2020, Vol.40
2 青海煤炭地质勘查院, 青海 西宁 810010)
青藏高原作为世界上最年轻、最活跃的高原，平均海拔高度在4000 m以上，其主要构造地貌特征都是50~60 Ma以来印度板块和亚洲板块持续碰撞挤压变形和隆升的结果[1]。其中，位于青藏高原北部的柴达木盆地北缘断裂带是柴达木盆地内的一条大型区域性活动断裂带，构成了柴达木盆地北部和祁连山的边界断裂，总体呈EW向延伸约600 km (图 1)，对控制柴达木盆地和祁连山块体构造变形起着非常重要作用。该断裂带的晚新生代以来的构造活动特征研究，对认识和理解柴达木盆地构造演化的地球动力学机制具有重要意义。
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图 1 研究区地质构造简图 F1—大柴旦-托素湖断裂带(Dachaidan-Tosu Lake fault)；F2—柴达木盆地北缘断裂(Fault in the Northern Margin of Qaidam Basin)；F3—柴达木盆地北中央断裂(North Central Fault of Qaidam Basin)；F4—柴达木盆地南中央断裂(South Central Fault of Qaidam Basin)；F5—柴达木盆地南缘断裂(Fault in the Southern Margin of Qaidam Basin) Fig. 1 Geological structure of the research area |
柴达木盆地北缘断裂带与祁连山北侧山前-河西走廊发育的一系列逆冲断裂带共同控制着祁连山南北两侧的构造变形，是整个青藏块体北部最新构造变形过程中不可或缺的重要组成部分。这两个构造部位历史及现今构造活动强烈，发生过多次破坏性地震，甚至大地震。由于构造活动强烈，多年来，研究人员对祁连山北侧的逆冲构造带开展了大量研究工作，在构造变形方式、地壳缩短速率、最新活动性和构造演化等方面取得了丰富成果[2~10]。李海兵等[11]、徐锡伟等[12]从区域大范围论述了阿尔金断裂与青藏高原东北部构造转换关系。自2003年青海德令哈6.6级地震以来[13]，祁连地块南缘又在2008年、2009年发生了6.3级、6.4级两次地震，引起了广大研究者的高度关注[14~16]，很多学者对柴达木盆地北缘断裂系的宗务隆山南缘断裂[17~19]、大柴旦断裂[20]、大柴旦-托素湖断裂[21~22]等活动构造进行了较细致研究，取得了一系列研究成果。现有研究主要关注在祁连山地块南北两侧及阿尔金山地区断裂的活动性，对于柴达木盆地内部断裂活动性研究程度较低，尤其是柴北缘断裂阿木尼克山段的研究极少，仅限于对该地区进行遥感解译[23]，缺乏对断裂进行活动时代、运动特征、活动速率等细致、定量的研究工作。
本文在高分辨率卫星遥感图像解译分析的基础上，结合野外调查、差分GPS测量、探槽开挖、无人机航拍、OSL地质测年等方法，对柴达木盆地北缘断裂(阿木尼克山段)晚第四纪活动构造地貌及其活动速率进行了定量研究。
1 地质构造背景研究区域位于柴达木盆地北部，祁连山块体和柴达木块体的结合部位。北部为祁连山地块的宗务隆山山脉，主要展布在大柴旦镇北部、东北部及绿草山、大煤沟、巴力沟，向东一直延伸至德令哈市以东，被鄂拉山所截，中部为赛什腾山、锡铁山、阿木尼克山隆起区，中间夹有大柴旦-德令哈-乌兰盆地。在赛什腾山、锡铁山、阿木尼克山西南部、南部为柴达木盆地腹地，柴达木盆地以南为昆仑山山脉，地形地貌上形成“三山夹两盆”的地貌格局。区域内活动断裂比较十分发育，主要大柴旦-托素湖断裂(F1)、柴达木盆地北缘断裂(F2)、柴达木盆地北中央断裂(F3)、柴达木盆地南中央断裂(F4)、柴达木盆地南缘断裂(F5)以及盆地内的其他小型断裂组成。
柴达木盆地北缘断裂是青藏高原北部一条重要的活动构造带，西起阿尔金山东段南麓的赛什腾山，向东南终止于青海乌兰地区，并被鄂拉山断裂所截，是柴达木盆地断陷区与北部祁连山断隆带的重要分界断裂，由一系列分段断层组成，相互间呈反“S”型斜列关系[3]。该断裂全长约600 km，总体呈NW向，由走向一致、首尾错列的赛什腾山断裂、绿梁山断裂、大柴旦断裂、锡铁山断裂、阿木尼克山断裂等组合而成。Yin等[24]对柴达木盆地北缘地区的新生代构造演化开展了详细的研究，认为柴北缘断裂带受到阿尔金断裂的驱动，经历了自西向东的扩展过程，新生代的地壳缩短向东逐渐变小。
2 断裂特征 2.1 遥感解译及地貌特征柴达木北缘断裂(阿木尼克山段)主要发育在阿木尼克山西南侧山前及其冲洪积平原上，总体呈NWW向展布，由一系列雁形排列的左阶断裂组成。断裂带东北为上元古界变质岩组成的中高山地貌，西南侧为新生界砂砾岩和粘土岩组成的低山丘陵、洪积扇和戈壁平原。遥感影像显示断裂发育在阿木尼克山山前，断裂连续性好，山前洪积扇如刀切一般平直，线性特征明显(图 2a)，断裂切割不同时代的洪积扇及阶地，水系、地质体存在不同程度的左旋位移，断层陡坎、断层三角面发育。
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图 2 阿木尼克山山前影像和解译图 (a)影像图，蓝色线为P1~P4测线，黄色线为P5~P8测线；(b)解译图，绿色虚线图框为无人机航拍区域 Fig. 2 Amunikeshan Mountain front image map (a) and interpretation map (b). In figure (a), the blue line is P1~P4 line, and the yellow line is P5~P8 line; The green dotted line frame in (b) is the aerial photo area of UAV |
野外调查发现，在阿木尼克山西南山前发育多期冲洪积扇，断裂切割不同时代的洪积扇及阶地，形成断层陡坎(图 3a)、断层凹槽(图 3b)、断层鼓梁(图 3c)、闸门脊(图 3d)、水系冲沟左旋扭错(图 3e和3f)等构造地貌。
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图 3 断层地貌特征 (a)断层陡坎(fault scarp)；(b)地震凹槽(earthquake groove)；(c)地震鼓梁(seismic drum beam)；(d)闸门脊(gate ridge)；(e，f)水系、冲沟左旋走滑(water system，ditch left-spin slip)红色箭头位置为断裂位置，蓝色虚线为季节性河流，白色箭头指断裂运动方向 Fig. 3 Geomorphic characteristics of fault. The red arrows indicate the position of fault and blue dotted line indicates seasonal rivers. White arrows indicate the direction of fault |
在该段选取阿木尼克山山前典型而且线性特征明显的断层段为研究对象，结合GoogleEarth遥感影像、无人机低空摄影、野外实地调查共划分出5期洪积扇(Fan1、Fan2、Fan3、Fan4和Fan5)和Ⅱ期阶地(图 2b)。其中Fan1、Fan2和Fan3洪积扇发育广泛，Fan4和Fan5洪积扇发育较早，侵蚀严重，仅存在于山前部位。断裂主要发育在Fan1、Fan2和Fan3洪积扇及河流阶地。
为了更好地获取该地区断裂对水系、地质体的变形特征，我们对重点考察点进行了无人机低空摄影，通过反演后的DEM图，可以清楚地看到在探槽1(TC1)(图 4a)附近断裂线性特征明显，断层陡坎显著，水系存在不同尺度的左旋位移。图 4b显示Fan1洪积扇的挤压变形，形成高约1.5 m的挤压脊(图 4b中P7、P8)，并造成Fan1地貌面水系形成14 m的左旋位移，Fan2地貌面水系形成48 m的左旋位移。图 4c显示在中部存在一处挤压形成的闸门脊，中间被积水冲开，形成“峡口”地貌。断裂控制着洪积扇的发育，不同洪积扇高差明显。
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图 4 重点考察点无人机航拍DEM图 (a)探槽1周边DEM图(DEM diagram around the trench 1)；(b)中段DEM图(DEM diagram in the middle section)；(c)探槽2周边DEM图(DEM diagram around the trench 2)白色箭头指断裂运动方向 Fig. 4 Aerial DEM map of UAV in key investigation points. White arrows indicate the direction of fault movement |
结合遥感、地质等资料，沿断裂考察获得了一些活动性证据。沿断裂发育大量断错冲沟、阶地、水系、错动地层等断裂活动标志。
考察点1：位于研究区西段，遥感影像显示线性特征明显，断错了不同洪积扇扇面，陡坎发育，水系、地质体有明显的左旋走滑特征(图 4a)。野外地质调查表明，该处保留Fan2和Fan3两期洪积扇，在Fan3和Fan2之间形成高约15 m的断层陡坎。断裂发育在Fan2洪积扇后缘，形成长约3 m，高约0.5 m和长约10 m，高约1.5 m的两处断层陡坎(图 5a和5b)，从遥感影像观察可以看出水系基本呈平卧的“V”字型(图 5c)，显示出明显的左旋性质。此处陡坎以东，保留了长约100 m的Fan3洪积扇残留台地，台地形成反向陡坎，水系顺反向陡坎向东流淌，沿断裂形成沟槽。
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图 5 探槽1附近影像图(a)、断层陡坎(b)及解译图(c) 红色箭头位置为陡坎位置，黑色箭头指断裂运动方向 Fig. 5 Image map (a), fault scarp (b) and interpretation map (c) near trench 1. Red arrows are scarp position, and black arrows refer to the direction of fault movement |
探槽1(TC1：36.9050°N，96.5996°E)，位于Fan2后缘的断层陡坎上，陡坎处于两条冲沟的三角区域，保留了两处断层陡坎(图 5b)，其中一段长约3 m，高约0.5 m；一段长约10 m，高约1.5 m。为了更好地揭露古地震期次，选择了在1.5 m陡坎处开挖探槽，探槽长约22 m、宽3 m、深3~4 m；岩性描述如下(图 6)：
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图 6 探槽1(TC1)剖面解译图 Fig. 6 Trench 1(TC1)profile interpretation |
U1：砾石层，土黄色、橘黄色，砾石磨圆度一般，含角砾及橘红色泥岩，层厚0.5 m左右；
U2：细砂层，土黄色，层理清晰、连续，呈明显的河流相沉积，层厚0.6 m左右；
U3：粗砂层：灰白色、土黄色，以粗砂为主，夹杂有5~10 mm的砾石层，层厚0.5~0.8 m；
U4：粉砂层：土黄色，层理清晰、呈“凹”型状，以粉砂为主，夹有细砂，层厚1.2 m左右；
U5：砾石层：青灰色，以砾石为主，粗砂充填，砂质纯净，粒径在5~20 mm为主，层厚1.2~2.0 m；
U6：细砂层：土黄色，层理清晰、连续，以细砂为主，局部含粗砂层；
U7：泥岩：橘红色，局部夹有青灰色砂岩，固结程度高，开挖困难。
剖面揭露该处发育多条断层(f1~f4)(图 6)，其中f1直接断错至顶部，形成上部宽约20 cm、深40 cm的断层楔，楔内贯入粉细砂，下部有灰白色圆形断层角砾岩，并在地形上形成陡坎。断层f2倾角近直立，断面分析认为是一次明显的逆冲兼走滑活动，该断层没有发现断错至地表。f3、f4倾角平缓，运动特征表现为逆冲为主，也未能断错至地表。通过对探槽1稳定的粉细砂层做OSL测年(表 1)，AM- 03年龄为11.4±1.5 ka、AM-05年龄为13.2±1.0 ka。该探槽(TC1)在Fan2洪积扇上开挖，其U2地层发育连续，沉积稳定性好，其AM-03、AM- 05测年结果可以代表该洪积扇(Fan2)形成的最新年代。
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表 1 OSL样品测年数据 Table 1 The results of OSL dating |
考察点2：位于研究区东段，遥感影像显示线性陡坎，挤压脊明显(图 7)，其西侧由于断裂走滑挤压，形成了一条长约500 m，宽100 m、高10 m左右的闸门脊，闸门脊走向95°左右，呈半弧形状(图 4c)。在中部Fan1洪积扇上形成长约200 m、高约1.5 m、走向呈95°的断层陡坎，线性特征明显(图 7a和7b)。东段断裂断错Fan3和Fan2洪积扇，形成高15 m左右的断层陡坎，高差明显。
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图 7 探槽2(TC2)附近影像(a)及断层陡坎(b)及解译图(c) 红色箭头为陡坎位置，黑色箭头指断层运动方向，蓝色箭头指水流方向 Fig. 7 Image map (a), fault scarp (b) and interpretation map (c) near trench 2. Red arrows are scarp position, and black arrows refer to the direction of fault movement. Blue arrow points to the direction of water flow |
探槽2(TC2：36.8724°N，96.6218°E)位于Fan1洪积扇中部，长25 m、宽3 m、深3.5 m；岩性特征描述如下(图 8)：
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图 8 探槽2(TC2)剖面解译图 Fig. 8 Trench 2(TC2)profile interpretation |
U1：砾石层，土黄色、橘黄色，砾石磨圆度一般，含角砾及橘红色泥岩，层厚0.5 m左右；
U2：砾石层，土黄色，砾石磨圆度一般，含少量角砾，粗砂充填，水平层理，层厚0.5 m左右；
U3：粗砂层，土黄色、灰白色，层理连续、水平。以粗砂为主，混杂有砾石，层厚0.5~1.0 m；
U4：粉砂层，青灰色粉细砂为主，层理明显，呈楔形覆盖于泥岩之上；
U5：泥岩、砂岩互层，橘红色的泥岩与灰白色的砂岩互层，层理呈近直立，层内劈理发育，岩体完整性较差。
通过对探槽剖面的分析，存在多条断层(图 8)，其中断层f1对应于地表陡坎位置，断层f1从下而上贯穿至顶，在顶部有粉细砂灌入形成断层楔。断层f2、f3倾角陡峭，倾向南西，没有明显贯穿到顶的迹象。断层f4为一逆冲断层，倾角较缓，可明显看到“Z”字型变形。该探槽布设在Fan1洪积扇上，采取探槽2不同位置、不同深度的细颗粒OSL样品来厘定洪积扇沉积年代(见表 1)，其中NMH-01年龄为5.0±0.4 ka、NMH-03年龄为8.0±0.6 ka、NMH-07年龄为7.2±0.9 ka、NMH-10年龄为3.1±0.3 ka。
2.3 运动速率滑动速率是断裂运动学特征的重要参数之一，通过对构造地貌的测量和复原，选择合适的地貌面，获得断裂变形量及其地貌开始变形的年龄，从而获得断裂滑动速率，反映断裂的位移特征、运动强度及活动方式等。
Fan1为该区最新一期洪积扇，地貌面明显错断，多条实测地形剖面(P1~P8)所获得的断层陡坎高度为1.4±0.1 m、2.1±0.1 m、1.8±0.1 m、1.8±0.1 m、2.5±0.1 m、2.4±0.1 m、2.0±0.1 m和2.4±0.1 m，均值为2.3±0.1 m(图 9)。为限定洪积扇的废弃年代，即台地顶面脱离沉积的年代，通过采取含粉-细砂细颗粒物质较多、岩性均匀、层理发育的沉积夹层作为采样层位。由于该地区开挖困难，考虑到探槽(TC2)布设在Fan1洪积扇上，我们在探槽TC2中采集了OSL样品(见表 1)，样品NMH-03采集于探槽2沟壁上的粗砂层，距顶面1.8 m，年龄结果为8.0±0.6 ka，其地层为一套连续的水平层理的粗砂层，上覆层理不清晰的砾砂层。NMH-01采集于探槽2沟壁上的粉细砂夹层，距顶面0.3 m，年龄结果为5.0±0.4 ka；样品NMH-07采集于探槽2沟壁上的粉细砂夹层，距顶面0.3 m，年龄结果为7.2±0.9 ka；样品NMH-10采集于探槽2沟壁上的粉细砂夹层，距顶面0.5 m，年龄结果为3.1±0.3 ka；为了取得相对准确的地质年龄，取NMH-01、NMH-07和NMH-10这3个样品的平均年龄限定Fan1的年龄，其结果为5.1±0.5 ka，其地质测年结果可以代表Fan1的沉积年代，计算得到断裂5.1 ka以来的平均垂直滑动速率为0.43±0.02 mm/a。
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图 9 Fan1洪积扇GPS实测陡坎高度 Fig. 9 Fan1 alluvial fan GPS measured scarp height |
断裂沿线多处冲沟、水系有明显的走滑位错，通过遥感影像得到Fan1洪积扇最大位移量为14 m(图 10a)、Fan2最大位移量48 m(图 10b)。测定Fan1洪积扇平均年龄在5.1±0.5 ka，其平均水平活动速率在2.50~2.75 mm/a；测定Fan2洪积扇年龄在11.4±1.5~13.2±1.0 ka，计算得到水平活动速率为3.38~4.21 mm/a。
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图 10 Fan1 (a)、Fan2 (b)洪积扇水系左旋位移 Fig. 10 Fan1 (a) and Fan2 (b) flood fan water system left-hand shift |
通过对柴达木盆地北缘断裂(阿木尼克山段)进行野外地质调查和地质测年，获得了该断裂的构造地貌特征、空间几何展布，运动特征及运动特性。结合断错标志和地貌面年代，获得了断裂全新世以来的滑动速率，归纳起来，得到以下几点认识：
(1) 柴达木盆地北缘断裂(阿木尼克山段)影像线性特征明显，断裂切割了不同期的洪积扇及阶地，发育，并形成一系列水系扭错、挤压脊、断层陡坎等断错地貌，是一条全新世活动断裂，运动性质以左旋走滑为主兼逆冲。
(2) 阿木尼克山地区发育多期洪积扇，获得的该区域Fan2洪积扇地貌面年龄为11.4~13.2 ka，最大左旋位移量达48 m，水平活动速率为3.38~4.21 mm/a；Fan1洪积扇地貌面年龄为5.1±0.5 ka，最大左旋位移量达14 m，水平活动速率为2.50~2.75 mm/a，水平活动速率呈减弱趋势。在Fan1洪积扇形成高2.3 m的断层陡坎，得到全新世晚期以来的垂直滑动速率为0.43±0.02 mm/a。对比李建彪等[25]通过GPS观测数据得到该断裂以走滑为主，逆冲为辅，其活动速率在2~4 mm/a，与本文通过地质方法得到的运动性质、活动速率基本吻合。
(3) 通过分析区域活动特征及探槽剖面特征，认为柴达木盆地北缘地区早期受祁连块体影响，断裂活动主要以逆冲为主，形成了高大的山脉，晚期受阿尔金断裂控制，断裂活动呈现以走滑为主的特征，形成了柴达木盆地北缘地区反“S”型构造地貌特征。
致谢: 本文所用释光年龄由中国科学院青海盐湖研究所盐湖化学分析测试中心测试；非常感谢中国地震局地壳应力研究所徐锡伟研究员、甘肃省地震局袁道阳研究员、陕西省地震局冯希杰研究员在室内及野外对本人工作的指导；审稿专家提出了宝贵意见和建议，在此一并表示感谢。
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2 Qinghai Coal Geological Prospecting Institute, Xining 810010, Qinghai)
Abstract
The North Qaidam Thrust Fault zone is the north boundary fault of the Qaidam Basin, and controls the crustal deformation of northeastern Qaidam Basin. The study on its Late Quaternary slip behavior is important for us to understand the strain distribution pattern of the South Qilian Mountain and the compressional and extensional process of the fault activity into the internal Qaidam Bain. We focus our study on the Amunike segment of the North Qaidam Thrust fault zone, where the fault has obvious linear characteristics, including fault scarp, fault triangle, water system dislocation in the remote sensing image. After study from remote sensing and image interpretation, geological survey, trench excavation, GPS topographic profile survey, OSL geological dating, we find a ca.30 km length surface track on the Amunike segment with continuous obvious surface traces with fault scarp, fault trough, seismic drum beam (package) and water system dislocation. We obtain the average Holocene slip rate of 0.43±0.02 mm/a from the displacement in the alluvial fan and the OSL dating results. The DEM interpretation results show that the left-lateral strike slip rate of 3.38~4.21 mm/a since 13 ka B. P., and 2.50~2.75 mm/a since 5.1 ka B. P.