甘加盆地西緣斷裂帶發(fā)現(xiàn)新活動(dòng)證據(jù)

陸詩銘, 王愛國, 文亞猛, 張 波

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000 2. 甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

甘加盆地位于青藏高原東北部甘肅省甘南藏族自治州夏河縣與青海省黃南藏族自治州同仁市交界部位,為西秦嶺構(gòu)造帶內(nèi)的一個(gè)新生代盆地,其整體形態(tài)表現(xiàn)為西寬東窄的扇形(圖1)。盆地北側(cè)為白石崖斷裂控制,南側(cè)為切龍溝斷裂控制。根據(jù)遙感影像解譯,盆地西緣發(fā)育三條近南北向的弧形地貌階梯帶,為斷裂控制,本文稱甘加盆地西緣斷裂帶。由于該處高寒偏遠(yuǎn),交通不便,因此,前人對(duì)這三條地貌階梯帶的研究較少[1-3]。張志亮等[4]在西寧至成都鐵路項(xiàng)目野外調(diào)查中認(rèn)為甘加盆地西緣斷裂可能在第四紀(jì)早期有過活動(dòng),但第四紀(jì)晚期已不活動(dòng)。

圖1 區(qū)域地形地貌與活動(dòng)構(gòu)造簡圖Fig.1 Topography and tectonic location map of the area

本文在高清影像遙感解譯的基礎(chǔ)上,采用高分辨率衛(wèi)星影像解譯、地質(zhì)地貌調(diào)查、UAV航拍測量、剖面清理與14C測年等方法,獲得了甘加盆地西緣斷裂帶新活動(dòng)的基本特征,主要表現(xiàn)為不同級(jí)別的斷層陡坎、沖溝與階地右旋、低階地與洪積臺(tái)地?cái)噱e(cuò)等。

由于甘加盆地位于西秦嶺北緣斷裂帶西端[5-6],盆地的形成可能受控于該斷裂帶的新活動(dòng),因此盆地周緣斷裂活動(dòng)特征及構(gòu)造變形的研究,對(duì)于研究西秦嶺北緣斷裂帶的新構(gòu)造活動(dòng)特征與端部變形機(jī)制,進(jìn)而研究區(qū)域構(gòu)造變形模式具有重大科學(xué)意義。

1 斷裂基本特征

甘加盆地位于青藏高原東北緣西秦嶺北緣斷裂帶西端,處于貴德斷裂、循化—臨夏斷裂與西秦嶺北緣斷裂之間[圖1(a)、 (b)],呈向東沉降收斂的扇形。盆地東西長約23 km,南北最寬約16 km,海拔從西向東由3 500 m左右降至2 900 m左右[圖1(c)]。甘加盆地西緣斷裂帶位于甘加盆地西側(cè),由三條走向近南北、向西微凸的弧形斷層組成,與甘加盆地扇形形態(tài)相一致。斷裂帶分為西支(F1-1)、中支(F1-2)和東支(F1-3),西支位于甘加盆地最外側(cè),長度最大,中支和東支向盆地內(nèi)部擴(kuò)展,長度逐漸縮短。斷裂在地貌上均表現(xiàn)為西高東低的地貌階梯帶[圖1(c)、圖2(a)]。

圖2 甘加盆地西緣斷裂帶西支及中支斷層地貌與剖面Fig.2 Geomorphological characteristics of fault landform and profile of the west and middle branches along the west margin fault zone of the Ganjia Basin

圖3 甘加盆地西緣斷裂帶東支斷層地貌及剖面Fig.3 Geomorphological characteristics of fault landform and profile of the east branch along the west margin fault zone of the Ganjia Basin

總體來看,甘加盆地西緣斷裂活動(dòng)性質(zhì)為右旋兼逆沖性質(zhì),破碎帶較寬,表明斷層早期活動(dòng)強(qiáng)烈,發(fā)育歷史較長。

2 斷裂新活動(dòng)證據(jù)

(1) 斷錯(cuò)微地貌證據(jù)

在活動(dòng)構(gòu)造研究中，微地貌斷錯(cuò)研究是必不可少的一部分，微地貌形態(tài)的刻畫可以很有力地證明斷層的活動(dòng)習(xí)性。通過典型微地貌形態(tài)分析，可以估算斷層位移量，確定斷層活動(dòng)年代、活動(dòng)性質(zhì)，定性定量研究斷層特征[7]。如斷層陡坎就是一種地殼不斷運(yùn)動(dòng)、地表位移累積的地貌現(xiàn)象，通過斷層陡坎等微地貌我們可以研究斷層活動(dòng)的相關(guān)信息[8]。

在本次研究中我們通過詳細(xì)的航、衛(wèi)片解譯和野外考察,發(fā)現(xiàn)甘加盆地西緣斷裂帶上存在明顯斷層新活動(dòng)的微地貌證據(jù),由于斷裂帶具有右旋逆沖性質(zhì),因此在地貌上形成了垂直斷錯(cuò)與右旋走滑斷錯(cuò)共同發(fā)育的情況[9-13],主要表現(xiàn)形式有不同級(jí)別的線性陡坎、河流及階地右旋等(圖4)。沖溝、河流、山脊等右旋斷錯(cuò)現(xiàn)象在圖納尕郎曲東南側(cè)、甘加西側(cè)、同仁公路旁、塔哇村附近及多佐曲附近斷裂沿線均有保留。

沿甘加盆地西緣斷裂帶西支(F1-1),在夏拉果西南,斷裂連續(xù)斷錯(cuò)沖溝T1、T2級(jí)階地及洪積臺(tái)地[圖4(a)],形成不同高度的斷層陡坎；斷裂經(jīng)過處,沖溝表現(xiàn)了一定程度的右旋錯(cuò)動(dòng)。在多佐曲西,山前洪積臺(tái)地?cái)嗍?形成線性陡坎,坎高最大達(dá)7.9 m,為山前洪積臺(tái)地與沼澤的分界線[圖4(b)]。

沿甘加盆地西緣斷裂帶中支(F1-2),在塔哇村南見到斷層右旋斷錯(cuò)沖溝T1及T2級(jí)階地[圖4(c)],T1階地面陡坎高約1.8 m,其邊緣(沖溝)右旋錯(cuò)距(5.45±0.5) m；斷層陡坎西側(cè)發(fā)育寬約50 m的蘭灰色花崗巖強(qiáng)烈擠壓破碎帶。沿?cái)嗔严蚰献匪?可見斷裂新活動(dòng)在山前洪積平原上形成的線性反向地貌[圖4(d)],沖溝形成斷塞塘或閘門脊。在斷塞塘低洼處,地勢平坦、低洼避風(fēng)且有泉水,成為牧民建房的首選地。

沿甘加盆地西緣斷裂帶東支,沿?cái)鄬佣嗵幙梢娺B續(xù)的陡坎[圖4(e)],斷錯(cuò)山前槽地,形成椅狀地貌,坎高不到1 m,表明斷層活動(dòng)較新。

(圖中紅色箭頭指示斷層新活動(dòng)面位置,黃色箭頭指示老斷層剖面位置)圖4 甘加盆地西緣斷裂帶新活動(dòng)微地貌現(xiàn)象Fig.4 Micro-geomorphic features of the new activities along the western margin fault zone of Ganjia Basin

(2) 斷層剖面證據(jù)

在甘加盆地西緣斷裂帶中支塔哇村段斷錯(cuò)沖溝及低階地(E102.419 324°,N35.451 37°),沖溝北壁清理出斷層剖面(圖5)。斷層西側(cè)為藍(lán)灰色-灰白色花崗巖強(qiáng)烈擠壓破碎帶,斷層?xùn)|側(cè)為土黃色破碎巖；斷層表現(xiàn)為黃綠-土灰色斷層泥帶,黏土狀,厚約0.6 m。斷層上部填充了暗紅色黏土,頂部為厚約0.5 m的淺紅色含礫砂土層覆蓋。在砂土層底部取14C年代樣品TWC-C1,測得樣品年齡為(800±30) a B.P.；在填充的暗紅色黏土中取14C年代樣品TWC-C2,因碳含量過低,沒有測得年代結(jié)果。

圖5 甘加盆地西緣斷裂帶中支塔哇村南斷層新活動(dòng)剖面Fig.5 Fault profile in the south of Tawa Village, the middle branch of the western margin fault zone of Ganjia Basin

在甘加盆地西緣斷裂帶東支(F1-3)經(jīng)過尕日加曲河北岸處[圖3(b)],公路施工垂直斷層溝槽揭露出斷層帶剖面(圖6)。斷層帶東西兩側(cè)為相對(duì)完整的花崗巖,破碎帶寬大于50 m,本剖面內(nèi)可見斷層錯(cuò)動(dòng)面4條,均發(fā)育厚10～30 cm不等的淺紅色、灰黑色斷層泥帶。最西側(cè)斷面形成上部覆蓋層碎塊石堆與砂土層的分界,并在地表形成西高東低的陡坎。從剖面看,斷層至少斷錯(cuò)砂土層下部。在砂土層底部取14C年代樣品GJX-C1,測得樣品年齡為(4 180±30) a B.P.,表明斷層全新世中期以來有過活動(dòng)。

圖6 甘加盆地西緣斷裂帶東支(F1-1)尕日加曲河北岸新活動(dòng)剖面Fig.6 Profile in the north bank of Garijiaqu River, the east branch of the western margin fault zone of Ganjia Basin

3 斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

根據(jù)前面斷層基本特征、微地貌位錯(cuò)及斷層新活動(dòng)剖面等的研究,甘加盆地西緣斷裂帶新活動(dòng)以右旋走滑兼逆沖為運(yùn)動(dòng)特征,水平走滑分量大于垂直逆沖分量[14-17]。為確定斷層新活動(dòng)定量參數(shù),選取甘加盆地西緣斷裂帶西支夏拉果西地貌斷錯(cuò)點(diǎn)為研究對(duì)象[圖1(c)中的黃點(diǎn)],進(jìn)行了UAV航拍及高精度DEM提取[圖7(a)]。該處大面積發(fā)育洪積臺(tái)地面S0與S1,殘留有高洪積臺(tái)地面S2。斷層垂直斷錯(cuò)S0與S1,并分別形成1.0 m(地形剖面B-B′)與1.4 m(地形剖面C-C′)的斷層陡坎；S2臺(tái)地前緣在斷層處斷逝,形成高約2.5 m的線性陡坎(地形剖面A-A′)。沖溝切過洪積臺(tái)地面S0與S1,在沖溝與斷層交匯處,沖溝與S1臺(tái)地面邊緣均發(fā)生右旋錯(cuò)動(dòng),錯(cuò)距4.2 m。

在S1臺(tái)地邊緣開挖探槽[圖7(b)],深度2.6 m,揭露S1臺(tái)地基座之上覆蓋層厚度2.5 m,由多層土夾砂層或碎石層組成。剖面巖性特征描述如下:

圖7 甘加盆地西緣斷裂帶西支夏拉果西地貌斷錯(cuò)點(diǎn)UVA解譯圖與取樣剖面Fig.7 UVA interpretation map of fault point in the west of Xialaguo, the west branch of the western margin fault zone of Ganjia Basin and sampling profile

① 灰黑色粉質(zhì)砂土,厚度均勻,較松散,厚約46 cm。

② 淺黃色砂層,含少量碎石,碎石磨圓度較好。厚度均勻,厚約6 cm。

③ 黑色粉砂質(zhì)土,較為松散,厚度均勻,土層厚約50 cm。

④ 灰綠-淺黃色砂礫層,含較多碎石,礫石磨圓一般,較為致密,厚約8 cm。

⑤ 黑色黏土層,質(zhì)地堅(jiān)硬,均一性好。其中夾雜有兩條長約20 cm的砂礫條帶,條帶中砂礫直徑較小,分布致密,磨圓差,厚度約52 cm。

⑥ 雜色砂礫碎石層,含有大量砂礫碎石,直徑較小,磨圓差,石塊分布致密,近水平分布,有明顯的近水平層理。

⑦ 黑色硬質(zhì)黏土層,比較致密,夾雜少量碎石,碎石直徑不大,厚約62 cm,底部14C測年約為(4 730±30) a B.P.。

⑧ 灰黑色卵石塊層,含大量卵石,磨圓度較好,分選差。

選擇基座之上最初沉積物的年齡來代表臺(tái)地的沉積年代[18],在層⑦底部取14C年代樣品DZQ-C02,測年結(jié)果為(4 730±30) a B.P.。根據(jù)斷裂的右旋作用造成S1臺(tái)地右旋位錯(cuò)約4.2 m,計(jì)算可得甘加盆地西緣斷裂帶西支全新世中期以來的水平滑動(dòng)速率為(0.89±0.01) mm/a。利用S1洪積臺(tái)地上1.4 m高的斷層陡坎以及臺(tái)地年齡(4 730±30) a B.P.,可以求得該斷裂帶全新世中期以來的平均垂直滑動(dòng)速率為(0.30±0.002) mm/a。

4 結(jié)論與討論

綜上所述,甘加盆地西緣斷裂帶全新世以來具有明顯的新活動(dòng),是一條第四紀(jì)晚期仍在活動(dòng)的斷裂帶。該斷裂帶活動(dòng)特征歸納如下:

(1) 甘加盆地西緣斷裂帶由三支走向近南北、向西微凸的弧形斷層組成(東支、中支和西支),地貌上形成西高東低的線性陡坎,以右旋走滑為主兼具逆沖性質(zhì)。

(2) 斷裂沿線線性影像清晰,新活動(dòng)微地貌表現(xiàn)形式為不同級(jí)別的線性斷層陡坎、河流與階地及洪積臺(tái)地的連續(xù)同步右旋位錯(cuò)、洪積臺(tái)地反向坎及斷塞塘等。

(3) 根據(jù)測量數(shù)據(jù)及測年結(jié)果,初步估算甘加盆地西緣斷裂帶西支全新世中期以來的平均水平滑動(dòng)速率為0.89 mm/a,平均垂直滑動(dòng)速率為0.30 mm/a。

本研究雖然發(fā)現(xiàn)了甘加盆地西緣斷裂帶的第四紀(jì)晚期新活動(dòng)特征,但是對(duì)于斷裂帶新活動(dòng)特征研究還不夠深入與精細(xì),因此,對(duì)于斷裂形成的力學(xué)機(jī)制及周邊構(gòu)造轉(zhuǎn)換關(guān)系的認(rèn)識(shí)尚需進(jìn)行更深一步的工作。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)的斷裂右旋走滑兼逆沖性質(zhì)初步的結(jié)果認(rèn)為,甘加盆地西緣斷裂的形成主要應(yīng)力來源為西側(cè)北北東方向的構(gòu)造應(yīng)力場作用,可能為貴德—日月山北北西向構(gòu)造作用的向東擴(kuò)展,形成右旋兼逆沖作用。斷裂與西秦嶺北緣斷裂的關(guān)系及甘加盆地的形成機(jī)制等問題,我們將在對(duì)甘加盆地構(gòu)造變形及周邊斷裂活動(dòng)性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的探討。