香山-天景山断裂带西段的运动性质变化及其成因机制

李新男　李传友　张培震　王旭光　章龙胜

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京　100029 2)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京　100029



香山-天景山断裂带西段的运动性质变化及其成因机制

李新男1，2)李传友2)*张培震1)王旭光2)章龙胜2)

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京100029 2)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京100029

香山-天景山断裂带作为青藏高原东北缘弧形构造带的重要组成部分，其东段整体表现为逆-左旋走滑运动性质。相反，其西段运动性质较为复杂，其上一系列的断错地貌特征以及在人工探槽和天然露头剖面上观察到的断裂运动性质，显示整个西段主要以正-左旋走滑运动为主，只在局部特定位置存在逆冲运动分量。为了确定香山-天景山断裂带西段运动性质变化的成因机制，从断裂的几何结构特征对其进行分析，得到影响与控制西段运动性质的3个主要因素： 1)阶区构造，断层的左行左阶雁列式结构形成拉张型阶区，并控制着阶区附近及其内部断层的正-左旋走滑运动；2)尾端构造，在断裂端部存在阻止断层破裂传播的障碍体时，断裂一盘向前推挤的一端就会发生挤压构造变形，断层以逆-左旋走滑运动为主；3)双弯构造，次级段内部断层走向变化并呈右阶排列时，中间弯曲段在左旋走滑作用下形成局部挤压应力环境，表现为逆-左旋走滑运动。此外，天景山次级块体做SEE向运动，在其尾端形成走滑拉张构造环境，也是西段以正-左旋走滑运动为主的重要原因。香山-天景山断裂带西段的形成演化过程说明，在青藏高原东北缘弧形构造带向N扩展的过程中，整个香山-天景山断裂带可能并不是同时期形成的，而是分为运动性质显著不同的2个阶段，并表现为自东向西侧向扩展的形成演化模式。

香山-天景山断裂带西段断错地貌特征运动性质成因机制

0　引言

1　构造背景

香山-天景山断裂带与海原、烟筒山、牛首山-罗山断裂带共同构成了青藏高原东北缘的弧形构造系，且处于青藏、鄂尔多斯和阿拉善地块相互作用的交会部位(邓起东等，2002，2003；张培震等，2003；图1a)，构造运动强烈，历史上发生过数次7级以上地震。其中，香山-天景山断裂带在时间上形成于早古生代加里东运动中晚期(宁夏回族自治区地矿局，1990)，晚新生代以来先后经历了活动性质不尽相同的2个阶段，即早期的强烈挤压阶段和晚期的左旋走滑兼挤压阶段(国家地震局地质研究所，1990；闵伟等，1991；田勤俭等，2001；李天斌等，2005；张维岐等，2015)。在空间上，大致以孤山子和西梁头之间10km多的断裂阶区为界，该断裂带又可以划分为东、西2段，二者在几何形态、介质结构、活动性质和破裂历史等方面存在显著差异*中国地震局地球物理研究所等，2003，黄河黑山峡段地震地质补充论证工作报告。(陈国星等，2006；李新男，2014；图1b)。

图1　香山-天景山断裂带及其西段地质构造图Fig. 1　Geological map of the Xiangshan-Tianjingshan Fault and its western segment.a 研究区构造位置，其中黑框表示图b范围；b 香山-天景山断裂带构造展布与历史地震震中分布图，其中黑色虚线框表示图c范围；c 香山-天景山断裂带西段断裂结构图，景泰小红山段(F1)，罐罐岭段(F2)，沙井段(F3)，中卫小红山段(F4)和青山—孤山子段(F5)

香山-天景山断裂带西段走向近EW，全长约60km，由5条次级断层段呈左阶斜列构成(柴炽章等，2003；杜鹏等，2007；图1c)。前人对西段的几何结构特征做了较为详细的研究工作，还进一步确定了西段最新一次地震事件的发生时代①(杜鹏等，2007；李新男，2014)。此外，古地震研究结果显示西段晚第四纪以来至少发生过5次古地震事件，平均复发间隔为6,000a左右(闵伟等，2001；陈国星等，2006)。对西段断错地貌的位移量最新测量结果显示，香山-天景山断裂带西段晚第四纪以来的地震活动遵循特征滑动模型(李新男等，2015)。

2　香山-天景山断裂带西段断错地貌特征及运动性质变化

通过对香山-天景山断裂带西段进行详细的野外实地调查，获得了沿断层迹线不同地貌体(河流、冲沟、山脊和冲洪积扇等)的断错特征和断层运动性质沿断裂的变化特征。对不同断层段的断错地貌特征和运动性质分述如下。

图2　景泰小红山段断错地貌特征Fig. 2　The offset geomorphic features on the Jingtai segment.a 景泰小红山最西侧尾端地貌解译图; b 断层陡坎和挤压脊构造；c，d 景泰小红山山前卫星影像及地貌解译图；e，f 山脊断错并形成小型拉张地堑

2.1景泰小红山段

景泰小红山段从景泰县上沙窝镇杏树村以北约1km处沿山前经冲洪积扇、小红山南麓延伸至白墩子附近，全长约18km(图1c)。该段的最西端地貌上表现为断层切过晚更新世—全新世冲洪积扇，形成具有明显线性特征的断层陡坎和顺断层走向的挤压脊构造(图2a，b)，跨断层陡坎开挖的探槽揭示断层具有明显的逆冲运动性质，断面S倾，表现为较新的冲洪积砾石层被断层错断并伴有砾石定向，黄土层及黄土含砾石层还具有明显的褶皱弯曲变形(图6a)。

图3　罐罐岭段断错地貌特征Fig. 3　The offset geomorphic features on the Guanguanling segment.a，b 罐罐岭山前卫星影像及地貌解译图；c 较新鲜断层陡坎；d 冲沟左旋位错；e，f 反向断层陡坎；g 断层三角面；h 断层线性沟谷地貌

向东在景泰小红山南麓，断层断错山前晚第四纪冲洪积扇，形成线性特征清晰的陡坎(图2c，d)，高1～2m左右；同时一系列横跨断裂的冲沟发生左旋位错，水平位移量为1～20m，且在部分冲沟受断层断错位置可以见到最新一次地震活动形成的裂点，以及上新世泥岩和砾岩构成的山脊被左旋错移，断层通过位置形成小型拉张地堑(图2e，f)。断层在山前存在弯曲和分叉现象，形成多级陡坎以及冲沟不同部位发生左旋错动现象。此外，在景泰小红山南麓开挖的探槽揭示该段为正-左旋走滑运动性质，断层面S倾，产状为45°～70°，并在局部表现为小型拉张地堑(图6b)。

景泰小红山段断层走向NWW—EW，断层面总体倾向SE，倾角较陡可达50°～80°，该段整体以正-左旋走滑运动性质为主，只在西侧尾端冲洪积扇上显示为逆-左旋走滑运动性质。

2.2罐罐岭段

罐罐岭段西起白墩子拉分盆地东侧，向东经马梁、马家井、煤巷岗和冰草窝，终止于营盘水以南的宋家地窝窝附近，全长约20km(图1c；3a，b)。在靠近白墩子附近，全新世河流冲洪积物覆盖广泛，断层迹线不明显，只能从卫星影像上判断断裂可能于马梁EW向隆起位置通过，向东活动迹象逐渐明显，并延伸至马家井附近。马家井附近靠近公路位置的第四纪地貌面上，断裂形成线性明显的断层陡坎，高约0.5m，在陡坎坡面上几乎不发育植被，坍塌的自由面说明其活动时代较新，继续向东断层切过小山包将其左旋错动(图3c)。在马家井位置开挖的探槽显示较老的早更新世砖红色泥岩逆冲到第四纪粉砂、黄土地层之上，断层面N倾，倾角约为45°～50°(图6c)，说明断层具有很新的活动性。同时，在马家井以东约700m的位置，断层不仅使晚更新世—全新世的冲洪积扇形成高1m左右的陡坎，还将2条冲沟左旋位错，其位移量分别为2.5m和11.4m，冲沟位错量之间的倍数关系说明断裂在晚第四纪以来发生过多次活动(图3d)。在其东侧不远处可以观察到反向线性陡坎呈NWW-SEE向延伸，长约200m(图3e，f)；然后逐渐过渡为陡立的断层陡坎和断层三角面(图3g)。

在罐罐岭山前靠近东端的位置，断层通过位置在地貌上形成线性沟谷，分水岭以东的冲沟汇入其中(图3h)。跨断层陡坎开挖的探槽揭示断层在该段具有明显的正-左旋走滑运动性质，断层面S倾，倾角较陡，约为70°～80°(图6d)。断层在进入营盘水拉分盆地沉积区时，迹线不太明显，但是在宋家地窝窝附近的小山包前缘又显示出比较明显的出露迹象，许多冲沟发生左旋错动。

综上所述，断层走向在罐罐岭段具有明显的EW—SEE—EW向弯曲变化，断层倾角较陡，在SEE向段以逆-左旋走滑运动为主；在近EW向段，则以正-左旋走滑运动为主。

2.3沙井段

沙井次级段位于罐罐岭和中卫小红山段之间的阶区内部，平面上与上述二者之间呈左阶斜列展布，全长约6km，走向近EW(图1c；4a，b)。断层为正-左旋走滑运动性质，探槽显示其断面N倾，倾角近直立，断层断错了所有晚第四纪冲洪积、坡积地层，直达地表>*中国地震局地球物理研究所等，2003，黄河黑山峡段地震地质补充论证工作报告。(图6e)，地貌上存在陡坎与之对应，且伴随冲沟的左旋位错现象。断层上升盘一侧抬升显著，远处观察形似一道高耸的城墙(图4c)，反映了断裂形成时代较早，活动特征强烈。此外，沙井段作为拉分阶区内部的次级断层，对破裂的传播和扩展起到了重要的促进作用(Wesnousky，2006，2008；Lozosetal.，2012)，该段可能在西段的每次地震活动中都参与了破裂过程。

2.4中卫小红山段

图4　沙井和中卫小红山段断错地貌特征Fig. 4　The geomorphic features on the Shajing and Xiaohongshan segment.a，b 沙井、中卫小红山段卫星影像及地貌解译图；c断层陡坎，形似城墙；d线性断层陡坎；e 断层断错最新冲洪积扇；f裂点后退

图5　青山—孤山子段断错地貌特征Fig. 5　The offset geomorphic features on the Qingshan-Gushanzi segment.a 甘塘以南线性断层陡坎；b 孤山子北麓地貌解译图

中卫小红山段展布在喇嘛井沟至小红山北缘一带，长约5km，走向近EW(图4a，b)。中卫小红山段在卫星影像上线性特征明显，地貌上显示为高大的断层陡坎呈直线状延伸，陡坎高1～4m，个别地方表现为断层崖和断层三角面出露(图4d)。同时，1条较大冲沟形成的最新一期冲洪积扇被断层断错，探槽剖面揭示该断层直接延伸至近地表，并错断了全新世较新的粉砂土和砂砾石层，断层面N倾，倾角较陡(图6f)，同时在对应的陡坎上还残留了比较新鲜的自由面(图4e)。此外，冲沟切出的多个天然露头剖面也显示断层最新1次活动断错地表，并使小红山北缘大量冲沟发生同步左旋位错，且在个别位置形成裂点并发生溯源侵蚀(图4f)。断层在局部地点出现分叉，呈近平行排列，向东靠近末端走向发生变化，由近EW转变为NEE向。

中卫小红山段大量冲沟的左旋位错，以及多个天然出露剖面和探槽都显示断层以正-左旋走滑运动性质为主。

2.5青山—孤山子段

青山—孤山子段西起青山石膏矿，经小豁口、大豁口和甘塘以南，止于孤山子北麓，全长约18km。青山段断层迹线在卫星影像上比较明显，但是由于人为破坏严重以及风沙覆盖范围较广，野外只在个别地方可以大致确定出断层位置和延伸情况(图5a)。甘塘以南局部露头处可以观察到上新世的砖红色泥岩逆冲到晚第四纪冲洪积砂层之上，断层面S倾，倾角近直立(图6g)。

断裂继续向东延伸至孤山子北麓，在卫星影像上表现为NW-SE向的沙垄和冲沟发生左旋位错(图5b)，断层陡坎呈断续分布，陡坎高0.5～1.5m。甘肃省地震局在孤山子北麓开挖的1个探槽揭示该段断层具有明显的正-左旋走滑运动性质，断层面N倾，倾角近直立*中国地震局地球物理研究所等，2003，黄河黑山峡段地震地质补充论证工作报告。(图6h)。

青山—孤山子段总体走向近EW，断层面近于直立，S倾或N倾，主要以左旋走滑运动性质为主，兼有正断或逆冲运动性质。

图6　香山-天景山断裂带西段不同段的断层运动性质Fig. 6　Fault movement property on different sections along the western segment of the Xiangshan-Tianjingshan Fault.

3　香山-天景山断裂带西段运动性质变化的成因机制

香山-天景山断裂带西段的一系列冲沟、山脊和冲洪积扇等地质地貌体的断错特征以及在人工开挖探槽和天然露头剖面上观察到的断层运动性质(图6)，都表明西段主要为正-左旋走滑运动，只在局部特定位置出现逆冲运动分量。

(1)景泰小红山山前一系列的冲沟左旋水平位错和新鲜断层陡坎和探槽剖面以及靠近白墩子拉分盆地段的较高陡坎，都说明该段主体以正-左旋走滑运动为主；只在该段西侧尾端出现逆冲断层，并伴生挤压脊构造，其成因可能是发育于古生代地层中的NWW向长岭山北麓断裂构成了西段断层向W破裂传播的挤压型障碍体。

(2)在大量冲沟和山脊发生左旋位错的罐罐岭段，断错地貌和探槽剖面特征说明其整体以正-左旋走滑运动为主，特别是断层两端的段分别控制着白墩子和营盘水拉分盆地的形成与发育；相反，局部逆-左旋走滑段只出现在右阶斜列段的连接部位，呈NWW走向，断层左旋走滑活动在该位置形成挤压型阶区，使得该局部位置在以左旋走滑运动为主的情况下会伴有一定的逆冲运动分量。

(3)沙井段的断错地貌和探槽剖面特征说明其整段均为正-左旋走滑运动性质，且正断运动分量较大，主要是因为该段位于罐罐岭段和中卫小红山段之间的斜列阶区内部，断裂左旋走滑作用在阶区位置形成伸展拉张构造环境。同样，中卫小红山段山前的一系列位错冲沟、高大的断层陡坎和探槽剖面也都说明该段为正-左旋走滑运动性质，主要原因是中卫小红山段构成了营盘水拉分盆地的北侧边界断层，处于伸展拉张构造环境。最后，青山—孤山子段除断错地貌特征指示其以左旋走滑运动性质为主外，在甘塘公路收费站以南和孤山子北麓观察到的2个剖面显示断层既有逆冲运动分量又有正断运动分量，该断层段在平面上为1条线性笔直的走滑断层，几何结构简单，出现不同运动性质分量的原因可能是因为断层面产状近直立，时而N倾时而S倾所致。

从上面的分析可以看出，香山-天景山断裂带西段运动性质发生变化的成因机制可以总结为以下3个方面： 1)阶区构造： 从香山-天景山断裂带西段平面几何结构上分析，其各次级段之间呈左阶斜列展布，段与段之间形成阶区(柴炽章等，2003；杜鹏等，2007)，断裂的左旋走滑作用使得在阶区位置形成拉分盆地以及局部拉张应力环境，所以靠近阶区附近及其内部的断层表现为正-左旋走滑运动性质(图7a)。2)尾端构造： 在断裂端部不同走向的断裂和较老的地质体分别构成阻止破裂传播的几何与介质障碍体(丁国瑜等，1993)，断裂一盘在向前推挤过程中其前缘形成尾端挤压构造并吸收构造变形(邓起东等，1989；闵伟等，1991)，所以端部的断裂多表现为逆-左旋走滑运动性质(图7b)。3)双弯构造： 在次级段内部断层走向连续2次发生弯曲变化后又大致沿原方向延伸时，中间弯曲段在断裂左旋走滑作用下形成局部挤压应力环境，所以中间弯曲段表现为逆-左旋走滑运动性质(图7c)。

图7　断层几何结构与运动性质关系示意图Fig. 7　Sketch map of the relationship between fault geometry and property.a 阶区构造，左行左阶雁列结构形成拉张应力环境；b 尾端构造，受障碍体(不同走向断层)阻挡，形成挤压应力环境；c 双弯构造，断层走向连续2次发生弯曲变化，在中间转折部位形成挤压应力环境

图8　天景山次级块体运动模型Fig. 8　Kinematic model of Tianjingshan sub-block.Ⅰ块体尾端形成拉张构造环境；Ⅱ块体前缘形成挤压构造环境；断层深部几何结构特征参考*中国地震局地球物理研究所等，2003，黄河黑山峡段地震地质补充论证工作报告。总之，断层的几何结构特征是控制西段运动性质发生变化的最主要原因。上述的3种因素同时存在，其中阶区构造则是影响西段运动性质的首要因素。(Gao et al.，2013；Wang et al.，2013；国家地震科学数据共享中心，http: ∥data.cea-ies.ac.cn/CSEMP/default.aspx)

图9　香山-天景山断裂带形成演化示意图Fig. 9　Schematic diagrams illustrating the formation and evolution of the Xiangshan-Tianjingshan fault zone.

从陆内块体的运动特征分析，香山-天景山断裂带西段整体做正-左旋走滑运动的原因，可以归结为天景山次级块体向SEE向的运动(图8)。在天景山次级块体向SEE向运动的过程中(Ganetal.，2007)，香山-天景山断裂带西段作为该次级块体末端的边界断裂，不仅需要调节块体边界上的左旋走滑位移，同时还处于1个大的尾端拉张构造环境。所以，断裂不仅具有左旋走滑运动特征，还伴有明显的正断分量。

从断裂的形成演化角度分析，香山-天景山断裂带经历了1个比较复杂的演化过程。香山-天景山断裂带东段具有明显的2期演化过程： 1)新生代古近纪、新近纪及其以前，香山-天景山断裂带东段以较强烈的叠瓦状向N逆冲活动为主要特征，形成了以古生界和古近纪、新近纪红色泥岩、砂砾岩构成的基岩隆起(图9a)；2)进入第四纪，开始转变为逆-左旋走滑运动方式(国家地震局地质研究所等，1990；闵伟等，1991；田勤俭等，2001；李天斌等，2005；张维岐等，2015；图9b)。香山-天景山断裂带西段也大致经历了2个阶段的发展演化过程： 1)大致在新近纪末期至第四纪初期，伴随断裂运动性质的转换，首先形成沙井、中卫小红山和孤山子段，表现为上新统砂岩、泥岩构成的小山包，以及小山包前缘上新统和第四系之间的断层接触关系(图9b)；2)之后大致在早更新世末或中更新世初期，香山-天景山断裂带西段继续向西侧扩展，形成景泰小红山和罐罐岭段，表现为下更新统砾岩构成的小山包，以及下更新统和更年轻地层之间的断层接触关系(图9c)。

因此，在青藏高原东北缘弧形构造带向北扩展的过程中(Wangetal.，2013)，整个香山-天景山断裂带可能并不是同时期形成的，而是分为运动性质显著不同的2个阶段，并表现为自东向西不断侧向扩展的形成演化模式。

4　结论

香山-天景山断裂带西段上一系列冲沟、山脊和冲洪积扇等地质地貌体的断错特征以及在人工探槽和天然露头剖面上观察到的断裂运动性质，共同揭示了整个西段主要以正左旋走滑运动为主，只在局部特定位置存在逆冲运动分量。

影响与控制香山-天景山断裂带西段运动性质的主要因素是断裂的几何结构特征，可以分为3种类型： 1)阶区构造： 断层段与段之间呈左阶斜列展布，断裂的左旋走滑作用使得在阶区位置形成拉分盆地以及局部拉张应力环境，所以靠近阶区附近及其内部的断层表现为正-左旋走滑运动性质；2)尾端构造，当在断裂尾端出现阻止破裂传播的障碍体时，断裂一盘向前推挤在前端就会发生挤压构造变形，断层表现为逆-左旋走滑运动性质；3)双弯构造： 在次级段内部断层走向连续2次发生弯曲变化后又大致沿原方向延伸并呈右阶排列时，中间的弯曲段在断裂左旋走滑作用下形成局部挤压应力环境，所以中间弯曲段表现为逆-左旋走滑运动性质。

在青藏高原东北缘弧形构造带向N扩展过程中，整个香山-天景山断裂带可能并不是同时期形成，而是分为运动性质显著不同的2个阶段，并表现为自东向西不断侧向扩展的形成演化模式。

致谢感谢闵伟研究员和审稿专家为本文提出宝贵的修改意见。

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CHANGES IN FAULT MOVEMENT PROPERTY AND GENETIC MECHANISM ON THE WESTERN SEGMENT OF THE XIANGSHAN-TIANJINGSHAN FAULT ZONE

LI Xin-nan1，2)LI Chuan-you2)ZHANG Pei-zhen1)WANG Xu-guang2)ZHANG Long-sheng2)

1)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China2)KeyLaboratoryofActiveTectonicsandVolcano，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China

The Xiangshan-Tianjingshan fault zone is an important part of the arc tectonic zone in northeastern Tibet，whose eastern segment is characterized by primarily left-lateral slip along with thrust component. In contrast，the fault movement property on the western segment of the Xiangshan-Tianjingshan fault zone is more complicated. According to the offset geomorphic features and cross sections revealed by the trenches and outcrops，the western segment is mainly a left-lateral strike-slip fault with normal component，and only accompanied with reverse component at specific positions. To determine the genetic mechanism of fault movement property on the western segment，we obtained three main factors based on the integrated analysis of fault geometry: (1)Step-overs: the left-stepping parallel faults in a sinistral shear zone create extensional step-overs and control the nearby and internal fault movement property; (2)terminal structures: they are conductive to stop rupture propagation and produce compressive deformation at the end of the fault trace; and(3)double bends: strike-slip faults have trace that bends such that slip between two adjacent blocks creates a compressive stress and thrust fault. Additionally，the Tianjingshan sub-block moves to SEE and creates an extensional stress at the end of the sub-block associated with normal faults. It shows that the Xiangshan-Tianjingshan fault zone has a complex evolution history，which is divided into two distinctive periods and characterized by laterally westward propagating.

the western segment of the Xiangshan-Tianjingshan fault zone，offset geomorphic feature，fault movement property，genetic mechanism

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.03.018

2015-08-06收稿，2016-01-30改回。

国家自然科学基金(41172322，41472200)资助。

李传友，研究员，E-mail: chuanyou@ies.ac.cn。

P315.2

A

0253-4967(2016)03-0732-15

李新男，男，1987年生，2014年于中国地震局地质研究所获构造地质专业硕士学位，现为在读博士研究生，主要从事活动构造和新构造方面的研究，E-mail: li_xinnan68@163.com。