河西走廊文殊山隆起西緣發現活動斷層

[摘要] """文殊山隆起位于河西走廊西端，分割了酒西盆地和酒東盆地，是河西走廊內部三大隆起帶之一。基于高分辨率衛星影像解譯及野外考察，發現文殊山隆起西緣存在多條斷層陡坎，長度約3 km，陡坎保存比較連續，并表現出正、反向陡坎交替出現的復雜組合特征。通過無人機攝影測量以及光釋光方法測年，對該斷層陡坎開展了綜合研究。結果表明，斷層陡坎發育于不同期次山前洪積扇之上，根據較早期洪積扇上累積陡坎高度4.9～5.6 m及相應年代（37.3 ± 1.7） ka，確定其晚更新世以來垂直滑動速率約為0.15 mm/a。斷層最新一次活動發生在全新世，為全新世活動斷層，形成的斷層陡坎高度為0.5～0.7 m。根據資料分析，該斷層陡坎的形成與文殊山背斜隆起、擴展的活動有關。

[關鍵詞] 文殊山隆起; 斷層陡坎; 滑動速率; 河西走廊

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-173

基金項目："國家自然科學基金項目（42072246）資助。

0 "引言

祁連山—河西走廊地區位于青藏高原北部邊緣，是青藏高原北東方向隆升擴展的前緣區域^[1-4]，也是現今構造運動和地震活動最為強烈的地區之一^[5-8]。前人對該地區活動斷裂的研究多集中在走廊南側的祁連山北緣斷裂帶和北側的金塔南山、合黎山、龍首山斷裂帶上^[9-15]，對于走廊盆地內部斷裂則研究較少^[16-19]。作為河西走廊盆地內部三大隆起之一的嘉峪關—文殊山隆起帶，以往的研究主要集中在嘉峪關斷裂帶上^[20-22]，對于文殊山隆起活動斷裂特征，只有零星報道^[23]。我們于2019年在河西走廊文殊山隆起帶西側發現一系列新的斷層陡坎，這是前人未曾報道過的活動斷層陡坎，本文對新發現的陡坎進行了地貌測量和年代學研究，并對斷層活動參數進行了初步限定。

1 "構造背景

河西走廊位于青藏高原東北緣，新構造運動強烈，發育了多條規模大、活動性強的斷裂，發生過多次強震（圖1），僅20世紀就有3次7級以上地震：1927年古浪8級地震^[24]、1932年昌馬7.6級地震^[25]和1954年山丹7?級地震^[26]。歷史上也有多次大震，如公元180年表氏7?級地震^[27]、756年張掖—酒泉7級地震^[28]、1609年紅崖堡7?級地震^[29]等。河西走廊是我國一條重要的地震構造帶，河西走廊是一個呈北西—南東走向的狹長地帶，因位于黃河以西，又形如走廊，故名河西走廊。走廊南側為北祁連山，北側為龍首山、合黎山等中低山，東西長約900 km，南北寬數千米至近百千米。河西走廊內部存在3個北北西向的隆起，即大黃山隆起、榆木山隆起和嘉峪關—文殊山隆起（圖1）。嘉峪關—文殊山隆起位于河西走廊的最西端，分割了西側的酒西盆地和東側的酒東盆地。

嘉峪關—文殊山斷裂帶是嘉峪關—文殊山隆起形成演化控制性斷裂，該斷裂帶由嘉峪關斷裂和文殊山斷裂組成。嘉峪關斷裂北起格拉子溝，向南止于滾礬片一帶，長度大于40 km，北大河以南呈隱伏狀（圖2）。根據斷層陡坎測量及宇宙成因核素測年，確定嘉峪關斷裂垂直滑動速率為（0.22 ± 0.03） mm/a^[21]。通過對斷裂古地震的研究，表明嘉峪關斷裂最新的一次地震事件發生在約4.3～5.3 ka，之前在約20.0～21.2 ka、37.0～45.0 ka、58.1 ka分別發生過3次古地震事件^[22]。對于文殊山斷裂的研究則較少，該斷裂基本上沿文殊山中央主山脊發育，形成新近系和第四系的界線，遙感影像上由于巖性差異有較為明顯的線性特征，但缺乏晚第四紀地貌被斷錯的標志，在文殊溝，相當于河流T1階地上保留斷層剖面，但階地上無明顯的斷層陡坎發育。根據斷層剖面測年，確定斷裂最新事件應該發生于距今約（3.8 ± 0.2）～（4.7 ± 0.2） ka之間^[23]。

對嘉峪關—文殊山斷裂帶的研究主要集中在了上述兩條斷裂上，而對于文殊山隆起周緣是否存在活動斷層？斷層活動特征如何？則沒有相關研究報道。

2 "文殊山西緣斷層與洪積扇的關系

2.1 "文殊山西緣斷層展布特征

在室內遙感影像解譯的基礎上，結合多次野外考察，發現在文殊山隆起西緣晚更新世—全新世洪積扇上存在活動斷層，主要以斷層陡坎的形式保存，斷層陡坎形態復雜，由多條正、反向陡坎組成。此斷層陡坎前人未見報道，為方便敘述，在此我們將其命名為文殊山西緣斷層。

影像解譯及野外考察結果顯示，斷層陡坎總長度約3 km，呈北東向展布，斷層陡坎線性影像清晰，斷錯不同期洪積扇地貌面。由衛星影像觀察，不同期次洪積扇在影像上色彩差異明顯（圖3）。最新的沖溝及漫灘呈現顏色較深的深灰色，其上未發現斷層活動跡象。顏色黃白、廣泛分布的洪積扇上發現斷層陡坎，但不連續，僅局部有保留，陡坎面背向文殊山，均表現為正向陡坎。更老的地貌上存在正、反向陡坎，陡坎高度不一，反映了斷層活動的間歇性和持續性。

2.2 "文殊山西緣斷層斷錯洪積扇特征

基于衛星影像解譯，在文殊山西緣斷層南北兩端選擇了2個研究點進行詳細研究。研究中利用無人機攝影測量獲得了研究點的高精度DEM數據^[30-31]，在此基礎上獲得了斷層位錯量特征。研究區主要為干旱-半干旱氣候，細粒沉積物較少，多為沖洪積物形成的洪積扇，可供測年物質主要為零星分布的粉細砂及黃土，根據沉積物沉積環境及特征，我們選擇了光釋光測年（OSL）方法用以限定各地貌面年代，該方法目前廣泛應用于活動構造研究中^[32-35]。本次研究中的樣品均在甘肅省地震局釋光實驗室中處理測試，其結果如表1所示。

2.2.1 "位置1

研究點位置1位于斷層南端，斷層由多段不連續的斷層陡坎組成（圖4），正、反向陡坎均較發育，根據影像特征及野外校核，研究點處主要發育4期洪積扇（圖4b）。A0為偶爾有流水的現代沖溝面，沖溝較為寬闊，其上無斷層陡坎發育。A1為沖溝兩側發育的洪積扇面，一般高于沖溝1～2 m，扇面較為完整，其上發育斷層陡坎，陡坎朝向西，與地形一致（圖5a），但保存不完整。A2期洪積扇高于河道3～5 m，其上沖溝發育，斷層陡坎大多保存于本級扇面上，正、反向陡坎均有發育（圖5b）。最老一期洪積扇A3扇面侵蝕嚴重，殘留部分主要緊靠山邊，其上未見斷層陡坎發育。野外考察發現斷層主要斷錯A1和A2兩期洪積扇，而A0洪積扇則未見斷錯，其上無斷層陡坎發育。野外對A2和A1兩期洪積扇采集了光釋光樣品JYGOSL-08、JYGOSL-09和JYGOSL-10，采樣位置主要集中在洪積扇上部沖洪積礫石層夾層內的細砂層，采樣深度分別為1.2 m、3.0 m和0.6 m，結果分別為（37.3 ± 1.7） ka、（50.1 ± 3.0） ka和（44.9 ± 1.7） ka （圖5c—e）。JYGOSL-08、JYGOSL-09均采集于A2洪積扇，采樣深度有所差異，年代序列較為合理，上部的JYGOSL-08的結果可能更能代表洪積扇年代，其結果為（37.3 ± 1.7） ka。相較于A2洪積扇的年代，A1洪積扇（44.9 ± 1.7） ka結果則偏老。

利用DEM數據，對陡坎高度也進行了測量，A1洪積扇上陡坎高度為（0.7 ± 0.1） m，A2洪積扇上保存的陡坎數目較多，其累計高度～5.6 m，根據其年代結果（37.3 ± 1.7） ka，可以估算文殊山西緣斷裂整條垂直滑動速率約0.15 mm/a。

2.2.2 "位置2

研究點位置2位于斷裂北端，斷裂陡坎在影像上清晰可見。同樣，在該研究點利用無人機獲得了高精度地形數據（圖6a），經解譯及野外調查，該研究點地貌面大致可以分為3期洪積扇（圖6b），3期洪積扇的劃分與位置1相同，也表現出相同的特征。正、反向斷層陡坎主要保存于A2洪積扇面（圖7a），A1洪積扇只保留單一的斷層陡坎，陡坎高度較低（圖7b）。野外對A1洪積扇采集光釋光樣品JYGOSL-11（圖7c），采集位置為沖洪積相礫石層頂部黃土，采樣深度0.3 m，測試結果為（2.5 ± 0.2） ka。需要說明的是，A1洪積扇出露剖面多以洪積相粗顆粒沉積為主，適合采樣測年的物質不多，僅在一條沖溝一側發現有黃土沉積，且厚度不大，很可能為洪積扇面形成后期沉積物，測年結果也偏年輕，可能不能完全代表洪積扇的形成年代。洪積扇西側為北大河通過位置，由于文殊山背斜的擴展影響，該處形成多級河流階地^[36]，其中T5級階地面為山前廣泛分布的洪積扇面，與本文A1洪積扇相當，其年代為（9 ± 0.9） ka，揭示A1洪積扇也應該形成于這一年代，即全新世以來。A1洪積扇面上形成斷層陡坎的高度約0.5 m（圖7d），A2洪積扇其累計高度～4.9 m，與位置1處的斷層陡坎高度差別不大。

3 "結論與討論

由遙感影像解譯和野外地質調查，確認在文殊山背斜西緣發育總長度約3 km的多條斷層陡坎，斷層陡坎保存比較連續，并表現出正、反向陡坎交替出現的復雜組合特征。此陡坎前人未曾報道，我們命名為文殊山西緣斷層。為確定斷層陡坎的活動時代，對陡坎發育的洪積扇進行了分期和定年，斷層陡坎發育處主要發育4期洪積扇，陡坎主要發育于A1及A2期洪積扇表面。其中A1期洪積扇斷層陡坎較為單一，為高度0.5～0.7 m、朝向西的正向陡坎。A2期洪積扇面上斷層陡坎較為復雜，表現為高度不一的正、反向陡坎交替出現的復雜結構，累計高度為4.9～5.6 m。根據光釋光樣品年代測試及地貌面對比，A1和A2期洪積扇形成年代分別約為（9 ± 0.9） ka和（37.3 ± 1.7） ka。根據A1洪積扇形成年代，判斷文殊山西緣斷層在全新世以來有過一次活動，在洪積扇上形成了高約0.5～0.7 m的斷層陡坎。根據A2期洪積扇測年結果，確定文殊山西緣斷裂垂直滑動速率約0.15 mm/a。

文殊山背斜為一個新生代背斜，文殊溝出露的新生代地層為研究高原隆升擴展提供了地層依據。Zhao等^[37]認為玉門礫巖出現的4.5 Ma為祁連山及文殊山強烈隆起的時代；袁道陽^[38]認為4.5 Ma可能預示著祁連山山體隆升的開始，真正造成盆地內部文殊山褶皺變形應該始于玉門礫巖結束、酒泉礫石層開始的0.9 Ma，并認為文殊山的隆起是由褶皺和斷層兩部分作用完成的，其中褶皺作用是背斜隆升的主要作用。以往對文殊山背斜隆起帶活動斷裂的認識主要集中在沿山脊發育的文殊山斷裂^[23]，在背斜周緣并未發現活動斷裂，本次研究中在隆起帶西緣發現活動斷層，在隆起帶南北兩側同樣也有斷層發育，這些斷層的發育是文殊山背斜隆起、擴展的結果，而西緣斷裂形態結構復雜，其組合特征及形成機制有待進一步研究。

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Discovery of active fault at the western margin of Wenshushan uplift in Hexi Corridor

Liu Xingwang^{1， 2， *}， Zhu Junwen^{1， 2}， Yao Yunsheng^{1， 2}， Zhao Xiaoming²

1. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Gansu Lanzhou 730000， China

2. Lanzhou Institute of Geotechnique and Earthquake， China Earthquake Administration， Gansu Lanzhou 730000， China

[Abstract] """"The Wenshushan uplift is located at the western end of the Hexi Corridor， dividing the Jiuxi basin and Jiudong basin. It is one of the three major uplift zones within the Hexi Corridor. Based on high-resolution satellite image interpretation and field investigations， we found that there were multiple fault scarps on the western margin of the Wenshushan uplift， with a length of about 3 km. The scarps are relatively continuous and exhibit complex combination characteristics of alternating forward and reverse scarps. Through unmanned aerial vehicle photogrammetric technique and optically stimulated luminescence dating， a comprehensive study was conducted on the fault scarps. The fault scarps developed in different periods of alluvial fans in front of the mountain. Based on the accumulated fault scarp heights of 4.9～5.6 m and corresponding age of （37.3 ± 1.7） ka on the early alluvial fan， the vertical slip rate has been determined to be approximately 0.15 mm/a since the Late Pleistocene. The latest seismic activity occurred during the Holocene， which was a Holocene active fault with fault scarp heights of 0.5～0.7 m. According to data analysis， the formations of the fault scarps are the results of the uplift and expansion of the Wenshushan anticline.

[Keywords] Wenshushan uplift; fault scarp; slip rate; Hexi Corridor