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东天山东段几条主要断裂晚第四纪活动证据与变形机制

吴富峣  
【摘要】:中亚地区是研究陆内变形的极好的地质实验室,对理解陆内变形机制影响深远。天山原本是晚古生代形成的古老造山带,新生代以来印度欧亚大陆的碰撞的远程效应造成其复活,重新开始隆升。天山作为典型的大陆内部挤压造山带,其变形主要集中于山前逆冲断层和大型走滑断层上,缩短变形是晚第四纪以来构造变形的主要吸收方式。自西向东,GPS速度场和活动构造研究都证实天山缩短缩率逐渐变小,由喀什一带的西南天山的20mm/a渐变为东天山一带的微乎其微,暗示现今东天山和西天山、西南天山变形机制的不一致性。一直以来,西天山和西南天山活动构造研究都是研究热点,但对于东天山的研究,尤其是活动构造和新构造方面的研究,却很少有人关注,研究程度很低。东天山山链地理上自西向东包含博格达山、巴里坤山和哈尔尼克山,北接阿尔泰构造带,东接戈壁阿尔泰构造带,是阿尔泰、戈壁阿尔泰和天山的构造交汇区。更具体的说,它也是阿尔泰WNW和NNW方向的右旋构造和戈壁-阿尔泰NE~E方向的左旋构造体系的交汇转换区域。东天山一带的晚第四纪变形特征,也就是晚第四纪以来变形模式,目前的认识并不清楚。东天山以西的天山主要以块体的缩短变形来吸收印欧板块的汇聚量,东天山以北的阿尔泰和以东的戈壁阿尔泰区域的构造变形机制却是以走滑和块体旋转为主,那么位于这个转换部位的东天山东段的构造变形机制是什么?东天山东段是否与阿尔泰和戈壁阿尔泰一样,晚第四纪以来发育有明显的走滑变形?解决这两个问题,首先要回答东天山东段几条主要断裂带的活动性质如何,这些断裂带与东天山历史上1842年和1914两次71/2级历史地震的关系如何,其大地震活动周期又是多少,这些地震活跃度所反映的构造动力机制又是什么?再者,如果存在走滑变形,那么它与挤压缩短变形的关系又如何,两者在是如何进行耦合来调节巴里坤盆地和东天山东段山链的演化?解决这些问题,不仅能为东天山东段区域内的断裂系统的地震危险性评价提供定量资料,更有助于理解东天山东段现今变形机制和东天山构造域与阿尔泰、戈壁-阿尔泰构造之间变形转换的机制。本论文在分析整理前人资料的基础上,通过高分辨率卫星影像解译,进行了详细的野外地质调查,确定了东天山东段几条主要断裂的平面几何展布特征;调查了1842年和1914两次71/2级历史地震的地表破裂带展布;在几条断裂的重要段落上进行了探槽开挖,同震位移测定和地貌测量等工作,分析了断裂的破裂行为;利用14c和光释光测年,恢复了断裂晚更新世以来的破裂历史,同时结合10be暴露地貌面测年技术,对断裂晚更新世以来的滑动速率进行了计算。最后通过活动构造滑动速率和gps速度场综合分析了东天山东段走滑变形和挤压缩短变形的耦合机制,给出了区域内初步的变形模式。通过上述研究,本文的主要认识如下所述:1)博格达山前东缘的碱泉子-托莱泉断裂走向近ew,与区域主压应力呈锐角,发育明显的左旋走滑运动,沿断裂发育多个拉分盆地。地貌测量显示断层有~4m左右的最小位移。断裂带最东段通过托莱泉拉分盆地与巴里坤山相连接,盆地南侧长边界长约7km,南北宽约4.5km,长宽比约1.55,远低于3的成熟拉分盆地比值,显示盆地仍在不断发育中。盆地内qp2冲积扇被位错1.2~1.5km,认为断裂带的累积位移粗略估计断裂qp2以来滑动速率为1.5~2.3mm/a。2)碱泉子-托莱泉断裂进入巴里坤山之后沿巴里坤山南北麓分为南北两支,北支为巴里坤盆地南缘断裂。断裂西段走向近ew,左旋走滑特征明显,雄库尔附近发育长约15km的地表破裂带,确定其为1842年71/2历史地震破裂带。在雄库尔开挖的探槽研究揭露了最新的四次古地震事件,距今时间最长的一次事件(事件4)则发生在4663bc~3839bc,表明断裂4663bc以来至少经历了4次活动,4663bc~3839bc以来事件的平均复发间隔为1420~1626年,断裂活动遵循准周期规律。沿雄库尔地表破裂带的冲沟左旋位错调查和统计表明断裂活动遵循特征滑动模型,断裂每次活动会在地表造成~4m的位错,实测的~16米累积位错很可能代表了冲沟自形成以来被累积位错了4次。据此得到巴里坤盆地南缘断裂西段全新世的平均左旋走滑速率2.4~2.8mm/年,该值与托莱泉拉分盆地中的初步估计值1.5~2.3mm/年十分接近。由于断裂走向与区域主压地应力角度的变化,断裂在雄库尔以西洛包泉一带的活动特征开始发生转变,逆冲运动分量的出现使得断裂具有花状结构,北侧前缘分支断裂以逆冲运动为主,在地表形成约8m的陡坎,南侧靠近山麓的主断裂仍然以左旋运动为主。3)巴里坤盆地南缘断裂东段走向nw,与区域主压应力垂直,其近地表运动以低角度逆冲为主。在红山段开挖的探槽揭露出断裂的最新三次事件,结合14c测年数据,研究发现断层自9710±40bp以来至少有一次古地震事件,古地震的平均最小复发周期为3355±40年。作者通过古地震事件分析和断层平衡剖面恢复得到了断层的平均垂直位错量为1.6±0.1m,而平均缩短量为1.7±0.4m,两者之比接近1,与探槽中的主断层倾角的正切值十分接近。据现有数据得到断层的最小隆升速率为0.15~0.17mm/a,最小缩短速率为0.13~0.22mm/a。4)巴里坤盆地南缘断裂东沿进入哈尔尼克山,称之为哈尔尼克山中央断裂。与巴里坤盆地南缘断裂东段相比,此段断裂与区域主压地应力的交角变小,左旋走滑运动分量明显,在党参沟-白杨沟一带的地貌分析认为该段断裂的累积左旋位移量约1km。在伊吾盆地南缘断裂上发育长约10km的地表破裂带,位错了最新的河漫滩堆积,确定其为1914年71/2历史地震破裂带。5)碱泉子-托莱泉断裂分叉后的南支为哈密盆地北缘断裂,展布在巴里坤山南麓,近nw方向延伸约200km,主要表现为逆冲运动。断裂在德外里-四道沟一带的活动痕迹最为明显,在德外里的t2地貌面上开挖的探槽显示断裂展现出一种典型的低角度逆断层的特征,近地表的断层倾角约30°。结合osl测年数据,得到断裂上大地震平均活动周期为5.6±1.3~9.5±1.1ka。综合探槽地层分析和探槽a、b中的古土壤层沉积年龄数据,研究得到断裂的~20ka以来的长期最小垂直活动速率为0.08~0.13mm/a。依据t2地貌的暴露年龄和t2地貌面上的断层陡坎高度(5.3~8.2m),研究得到~50ka以来断层的长期垂直活动速率为0.10~0.18mm/a,取探槽中活动断层的平均倾角30°,得到断层50ka以来的缩短速率为0.17~0.31mm/a。6)从具体的角度来说,东天山东段各条断裂的活动特征与断裂走向和区域主压应力之间的夹角有关,当交角为锐角时展示走滑运动,当两者互相垂直时,以逆冲运动为主。同时发育的走滑变形和挤压缩短变形显示东天山东段具有转换挤压的性质,两者耦合在转换挤压造山过程之中。走滑速率(2.4~2.8mm/a)远大于挤压缩短变形速率,暗示东天山东段现今变形过程中走滑构造至少具有和挤压缩短构造同样的构造地位,山脉根部的挤压缩短变形不是东天山东段唯一的变形机制,走滑构造的侧向调整也是重要机制之一。东天山东段通过戈壁天山断裂系(gtsfs)与外蒙古戈壁-阿尔泰构造域相连,走滑构造的侧向调整可能通过此断裂系向东传递变形。东天山东段的走滑变形速率与戈壁-阿尔泰内部的走滑速率相比,有~1mm/a的亏损,这些变形可能在沿GTSFS传递的过程中被隆升和缩短变形所吸收分解。


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