自新生代欧亚板块和印度板块碰撞汇聚以来，青藏高原不断在三维尺度上向周围扩展增生，不仅导致了亚洲大陆内部强烈的新生代构造变形，还对周边的地貌格局和环境演化产生了重大影响^[1～7]。在青藏高原不断隆升和向北东方向挤压扩展过程中，与北部的阿拉善及东北部的鄂尔多斯刚性地块碰撞挤压，形成了规模巨大的走滑断裂带和逆冲推覆构造^[8～10]，进而造成祁连山、六盘山等山脉的隆升和构造变形。

六盘山位于青藏高原东北缘和鄂尔多斯块体交界部位(图 1a)，该地区经历了复杂漫长的构造演化过程，自古生代至中生代的侏罗纪，该区以剥蚀为主，早白垩时期，六盘山地区形成较深的山间盆地^[11]；白垩纪末期，燕山运动第Ⅳ幕使得鄂尔多斯块体隆升，其西南缘遭受强烈挤压，形成六盘山的雏形^[12]；新生代以来，印度板块与欧亚板块碰撞，青藏高原东北缘晚新生代(约8～10Ma)发生了准同期、影响深远的构造变形^{[13, 14]}，在青藏高原持续向北东方向推挤的条件下，祁连-海原断裂带由早期的逆冲转为走滑，走滑运动引起的端部挤压效应沿马东山褶皱带、六盘山东麓断裂(图 1b)等先存构造进行应力调整和应变分配，从而沿六盘山断裂带发生了大规模的挤压逆冲，六盘山开始快速隆升^{[15, 16]}，但在六盘山东麓断裂的北段仍然具有左旋走滑运动分量^{[17, 18]}。随后，六盘山东麓断裂继续向南发展，开始与陇县-宝鸡断裂带相连通。3.6Ma以来，六盘山加速隆升，河流急剧下切，发育典型的风成沉积物和土壤过程^[15]。六盘山西侧为平缓的陇西盆地，东侧为鄂尔多斯块体黄土台地，二者高度在1800m左右，到六盘山地区则迅速上升到2600m左右，其隆升明显受到了六盘山逆冲断裂带构造活动的影响；在其东侧受小关山逆冲断裂的影响，崆峒山也逐步隆升，其高度明显高于东侧的鄂尔多斯块体^[19]。

图 1(Fig. 1)

图 1 青藏高原东北缘地貌及主要活动断裂分布(a)和六盘山地区地质构造简图(b) F1——海原断裂；F2——马东山褶皱逆冲带；F3——小关山断裂；F4——六盘山东麓断裂；F5——六盘山西麓断裂；F6——陇县-岐山-马召断裂；F7——固关-虢镇断裂 Fig. 1 Geomorphological map of the northeastern margin of the Tibet Plateau and the main fault in this region (a) and simplified geological map of the Liupanshan Mountain region(b)

从图 1可见，六盘山地区发育了众多的活动断裂带，这些断裂控制了六盘山的隆升和地貌发育演化，断裂带无论活动时代还是性质都有明显的差异。断裂活动时代与活动性质的转化是否会对六盘山隆升极其地貌演化产生影响？各条断裂所起的作用有什么差异？这是本文拟探讨的主要问题。

六盘山山体区主要活动断裂为六盘山西麓断裂和六盘山东麓断裂(图 1)，两条断裂活动时代和活动性质都有明显的差异。

六盘山西麓断裂(F₅)位于六盘山西侧(图 1b)，是六盘山地区的主干活动断裂之一，断裂北起隆德县三里店水库，向南经罗家峡、桃山水库、奠安东、陈家堡东、关地峡，最后消失于酒槽附近，全长约60km，断裂性质为挤压逆冲，倾向东或北东。六盘山西麓断裂是控制六盘山西侧地质地貌发育的主要断裂，地貌上表现为高山和中低山之间的分界，东侧为六盘山山脉，西侧为陇西盆地。六盘山西麓断裂在罗家峡水库附近断层地貌明显，水库北岸可见到紫红色白垩系砂岩层逆冲于红色砂岩与泥岩互层的第三系地层之上。奠安乡庄浪河断层剖面显示断裂断错庄浪河T₃阶地砾石层，阶地年代在76.0±9.4ka左右^[19]。水洛河两岸发育I、II级阶地，两级阶地均未被错断。根据其断错地貌特征，推测断裂晚更新世晚期新活动并不明显，全新世以来已停止活动^[19]。

六盘山东麓断裂(F₄)北段自硝口一带起，在硝口附近与海原断裂带相接，南端至固关北与陇县-宝鸡断裂带相接(图 1b)，总体走向330°～335°，全长约130km。前人的研究中，都将六盘山东麓断裂分为北、中、南三段^[18～20]，南段止于马家新庄一带。根据最新的研究结果，六盘山东麓断裂向南延伸到了固关以北^[21]；北段具有左旋走滑特征，中南段以逆冲为主^[18～21]。

六盘山东麓断裂晚第四纪构造活动明显，历史上曾发生多次7级以上地震^{[22, 23]}，全新世以来也有多次古地震事件^{[24, 25]}。对于断裂的滑动速率前人曾开展过一些初步研究，得到北段的左旋走滑速率为1～3mm/a，垂直滑动速率为0.9mm/a^[18]；现今GPS观测，北段左旋走滑速率约1mm/a^{[26, 27]}。在本研究中，我们选择典型断错地貌单元，野外通过差分GPS测量及年代样品采集测试，获得了断裂北段的滑动速率。

在六盘山东麓断裂北段，后磨河是一条发源于六盘山区的一条较大水系，发育3级基座阶地，基座为第三系红色砂岩，其中T₂阶地可细分为T_2a和T_2b二级阶地。断裂通过处，阶地边缘形成明显的左旋位错(图 2a)，野外用差分GPS对位错值进行了实测(图 2b)。T₃边缘位错量约为32±2m，河东岸T_2a阶地边缘位错量为约21±2m，东岸由于阶地保存条件及后期人为改造，其位错量存在较大的不确定性，只能作为参考值。在测量处，T₁阶地拔河高度3m，T₂拔河高度为13m，T₃拔河高度为24m。同时野外对T₃和T₂两级阶地进行了年代样品的采集，T₂采样剖面如图 2c所示，顶部为现代地表耕作土层，其下为灰黑色砂砾石土层，在阶地砾石层之上，距地表 2.5m的砂砾石土层中发现黑色木炭，经Beta实验室测定，树轮校正年龄为9065±60a B.P.；T₃采样深度约1.4m，采集的主要为阶地砾石层之上黑色的含炭土层(图 2d)，树轮校正年代为4025±105a B.P.。根据T₂年代样品及区域河流已有年代对比，该结果明显偏年轻。野外考察发现，T₃阶地砾石层之上的沉积物较薄，大多小于1m，而T₂之上沉积物厚约3m，按照正常沉积，T₃之上沉积物应该更厚，但测量点并没有发现更厚的沉积，可能后期遭受了剥蚀，因此该年代样品不能代表阶地沉积年代。我们假设近几万年来河流下切速率保持较稳定，根据T₂阶地砾石层拔河高度为10m，年代为9065±60a B.P.，则其下切速率为约1.1mm/a。根据T₃阶地砾石层拔河高度为23m，推测其形成年代为约2.1万年。

图 2(Fig. 2)

图 2 后磨河阶地左旋位错及14 C采样剖面 (a)后磨河阶地分布(镜像NW)；(b)阶地位错差分GPS测量；(c)T2阶地采样剖面；(d)T3阶地采样剖面 Fig. 2 Surveys of left-lateral offset of terraces at Houmohe River and 14 C sampling section. (a)Terrace distribution of Houmohe (view to NW); (b)Differential GPS surveys of offsetting terrace; (c)Sampling section of T2; (d)Sampling section of T3

滑动速率为累计位移量与起始时间的比值，但由于位移量的保存条件及起始时间难以确定，很多研究者提出了不同的模型加以说明，总的来讲主要为上阶地模型或下阶地模型，即本级阶地的位移量是在形成之时就可以保存，还是当下级阶地形成后才能保存下来，而利用这两级阶地的年代可以获得滑动速率的上限值和下限值^[28]。根据T₃阶地的位错量及年代，得到其最大滑动速率为3.5±0.3mm/a，最小滑动速率为1.5±0.1mm/a，其均值约为2.0±0.3mm/a。

在后磨河向南的柯家庄，河流T₂阶地的表面上，断裂持续活动形成醒目的北东向断层陡坎(图 3a)，野外利用差分GPS对陡坎的两处进行了测量，两条剖面得到的陡坎高度分别为7.2±0.3m和5.1±0.5m(图 3b)，平均高度为6.2±0.6m。同时，野外对该阶地进行了¹⁴C年代样品采集，采集位置在阶地砾石层上部，距地表 1.9m，得到样品的树轮校正年代为7700±40a B.P.(图 3c)，据此得到该点断裂的逆冲速率为0.80±0.08mm/a。

图 3(Fig. 3)

图 3 柯家庄陡坎测量及14 C采样剖面 (a)柯家庄断错地貌(镜像SW)；(b)断层陡坎差分GPS测量；(c)T2阶地采样剖面 Fig. 3 Surveys of fault scarp at Kejiazhuang and 14 C sampling section. (a)Fault landform of Kejiahzuang(view to SW); (b)Differential GPS surveys of fault scarp; (c)Sampling section of T2

六盘山东麓断裂中南段，由于地形及后期人为改造，很难找到理想的地点确定断层滑动速率，但从地貌上观测，断裂中南段逐渐变为倾角低缓的逆冲推覆构造，尾端出现褶皱变形，走滑活动不明显^[20]。GPS同样揭示断裂北段逆冲不明显，中南段则有4～5mm/a的逆冲分量^[27]。虽然这个数值可能大于由活动构造研究得到的滑动速率，但可以表明，沿六盘山东麓断裂从北往南逆冲速率具有变大趋势。

近年来，许多研究者以定量化的地貌因子为研究手段，深入探讨了地貌形态对活动构造的响应机制^[29～35]。河道陡峭指数(k_sn)作为反映岩石抬升速率的指标也被广泛应用^[36～40]，Whipple等^[36]率先引入河道陡峭指数来描述河道整体陡峭程度，通过对Siwalik山的研究得出了河道陡峭指数与抬升速率有着很好的正相关关系；Snyder等^[37]和Wobus等^[38]分别在研究美国加州King Range地区基岩河道纵剖面时指出，抬升速率高的区域河道比较陡，抬升速率低的区域较缓；胡小飞等^[39]根据河流陡峭指数的分布特征得出祁连山中西部抬升速率大，东段小，抬升速率最大处位于榆木山以西区域的结论。六盘山地区也有研究者利用河流陡峭指数变化分析其隆升差异，并得出北段隆升速率低，中、南段较高的认识^[40]，但其南端只到马家新庄一带，并未包括整个六盘山，对六盘山东西侧差异抬升也并未作对比。

本研究中，我们基于ArcGIS平台，利用Snyder等^[37]和Kirby等^[41]开发的Matlab脚本程序从90m分辨率的SRTM数据中提取河道高程和流域面积(A)后，选用250m的移动窗口进行平滑，并每隔12m的垂距计算出河道比降或河道坡度(S)，再根据公式log S=-θ*log A＋log k_sn^[42～45]，反演回归得到的河道陡峭指数(k_sn)和下切凹曲度(θ)或河道凹度(θ=m/n，其中m为面积指数，n为坡度指数)，为了方便断裂带沿线不同河道之间的对比，设定河道下切凹度值为0.45^[46]，对河道陡峭指数归一化后进行数值内插，得到河道陡峭指数(k_sn)平面分布图(图 4)。河道陡峭指数受3个变量的制约：岩石抬升速率、侵蚀系数和坡度指数^{[47, 48]}。侵蚀系数和坡度指数受到多个因素的影响，如岩性、降水和河流负载等^{[49, 50]}。李小强等^[40]通过分析六盘山地区区域岩石性质、降雨量变化及河道输沙量、负载大小，综合均衡河道纵剖面及河道陡峭指数的限制条件，得出河道陡峭指数的变化主要受区域构造隆升的影响，并且岩石隆升速率与河道陡峭指数呈正相关性。所以，六盘山地区河道陡峭指数的变化反映了构造隆升速率分布的差异性。

图 4(Fig. 4)

图 4 六盘山地区河道陡峭指数分布图 Fig. 4 Distribution mapping of channel steepness along the Liupanshan Mountain

从图 4的河道陡峭指数分布的情况看，高陡峭指数主要分布在六盘山的东侧及南段。东西对比来看，以六盘山主峰为界，颜色区分明显，东侧表现为红颜色的高陡峭指数区，西侧多为蓝色的低值区，六盘山西麓断裂以北尤为明显，表明断裂对陡峭指数分布有重要的影响。以六盘山为整体南北对比来看，南段要高于北段，河道陡峭指数的高值区主要分布在六盘山东麓断裂南段及陇县-岐山-马召断裂以北地带，这与前人研究结果较为吻合^[40]。

六盘山河道陡峭指数整体具有南高北低、东高西低的特征，反映出六盘山抬升速率在空间分布上的差异，六盘山抬升速率南段高于北段，东侧大于西侧，这与前文叙述的断裂活动性差异具有高度的一致性，从图 4也可看出断裂对河道陡峭指数分布的控制作用。活动性强、逆冲为主的断裂附近分布高陡峭指数，活动性弱或具走滑性质的断裂附近分布低陡峭指数，反映出断裂活动性对造山隆升影响明显。

六盘山北侧为海原断裂带，它西起祁连山，东至六盘山，分割了构造变形强烈的青藏高原与相对稳定的阿拉善和鄂尔多斯块体(图 1a)，新生代以来经历了先逆冲、后走滑的两阶段变形过程^[51]。无论是活动构造研究还是现今GPS观测，都揭示海原断裂东段的左旋滑动速率为3～5mm/a^{[52, 53]}，这一滑动速率在其尾端被马东山逆冲褶皱带及六盘山东麓断裂逆走滑所吸收。根据本文在六盘山东麓断裂北段所的得到的滑动速率，推测马东山褶皱带和六盘山东麓断裂各吸收了海原断裂约一半的衰减量。六盘山南侧为陇县-宝鸡断裂带，由西向东包括桃园-龟川寺断裂、固关-虢镇断裂、千阳-彪角断裂以及陇县-岐山-马召断裂，其中桃园-龟川寺断裂和千阳-彪角断裂规模较小，活动性不强^[54]。固关-虢镇断裂北端在固关附近与六盘山东麓断裂斜接，向东南至宝鸡一带进入渭河谷地而消失。断层总体走向325°～335°，长80km。断层有多个段落组成，北侧靠近六盘山段断裂活动性不强，中南段有新活动迹象，可能为公元600年秦陇级地震的发震断裂^[55]。也有研究者认为断裂整体活动性不强，晚更新世以来已停止活动^[54]。陇县-岐山-马召断裂为本区主干断裂，它西起固关以西，向东南延伸至渭河盆地内部，总长约150km。前人研究者认为该断裂为晚更新世断裂，全新世以来已经不活动^[54]。但根据最新的研究成果^[21]，该断裂全新世活动明显，表现出明显的左旋走滑兼具正断特征，其最新一次地震的同震水平位移量约为3.5m，垂直位移量约为1.7m。区域上，海原断裂与陇县-岐山-马召断裂形成了一个巨大的左旋右阶的挤压阶区，造成了六盘山的快速隆升^[21]。

六盘山山体区的断裂主要为六盘山东麓断裂和西麓断裂，六盘山西麓断裂为一条晚更新世活动的逆冲断裂，全新世以来已停止活动；六盘山东麓断裂为一条全新世活动的逆左旋断裂，北段走滑作用明显，逆冲作用弱，北段左旋走滑速率为2.0±0.3mm/a，逆冲滑动速率为0.80±0.08mm/a，向南走滑作用逐渐减弱，逆冲作用增强。断裂活动性的差异对山体或构造隆升产生了较大的影响^{[49, 56]}，通过河道陡峭指数的分析，发现六盘山地区河道陡峭指数分布具有东高西低、南高北低的特征，反映六盘山隆升速率东侧比西侧快，南段比北段快，这种地貌变化特征是对活动构造的响应。分析认为六盘山地区断裂活动性的差异及活动性质、滑动速率的转变是造成六盘山差异隆升的主要原因。

致谢: 文中¹⁴ C样品由BETA实验室完成测试。中国地震局地质研究所张会平研究员在成文过程中进行了指导，在此表示感谢。