北阿尔金断裂晚第四纪活动构造特征

叶雨晖 吴 磊* 王依平 楼谦谦 陈力琦 高石宝 林秀斌 程晓敢 陈汉林

1)浙江大学，地球科学学院，浙江省地学大数据与深部资源重点实验室，杭州 310027

2)浙江省第三地质大队，金华 321001

3)浙江省国土资源厅信息中心，杭州 310007

0 引言

图 1 研究区的地形与主要断裂特征Fig. 1 Topographic characteristics and major faults of the study area.a 青藏高原主要断裂和研究区(白色实线矩形框)的位置与范围，构造线数据来自Taylor等(2009)； b 研究区的主要断裂与水系分布； c 北阿尔金断裂的地形条带剖面(条带宽1km)，剖面位置如图1b所示。ATF 南阿尔金断裂； NAF 北阿尔金 断裂； EKF 东昆仑断裂； XSHF 鲜水河断裂； KKF 喀喇昆仑断裂； LMSF 龙门山断裂带

在南、北阿尔金断裂之间的阿尔金山中发育了数十条NW走向的河流。它们大都起源于南阿尔金断裂附近，向NW穿过北阿尔金断裂流入塔里木盆地内(图1b)。因此，这些河流地貌中蕴含着丰富的、有关北阿尔金断裂构造活动特征的信息。本文利用数字高程模型(DEM)提取了阿尔金山中穿过北阿尔金断裂的水系和分水岭特征，并通过河流纵剖面、标准化河流长度坡度指数(SLK)、河流陡峭指数(Ksn)、流域面积-高程曲线及其积分(HI)等地貌指标综合定量刻画了北阿尔金断裂晚第四纪以来的构造活动性及其走向变化。在此基础上，结合遥感解译分析了北阿尔金断裂晚第四纪以来的运动学特征，探讨了其与南侧南阿尔金断裂之间的相互作用关系，所得结论对认识整个阿尔金断裂系的新生代演化过程具有重要意义。

1 地质背景

2 方法

本文利用90m空间分辨率的SRTM DEM数据对穿过北阿尔金断裂的18条河流及相应汇水盆地的形态进行了提取(图 1)，分析了河流纵剖面形态、标准化河流长度坡度指数(SLK)、河流陡峭指数(Ksn)、面积-高程曲线及其积分(HI)等多项构造地貌参数。

2.1 河流纵剖面

河流纵剖面反映了侵蚀速率与岩石隆升速率之间的关系(Sinhaetal.，1996； Kirbyetal.，2003)。均衡条件下，河流纵剖面表现为平滑上凹的形态(Sinhaetal.，1996)。一旦这种均衡状态被打破(如由于构造岩石隆起、岩性变化或基准面降低)，河流就会处于一种瞬态不均衡状态，在河流纵剖面中出现局部异常上凸的情形，即发育裂点。在岩性、基准面和气候变化不大的流域，河流裂点的出现往往是断裂构造活动的反映。

2.2 标准化河流长度坡度指数(SLK)

河流长度坡度指数(stream-length gradient index，SL)最先由Hack(1973)提出，其为单位距离的坡度与河流源头距离的乘积，即

SL=(ΔH/ΔL)L

(1)

其中，ΔH/ΔL代表坡度，L为所研究河段距源头的距离(沿河道)。后又引入标准化河流长度坡度指数(SLK)，用以比较不同长度河流的SL值(Hack，1973； Chenetal.，2003； Pérez-Peaetal.，2009)：

SLK=SL/K

(2)

其中，K=ΔH0/ln(L0)，代表整条河流的SL值，ΔH0为整条河流的高程差，L0为整条河流的长度。研究发现，SLK值可敏感地检测出河流坡度的变化，识别裂点的位置和范围，从而判定构造活跃性(Monteiroetal.，2010； Gaoetal.，2013； Wuetal.，2014)。在一条河流中，突然增高的SLK值往往代表坡度的异常增大，从而指示裂点的存在。

2.3 标准化河流陡峭指数(Ksn)

在构造抬升强烈的地区主要发育基岩河道或基岩-冲积混合河道，这些河道的侵蚀速率通常是由河流的侵蚀能力所决定的。在均衡条件下(岩石抬升速率U=侵蚀速率E)，局部河段河道坡度S和相应的汇水面积A符合幂函数关系：

S=Ks×A-θ

(3)

其中，Ks为河道的陡峭指数，用公式(U/K)1/n表示(K为侵蚀系数，n为坡度指数)；θ为河道的上凹程度，与流域形状、基岩及沉积物供给等有关(Wobusetal.，2006)。可见，陡峭指数Ks与构造抬升速率成正比，可以在坡度-面积双对数图解上求解获得(李雪梅等，2017)。为了对比不同流域的河道陡峭程度，对Ks进行归一化处理(即在坡度-面积双对数图解上令θ为恒定值，一般为0.45)后得到标准化河流陡峭指数(Ksn)。在排除岩性、气候等因素影响的条件下，Ksn与构造抬升速率(河流侵蚀速率)成正比，即Ksn值越大、抬升速率越高(Whippleetal.，1999； Sklaretal.，2001)。

2.4 面积-高程曲线及其积分(HI)

面积-高程曲线的研究对象为汇水盆地，目的是将汇水盆地中的高程与位于该高程之上的面积进行对比分析，用来描述该汇水盆地内的海拔分布情况。为了对比具有不同海拔范围的汇水盆地，往往将高程和面积统一归一化至0～1(Strahler，1952)。面积-高程曲线的形状一般可分为上凸、S型和上凹3种，并与汇水盆地的地形发育阶段有关： 上凸曲线表示相对年轻(或新形成)的阶段； 上凹曲线表示成熟的准平原阶段； 而S型曲线代表介于2种曲线之间的较成熟期(Strahler，1952； Walcottetal.，2008)。面积-高程积分(HI)是面积-高程曲线与横纵坐标轴所围限区域的面积，反映了地质体经过一定的地表过程后的三维体积残存率，其值介于0～1之间。Strahler(1952)根据Davis(1899)的地貌侵蚀循环理论分析认为，当HI值相对较大时，对应着上凸型的面积-高程曲线，在地貌发育阶段中处于幼年期或壮年期，可能反映该地区存在持续的构造活动。

3 结果

18条河流的平面形态见图1b，可以发现它们没有沿着北阿尔金断裂发生系统的走向偏转。河流纵剖面形态及相应的裂点分布如图 2 所示。其中，编号为1～9、11、16、17的河流纵剖面总体呈较平稳的上凹形态，在河流上游或北阿尔金断裂附近发育较多小规模裂点，对河流总体形态影响不大； 编号为12～14的河流纵剖面呈直线形态，河流中发育的裂点较小，河流形态总体上可视为上凹与上凸的过渡阶段； 编号为10、15、18的河流纵剖面则呈现较明显的上凸形态，河流上游发育较大规模的裂点。

图 2 河流纵剖面与河流长度坡度指数(SLK)Fig. 2 River longitudinal profiles and standardized river length-gradient index(SLK).

图 3 北阿尔金断裂地区的河流长度坡度指数(SLK)和河流陡峭指数(Ksn)平面图Fig. 3 Plan of standardized river length-gradient index(SLK) and normalized river steepness index(Ksn)of North Altyn Fault area.

主要汇水盆地的面积-高程曲线及其积分(HI)的计算利用前人开发的ArcGIS插件CalHypso(Pérez-Peaetal.，2009)完成，结果如图 4 所示。1、2、5、8、9、11、16号汇水盆地的面积-高程曲线总体呈现上凹形态； 3、4、6、7、10、13、14、15号汇水盆地的面积-高程曲线总体呈S型形态； 12、17、18号汇水盆地的面积-高程曲线总体呈现上凸形态。总体而言： 1)北阿尔金断裂西段(1～9号)汇水盆地的面积-高程曲线形态较为一致，其积分值HI较小，均在0.5以下，平均值为0.42602； 2)北阿尔金断裂东段(10～18号)汇水盆地的面积-高程曲线形态较复杂，既有S型也有明显的上凸形态，其HI值分布在0.4～0.62之间，平均值为0.49866。

图 4 北阿尔金断裂地区18个汇水盆地的测高曲线及其积分Fig. 4 Area-elevation curve and their integrals of 18 catchment basins in the North Altyn Fault area.

4 讨论

4.1 晚第四纪构造活动的走向差异性及其机制

构造地貌指数一般受岩性、气候、构造等3种因素的影响(张会平，2006)。北阿尔金断裂上盘的岩性较为单一，主要为前寒武纪基底变质岩及一些花岗侵入岩，单条河流流经区以及整个东、西段之间均不存在明显的岩石强度差异(图5a)。由于本文研究的河流地貌均位于阿尔金山，EW向延伸250～300km，SN向延伸则只有40～50km，且东、西段之间也无明显的地貌阻隔(图1b)，可以推测东、西2段的气候在晚第四纪也不存在明显的差异。据此我们认为构造作用是导致东、西2段地貌活动性差异的主要因素。由于所有地貌指标中活动性强的区域均位于北阿尔金断裂上盘且紧邻断裂的位置(图 2，3)，因此这种地貌活动性的差异很大程度上反映了北阿尔金断裂活动性的走向差异，即北阿尔金断裂东段的构造活动性(或抬升速率)比西段强。

图 5 北阿尔金断裂的地质简图(a)及NAF北部前锋断裂的平面形态(b)和剖面形态(c)Fig. 5 Geological map of North Altyn Fault(a)，plane shape(b)and vertical shape(c)of northern NAF front fault.

4.2 对北阿尔金断裂晚第四纪以来活动方式的启示

目前对北阿尔金断裂新生代以来的运动学方式还存在左旋走滑为主(Cowgilletal.，2000； Yinetal.，2002)和逆冲为主(Yueetal.，2004)这2种不同的观点。从本文所提取的河流形态来看，所有河流在穿过北阿尔金断裂时，均能基本保持其较为平直的形态，没有发生系统的左旋偏转(图1b)。河流裂点、高SLK和Ksn值等能够反映相对快速构造抬升的地貌指标均出现在北阿尔金断裂的上盘(图 3)。此外，我们在若羌县西南侧、13号河流西北发现了一个错断第四纪冲积扇的活动断裂(图5b)。该断裂长约30km，走向NE，倾向SE，与南侧的北阿尔金断裂平行，可能是北阿尔金断裂系向盆地内扩展的前锋断裂。其构造活动使得南侧的冲积扇被抬升了200m以上，且抬升量沿走向具有自中间向两侧(NE和SW向)逐渐减小并消失的趋势，形成了一个两侧近对称且与断裂近平行的背斜(图5c)，穿过该断裂的小河道的走向也没有发生系统性偏转(图5b)，这些均表明该前锋断裂为一条逆冲断裂。结合上述证据可以推测，北阿尔金断裂在晚第四纪以来以逆冲活动为主，左旋走滑分量较小(但并不能完全排除)，这与前人在北阿尔金断裂东端的GPS观测结果(Bendicketal.，2000)吻合。然而，前人对北阿尔金断裂带内次级构造的运动学测量结果反映其曾发生过一定量的左旋走滑(Cowgilletal.，2000)，可能暗示北阿尔金断裂的运动学方式在新生代存在从左旋走滑向逆冲的转变，与前人对阿尔金断裂南侧柴达木盆地西北缘的新生代变形特征开展研究得出的推论(Wuetal.，2019)一致。

5 结论

本文对阿尔金山中穿过北阿尔金断裂的18条河流形态、SLK、Ksn值 及其汇水盆地面积-高程曲线和积分等地貌指数进行了分析，揭示了北阿尔金断裂晚第四纪以来的构造活动性特征，得出以下2点认识： 1)北阿尔金断裂地区的地貌活动性存在东西差异，东段的活动性明显强于西段，并受控于南侧南阿尔金断裂几何形态变化导致的局部应力场变化； 2)北阿尔金断裂晚第四纪以来的活动方式以逆冲为主，在整个新生代可能存在从早期走滑向晚期逆冲的转换。