新疆北天山乌苏南断层晚第四纪活动特征及其构造意义*

陈建波， 罗福忠， 胡伟华， 常想德， 谭 明

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

天山是远离板块边界的大陆内部山系，在地质历史上作为古生代俯冲碰撞带曾起到过极其重要的作用[1]。新生代以来，天山又遭受了强烈挤压和隆升等构造变形作用 ，形成了欧亚大陆内部再生造山带[2-3]。天山南、北山前地区或山间发育多个坳陷盆地，其中中、新生代地层中发育薄皮构造，表现为逆断裂—褶皱带，如天山北麓的乌鲁木齐坳陷、天山南麓的库车坳陷等[4-8]。近年来，国内外学者对天山山前的新生代构造变形开展了不同程度的研究[9-16]，这些研究成果为认识天山山体的构造变形提供了宝贵的资料。作为天山北麓由南向北发育的3～4排新生代活动逆断裂—褶皱带，是典型的大陆内部新生代活动褶皱和逆断裂带，其构造变形方式，主要以准噶尔南缘断裂带的逆冲推挤，沿底部滑脱面向北运动，同时发生逆断裂和褶皱[17-20]。而在近东西向的水平方向上，这些逆断裂—褶皱带变形起始多从中部开始向两侧扩展抬升，形成了独立或多个孤立的褶皱隆起，平面上呈近平行或斜列展布。尽管前人对天山新生代构造变形做了大量的研究，但是很少关注天山山前这些逆断裂—褶皱带除了在南北向的缩短和东西向扩展外，这些平面看似近平行发育的逆断裂背斜带之间是如何过渡，是否存在构造相关性？近年来，我们在开展乌苏市地震动小区划的野外地质调查时发现的北天山山前的第3排背斜带(独山子逆断裂—背斜带)和第4排背斜带(西湖隆起)之间发育多条斜列的新生断层，通过细致的遥感图像解译、野外地质调查和地质探槽开挖 ，发现乌苏南断裂晚第四纪以来活动的可靠证据，这一发现对了解北天山山前逆断裂—褶皱带变形分配有了更新一步的认识。

1 区域地质背景

乌苏市主要位于北天山山前的乌鲁木齐山前坳陷区西段，以乌鲁木齐为界可以将乌鲁木齐坳陷划分为东西两部分，以东为博格达推覆构造系 ，以西为北天山山前断展褶皱系，后者由3～4排逆断裂—背斜带组成，背斜带由南往北依次出露三叠—侏罗系、第三系和第四系，背斜呈南缓北陡的不对称状，其核部及北翼平行背斜轴的纵向断裂发育，由于第四纪时期断裂的强烈活动，使背斜构造更为复杂，形成与逆断裂有关的断裂扩展褶皱，这些逆断裂—背斜带之间以第四纪的向斜构造分开，构造式样是由山体向准噶尔盆地呈叠瓦状逆冲[17]。

乌苏市主要位于北天山山前第4排构造隆起—西湖隆起区附近，西湖隆起是一个更新的正在发展的活动背斜，它位于独山子—斜西北，乌苏县城以南，该背斜不仅在地表上表现为隆起，而且地震反射剖面揭示出地表以下3.5～5 km处的三叠纪、侏罗纪地层中存在向南倾斜的逆断层断坡，倾角约30°，在断坡之上发育一个南缓北陡的不对称背斜[17]。地表横穿西湖隆起的深切沟谷中已能观察到北翼倾角约10°的晚更新世冲洪积砾石层，说明这一逆断裂—背斜正在发展之中，并开始在地貌和地层倾斜上有所反映和表现。通过穿越背斜的晚第四纪河流阶地面变形结果，可间接反映了西湖隆起变形量与速率西段明显大于东段，表明西湖隆起目前向西扩展的速率大于向东扩展的速率[21]。在空间分布上，独山子逆断裂—背斜带与西湖隆起呈明显的NWW向斜列展布，而乌苏南断裂带就发育这2个背斜带之间(图1)。野外调查显示，乌苏南断层组晚第四纪以来断层活动强烈，沿断层断错山前冲洪积扇，形成明显的线性陡坎地貌，断层活动性质为高倾角逆走滑型断裂。

图1 北天山乌苏地区地震构造图

2 乌苏南断层地质地貌特征

乌苏南断裂组主要发育于北天山山前的独山子逆断裂—背斜带(第3排)和西湖背斜(第4排)之间(图1)，在卫星影像显示为4～5排近平行断层陡坎组成(图2a、b)、呈斜列展布于乌苏西南的山前冲洪积扇上，依据平面几何展布将断层由东向西划分为Fw-1，Fw-2，Fw-3，Fw-4，断层总体走向320°，与南北向天然河流水系、冲沟呈约30°的夹角，并沿断层断错河流阶地前缘，形成右旋水平位错30±0.5 m(图2c)。其次，断层陡坎的高度发育程度也略有不同，总体表现为南北高、中间低，其中北段仅Fw-1，Fw-2断层在山前洪积扇上有比较明显的分布，而Fw-3和Fw-4断层陡坎主要发育在乌苏隆起区附近(图2b)。沿断层陡坎追索发现，沿洪积扇分布的Fw-1，Fw-2断层陡坎坡向呈现南北段不一致的现象，即南段与独山子背斜相交汇的区域表现为东高西低，北段延入乌苏城区至西湖隆起区一带则坡向相反，陡坎高度在1～2 m(图2e、f)，陡坎向北至西湖隆起区内逐渐增大至4～6 m，陡坎最大坡角在5°～25°之间，总体呈断续展布，全长3～12 km。在上述4条断层陡坎，主要以Fw-1和Fw-2断层地貌特征保留相对完整。

图2 乌苏南断层组地质地貌图

图3 乌苏市南Fw-1断层断错阶地砾石层剖面

在乌苏南的G30连霍高速公路两侧新规划的物流园区内对断层组Fw-1断裂进行野外追索调查发现，在高速公路南侧的采砂坑坑壁东侧可见Fw-1断层断错山前冲洪积扇(河流T3级阶地)砾石层(图3)，由北向南发育2条逆冲型断层，两断层水平间隔约3.5 m，断层产状为45°∠42°～62°，受断层挤压牵引砾石层呈明显的定向排列，形成的宽约20 cm断层带，实测被断错上下盘砂砾石层最大垂直位移约1.0 m。沿该断层出露点继续向东南追索，在一宽缓的南北向发育的冲沟中，可见发现Fw-1断层断错冲沟东岸T1级阶地，该阶地沉积物为二元结构，下伏砂卵砾石层，上覆厚约30～50 cm的黄土层，沿断层面砾石呈明显定向排列，断层面宽约20cm，断层顶部向上断错上覆黄土层(图2d)，断层面产状：36°∠54°，并在地表形成走向ES的断层陡坎，陡坎高度约0.5 m(图2e)。

3 断层晚第四纪活动特征

图4 乌苏南断层组Fw-1断层北段TC01探槽北壁地质剖面图

乌苏南断裂组主要发育于北天山山前的独山子逆断裂—背斜带(第3排)和西湖背斜(第4排)之间，平面上呈4～5排斜列展布的断层陡坎组成。野外调查发现，Fw-3，Fw-4断层主要发育在西湖隆起区内，受人工植树造林影响，断层带最新活动迹象已无法更好的辨识，且断层陡坎相对高差较大，坡面较长，地表现已被人工林覆盖。而Fw-1，Fw-2断层陡坎主要发育在山前洪积扇上，野外地质调查确认，Fw-1断层中南段天然露头均显示断层产状为：倾向35°～45°，倾角42°～65°，为进一步验证该断层北段的活动特征及断层向北是否延入乌苏市的城区，我们在该断层北段的洪积扇开挖探槽TC01(图4)，探槽南壁揭示的地层层序如下图(图4)。

层①：土黄色砂卵砾石层，松散，分选磨圆度较好，层理清晰，局部夹薄层细砂，砾石直径一般在5～20 cm，最大砾径35 cm；

层②：青灰色砂卵砾石层，松散，分选磨圆度较好，层理清晰，局部夹薄层细砂，断层上盘附近砾石层松散，易垮塌，砾石直径一般在3～10 cm，最大约15 cm；

层③：土黄色角砾石层，含粉土，层内包裹角砾石层，角砾石层层理较差，无明显分选，砾径在1～3 cm，角砾石层密实度较好；

层④：地表黄土层，上盘略薄，厚度在10～20 cm，下盘厚度0.5～0.8 m；

该探槽剖面揭示，沿断层面砾石层具有明显的定向排列，由东向西分布有两条高倾角逆冲断层，断层面产状：倾向220°，倾角65°～75°。断层带内砾石层弯曲变形，受断层断错影响，两盘砾石层牵引褶曲，实测断层层①最大垂直位移约0.7 m。沿断层断错层②和层③，向上断错层④底部，但是被上覆黄土层覆盖，未断错至地表。

乌苏南断层组Fw-2断层是该断层组延伸最长的一条断裂，断层走向NW，地貌上线性影像特征明显，陡坎倾向ES，高度为南北高中间低，局部被侵蚀殆尽。Fw-2断层南段接近独山子背斜一带，沿断层断错地貌清晰，断错山前洪积扇，在地表形成高约2～3 m的陡坎。断层北段主要位于西湖隆起附近，沿断层在地表形成高3～5 m的陡坎，陡坎走向与河流冲沟水系形成明显的夹角，线性特征清晰(图5a)。

在断层南段的冲洪积扇上，沿断层错断现代河流冲沟的T1、T2级阶地，在地表形成0.5～2 m的断层反向陡坎(图5b)，陡坎倾向NW，垂直陡坎开挖探槽TC02，探槽剖面显示(图6)，探槽剖面揭露地层层序与TC01相当，除了缺少TC01中的层③，其他地层层序基本一致。探槽TC02剖面揭露，沿断层砾石呈明显的定向排列，由北向南发育两条高角度逆冲断层，其中在f1断层南侧还发育一条反冲的逆断层。与TC01探槽相比，TC02探槽的断层产状为倾向35°，倾角57°～75°，沿断层断错层层①，层②，断层顶部断错断层③至地表，实测f2断层最大垂直位移量可达1.2 m。

图5 乌苏南断层组Fw-2断层南段断错现代河流阶地(a)及探槽位置(b)卫星影像解译图

通过对探槽TC01和探槽TC02进行对比，发现两探槽所在洪积扇卫星影像色调基本一致，探槽揭露地层层序基本相当，地层沉积岩性类似，地貌上看应归属于同一期地貌单元。不同点是，探槽TC01和TC02断层陡坎坡向相反，断层倾向亦相反，但断层倾角相当，均为高角度逆冲断层。根据探槽剖面，断层断错地层层序显示，沿断层顶部均发育有薄层的黄土层，断层下盘的沉积厚度明显大于上盘沉积厚度，尤其在TC02探槽，沿断层多次错断上覆黄土层，说明该断裂至少有过两次古地震事件。即第一次古地震事件断层断错层①和层②，而后被层③覆盖；第二次事件断层继续活动，断错上覆地层③。因此，可根据TC01探槽和TC02探槽，判断Fw-1断层和Fw-2断层至少发生过1～2次古地震事件。

图6 乌苏南断层组Fw-2断层南段TC02探槽南壁地质剖面图

4 结论与讨论

乌苏市主要位于北天山山前的乌鲁木齐山前坳陷区西段，以准噶尔南缘断裂为界，天山北麓发育了这3～4排逆断裂-褶皱带，由南向北，其形成时代逐渐变新，其中第2排和第3排逆断裂-褶皱带在晚第四纪仍在活动，第4排背斜带(西湖隆起)是一个新的，正在发育的背斜。根据石油地质勘探成果和平衡地质剖面方法[17-20]，计算天山北麓逆断裂—褶皱带的地壳缩短量和缩短速率：第2排逆断裂—褶皱带地壳水平缩短量为5.5～6.5 km，缩短速率为2.02～2.23 mm/a；第3排逆断裂—褶皱带地壳水平缩短量为1.3～2.9 km，缩短速率为1.87～3.97 mm/a；第4排褶皱带(西湖隆起)地壳水平缩短量为0.134～1.065 km[21]，缩短速率0.07～0.64 mm/a。而乌苏南断裂组主要发育于北天山山前的第3排(独山子逆断裂—背斜带)和第4排(西湖背斜)之间，沿断层断错山前冲洪积扇，形成断续分布线性陡坎地貌，这些线性陡坎，坡向时东时西，且同一条断层陡坎，北段陡坎呈NE倾，南段则呈SW倾，通过野外探槽开挖，确认该断层活动性质为高倾角逆冲断裂。其次，由于该断层与山前河流水系冲沟的夹角较小，部分地段与河流、冲沟呈平行展布，因此沿断层未发现更多的水平位错特征，仅在局部地段可见该断层断错冲沟及阶地，形成明显的右旋走滑位移，但是从各分支断层的时空分布特征及陡坎坡向的变化来看，该断层应属于走滑型逆冲断层。

根据前人对天山北麓山前的洪积扇及河流阶地的形成时间及洪积扇期次的划分[22-24]，将天山北麓奎屯河山前的洪积扇划分为3期(图7)[22]：第1期洪积扇主要发育在山前高台地(Fan1U)，向北被第2期洪积扇(Fan2)覆盖，之后又被第3期洪积扇(Fan3)覆盖，在乌苏西形成西湖隆起(Fan1U)，在奎屯—乌苏以北形成平原。对山前洪积扇及河流阶地ESR和10Be测年结果显示，奎屯河山前第1期洪积扇主要形成于中更新世中期约600 ka；第2期洪积扇形成于晚更新世末期约24 ka。其次，根据洪积扇于奎屯河河流阶地的关系，奎屯河III级阶地的形成年龄为～24 ka，II级阶地形成年龄为～10 ka，I级阶地形成的年龄为～7 ka。由此，根据本次野外实际调查和影像解译对比，认为乌苏南断层主要发育在奎屯河山前的第2期洪积扇上，其第2期洪积扇的对应的形成时代为24 ka。同时，沿断层断错山前第2期洪积扇的I～III河流级阶地砾石层及上覆黄土层，并在地表形成0.5～3 m的断层陡坎，说明该断层的最新活动时间应为7～24 ka，

图7 奎屯河山前洪积扇与断层带分布图(据陈正位，2013修改)

由此计算断层晚更新世以来的平均活动速率约0.125 mm/a。根据断层断错河流阶地前缘，形成右旋水平位错30±0.5 m，计算断层晚更新世以来的右旋走滑活动速率为1.25±0.02 mm/a。

其次，在几何平面展布上独山子逆断裂—背斜带和西湖隆起呈明显的右阶斜列展布，而乌苏南断裂组就发育于这两组背斜带之间，呈左列雁行展布。根据前人对独山子逆断裂背斜带的研究[25]，发育在独山子背斜轴部的逆断层，略呈向北凸出的弧形，断面S倾，倾角约60°，使背斜南翼斜冲于北翼之上。断裂带内擦痕发育，倾向SW，倾角45°，表明上盘向NE斜冲。且在断裂上盘发育数条正断层，组成向西收剑(敛)的张性帚状断裂群，并伴随泥火山发育，表明独山子背斜的主干断裂曾发生过反向剪切运动，而独山子主断裂上盘发育的这些张扭性帚状断裂，也表明独山子逆断裂—背斜带是在以反向剪切为特征的压扭性作用下所形成的，而且西强东弱。形成上述断裂的活动特征，很可能是由于独山子背斜带受南北向推挤速度的不均衡或者两侧压力不平行所导致。根据乌苏南断层带所处的位置、断层性质及规模，笔者认为这些断层的形成很可能与独山子逆断裂—背斜局部环境相类似，该断层应为天山山前独山子背斜与西湖隆起之间的过度转换断层，对背斜东西的扩展及隆升起到一定的调节作用。