吐鲁番盆地西南缘博-阿断裂晚第四纪活动特征

时间：2024-09-03

马建吴国栋李军黄帅堂

1)新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站，乌鲁木齐 844000 2)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011

0 引言

天山是横亘于中亚地区最为宏伟的板内造山带，形成于晚古生代末期，经历了中生代长期夷平作用后，新生代印度板块与欧亚板块的碰撞使得天山再度隆起(Allenetal.，1993； Avouacetal.，1993；张培震等，1996；邓起东等，2000)。研究表明，天山新生代的构造变形主要表现为南、北两侧发育逆断层-褶皱带(Tapponnieretal.，1979；邓起东等，2000； Thompsonetal.，2002)，而天山内部则以NW或近EW向走滑断裂为主(Tapponnieretal.，1979； Burtmanetal.，1996； Selanderetal.，2012)。南、北两侧逆断裂-褶皱带是天山地区主要的构造形变带，吸收了天山地区绝大部分变形量(Avouacetal.，1993；张培震等，1996；邓起东等，2000；张培震，2003； Chenetal.，2007；杨少敏等，2008；杨晓平等，2008；吴传勇，2016)。但位于天山内部的大型走滑断裂也很发育，且规模宏大，如呈右旋走滑的塔拉斯费尔干纳断裂、库拉山断裂、喀什河断裂，以及左旋走滑的那拉提断裂和克敏断裂等(Tapponnieretal.，1979； Zubovichetal.，2010)。这些断裂大多为古生代先存断裂，规模巨大，表现出线性笔直的槽谷型地貌或成为基岩山体和山间盆地的边界断裂，通常可延展数百千米，天山内部强震的孕育和发生常与这些断裂关系密切(聂晓红等，2005；龙海英等，2008； Selanderetal.，2012； Campbelletal.，2013)。博罗可努-阿齐克库都克断裂(博-阿断裂)也是一条规模宏大的右旋走滑断裂带，西起哈萨克斯坦境内，沿NW向进入中国境内，向E穿过阿拉山口、艾比湖、吐鲁番盆地西南缘，终止于觉罗塔格山山体内，全长约1000km。目前，学者们对该断裂的研究主要集中在西段(阿拉湖—精河一带)。杨晓平等(2000)得到博-阿断裂晚更新世以来在精河县东南的走滑速率约为4.7mm/a； Campbell等(2013)得到晚第四纪以来该断裂在阿拉山口段的右旋走滑速率约为2.2mm/a，至少具备发生7级地震的能力；胡宗凯等(2019)认为博-阿断裂精河段晚更新世以来的平均右旋走滑速率为(3.1±0.3)mm/a。

通过卫星影像发现，博-阿断裂沿SE向进入吐鲁番盆地西南缘，并断错了河流阶地、洪积扇等多种地貌，在地表形成清晰的线性特征，这表明该段断裂晚第四纪以来有过明显活动，但目前尚未对博-阿断裂在这一地区的构造变形特征开展过详细的研究，仅有的成果也多通过影像解译获取(沈军等，2003)，缺乏可靠的实地调查数据。此外，断裂从阿拉山口至依连哈比尔尕山北西缘的走向为340°，从依连哈比尔尕山北西缘至吐鲁番盆地南缘附近的走向为300°，偏转了近40°，在走向发生大角度偏转的情况下，断裂的运动特征与西段是否一致？具体的位错量是多少？以上问题目前尚未有明确的回答。本文通过实地调查、开挖探槽、无人机摄影测量等方法对博-阿断裂在吐鲁番盆地西南缘的构造变形特征进行研究，所得结果有助于理解博-阿断裂在天山新生代构造变形中的作用。

图 1 天山地区的主要活动构造Fig. 1 The distribution of active faults in Tianshan region.BAF 博-阿断裂； DKF 东别列克断裂； DTF 达尔布特断裂； FYF 富蕴断裂； KSHF 喀什河断裂； NLTF 那拉提斯断裂； BLTF 北轮台断裂； XDF 兴地断裂

1 博-阿断裂活动的地质地貌证据

博-阿断裂全长>1000km，在中国境内约860km，断裂沿阿拉湖西南缘进入中国境内。阿拉湖西南至艾比湖以北段，断裂切过山前洪积扇和基岩丘，较大河流的各级阶地都被右旋错动；从艾比湖至精河县城以东长约55km的范围内，断裂基本处于隐伏状态；在精河以南断裂又出露地表，并断错中—晚更新世的洪积扇，形成断层陡坎、断层鼓包等与断层活动有关的微地貌(杨晓平等，2000；沈军等，2003)；之后其向SE延伸进入山区，走向由NW向逐渐转变为NWW向，长约410km的段落位于高山无人区和现代冰川活动区，向E经胜利达坂，切过阿拉沟到达吐鲁番盆地西南缘。

在吐鲁番盆地西南一带，断裂向E从基岩山区延伸至山前冲洪积扇上，在地表形成了冲沟位错、断层陡坎等一系列地貌现象。本次工作主要聚焦于吐鲁番盆地西南缘，在卫星影像解译的基础上，利用无人机、差分GPS对断裂活动的典型地貌面开展测量工作，并在局部开挖探槽，以确定断裂的构造变形特征。

图 2 研究区的断裂分布图Fig. 2 The distribution of fault in the study area.

1.1 研究区地貌

研究区位于吐鲁番盆地西南缘，总的地貌特征呈“山-山麓”格局，博-阿断裂带以南为高耸的觉罗塔格山体，以北则发育一系列不同期次的冲洪积扇。通过高分辨率的卫星影像解译和现场实地调查，并依据冲洪积扇的位置高低、形态特征、表面冲沟发育及沉积物特征等，将吐鲁番盆地西南山前发育的冲洪积扇分为3期(图 3)：第1期冲洪积扇称为Fan3，其形成时代相对较早，分布较为局限，多残留于河流出山口两侧，大多被后期年轻的冲洪积扇切割和侵蚀，在卫星图像中多呈灰色，扇体表面遭到后期流水的强烈侵蚀，多发育深达2～7m的顺向切沟，参考天山及吐鲁番盆地第四纪地貌的研究成果(邓起东等，2000；陈立春，2011)，该期地貌面大致形成于晚更新世早期；第2期冲洪积扇称为Fan2，为研究区内分布最为广泛的地貌面，在卫星影像中表现为灰白色沉积面，虽然遭受后期水流切割，但扇体基本呈现出完整且平坦的表面，自然坡降仅约2°，该期地貌面大致形成于晚更新世晚期—全新世早期；第3期冲洪积扇称为Fan1，属全新世堆积物，多位于河流冲沟的出山口处，形成不规则扇形倾斜面，在卫星影像中该地貌单元与其他地貌单元之间的色调差别非常明显，呈灰黑色，岩性主要为来自基岩区的花岗岩砾石，呈次棱角状，分选较差，粒径以10～30cm为主，含大漂砾，松散堆积，绝大部分砾石颗粒表面发育褐黑色的沙漠漆。

图 3 研究区内的冲洪积扇分布图Fig. 3 The distribution of alluvial-proluvial fan in the study area.

1.2 冲沟右旋位错

1.2.1 祖鲁木台沟以西

在祖鲁木台沟以西约11km处，断裂从山前冲洪积扇的根部切过，在地表呈现出线性平直的陡坎地貌。我们利用旋翼无人机对该区域进行摄影测量，获得了高分辨率的数字地形高程数据(DEM)。从图 4a 中可以看出，Fan3冲洪积扇表面的冲沟在断层陡坎穿过处发生了显著的同步右旋错动，宏观上呈现出“Z”形态，这样的水系扭曲形态与断裂右旋走滑的运动性质完全一致。

为得到该段断裂准确的右旋位错量，我们对5条发生明显位错的冲沟进行测量，以冲沟流水线切线与断裂交点之间的距离作为冲沟的水平位移量。虽然这5条冲沟均位于Fan3冲洪积扇上，但测量结果表明这5条冲沟的右旋位错量均不一致，介于22～40m之间(图4b)，通过现场调查及影像解译的结果可知，这5条冲沟的规模并不相同，其中冲沟5的深度、宽度均远大于其余4条冲沟，表明冲沟5发育最早，积累的位错量也最大。

此外，断裂活动在Fan3冲洪积扇表面形成的陡坎为顺向(南高北低)，陡坎总体坡向为N向，利用差分GPS实测的陡坎高度为3.9～4.2m(图 4)。野外调查发现深切断裂的冲沟揭露出清晰的断层剖面，古生代基岩向N逆冲于第四纪砾石层之上(图5)，断层破碎带宽约1m，倾角约为30°，倾向为160°，断层滑动面出现在灰紫色-灰黄色碎裂岩中，下盘砾石层受到牵引变形，邻近断层向N倾30°，远离断层倾角逐渐变缓，这反映出博-阿断裂也兼具一定的逆冲分量，但冲沟的右旋位错量远大于陡坎高度，说明断裂在该点的运动以右旋走滑为主。

值得注意的是，无论是现场调查还是无人机影像解译，均仅在Fan3冲洪积扇表面发现了断层陡坎及冲沟位错，在与之相邻的Fan2和Fan1冲洪积扇上未能发现明显的断裂活动迹象(图 3，4a)。

图 4 祖鲁木台沟以西冲沟的右旋位错及陡坎剖面图Fig. 4 Gully right-lateral displacement and scarp section in the west of Zulumutaigou.

图 5 祖鲁木台沟以西断裂的剖面及素描图Fig. 5 Fault section in the west of Zulumutaigou.

1.2.2 祖鲁木台沟东岸

祖鲁木台沟以西长约10km的山前地带主要被Fan1、 Fan2冲洪积扇所覆盖，没有发现断裂在地表的活动迹象。断裂向E延伸至祖鲁木台沟东岸一带又出露于地表，并沿SE向在基岩区延伸约6km，断裂的线性影像特征十分清晰，断层两侧岩性色调差异明显，地貌上表现为明显的阶梯状地形(图6a)。出露于祖鲁木台沟东岸的剖面显示断裂以南的花岗岩体向N逆冲于志留系片岩之上，发育宽约1.5m的断裂带(图6b)，断裂面产状为298°∠85°，断裂带内的岩石极为破碎，由内部向两侧依次呈挤压的断层泥、糜棱岩和断层角砾，表明断裂曾经历过强烈的挤压作用。

断裂自基岩区延伸而出后从Fan3冲洪积扇的根部穿过，延伸约2km。受断裂活动影响，一系列横跨断层的冲沟被不同程度地右旋错动(图7)。我们对发生明显位错的冲沟进行测量，结果表明冲沟的位错量介于46～70m。但断裂穿过Fan3冲洪积扇后，沿断裂走向追溯，在Fan2冲洪积扇上未发现明显的地表断错现象。

图 6 祖鲁木台沟东岸断裂的地貌特征Fig. 6 Pictures of faulted landforms in the east of Zulumutaigou.

图 7 祖鲁木台沟以东冲沟的右旋位错Fig. 7 Gully right-lateral displacement in the east of Zulumutaigou.

1.3 陡坎垂直位错

通过高精度影像解译和现场调查发现，在主断裂以北，祖鲁木台沟西北的Fan2冲洪积扇上发育2条呈右阶斜列的次级断裂(图 2)。

其中，西段长约700m，在卫星影像中呈弧形展布(图 8)，总体走向NWW，在地表形成坡向NE的顺向断层陡坎。通过现场调查并结合无人机影像对穿越陡坎的冲沟进行了详细的分析和解译，发现冲沟在陡坎前缘处并未表现出明显的右旋错动特征，实测陡坎的垂直位移量为1.6～2.6m。在垂直于陡坎方向布设的探槽TC1中共揭露出5套主要地层(图 9)，具体描述如下：

图 8 西段的陡坎影像(位置见图 2)及实测剖面Fig. 8 Image of fault scarp(See Fig. 2 for location)and measured sections.

图 9 TC1的照片Fig. 9 Photo of the trench TC1.

层①为灰黄色含砾粉土层，上盘相对较薄，厚约10cm，下盘厚30～50cm，含少量青灰色砾石；

层②为青灰色砾石层，厚30～50cm，粒径以1～2cm为主，分选一般，磨圆较差，含少量巨砾，中粗砂充填，无明显层理，较松散；

层③为灰黄色含砂土层，上盘相对较薄，厚10～15cm，下盘厚约50cm，粒径以2～5cm为主，分选较好，呈次圆状，粉土及细砂充填，层理不发育，胶结一般；

层④为灰黄色砾石层，厚50～80cm，含少量砾石，粒径以5～20cm为主，局部含漂砾，层理不发育；

层⑤为深灰色砾石层，仅出露于断层上盘，粒径多以5～10cm为主，呈次圆状，分选较好，偶含漂砾，中粗砂充填，水平层理较为发育。

于探槽东壁揭露出1条清晰的倾向S的低角度逆断层，断层产状为215°∠31°，断层带宽5～15cm，带内砾石有一定的定向排列，该断层断错了除层①以外的所有地层，断层下盘的砾石多产生明显的牵引变形。在断层下盘识别出1个断塞塘(W)，由粉土和砾石组成，无层理，可能代表1次古地震事件。

东段长约960m，与西段呈右阶斜列，总体走向NW，在地表呈NE坡向的顺向断层陡坎，实测陡坎的垂直高度为2.4～3.9m。与西段类似，横穿陡坎的冲沟未表现出明显的右旋错动。为确定断层在剖面上的几何特征，沿垂直陡坎方向布设了探槽TC2(图 10)，在探槽的东壁共揭露出5套地层，描述如下：

图 10 东段断层陡坎的影像(位置见图 2)及实测剖面Fig. 10 Image of fault scarp(See Fig. 2 for location)and the measured sections.

层①为灰黄色粉土，厚10～30cm，属坎前堆积物，呈楔状，仅在断层下盘有少量分布；

层②为灰黄色砾石层，仅在陡坎前缘有少量分布，呈楔状，厚30～50cm，被f2断错。

层③为浅灰色砾石层，仅出露于断层下盘，层理不清，局部砾石的成层性较好，分选一般，粒径为4～8cm，磨圆差，多呈次棱角状；

层④为灰色砾石层，略具层理，局部夹砂层透镜体，分选较好，粒径为2～5cm，粒径较大者达10～15cm，偶有直径达50cm以上的漂砾；

层⑤为灰黄色砾石层，仅出露于断层上盘，层理较发育，夹细砂透镜体，粒径以2～5cm为主，磨圆、分选均一般，粉土充填；

从揭露的剖面(图11)可以看出，断层带宽约4m，由3条缓倾的逆断层组成，其中f1仅断错了底部的砾石层，被层③覆盖，f2、 f3断层活动使沿断层两侧的砾石、细砂透镜体均被错动，出现明显的牵引变形，其中f3使层③底部砾石被断错，呈反“Z”字形变形，并形成约2m的逆冲缩短量。

图 11 TC2的照片及素描图Fig. 11 Photo and sketch of the trench TC2.

2 讨论

博-阿断裂是一条斜切天山的大型右旋走滑断裂。从断裂控制的地层和侵入岩体来看，它于早古生代前即已形成，切割深度到达岩石圈(宋和平，2005)。断裂西段(阿拉湖—精河西南一带)的走向呈NW向，在遥感影像中表现出单一、线性且连续的分布特点，以右旋走滑为主要特征，水平滑动速率为2.2～5.0mm/a(杨晓平等，2000； Campbelletal.，2013；胡宗凯等，2019)。在精河西南一带，深切断层的冲沟揭露出完整的地质剖面，主断层面倾向NE，倾角达67°，显示断裂还具有一定的正倾滑活动分量。陈正位(2013)认为博-阿断裂在阿拉湖—精河西南一带以右旋走滑为主，但从四棵树河东至吐鲁番盆地东，博-阿断裂的走向转变为NWW向，与西段相比偏转了近40°，已属逆冲性质的断裂。冲沟揭露的剖面(图5a)显示，博-阿断裂在吐鲁番盆地西南一带曾经历过强烈的挤压作用，并具有一定的逆冲分量，在地表形成陡坎地貌。但实测的地形、地貌数据表明，断裂在地表形成的冲沟位错远大于陡坎高度(图 4)。因此笔者认为，与西段相比，断裂的走向在吐鲁番盆地西南一带发生了显著转变，同时也具有一定的逆冲分量，但运动方式仍然以右旋走滑为主。

研究区位于吐鲁番盆地西南部，其主要的构造带为区域东北部的吐鲁番盆地中央隆起带和博-阿断裂，在山前第2期冲洪积扇(Fan2)上发育了2条规模较小、与博-阿断裂近平行且倾向SW的逆断裂，那么如何理解这2条次级逆断裂的归属？邓起东等(2000)认为，新生代以来吐鲁番盆地遭受博格达山由北向南迁移的挤压，盆地构造变形顺基底滑脱面由北向南进一步向盆地内迁移，形成一系列由断展褶皱组成的中央隆起带，这表明中央隆起带是受由北向南的挤压作用而形成的，而研究区内的这2条次级逆断裂的倾向均为SW，并表现出由南向北逆冲的趋势，这与研究区博-阿断裂的产状较为类似。笔者认为，这2条次级逆断裂仍归属于博-阿断裂。由于研究区内缺少深部资料，只能初步判断这2条次级逆断裂可能是主断裂派生出的次级断裂，亦或是由于断裂向盆地扩展而出露地表，但上述2种判断均缺乏可靠的数据支持。考虑到这2条次级逆断裂断错了第2期冲洪积扇(Fan2)，而位于山前的主断裂主要断错了第1期冲洪积扇(Fan3)，在第2期冲洪积扇(Fan2)表面未发现明显的活动迹象，表明二者的活动时代可能并不同步，这2条次级断裂的活动时代晚于主断裂，因此笔者更倾向于这2条次级断裂是主断裂向盆地方向扩展而形成的观点。本次工作未发现这2条次级断裂具有右旋走滑的特征，初步判断可能是由于陡坎受后期水系侵蚀，原始地貌未能较好保存所致。

研究区内主要发育3期冲洪积扇，虽然本次工作并未获取具体的测年结果，但一些大规模的区域性地貌面往往是较大范围第四纪构造作用与气候环境阶段性演化的响应结果，其形成与发育具有区域可比性，因此我们认为研究区内第四纪地貌的年龄与仅有一山之隔的柴窝堡盆地内的第四纪地貌年龄基本一致。陈立春(2011)对乌鲁木齐山前及柴窝铺盆地内的区域性地貌面与气候-构造的耦合关系进行了分析，并确定了几级区域性地貌面的形成时代。其中，山前现代戈壁平原形成于12～15ka前，与研究区内的第2期冲洪积扇(Fan2)属同一级地貌面；比现代戈壁面高数米的高戈壁面形成于74ka前，与研究区内的第1期冲洪积扇(Fan3)相对应。因此我们认为，第2期冲洪积扇(Fan2)的年龄为12～15ka，第1期冲洪积扇(Fan3)的年龄为74ka。考虑到断裂在第1期冲洪积扇(Fan3)的最大右旋位移量为(70±2)m，可初步估计自第1期冲洪积扇(Fan3)形成以来博-阿断裂的右旋滑动速率约为1mm/a，在第2期冲洪积扇(Fan2)上形成的陡坎高度为1.6～3.9m，估计自第2期冲洪积扇(Fan2)形成以来断裂的垂直活动速率为0.13～0.32mm/a。

新生代以来，天山南、北两侧发育多排逆冲-褶皱带，成为天山变形的主要吸收区(张培震等，1996；邓起东等，2000)，而发育在天山内部的大型走滑断裂则通过其所围限的次级块体之间的相互运动调节近SN向的挤压应力(黄伟亮等，2018)。依据GPS的观测和地质资料，天山SN向的缩短速率自西向东呈递减趋势，但在东天山地区依然能达到2～5mm/a(杨少敏等，2008)。通过本工作可以发现，博-阿断裂在调节东天山地区近SN向的挤压应力中扮演着重要角色，主要通过NWW向右旋走滑运动的方式调节天山内部的挤压应变。此外，在研究区内，最新的断层陡坎位于主断裂以北的Fan2冲洪积扇上，而在山前的Fan2冲洪积扇表面未发现明显的断裂位错，初步判断博-阿断裂的最新活动有自山前向盆地迁移的趋势。