第四纪研究  2016, Vol.36 Issue (4): 870-883   PDF    
三角剪切断层传播褶皱在祁连山北缘断裂中的应用:以黑河口断层为例
曹喜林 , 胡小飞 , 潘保田 , 毛俊伟 , 张建 , 刘晓鹏     
( 兰州大学资源环境学院, 西部环境教育部重点实验室, 兰州 730000)
摘要: 逆冲断层运动学过程研究可为造山作用和盆地演化提供重要的信息。位于青藏高原东北缘的祁连山北缘逆冲断裂(NFT)是一条主要的边界断裂,控制着祁连山晚新生代以来的隆升变形,但对于该断裂系统的运动学过程缺乏研究。甘肃张掖西南莺落峡附近,黑河口断层(祁连山北缘断裂的一部分)穿过红沙沟并导致其阶地面错断和褶皱变形。为了研究该区域褶皱变形特征和断层运动学过程,我们首先在红沙沟区域进行了详细的野外考察并对变形的地层和阶地面进行了测量,然后通过数值模拟方法来验证褶皱模型。红沙沟保存有9级河流阶地,利用差分GPS对阶地面的高程进行了测量,同时在野外测量了部分地层的产状。多处断层剖面表明该区域变形属于基底卷入的构造类型,另外变形的阶地面在近断层处表现出明显的褶皱形态。结合阶地面变形特征以及地层的变形,三角剪切断层传播褶皱模型被初步用于该区域构造变形的解释。模型模拟得到自T5、T6和T7形成以来断层滑动量分别是44±7m、59±10m和164±28m;结合T6年代得到自约9万年以来该断层的平均滑动速率为0.68±0.19mm/a,垂直分量为0.58±0.13mm/a。根据地层与阶地变形特征,并结合模型模拟结果,我们认为祁连山山前基底断层卷入的构造中,在断层出露地表之前,断层顶端存在一个分散式的三角形变形区,区域的应力状态控制着下伏地层和上覆地貌面的褶皱变形。
主题词三角剪切褶皱     阶地变形     祁连山北缘断裂    
中图分类号     P542                    文献标识码    A

1 前言

逆冲断层运动学过程研究可以为造山作用和盆地演化提供重要的信息。位于青藏高原东北缘的祁连山北缘逆冲断裂(NFT)是一条主要的边界断裂,控制着祁连山晚新生代以来的隆升变形,但对于该断裂系统的运动学过程较缺乏研究。在构造活动强烈的青藏高原及其周缘,逆冲断层活动速率被广泛用于估计年轻山体的隆升速率和起始隆升时间[18],并进而约束板块会聚量在褶皱逆冲带中的变形分配[912],其作为理解碰撞造山带运动学和动力学的关键定量参数而备受关注。然而在有些情况下断层并不直接出露地表,其滑动主要表现为上覆岩石的褶皱变形[13],特别是在造山带与盆地之间的过渡部位,所以很难直接利用地表断裂断距来研究逆冲带构造变形。

近年,断层相关褶皱模型不断发展和应用,明显提高了我们对断层控制相关褶皱的变形过程的理解[14, 15];与活动断层直接相关的褶皱是一种重要的变形方式,发生于全世界的造山带、生长边界、褶皱逆冲带和板块内走滑、挤压或者伸展区域[15]。因此,综合地震剖面和地层露头观测的变形特征被广泛应用于断层相关褶皱运动学过程研究之中,比如原始地层的变形[16, 17]、生长地层的几何形态[1820]等。各种地貌面,如河流阶地、冲洪积扇等,由于在强烈的构造活动区广泛分布且易于观察和测量,同时深切的河谷提供了观测下伏地层产状的机会,所以利用地貌面变形研究褶皱变形具有独特的优势[21],因此成为断层相关褶皱研究的一个主要研究方法[10, 11, 2230]

本研究利用祁连山北缘黑河莺落峡出山口附近河流地貌变形特征( 图 1),开展了黑河口断层(祁连山北缘断裂中段)运动学特征的分析。该区域红沙沟河保存了多级较为连续的河流阶地面和相应的洪积扇面,断层隐伏于这些地貌面之下并使其发生了不同程度的褶皱变形;同时多处特征鲜明的地层剖面为限制断层相关褶皱类型提供了有力的依据。

图 1 祁连山及其周边地形与活动断裂分布 活动断裂数据来自已发表的文献[3, 9, 10, 12, 3139]以及野外考察 Fig. 1 Topographic map of the Qilian Shan Mountains and its foreland area. Active faults locations are from a series of publications[3, 9, 10, 12, 3139] and our own observations
2 区域构造背景 2.1 祁连山构造背景

祁连山是青藏高原东北缘一系列NWW-SEE走向的山系,位于南部柴达木地块和阿拉善地块之间[31]( 图 1),随着阿尔金走滑断裂向东部延伸,在一系列插入中地壳的逆冲断层作用下祁连山地壳增厚、山体隆升[32, 33]。新生代以来,倾向SSW和NNE的系列近乎平行的逆冲断层吸收了青藏高原东北部的大部分地壳缩短[1, 10, 3436]。大型走滑断层的滑动特征也同样指示了区域内强烈的构造变形[12, 37]。地貌学以及现代GPS测量数据表明,阿尔金断裂向东北方向滑动速率逐渐降低、海原断裂往东的滑动速率也有降低趋势,表明来自于欧亚板块碰撞的应变逐渐向周缘传递[12, 37]

祁连山北缘断裂(NFT)构成了祁连山和河西走廊显著的地貌边界[31]。该断裂西端为阿尔金左旋走滑断裂,东端到古浪一带;祁连山北缘断裂走向大体为北60°~70°西,断面多倾向南西,倾角一般为45°~80°;该逆冲断裂带主要由多条相互平行或斜列的压性断层所组成,多具有左旋走滑性质,断层岩挤压片理和地层牵引现象以及地层陡立带在断层上及其附近屡见不鲜[31]。断裂带附近地层主要包括前寒武-古生代地层以及早古生代花岗岩,山前零星分布新近系桔红色砂岩以及第四系沉积物[31]。断裂以冲断带的形式影响着从祁连山山体内部一直到走廊盆地深部的变形过程[40]

2.2 研究区构造背景

研究区位于张掖市西南约30km黑河出山口附近( 图 12),山前主要由变质的奥陶系砂岩、新近系桔红色砂岩以及第四系砾石层组成[31],包括黑河口断层在内的一系列次级断层构成了榆木山东缘断裂,该断裂带走向近NW,倾向SW,倾角一般60°~75°[41]。黑河口断层在黑河阶地上形成了高约3~5m、长约1km的断层陡坎,根据黑河第三级阶地的年代得到断层垂直活动速率约为0.3mm/a[42];李有利等[43]经过对该断层的考察认为该断层晚更新世以来至少有3次活动,每次活动的垂直位移为2~5m,活动间隔为3~5ka,活动速率范围为0.40~1.67mm/a;黑河口断层同时表现出强烈的右旋走滑作用,黑河第四级阶地被右旋错开20多米[44],断层右旋还造成黑河口向东约5km的范围内展布大量黑河砾石[45];地震探槽研究[44, 46]也揭示了断层上发生的距今最近的4次古地震活动,其震级约7~8级。

图 2 祁连山山前研究区地貌分布图 该数字高程影像根据1:50000地形图(国家测绘局制,甘肃省基础地理信息中心提供)制作,其位置见图 1 Fig. 2 Topographic map of the study area in the mountain front of the Qilian Shan Mountains. The map is derived from the 1 : 50000 topographic map, and its location is shown in Fig. 1

Hetzel等[9]认为晚更新世之前断层活动主要集中在红沙沟断层(即图 2中黑河口断裂延伸至红沙沟部分),红沙沟断层停止后向北激活了“张掖断层”( 图 3c)并错断红沙沟洪积扇形成显著的断层陡坎;而其他研究学者[42, 43]更多的是将黑河西岸的黑河口断层向东南延伸至红沙沟冲积扇之下,并认为“张掖断层”陡坎为河流侵蚀所形成。我们的实地考察发现:1)其陡坎之下除新的薄层冲积物之外,下部为黑河所堆积的磨圆分选很好的砾石层,与陡坎之上红沙沟沉积明显不同,不是同一级阶地面;2)黑河的下切提供了非常好的剖面来观察地层变形情况( 图 3a),从下而上分别是下更新统河流相砾石、夹杂磨圆砾石的冲洪积物以及磨圆分选较差的冲洪积物。虽然Hetzel等[9]所提到的断层陡坎( 图 3c)需要延伸百米才可以到达该区域,但不太可能出现洪积扇上50多米的错动[9]而更老的地层依旧连续。所以,我们也认为“张掖断层”的陡坎为黑河发育新的洪积扇时侧向侵蚀形成,不是断层陡坎。

图 3 黑河口断层附近地质地貌特征 位置见图 2;(a)红沙沟与黑河交汇区域的地层特征,(b)黑河左岸一处断层剖面,(c)红沙沟阶地分布与形态特征及Hetzel等[9]文中“张掖断层”,(d)断层在红沙沟中游一处剖面,(e)T7阶地面上高约6m的陡坎,(f)~(h)红沙沟两岸地层特征 Fig. 3 Geological and topographic features near the Heihekou Fault. Locations of these photographs are shown in Fig. 2. (a)Stratigraphic characteristics of fault and fold at where Hongshagou River joins into the Heihe River; (b)The fault profile on the left side of the Heihe River; (c)Features of terrace deformation and distribution of fluvial terraces and Zhangye Thrust from Hetzel et al.[9]; (d)Fault profile in the middle reach of the Hongshagou River; (e)A six meters high fault scarp on the T7 surface; (f)~(h) Stratigraphic characteristics of both sides of the Hongshagou River
3 黑河口断层与褶皱

黑河口断层错断了顶部的全新世黄土,表现出仍在活动的迹象[42]( 图 3b)。断层除了错断黑河T3、T4阶地外,还形成了显著的断层崖地貌,平坦的盘道山顶面与山前冲洪积扇有着达500m的高差。断层穿过黑河与其小型支流红沙沟,向东南隐伏于红沙沟较高级别的洪积扇之下,并造成红沙沟各级河流阶地面发生不同程度的褶皱变形( 图 3c)。

一个典型的剖面位于黑河出山口附近北岸,断层使变质的奥陶系沉积岩逆冲于新近系红色砂岩及上更新统(Q3)砾石层之上,同时造成了下盘地层的直立甚至倒转( 图 3b)。Q3砾石层主要为黑河T3阶地堆积,断层上盘奥陶系变质岩顶部有厚约1m的砾石层以及0.5m黄土,下盘Q3砾石厚约20m。水平的Q3砾石层不整合在褶皱的新近系以及近乎直立的下更新统(Q1)砾石层之上并被薄层的黄土所覆盖。顺着红沙沟沟口向上游约1.3km处可以发现另外一处明显的断层剖面( 图 3d):奥陶系黑色板岩逆冲于新近系桔红色砂岩之上,顶部由于侵蚀而未见明显错断痕迹,附近多处见黑色断层泥。

在大沙沟源头的黑河口断层隐伏区域( 图 4),下伏地层为褶皱变形的桔红色粉砂岩,褶皱两翼地层倾向夹角约90°,北翼(前翼)略陡,倾角约30°,南翼(后翼)略缓,倾角为15°~23°。不整合于其北翼红沙沟沉积物之下的是下、中更新统河流相磨圆砾石,远离核部地层倾角逐渐降低,向下游洪积扇下伏洪积物中砂层倾角约10°。位于研究区东南的一条冲沟中(东大沟,见图 2),同样出露了良好的新近系砂岩和不整合于其上的下更新统砾石,地层倾角40°~45°。依据北翼新近系地层出露的宽度,我们推测这套新近系地层的厚度约为600~700m。

图 4 黑河口断层隐伏区域之上的褶皱形态照片(a)及其素描(b)(位置见图 2) Fig. 4 The photo (a) and its sketch (b) of fold features over the Heihekou blind fault. The location is shown in Fig. 2
4 河流阶地变形 4.1 河流阶地的分布与特征

红沙沟右岸发育了多级河流阶地和相应的洪积扇面( 图 2),本文中为了表述清楚,我们统称为红沙沟河流阶地。在考察中,发现上游阶地面平坦连续,中游发生隆起变形并发生部分侵蚀,向下游方向阶地面逐渐平缓( 图 3c)。通过对该区域阶地面的追索对比,发现红沙沟共发育了9级河流阶地( 图 2图 3c)。其中第一、二级阶地面(T1、T2)在河道中零散分布,面积较小,顶面覆盖薄层黄土,拔河高度分别为10m和30m;T3、T4仅在下游沿河道分布,长度超过1km,宽度可达150m至250m,均以黑河砾石层为基座,上覆沉积物为来自红沙沟上游的黑色板岩,磨圆分选程度较差,厚度30~40m,顶部覆盖厚度1~2m的黄土,拔河高度分别为40m和45m;T5在褶皱变形区上下均有分布,在上游表现为平坦台面,基座为新近系桔红色粉砂岩,上覆洪积物厚度14~17m,黄土1~2m,向下游洪积物厚度减薄至8~11m;T6以及更高的阶地在下游均转变为洪积台地,其在褶皱隆起区上游仅保留条带状,洪积物厚度6~7m,野外可以明显观察到,其基座明显高于T5基座而低于更高的T7基座,基座的类型全部是新近系桔红色粉砂岩,并且隆起变形的下游靠近褶皱核部洪积物厚度14~17m,往下游厚度增大;T7除了在靠近上游段保留了平坦的阶地面外,阶地面的分布情况与T6基本类似:上游段基座为新近系桔红色粉砂岩,洪积物厚度7~8m,向下游基座变为新近系桔红色粉砂岩与下更新统砾石,洪积物厚度最厚超过70m;T8上游部分与T7、T9平行排列,洪积物厚约7~9m,接近核部部分区域为大型河流沉积物,无任何洪积物覆盖,存在被侵蚀的可能性;T9仅在上游呈条带状分布,表面平坦。

4.2 阶地的形态与测量

我们对红沙沟河道进行了连续的测量,并完成了多条穿过变形区且大致平行于河道的断面。地形测量采用Trimble 5800 GPS,利用载波相位实时动态差分的方法对阶地面高程进行测量,此方法测量速度快,测量精度高,垂直误差可达5cm以下,完全满足我们对高程测量精度的要求。为了得到更符合实际的阶地变形特征,我们将各级阶地面高程投影到垂直于断层走向的北偏东50°方向上。同时由于红沙沟下游现代河道方向与高阶地形成时河流方向有较大差别,不适宜投影到一个方向上,而只绘出了河道的纵剖面( 图 5e)以供参考。

红沙沟河道的比降在断层上下盘明显分成了两部分,上盘河道具有较高的坡度4.0°,下盘河道坡度约2.7°。T5、T6、T7和T8在上盘都有着近似的坡度(3.9°~5.1°),下盘变形区以北的坡度变小( 图 5a5d)。阶地面由于投影到与阶地走向不平行的方向,具有较高的坡度,其并不代表真实的阶地面比降。变形区( 图 5a5d黑色虚线方框内)以外无论上游还是下游,都保存有长度不等的较平坦区域,比如T5上游的平坦区域超过了1200m,而T8上游平坦未变形长度可能超过2000m。变形区形态在不同阶地面上表现不同,除T6不太明显外,T5、T7都表现出局地的向斜;T8保存并不完整( 图 2图 5d),但结合测量数据以及野外观察,其变形主要表现为一个倾斜超过上游段2倍的平面。变形区的大小也有区别,在阶地面上表现为老的高的阶地变形范围更大。T7阶地面上出现了一个次级的断层陡坎,高度约6m( 图 3e),向西北延伸并消失于T6阶地面附近。T5到T8在断裂延伸位置都出现褶皱类型的变形,从年轻到老阶地,变形量逐渐增大。

图 5 红沙沟阶地(a~d)与河道纵剖面(e)(垂向高程放大了4倍) 阶地断面投影到了垂直于黑河口断层的方向上;黑色虚线方框代表变形的区域 Fig. 5 Longitudinal profiles of fluvial terraces(a~d)and modern river bed (e) along the Hongshagou River(plots shown with 4×vertical exaggeration). Topographic profiles projected onto lines perpendicular to the Heihekou Fault. Black dotted boxes mark the deformation areas
5 模型模拟与结果 5.1 模型的选取

黑河口断层向东南方向延伸至红沙沟阶地面之下( 图 2),红沙沟阶地的变形源于黑河口断层的生长传播过程。在黑河口附近,断层两盘的岩石流变学性质存在显著差异,上盘为奥陶系变质岩,断层顶端及下盘为桔红色砂岩及胶结的砾石层( 图 3d)。我们认为研究区内变形属于前陆基底卷入的厚皮构造,典型的现象见于美国西部落基山拉勒米式前陆基底卷入构造[4749];相似的构造类型在祁连山西段金佛寺花岗岩参与的前陆冲断带中也有发现[50]。本研究区内奥陶系变质岩为结晶基底(basement),上覆的桔红色粉砂岩和第四纪沉积物为沉积盖层(sedimentary cover)。在红沙沟一带,主要出露新近系地层,基底还没有被完全错断到地表。在断裂向红沙沟延伸的区域( 图 2),阶地面也没有出现明显的错断变形,而以渐变的褶皱变形为主( 图 5)。

由于流变学性质的显著差异,基底断层进入沉积盖层时,经典的膝折带迁移断层传播褶皱理论[51]不能解释其变形特征[52, 53]。Erslev[47]最早提出了三角剪切断层传播褶皱(Trishear fault-propagation fold)的概念和运动学模型,用以表述基底中脆性破裂的断层传播至沉积盖层中,变形表现为从断层顶点向上变宽的三角形区域( 图 6)。Hardy和Ford[54]拓展了这一理论并建立了数字模拟模型,Allmendinger[55]进一步完善了三角剪切的正演模型和反演方法。通过将模型预测结果与自然构造观察、实验模拟对比分析,以及经过一系列力学模型对运动学模型的检验,三角剪切断层传播褶皱理论被证实并获得了广泛应用[56]。结合我们的野外观察,三角剪切断层传播褶皱[47]可能比较符合红沙沟阶地面变形和地层变形的特征。

图 6 三角剪切断层传播褶皱示意图 据Zehnder和Allmendinger[57]修改 Fig. 6 A simple concept of the trishear fault propagation folding, modified from Zehnder and Allmendinger[57]
5.2 三角剪切参数与假设条件

三角剪切断层传播褶皱有6个关键参数:断层倾角、断层顶点位置(X、Y)、断层滑动量S、断层传播量与断层滑动量的比值(P/S)、三角剪切区域的角度TA[57]( 图 6)。依据野外的实际测量,断层倾角约为60°。由于T5阶地面保存并不完整,可能断层顶端恰好到达阶地面的高度,也可能已经穿过了阶地面,断层顶点的位置是难以确定的。总的滑动量可以通过三角变形区以外的阶地面的高差来进行大致的估算;另外,在已发表的基于野外实际工作的三角剪切变形研究中,用到的P/S是0.9~3.0,TA的变化是30°~105°,这些已有的研究可以帮助估计自然构造最佳的参数[58]

对于获取三角剪切运动模型最佳的匹配参数,Allmendinger[55]、Cardozo等[59, 60]提出了基于数学计算的方法;另外,也有成功的经验[30]表明可以通过追踪阶地面记录、基岩分布与变形以及生长地层来修正区域构造活动的运动学模型。小区域的阶地面可以作为一条直线来进行近似处理而省去了寻找初始状态的计算。为了获取基本的运动学模型,我们必须做出如下几个假设:1)阶地面废弃以后在走向上的形态都近似为一条直线;2)断层走向虽然在上文中已经提及,但并没有明确的标志,在这里我们假设从黑河口断层直接延伸过来,走向为SE140°;3)假设断层顶点位置从T5到T7这600m的宽度内是在同一高程上的,以方便将不同阶地面置于同一个二维断面中进行模拟;4)假设初始的地层产状为近水平的,比如新近系和第四系的地层。虽然更靠山体的位置有断层曾经活动过的痕迹,但位于这些“老的断层”下盘的褶皱变形可能与其无关;5)红沙沟下游(断层下盘)阶地的形成归结于其基准面黑河的下切作用,尽管其中可能包含了区域的构造抬升或气候变化。

5.3 模拟方法

我们利用电脑程序Fault/Fold v.6[61]来建造三角剪切模型,该程序所使用的算法在Allmendinger[55]以及Zehnder和Allmendinger[57]文中有过详细的讨论。首先创建水平的地层单元,断层从基底中开始向上传播。断层在基底中传播时给予极高的P/S比值,进入沉积盖层后其值降为较低的值。考虑到上盘新近系地层的倾斜,下伏断层在某一深处可能存在倾角的变化。当新近系地层与第四系砾岩的变形与野外测量结果接近时,增加一根线条作为最老的阶地。断层继续传播上升并使这个阶地变形,同时基准面的下降导致断层下盘区域也发生下切;然后再放置第二个阶地,断层传播继续使阶地相对于河道变形;类似过程持续进行直到获取与野外观察一致的地层和阶地面形态。断层滑动的量由阶地在断层上下盘之间的相对高差进行计算;河道整体下切的值来源于下盘未变形区域阶地面的高差。模拟过程中,移除河道之上的所有基岩物质以模拟褶皱生长过程中的河流侵蚀作用。考虑到阶地面保存的完整性,我们在地貌面变形测试中主要选取了T5~T7

5.4 模拟结果

初始状态中( 图 7)自下而上分别为水平状奥陶系变质岩(结晶基底O)、新近系砂岩(N1)以及下更新统砾岩(Q1)(沉积盖层),断层以54°的初始角度在基底中传播( 图 7a)。进入沉积盖层后,断层以60°倾角向上传播直到与T7阶地面对应的河道出现;该阶段(7a和7b)断层的滑动量S=952m。需要说明的是在岩性界面上断层倾角发生变化并不是必须的,模型中给出的是断层转折的最浅深度。经过图 7a7c所示过程,断层总滑动量S=1116m,阶地与地层形态模拟结果见图 7d

图 7 模拟过程与结果 绿色区域代表奥陶系变质岩(O)(结晶基底),橙色和灰色区域代表新近系砂岩(N1)和下更新统砾石层(Q1),蓝色虚线(河床)之上的部分代表被侵蚀的区域;(a)代表初始状态,(b)到(c)的详细过程见图 8及文中说明,(d)展示了地层及阶地面变形特征,位置见(c)中黑色方框;模拟所使用主要参数为:断层倾角=60°,三角剪切区域的角度TA=100°,P/S比值=1 Fig. 7 Modelling results using trishear model for the Heihekou Fault(1). Green areas represent Ordovician metamorphic rock(crystalline basement), orange and gray areas represent Neogene red beds and lower Pleistocene series conglomerates, respectively. Eroded areas locate above the blue dotted line. (a)Represents initial state. The detailed process from (b) to (c) is shown in Fig. 8. (d)Shows the deformation features of the stratigraphy and fluvial terraces, and the location is shown in(c). The model results were generated using the following model parameters: fault dip=60°, Trishear angle(TA)=100°, and P/S ratio=1.0

我们通过图 8给出了更为详细的断层传播过程(对应于图 7b7c):阶段1,建立河道(对应于7b);阶段2,断层滑动S1=105m,T7阶地面形成;阶段3,河道整体下切27.5m;阶段4,断层滑动S2=15m,T6阶地面形成;阶段5,河道整体下切37.6m;阶段6,断层滑动S3=44m,T5阶地面形成;阶段7,河道多期次下切共计75m。最终结果中,断层并没有切穿T5阶地面,表明靠近断层处阶地面的变形仍在持续。对应于T5、T6和T7形成以来的断层滑动量分别是44m(=S1)、59m(=S1+S2)和164m(=S1+S2+S3)( 图 8b8d8f);所使用的参数为断层倾角60°、P/S=1.0、TA=100°。

图 8 红沙沟阶地的三角剪切模型发展序列 这些过程位于图 7中(b)到(c)之间;该模型所使用参数与图 7过程中使用参数一致;获取该结果的主要参数为:断层倾角=60°、三角剪切区域角度TA=100°、P/S比值=1 Fig. 8 Evolutionary sequence of the trishear model for Hongshagou fluvial terraces. These processes are located between 7b and 7c. The model results were generated using the same parameters as processes in Fig. 7. The model results were generated using the following model parameters: fault dip=60°, trishear angle(TA)=100°, and P/S ratio=1.0

红沙沟阶地变形的三角剪切断层传播褶皱模型的模拟结果( 图 7d)可以匹配很多基岩数据以及阶地面变形特征。模型很好地模拟出了奥陶系变质岩逆冲于新近系红色砂岩之上,同时造成了下盘下更新统砾石层的变形( 图 7d)。模型中褶皱核部两翼具有差别明显的地层倾角:褶皱后翼新近系和奥陶系地层具有较一致的倾角,前翼地层倾角变化较大,从靠近断层处地层的倒转到直立,再到远离断层地层倾角逐渐降低。将野外所获取的地层倾角,包括后翼较平缓的新近系砂岩、前翼下更新统砾石层的倾角( 图 4a)以及黑河北岸断层剖面中新近系靠近断层处倒转的地层(SW80°)、下更新统近乎直立的砾石层(NE85°) ( 图 3b)投影到图 7d中,发现模拟结果与野外实际现象非常符合。另外,奥陶系变质岩仅在断层上盘约500m的范围内出现,并形成基岩河道峡谷;往上游河道两侧基岩均为新近系桔红色砂岩,往下游河道两侧为新近系砂岩以及下更新统砾石层,与实际野外观察( 图 3f3h)一致。另外,红沙沟阶地面所表现的变形特征( 图 3c图 5),比如变形区内强烈隆起的单斜、上游阶地面长距离未变形区域等都在模型( 图 7d)中得到了很好的体现。模拟结果显示,T5、T6和T7形成以来断层滑动量分别是44m、59m和164m,结合断层的倾角(60°)得出断层垂直活动量分别是38m、51m和142m。断层垂直活动量的误差主要是由于阶地面倾角在上下盘有轻微不一致( 图 5),而模拟过程中使用的是“直线河道的变形”。模拟过程中参数的设置仅影响褶皱区域的形态以及上下盘阶地面的高差,对于T5、T6,这个误差与阶地上下盘高差的直接计算误差是一致的;由此我们得到对应T5、T6的断层垂直活动量分别为38±4m和51±6m( 图 5)。另外,模拟过程中使用的断层滑动量是根据上下盘阶地面的高差(即断层垂直活动量)以及断层倾角来确定的。结合野外实际情况我们给出断层倾角范围为60°±5°,则对应T5、T6的断层滑动量为44±7m和59±10m。由于T7下盘均在变形区内,其变形量的误差可能还与参数的设定有一定的关系,具体误差难以量化。由于各级阶地面在同一套模型参数中,我们对照T5和T6,给出T7垂直抬升量以及断层滑动量为12 %和17 %的误差,即142±17m和164±28m。Hetzel等[9]测得T6阶地表面砾石的10Be暴露年龄为90±11ka,因此,我们结合该年代得到黑河口断层自约9万年以来平均滑动速率0. 68±0. 19mm/a以及垂直活动速率0. 58±0. 13mm/a。

6 讨论

由于模型中只考虑垂直于断层方向上的一个断面的结果,自然界中断层在空间上的三维展布以及河流在不同方向上的摆荡都可能产生不同的断面形态,因此模拟结果不能完全符合野外观察现象。主要表现有以下几个方面:首先是河道,我们所假设的河道与实际河道的位置在上盘有较大的差距( 图 8h),这可能是由于下游被限定在断层位置后并不能像早期的冲洪积扇那样自由摆荡,进而河道的弯曲程度明显增加所导致的。通过河道纵剖面( 图 5e)与投影的河道( 图 8h)对比也可以发现,河道投影到一个方向上后出现了很多“拐点”,这是由于河道在对应区域的明显弯曲造成的;其次,部分地层的产状是不匹配的,比如,图 4中褶皱两翼地层倾向的夹角只有90°左右,表明红沙沟褶皱并非标准的圆柱状褶皱;另外,相对较远的T8阶地面的变形以及东大沟中高倾角的地层(40°~45°)难以纳入到我们的模型之中。可能的原因是基底断层传播褶皱沿走向变化较快,断层顶点高程、断层滑动量、三角剪切角、P/S、滑动矢量的方位等参数沿走向发生了变化[62]。最后,由于采用的三角剪切断层传播褶皱模型是运动学模型而没考虑前翼曲率增加所产生的机械力学过程,所以T7阶地面上( 图 3e)的次级陡坎在模型中也没有体现。尽管存在这些不匹配,三角剪切褶皱模型还是对红沙沟阶地及地层变形特征做出了很好的解释。

祁连山北缘前陆冲断带从山体向盆地内部的变形是由深变浅,由基底卷入到层间滑脱[50]。本研究给出了一个很好的实例来解释山前基底卷入的构造变形过程。对于没有突破地表的断层,其顶端存在一个分散式的三角变形区( 图 6),三角区内的地层将会通过褶皱的方式发生增厚和减薄,越靠近断层褶皱越是紧闭,地层可以达到直立甚至倒转。当上方存在河流阶地时,变形可以表现为阶地面的倾斜,倾斜可以是小角度大范围的[30],也可以是小范围的高角度(如本研究),控制其尺度的是断层顶点与阶地面的距离、三角剪切区域角度(TA)以及P/S大小。

在祁连山东段,Hu等[10]根据金塔河阶地的褶皱变形推断地下断层呈铲式的几何学形态;在河西走廊北部,温振玲等[24]依据金塔南山黑河阶地以及下伏岩层产状建立了下伏断裂的几何学模型;对于盆地内部滑脱层之上的褶皱变形,相关的地层学研究也已经给出了较为详细的褶皱生长过程,比如老君庙背斜[63, 64]。本文研究结果表明,祁连山北缘山前断裂活动,特别是有基底断层卷入的构造活动,三角剪切褶皱可能代表了其运动学过程。尽管很多区域以断层崖的形式构成了盆-山边界,其可能是上述褶皱过程中断层出露地表以后的进一步发展。相似的构造样式还见于祁连山西段金佛寺花岗岩的冲断变形[50]

在一些区域,虽然断层活动,但没有形成明显的断层陡坎,而三角剪切褶皱理论的应用为获取准确的位移提供了理论基础。虽然跨过变形区进行长距离的测量可以较为简便地获取断层的垂直活动量,但并非所有研究区都可以满足长距离测量的要求,比如本研究中的T7、T8。仔细观察可以发现,图 8h中T7下盘所有的测点都是在变形区内的,这也导致了图 5c中陡坎的高度(118±12m)与结果中断层垂直活动量142m存在一定差距。尽管T8未能纳入到我们的模型之中,但模拟结果给了我们很大的启发,进一步的工作可以尝试推测断层顶点位置建立模型来限制T8的变形量。T7阶地面上明显存在的一条断层陡坎( 图 3c),其垂直位移约6m,该位移量不到该阶地面垂直变形总量(142m)的5 %,推测可能是褶皱过程中由于褶皱曲率的增加和前翼的剪切而形成的次级破裂。次级破裂相对于形成褶皱的断层来说滑动量往往要低很多[65],如果将该破裂作为断层的位移,得出的活动速率将会出现量级的错误。

黑河口断层自9万年以来垂直活动速率为0.58±0.13mm/a,这与Palumbo等[1]在榆木山中段山体边界断裂处获取的垂直错动速率0.5~0.8mm/a、祁连山西段Hetzel等[34]利用石油河基座阶地的下切获取的垂直抬升速率0.8±0.2mm/a、祁连山东段Hu等[10]依据金塔河阶地面的褶皱变形获取的晚更新世以来断层活动速率0.9±0.3mm/a以及Zheng等[66]在金佛寺附近获取的长时间尺度(10Ma以来)断裂垂直错断速率0.5mm/a较一致。这些结果说明祁连山山前断裂在东西向上保持着接近的活动速率;另外,长尺度(10Ma以来)与短尺度(晚更新世以来)断层的活动速率也没有明显差异。

7 结论

在黑河口断层的作用下,红沙沟多级冲洪积扇和阶地面发生了不同程度的褶皱变形。结合地层产状与阶地面形态,建立了符合该区域变形特征的三角剪切褶皱模型。模型给出了自T5、T6和T7形成以来断层滑动量分别是44±7m、59±10m和164±28m;根据断层的倾角得出断层垂直活动量分别是38±4m、51±6m和142±17m。结合T6年代得到自9万年以来该断层的滑动速率0.68±0.19mm/a以及垂直活动速率0.58±0.13mm/a。祁连山山前基底断层卷入的构造中,在断层出露地表之前,断层顶端存在一个分散式的三角形变形区域,该区域的应力状态控制着下伏地层和上覆地貌面的褶皱变形。另外,活动断裂研究中应增加关注于断层相关褶皱变形以及次级断裂的发育,以获取更真实的断层活动量。

致谢: 感谢两位审稿专家和编辑部老师提出的宝贵意见。

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Application of trishear faultpropagation folding to the north frontal thrust of the Qilian Shan Mountains:An example from the Heihekou Fault
Cao Xilin, Hu Xiaofei, Pan Baotian, Mao Junwei, Zhang Jian, Liu Xiaopeng     
( Key Laboratory of Western China's Environmental Systems, College of Earth Environmental Sciences, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000)

Abstract

Thrusts kinematics can provide significance information for the orogen and basin evolution. Along NE margin of the Tibetan Plateau, the north frontal thrusts of the Qilian Shan(NFT)are main boundary faults controlling the uplift of the Qilian Shan Mountains in Late Cenozoic, while the kinematics of this fault system are poorly known. Near the Yingluo Gorge, southwest of Zhangye City, Gansu Province, the Heihekou Fault(one segment of the NFT)crosses the Hongshagou River and induces faulting and folding deformation of fluvial terraces along the river. The study area locates at the mountain pass of the Heihe River 30km southwest of Zhangye City. To study the folding characteristics and kinematics, we firstly conducted detailed field investigations and measurement on the deformed strata and terrace surfaces, and then carried on simulating work to test the fold model. Along the Hongshagou River, nine individual levels of fluvial terrace are preserved. Fluvial terrace heights were measured by the differential GPS method and the strata attitudes were measured in the field. Lithology sections crossing the fault suggest that the deformation in this region belongs to a basement-involved structure, and the deformed terraces show a clear folding area near the fault. Based on the deforming characteristics of terrace surfaces and the strata deformation, the trishear fault-propagation fold model is preliminarily applied in this region. Modelling results suggest that the fault slipped in the amounts of 44±7m, 59±10m and 164±28m respectively after the formation of T5, T6 and T7. Combined with the exposure age of T6 surface, we derived a slip rate of 0.68±0.19mm/a for the Heheikou thrust and a vertical component of 0.58±0.13mm/a since ca.90ka B.P. According to the deformation features of strata and terraces, and to the result of the model simulation on the basement-involved structures in the Qilian foreland, we can conclude that there is a triangular zone of deformation with distributed strain on the top of fault before the fault breaking out to the surface. The stress state of this region controls the folding geometries of strata and overlying geomorphic surfaces.
Key words: trishear fault-propagation fold     terrace deformation     north frontal thrusts of the Qilian Shan