东南天山焉耆盆地洪水沟断裂晚第四纪活动特征及构造意义

2022-01-05付国超孙晶岩王艳萍

防灾科技学院学报 2021年4期

殷娜，付国超，孙晶岩，王艳萍

（1.防灾科技学院，河北三河 065201；2.河北省地震动力学重点实验室，河北三河 065201；3.中国地震局地球物理研究所，北京 100010；4.天津市地震局，天津 300201）

0 引言

受印度和欧亚板块在新生代早期碰撞作用的远程影响，天山遭受了强烈挤压和隆升，成为大陆内部典型的新生代复活造山带［1-5］，并形成了一系列的大型褶皱和逆冲断裂以及山脉两侧近东西向延伸的山间盆地，南部塔里木盆地与天山及北部准噶尔盆地的地形起伏高达3000m（图1）。进入晚第四纪以来，这些山间盆地内的活动断裂带持续发生变形，控制着诸多强震事件的孕育、破裂和传播过程（图1）。其中主要活动断裂包括（图1）：秋里塔格断裂（F1-1）、哈桑托开断裂（F1-2）、库姆格列木断裂（F1-3）、兴地断裂（F2）、库尔勒断裂（F3）、霍拉山南缘断裂（F4）、洪水沟断裂（F5）、北轮台断裂（F6）、哈拉毛墩断裂（F7）、焉耆盆地北缘断裂（F8）、可肯达坂断裂（F9）、包尔图断裂（F10）、巴音布鲁克断裂（F11）、特克斯断裂带（F12）、新源断裂（F13）、雅马渡断裂（F14）、阿吾拉勒山南缘断裂（F15）、博罗科努断裂（F16）、准噶尔南缘断裂（F17-1）、西山断裂（F17-2）、博格达北缘断裂（F17-3）、独山子-安集海-霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁断裂带（F18）、阜康断裂（F19）、火焰山断裂带（F20）、阔克沙勒断裂（F21）、拱拜孜断裂（F22）、塔斯特-巴尔雷克断裂（F23）、托里断裂（F24）和达尔布特断裂（F25）。因此，研究这些山间盆地内部活动断裂现今变形的几何学与运动学特征，对于理解天山内部的现今构造变形具有重要的科学意义，同时对于该地区的地震风险防范工作具有重要的实践意义。

焉耆盆地位于东天山南部，盆地内部发育了以开都河断裂为代表的一系列活动断裂带［6-10］（图1）。其中，可肯达坂断裂、夏尔木特断裂、洪水沟断裂和松树达坂断裂共同构成了开都河断裂西北端的主要分支（图2、图3）。洪水沟断裂沿线分布有5个现代中小地震（3.0≤M≤5.0），断裂的南端对开都河河谷似有一定的控制作用。此外，1927年9月23日在开都河断裂北部的察汗乌苏一带曾经发生过MS6.8地震，震中破坏强烈，烈度达到Ⅷ度。但是受研究条件所限，前人对洪水沟断裂晚第四纪以来的构造变形特征研究基础很薄弱，取得的认识有限。同时，对于1927年MS6.8地震的发震构造研究也存在争议［9-12］。因此，本文基于野外地质地貌调查、探槽开挖、年代测试等工作，对洪水沟断裂晚第四纪以来的构造变形特征进行了调查研究。研究结果有助于我们更全面地认识东南天山内部的构造变形特征，以及印度和欧亚板块碰撞的远程响应。

图3 洪水沟断裂及邻区影像解译图Fig.3 The interp reted satellite m ap of Hongshuigou fau lt and its ad jacen t area by Google earth im ages

1 地质构造与地震背景

研究区地处天山褶皱构造带的南部，与塔里木地台具有相同的基底和震旦、寒武纪盖层发育，即早古生代阶段为塔里木地台的北部大陆边缘，自奥陶纪后期逐渐与塔里木地台分化，以天山南缘断裂（北轮台-辛格尔断裂）与塔里木地台为界。该褶皱带是经加里东、华力西运动而逐步形成的向南、向北倒转的叠瓦状扇形造山带。燕山运动和喜山运动使褶皱带进一步隆起并产生断块差异运动。晚第四纪以来构造活动以整体隆升为主，断裂活动强烈。

研究区地层从太古界、古生界至新生界均有出露，其中古生界只有泥盆系和石炭系，分布最广，中生界缺失。研究区内第三系分布于东北地区，岩性为砖红色、粉红色、浅灰色粉砂岩、细砂岩、砂岩及砾岩，厚度约920m。第四系以冲洪积物和残坡积物为主，局部见冰川堆积物，分布于开都河和察汗乌苏河的河谷中，局部地段组成河流阶地。夷平面上的残积红土厚数米，最厚可达十余米。

研究区地貌类型以侵蚀中高山为主。总体地势由西北向东南方向倾斜，并逐渐过渡至塔里木盆地。区内最高峰哈勒哈特达坂地区海拔4220m，最低处的渡口村野云沟海拔为980m，最大高差可达3240m以上，一般相对高差1000～1500m，表现出构造侵蚀地貌的特征。

开都河是区内主干河流，由西北向东南流经全区。河流强烈下切，河谷深狭，形成巨大的“V”型河谷。根据邓起东等［13］的研究结果，开都河发育7级阶地，T1级阶地属全新世阶地，T2、T3级阶地属晚更新世阶地，T4级（含T4级）以上阶地均为中更新世阶地。

研究区内的主要断裂构造为近东西方向，并以高角度逆冲断层和不对称挤压褶皱为主，呈现出对冲式断层-褶皱组合形式。以开都河断裂带为界，北部地区自北向南逆冲，南部地块则向北逆冲，从而形成区域上以松树达坂断裂带和可肯达坂断裂带为边界的压陷构造带。

受这些断裂活动的控制和影响，截至2020年12月31日，研究区内共记录到破坏性地震（MS≥4.7）地震63次，其中，MS6.0～6.9地震3次、MS7.0～7.9地震2次、MS8.0地震1次（图1）。研究区内记录最早的一次地震为1812年新疆尼勒克东8级地震，该地震也是区域内震级最大的地震。距离洪水沟断裂最近的是1927年MS6.8地震，其震中推测在察汗乌苏一带。

2 洪水沟断裂晚第四纪活动的地表地质调查

洪水沟断裂为开都河断裂带的一条次级断裂（图1～3），西起乌拉斯台以西，经察汗乌苏河口、大山口、小山口，向东延入焉耆盆地西侧，全长约210km。断裂走向N290°W，倾向NE，倾角约70°。断裂地貌清楚，主要表现为断层槽地、断层崖、断阶地貌，并控制开都河的分布和流向。前人研究认为该断裂以逆冲挤压变形为主。据邓起东等研究结果［13］，断裂活动断错了开都河Ⅳ级阶地，其垂直位错量达20m，断裂东段错断开都河晚更新世阶地堆积物，使泥盆纪火山凝灰岩逆冲于阶地冲积物之上，被现代坡积砾石覆盖，为晚更新世活动断裂［13］。本次研究围绕该断裂的晚第四纪活动开展了调查（图4、图5），在此将7个代表性调查点的特征介绍如下，调查点分布位置见图2。

图5 洪水沟断裂断错地貌及探槽特征图（调查点D5～D6分别对应于a和b）Fig.5 The geom orphic characteristics of fault d islocation and trench characteristics along the Hongshuigou fault zone（typical investigation sites D5-D6 are corresponding to m ap a and b respectively）

野外调查发现，断裂形成了长约25km的地表破裂带，主要由一系列近东西向展布的断层陡坎组成，同时伴随有比较明显的冲沟右旋位错和扭曲变形（图4、图5，D1～D6）。其中，断层陡坎的高度范围为0.8～0.9m，冲沟的右旋位错量分布介于2.0～5.0m。

野外调查工作同时开挖清理了一个探槽（调查点D7）。探槽位置位于开都河T2阶地上，与断裂走向基本正交。探槽长约30m，宽约4m，深约3m，野外编录共揭示了3套不同的地层。其中，第1层为近地表灰白的现代冲洪积物，平均厚度约20cm，主要成分为小颗粒的砾石，磨圆和分选较好；第2层为棕黄色的砾石层夹中粗砂，下盘可见厚度约80cm，上盘平均厚度约30cm，具有明显的分选和层理；第3层为黑褐色的卵石层夹中粗砂，上盘可见厚度约130cm，分选和层理比较清楚。根据地层的变形特征与彼此的交切关系，在该探槽中识别出比较明显的断裂带F1。断裂带F1整体倾向NW，3个分支断层都表现为挤压逆冲性质，倾角约70°。该断裂带的构造变形明显扰动了地层3-2。地层1可能为坎前加积地层，其右端厚度相对左端明显加厚（图6，调查点D7）。根据探槽中断层上下盘地层2的厚度估算，该断层造成约0.9m的垂直断距，和地表观测的垂直位移量基本一致。

图6 洪水沟断裂调查点D7探槽特征图（A和B分别为原始图与编录图）Fig.6 The trench characteristics of D7 investigation site of the Hongshuigou fault（A and B represent the original photo and in terpreted m ap respectively）

中国地震局地壳应力研究所在该地区开展某建设工程的地震安全性评价时［12］，对洪水沟断裂开展了调查，获得了与本研究类似的研究结果（图7）。

图7揭示泥盆系（D2s）灰褐色千枚岩、砂岩逆冲到上第三系砖红色粉砂岩、细砂岩之上。断层产状325°／NE∠79°。断裂通过的地方，有90m宽的断层破碎带。断裂在地貌上形成高差约50～70m的断层槽地，谷底平坦，在山脊处形成垭口。断层面断错上更新统（Q3）灰黄色含砾砂土。

图7 洪水沟断层小山口电站剖面图［12］Fig.7 Profile of Xiaoshankou hyd ropower station in Hongshuigou fau lt［12］

为了进一步揭示该处的最新活动时代，本次野外工作采集了1个光释光（OSL）年代学样品，采样位置见调查点D7，并在中国地震局地质研究所新构造年代学实验室采用SMAR细颗粒石英方法完成年代测试，结果为44.29±5.35ka，所得到的结果与中国地震局地质研究所1998年对开都河阶地年龄的研究结果基本一致。因此，综合探槽剖面和年代测试结果及野外调查认为，洪水沟断裂在晚第四纪期间构造变形强烈。

根据断裂最新活动时代、位移量、地表破裂长度和震级的经验统计关系式［5，13］，可以估算该古地震事件的震级约为7.0。