青藏块体北部金塔南山断裂晚第四纪走滑活动的地质地貌特征

张　波　何文贵　庞　炜　吴　赵　邵延秀　袁道阳

1)中国地震局兰州地震研究所、兰州　730000　2)中国地震局地质研究所、北京　100029　3)中国地震局第二监测中心、西安　710054



青藏块体北部金塔南山断裂晚第四纪走滑活动的地质地貌特征

张波1，2)何文贵1)庞炜3)吴赵1)邵延秀1，2)袁道阳1)

1)中国地震局兰州地震研究所、兰州7300002)中国地震局地质研究所、北京1000293)中国地震局第二监测中心、西安710054

前人对位于青藏块体北部与阿拉善块体接触带的金塔南山断裂是否存在左旋走滑新活动一直存在争议。文中基于航空照片和高分辨率遥感影像解译、地质地貌调查与填图、差分GPS测图、开挖剖面等方法、详细研究了金塔南山断裂的地质、地貌表现、分析是否存在左旋走滑的新活动特征。结果表明：金塔南山断裂晚第四纪以来有左旋走滑活动、地貌上表现为正、反向交替的断层陡坎、冲沟和微地貌的左旋位错、拉分盆地和挤压隆起等现象；地质剖面上表现为高倾角的断层面、倾向和性质不固定的断层面、花状构造。通过对比分析、得到金塔南山断裂晚更新世以来的左旋走滑速率约为(0.19±0.05)mm/a、与倾滑速率以及地表抬升速率相当、但远小于阿尔金断裂的走滑速率。综合分析认为、祁连山逆冲断裂系向NE的挤压扩展与应变分配可能是金塔南山断裂左旋走滑运动的动力学来源。

金塔南山断裂左旋走滑滑动速率

0　引言

始于新生代早期的印度板块和欧亚板块的碰撞楔入作用、导致青藏高原内部和周缘地区发生了强烈的构造变形和环境演变(Molnaretal.、1975；李吉均等、1979；Molnaretal.、1993；Tapponnieretal.、2001；Zhangetal.、2004；Hetzel、2013；Yuanetal.、2013)。 位于青藏高原东北边缘的祁连山-河西走廊构造带是高原向NE扩展的前缘(国家地震局兰州地震研究所、1993；郑文俊、2009；Zhengetal.、2013)。该区新构造活动十分强烈、发育了多条晚第四纪强烈活动的逆-走滑活动断裂系、如佛洞庙-红崖子断裂、昌马断裂等、并有多次中强以上甚至大地震的发生(郑文俊、2009、2013；罗浩、2010、2013；刘兴旺等、2012；图1)、位于河西走廊西段酒泉盆地北侧的金塔南山断裂即是其中的主要活动断裂之一。

图1　青藏高原东北边缘地形与主要活动构造Fig. 1　Topography and main active tectonics in northeast margin of Qinghai-Tibet Plateau.a中的黑色矩形框为图b的范围；b中的部分活动断裂特征据袁道阳(2004)和郑文俊(2009)、AB为横跨金塔盆地的人工地震剖面；F1 阿尔金断裂；F2 祁连山北缘断裂；F3 昌马断裂；F4 旱峡-大黄沟断裂；F5 玉门断裂；F6 佛洞庙-红崖子断裂；F7 榆木山北缘断裂；F8 白杨河断裂；F9 新民堡断裂；F10 阴洼山断裂；F11 嘉峪关断裂；F12 塔尔湾-登登山-池家刺窝断裂；F13 花海　断裂；F14 黑山断裂；F15 金塔南山断裂；F16 合黎山南缘断裂；F17 慕少梁断裂；F18 俄博庙断裂；F19 鼎新断裂

金塔南山断裂总体走向近EW、倾向N或S、长约60km。其西端为黑山断裂、该断裂是阿尔金断裂与金塔南山断裂之间的过渡断裂；东端则与慕少梁断裂相连。有研究认为金塔南山断裂属于阿尔金大型左旋走滑断裂的东延段、仍然存在左旋走滑活动、是块体边界断裂之一(郑剑东、1991；Darbyetal.、2005；陈文彬等、2006；张进等、2007)。例如、陈文彬等(2006)曾报道金塔南山断裂左旋断错了一系列冲沟和洪积扇、何文贵等(2012)也发现断裂西段涧沟一带有9条冲沟发生4.6～25.5m的左旋位错。也有研究认为阿尔金断裂向E延伸时、由于受到宽滩山-黑山-文殊山等NNW向隆起的阻挡而终止了、金塔南山断裂应属于祁连山向N推挤扩展的组成部分、其构造活动以挤压逆冲为主、不存在明显的走滑特征(国家地震局“阿尔金活动断裂带”课题组、1992；丁国瑜、1995；王峰等、2002；何光玉等、2007；郑文俊、2009；邱爱美等、2011；Zhengetal.、2013；俞晶星等、2013)。例如、郑文俊(2009)认为断裂的最新活动应以逆冲为主；何文贵等(2012)所见到的左旋走滑现象是地貌发育过程中形成的 “假左旋”；并得到断裂晚更新世以来的地表抬升速率为 (0.11±0.03)mm/a。由此可见、研究金塔南山断裂的晚第四纪活动性质和运动学方式、获得其是否存在走滑活动的地质地貌证据、是探讨本区晚第四纪构造变形的运动学模式和动力学机制的重要方面。

基于上述讨论、本文拟在前人研究的基础上、通过详细的航片和高分辨率遥感影像解译、地质地貌调查和断层剖面特征观察等、分析金塔南山断裂晚第四纪是否具有左旋走滑的新活动特征；若存在、其滑动速率是多少；并从区域构造上探讨其运动学特征和动力学来源。

1　断层几何展布和断层陡坎的特征

1.1断层的几何展布

在前人研究的基础上、我们通过航空照片、Google Earth和P5卫星影像的构造解译以及野外地质地貌调查、获得了该断裂精细的几何展布(图2)。从图中可见、金塔南山活动断裂主要由洪积扇上2排断续延伸的断层陡坎和数条离散分布的断层陡坎组成、2排陡坎间距为0.5～4.7km。断层总体走向100°～90°、倾向S或N、倾角大多>60°。前人根据金塔南山断裂的几何展布特征、将其分为3段(何文贵等、2012)：西段为梧桐墩以西至瓜勾山以东、断层线性较好；中段为瓜勾山以东至大口子山一带、与西段之间形成右阶阶区、阶距为2～2.5km；东段为大口子山以东、与中段之间形成左阶阶区、阶距约为1.2km。

(1)梧桐墩以西至瓜勾山以东段。该段由2条近平行的陡坎组成、走向约100°、呈直线延伸。南侧以反向陡坎(反向陡坎表示陡坎坡向与山坡坡向相反；正向陡坎表示陡坎坡向与山坡坡向一致、后文与此相同)为主。涧沟以东正、反向陡坎交替出现、殷家截路山以东、断层进入基岩侵蚀区、断层地貌表现不明显。涧沟以东断层面倾向S、倾角约80°、断层性质为逆断。北侧陡坎在地貌上表现为正、反向陡坎交替出现、梧桐墩以西发育正向陡坎、长山一带以反向陡坎为主、涧沟以西正、反向陡坎交替出现、林场至瓜勾山以西为反向陡坎、瓜勾山以东为正向陡坎。沿正向陡坎出露的断层面倾向S或N、兼具正、逆断层、倾角60°～84°。

(2)瓜勾山以东至大口子山段。瓜勾山以东至鸳鸯池水库以西、是1条连续的主陡坎和多条离散分布的短陡坎、与西段之间形成右阶阶区、阶距为2～2.5km、总体走向约为100°。黄土崖子以北2.2km内形成阶距约700m的左阶拐弯。地貌上以正向陡坎为主、局部为反向陡坎。在野外点jt3以西有长约2.5km、走向NEE的反向陡坎。

(3)大口子山以东段。断层走向近EW、与中段形成阶距为1.2km的左阶阶区。北侧陡坎从鸳鸯池水库向E延伸至红墩以西。地貌上正、反向陡坎交替出现：金鼎湖西侧发育反向陡坎、金鼎湖向东至麻黄河一带正、反向陡坎交替出现、麻黄河以东以正向陡坎为主。断层剖面上兼具正断层和逆断层：金塔陵园西侧断层性质为倾向S的逆断层(图3a)①、金塔陵园东侧为倾向N的正断层(图3b)；麻黄河一带多为倾向N的正断层、也有倾向N、向S逆冲的逆断层；红墩以西为倾向S、向N逆冲的逆断层。断层倾角为25°～81°。

南侧陡坎为剖面p10(图2)以东的段、连续性不如北侧陡坎。麻黄河一带的断层陡坎连续性很好、地貌上以反向陡坎为主、断层性质为正断、多倾向S、倾角77°～83°。最东端为早更新世砂岩(风化破碎)反向陡坎、但形态新鲜。

1.2断层陡坎之间的转换关系

(1)平行断裂走向上断层段的组合关系和转换特征。沿断裂走向、断层陡坎的坡向呈N、S向交替变化(图2)、如梧桐墩两侧、涧沟一带、麻黄河一带等；相应地、断层面的倾向呈N、S向交替变化的特征、断层性质也在短距离内发生交替变化、例如金塔陵园西侧发育向N逆冲的逆断层(图3a)*甘肃省地震工程院、2012、大型核燃料后处理厂金塔厂址可研阶段地震安全性评价报告。、东侧却发育倾向N的正断层(图3b)。断层迹线拐弯或不连续处、常形成小盆地或隆起。例如麻黄河以西、断层拐弯处出现向N凸出的弧形褶皱隆起(图3c)；在大口子山北侧陡坎的左阶阶区、发育汇水盆地(图3d)。

图3　断层陡坎及陡坎之间的关系Fig. 3　Fault scarps and their arrangements.a金塔陵园西侧探槽剖面(图2 中的p8)*甘肃省地震工程院、2012、大型核燃料后处理厂金塔厂址可研阶段地震安全性评价报告。；b金塔陵园东侧断层剖面(图2 中的p9)；c p10西侧断层迹线拐弯处的褶皱隆起；d 大口子山一带1︰60 000航片及断层陡坎特征；e 横跨2道陡坎的地形剖面、其中jp3为差分GPS实测地形剖面

(2)垂直断裂走向上断层段的组合关系和性质转换。为了了解2条主陡坎之间的关系、我们在垂直这2条陡坎的方向上做了3条地形剖面(图2)。剖面jp1位于涧沟以东、2条陡坎之间为负地形(图3e)。北侧陡坎可能为倾向S的正断层作用所致、南侧陡坎为向N逆冲的逆断层所致。jp2位于大口子山一带、剖面上亦呈负地形、北侧断层向N逆冲导致后缘拉张、从而在南侧形成倾向N的正断层*甘肃省地震工程院、2012、大型核燃料后处理厂金塔厂址可研阶段地震安全性评价报告。。jp3位于麻黄河一带、地貌上为2条明显的反向陡坎、北侧陡坎兼具正断层和逆断层、倾向N、S兼具、从陡坎地形推断以倾向N的逆断层为主；南侧陡坎与北侧陡坎相似、但以倾向S的正断层为主。

从断层的几何展布、断层陡坎特征和断层陡坎的相互关系可知、该断裂未呈现一致的逆冲活动特征。

2　断层走滑活动的地貌现象

2.1正、反向交替的断层陡坎

由于走滑断层以走滑分量为主、断层倾角往往较陡、容易出现断层面倾向的不固定、从而导致陡坎坡向的不固定；而逆断层的断层面倾向相对稳定、倾角往往较缓、断层陡坎通常具有一致的坡向(邓起东、1994；徐锡伟、2002；冉勇康、2008、2012)。金塔南山断裂断层陡坎的坡向具有N、S交替的特征、甚至同一条陡坎的坡向也不一致(图2)。沿断层走向上陡坎坡向反复变化的特征说明金塔南山断裂可能存在走滑活动。

2.2冲沟和微地貌的左旋位错

长山一带(野外点jt1)、断层在地表形成几十厘米至数米高的反向陡坎。何文贵等(2012)在野外点jt1发现9条左旋位错4.6～25.5m的冲沟；郑文俊(2009)认为某些左旋地貌具有不确定性、可能是水系被陡坎挡住而发生改道所致、陡坎北侧的主冲沟由上游的多条次级纹沟汇入。因此、对陡坎上游的水系分级并识别上游的主冲沟、是掌握真实的水系位错特征和断裂是否具有水平运动的重要切入点。在IRS-P5卫星影像上、依据冲沟的长度、切割深度来识别汇水区内的主冲沟(图4a、b)。结合野外测量、得到该段断层水系的位错特征(图4c)。

图4b中画出了断层两侧所有的冲沟、虽然冲沟A—D、I、J、L呈现出左旋走滑的形态、但是冲沟E—H、K、M确实是由多条纹沟汇入。图4c画出了断层两侧的主冲沟、可见冲沟E—H的主沟在断层两侧确实发生了左旋位错：冲沟E呈现出不典型的左旋位错；冲沟F呈现出明显的左旋位错、位错量为34.0m；冲沟G上游发育2条规模相当的主沟、下游分别出现10.6m和22.5m的左旋位移；冲沟H上游2条主沟、其中1条无水平错动、另1条主沟的左旋位错为16.3m。冲沟K仍为多条纹沟汇入、然而、冲沟K上游的4条主沟在断层经过处仍发生量级较小的左旋位错。仅冲沟M上游的1条主沟与下游呈现出与其他冲沟不一致的现象。因此、可以得出如下结论：野外点jt1处的冲沟确实具有同步的左旋位错、说明金塔南山断裂确实存在左旋走滑运动。

差分GPS实测得到2个典型点(冲沟C、D和I)的左旋位移为18.0～20.4m，相应的反向陡坎高度为1.7～3.5m(图4d、e)。图4d中冲沟i2原为1条冲沟、断层使其水平错动(17.5±3.5)m、形成断头沟和断尾沟等走滑位错标志。

图4　野外点jt1处水系断错及典型点差分GPS实测Fig. 4　Offset of gullies and typical sites mapping by differential GPS at field site jt1.a 野外点jt1处的p5遥感影像；b 断裂带两侧所有冲沟的形态；c 断裂带两侧主冲沟的形态；d—f 差分GPS实测2个典型点的左旋位错和垂直位错

图5　野外点jt2处的卫星影像及第四纪沉积特征Fig. 5　Satellite image and Quaternary stratigraphies at field site jt2.a 野外点jt2处的卫星影像图；b 野外点jt2处的第四纪地貌特征左旋点1和2分别为图6a、b和c

在野外点jt2处、断层错断了早更新世至全新世的所有地貌面。大冲沟左旋位移约330m、东侧形成正向陡坎、西侧形成反向陡坎(图5)。在左旋点1、洪积扇上的小冲沟及其漫滩(T0)、Ⅰ级阶地(T1)发生同步左旋。T0和T1的左旋位移为(3.8±0.3)m、(4.6±0.4)m、T0、T1上的反向陡坎高度约为0.1m和(0.8±0.1)m(图5a、b；6)。在左旋点2、冲沟Ⅲ级阶地(T3)的左旋位移为(6.7±0.9)m、T3上的反向陡坎高度为(3.5±0.4)m(图5b、6)。左旋点1、2处各级阶地的左旋位移均大于陡坎高度(表1)。

表1　野外点jt2处不同时期的左旋位移和垂直位移比较

Table1　Comparison between temporal-based left-lateral and vertical displacements at field site jt2

地貌面时代(估算)左旋位移L/m陡坎高度D/m总结T3Q3p6.7±0.93.5±0.4L>DT1Q1h4.6±0.40.8±0.1L>DT0Q2h3.8±0.3约0.1L>D

野外点jt3处、正、反向陡坎交替发育、断层左旋断错了大冲沟和一系列纹沟(图7a、b)。T1上形成的正向陡坎高30～50cm(图7d中的p1、p2)、T2上的反向陡坎高(2.0±0.2)m(图7d中的p3)、T2左旋位错约20m。差分GPS实测2条纹沟及其阶地、得到纹沟高阶地左旋位错(4.9±0.3)m和(4.0±0.8)m、纹沟低阶地左旋位错(1.6±0.4)m、纹沟高阶地面上的正向陡坎高度仅为0.50～0.75m(图7c、d)。冲沟T2和纹沟阶地的左旋位错均大于相应地貌面的陡坎高度。图7d中陡坎剖面p4—p6的北侧发育反向陡坎、p4的反向陡坎甚至可以识别出2级、剖面上形成宽约40m的地堑、说明野外点jt3处断层兼具左旋走滑和SN方向的拉张。

从上述3个野外点的断错地貌特征可知、多级地貌面均发生明显的左旋位错、左旋位移量1.2～330m、晚第四纪以来地貌面左旋1.2～34.0m、且左旋位移大于相应地貌面的陡坎高度、说明金塔南山断裂存在明显的左旋走滑活动。

图6　野外点jt2处的典型断错地貌及差分GPS实测Fig. 6　Typical offset geomorphologies and mapping by differential GPS at field site jt2.a 左旋点1的断错地貌图；b 左旋点1的差分GPS地形实测图、p1、p2分别为T0和T1的陡坎剖面；c 左旋点2的差分GPS实测图、p3为T3的陡坎剖面

图7　野外点jt3处的断错地貌及差分GPS实测Fig. 7　Offset geomorphologies and mapping by differential GPS at field site jt3.a 野外点jt3处的卫星影像、矩形虚线框为c的位置；b 野外点jt3处断层的几何展布和冲沟形态；c 差分GPS实测左旋地貌；d 差分GPS实测6条陡坎剖面

2.3走滑断层伴生构造地貌：拉分盆地和挤压隆起

走滑活动断层在特殊部位容易形成一系列伴生构造地貌：如挤压隆起、拉分盆地等(Sylvester、1988；Cowgilletal.、2004a、b；Renetal.、2010; Burbanketal.、2012；Ren、2013、2014；王虎等、2014)。左旋走滑断层的左阶阶区具有拉张性质、常形成拉分盆地。图3d中北侧陡坎的左阶阶区形成汇水低地、说明断层可能具有左旋走滑的活动性质。

图8　与左阶排列的左旋走滑断层相伴生的小拉分盆地Fig. 8　Small-scale pull-apart basin caused by left-step sinistral strike-slip fault.a 卫星影像上的断层展布特征和断错地貌；b 探槽剖面揭露出的具有逆断特征的主断层(据何文贵(2012)的tc2简化、即图2 中的p3)；c 小拉分盆地的形态及成因(陡坎高度(4.1±0.5)m、据文献Zheng et al.、2013)；早更新世—中更新世地貌晚更新世地貌； 全新世早期地貌； 全新世晚期地貌

图9　断层剖面p2东西2壁的断层形态Fig. 9　Fault pattern exposed on east and west wall of profile p2.a 断层剖面p2东壁揭露出的高角度逆断层、主断层两侧地层无法对应、NE盘地层近断层处发生牵引褶皱；b 断层剖面p2西壁揭露出的高角度正断层、断层两侧地层可以对应、近断层处发生牵引褶皱；1 砾石层；2 砂层；3 细砂层、无层理；4 粗砂层；5 正断层；6 逆断层

野外点jt4处断层迹线呈左阶拐弯、阶区内发育1个小菱形塘地。菱形塘地北侧有高度低于50cm的反向陡坎、最低处几乎不可见；塘地东侧是高(4.1±0.5)m和约1m的正向陡坎；塘地西侧是高约1m的正向陡坎。断层剖面p3(图8b)的主断层具有逆断特征。断层剖面p2东壁(图9a)的主断层为高角度逆断层、倾向SW、地层靠近断层处有轻微的牵引褶皱、断层两盘无可对应的地层；p2西壁(图9b)为高角度正断层、倾向NE、发育明显的牵引褶皱。断层剖面p2东、西2壁呈现出完全相反的活动性质和断面倾向、p2附近多条纹沟发生左旋位错、而且陡坎坡向频繁交替(图8a)、说明断层存在左旋走滑。左阶展布的左旋走滑断层活动时形成的局部张剪应力场是菱形拉分盆地及其两侧低陡坎形成的控制因素(图8c)。

左旋走滑活动断层在右阶拐弯处或右阶阶区等构造部位会形成挤压隆起、例如图3c中的褶皱隆起、可能是断层拐弯部位的压剪应力场所致。黄土崖子东侧的弧形隆起和逆断层可能也属于此构造成因(图2)。

3　断裂左旋走滑的地质剖面特征

不同类型的活动断层在地质剖面上的表现亦不同。以倾滑活动为主的断层通常具有一致的性质和断面倾向、断面两侧地层对应较好、有明显的牵引构造或逆牵引构造；走滑断层以断层两盘的剪切错动为主、断层面通常具有高倾角、断层面的性质和倾向不一致、断面两盘的地层有时无法对应、剖面上常出现花状构造。金塔南山断裂的断层剖面更符合走滑断层的剖面特征。

(1)高倾角的断层面、不固定的断层倾向和断层性质(表2)。表2罗列了2排断层陡坎上15个断层剖面的主断层倾角、其中11个点的剖面主断层倾角>60°、8个点的剖面主断层倾角>75°、断层倾角普遍较高。断层的倾向N、S兼具。断层性质亦不固定、正、逆断层兼具(图2)。

表2　金塔南山断裂各断层剖面的主断层特征

Table2　Main fault characteristics of fault profiles on Jinta Nanshan Fault

属性p1p2p3p4p5p6p7p8p9p10p11p12p13p14p15倾向SS/NSSSSNSNSNNSNS倾角/(°)6079/825880788060/75254860/70717577/834081断层性质逆正/逆逆逆逆逆正逆正正正正正/逆逆逆

注p1、p3来自于何文贵等、2012；p5、p6来自于中国地震局地质研究所*中国地震局地质研究所、2001、西部原油成品油管道工程场地地震安全性评价。；p7、p8来自于甘肃省地震工程研究院*甘肃省地震工程院、2012、大型核燃料后处理厂金塔厂址可研阶段地震安全性评价报告。；其余为野外实测；倾角 “60/75”表示该点有2个剖面、或剖面有2壁、从而得到2个主断层倾角。

高倾角的断层面、不固定的断层倾向和活动性质说明断层不具有统一的倾向活动、而具有明显的走滑活动。

(2)花状构造。断层剖面p12揭露出的断层具有花状构造的几何形态(图10)。探坑长5m、宽3m、深约8m。剖面两壁显示出不同的断层形态和力学性质。东壁(图10a)为近直立的高角度逆断层、倾角83°、向上扩展为2支相向倾斜的近直立的逆断层、形成背冲式构造、其间地层略呈背形、凸面向上、断层面下陡上缓、呈正花状构造、反映了压剪应力环境。西壁(图10b)为高角度正断层、倾角为77°、从下往上断层扩展为2支相向倾斜的高角度近直立的正断层、断层之间形成地堑式构造、被断错的地层略微下凹、呈负花状构造、代表张剪应力环境。剖面东壁和西壁分别呈现出正、负花状构造的形态、说明断层具有明显的走滑活动。

图10　断层剖面p12揭露出断层具有花状构造的几何形态Fig. 10　Flower structures of the fault distribution exposed on profile p12.1 上新统、2 砂层、3 粉砂层、4 逆断层、5 正断层；N2 上新世浅红色泥岩、 早更新世至晚更新世灰色、灰黄色砂层、具水平层理

4　断层左旋走滑速率估计

前文从断层的几何结构、断错地貌特征和地质剖面分析、认为断裂晚第四纪以来存在左旋走滑的运动学特征。那么其左旋走滑速率如何？与断裂倾滑速率相比、哪一个更占优势？

金塔南山断裂晚第四纪以来微地貌左旋位错1.2～34m、晚更新世以来断层陡坎的最大高度约为12m(Zhengetal.、2013)。图4c中的山前洪积扇由下部早第四纪的玉门砾岩和上部晚第四纪的砾石层组成、拔沟高度约8m。涧沟以西的(图8a)与图4c的山前洪积扇面为同级地貌面、主要由晚第四纪砾石层组成、拔沟高度7m。图4c中的山前洪积扇上一系列冲沟同步左旋、其中最具代表性的是冲沟C、D的左旋位错以及洪积扇上保存完整的反向陡坎(图4f)。通过差分GPS实测、获得冲沟C、D之间洪积扇面顶部脊线的左旋位移为(19.2±1.2)m、使用Zhengetal.(2013)获得的该山前洪积扇的同级地貌面——涧沟以西的Be10埋藏年龄((115.3±21.6)ka和(113.5±28.8)ka)、计算得到金塔南山断裂晚更新世以来的左旋走滑速率为(0.19±0.05)mm/a。

图11　兼具走滑和倾滑特征的简易模型断层面及区域构造模式Fig. 11　Simple fault plane model with both strike-slip and dip-slip and regional tectonic interpretation.a 兼具左旋走滑和倾滑特征的简易断层面模型；b 区域构造模式图、山影图据Aster GDEM生成(分辨率为30m)；c 跨金塔盆地的人工地震剖面(剖面位置见图1)；d 1︰60 000航空照片上的线性隆起；e 隐伏断层或褶皱活动导致的深部和地表变形；①玉门盆地、②酒东盆地、③金塔盆地；F1 阿尔金断裂、F2 祁连山北缘山前断裂、F3黑山断裂、F4 金塔南山断裂；V 祁连山-河西走廊相对于阿拉善块体的运动速度矢量、V1 垂直于金塔南山断裂走向的速度矢量、V2 平行于金塔南山断裂走向的速度矢量；α、d、du同式(1)、β侧俯角、u断层面上的速度矢量、s走滑速度分量；ds平行于地表的缩短分量

图11a表示1个既有左旋走滑、又有倾滑的简单断层面模型。其中断层面倾角(α)、倾滑速率分量(d)和断层垂直于地表的速度分量(du)具有如下关系式：

(1)

由于断层2盘地表坡度较低、因此可将晚更新世以来的地表抬升速率(0.11±0.03)mm/a(Zhengetal.、2013)等同于断层面垂直于地表的速率(Kanedaetal.、2008)。假定断层倾角为(70±13)°、根据式(1)得到晚更新世以来断层的倾滑速率(d)为(0.13±0.05)mm/a。金塔南山断裂的左旋走滑速率((0.19±0.05)mm/a)与倾滑速率和地表抬升速率相当。

5　左旋走滑的动力源讨论

晚第四纪以来、金塔南山断裂具有左旋走滑活动、而且晚更新世以来的左旋走滑速率与倾滑速率大小相当。金塔南山断裂的左旋走滑活动可能有2种动力来源。

5.1阿尔金东延段

阿尔金断裂西起藏北的郭扎错、龙木错一带、向NEE延伸至玉门宽滩山一带(“阿尔金活动断裂带”课题组、1992)、是青藏高原北侧的边界断裂、也是1条备受关注的巨型走滑活动断裂带(Molnaretal.、1987；丁国瑜、1995；徐锡伟等、2003；李海兵等、2006；Zhangetal.、2007；李煜航等、2015)。前人对该断裂的东端点是否终止于玉门宽滩山一带存在争议(Darbyetal.、2005; Zhengetal.、2013)。

从几何结构上看、黑山断裂、金塔南山断裂与阿尔金断裂几乎线性延伸、走向几乎一致；金塔南山断裂以东为合黎山断裂(F17)、幕少梁断裂(F16)等一系列的NWW—EW向断裂呈帚状分散开(图11)。

从最新的活动特征来看、断裂的地质表现(高倾角的断层面、不稳定的断层倾向、正断层和逆断层同时出现)和地貌表现(正反向陡坎交替发育、冲沟和微地貌的左旋位移、左阶不连续的小盆地和右阶不连续部位的隆起)均说明金塔南山断裂存在明显的左旋走滑活动。

从断裂最新活动速率来看、阿尔金断裂主走滑段滑动速率达(10±2)mm/a(Zhangetal.、2007)、东端衰减为(1.4±0.4)mm/a、其衰减的滑动速率转换为祁连山系的挤压逆冲活动(徐锡伟等、2003)。Zhengetal.(2013)得到的玉门盆地内部平行于阿尔金断裂走向的缩短速率为0.90～1.43mm/a、可能全部吸收了阿尔金东端的走滑速率、也可能残余很小的左旋走滑分量。本文从断错地貌和地质剖面发现金塔南山断裂存在左旋走滑的运动、左旋走滑速率仅为(0.19±0.05)mm/a、与阿尔金东端可能残余很小左旋分量的推论一致。

玉门宽滩山以东的金塔南山断裂确实存在左旋走滑的运动、滑动速率也符合阿尔金断裂向东衰减的特征。但是、笔者通过遥感图像解译和参考前人成果(郑文俊、2009)、发现阿尔金断裂与金塔南山断裂之间的黑山断裂(图1、F14)是1条高角度逆冲断裂、未见左旋走滑的活动迹象。

综合上述分析、认为金塔南山断裂可能已经不是阿尔金左旋走滑活动断裂系的组成部分了、或仅为其走滑分量向E传递的残余。

5.2祁连山-河西走廊断裂系向NE的扩展

祁连山逆冲断裂系相对于阿拉善块体的速度矢量(图11 中的V)与金塔南山走向不呈正交关系。一部分速度矢量(图11 中的V2)被分配到平行于金塔南山断裂的走向上、使其沿走向发生水平错动。另一部分速度矢量(图11 中的V1)被分配到垂直于金塔南山断裂走向的方向上、导致金塔南山的隆升和地表的缩短变形。第四纪以来形成的金塔南山最大高程为130m(Zhengetal.、2013)、便是V1作用的体现。与此类似、北祁连山前的佛洞庙-红崖子断裂也具有逆冲和左旋走滑的特征、刘兴旺等(2012)得到其晚第四纪垂直滑动速率为(0.61±0.28)mm/a、左旋走滑速率为(1.27±0.58)mm/a。

金塔南山断层的性质和断面倾向不固定、在地表并未发现全段一致向N逆冲的活动断层。跨金塔盆地的人工地震剖面(图11c)显示、金塔南山断裂既包括山前断错地表的断层、也包括盆地内部断错第四系、却未断错到地表的断层。1︰60 000的航空影像(图11d；图2b北侧推测逆断层)显示盆地内部存在长约6km的线性隆起、隆起幅度小、坡度平缓。实地考察认为、该线性隆起不像是断层直接错动形成的陡坎、可能是盆地内部隐伏断层活动造成的地表变形(图11e)。该区的构造活动很可能类似于北祁连山前断裂、在青藏块体持续向N推挤的过程中、由于应变分配、使金塔南山断裂具有逆冲兼具左旋走滑的活动特征、只是其量级较小。

总之、通过上述对金塔南山断裂的构造归属及其晚第四纪左旋走滑运动的动力来源的对比分析、本文倾向于上述的第2种观点、但还需要更多的工作来证实。

6　结论

基于前人的工作、航空照片和高分辨率卫星影像解译、野外地质地貌调查分析、差分GPS测图等方法、对金塔南山断裂晚第四纪走滑特征的地质地貌现象进行了详细研究、得到如下结论：

(1)金塔南山活动断裂主要由2排断续延伸的断层陡坎、数条离散分布的断层陡坎组成。2段陡坎间距为0.5～4.7km。断层总体走向100°～90°、倾向S或N、倾角25°～84°、以>60°为主。

(2)晚第四纪以来、断层存在明显的左旋走滑运动。左旋走滑形成的地貌现象有：正、反向陡坎交替出现、冲沟和微地貌的左旋位错、拉分盆地和挤压隆起、断头沟和断尾沟等；左旋走滑形成的地质剖面有如下特征：高倾角的断层面、不固定的断层倾向和断层性质、花状构造。

(3)金塔南山断裂晚更新世中期以来的左旋走滑速率约为(0.19±0.05)mm/a、远小于阿尔金断裂的走滑速率、而与前人得到的地表抬升速率和倾滑速率大小相当。

(4)金塔南山断裂晚第四纪以来存在与倾滑速率相当的左旋走滑、这个事实将促使人们更深入地研究青藏高原东北边缘地区的活动构造变形和区域构造模式、也为阿尔金断裂东延终止于何处等科学问题的研究提供了新的线索和思路。

致谢感谢田勤俭研究员、王爱国副研究员在文章撰写过程中的建议、同时非常感谢审稿人中肯有益的修改意见!

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Abstract

Jinta Nanshan Fault is an important fault in northeast front of Qing-Zang Plateau、and it is crucial for determining the eastern end of Altyn Tagh Fault. However、there is still debate on its significant strike-slip movement.

In this paper、we study the Late Quaternary activity of Jinta Nanshan Fault and its geological and geomorphic expressions by interpreting aerial photographs and high-resolution remote sensing images、surveying and mapping of geological and geomorphic appearances、digging and clarifying fault profiles and mapping deformation characteristics of micro-topographies、then we analyze whether strike-slip activity exists on Jinta Nanshan Fault.

We get a more complete fault geometry than previous studies from most recent remote sensing images. Active fault traces of Jinta Nanshan mainly include 2 nearly parallel、striking 100°～90°fault scarps、and can be divided into 3 segments. West segment and middle segment form a left stepover with 2～2.5km width、and another stepover with 1.2km width separates the middle and east segment.

We summarize geomorphic and geologic evidence relating to strike slip activity of Jinta Nanshan Fault. Geomorphic expressions are as follows: First、fault scarps with alternating facing directions; second、sinistral offset of stream channels and micro-topographies; third、pull-apart basins and compressive-ridges at discontinuous part of Jinta Nanshan Fault. Geologic expressions are as follows: First、fault plane characteristics、including extremely high fault plane angle、unstable dip directions and coexistence of normal fault and reverse fault; second、flower structures.

Strike-slip rate was estimated by using geomorphic surface age of Zhengetal.(2013)and left-lateral offset with differential GPS measurements of the same geomorphic surface at field site in Fig. 4e. We calculated a strike-slip rate of (0.19±0.05)mm/a、which is slightly larger than or almost the same with vertical slip rate of (0.11±0.03)mm/a from Zhengetal.(2013).

When we confirm the strike-slip activity of Jinta Nanshan、we discuss its potential dynamic sources: First、eastern extension of Altyn Tagh Fault and second、strain partitioning of northeastward extension of Qilian Shan thrust belt. The first one is explainable when it came to geometric pattern of several E-W striking fault and eastward decreasing strike slip rate、but the former cannot explain why the Heishan Fault、which locates between the the Altyn Tagh Fault and Jinta Nanshan Fault、is a pure high angle reverse fault. The latter seems more explainable、because oblique vectors may indeed partition onto a fault and manifest strike-slip activity.

GEOLOGICAL AND GEOMORPHIC EXPRESSIONS OF LATE QUATERNARY STRIKE-SLIP ACTIVITY ON JINTA NANSHAN FAULT IN NORTHERN EDGE OF QING-ZANG BLOCK

ZHANG Bo1，2)HE Wen-gui1)PANG Wei3)WU Zhao1)SHAO Yan-xiu1，2)YUAN Dao-yang1)

1)LanzhouInstituteofSeismology、ChinaEarthquakeAdministration、Lanzhou730000、China2)InstituteofGeology、ChinaEarthquakeAdministration、Beijing100029、China3)SecondCrustMonitoringandApplicationCenter、ChinaEarthquakeAdministration、Xi′an710054、China

Jinta Nanshan Fault、left-lateral、slip rate

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.001

2014-12-08收稿、2015-11-12改回。

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(2013IESLZ07)资助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0001-21

张波、男、1986年生、2012年于中国地震局兰州地震研究所获构造地质学硕士学位、现于中国地震局地质研究所攻读博士学位、研究实习员、主要从事活动构造、构造地貌、遥感与GIS结合在活动构造中的应用研究、电话：13919015394、E-mail: kjwxn999@163.com。