河西走廊西端花海断裂晚第四纪活动特征

哈广浩,朱孟浩,闵 伟,任治坤

(中国地震局地质研究所 地震与火山灾害重点实验室,北京 100029)

0 引言

河西走廊西端位于祁连山造山带、北山地块、阿拉善地块等多个地块相互作用的关键构造部位,发育着阿尔金断裂系、祁连山北缘逆冲断裂带等主要活动断裂带。新生代以来,印度板块与欧亚板块碰撞汇聚形成了青藏高原,并导致了青藏高原及周缘地区的强烈变形[1-5]。作为青藏高原向北东方向的扩展最前缘,祁连山—河西走廊地区活动构造发育,地震活动强烈[6-10]。北山地块位于阿尔金断裂系和祁连山造山带北侧,东侧与阿拉善地块相邻(图1)。早期研究认为北山地块是一个稳定的大陆地块[11-12]。但最新研究表明,在阿尔金断裂系活动和青藏高原向北扩展的影响下,北山地块在中新世晚期-第四纪发生了构造活化[13]。

图1 河西走廊西端主要活动断裂分布简图(GPS速度场数据来自于文献[32])Fig.1 Distribution diagram of main active faults in the western end of Hexi Corridor (GPS velocity field comes from reference[32])

花海盆地处于祁连山—河西走廊与北山地块之间,受金塔南山断裂向北运动的影响,盆地南部地层发生挠曲变形[14-15]。在北山地块发生构造活化的背景下,花海盆地内是否同样有第四纪活动断裂发育,对这一问题的认识是深入了解该区域地震危险性的关键。早期研究认为花海盆地内发育NNW向的花海断裂,为早中更新世活动断裂[16]。但也有研究认为花海断裂在全新世中期仍有活动,并导致了近地表地层的挠曲,形成了陡坎地貌[17]。对花海断裂活动性认识的差异阻碍了我们对花海盆地晚第四纪活动特征的认识,解决这一问题的关键是获得该断裂可靠的晚第四纪活动的地质证据。

本研究在野外地质调查的基础上,对花海断裂进行了地表地形测量与探槽开挖,结合年代学样品测试提供了该断裂最新活动的可靠证据,并进一步讨论了该断裂的变形特征与地震危险性问题。

1 区域构造背景

新构造运动以来,受印度与欧亚板块持续俯冲碰撞的影响,青藏高原向北扩展,祁连山—河西走廊构造带成为青藏高原变形的前缘[2,5,18]。近年来,低温热年代学、磁性地层学与地球物理探测研究揭示祁连山从晚中新世开始快速剥露,地壳变形在新生代晚期(3～2 Ma)继续向北和北东扩展,现今高原变形的最前缘已经到达金塔南山—合黎山一带[19-21]。阿拉善地块位于河西走廊以北,构造活动比较微弱,不存在大规模的活动断裂[22-23]。但近年来的研究结果发现,阿拉善地块南缘存在合黎山南缘断裂、桃花拉山断裂、阿右旗断裂、雅布赖断裂等近EW展布的晚第四纪活动断裂[20,24-26](图1)。阿尔金断裂系是青藏高原北缘的一条巨型走滑断裂带,断裂从西昆仑向北东延伸至祁连山一带,长度超过2 000 km,也是青藏高原与塔里木盆地的边界断裂[3,7,27-29]。几何形态上,阿尔金山北缘断裂、金雁山断裂、三危山断裂、南截山断裂等次级断裂与阿尔金主断裂共同构成了左旋走滑转换挤压双重构造,各次级断裂之间发育了阿克赛盆地,踏实盆地等断陷盆地,参与吸收和调节了阿尔金主断裂的部分变形[30-31]。

花海盆地位于酒西盆地北侧,南部边界自西向东分别为宽滩山、黑山、金塔南山,总面积超过1 100 km2(图1)。盆地内出露地层主要为第四纪冲洪积物,物探结合钻探结果分析表明,盆地内第四系厚度超过270 m[33]。构造演化上,花海盆地侏罗纪发生初始断陷沉降,接受沉积;早白垩世断陷扩展,大面积沉降;之后处于强烈的构造挤压环境下,南部发生强烈的逆冲推覆,盆地开始萎缩[17]。

2 断裂几何学与地貌特征

花海断裂位于花海镇西,走向NNW,南端自花海镇以南,向北经小泉、大泉、双泉子后穿过山水河向北逐渐消失在北山山前大型冲积扇前,长约25 km[图2(a)]。断裂处于花海盆地内,沿线地形平坦,第四纪堆积主要为晚更新世冲洪积台地和全新世风成沙丘,季节性河流周边也发育现代冲积物[图2(a)]。

图2 花海断裂的空间展布图及遥感影像上的线性特征Fig.2 Spatial distribution map of Huahai fault and linear characteristics of remote sensing image

遥感影像显示,以山水河为界,花海断裂分为南北两段,北段较短,长约5 km,构成了风成沙丘和晚更新世冲积台地的界线,形成陡坎地貌,东高西低(图2)。沿花海断裂北段的无人机航拍DEM结果显示,断裂线性特征明显(图3)。野外地质调查表明,航拍范围南部断裂东侧以晚更新世冲洪积台地为主,地形平坦,西侧为风成沙丘,两者之间线性界线明显(图3、图4)。航拍范围北部季节性河流发育,地形更为平坦,零星发育少部分沙丘,表面以季节性河流形成的冲积物为主[图3(b),图4(b)]。

图3 花海断裂北段线性地貌特征及其解译图Fig.3 Linear geomorphic characteristics and interpretation map of the north section of Huahai fault

花海断裂南段较长,发育在花海镇周边,植被发育[图2(b)],双泉子至小泉一带形成长约8 km的地形陡坎,构成了沙丘和冲积台地的界线,陡坎西高东低,高度在3～5 m,主要由连续的沙丘组成。陡坎沿线西侧出露多个泉水,探槽揭露显示西侧水位埋深4～5 m,较东侧浅,指示断裂的阻水作用[17]。为确定花海断裂晚第四纪活动性,云龙等[17]沿断裂南段小泉北侧跨陡坎开挖探槽两个:HTC-01与HTC-02[图2(a)]。探槽没有揭露明显的断层行迹,但地层发生明显的挠曲,结合年代学结果认为花海断裂在全新世中期发生过活动。为更好地限定花海断裂的活动时代和变形特征,我们在花海断裂北段进行了无人机地貌测量与探槽开挖,并开展了年代学样品采集、测试。

3 花海断裂晚第四纪活动探槽分析

山水河北约3 km,季节性河流SW侧形成范围较小的两级阶地,分别为T1和T2[图3(b)],其中T2发育陡坎,T1地形平坦[图5(a),(b)]。利用无人机航拍DEM提取跨陡坎地形剖面显示,T2陡坎高度约1.5 m,而T1对应陡坎延伸位置未见明显陡坎发育[图5(c)]。为准确揭露花海断裂北段位置,我们在T1、T2阶地上分别开挖探槽TC01和TC02[图5(c)],两探槽均揭露明显的断层。TC01向北,线性地貌特征逐渐模糊,其北侧约1 km位置可见反向断层陡坎,跨陡坎开挖探槽TC03,揭示了断裂向北延伸的位置。

(1) 探槽TC01

探槽TC01揭露的地层以晚第四系砂砾石层为主,根据各地层特征大致可以分为9层(U1～U9)。揭露断层主要有5条,断层基本断错了层U1～U8,被层厚约20 cm的U9表层冲洪积砂砾石层覆盖(图6)。

探槽剖面揭露5条分支断层,各断层简介如下:

F1倾向西,表现为正断层性质,断层表现为平直的界线,沿断裂有弱砾石定向,砂层的明显断错[图7(a)],向上分为两条分支,最新断错至U7,最大断距约30 cm,被U9戈壁砂砾石层覆盖。

F2倾向东,表现为正断层性质,断错特征明显,导致泥质层U1-2发生明显的位错[图7(b)],断层面完全,下部近直立,向上断错至U5,被U6覆盖,最大断距约20 cm。

F3、F4倾向西,表现为逆断层性质,断层表现为明显的砾石定向,泥质层的断错等[图7(c)],其中F3向上断错至U6底,F4向上断错至U2,F3、F4断距较小,其中F3最大断距约5 cm。

F5倾向西,表现为逆断层性质,剖面上特征最为显著,由3条分支断裂组成,可能是主断层。断层剖面上主要表现为砾石定向,标志层的错开等[图7(d)],向上断错至U7,构成了U7和U8的界线,较为平直,具有一定宽度的变形带,最大断距约30 cm,被U9戈壁砂砾石层覆盖。

在层U6和U7中分别采集光释光样品TC05S-07和TC05S-08,经地震动力学国家重点实验室测试,其年龄分别为(52.0±3.4) ka和(46.2±2.9) ka(表1),断层分别断错这两个层位,表明断层最新一次活动应该在晚更新世。

表1 光释光(OSL)测年结果表Table 1 Results of optically stimulated luminescence (OSL) dating

(2) 探槽TC02

T1阶地面平坦,未见陡坎,根据TC01揭示的断层产状,在T1上进行探槽开挖。探槽TC02北壁剖面揭露的地层以晚第四系砂砾石层为主,大致可以分为6层,断层主要有4条,断层断错了层U1～U4,被层厚约50 cm的U5冲积砾石层和厚约10 cm的U6表层冲洪积砂砾石层覆盖(图8)。

F1为正断层,表现为标志层的错动和砾石定向,断错了U1和U2,被U5砾石层覆盖,断距约20 cm[图9(a)];F2为正断层,断层顶部上盘为U4,下盘为U2,粗砂层为标志层,被断错,断距约30 cm[图9(b)],上部被U5砾石层覆盖;F3向上分为三个分支断层,倾角变大,近直立,主要表现为正断层,断错至U4,上部被U5砾石层覆盖,断距较小,约5 cm[图9(c)];F4产状近直立,主要表现为逆断层性质,断错至U4,被U5砾石层覆盖,断距约10 cm[图9(d)]。

图9 探槽TC02北壁断裂图Fig.9 Faults within the north wall of trench TC02

U1:砾石层,根据层间差异又可以分为U1-1和U1-2两个亚层。U1-1为砾石层,分为粗细两层,两者呈互层产出。细砾石层砾径一般以0.5 cm为主,局部含有少量砂质透镜体,粗砾石层砾径一般以3 cm为主,二者互层,层理清晰。U1-2为U1-1上部的粗砂层,局部含有少量泥质团块。U2:砾石层,砾石磨圆较好,圆状为主,分选较好,砾径一般以3 cm为主,砾石成分以花岗岩、砂岩为主,层理近水平。U3:中细砂层。U4:细砂砾石层。U5:灰黑色砾石层,砾石分选好,呈扁平状,砾径一般小于5 cm,磨圆较好,以圆状为主,成分以灰黑色板岩、花岗岩为主,未被断裂错动,厚约50 cm。U6:地表戈壁砂砾石层。

U1：砾石层，根据层间差异又可以分为U1-1和U1-2两个亚层。U1-1为砾石层，分为粗细两层，两者呈互层产出。细砾石层砾径一般以0.5 cm为主，局部含有少量砂质透镜体，粗砾石层砾径一般以3 cm为主，二者互层，层理清晰。U1-2为U1-1上部的粗砂层，局部含有少量泥质团块。U2：砾石层，砾石磨圆较好，圆状为主，分选较好，砾径一般以3 cm为主，砾石成分以花岗岩、砂岩为主，层理近水平。U3：中细砂层。U4：细砂砾石层。U5：灰黑色砾石层，砾石分选好，呈扁平状，砾径一般小于5 cm，磨圆较好，以圆状为主，成分以灰黑色板岩、花岗岩为主，未被断裂错动，厚约50 cm。U6：地表戈壁砂砾石层。图8 花海断裂TC02北壁剖面图Fig.8 North wall profile of trench TC02 in the Huahai fault

探槽TC02南壁与北壁揭露的地层与断层基本一致,主要揭示了6套地层单元,主要揭示有4条断层(图10),倾向西,以正断层为主,断层断错了层U1～U4,被层厚约50 cm的U5冲积砾石层和厚约10 cm的U6表层冲洪积砂砾石层覆盖。

F1倾向西,表现为正断层性质,向上断错U2,最大断距约10 cm[图11(a)],被U5戈壁砂砾石层覆盖。F2倾向西,表现为正断层性质,向上分为3个分支断裂,分别断错至U3和U4,最大断距20 cm[图11(b)],被U5冲积砂砾石层覆盖。F3倾向西,表现为正断层性质,向上分为3个分支断裂,断错至U4,断层标志层错动明显,最大断距约10 cm[图11(c)],被U5砾石层覆盖。F4产状近直立,向上分为两个分支,向上断错至U4,最大断距约10 cm[图11(d)],被U5戈壁砂砾石层覆盖。

图11 TC02探槽南壁断裂特征Fig.11 Features of faults on the south wall of trench TC02

在TC02南壁层U1、U3和U4内分别采集OSL年代学样品TC06S-02、TC06S-03和TC06S-04(图10),经地震动力学国家重点实验室测试,其年龄分别为(50.6±3.5) ka、(49.2±5.7) ka和(53.1±6.1) ka,显示该断裂最新一次活动的时代在晚更新世,与探槽TC01揭露的断层活动特征一致。但TC02剖面显示,断层被厚约50 cm地层覆盖,未被断错,表明该断裂为晚更新世以来没有新活动。

(3) 探槽TC03

探槽TC03位于TC02北西约1.5 km处,断裂延长线上,位置为97°36′37.10″E,40°27′53.20″N,地貌上具有相对明显的陡坎和小断塞塘(图12)。

探槽TC03揭露4套地层[图13(b)],该点处断裂主要为泥质层与砾石层的界线,形成了厚约20 cm的顺断裂的砾石变形带,夹有少量砂质团块[图13(c)]。断裂被后期砾石层与断塞塘薄层泥质层覆盖,厚约20 cm。

4 讨论

探槽TC01与TC02揭露表明,花海断裂最新一次活动断错地层时代为5万年左右,即晚更新世。探槽TC01内标志层垂直位错量比较小,最大约0.3 m,T2位置处1.5 m的垂直位错量可能是多次地震活动的累积位移。探槽TC02揭露了与TC01同一期古地震事件,而且最新一次地层断错标志被后期沉积覆盖。由于探槽仅揭露了一次古地震事件,未能获得古地震复发周期,但以T2的累积垂直位错作为上限,那么花海断裂垂直滑动速率应明显小于0.03 mm/a,这与阿尔金断裂带北部断裂滑动速率较低[34-35]是一致的。

遥感影像、野外地质调查与无人机航拍显示,断裂延伸至TC03处向北线性特征不明显,至北山山前大型冲洪积扇上未有线性特征显示,表明花海断裂北段可能结束于花海盆地内,未延伸至北山。此外,探槽TC01与TC02揭露的断裂多表现为正断层运动性质,且变形范围较宽,而TC01揭露的断层比较简单,为单一侧逆冲断裂,可能是花海断裂向北变形逐渐收窄。跨花海断裂的地球物理探测结果表明,断裂深部断裂倾角较陡[17],结合区域构造演化,花海断裂可能是在挤压构造背景下发育的兼具有一定走滑分量的逆断裂。由于活动性较弱,而且区域气候干旱,地质地貌体不发育,没有保存较好的走滑断裂地貌特征。在倾角近直立的情况下地表表现形式受多种因素的影响,其垂向运动方式可以表现出逆断层和正断层性质,如探槽TC01中,F1为正断层,而F3、F5为逆断层性质。李庆山等[17]认为花海断裂南端延伸进入酒西盆地,但花海盆地内的深地震反射剖面则表明断裂没有过宽滩山和黑山,而是止步于花海盆地内部[14]。

U1:胶结坚硬的玉门砾岩,主体为一套冲洪积砾石层,砾石分选好,磨圆好,层理近水平(U1-1),夹有粗砂透镜体(U1-2)。U2:新近纪泥岩。U3:断层变形带,包含两个亚层,其中U3-1为砾石变形带,可见砾石沿断裂方向弱定向排列;U3-2为断裂变形带内夹的粗砂透镜体。U4:风成砂堆积,覆盖在断裂之上,未被错断。图13 探槽TC03剖面图及断层局部照片Fig.13 Profile and photos of trench TC03 along Huahai fault

花海盆地位于北山地块南缘,阿尔金断裂带,其构造活动可能受控于青藏高原东北缘、阿尔金断裂系、祁连山—河西走廊断裂系与戈壁—阿拉善地块的共同作用[13,35]。地震剖面显示,花海盆地形成于早白垩世,在区域性的北西-南东向的伸展作用下,形成断陷盆地[35]。而新生代以来,受青藏高原持续隆升的影响,花海盆地的构造背景由伸展裂陷转换为挤压缩短,盆地南部的黑山断裂和金塔南山断裂的逆冲运动导致了花海盆内白垩系地层的挠曲变形[14]。第四纪以来,地质学、大地测量学与地球物理探测研究表明,阿尔金断裂系、黑山—金塔南山断裂与合黎山断裂构成了青藏高原现今变形的最前缘,而位于变形前缘北侧的花海盆地及北山地块的构造变形则是在阿尔金断裂系和青藏高原向北扩展应力场影响下再次活动的产物[10,13,21]。晚第四纪以来,在青藏高原与阿尔金断裂向北东扩展作用下,花海盆地西部发生挤压变形,形成了花海断裂。滑动速率研究表明,阿尔金断裂系北部的断裂变形明显弱于祁连山—河西走廊地区[19,21],这表明高原的变形仍然被青藏高原内部及周缘的断裂带吸收,外围块体的变形只是对高原扩展的响应,块体内部断裂变形微弱。在历史地震活动上,与阿尔金断裂带及南侧的祁连山—河西走廊地区相比,花海盆地及以北的北山地区构造活动微弱,已有历史地震记录中也没有大于5.0级中强地震发生,小震活动也比较微弱。

5 结论

遥感解译与地震地质调查表明,花海断裂仅局限于花海盆地内,长度约25 km。断裂走向NNW,南端自花海镇以南,向北经小泉、大泉、双泉子后穿过山水河向北逐渐消失在北山山前大型冲积扇前。跨断层陡坎探槽开挖,结果表明该断裂最新一次古地震事件的时间约5万年,全新世以来没有明显的活动迹象,为晚更新世活动断裂。结合陡坎位错分析,花海断裂晚第四纪以来垂直滑动速率小于0.03 mm/a。区域大地构造动力学背景分析表明,花海断裂是在青藏高原向北扩展作用下盆地内形成的次一级活动断裂,是高原外围块体对青藏高原向外扩展的响应。