塔爾灣斷裂活動時代厘定及地貌陡坎成因分析

陳 濤 劉玉剛 閔 偉 周本剛

(中國地震局地質研究所，中國地震局活動構造與火山重點實驗室，北京 100029)

塔爾灣斷裂活動時代厘定及地貌陡坎成因分析

陳 濤 劉玉剛*閔 偉 周本剛

(中國地震局地質研究所，中國地震局活動構造與火山重點實驗室，北京 100029)

阿爾金斷裂東段北側發育了多條NW向斷裂，塔爾灣斷裂是其中規模最大的塔爾灣－登登山－池家刺窩斷裂的西段。該斷裂總體走向NW，長約10km，在衛星影像上為一筆直的線性陡坎，地貌上為高幾十cm至5m的地形陡坎。陡坎傾向NE，組成陡坎的地層主要有早更新世礫巖和全新世風積砂土等。通過地形剖面測量得到，由全新世風積砂組成的地貌陡坎高5m左右，由早更新世礫巖組成的地貌陡坎高1m左右。垂直地貌陡坎開挖的探槽揭示出，塔爾灣斷裂為SW傾的逆斷層，表現為新近紀泥巖逆沖于早更新世礫巖之上，斷距為0.5m左右。全新世風積砂及晚更新世戈壁礫石層覆蓋于斷層之上，沒有被錯斷。斷裂上盤為新近紀泥巖，富含地下水，因此植被較發育;由于植被的保護及固砂作用，風積砂不斷堆積并保存下來，風積沙層逐漸增高。下盤除地表有幾十cm厚的戈壁礫石層外，下部均為膠結堅硬的早更新世礫巖，不含地下水，植被不發育。全新世風積砂土只發育在塔爾灣斷裂上盤，下盤沒有全新世地層發育;早更新世礫巖上的地貌陡坎高度遠遠小于全新世風積砂土上地貌陡坎的高度。這些都表明由全新世風積砂組成的地貌陡坎不是斷裂活動形成的，而是外動力作用造成的。因此，塔爾灣斷裂是一條早中更新世逆斷裂。

塔爾灣斷裂 地貌陡坎 逆斷裂

0 引言

阿爾金斷裂可分為若干段，昌馬大壩以東為其最東段，大致沿五華山、寬灘山等向東斷續延伸(圖1)。該段的南側為河西走廊最西端的酒西盆地，新構造運動以強烈凹陷為特征;其北側為低窩鋪隆起區，總體上為一新近紀末—第四紀早期的侵蝕臺地，新近紀地層產狀近水平，局部覆蓋厚度0～5m水平產狀的早更新世礫巖或晚更新世戈壁礫石層，大地構造上屬于較穩定的塔里木地臺，新構造運動以緩慢上升為特征，東北側為花海盆地，西側為玉門鎮盆地。

昌馬大壩以東構造變形復雜，斷裂眾多，大致可以分為3組。第1組沿阿爾金斷裂走向分布，如寬灘山斷裂等;第2組分布于酒西盆地，走向以NW向為主，如玉門斷裂等;第3組分布于阿爾金斷裂北側，也以NW走向為主，如花海斷裂等。第1、2組斷裂前人已有較多研究，如徐錫偉等(2003)認為阿爾金斷裂西段滑動速率為17mm/a，東段寬灘山段只有2.2mm/a，并討論了滑動速率向東遞減的構造運動轉換模式;陳柏林等(2008)研究了阿爾金斷裂昌馬大壩—寬灘山段全新世活動特征;龔健業等(2007)研究了阿爾金斷裂東端斷裂展布形式;閔偉等(2002)研究得到酒西盆地陰洼山、玉門和新民堡3條逆掩斷層全新世以來的垂直活動速率為0.18～0.25mm/a。總體來看，這些斷裂活動時代較新，都為晚更新世以來的活動斷裂，但活動速率都很低。

圖1 塔爾灣斷裂及其附近地震構造圖Fig.1 Seismic tectonic map of Tarwan Fault and its surroundings.

阿爾金斷裂東段以北也發育多條NW向斷裂，它們的新活動特征對分析阿爾金斷裂東端的新構造演化、阿爾金斷裂向東擴展等具有重要意義，但以往對它們的研究較少。最近我們對這些斷裂進行了野外調查，結果發現這些斷裂主要活動時期都在早更新世，晚更新世以來由于阿爾金斷裂不斷向東擴展，寬灘山強烈隆起，使其南北兩側的斷裂發生逆沖活動。位于寬灘山東北側的塔爾灣－登登山－池家刺窩斷裂隨著逐漸遠離寬灘山，活動強度也不斷減弱。池家刺窩為晚更新世以來活動斷裂，塔爾灣斷裂和其他NW向斷裂一樣，晚更新世以來都沒有活動。本文將介紹的塔爾灣斷裂是這些NW向斷裂中規模最大的塔爾灣－登登山－池家刺窩斷裂的西段(圖1)，登登山和池家刺窩斷裂的研究結果將在另文介紹。

塔爾灣斷裂總體呈NW走向，長約10km，在衛星影像上為一筆直的線性陡坎，地貌上為高幾十cm至5m的地形陡坎。陡坎傾向NE，組成該陡坎的地層主要有早更新世礫巖和全新世風積砂土等，陡坎東北側則為戈壁灘。其地貌特征很像中國西部分布較多的歷史地震地表破裂帶(國家地震局地質研究所等，1990;徐錫偉等，2008)。僅從地貌特征及組成陡坎的地層時代分析，塔爾灣斷裂應該是一條全新世活動斷裂，而且歷史上發生過破裂至地表的強震。如果真是如此，那么，為什么在阿爾金斷裂以北構造較穩定的地區有這樣一條活動斷裂?它的構造背景是什么?為了回答這些問題，我們對塔爾灣斷裂進行了系統的地貌測量、探槽開挖等工作，結果表明塔爾灣斷裂為一條第四紀早期的逆斷裂，早更新世礫巖的垂直斷距只有1m左右，由全新世風積砂土組成的高約5m的地貌陡坎不是斷裂活動形成的。

1 塔爾灣斷裂空間分布及地貌特征

塔爾灣斷裂走向NW，西起塔爾灣村南，東至生地灣村北，長約10km，衛星影像上線性特征清晰(圖2 a)，為一條連續的地貌陡坎，西南高東北低。斷裂附近地區為一早更新世以來的隆起區，局部分布了早更新世礫巖被侵蝕成的低山丘陵，大部分地區為地形較為平坦的戈壁灘，覆蓋很薄的晚更新世戈壁礫石層。地勢較低地區及斷裂下盤緊鄰斷層處有晚更新世沖洪積砂礫石層分布，全新世風積砂土主要沿斷裂分布，構成地貌陡坎的主要地層(圖2 b)。斷裂SW盤地下水位較高，陡坎底部有泉水流出，在全新世風積砂土組成的地貌面上植被發育(圖3 a，d)，局部有沼澤地。

沿地貌陡坎實測了4條地形剖面(圖2 b，圖4，表1)，Dx－1位于圖3a探槽Tc－1附近全新世風積砂土組成的地貌陡坎之上，地貌高差4.8m;Dx－2位于圖3b探槽Tc－3附近早更新世礫巖組成的地貌陡坎之上，地貌高差0.5m;Dx－3位于圖3c早更新世礫巖組成的地貌陡坎之上，地貌高差1.2m;Dx－4位于圖3d全新世風積砂土組成的地貌陡坎之上，地貌高差4.3m。從野外調查及實測地貌陡坎剖面可以看出，地貌陡坎走向NW，傾向NE，由早更新世礫巖組成的地貌陡坎高差只有1m左右;由全新世風積砂土組成的地貌陡坎高差則達5m。如果僅根據地貌陡坎的形態判斷斷裂活動時代，塔爾灣斷裂應該為全新世以來活動斷裂。為了準確查明該斷裂的活動時代，沿斷裂開挖了5個橫跨地貌陡坎的探槽(位置見圖2 b)。

2 塔爾灣斷層探槽剖面

2.1 探槽Tc-1

探槽Tc－1為垂直地貌陡坎開挖。陡坎NE側為晚更新世戈壁礫石層，SW側為全新世風積砂土。探槽長14m，寬5m，深3m，其NW壁照片和剖面如圖5所示。出露的主要地層如下:

①淡黃色風積砂土，含植物根系，松軟;

②灰綠色洪積細砂礫石層，較松散，具有水平層理;

③紅色細砂層，含次生石膏;

圖2 塔爾灣斷裂衛星影像及解譯圖Fig.2 The satellite image and interpreted map of Tarwan Fault.

④黃色粗砂層;

⑤黃色礫巖，膠結堅硬，向NE緩傾;

⑥黃色與灰綠色泥巖互層，近斷層處發生牽引變形。

圖3 塔爾灣斷裂地貌陡坎照片Fig.3 Photos of topographic scarp of Tarwan Fault.

如前所述，斷裂附近地區為一早更新世以來的隆起區，大部分為地形較為平坦的戈壁灘，覆蓋很薄的晚更新世戈壁礫石層。地勢較低地區及斷裂下盤緊鄰斷層處有晚更新世沖洪積砂礫石層分布，全新世風積砂土主要沿斷裂分布，構成地貌陡坎的主要地層單元。因此，探槽揭露的層⑥時代為新近紀，層⑤礫巖的時代為早更新世(地質部甘肅省地質局，1971)。斷層下盤堆積的層②、層③和層④砂礫層松散沒有膠結，都應為晚更新世地層。層①風積砂土，時代為全新世。

如圖5所示，探槽揭露出一條傾向SW的逆沖斷層，傾角約45°，向上變陡。早更新世末，斷層上盤層⑥新近紀黃色與灰綠色互層泥巖逆沖于層⑤早更新世礫巖之上，層⑥有輕微彎曲變形，近斷層處由于逆沖作用，發生牽引變形;層⑤受斷層向NE方向逆沖作用的影響，向NE方向緩傾。此后斷層再沒有活動，而是經歷了長期的侵蝕和堆積作用。斷層上盤遭受侵蝕，下盤接受堆積，斷層下盤堆積了晚更新世的層④、層③和層②，層②覆蓋于斷層之上。隨后覆蓋斷層之上的層②遭剝蝕，沿斷層上盤堆積了風成的層①，形成地貌上醒目的陡坎。層②具有水平層理，出露位置高于斷層上斷點，這些都表明斷層主要活動時期為早更新世，晚更新世以來沒有活動。

圖4 塔爾灣斷裂實測地貌陡坎剖面Fig.4 The measured topographic scarp profiles of Tarwan Fault.

表1 塔爾灣斷裂地貌陡坎參數表Table 1 The topographic scarp parameters of Tarwan Fault

圖5 塔爾灣斷裂探槽Tc－1 NW壁照片及剖面圖Fig.5 Photo and profile of the northwestern wall of trench Tc －1 across the Tarwan Fault.

以斷層為界，上盤地層潮濕松軟，并不斷有地下水滲出;下盤地層則干燥堅硬。斷層兩側地下水位高度不同應該是地層巖性不同造成，斷層上盤為泥巖及砂土，富含地下水。斷層下盤為礫巖，膠結非常堅硬、致密，不含水分，而且地下水無法滲透到斷層下盤的礫巖中，而逐漸匯聚于斷層上盤，并在地貌陡坎局部地段滲出到地表(圖3 d)。由于富含地下水，斷層上盤植被比較發育;而由于這些植被的固砂作用，風積砂能夠保存下來，使得斷層上盤地形越來越高。地貌陡坎NE側為晚更新世戈壁礫石層，植被不發育，也沒有風積砂土堆積。

2.2 探槽Tc-2

探槽Tc－2距離探槽Tc－1約80m，地貌特征與Tc－1相同，陡坎NE側為晚更新世戈壁礫石層，SW側為全新世風積砂土。垂直地貌陡坎開挖，探槽長14m，寬3m，由于早更新世礫巖非常堅硬不易開挖，開挖深度0.2～3m不等，其SE壁局部照片和剖面如圖6所示。根據揭露出的剖面特征，探槽剖面圖向下進行了適當延伸。揭露出的地層大部分與探槽Tc－1相同，主要如下:

①全新世淡黃色風積砂土，含植物根系，松軟;

②晚更新世灰綠色戈壁礫石層，厚十幾cm;

③早更新世黃色礫巖，膠結堅硬，向NE陡傾，傾角約50°;

④新近紀黃色與灰綠色泥巖互層，傾角約50°。

如圖6所示，由全新世風積砂土組成的地貌陡坎高度約2m，風積砂上植被發育。陡坎NE側為戈壁灘，植被不發育，在地貌陡坎前緣有一寬度不大的凹槽。探槽主要揭露出4套地層:探槽上部的全新世風積砂層①和晚更新世戈壁礫石層②，下部的早更新世礫巖層③和新近紀泥巖層④。早更新世礫巖和新近紀泥巖為平行不整合接觸，都向NE傾，傾角約50°。

圖6 塔爾灣斷裂探槽Tc－2 SE壁照片及剖面圖Fig.6 Photo and profile of the southeastern wall of trench Tc －2 across the Tarwan Fault.

探槽揭露出2條高角度逆沖斷層F1和F2，均發育于Q1p礫巖中，為寬約20cm的斷層破碎帶，其中斷層F1沿地表凹槽分布，近斷層處Q1p礫巖受逆沖作用，向NE方向陡傾。

斷層最新活動應在第四紀早期，受NE向擠壓，形成F1和F2斷層，并使早更新世礫巖和新近紀泥巖向NE傾斜。此后遭受侵蝕作用，使斷層兩側地貌面基本水平，隨之堆積了幾十cm厚的晚更新世戈壁礫石層②和全新世風積砂層①，斷層都沒有斷錯層②和層①。

以早更新世礫巖和新近紀泥巖平行不整合面為界，斷層上盤地層潮濕松軟，探槽開挖過程中即大量出水;斷層下盤地層則干燥堅硬，不含地下水。斷層兩側地下水位高度的不同及構成地貌陡坎的風積砂的成因應該與探槽Tc－1中相同，不是斷裂活動形成。

2.3 探槽Tc-3

探槽Tc－3距離探槽Tc－1約300m，垂直地貌陡坎開挖，陡坎兩側都為早更新世礫巖。探槽長7m，寬2m，由于早更新世礫巖非常堅硬不易開挖，開挖深度0.2～2m不等。其SE壁局部照片和剖面如圖7所示。根據揭露出的剖面特征，探槽剖面圖向下進行了適當延伸。揭露出的地層大部分與探槽Tc－1相同:

圖7 塔爾灣斷裂探槽Tc－3 SE壁照片及剖面圖Fig.7 Photo and profile of the southeastern wall of trench Tc－3 across the fault.

①全新世黃色表層土;

②中更新世紅色細砂層，含次生石膏，與Tc－1中層③相同;

③早更新世灰黃色礫巖，膠結堅硬，向NE緩傾;

④新近紀黃色與綠色泥巖，向NE緩傾。

如圖7所示，探槽揭露出一條傾向SW的逆沖斷層，傾角約80°。斷層斷錯早更新世礫巖和新近紀泥巖，新近紀頂面顯示垂直斷距約0.5m，斷層頂部被厚約10cm的表層砂土覆蓋。

斷層兩側都為膠結堅硬的礫巖，不含水，因此植被不發育，斷層上盤也沒有全新世風積砂土堆積。

2.4 探槽Tc-4

探槽Tc－4垂直全新世風積砂土組成的地貌陡坎開挖，探槽長約8m，寬約2.5m。NW壁照片和剖面如圖8所示，揭露出的地層主要如下:

圖8 塔爾灣斷裂探槽Tc－4 NW壁照片及剖面圖Fig.8 Photo and profile of the northwestern wall of trench Tc －4 across the fault.

①全新世淡黃色風積砂土，含植物根系，松軟;

②晚更新世灰綠色洪積細砂礫石層，較松散，具有水平層理;

③前震旦紀灰綠色片麻巖。

由圖8可以看出，厚約2m的全新世風積砂土組成了醒目的地貌陡坎，下伏產狀水平的厚約1m的晚更新世洪積砂礫石層，兩套地層近水平覆蓋于前震旦紀片麻巖之上。片麻巖非常破碎，頂面近水平，看不出明顯的斷層面。推測在地貌陡坎附近片麻巖內部有一逆沖斷層。結合前述幾個探槽分析，斷層自早更新世以來沒有活動，因遭受長期侵蝕剝蝕，片麻巖頂部被夷平并堆積了晚更新世沖洪積砂礫石層和全新世風積砂土。

2.5 探槽Tc-5

探槽Tc－5位于塔兒灣東南，垂直全新世風積砂土組成的地貌陡坎開挖，探槽長約10m，寬約2.5m，最深處＞3m。NW壁照片和剖面如圖9所示，揭露出的地層主要如下:

①全新世淡黃色風積砂土，含植物根系，松軟;

②晚更新世灰綠色洪積砂礫石層，較松散，具有水平層理，層內夾黏土透鏡體;

③新近紀黃色泥巖。

圖9 塔爾灣SE探槽Tc－5 NW壁照片及剖面圖Fig.9 Photo and profile of the northwestern wall of trench Tc－5 across the fault.

探槽Tc－5與Tc－4剖面基本一致，只是探槽底部揭露出的最老地層為新近紀泥巖。厚約2m的全新世風積砂土組成醒目的地貌陡坎，下伏近水平的厚約2m的晚更新世洪積砂礫石層，兩套地層覆蓋于新近紀泥巖之上。新近紀泥巖成分、顏色均勻，看不出明顯的層理和斷層面。推測在早更新世NE向擠壓作用下，新近紀泥巖發生變形，向SW傾斜，并在地貌陡坎附近的新近紀泥巖內部發育一逆沖斷層。隨后遭受長期侵蝕剝蝕，新近紀泥巖頂部被夷平并堆積了晚更新世洪積砂礫石層和全新世風積砂土。它們都沒有發生斷錯，表明斷裂晚更新世以來沒有活動。

3 塔爾灣斷裂活動時代及地貌陡坎成因分析

3.1 塔爾灣斷裂活動時代厘定

塔爾灣斷裂發育在早更新世以來的隆起區，地勢較低地區及斷裂下盤緊鄰斷層處有晚更新世沖洪積砂礫石層分布，全新世風積砂土主要沿斷裂分布。

垂直地貌陡坎開挖的探槽，揭示斷裂為SW傾的逆斷層，主要為新近紀泥巖逆沖于早更新世礫巖之上，斷距只有0.5m左右。全新世風積砂及晚更新世戈壁礫石層覆蓋于斷層之上，沒有被斷層錯斷，而且全新世風積砂只發育在斷層上盤。

塔爾灣斷裂為一條逆斷層，全新世風積砂只發育在斷層上盤，下盤不發育全新世地層。早更新世礫巖上的地貌陡坎高度遠遠小于全新世風積砂上地貌陡坎的高度，這些都表明由全新世風積砂組成的地貌陡坎不是斷裂活動形成的。

另一方面，低窩鋪隆起區發育一組NW向斷裂，野外調查顯示，它們最新一次活動都在早更新世晚期，但斷距不大，只有幾十cm。晚更新世以來只有塔爾灣－登登山－池家刺窩斷層的SE段登登山斷層和中段池家刺窩斷層還有活動，NW段塔爾灣斷裂和其他NW向斷裂都不再活動。塔爾灣－登登山－池家刺窩斷層位于寬灘山隆起的NE側，寬灘山隆起的南側為阿爾金斷裂最東端的寬灘山斷裂，晚更新世以來由于阿爾金斷裂向NE方向的不斷擴展，使得寬灘山強烈隆起，南北兩側的斷裂也隨之發生逆沖活動，活動強度隨著距離寬灘山隆起距離的增加而減弱，距離最遠的塔爾灣斷裂晚更新世以來則沒有活動。

3.2 塔爾灣地貌陡坎成因分析

塔爾灣斷裂線性特征明顯，地貌上有高0.5～5m的NE傾的地貌陡坎。通過地貌剖面測量得到，由全新世風積砂組成的地貌陡坎高度在5m左右，由早更新世礫巖組成的地貌陡坎高度較低，為1m左右。

野外調查及探槽顯示，斷裂SW盤地下水位很高，幾乎是近地表，植被發育。斷裂NE盤地下水位較低，地表植被不發育。斷裂兩側地下水位高差較大主要是由斷裂兩側巖性差異造成的，SW盤除有礫巖出露的地段外都為新近紀泥巖，富含地下水;探槽揭露NE盤除地表有幾十cm厚的戈壁礫石層外，下部都為膠結堅硬的早更新世礫巖，不含地下水。因此，斷層上盤植被較發育，由于植被的保護及固砂作用，使得風積砂土不斷堆積并保存下來。斷裂下盤地表附近沒有地下水，植被也不發育，因此，沒有全新世風積砂堆積，隨著風蝕作用而形成干燥的戈壁灘。

4 結論

綜上所述，塔爾灣斷裂是一條早中更新世的逆斷裂，表現為新近紀的泥巖逆沖于早更新世的礫巖之上，斷距0.5m左右，晚更新世以來的礫石層及全新世的風積砂覆蓋在斷層之上，沒有被斷錯;現今高約5m的全新世風積砂組成的地貌陡坎是由外動力作用形成的。

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THE ACTIVITY AGE OF TARWAN FAULT AND GENESIS OF THE TOPOGRAPHIC SCARP

CHEN Tao LIU Yu-gang MIN WeiZHOU Ben-gang

(Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

Many NW-trending faults have been developed on the north of the eastern segment of Altyn Tagh Fault.The Tarwan Fault，about 10km long and striking NW on the whole，is the western segment of the largest Tarwan-Dengdengshan-Chijiaciwo Fault among these faults.The fault appears as a straight linear scarp in the satellite image and a geomorphic scarp of dozens of centimeters to 5 meters high，topographically.The scarp dips NE and is composed mainly of beds of early Pleistocene conglomerate and Holocene aeolian sandy soil.As revealed by a measured topographic profile，the scarp composed of Holocene aeolian sandy soil is about 5m high，and that of early Pleistoscene conglomerate is about 1m high.Field investigation and trenches excavated on the vertical scarp have revealed the Tarwan Fault is a thrust fault，striking NW and dipping SW.The Geogene mudstone is thrust over the early Pleistocene conglomerate，with a throw of 0.5m.The Holocene aeolian sand and late Pleistocene gravel layers overlying the fault are not dislocated.The hanging wall of the fault is Geogene mudstone with rich groundwater and well-developed vegetation.Due to the protection and control of sand movement with vegetation，aeolian sand was accumulated constantly and preserved，and as a result，the aeolian sand layer became higher gradually.The foot wall of the fault consists of a Gobi gravel layer of a few centimeters thick on the surface and hard cemented conglomerate of early Pleistocene under it，with groundwater and vegetation being undeveloped.Therefore，Holocene aeolian sand is only developed on the hanging wall of the fault，and there is no Holocene stratum developed in the footwall.The height of the scarp formed on the early Pleistocene conglomerate is far lower than that on the Holocene aeolian sand.These findings indicate that the topographic scarp composed of Holocene aeolian sand was produced by external dynamic process rather than faulting，and that the Tarwan Fault is an early-middle Pleistocene thrust fault.

Tarwan Fault，geomorphic scarp，thrust fault

P315.2

A

0253－4967(2012)03－0401－14

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.002

2012－01－19收稿，2012－04－26改回。

國家科技支撐計劃項目(2012BAK15B01)資助。

* 通訊作者:劉玉剛，E－mail:csbiglyg@sina.com。

陳濤，男，1984年生，2008年畢業于山東聊城大學地理科學專業，現為中國地震局地質研究所在讀碩士研究生，主要研究方向為地震地質、活動構造、工程地震，電話:15210674201，E－mail:chentao0528@126.com。