新疆天山南部北轮台断裂古地震事件反演*

姚 远 陈建波 李 帅 宋和平 谢江丽

（新疆维吾尔自治区地震局 乌鲁木齐 830011）

新疆天山南部北轮台断裂古地震事件反演*

姚 远 陈建波 李 帅 宋和平 谢江丽

（新疆维吾尔自治区地震局 乌鲁木齐 830011）

北轮台断裂是一条全新世活动断裂，全长约70km，构成了南天山南麓与山前洪积扇的界线。该断裂晚第四纪期间活动性较强，为准确分析北轮台断裂的古地震特征，在野外地质调查的基础上，对变形的微地貌进行测量，在阿克艾肯和帝禾农业两段开挖两个大型古地震探槽，对北轮台断裂古地震进行了反演模拟推演。结果显示：北轮台断裂古地震活动频繁，阿克艾肯段探槽剖面记录到3次古地震事件，垂直累计位移量4.5m，根据逆断层变形特征，建立古地震模型反演分析，多次古地震事件属于原地同震复发，最新一次古地震事件造成的地表垂直位移量为1.5m左右；帝禾农业段活动性稍弱，对探槽剖面影像解译分析，该段记录古地震事件两次，最新一次事件垂直位错量达到1.1m。北轮台断裂记录的古地震事件与上盘存在侵蚀不整合面、下盘存在生长地层的规律一致。

天山南部 北轮台断裂 构造地貌 古地震反演

0 引 言

印度板块与欧亚板块在新生代早期发生剧烈的碰撞并同时向北推挤，至今为止这种板块间汇聚作用仍在继续进行，不断被青藏高原的抬升、天山的地壳缩短和帕米尔的抬升分解吸收，形成了青藏高原、帕米尔岩瘤和中亚的诸多山系。这种板块间的挤压、隆起、走滑和逆冲等作用造就了整个亚洲中部地区的盆山地貌，是区域构造变形的动力来源（Molnar et al.，1975）。新生代以来，再次遭到强烈的挤压变形作用，形成了欧亚大陆内最大的一条造山带（Avouac et al.，1993；邓起东等，1999），其主要构造活动以山前、山间盆地边缘的逆冲推覆为主（Burchfiel et al.，1999；邓起东等，2000），如北天山山前的推覆构造体、南天山山前的库车坳陷（冯先岳等，1986，1991）和柯坪坳陷（Yin et al.，1998）等，在天山两侧盆地与山前坳陷接触位置均发育有逆冲断裂，作为南天山与塔里木中央地块之间界线的北轮台断裂（霍拉山山前断裂）（图1）就是典型实例。

现今对逆冲断层统一的认识认为是一种使基准面缩短的断层，常常伴随着褶皱变形。一般把逆断层－褶皱带划分3种类型（Suppe，1983）：断弯褶皱、断裂扩展褶皱和滑脱褶皱。此后邓起东等（1994）认为到达地表的逆断层大多与断层扩展褶皱相关。褶皱逆断层的变形样式存在多样性干扰，向来是定量研究此类型断裂古地震的重点、难点。现今较为统一的认识，认为逆断层最初活动主要是以“盲断层”形式发育（张培震等，1994；McCalpin，2009），一般通过跨断层的多级地貌面变形分析，而对于地表破裂的逆断层，与正断层有很多相似处，断层上升盘的阶地数多对应古地震的期次，仅在崩积楔的细结构上表现不同。在地表形成破裂带后其坎前崩积楔堆积物质具有一定特殊性，断层下部楔体中物质主要来源于上升盘，尤其是低角度逆断层（冉勇康等，2007，2008）。对于逆断层古地震的研究（Chen et al.，2003）显示，断层的下降盘存在生长地层而上升盘存在侵蚀不整合面是识别逆断层古地震事件的重要依据。北轮台断裂全长超过70km，断裂带分布宽度为1～2km，切割晚更新世和全新世洪积扇，形成高度不等的断层陡坎，其中在阿克艾肯段断裂切割多级洪积扇，形成平行4排高度不一的断层陡坎，显示出断裂具备发生强震的能力，该地区历史记载大型地震基本为零，但根据断层遗址的规模来看，其活动能力远不止此，是否意味着该断裂的能量积累已经到达了较高的水平？是否面临大型地震的危险？都是亟待去解决的问题。因此，定量研究挤压环境下褶皱逆断层的古地震，以及清除古地震的期次及活动特征是防震减灾的重要基础性工作。

本文基于对北轮台断裂进行地表变形特征分段调查和探槽研究，通过分析各段不同的变形特征和反演古地震事件，并结合天山南部低角度逆冲推覆构造的表现，讨论北轮台断裂古地震模型及期次。

1 断裂地表形变带特征

北轮台断裂由于其活动频繁、剧烈，在地表发育了很多大型的断层陡坎，其中以阿克艾肯段和帝禾农业段尤为明显，断层断错多级地貌面，出露地表长度18km，总体走向近EW向，倾角一般在40°左右。在阿克艾肯段，断裂主体发育在山前洪积扇上，在同一地貌面上呈梯级发育有多条断层陡坎。

1.1 形变带地貌特征

北轮台断裂晚第四纪以来有较强的活动，其新活动形成了一系列的地貌现象，主要表现为断错山前冲洪积扇以及河流阶地形成断层陡坎。

南天山山前一带的沉积类型主要为层序清晰、分选性较好的冲洪积相砂砾石层，上覆薄层黄土，冲洪积扇上的断层陡坎保留较为完整。阿克艾肯段断层陡坎断错山前洪积扇，陡坎走向为近EW向，延伸长度约为2.5km，冲沟两侧的陡坎高度差异较大（图2），呈现出多次地震活动的迹象。阿克艾肯沟西侧实测陡坎最大高度为18.5m（图2，图3a，图4a），陡坎向东高度有所降低，在阿克艾肯都东侧实测陡坎高度为5.1m，（图3b，图4b）。在阿克艾肯沟两侧发育有3级地貌面，其中沟西侧为Ⅲ级地貌面，沟的东侧为较新的Ⅱ级地貌面。不同级数的地貌面的垂直位错量不同，形成时代约老的地貌面其累计的变形量更大（图5），这揭示出断裂随着时间而累计的现象。

图1 北轮台断裂研究区地质构造Fig.1 The geologic structure of study area1.前新时代基岩；2.上更新统；3.上更新统－全新统；4.全新世活动断裂；5.晚更新世活动断裂；6.水系、冲沟及方向

图2 实测阿克艾肯沟两侧阶地断错变形地貌Fig.2 The deformation of terrace landform in Akeaiken part

1.2 形变带地质特征

阿克艾肯沟是北轮台断裂活动相对剧烈的地区，发育有多级洪积扇面，地表形变带特征清晰（图5），其中Fan3为主洪积扇面，拔河高度为20m左右；Fan2是次一级堆积洪积扇面，拔河高度8～10m；Fan1洪积扇为最近堆积面（图4b），拔河高度为2～3m。断裂通过之处，阿克艾肯沟Fan3和Fan2洪积扇面上发生了明显的断错变形，地表形成顺坡向的断层陡坎，邓起东等（2001）在此地进行工作时测得Fan3洪积扇面的Be10年龄为20.8±2.4ka。

在帝禾农业段，断裂表现出的活动强度略小于阿克艾肯段，断错多级阶地（图4c）形成断层陡坎，其中断错Fan3级洪积扇面形成13.5m的断层陡坎，新的一级Fan2扇面上断层活动形成垂直落差2.4m的陡坎（图6），在Fan2扇面上开挖大型跨断层探槽（图8），揭示断裂断错晚更新世砾石层（图4d），上部薄层全新世粉土层也有一定量变形。

图3 实测阿克艾肯段阶地陡坎剖面Fig.3 The terrace scarp section of Akeaiken partC1.Ⅲ级地貌面陡坎剖面；C2.Ⅱ级地貌面阶地陡坎剖面

图4 北轮台断裂阿克艾肯段和帝禾农业段第四纪活动证据Fig.4 The activity evidence of Beiluntai fault in Quaternarya.阿克艾肯段断裂断错高阶地面（Fan3）形成断层陡坎（镜向N）；b.阿克艾肯沟东侧断层断错Fan2阶地面（镜向E）；c.帝禾农业段断裂断错T2阶地（镜向W）；d.帝禾农业段断层断错砂砾石层及上覆薄层粉土层

2 探槽揭露断裂地表、近地表地层变形

为了能够直接细致地揭露北轮台断裂近地表地层变形样式，选择一些低级地貌面（冉勇康等，2012）进行跨断层探槽开挖，这些地点积累较少次的古地震事件，对于研究北轮台断裂的古地震特征有积极作用。

2.1 阿克艾肯段Fan2洪积扇面

阿克艾肯段属于北轮台断裂上断层陡坎保留较为完整，地表变形最大的区域，形成的断层陡坎最大达到38m。邓起东等（2001）在此地做过一定量的工作，包括断层陡坎的微地貌测量，地貌面年龄测试，但由于未对断层进行探槽开挖，因此不能准确探明北轮台断裂的活动特征及古地震分析。在Fan2洪积扇面上的断层陡坎进行探槽开挖，揭露了北轮台断裂近地表变形特征。

图5 阿克艾肯段断层陡坎和洪积扇面分布及解译Fig.5 The fault satellite image interpretation of proluvial fan in Akeaiken part1.断层及陡坎方向；2.探槽位置；3.阶地陡坎实测；4.洪积扇面及期次

图6 帝禾农业段断层陡坎和洪积扇面分布及解译Fig.6 The fault satellite image interpretation of proluvial fan in Dihe agriculture part1.断层及陡坎方向；2.探槽位置；3.洪积扇面及期次

由探槽影像解译图（图7）可见，探槽揭露出岩性略有差异的10个主、次地层序列。除U4和U5外，其他地层均有古地震活动迹象，下盘U2-1、U2-2、U2-3与上盘相比上盘存在侵蚀不整合面、下盘存在生长地层（冉勇康等，2012），U2-4标志地层在靠近断层位置发生弯褶挠曲，标志着可能发生过多次古地震，断层两侧的位差约2.0m，U1标志地层在断层两侧的位差约为4.5m，U3为崩积楔标志着一次古地震事件，U4为角砾石层，未发生弯曲变形，说明无地震事件响应。

从探槽剖面可以看出，两套标志地层的位差相差两倍以上，并且在断层的上盘存在侵蚀不整合面，下盘存在生长地层，表明此剖面对应不止一次古地震事件，U3为离逝时间最近的一次地震事件所形成的崩积楔。

2.2 帝禾农业段T2阶地

帝禾农业段的活动强度较阿克艾肯段稍弱一些，此处断层断错多级阶地面，形成高度不一（2～20m）的多级断层陡坎（图4）。在T2级阶地面上的断层陡坎进行跨断层探槽开挖，揭露北轮台断裂在帝禾农业段近地表的活动变形特征。

根据探槽剖面解译影像（图8），揭露出5层清晰的冲洪积相地层系列。其中U2青灰色角砾石层位标志地层，跨断层上下两盘位差为1.1m，正好对应地表断层陡坎位差为1.6m，说明U2的变形位差属于最近一次古地震事件响应，断层下盘依旧存在生长地层（U1-2），仅就此剖面综合分析，发生过不少于两次古地震事件。

图7 阿克艾肯段探槽东壁影像解译Fig.7 The photo interpret of exploratory trench in Akeaiken part（Eastwall）右侧数值为同一标志地层在断层变形过程中积累的垂直位移量；U1等字母表示地层单元：U1为砖红色角砾石层；U2-1青灰色角砾石层；U2-2灰黄色角砾石层；U2-3青灰色角砾石层；U2-4灰黑色砾石层；U2-5灰褐色细砾石层；U3崩积楔，褐色粉土；U4黄褐色角砾石层，混杂堆积无层理；U5土黄色粉土层，松散，根系发育

图8 帝禾农业段T2阶地探槽东壁剖面Fig.8 The photo interpret of second terrace exploratory trench in Dihe agriculture右侧数值为标志地层及地表在断层变形位差，U1等字母为地层单元编号：U1-1灰黑色角砾石层，含漂砾，磨圆度差，分选性好；U1-2灰褐色角砾石层，分选性差，磨圆度差；U1a为细砂层透镜体；U2青灰色角砾石层，含圆砾，磨圆度差，松散；U3为崩积楔，灰褐色粉土夹砾；U4地表粉土层

3 北轮台断裂古地震事件还原

不同断层面的切覆关系以及堆积构造的崩积楔是判定古地震事件的两个重要因素，然而前者易于识别断层与地层之间的关系，但不易出现；后者易于出现，但不易被识别、判定。冉勇康（1997）将“崩积楔”的概念发展为“坎前堆积”，古地震事件的识别延伸至快速崩积和后期的慢速堆积。

根据北轮台断裂在阿克艾肯段典型探槽剖面，建立古地震模型，还原古地震发生事件，进而可以推广到北轮台断裂全线（图9）。首先地层经过原始沉积过程（图9a），U1及U2-1、U2-2是在这个时期沉积形成，未经历构造作用时地层应为近水平具有一定顺坡向倾度；第一次古地震事件后（图9b），断裂断错U1、U2-1和U2-2，在后期的沉积过程中断层上盘被侵蚀形成不整合面，而下盘则发育有生长地层（U2-3），继而经历一段时间的平静期，U2-4沉积覆盖在变形地层之上，第一次古地震事件使地层变形量达到约1.2m；第二次事件将U2-4与U2-5错断形成约1.3m的位错量，U3后续堆积在断层之上；最新的一次事件（图9d）将U3断错垂直位移达2.0m（图7），在断层下盘形成崩积楔，U1总位错量达到4.5m，U4、U5未被断层断错。U3的产生属于典型堆积过程中细粒物质被挤压增厚，呈现出楔体状。探槽中越是层位靠上的地层，变形曲折量越大，这使得总位移量趋于平衡。

结合上述解译，共有3次古地震事件发生，3次事件所产生的位错变形量近似一致，属于多次古地震事件的原地复发（雷启云等，2015）。探槽中揭示出多次地震变形，均是断层下盘存在生长地层，上盘侵蚀不整合面，更加符合实际的古地震事件划分。

图9 北轮台断裂阿克艾肯探槽剖面地震地表过程恢复Fig.9 Inversion the paleoearthquake event of Beiluntai fault in Akeaiken part

4 结 论

北轮台断裂阿克艾肯段和帝禾农业段全长18km，是一条北倾低角度逆冲型断裂，该断裂全新世以来活动剧烈，在地表形成一系列的地质地貌现象，形成高达18.5m的断层陡坎。

在阿克艾肯段和帝禾农业段开挖的探槽中揭示出断层活动，阿克艾肯段的探槽显示古地震活动较为频繁，结合上盘存在侵蚀不整合面及下盘存在生长地层的最新理论，对古地震事件进行反演分析，得到该段上应有不少于3次古地震事件发生，该段内断裂活动最大位移量为4.5m，同震位移量为1.2～1.5m；在帝禾农业段断裂断错T2级阶地，形成1.6m的断层陡坎，分析探槽剖面影像，得到此处共记录到两次古地震事件，断层附近近地表地层发生弯折挠曲，最新的一次古地震事件造成地层的垂直位移为1.1m，3次古地震事件所产生的位错量近似一致，属于多次古地震事件的原地复发。

致 谢 本文的基础资料是在“我国重点监视防御区‘北轮台断裂1∶5万填图’项目”的资助下获得的。作为本项目的负责人宋和平高级工程师，以及专项负责人陈建波高级工程师给予本文非常大的支持和指导，在此表示由衷的感谢。

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INVERSION THE PALEOEARTHQUAKE EVENT OF BEILUNTAI FAULT AT SOUTH OF TIANSHAN，IN XINJIANG

YAO Yuan CHEN Jianbo LIShuai SONG Heping XIE Jiangli
（Seismological Bureau of the Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011）

Beiluntai fault is a Holocene active fault.The fault total length is 70km.It is a line of south Tianshan and piedmont alluvial fan.Beiluntai fault activity is obvious and generating a series of apparent geomorphic traces on the surface.The fault had dislocated proluvial fan and terrace form fault escarpment.The fault strike is near EW，extending length is about2.5km in Beiluntai fault Akeaiken part.Themaximum height of the fault escarpment is 18.5m and the minimum height is 5.1m.We find different level geomorphic surfaces had different vertical displacement and the formation age of geomorphic surfaces older，the cumulative displacement greater.The dispalcemengt of fault is a process that accumulates over time.Based on the field geological investigation and surveying the deformation microtopography in order to accurate analysis the characteristics of paleoearthquake.We are surveying the deformation of alluvial fan near the Beiluntai fault.Use excavator to excavate two large paleoearthquake exploratory trench at Akeaiken part and Dihe agriculture part in Beiluntai fault.We had maked photomosaics of the trench profile and inverted the paleoearthquake event to analysis the times of paleoearthquake. The conclusion shows the paleoearthquake event is frequently occurred in Beiluntai fault.We use the theory of erosion unconformity on the hanging wall，growth strata on the footwall and and sudden change of maker strataposition between the hangingwall and footwall to inverting the times of paleoearthquake event.And the result shows that not less than three times paleoearthquake evet had been happened in the Beiluntai fault Akeaiken part，the cumulation amount of vertical displacement is 4.5m，the co-seismic displacement is 1.2 to 1.5m.The fault is dislocate the second terrace in Beiluntai fault Dihe agriculture part and formed the 1.6m faultscarp.We were analysis the photo of trench profile recorded two times paleoearthquake event and the latest paleoearthquake event caused 1.5m vertical displacement.Itmakes the surface layer bending deflection near the fault.Beiluntai faulthave never been occurred large-scale earthquake since the earliest recorded history，this indicates that energy accumulation of the fault has reached a high level，large-scale earthquakemay occurred in the future.

South of Tianshan，Beiluntai fault，Tectonic landform，Paleoearthquake inversion

P65

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.030

2015－04－17；

2016－06－16.

新疆地震科学基金资助课题（201513），我国重点监视防御区“北轮台断裂1∶5万填图”项目资助.

姚远（1988－），男，硕士，工程师，主要从事地震地质研究.Email：yy8096658＠126.com