阳关断裂带变形样式及其对阿尔金断裂扩展的指示意义

姚赟胜, 邵延秀, 邹小波, 刘兴旺, 张 波, 朱俊文, 蔡艺萌

(1. 甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000;2. 中国地震局兰州岩土地震研究所, 甘肃 兰州 730000;3. 天津大学, 天津 300072)

0 引言

阿尔金断裂位于青藏高原东北缘,与华北地块交汇,是青藏块体和周缘块体的重要分界位置[1-2]。而阿尔金断裂东段作为青藏高原向西北方向生长的主要边界带,是青藏高原、塔里木盆地及阿拉善三大块体之间相互交汇的重要位置,其构造即特殊又关键。同时该段活动断裂广泛发育,地震活动频发。因此,研究阿尔金东段邻区分支断裂不仅有助于揭示青藏高原东北缘向北扩展的变形机制和分布特征,而且有利于对周边地区地震危险性评价提供参考依据。

三危山—阳关断裂地处青藏高原北部向北扩展的前缘位置(图1),位于阿尔金断裂的北东侧,属阿尔金断裂系的重要位置,是高原变形响应最为敏感的地区之一[1]。其中三危山断裂位于敦煌市南东侧,而南西侧为阳关断裂[图2(d)]。近年来前人对青藏高原向北扩展的研究相对较多。在阿尔金断裂向北东扩展的模式和范围提出了很多不同观点,在向北西向扩展过程中有不同的认识和看法[2-11]。其中Cunningham等[11],提出高原北缘向北西扩展的前缘已至三危山地区。刘兴旺等[12],认为在三危山断裂很可能向北方向的盆地内扩展。云龙等[13],认为青藏高北西方向扩展的最前缘已到三危山断裂西延至阳关镇附近(阳关断裂),扩大了三危山断裂的向西延伸的空间。

前人较多关注三危山断裂对高原北缘向北西向扩展中的影响,包括对三危山断裂晚第四纪以来的几何特征,基本活动性及运动学参数进行不同的定量研究[12-18]。但是阳关断裂对高原北西向扩展中起何种作用,其相关研究较少。其中云龙等[18]仅对阳关断裂个别断层陡坎高度进行了测量。邵延秀等[19]对阳关断裂东段南湖北山东侧断层陡坎的晚第四纪活动性进行了详细的定量研究。而在阳关主断裂向北东方向扩展的前缘位置,发育多级次级断裂,在该区域缺少相关研究。

笔者在阳关主断裂北侧发育的多级陡坎处(图2),通过探槽的开挖,差分GPS、无人机航空摄影测量等方法,对断层陡坎高度以及产状进行研究。同时基于高分辨率卫星影像对阳关断裂断错地貌特征进行分析解译,并结合前人研究成果对阳关断裂的变形样式进行探讨。

1 区域地质背景

阿尔金断裂作为一条巨型左旋走滑断裂,西起西藏郭扎错,向东延伸经过甘肃西部宽滩山,东至阿拉善一带,全长约2 000 km,其总体走向为NE70°[1,15,20-22]。阿尔金断裂系内含多条分支断裂,其中包括三危山断裂、南截山断裂、红柳沟断裂带、多坝沟等断裂。

位于边界带的断裂主要以走滑为主,兼具逆冲分量,体现出复杂的构造变形分解图案[1-2,11]。早期研究者对三危山断裂的研究主要集中在西侧,西水沟至东侧双塔水库段[12-14,17-20]。张裕明等[16]将其分为3段:西段西水沟—东水沟段,长约35 km;中断东水沟—十工口子段,长约65 km;东段十工口子—双塔段,长约50 km[图2(d)]。这三段呈左阶或右阶排列而成,其断裂特征主要以左旋走滑为主,兼有逆冲断层性质,局部表现出正断层的特征[13]。

近年来,三危山的研究在早期研究基础上开始向西延伸至敦煌阳关镇附近的阳关断裂。阳关断裂走向NE,在空间上和三危山断裂近乎于平行,并呈右阶斜列分布。该断裂自东向西,东起敦煌附近,穿过阳关镇古遗址,向西切穿较缓的小型山脉,依稀可见尖灭于沙漠中[图1,图2(c)]。卫星影像显示,阳关断裂断错晚更新世的冲洪积扇体,并形成明显的断层陡坎地貌,在敦煌高家庄北东侧发育多级较缓的逆冲断层陡坎[图2(a),(b),(c)]。

2 研究方法

2.1 地形剖面方法

地貌数据是地学研究领域的基础资料,在活动构造和构造地貌的研究中扮演着极其重要的角色。而高精度和高分辨率的地貌数据能够刻画细微的地貌特征,是活动构造定量研究的基础[23-24]。在利用地形剖面方法时,对垂直断层走向的横切地形剖面进行分析,不仅能获得断层的地表位错量,而且还可以测量阶地陡坎和冲积阶地面的结合部位[25],从而判识在古地震事件中是否发生过变形或抬升。

此外,近年来小型无人机相关技术也有效的运用到对断层陡坎的精细测量研究中[26-27]。本文结合无人机航拍数据,沿断层陡坎布设多条垂直走向的地形剖面,判识断层在垂向的变化特征。

2.2 古地震探槽剖面方法

古地震是指保存在地质记录中,在史前和人类历史资料没有记录的地震事件,古地震学则是一门揭露和研究地质记录过程中保存过去地震事件的科学[27]。而研究古地震探槽剖面,可以通过发现一些保留在地层剖面的古地震遗迹和标志,以及断层产状特征等来恢复古地震事件,进而分析断层空间分布特征以及变形样式。要实现这些目标,探槽技术为一种古地震研究的直接有效的手段[28]。

为了揭露阳关断裂北东侧断层陡坎中断层的产状,通过探槽剖面方法去识别该断裂带延伸到地表的变形特征。笔者在敦煌市阳关镇高家庄北东侧研究点1[图2(c)]断层陡坎处开挖了三个探槽,在东侧研究点2[图2(c)]断层陡坎处开挖了两个探槽。结合阳关断裂东段南湖北山东侧两个研究点的六个探槽剖面[图2(c)],通过探槽剖面所揭露出断层的产状和地貌特征来分析探讨阳关断裂断裂带的变形样式。

3 阳关断裂带变形样式

3.1 地形剖面

云龙等[14]在阳关主断裂东段南湖北山西侧(图2YP1-2),测了三个陡坎高度在(2.5±0.3)～(4.4±0.3) m之间。在南湖北山东侧剖面显示出多级陡坎,其多级陡坎总高度在(3.6±0.4)～(12.6±0.3) m之间,平均高度(7.5±0.5) m,其最高陡坎为(6.4±0.4) m,最小为(2.6±0.2) m。

邵延秀等[20]通过无人机对点3和4[图2(c)]的断层陡坎特征进行航测。其中点3布测剖面显示:发育宽约200 m的三条正向逆冲断层陡坎,断层总体高度位于(23±0.5)～(18±0.5) m之间,自西向东,逐渐降低。各断层陡坎均发育为正向多级陡坎,且陡坎高度最低为(2±0.1) m,最高陡坎(8±0.5) m,平均陡坎高度为(4±0.2) m。陡坎坡度较缓,多级陡坎之间的坡度较陡。

在南湖北山最西侧点4剖面显示:该段有5～7条近乎平行的次级正向和反向断层陡坎,断层陡坎发育高度较缓且复杂。其中陡坎高在(0.4±0.1)～(0.9±0.5) m之间,陡坎平均高度在(0.6±0.3) m。

笔者在位于阳关镇高家庄东北侧前缘NW向的两处次级断层陡坎处,选择两个区域进行了无人机航拍测量及野外地貌调查(图2、3、4、5)。分别通过无人机低空测量技术,获得近0.2 m的高精度DEM数据(图3、4)。

图3 研究点1断层陡坎解译图Fig.3 Fault scarp interpretation at point 1

图(c)底图为无人机使用低空测量获得的分辨率为0.2 m的DEM所生成的山影图图4 研究点2断层陡坎解译图及断错地貌Fig.4 Fault scarp interpretation and faulted landform at point 2

研究点1位于主断裂北侧边缘位置,地处荒漠戈壁滩,断层断错冲洪积扇,表现出较缓的断层陡坎(图5),未发现河流走滑断错现象。通过无人机航测生成的DEM,对该段地形剖面进行测量(图3,6)。分别在探槽附近和断层陡坎保存较好的位置布设了地形剖面测线。剖面显示:总体陡坎高度在(0.9±0.2)～(2.0±0.4) m之间,平均高度在(1.6±0.2) m。剖面数据得出:TC02和TC03附近所测的陡坎高度最高,高达(2.0±0.4) m,在最东侧P5测线陡坎高度最低为(0.9±0.2) m。由于无人机航拍的区域有限,未测得上盘更远距离的剖面,但是其中一条差分GPS测量结果显示(图3,P3)出研究区点1存在反向陡坎,且陡坎高度为(1.1±0.5) m。

图5 研究点1断错地貌Fig.5 Faulted landform at point 1

图6 阳关断裂地形测量剖面及推断断层Fig.6 Topographic survey profile of Yangguan fault and the inferred fault

研究点2位于研究点1东侧,野外踏勘显示该段断层陡坎,呈弧形(图4)。在DEM上布测四条地形剖面(图4,6),结果得出陡坎高度在(1.8±0.1)～(2.4±0.1) m 之间,平均高度为(2.2±0.1) m。该研究点地形剖面明显观察到有反向陡坎,且陡坎高度在(1.0±0.1)～(1.7±0.8) m 之间。

对比两个研究区的断层陡坎高度,研究点2相对研究点1陡坎高度较高,陡坎坡度也较陡。两处断层陡坎均断错晚更新世党河早期形成的冲积扇。从构造活动的地貌上显示出断层陡坎比较单一,不平直,多呈曲线、弧形等特征,具有逆冲断层陡坎的特征,均发育有反向砍,并且断错晚更新世冲洪积砾石层,陡坎坡度较缓,河流、冲沟未发现位错现象(图3、4、5、6)。

3.2 探槽剖面变形特征

阳关主断裂北西侧高家庄北东侧发育多期不连续的次级断裂,该断裂断错晚更新世冲洪积扇形成相对较缓的逆冲断层陡坎。笔者选择了适宜开挖探槽位置(图2、3、4)。在研究点1,阳关断裂北侧前缘较缓陡坎处开挖三个探槽(图3)。在研究点2,相对较高陡坎处开挖了两个探槽(图4)。同时为了探讨阳关主断裂的产状,挑选出团队在南湖北山东侧开挖探槽的其中六个剖面(图7),来解译其断层的产状。

图7 探槽拼图及解译图Fig.7 The profile and interpretation of trench

探槽TC01位于研究点1最西侧,长约28 m,宽约4 m,深约3 m[图7(a)]。该段地形剖面显示为正向断层陡坎,断层发育了两个范围较大的主断裂破碎带,其倾角在∠27°～∠38°之间,破碎带往外两侧的两条次级断裂,倾角分别为∠40°和∠20°。

探槽TC02位于研究点1的中间位置,长约27 m,宽约4 m,深约3 m[图7(b)]。该段在地貌上保存了较好的断层陡坎,显示出相对较高的正向陡坎,其中差分GPS地形剖面高度为(2.0±0.4) m。在TC02东壁剖面,主要揭露出三条断层F1、F2和F3,F1倾角∠33°、F2倾角∠37°、F3倾角∠31°。

探槽TC04位于研究点2,该段呈弧形的断层陡坎,同时发育有反向陡坎,在正向的断层陡坎处开挖了探槽,长约24 m,宽约4.5 m,深3～4 m[图7(c)]。该段显示出相对较高的陡坎高度。虽然探槽中上盘和下盘的地层没有明显的对应标志层,但是从被断错的砂层透镜体中较容易辨识,主断层较缓倾角为∠20°,其他断层倾角较缓均小于∠20°。

云龙等[17-18]在阳关主断裂西侧,高家庄东侧附近出露的部分断层剖面显示:断层产状和倾角在305°∠55°～180°∠79°之间,其中平均倾角∠66°。在阳关镇西北侧石料厂出露的断层剖面显示:断层产状在126°∠51°～138°∠63°之间,平均倾角∠57°。

团队成员在阳关断裂主断裂南湖北山东侧点3和点4位置[图2(c)],宽约200 m的断裂带处开挖了数个探槽,筛选了部分探槽进行解译(图8)。TC1E跨过正向断层陡坎,倾角为∠78°,断层产状表现出正断性质;TC2E切穿了一反向陡坎,倾角为∠49°;TC3E横夸该断裂带主断裂的一条正向断层陡坎,倾角为∠57°,断层产状表现出正断性质;TC4E穿过一条正向断层陡坎,倾角为∠66°,存在褶皱变形;TC5W穿过一条正向断层陡坎,倾角为∠67°,断层产状表现出正断性质;TC6W横穿一条正向断层陡坎,存在两支断层,倾角分别为∠65°、∠33°,其中一条向上依次分出3支次级断层。阳关主断南湖北山东侧探槽断层倾角平均为∠59°。结合前文地形剖面,该段形成一系列多级陡坎,主要为高角度逆冲断层,并沿主断层发育了正断性质的分支断裂。

图8 阳关主断裂南湖北山东侧探槽部分解译图Fig.8 Interpretation map of partial trench on the east side of Nanhu Beishan of Yangguan main fault

3.3 讨论

阳关断裂作为阿尔金断裂的分支断裂,与三危山断裂呈右阶斜列分布,近乎平行,阳关断裂东段主断裂通过地形剖面分析可得出,主断裂东段南湖北山东侧陡坎高度在(0.4±0.1)～(8±0.5) m之间,总体呈现中间高,东侧高于西侧,逐渐向东西尖灭沙漠中。在阳关断裂北侧方向主断裂山前西侧发育多级断层陡坎,前人研究成果得出陡坎高度(3.6±0.1)～(12.6±0.4) m之间,西段陡坎落差平均3.5 m,东段为5.8 m。阳关主断裂从东往西,陡坎形式由复杂变单一,发育多级正向和反向陡坎,同时形成部分次级的正断层。

阳关断裂东段探槽表明:阳关断裂东段主断裂平均倾角约∠59°,其运动形式主要为高角度挤压逆冲。而位于主断层北侧两个研究区的分支断裂,探槽平均倾角分别为:∠20°和∠32°,为低角度的逆冲构造。地貌上发育了多级正反向逆冲断层陡坎,显示出不平直,多呈曲线、弧形等特征,断层断错晚更新世的冲洪积扇体,未发现走滑特征。

阳关主断裂向北扩展的方面,发育呈曲线特征的多级断层陡坎,两个研究点的得出的断层陡坎平均高度为(1.6±0.2) m和(2.2±0.1) m。结合探槽中断层产状和地形剖面显示:断层陡坎落差向北西方向逐渐呈现出变缓趋势,陡坎形态由多级变为单一陡坎,由高角度逆冲构造转为低角度逆冲构造,以上可以推断阳关西段断裂主要为逆冲和逆冲组合形成的背冲构造样式,同时活动性向北西方向可能呈现减弱趋势。

前人运用地球物理对阳关—三危山断裂进行了研究[18,3-4](图9)。在阳关断裂和三危山断裂中段布设的两条大地电磁(MT),其中L1横穿阳关断裂延伸至阿克塞穿过阿尔金断裂;L2横穿三危山、南截山断裂,南延阿尔金断裂和大雪山断裂。解译结果显示出[图 9(c)、(d)],阿尔金断裂延R3、R6高阻体北侧分别向下延伸至约50 km和30 km处,两者均呈直立状向下延伸。南截山断裂分成南北两支断裂,其中北支断层沿高阻体R7的上部向深部延伸,南支断裂延低阻体C4的边界和C4上部高阻体边界向深部延伸。两支断裂在深部交汇并向阿尔金断裂带收敛。三危山断裂向深部穿过高阻体R5,并向下延伸,穿过低阻体C2。从L1和L2剖面显示,阿尔金断裂带自西向东高阻体R3和R6逐渐边短,变宽。这反映出阿尔金断裂带自西向东,其切割深度变浅,符合前人研究结果,阿尔金断裂中段从中段向东段逐渐减小的趋势[29-31]。

图9 大地电磁(MT)布测位置及剖面解译(据XIAO等[4]修改)Fig.9 Location and interpretation for MT profile (After XIAO, et al[4])

阿尔金断裂带作为青藏高原北边边界,在受到印度板块俯冲与欧亚板块的持续碰撞、挤压,并吸收、调整了青藏高原向北扩展、推移、缩短加厚以及向东挤出运动的重要通道。阿尔金断裂带北段大量的走滑分量主要通过祁连山褶皱以及山前冲断构造所吸收,而三危山断裂作为阿尔金断裂的分支断裂,断层呈高角度左旋走滑,兼有逆冲及少量正断层,吸收了部分阿尔金的走滑分量。三危山断裂在阿尔金左旋走滑作用中,强烈的挤压作用致使和南截山断裂构成区域性半花状构造[14,20](图9,图10)。从阳关断裂东段地形剖面及探槽揭露的断层产状表明,在逆冲构造过程中,发育一系列丰富的构造变形,沿北西方向,由多级高角度的逆冲断层,到一系列低角度逆冲断裂,未发现走滑地貌特征。可能也是由于该地区气候原因,剥蚀严重,未保留下最新的地貌现象。但是从探槽揭露的断层形态分析,是受到挤压推覆作用。同时,阳关断裂同阿尔金断裂、三危山断裂近乎平行,次级断裂线性同南截山断裂线性发育方向一致,可能是阿尔金断裂在左旋走滑过程中形成正花状构造的逆冲分量,为阿尔金走滑断层上的挤压阶区。

因此,在阿尔金断裂向北扩展的过程中,阳关断裂可能作为块体的北边界,和三危山断裂同时协调、吸收了块体的水平运动,并分配了阿尔金断裂在走滑作用中的部分应力。

4 结论

阳关断裂总体走向NEE向,与三危山断裂近乎平行,阳关断裂主断裂西段地形剖面及探槽剖面数据显示:阳关断裂东段南湖北山东侧断层陡坎高度在(0.4±0.1)～(8±0.5) m之间,主断裂平均倾角约∠59°,形成高角度逆冲断层。同时,东侧发育多级正反向断层陡坎,部分形成正断层性质,自东向西,陡坎形态由多级陡坎转向单一陡坎。

在阳关主断裂NW侧发育多级次级断裂。研究点1断层陡坎的高度在(0.9±0.2)～(2.0±0.4) m之间,平均高度在(1.6±0.2) m。研究点2的断层陡坎高度在(1.8±0.1)～(2.4±0.1) m 之间,平均高度为(2.2±0.1) m。该次级断裂地貌上显示出反向断层陡坎比较单一,具有逆冲断层陡坎的特征,陡坎断错晚更新世冲积扇体,显示出不平直,多呈曲线、弧形,未发现河流错位现象。主断裂向NW陡坎高度逐渐减缓,由高角度逆冲转为低角度逆冲构造活动特征。

在阿尔金左旋走滑作用中,强烈的挤压作用致使和南截山断裂构成区域性半花状构造,在青藏高原向北生长的同时,通过三危山—-阳关断裂等一系列与阿尔金平行断裂的构造活动而向北扩展,三危山断裂作为块体的北边界,其左旋走滑协调、吸收了块体的水平运动。而阳关断裂位于三危山北西侧,并主要发育一系列低角度逆冲断裂和逆冲组合形成的背冲构造样式,以挤压逆冲的形式,区域上和三危山断裂一同协调吸收了阿尔金断裂在走滑速率衰减中的应力分配。