洪积扇顶部活动走滑断裂的断错地貌分析<br/>——以新疆塔城盆地东缘阿合别斗河冲洪积扇为例

洪积扇顶部活动走滑断裂的断错地貌分析
——以新疆塔城盆地东缘阿合别斗河冲洪积扇为例

2021-07-21苗树清胡宗凯杨海波杨晓平

地震地质 2021年3期

苗树清胡宗凯张玲杨海波杨晓平

(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)

0 引言

河流在出山口处形成的扇形堆积体称为冲(洪)积扇(Drew，1873；吴胜和等，2016；印森林等，2017)，是山麓地带一种常见的地貌。冲洪积扇为半圆锥体，锥体顶部位于河流出山口处，而锥底向山前平原伸展(吴胜和等，2016)。冲洪积扇表面常发育流水沟槽，是洪水期山间流水的主要排泄通道，从平面上看，这些沟槽自出山口呈放射状向山前平原发散(Clarke，2015)。河床的地形坡度在出山口处迅速变缓，流水在出山口得以分散导致流速降低、搬运能力减弱，河水携带的岩石碎屑等开始堆积。从平面上看，自扇顶至扇缘位置的沉积特征有所不同(图1a)。扇顶多堆积粗大的砾石，向扇缘方向堆积物的粒径逐渐变小，扇中部位以砂砾石为主，扇缘部位可堆积较多的黏土物质(杨景春等，2012)。从剖面上看，冲积扇的纵剖面线为下凹形，在扇顶处地形坡度较大，向扇缘逐渐变缓甚至接近水平(图1b)(杨景春等，2012)。洪积扇的横剖面显示冲积扇的形态呈对称的上凸形，地势自冲积扇中轴向两侧逐渐降低(图1c)。

图1 冲洪积扇的形态(据杨景春等，2012)Fig. 1 The morphology of alluvial-diluvium fan(after YANG Jing-chun et al.，2012).a 冲洪积扇的平面图； b 纵剖面图(AA′)； c 横剖面图(BB′)

由于特殊的大地构造环境和现今的地球动力学背景，在中国西北部干旱、半干旱地区的冲洪积扇(群)上遗留了大量走滑活动断层的断错地貌。晚第四纪以来断层的持续错动在冲洪积扇、阶地等地貌面上留下了丰富的断层构造地貌，如拉分盆地、山脊错断、冲沟扭动、断层陡坎和挤压脊等。以往的工作多集中在冲洪积扇面、阶地面的形成年龄，冲洪积扇、阶地的形成与气候变化以及断层活动速率的定量研究(Molnaretal.，1994； Thompsonetal.，2002；张培震等，2008)。Zhang等(2007)提出了河流阶地响应走滑断层活动的演化模型，认为被断层活动错入河道的阶地将受到更多河流侵蚀从而导致断层下游两岸阶地的不对称发育，并总结了获得河流阶地位错量以及计算断层活动速率的不同方法。李海兵等(2008)在Zhang等(2007)提出的河流阶地演化模型的基础上又考虑了河流侧向侵蚀对河流阶地发育的影响，分析了其对断层滑移速率的影响。任治坤等(2014)提出了在考虑河流侧向侵蚀情况下根据河流阶地位错量计算断层滑动速率的计算方法。许斌斌等(2019)在Zhang等(2007)的模型基础上，考虑了地形因素对河流阶地发育的影响，认为在地形较高的一侧河流阶地更易保存，以该侧阶地位错量计算的断裂滑动速率更为可靠。这些方法与模型等只考虑了直立的纯走滑断层，而未考虑可能存在的断层倾滑分量对断错地貌产生的影响。本文介绍了洪积扇顶部受走滑断层错动形成的断层陡坎地貌特征，并以新疆塔城地区冬别列克断裂南段的阿合别斗河洪积扇上的断层地貌特征为例，从断层运动和洪积扇顶部地形特征分析断层陡坎的成因和类型。

1 冲洪积扇顶部的错断地貌

走滑断层断错具有较大坡角、扇状分布的冲洪积扇顶部时，在河道两侧的同一级扇面上往往形成坡向相反的断层陡坎地貌，即使在河道的同一侧，位于冲洪积扇不同部位的断层陡坎的高度也相差较大。在考虑走滑断层的倾滑分量时，往往会形成更复杂的断错地貌(Walkeretal.，2006；李传友等，2007)。下文将从纯走滑断层、兼具倾滑分量的走滑断层活动在山前洪积扇面上形成的断层陡坎入手，分析不同倾向、不同倾滑分量的走滑断层错动洪积扇顶部形成的断层陡坎的坡向和高度变化等地貌特征。

1.1 纯走滑断层的断错地貌

直立的走滑断层(以左旋走滑运动为例，下同)断错冲洪积扇顶部的扇形或半圆锥状地貌时，由于地形坡度的影响往往会在洪积扇表面形成断层视陡坎(图2a，b)(Oskinetal.，2012；任俊杰，2013)。由于山前的冲积扇地形具有中轴线部位高、向河流下游和左右两侧降低的地形特征，在洪积扇左侧(面对洪积扇，下同)的地貌面，断层左旋走滑错动将上游盘(位于河流上游一侧的断层盘，一般指地势较高的一盘)向左错动，使得上游盘洪积扇中轴部位上凸的高地势地形与下游盘(位于河流下游一侧的断层盘，一般指地势较低的一盘)洪积扇中轴左侧的低地势地形相接触，形成与地形坡向一致的断层陡坎(正向陡坎)。在洪积扇右侧，上游盘洪积扇中轴右侧的低地势地形(相对于本盘洪积扇中轴部位)与下游盘中轴处的高地势地形直接接触，形成陡坎坡向与整体地形坡向相反的断层陡坎(反向陡坎)(图2b)。当断层存在一定倾角时，无论倾向山区或山前平原，断层陡坎的坡向均不变(图2c，d)，但陡坎的视高度可能会发生一定变化。

图2 走滑断层活动影响下的冲洪积扇地貌特征Fig. 2 Geomorphic characteristics of alluvial-diluvium fan under the influence of strike-slip fault activity.a 未受断层活动影响的洪积扇地貌； b、c、d 断层直立、倾向山区、倾向山前平原的纯走滑断错地貌模型； e、f 断层倾向山区、倾向山前平原的逆走滑断错地貌模型； g、h 断层倾向山区、倾向山前平原的正走滑断错地貌模型

图3 冬别列克断裂的卫星影像解译Fig. 3 Interpretation of satellite image of the Dongbielieke Fault.a 冬别列克断裂的卫星影像； b 研究区位置； c 阿合别斗河段冲洪积扇的断错地貌； d 阿合别斗河的河流阶地

1.2 逆走滑断层的断错地貌

当逆走滑断层倾向山区时(图2e)，上游盘为断层上盘、下游盘为断层下盘。断层的逆冲分量使断层上盘整体地形抬升，增大了断层走滑活动在洪积扇左侧形成的正向断层陡坎的高度。在洪积扇中轴线右侧，断层的逆冲活动降低了断层走滑产生的反向视陡坎的高度，如果断层逆冲分量足够大，则可形成正向断层陡坎；如果逆冲分量较小，则仍表现为反向断层陡坎；当逆冲分量与水平错动在洪积扇面形成的视陡坎高度相等时，在洪积扇面上则不表现为断层陡坎。

当逆走滑断层倾向山前平原时，其地貌特征如图2f所示。断层的下游盘为逆断层上盘，上游盘为逆断层下盘，断层逆冲活动增大了断层左旋走滑在洪积扇右侧产生的反向断层陡坎的高度，降低了左侧正向断层陡坎的高度甚至反转了陡坎坡向。

1.3 正走滑断层的错断地貌

当正走滑断层倾向山区时，此时上游盘为断层上盘，下游盘为断层下盘，其地貌特征表现如图2g所示。断层的正断活动使断层上盘整体地势降低，在地形上增大了右侧由于断层左旋走滑产生的反向断层陡坎的高度，降低了左侧正向断层陡坎的高度甚至反转了陡坎坡向。

当正走滑断层倾向山前平原时，断错地貌特征如图2h所示，此时上游盘为断层下盘，下游盘为断层上盘。断层的正断活动增大了断层左旋走滑在洪积扇左侧产生的正向断层陡坎的高度，降低了右侧反向断层陡坎的高度甚至反转了陡坎坡向。

结合以上洪积扇形态特征与断层活动特征，提出了对应的洪积扇断层地貌模型。需要注意的是，在洪积扇走滑断层地貌中观察到的断层陡坎高度并非断层真实的垂直位错量，其中包含了地形效应的视陡坎高度(任俊杰，2013)，易导致走滑断层倾滑分量测量的偏差。

2 冬别列克断裂阿合别斗河洪积扇上的断错地貌

2.1 冬别列克断裂的构造背景

塔城盆地为西准噶尔山地内的一个山间盆地，位于天山与阿尔泰山之间。冬别列克断裂为塔城盆地的东边界断裂，断裂以东为巴尔鲁克山，以西为塔城盆地(图3a，b)。西准噶尔山为华里西期褶皱造山隆起区(罗福忠等，2015)，塔城盆地是在此基底上发育的新生代山间盆地(冯乾文等，2009)。在塔城盆地北、东、南三缘皆有活动断裂分布，构成了盆地与山地之间的地质分界线(罗福忠等，2015)。

冬别列克断裂为NE-SW走向，北起喀拉也木勒镇，向SW经加拉克村、布谷吐村、霍吉尔特、老风口，在裕民县东与裕民南断裂交会，卫星影像上线性特征明显(图3a)，总长约120km。现有研究成果表明，该断裂是一条断面倾向SE、以左旋走滑运动为主兼有逆冲分量的全新世活动断裂(罗福忠等，2015；姚远等，2015，2019)。

2.2 阿合别斗河段的洪积扇与河流阶地

阿合别斗河发源于巴尔鲁克山北麓，向NW流经冬别列克断裂进入塔城盆地，在山前地带发育2期冲洪积扇(Fan1和Fan2)和1期残留的山前台地(S1)(图3c)。洪积扇Fan1发育规模较大，扇缘部位延伸至距巴尔鲁克山约6km的阿合别斗乡附近。洪积扇Fan1的中轴线为NW向，扇体SW侧的地势高于NE侧，在河流两岸皆有分布。Fan2扇体是由多个新冲沟洪积扇组成的洪积扇裙，覆盖于Fan1之上(图3c)。该区域洪积扇表面发育多条N或NW流向的冲沟，断层活动使得冲沟发生左旋位错(图3c)。

2.3 地貌面的断错特征

2.3.1 位移测量方法简介

为获得阿合别斗河段断层活动的位移数据，我们利用无人机获取了该区域的高精度DEM数据(图3d)，并结合Olaf Zielke开发的DispCalc_Bathy_v2程序对断层的位错量进行了测量。将目标区域的DEM数据导入该程序之后，进行以下操作： 1)根据影像上的断错地貌选取2个地貌点进行连线以确定断层位置； 2)在断层两盘进行地貌点选择确定被错断的线性标志物(如河流冲沟、山脊、河流阶地前缘等)的分布形态，此步骤可获得所测量测线位置的水平位错量(图4a，c，e，g)以及测线的高程剖面； 3)选取高程剖面上的2点对高程剖面进行线性拟合，两盘在断层位置的高程差值即为断层的垂直位错量(图4b，d，f，h)。该程序在测量断层垂直位错时利用了弯折剖面的测量方法，与简单的直线剖面测量方法相比能更加真实地反映断层的垂直位错量，减少地形因素的影响(Langridgeetal.，2017)。为减小操作过程中人为造成的误差，每条测线的地貌点选取均进行10次。剖面位置见图3d(P1—P8)，测量结果见图4 和图5。

图4 河流阶地的水平及垂直位错量(通过DispCalc_Bathy_v2程序测得)Fig. 4 Horizontal and vertical displacement of river terraces.黑色直线表示断层位置，空心圆为确定断层位置的地貌选点，红色与蓝色圆点为测量时选择的地貌点，红色与蓝色线段为2盘的标志测量线，白色线段为地貌点连线向断层方向的延长线，与断层相交于方点处，白色双向箭头指示断层的水平位错量。黄色圆点为拟合高程剖面线性关系时的选点位置，黄色线段为拟合后的线性关系并延伸至断层的位置，黄色方点为其交点，黑色双向箭头指示断层的垂直位错量

图5 反向断层陡坎的高度变化(测量位置见图3d)Fig. 5 Heights at different locations of uphill-facing scarps.图中点、线等要素标志说明同图4

2.3.2 断层的水平位移

线性地貌的同步位错是断层水平运动的地貌表现(Allenetal.，1984； Kelleretal.，1996)，河流阶地被断层活动所影响，其地貌特征可以很好地反映断层的活动性质(马保起等，2005；严珍珍等，2013；任治坤等，2014)。野外调查发现，阿合别斗河附近洪积扇面上的冲沟发生明显的左旋扭动现象，水平位移量约为8m(图6f)，并发育断头沟(图3c)。阿合别斗河的多级河流阶地受断层活动影响发生左旋水平位移，多个地貌标志的同步位错可以很好地限定断层的滑动速率。

2.3.3 断层陡坎的高度、坡向

在阿合别斗河西南约1～3km处，断层活动在洪积扇Fan2与山前台地S1之间形成了正向断层陡坎(图3c)。陡坎坡向NW，高1～5m不等，多数约为3m(图6e)。在其中一条冲沟内发现断层露头，断层倾向为165°，倾角为80°，新近纪红色砂岩逆冲到晚更新世洪积砾石层之上(图6a)。

图6 野外断层露头及地貌断错现象的照片Fig. 6 Field photos showing fault and landform features.a 阿合别斗河左岸1km处的逆断层露头； b、c 阿合别斗河左岸沟壁的断层露头； d 阿合别斗河右岸的反向陡坎地貌； e 阿合别斗河左岸1km处的正向陡坎地貌； f 发生左旋错断的冲沟； g 河流左岸沿断层分布茂密的线状植被

受断层活动影响，在河流右岸T4阶地、左岸T2阶地均形成反向断层陡坎，分别测得陡坎的高度约为3.6m(图4d)和1.5m(图4b)。河流左岸T4阶地、右岸T3阶地因分布局限，未发现断层两盘相应的地貌标志被断错。右岸T1阶地(高漫滩)受到人工建造水渠的影响，也未发现断层错动的构造微地貌。

在阿合别斗河东北约1km处，断层活动在地貌面形成正向断层陡坎，该段正向断层陡坎发育在冲积扇Fan1与台地面S1的分界处，陡坎坡向NW(图3c)，陡坎高度最高可达5m。

河流的左、右两岸，在反向断层陡坎与正向断层陡坎之间分别存在一段无断层陡坎发育的地段，断层活动使得阿合别斗河附近的断错地貌整体自NE-SW呈现出正向断层陡坎—无陡坎—反向断层陡坎—无陡坎—正向断层陡坎的地貌特征(图3c)。

3 讨论与初步认识

3.1 阿合别斗河洪积扇顶部反向断层陡坎的形成

姚远等(2015，2019)的研究表明，冬别列克断裂南段的运动性质为左旋逆走滑，结合上文的洪积扇顶部错断地貌模型分析，阿合别斗河冲洪积扇顶部应发育如图2e所示的断错地貌特征，即断层活动导致洪积扇的中轴左侧形成正向断层陡坎，而在右侧不发育或发育高度很低的反向断层陡坎或正向断层陡坎。野外调查和陡坎高度测量结果显示，洪积扇Fan1上阿合别斗河左、右两岸反向陡坎的最大高度分别为4.7m和5.2m，河流T2阶地也发育高1.5m的反向断层陡坎，与图2e中表示的断错地貌特征不一致。张波等(2016)在青藏高原东北缘金塔南山断裂开展的工作表明，走滑断层的断层面倾向通常不固定，导致同一断层在不同位置发育不同坡向的断层陡坎。但在河床左、右各1km之外的山前洪积扇上，断层陡坎转变为坡向NW的正向断层陡坎(图3c)，陡坎高1～5m不等。河流阶地错断地貌特征显示，最近一次断层活动约发生在9.5kaiBP(姚远等，2019)，断层错断了T2阶地，导致T2阶地发生约10m的左旋位错，并形成了高约1.5m的反向断层陡坎，结合图6a、b中断层倾向SE的事实，认为冬别列克断裂阿合别斗河段最新活动应为正断左旋走滑运动性质。而在河流左岸1.5km处的断层露头上，冬别列克断裂显示为逆断层(图6a)，这些实际材料表明断层的倾滑运动性质可能发生了转变。

图7 阿合别斗河段的陡坎地貌发育模型Fig. 7 Model showing the development of fault scarps in Ahebiedou River section.

根据阿合别斗河洪积扇上的断错地貌特征，我们重建了断错地貌的发育过程。在山前洪积扇Fan1形成之前，地貌面S1广泛分布于巴尔鲁克山前(图7a)，断层的左旋逆冲活动使得沿山前地带的洪积扇上形成连续的正向断层陡坎，陡坎累积高度应约等于Fan1洪积扇上反向陡坎的高度(5.2m)与其以北约1km处正向断层陡坎的高度(约5m)之和，即约10m(图7b)；之后洪积扇Fan1开始发育，上叠在地貌面S1之上，同时将阿合别斗河出山口处的正向断层陡坎埋藏或侵蚀，此时洪积扇Fan1南、北两侧仍保存正向断层陡坎地貌(图7c)。约44.85kaiBP之后(姚远等，2019)阿合别斗河开始下切洪积扇Fan1，在河流左、右两岸形成阶地。之后冬别列克断层的运动性质转变为具有正断分量的左旋走滑活动，多次活动使阿合别斗河左、右两岸的正向陡坎高度逐渐降低。T2阶地形成之前，阿合别斗河东北约1km处的正向断层陡坎的高度约为6.3m，洪积扇Fan1(对应T5阶地)上的断层陡坎高约3.7m(图7d)。T2阶地形成之后，断层再次发生左旋正断错动，在T2阶地形成高约1.5m的反向断层陡坎，同时T2阶地发生约10m的左旋水平位移，洪积扇Fan1上的反向断层陡坎高度增至约5.2m。且在此期间，洪积扇Fan1西侧被新洪积扇Fan2覆盖，不同程度地影响了河流左岸先存的正向断层陡坎的高度(图7e)。河流左岸1.5km处的正向断层陡坎与河流右岸类似，现今陡坎高1～5m不等。至此，在阿合别斗河附近形成了自NE-SW、连续分布的正向断层陡坎—无陡坎—反向断层陡坎—无陡坎—正向断层陡坎的断错地貌现象。

3.2 冬别列克断裂阿合别斗段的晚第四纪活动性质

冬别列克断裂阿合别斗河段的断层活动性质在晚第四纪发生转变，由原先的左旋逆冲走滑转变为左旋正断走滑性质，并发生多次活动。洪积扇Fan1的堆积埋藏了出山口位置先存地貌面的正向断层陡坎地貌，随着断层发生左旋正走滑活动，在出山口位置的洪积扇上开始发育反向断层陡坎，而出山口两侧原有的正向断层陡坎的高度下降，最终形成了自SW-NE连续的正向断层陡坎—无陡坎—反向断层陡坎—无陡坎—正向断层陡坎的断错地貌现象。