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西秦岭NWW向断裂系的几何图像与变形分配

张波  
【摘要】:西秦岭造山带位于青藏高原、鄂尔多斯和华南地块的过渡区,晚新生代以来,在青藏高原向北东扩展的构造背景下,受东昆仑断裂、西秦岭北缘断裂、龙门山断裂围陷的西秦岭造山带发生强烈的构造活动,形成显著的构造地貌,并在先存构造的基础上发育走向NWW和NE两组活动断裂。其中,NWW活动断裂系(白龙江断裂、光盖山-迭山断裂和临潭-宕昌断裂)是研究西秦岭构造变形的关键,对讨论块体过渡区的相互作用、东昆仑断裂东端的构造转换和东延终止等科学问题具有重要意义。论文以西秦岭造山带的三条NWW断裂为研究目标,通过宏观构造地貌分析和断裂新活动特征定量研究,分析西秦岭造山带和三条NWW断裂的长期构造变形,研究活动断裂的几何图像、活动性质、活动速率、古地震等定量参数,结合深部结构、大地构造、地震学、测绘等多学科资料,构建区域构造模型,讨论东昆仑断裂东端的构造转换和终止问题。主要研究结果如下。第一,跨区域的宏观构造地貌显示:西秦岭以迭山山脉为界分为南、北两部分,南部的长期构造抬升、河流下切显著强于北侧,白龙江流域受到由南向北的构造掀斜。第二,跨断裂的垂向宏观构造地貌显示:白龙江断裂的长期垂直分量较小,形成线性河谷和沟谷;光盖山-迭山断裂的垂向宏观地貌显著,断裂两侧垂直落差明显,形成迭山山脉和主夷平面、山间盆地、山前剥蚀面的边界,主夷平面发生数百米的垂直位错和1°-3°的构造掀斜;临潭-宕昌断裂的垂向宏观地貌明显,主夷平面的最大垂直位错约500 m,同时发生明显的构造掀斜。跨NWW断裂系的水系发生同步左旋拐弯,显示三条断裂具有长期的左旋走滑;左旋位移均明显大于垂直位移;位移峰值区均位于断裂中段。第三,通过遥感解译、野外考察、活断层填图、古地震探槽、差分GPS和无人机摄影测量、14C和OSL测年等方法,定量研究三条断裂的几何展布和运动学特征,得到如下结果。白龙江断裂分为西、中、东三段,西段和中段发生15°的顺时针旋转,中段和东段形成左阶阶区,阶区内发育武坪拉分盆地。西段呈帚状散开的形态,至少包括三条散开的分支;中段平直,线性较好;东段包括南支和北支,北支又包括两条次级分支。坪垭和葛条坪剖面显示东段北支断裂以左旋走滑为主,兼具逆冲分量,上新世-早更新世以来该分支的平均垂直滑动速率为0.04-0.11 mm/a。光盖山-迭山断裂分为西、中、东三段,西段和中段以腊子口左阶阶区分隔,中段和东段以化马左阶拐弯过渡,各段分为南麓和北麓断裂,包含2-3条次级分支;西段从裸露基岩山和森林穿过,遥感图像显示晚第四纪坡积物上发育断层陡坎和断层沟槽等新活动迹象;中、东段南麓断裂为1:50000填图段,新活动以左旋走滑为主,兼具倾滑;在黑峪寺、老庄村和布陀村限定左旋滑动速率分别为2.6-4.4 mm/a(未剔除最新事件的同震位错)、0.72±0.34 mm/a、0.67±0.19mm/a,老庄村点垂直滑动速率为0.13±0.03 mm/a,结合前人结果,认为光盖山-迭山断裂的整体左旋速率约1 mm/a,垂直活动速率0.5 mm/a;在巴盖村、下湾村和中牌村三个点限定4次古地震事件,分别是1385-2100 a BP、2765-3320a BP、12775-13005 a BP和18495-32950 a BP。临潭-宕昌断裂分为西、中、东三段,西段向西张开,东段帚状散开,中段形态收敛;完善了断裂的几何图像,发现了夏河断裂,该断裂与2019年夏河Ms5.7地震密切相关;首次发现断裂全新世活动的地质地貌证据,在贡恰村发现全新世断层陡坎并限定一次古地震2090-7745 a BP,在东段分支——木寨岭断裂的峪谷村、哈冶口发现全新统被断错;断裂整体以左旋走滑为主,局部段由于构造转换以逆冲为主,中段一条分支全新世以来的左旋走滑速率0.86-1.10 mm/a,东段主断裂全新世早期以来的左旋速率为0.86-1.65 mm/a,垂直滑动速率为0.05-0.10 mm/a,东段分支断裂——禾驮断裂晚更新世中期以来的左旋速率为0.47±0.15 mm/a,临潭-宕昌断裂的整体左旋速率约为1-2 mm/a。第四、区域构造模型和变形分配在东昆仑-西秦岭过渡区,NWW断裂系与东昆仑断裂左阶过渡,与NE断裂系交切过渡,在西秦岭内部形成多个次级块体。应变由次级块体向东传递或转换,调节西秦岭的内部变形。白龙江块体和岷县块体的东边界高度积累应变并以巨大地震(1654年天水南8级地震、1879年武都南8级地震)释放,而二者之间的次级块体沿边界断裂继承并继续向东传递应变至秦岭主造山带。区域地质剖面、小震剖面和深部结构显示,三条NWW断裂均向北倾,塔藏断裂、白龙江断裂和光盖山-迭山断裂组成白龙江构造带,是若尔盖盆地向西秦岭造山带的俯冲带,临潭-宕昌断裂向深部延伸归并到陡立、南倾的西秦岭北缘断裂带,是陇中盆地向西秦岭造山带的高角度俯冲带。综合宏观构造地貌、地表活动断裂及构造转换关系、深部结构等资料,认为西秦岭造山带总体上由南部的白龙江构造带、北部的西秦岭构造带共同控制,若尔盖盆地、陇中盆地向西秦岭的相向俯冲是西秦岭造山带的构造背景。万年尺度(活动构造研究)和十年尺度(GPS、区域构造应力场、小震分布)的构造变形研究显示,NWW断裂系以左旋走滑为主,白龙江构造带的左旋走滑源于东昆仑断裂的东端效应,临潭-宕昌断裂的左旋走滑可能与西秦岭北缘断裂相关。三条NWW断裂的晚第四纪左旋速率分别为1-2 mm/a、~1 mm/a、1-2 mm/a。若尔盖盆地东、西两侧,东昆仑断裂的滑动速率衰减1-3 mm/a,衰减值与白龙江断裂(1-2 mm/a)、光盖山断裂(~1 mm/a)的走滑相当。考虑到白龙江断裂、光盖山断裂和东昆仑断裂以左阶过渡,阶区内发育一系列活动断层,说明白龙江构造带和东昆仑断裂带可能在深部相连,白龙江断裂、光盖山-迭山断裂参与分配东昆仑断裂的左旋走滑。东昆仑东端无剩余左旋分量分配到北侧的临潭-宕昌断裂。东昆仑断裂东端的变形既向东传递,又向北传递。向东传递时,变形被塔藏断裂及其东侧的横向构造(虎牙断裂和岷江断裂)吸收,形成强烈隆起的岷山和频繁发生的大地震。向北传递到白龙江断裂和光盖山-迭山断裂,变形主要被哈南-稻畦子断裂吸收并以巨型地震释放,可能有很小的分量传递到两当-江洛断裂,甚至到秦岭北缘断裂。东昆仑断裂东端形成帚状散开的构造形态,断裂终止于西秦岭造山带。


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