银川盆地东南缘面子山—清水营断裂活动性
2024-03-29武治群雷启云杜鹏刘超邵祯李泽山
武治群 雷启云 杜鹏 刘超 邵祯 李泽山
[摘要] 研究银川盆地的构造活动特征对于认识青藏、鄂尔多斯和阿拉善3大地块的相互作用具有重要意义。银川盆地东南缘的面子山—猪头岭一带地形高差显著,影像上线性明显,可能发育一条未知的活动断裂。本文沿面子山—清水营一线开展了野外地质调查、探槽开挖和地层年代测试等工作,结果表明:银川盆地东南缘发育面子山—清水营断裂,全长50 km,以猪头岭北为界,分为面子山断层和清水营断层两段。面子山断层以高角度正断为主,断层擦痕显示具有左旋走滑运动,走向北东,跨断层数条冲沟显示具有左旋扭动特征;而清水营断层则表现为逆断层,走向北东东,发育陡坎地貌。该断裂断错了(23.65 ± 1.17) ka BP和(33.16 ± 1.82) ka BP的沉积地层,表明断裂最新活动时代为晚更新世晚期。该断层的发现表明,鄂尔多斯地块的西北边界复杂,构造变形带较宽,且不严格的受控于断陷盆地的边界断裂,其构造变形已扩张到地块一侧,这可能与青藏高原持续向东北向的推挤扩展有关。
[关键词] 银川盆地; 面子山—清水营断裂; 鄂尔多斯活动地块; 断层活动性
[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-154
0 引言
鄂尔多斯地块是中国大陆内部最稳定的活动地块之一,在地质历史期间表现非常稳定,地块内部没有明显的变形作用且鲜有地震发生,仅表现为整体性的升降和掀斜运动[1-2],破坏性地震多发生在其周缘边界上。鄂尔多斯活动地块周缘除西南边界外,发育由系列正断层控制的断陷盆地。一般认为,以地块相邻的盆地边界断裂为界,构造变形和地震活动发生在断陷盆地一侧,而地块内部保持稳定[3-4]。
银川断陷盆地位于鄂尔多斯地块西北缘,新生代以来处于拉张环境,沉积了巨厚的新生界,东西两侧受黄河断裂与贺兰山东麓断裂控制,盆地内发育多条正断层[5-14]。黄河断裂是鄂尔多斯地块与银川断陷盆地的边界,断裂之东为鄂尔多斯地块内的灵盐台地,海拔高出银川盆地二三百米,长期处于剥蚀状态,台地上松散沉积物厚度小于10 m[15-16]。在台地上,面子山、猪头岭等低山沿北东方向展布,西侧沙地、沙丘广布,两侧地形高差显著,南段约40~50 m,往北变小,为十余米,影像上线性明显,推测可能受断层控制。
前人对银川盆地内部的活动断裂开展了大量的研究工作,但对银川盆地东南缘的工作尚且不足。以前工作中在狼皮子梁附近发现了断层面,在宁东镇秃葫芦墩至清水营一线,有一线性延伸的地形陡坎,调查初步判定为正断层,推测晚更新世以来没有活动,对该断裂未开展过深入研究。本次工作将对此断裂开展野外调查及开挖探槽,鉴定其断层活動性。
1 区域地震地质环境
研究区位于银川盆地东南部,是青藏高原与鄂尔多斯块体的交汇部位,区域上分别受两类构造体系控制:一类为银川断陷系构成的北东向、或近南北向的张性正断层,这些断层形成于始新世[9],控制着银川盆地的东西边界和现今的第四纪沉降中心;另一类为青藏高原东北隅的弧形构造系,该断裂系成熟于中新世以来,主要表现为由次级断块差异滑动形成的走滑断层[17-18],平面上表现为一系列北西西至北西向,呈向北东突出的弧形,其中在银川盆地西南缘为弧形断裂带最外围的三关口—牛首山断裂(图1)。
银川盆地位于中朝准地台中鄂尔多斯西缘拗陷带内,新生代以来,在太平洋板块的西向俯冲和青藏高原北东向扩展的共同作用下,银川盆地于始新世开始裂解,沉积了自始新世到第四纪以来所有的地层,盆地内沉积层厚度达万米 [16, 19-20]。在新构造分区中,该盆地作为鄂尔多斯周缘一系列断陷盆地之一,处在青藏块体、阿拉善块体和鄂尔多斯块体的交汇部位,构造活动十分强烈,历史上发生过1739年银川—平罗8级地震和10多次5~6级地震[21]。
新生代以来,在印—亚板块碰撞作用下,青藏高原持续隆起,且不断向北东扩展,受北侧阿拉善块体和东侧鄂尔多斯块体的阻挡,在高原的东北隅形成3条主要的弧形断裂系:海原—六盘山弧形断裂带、香山—天景山—庙山弧形断裂带和三关口—牛首山—罗山弧形断裂带。在这些弧形断裂系内先后发生过1561年中宁鸣沙7?级地震、1709年中卫7?级地震和1920年海原8?级地震等。
2 断裂的几何结构
面子山—清水营断裂南起长流水南侧地貌陡坎,向北展布于狼皮子梁西面子山山前,向北继续沿面子山、六道沟梁、猪头岭山前展布,走向20°~40°,过宁东镇新东路后,走向转为60°左右,过马跑泉西,沿山前向北东方向延伸至清水营南。继续向北,地貌上已无迹象,断层长约50 km(图2)。第四纪以来地表岀露的断层迹线总体呈向北西凸出的弧形,断续出露。从几何结构和活动性分析,将断层分为面子山断层和清水营断层两段。
2.1 面子山断层
该段断层分布于面子山、六道沟梁、猪头岭一线山体西侧山前,长约37 km。走向约20°~40°,陡坎地貌明显,断层东侧为白垩系灰白色砾岩山体,地表有零星的风积沙分布,断层西侧为山前洪积台地,向西缓倾,地表沙丘广布。断层两侧高差约40~50 m,向北逐渐变小,过猪头岭至大河子沟段,地表被风积沙覆盖,地貌上未见迹象。
狼皮子梁东,有一垃圾填埋场,原为采砂场,砂坑西侧见一残留白垩系基岩陡壁(图3a),陡壁光滑平直,判断应为断层面,产状323°∠84°。其上见擦痕,擦痕沿断面向下,表明断层可能有左旋走滑运动性质。在灭脑沟北,一无名冲沟沟口,见高约6.3 m陡坎(图3b),陡坎两侧均为第四系冲洪积物,地表覆盖风积砂,位置与山体西缘地貌陡坎一致,推测应为断层活动所致。在虎皮沟北,一冲沟沟口见基岩出露,边缘处岩层陡立(图3c),为断层破碎带,宽约2~3 m,断层产状260°∠61°,基岩与第四系之间未见清晰滑动面。
木瓜豁子发育冲沟,地表多为风积沙覆盖,地貌上有陡坎,沟内见基岩出露,可见基岩产状135°∠16°逐渐变化到110°∠31°,西侧为风积沙,未见断面出露,根据岩层变化及地貌陡坎推测断层通过该处。猪头岭西,甜磁公路北侧,公路施工揭露白垩系砾岩剖面,剖面上发育逆断层,断层产状100°∠64°,产状与另几个断点不一致,且地貌陡坎在该点以西,推测断层在西侧陡坎处。
过大河子沟后,新东路南见断层剖面(图3d),断层产状310°∠65°,断层东侧底部为棕红色泥岩,其上有黄灰色砾岩,表层为黄土,地表见砾石;西侧为第四系堆积物,下部为砂砾石层、砂岩,上部为黄土。
2.2 清水营断层
南起宁东镇新东路北,过青银高速公路后,沿地貌陡坎展布,清水营南,线性陡坎已消失,断层可能终止,断层全长约13 km,走向约为60°。
断层过新中路后,南东盘向北西盘逆冲,地貌上有陡坎显示,灵州电厂东南见断层出露(图4a),尽管剖面走向和断层走向夹角较小,但仍可观察到断层面的存在,古近系清水营组桔红色泥岩沿着断层面向北西逆冲于上更新统黄土之上,断层产状25°/SE∠61°,断面上见可见断层擦痕,表明断层也具有水平运动性质。在马跑泉西秃葫芦墩附近,发育线性陡坎地貌(图4d),陡坎东侧山体由白垩系砾岩组成,西侧则为上更新统黄土,在一冲沟内见断层面出露(图4b),该剖面方向与断层走向夹角较小,但仍可观察到断层面及破碎带,断层破碎带内见红色泥岩,断层面产状69°/SE∠71°,表现为南东倾向的逆断层,白垩系砾岩逆冲于上更新统黄土之上,且黄土层内有断错迹象(图4c)。在史家圈台子东,工程施工开挖后遗留陡坎(图4e),陡坎上部为白垩系灰白色砾岩,下部为黄土,揭露接触面见砾岩向黄土层逆冲,黄土挤压呈片状(图4f),断层产状75°/SE∠65°。在陡坎南端,断面上见擦痕,擦痕侧伏角55°,侧伏向10°,指示断层有左旋走滑运动。
史家圈台子以北,陡坎逐渐变缓,且近年来宁东基地煤化工园区施工,断层陡坎已难辨识,至清水营南,陡坎已完全消失,断层可能已不再向北东延伸。
3 断裂活动时代鉴定
3.1 狼皮子梁探槽(TC1)
狼皮子梁东,见基岩断层面,断面延伸处,地貌上形成陡坎(图5b),地表多为风积沙覆盖。该处使用精灵4RTK无人机进行影像摄影测量,搭载了大疆制造的FC6310R型号的相机,飞行高度为 120 m、航向和旁向的重叠度均为 80%,拍摄照片1419张,利用集成SfM算法的Agisoft PhotoScan软件,经过对齐照片、生成密集点云、生成网格,建立数字高程模型(DEM),裁剪后得到探槽附近范围DEM图(图5a),断层迹象线性较好,陡坎两侧高差近30 m。
为了鉴定这条断裂的活动性,我们在探槽中④ , ⑤ , ⑧ 地层分别采集了光释光样品LPZ5、LPZ3-1、LPZ2,年龄分别为:(25.95 ± 1.33) ka,(36.16 ± 2.01) ka,(23.65 ± 1.17) ka(表1)。地层 ⑧ 年龄较小,可能不合理,但总的来说,该地层是晚更新世晚期堆积是无疑的,故该处断层晚更新世晚期可能有过活动。
3.2 马跑泉西探槽(TC2)
马跑泉西,地貌上形成陡坎,冲沟内见断层面,断面向上延伸处,地表黄土覆盖。该处与TC1处使用相同的方法,拍摄照片1243张,处理后建立数字高程模型(DEM),裁剪后得到探槽附近范围DEM图(图6a),断层迹象线性较好,陡坎两侧高差约36 m。
沿冲沟方向于侧壁开挖探槽(图6b)。探槽剖面揭露出冲洪积层、白垩系砾岩两套地层,断层处见砖红色泥岩,岩层破碎,为断层破碎带(图6g)。c剖面(图6c)上发育3条断层,F1断错白垩系砾岩,其上被卵、砾石层覆盖,活动时代可能较老(图6e)。F3断错层 ⑩ ,其上被层 ⑨ 覆盖。F2断错层 ⑧ ~ ? (图6e),往上延伸追索,可在d剖面(图6d)上发现该断层。另外,剖面底部見断层擦痕(图6f),擦痕侧伏角51°,侧伏向240°,揭示断层有走滑运动。
d剖面(图6d)上发育两条断层,F2断层与c剖面中的F2断层产状相近,可能是同一条断层,断层断错了 ④ , ⑤ , ⑥ , ⑧ 地层,在 ⑤ 层顶部形成断层陡坎,有坎前堆积,层 ② 覆盖其上。另外,在层 ④ 下部F2断层附近,砂层有明显的扰动痕迹,层理向下弯曲(图6g),可能是地震造成的砂土液化所致。F4断错层 ③ , ④ 和层 ① 的底部,形成陡坎并有坎前堆积,剖面上见有裂缝延伸至地表,断层可能向上断错。
为了鉴定这条断裂的活动性,在探槽中采集了光释光样品(表1),层 ③ 形成于距今(33.16 ± 1.82) ka,层 ② 形成于距今(38.64 ± 2.06) ka。层 ③ 可能是F2断层错动后的坎前堆积,后又被F4断错,故层 ③ 形成晚于层 ② 。断层断错最新地层为层 ③ ,故断层为晚更新世晚期活动断层。
4 断裂的水平运动特征
前述中TC1、TC2探槽断层面上发现擦痕,史家圈台子处断层面上亦见断层擦痕,擦痕揭示了断层具有左旋走滑运动。清水营段,断裂西侧因为施工多经人为改造,地表未见水平运动迹象。面子山段,断裂西侧多被风积沙覆盖,多数冲沟较短,未在山体西侧形成较大冲沟。野外调查中仅在沙沟、虎皮沟、干沟、灭脑沟等沟口附近见到冲沟的左旋拐折(图7a),这些地方均为断裂通过处,揭示断层距有左旋走滑运动。
为了得到更好的冲沟左旋图像,在沙沟、干沟和灭脑沟3处使用精灵4RTK无人机进行影像摄影测量,使用与图5a处相同的方法,得到了3处沟口附近的DEM图(图7b—d)。沙沟北侧形成一明显的槽地,应为断层运动所致,南岸的台地有明显的左旋运动(图7b)。干沟沟口北侧亦因断层运动形成槽地,南侧的沟沿亦有左旋运动(图7c)。灭脑沟沟口处陡坎地貌明显,两侧高差约60 m,外延冲沟南东侧,有一平行冲沟的槽地展布(图7d),推测可能为断层活动造成的冲沟错动,错动距离较大,可能与地表的风积沙运动有较大关系,不能代表断层的水平走滑量,但能揭示断层的左旋走滑运动。
5 讨论与结论
(1)银川盆地东南缘发育面子山—清水营断裂,全长50 km,以宁东镇新东路为界,分为面子山断层和清水营断层两段。面子山断层垂向为正断性质,断层擦痕显示具有左旋走滑运动,走向北东;而清水营断层则表现为逆断层,走向北东东。两条断裂在垂向运动性质上差异较大,面子山断裂的产状相对陡立,可能以水平运动为主,考虑两条断裂的走向展布,清水营的逆冲运动可能是面子山断裂左旋走滑在端部形成挤压构造环境所致,二者并存在构造上依然是可能的。该断裂断错了(23.65 ± 1.17) ka BP和(33.16 ± 1.82) ka BP的沉积地层,表明断裂最新活动时代为晚更新世晚期。根据断裂长度和错断位移初步判断,该断裂具备发生6.5级地震的能力。对这条新发现的活动断裂,在今后有关地震潜源划分及防震减灾工作中应予以重视,有关断裂的运动性质,仍需开展深入详细的研究。
(2)面子山—清水营断裂位于银川盆地东南边界黄河断裂的东侧,发育在传统认为的鄂尔多斯地块内部,由两条走向和垂直运动不同的次级断裂组成。清水营段具有向北逆冲特征,面子山段向西倾斜高角度正断特征,断面上见擦痕,指示断层具有左旋走滑水平运动性质,跨断层数条冲沟同步发生了左旋扭动。该斷裂西侧的黄河断裂(灵武段)为正断层,水平运动不显著,断裂西南的三关口—牛首山—罗山断裂具有明显的右旋走滑兼逆冲运动。这条新发现的活动断裂表明,鄂尔多斯地块西北缘的边界比较复杂,并不严格的受控于断陷盆地的边界断裂,其构造变形已扩张到地块一侧,构造变形的范围更为宽泛,这可能与青藏高原通过罗山东麓断裂持续向东北向的推挤扩展鄂尔多斯地块有关,引起该断裂的左旋走滑运动,而北段因走向的变化形成了逆冲分量。鉴于目前的资料和研究深度有限,关于断裂北段的晚第四纪逆断层及成因问题,以及有关断裂的水平运动性质及构造意义还有待进一步深入研究。
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Activity of the Mianzishan-Qingshuiying fault in the southeast margin of the Yinchuan basin
Wu Zhiqun, Lei Qiyun*, Du Peng, Liu Chao, Shao Zhen, Li Zeshan
Earthquake Agency of Ningxia Hui Autonomous Region, Ningxia Yinchuan 750001, China
[Abstract] Studying the tectonic activity characteristics of the Yinchuan basin is of great significance for understanding the interaction among the three major blocks of Qinghai Tibet, Ordos and Alxa. The terrain elevation difference in the Mianzishan-Zhutouling area on the southeastern margin of the Yinchuan basin is significant, and the linear trace on satellite image is obvious, indicating the development of an unknown active fault. This article conducted field geological surveys, trench excavation and stratigraphic dating along the Mianzishan-Qingshuiying line. The results showed that the linear trace along the Mianzishan-Qingshuiying line had been dominated by fault, which was developed on the southeastern margin of the Yinchuan basin with a total length of 50 km. It is divided into two segments, the Mianzishan fault and the Qingshuiying fault. The Mianzishan fault is mainly characterized by high angle normal faults, the scratches on the fault surface show a sinistral strike slip motion, heading northeast, several gullies across the fault layer display left-handed twisting characteristics. The Qingshuiying fault, on the other hand, exhibits a reverse fault trending NEE, developing steep slope landforms. The fault has displaced sedimentary strata deposited at (23.65 ± 1.17) ka BP and (33.16 ± 1.82) ka BP, indicating its latest activity was postdated by Late Pleistocene. The discovery of this fault indicates that the boundary of the northwestern Ordos block is a complex zone associated with a wide structural deformation zone. This zone is not strictly controlled by the boundary faults of Yinchuan basin, but expanded to interior of the Ordos block, which may be related to the continuous northeast pushing and expansion of the Qinghai Tibet Plateau.
[Keywords] Yinchuan basin; Mianzishan-Qingshuiying fault; Ordos active block; fault activity
*通讯作者: 雷启云(1981-),男,正高級工程师,主要从事活动构造、地震构造方面的研究。E-mail:leiqy624@163.com
作者简介: 武治群(1979-),男,工程师,主要从事工程地震、活动构造方面的研究。 E-mail:672109189@qq.com