祁漫塔格北缘断裂晚第四纪以来活动特征初步研究

邵延秀, 葛伟鹏, 张 波, 苏 琦

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000; 2.兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

祁漫塔格北缘断裂晚第四纪以来活动特征初步研究

邵延秀1,2, 葛伟鹏1,2, 张 波1,2, 苏 琦1

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000; 2.兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

祁漫塔格北缘断裂处于青藏高原内部造山带地区,其构造活动反映了青藏高原的构造演化特征。本文采用活动构造和构造地貌相结合的研究方法,对该断裂的活动性进行初步分析研究。首先采用航卫片解译和野外调查,发现该断裂断错了山前全新世冲洪积扇,形成的断层陡坎高度在1.5～2.5 m。通过扩散方程,并参考前人研究结果,认为祁漫塔格北缘断裂晚第四纪的抬升速率初步限定在1～2 mm/a。我们基于数字高程模型提取的地形高程纵剖面和面积-高程积分，其结果也支持祁漫塔格北缘存在构造活动。

祁漫塔格北缘断裂; 抬升速率; 高程纵剖面; 面积-高程积分

0 引言

地处青藏高原北部的昆仑山,呈近东西向横贯新疆南部和青海中部,东部大致以温泉断裂为界与秦岭相接,西连北帕米尔,北部以柯岗断裂、阿尔金南缘断裂、柴达木南缘断裂与塔里木地块、阿尔金造山带、柴达木地块相邻,南部以麻扎—康西瓦—木孜塔格峰—昆南断裂与巴颜喀拉、喀喇昆仑相接,长逾2 000 km,宽大于100 km。而祁漫塔格山脉位于东昆仑西段柴达木盆地的西南缘,西北邻近阿尔金山,是东昆仑的北支,近EW走向,东西长约550 km,南北宽约75 km。其西北段在新疆境内,海拔约5 000 m左右;东南段在青海省境内,山势较低。

以往对祁漫塔格的研究主要集中在古生物学、岩石学或较老构造上[1-4],对新构造的研究几乎为零。祁漫塔格北缘断裂是阿尔金断裂和柴达木盆地西南缘的构造转换区,对阿尔金断裂的变形分解和转化起到了重要的作用。因此,确定祁漫塔格晚第四纪以来的活动图像是研究阿尔金断裂与青藏高原内部断裂之间的耦合关系及青藏高原的构造演化的重要基础。

本研究基于航卫片的解译方法,先对祁漫塔格北缘断裂最新活动段落进行初步解译,然后再进行野外考察验证室内的解译图像,对典型地貌进行测量,厘定晚第四纪以来的活动变形量,并结合相应的地貌面年龄,给出其滑动速率。另外还根据构造地貌分析方法,提取祁漫塔格地区的构造地貌相关因子,以此分析该地区的构造活动性。

1 祁漫塔格北缘断裂断错地貌特征

祁漫塔格山的大地构造处于东、西昆仑造山带与阿尔金造山带的交汇地带(图1)。在漫长的地质历史过程中,祁漫塔格山主要经历了古—中元古代基底形成、新元古代—早古生代洋陆转化、晚古生代边缘裂陷盆地和中新生代陆内构造变形四个演化阶段[5]。

图1 祁漫塔格及其邻区活动构造图(底图来源于Google Earth)Fig.1 Active tectonic map of Qimantag Mountain and vicinity area

本研究区集中在祁漫塔格北缘断裂上断错地貌特征较为明显的西段。该段东起鸭子泉河以西,西至库木巴彦断裂附近(图2),整体走向近EW向,长约35 km,空间展布不连续。断层断错了祁漫塔格山山前冲洪积扇体,形成不连续陡坎,陡坎高度一般在2 m左右,有些陡坎高度不到0.5 m,陡坎整体坡度较陡。图3为图2中三个研究点(Q1、Q2及Q3)断错地貌的影像图。

Q1研究点为断裂带的西端,新老冲积扇面均被断错,较老的陡坎高度约为2.5 m,陡坎坡度约为30°[图4(a),(b)],陡坎的上下盘地貌面为同一地貌面,并未被后期的冲积物所覆盖,因此断层陡坎高度可以作为断层自该地貌面形成以来的抬升高度。

图2 祁漫塔格北缘断裂西段空间分布(底图来源于Google Earth)Fig.2 Spatial distribution of west segment of the northern margin fault of Qimantag

图3 三个研究点断错地貌影像图(底图来源于Google Earth)Fig.3 Satellite imageries of faulted landform at three sites

我们在图4(b)点的陡坎南盘开挖了一1.5 m深的采样坑(图5),地表至约30 cm深处为含砂砾石层,而底部全为成层性很差的含粗砂碎石层,无法采集到有效的测年样品。

向东Q2和Q3点断层陡坎高度较西边低,约为1.5 m[图4(c),(d)]。这是因为断层下盘相应的地貌面被覆新的冲洪积物,使地势抬高,造成陡坎高度变低,这也可能是造成断裂陡坎在空间上不连续分布以及在鸭子泉河附近未发现断层陡坎的原因。

2 祁漫塔格北缘断裂抬升速率估算

如上文所述,祁漫塔格北缘沉积物多为冲洪积物,颗粒较粗,很难采集到理想的14C和OSL样品,且洪积扇的沉积厚度较浅,也不宜采用宇宙成因核素方法采集剖面样。这种环境上的局限性,给限定祁漫塔格北缘断裂的滑动速率造成了很大的困难。

地貌是随着时间而变化的,其形态在外动力作用下不断发生变化,通过定量分析这种变化过程,可以给出地貌在不同时间尺度上的形态。Hanks[6]首次通过对不同陡坎的定量分析,给出了相应的扩散方程。运用该扩散方程[6-7]以及Wallace[8]给出的陡坎角度和年龄关系图(图6)计算陡坎年代,作为限定断层活动的参考[式(1)～(3)]。

图4 三个研究点冲积扇面断错陡坎Fig.4 Scarps along faulted alluvial fans at three sites

图5 Q1点1.5 m以上的沉积地层Fig.5 Sedimentary strata above 1.5 m at Q1 site

(1)

由于存在非零远场坡角,因此陡坎的断距2a与陡坎高度2H具有如下关系:

(2)

(3)

图6 断层陡坎年龄和陡坎角度关系图 (据Wallace[6]修改)Fig.6 The relation between age of fault scarp and slope (Modified after Wallace[6])

通过以上计算和分析,认为Q1点断层陡坎的的年龄在1 000～1 500 a间,陡坎高度为2.5 m,则近2 000 a以来的抬升速率为(2.0±0.5) mm/a。

鸭子泉河发育多级阶地,分布较广泛的有3 级,出山口则变为洪积扇,山口处没有明显的新构造断裂活动的迹象,这可能与我们在Q2和Q3研究点看到的情况类似,该地区的断层陡坎被新沉积物覆盖掩埋,致使现今看不到任何断裂活动迹象。

常宏等[9]对鸭子泉阶地的成因分析认为,河流下切是河流能量与坡度发生变化的一种调整。他对鸭子泉的阶地类型、纵剖面变化、沉积特征及区域地质特征进行分析后,认为鸭子泉河流阶地不具备气候成因阶地或者基准面升降成因阶地的特点,虽然气候因素在阶地形成过程中有所影响,但主要控制阶地的形成与发展过程的是构造因素,这些阶地是昆仑山隆升、河流下切过程的直接产物。

河流的下切是构造隆升和气候共同作用的结果。常宏等[9]将鸭子泉河的三级阶地至现今的平均下切速率归为气候变化因素控制的,其最大值约0.77 mm/a,而将二级阶地形成以来的下切速率减去由三级阶地获得的长期平均下切速率,所得到的值代表加速下切的速率,其应为构造因素导致下切的最小值,这个值约为1.18 mm/a。因此该地区的构造抬升速率至少为1.18 mm/a,与大地水准测量得到的结果基本一致[10]。

这与上文分析的结果较为吻合,综合以上的结果,我们认为祁漫塔格北缘断裂晚第四纪的抬升速率在1～2 mm/a。

3 祁漫塔格地区构造地貌特征

3.1 方法原理和数据

近年来迅速发展的构造地貌学,旨在探讨研究构造运动和气候变化控制和塑造地形地貌形成和变化。而造山带水系的发育及其对构造抬升和气候变化具有一定的响应和反馈作用,因此探索其内在的关系一直都是构造地貌和河流地貌研究的热点[11]。如今将地貌分析的方法应用到构造活动的分析上,利用定量的地形地貌因子来揭示描述地壳构造运动特征,很多地貌因子,如面积高度积分、河流纵剖面、河流陡峭系数、谷肩比等,已被广泛用于研究造山带地区的构造活动[12-15]。我们通过对祁漫塔格地区这些地貌指标的提取,定性分析祁漫塔格造山带最新的构造活动特征。

地貌学奠基人Davis在1899年提出了“地貌循环理论”,认为平坦地面在构造运动的作用下被迅速抬升,经过不断的物理和化学风化作用,抬升的地形被侵蚀破坏,这个地形改造的过程包括幼年期、壮年期以及老年期,最后演化成“准平原”。1952年美国理论地貌学家Strahler基于Davis的理论,提出侵蚀流域的面积-高程积分曲线(Hypsometric Integral)分析方法[16],将该理论进一步定量化。所谓面积-高程积分曲线是流域盆地相对高度比(h/H)和相对面积比为(a/A)的关系曲线,将地表三维体积残存率用二维曲线来描述,曲线下方的面积即为面积-高程积分值。

如图7所示,如果面积-高程积分曲线呈上凸形状,则表示流域地貌演化处于幼年时期;若曲线呈现下凹状态,则表示流域地貌演化已经步入老年阶段;如果面积-高程积分曲线的形状介于两者之间,即呈现S形,则表示流域正处于河流发育的“壮年期”。

图7 流域盆地的面积-高程积分定义Fig.7 Definition of drainage basin’s hypsometric integral

目前,由于空间测绘技术和GIS技术的不断发展,高精度数字高程模型数据比以往更易获取。本文使用的DEM(Digital Elevation Model)数据来自美国免费公开的SRTM-3,该数据集的分辨率为90 m。对于有些空白区,将采用ASTER-GDEM进行补充。 ASTER测绘数据覆盖范围为83°N到83°S之间的所有陆地区域,其垂直精度达 20 m,水平精度达 30 m。

3.2 结果分析

利用SRTM 90 m的DEM首先提取了横跨祁漫塔格山的高程剖面、面积-高度积分(HI值),这两个值在一定程度上反映了构造活动和山脉地貌的演化。

图8是横跨祁漫塔格山从西向东高程剖面图,这些剖面线跨越了祁漫塔格北缘断裂。从中可以看到祁漫塔格北缘断裂大部分处于地形陡峭区,特别是在西段,断裂南侧地形陡峭且上下浮动大,相对来说北部较为平坦,这是由于冲积扇一出山即被断错抬升,而北部基本上被冲洪积物所覆盖,构造活动可能较弱。横剖面的形态在一定程度上反映了构造的存在。

图8 横跨祁漫塔格山高程纵剖面Fig.8 Elevation profiles across Qimantag Mountain

同时利用DEM数据提取了祁漫塔格地区的亚流域盆地(图9),并计算了各流域盆地的HI值。通过插值可得到整个地区HI值的空间分布,该值大部分分布在0.3～0.4,山区内部高、外部低,反映了地形的粗糙度和起伏度大小。另外,该地区的整体平均HI值为0.36[图9(b)],基本形态呈较为平缓的上凸形,且端点上具有较短反向下凹形态,或是不对称的“S”形,说明祁漫塔格地区地貌演化正处于从幼年期到壮年期的转化过程中。在这个过程中祁漫塔格地区遭受了较为强烈的构造抬升和外动力的侵蚀风化。

4 讨论和结论

本研究通过室内航卫片解译和野外调查,得到了对祁漫塔格北缘断裂西段晚第四纪活动特征的初步认识。该断裂最新活动方式以挤压逆冲为主,断错了山前全新世冲洪积扇,断层陡坎空间山不连续分布,高度在1.5～2.5 m。通过扩散方程,估算2.5 m陡坎的年龄为1 000～1 500 a,可得其抬升速率为(2.0±0.5) mm/a。综合该地区河流下切速率和大地水准测量研究结果,祁漫塔格北缘断裂晚第四纪的抬升速率初步限定在1～2 mm/a。

通过对祁漫塔格地区地貌特征的分析,横穿断层沿山脉走向提取了系列高程剖面,并计算了流域盆地的面积-高程积分。这两种指标的结果表明,祁漫塔格山前存在活动构造,而其地貌演化进程在构造运动的作用下正从幼年期向壮年期转变。

由于野外环境较为艰苦以及沉积物粒径较大,本研究在野外没有采集到相应的地貌面有效年龄样品,而是通过扩散方程估算了一个年龄,因此本文给出的抬升速率误差相对较大,今后的工作中还需要对其进行精确厘定。

图9 祁漫塔格地区水系流域及其HI值Fig.9 Drainage basins and their HI values at Qimantag area

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Primary Study of Late Quaternary Active Features of Northern Margin Fault of Qimantag

SHAO Yan-xiu1,2, GE Wei-peng1,2, ZHANG Bo1,2, SU Qi1

(1.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China; 2.LanzhouNationalGeophysicalObservatory,Lanzhou73000,Gansu,China)

The northern margin fault of Qiamantag is located between the Qaidam basin and the Kunlun orogen. Its active features are responses to the Tibetan Plateau uplift, which we examine in this paper to better understand the Tibetan Plateau's tectonic evolution. To date, the northern margin fault of Qimantag has been little understood, including its active style and slip rate, which are important parameters in an active fault. To address this knowledge gap and to accurately determine the Qimantag fault's slip rate, we used methods related to active tectonics and tectonics geomorphology. We traced fault lines based on satellite imagery interpretation and field surveys, and found the fault scarp to be discontinuous along the strike. In this paper, we examine in detail three sites from the west to the east of this segment. Our results show that the fault widely ruptured young alluvial fans in the field to form 1.5～2.5 m high scarps in the west segment. The slopes of these scarps have angles of ～30°. Due to the lack of dateable depositions in the study area, we took no geochronological samples to date the age of the alluvial fans. However, we used a diffusion equation to constrain the age of the faulted scarps. Based on our calculations, the scarp is about 1 000～15 000 years old at the Q1 site, with a height of about 2.5 m. Based on the age and height of the scarps, we calculated their uplift rate to be about (2.0±0.5) mm/a. This value is similar to the results obtained from river incision and geodetic leveling. Based on our results, we consider the uplift rate to be 1～2 mm/a. In addition, we also established elevation longitudinal profiles and the hypsometric integrals along the Qimantag Mountain. These profiles andHIvalues indicate that the mountain is experiencing tectonic uplift.

northern margin fault of Qimantag; uplift rate; elevation longitudinal profile; hypsometric integral

2015-12-06 基金项目:中国地震局地震预测研究所基本科研业务费专项(2012IESLZ08) 作者简介:邵延秀(1984-),男,助理研究员,在职博士生,主要从事活动构造和地震危险性评价工作。E-mail:shaoyx@geoidea.org。

P315

A

1000-0844(2016)06-0970-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0970