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《中国地震局地质研究所》 2007年
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忻定盆地第四纪断块活动分期研究

张世民  
【摘要】: 忻定盆地第四纪断块活动分期研究 忻定盆地位于汾渭地堑系北段,是一个典型的新生代张性断陷盆地,其边界由北东向五台山北麓断裂、系舟山北麓断裂、恒山南麓断裂和北北东向云中山东麓断裂所围限,其中五台山北麓断裂与系舟山北麓断裂垂直错动强度较大,控制了盆地的主体地貌格局。盆地四周由持续隆升的断块山地围绕,五台山位于其东侧,最高峰北台顶海拔高度3058m,是华北地区的屋脊和著名的北台期夷平面命名地。断块山地向盆地一侧自北台期夷平面之下发育了3级夷平面和7级河流阶地,指示了多期隆升作用。忻定盆地有史以来发生了3次7级以上地震,研究地震活动有益于精细地刻画断块分期活动过程。 论文以忻定盆地周围山麓地带的层状地貌为主线,以五台山与系舟山北麓为主要研究地区,通过河流阶地与麓原面的共生关系对第四纪断块活动进行分期,通过阶地断代以及河流纵剖面的定量分析,对1.2Ma以来断块活动分期进行断代。在此基础上,进一步讨论了断块山地阶段性隆升的原因,以及晚第四纪以来断块分期活动的地震表现。取得的主要进展与认识如下: 1.提出了断层阶段性活动作用下麓原面与河流地貌的共生演化模式 在断块山地的山麓地带,同一期构造运动形成的麓原面与构造阶地有一定的共生关系。根据经典的断层崖演化理论,断块隆升形成断层崖;随后,断层崖上的冲沟下切侵蚀形成“V”字型峡谷;进入构造平静期后,沟床展宽形成“U”字型宽谷,同时断层崖遭受剥蚀而坡度降低,如果平静期足够长,断层崖后退形成麓原面;受下降盘盆地地表这一共同侵蚀基准面的控制,麓原面与宽谷谷底在山麓地带处在大致相同的高度;后期的断块隆升形成新的断层崖,原先的麓原面和宽谷被抬升,冲沟从断层崖开始溯源侵蚀形成阶地。在山麓地带,阶地与麓原面联合成一级地貌面,二者在空间上连续、在高度上可比。多个构造旋迴可以形成一系列由河流阶地和麓原面组成的多级联合地貌面。因此,可以通过联合地貌面的级数确定断块隆升的期次,并通过阶地的年代推断断块隆升的起始时间。 如果把断层活跃期理解为地震断层活动的丛集期,数十米的陡坎是多次地震位错的累积,而平静期理解为断层活动强度与频度的明显减弱,则在河流纵剖面上,阶地消失点下游会形成由一系列裂点组成的急流段,河床坡度较陡,河谷狭窄,而阶地消失点上游为缓流段,河床坡度较缓,是稳定期形成的宽谷地貌。急流段代表断层活跃期,缓流段代表稳定期。如果相邻两级阶地之间各裂点的后退速度是一致的,则可以根据急流段与缓流段的长度估算活跃期与平静期的持续时间。缓流段时间跨度T_(Si)=(T_i-T_(i-1))L_(Si)/(L_(si)+L_(Ri)),急流段时间跨度T_(Ri)=(T_i-T_(i-1))L_(Ri)/(L_(Ri)+L_(Si))。其中i为阶地级次,从低向高编号,Ti为第i级阶地的年代,L_(Ri)与L_(Si)分别代表第i级与i-1级阶地之间急流段与缓流段的长度。这样,我们可以得到断块活跃期或稳定期的起始年代与结束年代。 物质组成是制约断层崖演化的主要因素之一。松散沉积物构成的断层崖退化速度较快,地震周期的断层活动通常可留下易辨的复合断层崖与河流阶地等层状地貌。基岩断层崖则不然,地震周期内断层崖退化不明显,河床展宽也不明显,周期性地震断错仅会在冲沟中留下一系列跌水,但通常难以形成阶地系列。在坚硬的基岩山区,那些数十米乃至数百米高的复合断层崖和基座阶地形成于时间跨度更长的构造活跃期与平静期的交替,每一个构造活跃期由一系列丛集的地震位错事件组成,在上升盘的河谷中形成由一系列裂点构成的急流段和狭谷地貌,而构造平静期对应宽谷地貌与缓流段。河流溯源侵蚀古宽谷地貌形成阶地。 第四纪气候变化也是制约上述模式的主要因素之一。第一,河流对山地隆升作用的响应关系受到气候变化的制约。冰期河床的加积效应会使得河流对断块隆升的响应滞后,而间冰期的河流通常处于侵蚀状态或均衡状态,对断块隆升会有及时的下切响应。第二,气候变化可直接形成阶地。气候的周期性变化使河流发生周期性的堆积与侵蚀,会形成一系列阶地。如果山地处于稳定状态,每一次河流下切的深度变化不大,这些阶地的高度大致相当,构不成阶梯状地貌面。第三,气候变化影响裂点的后退速度。相邻阶地之间的裂点如果形成于不同气候期,各裂点之间的距离与形成的时间差之间并非线性相关,因此,用急流段与缓流段的长度估算构造期持续时间会造成一定误差。第四,气候周期性变化导致山盆地壳均衡升降效应,可能引发或触发断块山地的阶段性隆升。 第四纪气候的周期性变化加速了山地的侵蚀过程以及盆地的堆积作用,剥露作用导致的地壳均衡回弹效应成为山地隆升的驱动机制之一。间冰期,河流流量加大,山区遭受侵蚀,均衡作用导致地壳上隆;与此同时,盆地接受堆积,均衡作用导致地壳下沉。应变能的积累有利于盆地边界断裂发生倾滑错动。进入气候相对干冷的冰期,山区物质的外泄量明显减小,地壳均衡升降效应相应减弱。如果这一假设成立,气候周期性变化有可能引发断块山地的阶段性隆升。与区域构造机制或许不同的是,气候变化导致的山地隆升过程发生在间冰期,且始于间冰期的初期。 另外,尚有一些其它因素,使得上述模式复杂化。譬如,冲沟的发展会破坏麓原面在某些地段的完整性,而差异侵蚀作用或阶梯状断裂组合会在山麓地带形成同期多级地貌面,造成假麓原面地貌。岩性的差异、河床的堰塞会形成一些非构造成因裂点。支流的汇入使得下游主流河段的流量增加,裂点后退速度加快。因此,要合理的应用上述模式,需要在野外开展详细的地貌填图,仔细甄别。调查的冲沟尽可能多,以排除岩性差异与流域因素的影响。 2.麓原面的分级 在繁峙县南峪口附近的五台山北麓地带,以及定襄县湖村附近的系舟山北麓地带,自断层崖坡脚至唐县期夷平面之间共发育了6级麓原面(P1至P6),自下向上,逐级抬高,沿山麓呈带状展布,并被横向冲沟所分割。在横向冲沟分割的山梁上,麓原面呈相对平缓的坡面,宽度数米至数百米不等,坡度5°~25°。每一级麓原面由其前缘陡坎与低一级麓原面相连,陡坎的坡度为30°~60°。第1级麓原面(P1)的前缘陡坎为最新断层崖或洪积台地,断层崖的坡脚为断裂带地表出露位置;第2级以上麓原面是先成断层崖后退和抬升的结果,其前缘陡坎为后退的断层崖。P6麓原面向上经过一个斜坡转为平缓的唐县期夷平面(Pt)。6级麓原面指示了第四纪期间6期快速构造隆升事件。 麓原面在山麓地带构成阶梯状地形,大致平行山边线展布,高度较稳定。同一级麓原面在冲沟两侧的高度基本一致,其高度沿山麓走向即使有变化,这种起伏也是连续的,除非被横向断裂所断错。向一些大冲沟(先成冲沟)的沟口,麓原面往往与阶地面或古宽谷的谷底相联合。根据这些特点可以将麓原面与差异性侵蚀造成的局部地形台阶相区分。 断裂段活动强度的差异会导致同一级麓原面在不同地区高度的不同。五台山北麓在羊眼河以东与以西分属两条左阶雁列的断裂段控制。羊眼河以东,P6至P1麓原面海拔依次为1510~1560m,1450~1500m,1350~1410m,1290~1310m,1250~1270m,1215~1230m左右。在羊眼河以西,P6至P1麓原面海拔依次为1488~1493m,1430m,1385~1390m,1320m左右,1270~1290m,1225~1250m左右。P6至P4麓原面在东段较高,P3至P1在西段偏高,反映了第四纪晚期以来西段断裂活动相对加强的趋势。这一点也表现在麓原面的相对高度上。在东段山麓,P6至P1高出山前冲积平原面依次为260~310m、200~230m、130~185m、95~120m、30~65m、10~25m;而在西段山麓则依次为283~313m、225~250m、185~205m、115~140m、70~85m、40m,从P4开始,西段明显高于东段,至P2与P1,西段高出东段近1倍。因此,麓原面的区域对比需要连续追踪,并参照对应的河流地貌面。 3.河流阶地的分级与断代 五台山与系舟山北麓地区较大的横向冲沟中发育了7级第四纪阶地,系舟山东部滹沱河峡谷内保存了较完整的5级阶地。各级阶地面上发育了厚度不等的黄土—古土壤序列,为地貌面断代与区域对比提供了便利。 羊眼河是五台山北麓一条规模较大的横向冲沟,发源于海拔3058m高的北台顶东北侧,全长35km,向北出山后汇入滹沱河上游。自海拔1600m的唐县期夷平面之下,羊眼河发育了7级第四纪阶地,其中T1与T2为堆积阶地,T3至T5为基座阶地,T6与T7为侵蚀阶地,T5以下阶地上披盖了较完整的黄土—古土壤序列。通过古地磁极性测试与磁化率测试,建立了五台山北麓羊眼河T5与T4阶地的磁性地层,并与标准黄土剖面与深海氧同位素曲线做了对比,确定T5阶地上覆的最老风尘沉积是古土壤S15,对应氧同位素期MIS 37,形成时代为1.2Ma;T4阶地上覆的最老风尘沉积是古土壤S5,对应氧同位素期MIS 15,时代为0.6Ma;T3阶地上覆的最老风尘沉积是古土壤S1,对应氧同位素期MIS 5,时代为0.13Ma;T2阶地上覆的最老风尘沉积是黄土L1,对应氧同位素期MIS 2。通过~(14)C测年与释光测年方法确定T1至T3阶地的形成时代分别是6ka、20ka和134ka BP。 系舟山北麓横向冲沟的规模较小,且高级阶地遭受侵蚀破坏较严重。湖村一带,横向冲沟发育了6级阶地,其中T1与T2为堆积阶地,T3为基座阶地,T4至T6为侵蚀阶地。T1阶地至T3阶地的释光测年依次为6ka、20ka、140ka。T2、T3与T4上覆的最老风尘堆积为L1、S1与S5。 滹沱河流经整个忻定盆地,后从盆地的东南侧穿越系舟山东段继续东流。在系舟山东段戎家庄、赵家庄至岭子底一带的峡谷地段,滹沱河发育了5级保存完整的河流阶地。其中T1至T2阶地为堆积阶地、T3至T5阶地为基座阶地。T1阶地至T3阶地的释光测年依次为7.6ka、20~26ka、130ka。T2、T3与T4上覆的最老风尘堆积为L1、S1与S5。T5上覆黄土地层遭受侵蚀。 总之,五台山北麓与系舟山山麓地区同一级河流阶地覆盖有相同的黄土—古土壤序列,阶地时代比较一致,说明该地区河流阶地的形成受统一机制的驱动。 对忻定盆地的第四纪黄土首次开展磁性地层研究,对第四纪河流阶地开展系统的断代与区域对比,是论文的主要进展。 4.麓原面与河流阶地的共生关系及其构造指示 在五台山北麓南峪口一带和系舟山北麓的湖村一带,麓原面(P1至P6)与横向冲沟的阶地面(T2至T7)在沟口一带存在逐级联合的关系,构成了6级层状地貌面。联合地貌面沿山麓走向带状延伸、两端伸向冲沟上游,平面上呈“U”字型,且逐级抬高,环环相套。麓原面与阶地面逐级对应关系具有区域一致性。 断块阶段性隆升对联合地貌面的形成起主导作用,但气候变化与横向冲沟的流域差异导致了联合地貌面的起伏。联合地貌面的起伏与山前冲洪积平原地势的起伏有一致性。羊眼河是五台山北麓调查区最大的河流,丰富的物源和较大的流量在山前形成了以山口为顶点的巨大的洪积扇,使得联合地貌面的发育保持了自山口向外侧逐渐降低的趋势。末次冰期导致了羊眼河河床的加积作用,水量的减少使大量物质停滞在扇顶附近,加大了扇顶与扇缘的高差;相比之下,羊眼河东侧的R1至R6冲沟规模小、物源匮乏、河床坡降大,沟床加积作用不明显,山前洪积扇不发育。冰期与流域因素的联合作用加剧了山前地形的差异,导致了第一级联合地貌面的大起伏。 第一级联合地貌面(P1与T2构成)在基岩山麓仅表现为断层崖坡折,而第二级以上联合地貌面有明显的麓原面,说明足够长的构造平静期是形成联合地貌面的必要条件。断层崖的后退与河流的演化是两类不同的地貌过程。从野外调查结果来看,河流的溯源侵蚀速度通常远大于断层崖的后退速度。如果平静期非常短暂,尽管冲沟达到了均衡状态并发生了河床的侧蚀展宽,但断层崖没有明显的变缓或后退,随之而来的构造隆升会导致河流下切并形成阶地,但不会有对应的麓原面或断层崖坡折。T1阶地在出山口没有对应的麓原面,其在断层横跨的地段形成数米的陡坎,下降盘的同期沉积被埋藏于现代洪积扇之下,其形成既体现了断层活动,又与全新世气候最适宜期相一致,构造与气候因素是如何作用的,值得深入研究。 根据山麓横向冲沟阶地的沉积结构及阶地面上覆的最老风尘堆积,T3至T5阶地形成时河流处于侵蚀状态或均衡状态,因此断块隆升会导致河流的及时快速下切,阶地的年代可以作为快速构造隆升的起始年代。T2阶地形成时河流处于加积状态(在大冲沟)或侵蚀与均衡状态(在中、小冲沟),而此时末次冰期最盛期的干旱气候未能阻止河流的下切,可以推断气候因素对构造隆升导致的下切作用影响不大,如果下切时间稍有滞后的话,也不会太长。所以,T2阶地的年代可以近似作为最新快速构造隆升的起始年代。 基于麓原面与河流阶地的共生关系研究,认为五台山断块山地第四纪期间发生了6期较强的构造隆升过程,其中最后4次隆升过程的起始时代分别为距今1.2Ma、0.60Ma、0.13Ma和0.02Ma。该研究结果与前人对汾渭地堑系南部和青藏高原东北部的认识比较一致。 首次提出了麓原面与横向冲沟阶地之间的共生关系,并通过这种共生关系重建断块山地隆升的期次,有效地降低了单一地貌类型在隆升期次识别上的不确定性,是论文的主要进展。 5.横向冲沟纵剖面的特点与山地隆升的节律 根据五台山北麓3条冲沟和系舟山北麓4条冲沟纵剖面的测量结果,河床的纵剖面由一系列坡度较陡的急流段和坡度较缓的缓流段连接而成,其中急流段由一系列密集的大裂点联合而成,而缓流段发育的裂点高度小、间距大。阶地消失点正好对应河床坡折点,其下游为急流段,河谷狭窄,而上游为缓流段,河谷宽阔。鉴于断块阶段性隆升对横向河流下切起到主导作用,认为河流纵剖面的这种特点难以用岩性差异导致的差异性侵蚀来解释,应当是断裂分期活动的结果,急流段形成于断块快速隆升期(活跃期),多级裂点可能是多次地表位错的结果,而缓流段形成于稳定期,断层活动的强度与频率都较低。 假若相邻两级阶地之间的河段内各裂点后退的速度是一致的,根据阶地的时代、以及急流段与缓流段的长度估算各河段所代表的时段长度,进而估算各构造期(活跃期或平静期)的持续时间。据此,可将五台山断块山地近120Ma以来隆升的节律划分为,快速隆升期为距今1200至1056ka、600至522ka、130至99ka、20至0ka,其他时段为稳定期。可将系舟山断块山地近120Ma以来隆升的节律划分为,快速隆升期为距今1200至1063ka、600至486ka、130至106ka、20至0ka,其他时段为稳定期。两个地区的估算结果可比,但有差异,认为这种差异是统计样本偏少,局部岩性与流域差异等因素所致,随着调查地区与统计样本的增加,局部因素可以进一步消除。统计表明,活跃期的持续时间比其相邻稳定期小的多,是其前一个稳定期的1/2.4~1/18.8,是其后一个稳定期的1/2.0~1/6.7。且稳定期持续时间越长,其后一个活跃期的持续时间也长。 五台山北麓唐县期夷平面、P6与P4麓原面高出山前洪积扇分别为400m、270~290m、130~180m,系舟山北麓唐县期夷平面、P6与P4麓原面高出山前洪积扇也分别为400~430m、350~370m、145~160m,说明第四纪早期与晚期山地的隆升幅度大致相当(以1.2Ma为界),但包括唐县期夷平面解体的构造事件在内,上新世末至距今1.2Ma之间共有3个快速隆升期,而距今1.2Ma以来有4个隆升期(不包括T1阶地的下切事件)。说明尽管第四纪以来山地的长期平均隆升速率变化不大,但阶段性隆升的频度在1.2Ma以来增大了,且近1.2Ma以来具有隆升作用频度增大、隆升期持续时间变短、隆升速率变大的趋势。 阶地消失点附近的某些河段存在坡度的过渡带,即缓流段与急流段构成“S”型坡折,说明构造活动的转型有时可能存在过渡期,但需要在统计样本增加的情况下进一步核实。 从近2万年以来的古地震研究结果来看,地震地表位错的次数与T2阶地消失点以下的裂点数并不能较好的对应,裂点数一般少于地震的期次,原因尚需探索。 在明确了断块隆升在河流阶地形成中的主导作用前提下,通过阶地断代与河流纵剖面分析估算各构造期的持续时间,提高了构造期的断代精度,是论文的主要进展。 6.断块山地分期隆升的成因探索 忻定盆地周缘断块山地阶段性隆升存在两种可能的机制:区域构造活动机制与气候变化机制。区域地壳拉张作用下盆地的阶段性裂陷,会导致边界断裂的多期活动和山地的相对隆升。第四纪气候变冷、变化幅度增大的趋势使得山地经受了越来越强烈的周期性侵蚀,由此引发的周期性地壳均衡回弹效应,也是断块山地阶段性隆升过程中不可忽视的动力因素。 区域地壳拉张裂陷导致盆地一侧地壳减薄与沉陷,与裂谷翼部较厚的地壳和较高的地势形成反差,是山盆地壳均衡升降效应的前提条件。尔后,裂谷翼部的剥露作用通过山盆地壳均衡升降效应不断消减山盆之间地势与地壳厚度的差异,直至实现地壳厚度均一化,地形夷平化,山地相对隆升过程终止,进入麓原化阶段。因此,地壳均衡回弹是与Davis侵蚀旋回相伴生的地壳动力过程。 阶梯状麓原面的相对高差表明,上新世晚期以来忻定盆地周缘断块山地的长期平均隆升速率变化不大,但隆升的频度在1.2Ma以来明显增大了,且隆升期具有持续时间变短、隆升速率变大的趋势。这一现象难以用单一的区域构造活动机制解释。另一方面,近1.2Ma以来的快速隆升期与气候变化周期并不能完全吻合,说明气候变化并非主导因素,但统共4个隆升期中有3个始于间冰期初期,2个完全发生在间冰期,显示隆升作用与气候变化在时间上似乎有一定的关系。 气候变化导致的地壳均衡回弹效应自第四纪以来、尤其是1.2Ma以来趋于加强,在山地隆升过程中扮演越来越重要的角色。从间冰期到冰期,地壳均衡回弹效应具有强弱交替的特点,并周期性地施加于地壳动力过程中,有利于促进山体的阶段性隆升,这或许是第四纪中期以来山地隆升频度加大的原因。由于山地的侵蚀作用在冰期向间冰期转换时最强,山盆地壳均衡升降效应因而最显著,使得山地快速隆升多开始于间冰期的初期。第四纪气候变化使得山地的侵蚀作用趋于加强,加速了山地隆升期的进程,这或许是第四纪中期以来隆升期持续时间变短以及隆升速率加大的原因。 总之,经历了白垩纪晚期至第三纪早期长期广泛的北台期夷平作用之后,忻定盆地周缘地区处于地壳厚度均一化、地形夷平化状态。区域地壳拉张裂陷作用形成了裂谷盆地,并与气候变化共同控制了盆地周缘断块山地的第四纪阶段性隆升。第四纪以来,气候变化导致的山地侵蚀作用趋于加强,强化了地壳均衡回弹效应,并周期性地施加于地壳动力过程中,有可能是导致第四纪以来山地隆升作用频度加大、隆升期持续时间变短、隆升速率加大的关键因素。 初步探索了区域构造活动与气候变化在断块山地第四纪阶段性隆升中的作用,是论文的主要进展。 7.晚第四纪以来断块分期活动的地震表现 系舟山北麓断裂在距今100ka至22ka之间活动不明显,未发现地震地表位错事件;距今22ka以来垂直位移量达16~18m,发生了6~7次地表位错型地震事件。地震活跃期与最新断块活跃期相吻合,而地震平静期与末次断块稳定期相吻合。 近22ka以来,系舟山北麓断裂在早期和晚期的地震活动相对丛集,中间相对稀疏。震级也存在从大到小、再由小到大的变化趋势。五台山北麓断裂在距今6~7ka之前经历了相对平静期,之后进入地震活跃期。冲沟纵剖面揭示最新断块活跃期可划分为几乎等长的3个活动亚期,活动性依次为强、弱和强,体现了不平稳的特点。从系舟山北麓断裂的古地震研究来看,从末次稳定期转入最新活跃期是突然的、强烈的。 从古地震和微构造地貌方面对晚第四纪以来断块分期活动做了精细研究,是论文的主要进展。
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