Avouc，1993;张培震等，1994;邓起东等，1999，2000)，推覆体根部断裂晚第四纪以来停止活动，构造变形主要集中在推覆体前缘最新形成的逆断裂－背斜上。西南天山柯坪推覆构造似乎与这一变形模式不同，推覆体最前缘的柯坪断裂活动强烈，而根部的断裂晚第四纪以来也有很强的活动，推覆体向盆地方向扩展的同时，根部的断裂仍在活动，并不完全遵从断裂新活动不断向盆地方向扩展的特点，这可能是另一种山前的构造变形模式，这一构造变形样式在其他地区的挤压造山带也曾有发现(Kao et al.，2000;Avouac et al.，2006;Liu et al.，2009)，这对认知天山构造变形特点具有重要意义。同时，这一构造变形样式为准确认知断裂的活动习性和评估这一地区的地震危险性增加了难度，因为这种无序或反序的变形模式，当强震发生时，地表破裂带不一定出露在推覆体最前缘的构造带上，也可能会在根部断裂上产生同震破裂，这种地震破裂的无序性或随机性现象，造成仅单独研究某一条断裂，很可能会遗漏部分古地震事件的信息，导致得到的古地震复发周期偏长和不准确，从而影响对整个推覆构造体系地震危险性的准确认识。

5 结论

迈丹断裂是一条有多条次级断裂组成的复杂断裂带，宽度最大可达17km，晚第四纪以来，该断裂仍有较强的活动，在地表形成一系列的新活动证据。探槽开挖表明，断裂在全新世期间曾发生过断错地表的强震事件，造成的垂直位错量 ＞2m。

以往对南天山地区缩短速率的研究多集中在推覆体内的新生代逆断裂－背斜带上，得到的缩短速率小于GPS观测给出的量值，迈丹断裂晚第四纪以来活动证据的发现，表明该断裂也吸收部分变形量。西南天山地区的构造变形不仅仅分配在推覆体前缘的新生代逆断裂－褶皱带上，山根处的断裂也有较强的活动，吸收了很大一部分构造变形，与以往认知的天山构造变形样式不同，柯坪推覆体并不完全遵从断裂新活动不断向盆地方向扩展的特点，推覆体前缘新生断裂和根部断裂都有较强的活动，这可能是一种无序或反序的构造变形样式，此类构造的发震构造模型的建立及强震危险性预测给我们带来新的挑战。