晚新生代以来印度板块与欧亚板块的剧烈碰撞作用，造成了欧亚板块的向北推挤，这种推挤形成的能量不断被青藏高原的抬升、天山的地壳缩短和帕米尔高原的隆升分解、吸收，从而形成了青藏高原、帕米尔岩瘤和中亚的诸多山系^[1]。这种板块间的挤压、隆起、走滑和逆冲等作用铸就了整个亚洲中部地区的盆山地貌，是区域构造变形的动力来源。新生代以来，中亚地区再次遭到强烈的挤压变形作用，形成了天山欧亚大陆内的最大一条造山带^[2~4]。天山南北两侧山前分布有多个大型逆冲推覆构造体系，主要为南天山山前的柯坪推覆构造系^[5]和库车坳陷推覆构造^{[6, 7]}，以及北天山山前的推覆构造系和博格达弧形构造带^[8~10]，大量的中、强地震分布在这一系列山前推覆构造中。天山两侧的一系列坳陷均是由山体向坳陷方向的逆断裂作为根部控制型断裂，而天山山体向盆地逆冲的逆断裂作为准噶尔盆地和塔里木盆地与天山的分界断层^[11]，如北天山山前的准噶尔南缘断裂和南天山山前的北轮台断裂。

北轮台断裂带是塔里木盆地与南天山之间的界线断裂，全长约120km，其最新活动痕迹一般位于山前1~4km的范围内，断裂切割晚更新世和全新世洪积扇，形成高度不等的断层陡坎^[11]。由于受到北轮台断裂的强烈活动影响，南天山山前阿克艾肯一带地貌反差较大，南北向20km的范围内，其海拔由3000m降至山前冲洪积平原区的900m，地形高差达2000m以上。晚第四纪以来北轮台断裂仍有较强的活动，平均垂直位移速率为0.48~1.52mm/a，地壳平均缩短速率为0.27~0.88mm/a^[11~16]。在阿克艾肯一带，北轮台断裂切割山前冲洪积扇，形成了近平行的4条高度不等的断层陡坎^{[11, 17]}。根据相关GPS观测资料表明，北轮台断裂带向北逆冲推挤速率达到4.7±2.5mm/a^[18]。作为天山与塔里木盆地分界的强烈活动断裂，沿北轮台断裂的地震活动偏弱，这是否意味着该区域内构造活动能量已经累计到了较高的水平？有无发生大型地震的危险性？

为了能够准确评价断裂的晚第四纪活动特征，一定要清楚断裂的活动段落长度、滑动速率、最大累计位移量以及最新一次活动的时代等一系列重要的定量数据^{[11, 19]}。根据北轮台断裂的活动特征、活动性对其进行段落划分^[17]，主要分为野云沟断裂段(P1)、阿克艾肯断裂段(P2)、帝禾农业断裂段(P3)、砖厂断裂段和库尔勒东断裂段(图 1)。本文基于对北轮台断裂阿克艾肯段进行野外地质调查及测量，开挖多个大型古地震探槽，采集了部分光释光样品，对北轮台断裂阿克艾肯段的活动特征进行了讨论，为分析判定该区域地震危险性提供基础数据。

图 1(Fig. 1)

图 1 北轮台断裂构造分布图 HLS——霍拉山断裂(Huola Mountain Fault)；HLQ——霍拉山山前断裂(front of Huola Mountain Fault)；SSD——松树达坂断裂(Songshudaban Fault) Fig. 1 Distribution map of Beiluntai Fault

阿克艾肯断裂段位于霍拉山山前的冲洪积扇上，库尔楚的北侧山前地带，地表出露长度8km，分布宽度约4km，总体走向近EW向(图 1)，属于N倾的逆冲断层，断层倾角一般在40°~50°。北轮台断裂在阿克艾肯一带的冲洪积扇上表现为近东西向的3条高度不一的断层陡坎。利用高分辨率卫星影像，对山前冲洪积扇期次进行了划分，对阿克艾肯断裂段进行了较为详细的地貌填图，利用RTK对断层陡坎进行了测量，并在部分地貌面及两个探槽中采集光释光(OSL)年代样品(表 1和图 2)。

表 1(Table 1)

表 1 阿克艾肯段沉积物光释光年龄测定值 Table 1 The chronology results of Akeaiken Fault segment 样品序号 采样位置 放射性元素含量 环境剂量率/Gy·ka-1 等效剂量/Gy 样品年龄/ka U/μg·g-1 Th/μg·g-1 K/% BLT-01 F3a洪积扇冲沟侧面，地表以下2m处的粘土层透镜体 3.52 24.5 3.73 7.83 114.62±8.30 14.64±1.81 BLT-02 F3b洪积扇冲沟侧面，地表下0.7m粉砂条带透镜体 3.79 16.3 1.85 5.13 49.01±5.82 9.55±1.48 BLT-03 探槽Tc01中地层U7底部 3.67 17.2 2.31 5.65 37.33±2.01 6.60±0.75 BLT-04 探槽Tc01中地层U7上部 3.65 18.2 2.38 5.82 37.69±3.61 6.48±0.90 BLT-05 探槽Tc01中地层U7上部 3.30 21.1 2.42 6.03 25.66±1.94 4.25±0.53 BLT-06 探槽Tc01中地层U7下部 3.46 19.0 2.82 6.29 35.34±1.78 5.62±0.63 BLT-07 探槽Tc01中地层U7上部 3.63 23.0 2.36 6.29 25.48±2.45 4.05±0.56 BLT-08 探槽Tc02中地层④ 上部 3.32 26.0 4.50 8.70 45.85±4.14 5.27±0.71 BLT-09 探槽Tc02中地层④ 下部 5.00 20.4 3.37 7.56 54.08±4.01 7.15±0.89 BLT-10 探槽Tc02中地层④ 中部 3.86 13.0 2.83 5.90 37.72±2.97 6.39±0.81

表 1 阿克艾肯段沉积物光释光年龄测定值 Table 1 The chronology results of Akeaiken Fault segment

图 2(Fig. 2)

图 2 阿克艾肯断裂段空间展布和断错地貌面期次划分 (a)阿克艾肯断裂段地貌面及断层解译图；(b)阿克艾肯断裂段卫星影像图AA′和BB′分别为RTK实测的两条地形剖面，与图 5的AA′和BB′一致 Fig. 2 The plane distribution and the level of alluvial fans of Akeaiken Fault segment.(a)is landform and fault interpretation map of Akeaiken Fault segment, and(b) is satellite image of Akeaiken Fault segment. AA′ and BB′ in Fig. 2b are the two topographic survey line in fault segment and in accordance with Fig. 5 AA′ and BB′

研究区内发育多期次洪积扇，其物源主要为霍拉山去的新生界花岗岩，不同期次的洪积扇相互联合重叠一为体，形成洪积扇裙。洪积扇大致可以分为4期，包括F5、F4、F3和F2(图 2)。F5仅在阿克艾肯沟出山口靠近山前地带有少量残余，其扇面较为光滑，拔河高度为约105m；F4洪积扇表面冲沟发育，并且切割较深，多分布大型漂砾，拔河高度为约50m；F3a及F3b洪积扇为阿克艾肯断裂段保留最广的洪积扇，扇面上多发育小型冲沟，断层通过之处，F3a、F3b洪积扇均发生了明显的断错变形，形成了高度不一的顺坡向断层陡坎；最低一级洪积扇F2是最新的冲洪积物堆积，地貌面整体平坦、开阔，岩性以洪积相砾石为主，粗砂等细颗粒物质进行填充。

阿克艾肯断裂段的断裂构造活动，主要表现为错断山前不同期次的冲洪积扇，形成高度不一的断层陡坎。

在阿克艾肯沟两侧断裂断错山前冲洪积扇(F4、F3)，形成陡坎地貌，陡坎走向近EW向，延伸长度约为2km，实测陡坎最大高度达29m(图 3~5)；陡坎向东有所降低，在喀拉萨喀拉阿塔木沟(后文称喀沟)东侧陡坎高度为10.7m左右(图 3b和图 5)。不同期次的冲洪积扇上陡坎的垂直位错量不同，体现出位错量在不断累积的过程。

图 3(Fig. 3)

图 3 阿克艾肯断裂段晚第四纪活动地貌证据 (a)喀沟西侧F3a洪积扇断层陡坎地貌，镜向N；(b)喀沟东侧F3b断层陡坎，镜向E Fig. 3 Landform evidences of Late Quaternary active in Akeaiken Fault segment.(a)F3a alluvial fan fault scarp topography, photo N; (b)F3b alluvial fan fault scarp topography, photo E

图 4(Fig. 4)

图 4 断层断错洪积扇三维地形图 Fig. 4 The terrain map of fault in alluvial fans

图 5(Fig. 5)

图 5 洪积扇F3a、F3b实测地形剖面 AA′和BB′分别为图 2b中RTK实测的两条地形剖面 Fig. 5 The measured topographic profile of alluvial fans(F3a and F3b)

研究区内分布多期次洪积扇，断层在各级地貌面上均有活动痕迹，因此清楚地貌面的年龄是确定断层滑动速率的要点之一。地貌面年代样品取样位置为靠近沉积层顶部的粉砂层透镜体，其年龄(BLT-01和BLT-02) 代表地貌面的废弃年龄，更接近地貌面的年龄(表 1)。本文中所采取的所有光释光(OSL)年代样品的测年均是由中国地震局地壳动力学重点实验室完成。

在野外地质地貌调查的基础上，采用RTK实测了喀沟两侧的F3a、F3b洪积扇的变形地貌，得到了该段断裂的垂直位移量分别为29m、10.7m(图 5)。在洪积扇F3a上及F3b开挖的探槽内(Tc01和Tc02) 采取到了多组光释光年代样品(BLT-03~10)，测试结果见表 1。

在洪积扇F3a的沉积层中，采集光释光年代样品BLT-01(表 1)，该样品为距离地表2m左右的砾石层中的粘土透镜体中，其年龄为14.64±1.81ka。相关学者^[11]也有过一些研究认为洪积扇F3a的暴露年龄为17±3ka，基本与本次研究所测得结果吻合，因此综合判定洪积扇F3a的年龄为14~17ka。在喀沟东侧洪积扇F3b的地表下0.7m处的粉砂条带透镜体中采取的光释光年代样品BLT-02，其年龄为9.55±1.48ka。

喀沟东西两侧的F3a和F3b洪积扇面断层陡坎高度为29m和10.7m(见图 3和图 5)，断层活动后形成陡坎，但遭受到长时间的侵蚀，其高度相应降低，因此根据地表垂直位移量计算出的断层的滑动速率为真是滑动速率的下限。

由此可以得到F3a洪积扇形成以来断裂的平均垂直滑动速率为1.71~2.07mm/a，F3b洪积扇的平均垂直滑动速率为0.97~1.32mm/a。由于F3a洪积扇进过长期的侵蚀，采取的地貌面年代样品可能较年轻，晚第四纪晚期以来北轮台断裂阿克艾肯段垂直滑动速率为0.97~1.32mm/a。

北轮台断裂断错喀沟两侧洪积扇，形成坡向不一的断层陡坎，在喀沟东、西两侧F3b和F3a洪积扇上分别开挖古地震探槽(Tc01和Tc02)(图 2和4)。

该探槽位于喀沟东侧的F3b洪积扇上(图 2和4)，探槽东壁揭示的地层层序如下(图 6)：

U0：断层带，砾石定向排列，实地观察砾石表面有一定摩擦痕迹(实地工作中发现的)；

U1：砖红色角砾石层，无层理，砾石磨圆度一般，次棱角—次圆状，砾石粒径多在5cm，个别可达到30cm；

U2：青灰色角砾石层，砾石磨圆度较差，充填中细砂；

U3：灰色角砾石层，砾石磨圆度较好，充填少量漂砾；

U4：灰色角砾石层，具有水平层理，夹有漂砾，砾石粒径多在7~15cm，砾石磨圆度一般，次棱角状；

U5：灰黑色砾石层，次棱角状，具有水平层理，上部砾石粒径较小，多小于5cm，中下部砾石粒径较大，多大于10cm，最大可达30cm，断层附近有明显的牵引变形；

U6：灰褐色细砾石层，充填中粗砂，砾石磨圆度较好，粒径为5~10cm；

U7：崩积楔，较密实，主要为红褐色粉土为主，夹杂角砾，无层理；

U8：黄褐色角砾石层，混杂堆积无层理；

U9：土黄色粉土层，松散，含植被根系。

由地层岩性和分布特征，结合探槽影像解译图(图 6)及年代样品分析(表 1)，探槽揭露出10个岩性差异的主、次地层层序。结合相关学者^[20]的研究成果，上盘存在侵蚀不整合面，而下盘存在生长地层，是古地震事件显著的标志，对比断层上、下盘两侧的地层，上盘缺少U2、U5，认为这两套地层属于侵蚀不整合面，相对应下盘则存在生长地层，在靠近断层面附近U4、U5均发生了不同程度的弯折挠曲，其中U1的垂直位错量约为4m(图 6a)。断层断错U6后，形成近陡立的断层面，易于堆积细颗粒物质，崩积楔U7标志着一次古地震事件(E1)；崩积楔U7在堆积废弃后，被最近的一次古地震事件(E2) 断错，该次古地震事件断错标志地层U6，垂直位移为2.5~3.5m。

图 6(Fig. 6)

图 6 喀沟东侧F3b洪积扇上Tc01探槽剖面 (a)探槽剖面拼接图(the photo of trench)；(b)探槽剖面解译图(interpretation map of trench) Fig. 6 The section of Tc01 trench in F3b alluvial fan

在崩积楔U7粉土层内上中下部采集了5个OSL样品(表 1，BLT-03~07)，样品BLT-03样品取自U7的底部，基本标志U7开始堆积以及U6被废弃的年龄，根据古地震法认为事件E1发生在6.60±0.75ka之前，但比较靠近距今6.60±0.75ka。样品BLT-07取自U7的中上部与U8砾石层接触的顶面，基本代表U7被废弃，U8开始接受沉积的时代，因此事件E2发生在4.05±0.56ka至今，但是更靠近4.05±0.56ka。

该探槽位于喀沟西侧的F3a洪积扇上(图 2)，陡坎属于向北倾的反向断层陡坎，探槽东壁揭露的地层层序如下(图 7)：

图 7(Fig. 7)

图 7 喀沟西侧F3a洪积扇上探槽Tc02剖面 Fig. 7 The section of Tc02 trench in F3a alluvial fan

① 灰黑色砂砾石层，含粗砂，砾石粒径5~8cm，含有少量漂砾；

② 红褐色砾石层，分选性较好，砾石粒径为8~15cm，夹少量粗砂；

③ 崩积楔，砾石中夹少量粉土，砾石杂乱，分选性差；

④ 崩积楔，土黄色黄土，夹少量角砾；

⑤ 土黄色地表土，含有花岗岩风化碎屑。

该探槽剖面揭露出一条断层剖面，断层产状：193∠25°，根据地层岩性、层理切错特征以及年代样品分析(表 1和图 7)，判定该探槽揭露出2次古地震事件。断层断错层②，形成陡立面，堆积形成崩积楔③，标志着一次古地震事件(V1)，最新的一次古地震(V2) 活动，断错崩积楔③，沉积了崩积楔④，地表土层⑤ 未被断错，并且层厚均一，标志着在现代地表开始堆积之后，该次级断裂再未发生过破裂。

在崩积楔④ 中采取光释光年代样品(见表 1，BLT-08~10)，古地震事件V1发生在层④ 接受堆积之前，样品BLT-09取自层④ 的下部与层② 砾石层接触的底面，最靠近层③ 开始接受堆积的时期，初步判定事件V1发生在为7.15±0.89ka之前，但靠近7.15±0.89ka。古地震事件V2发生在层③ 被断错，层④ 开始接受堆积的时代，样品BLT-09标志这个时期，因此认为事件V2发生在7.15±0.89ka之后。样品BLT-08取自崩积楔层④ 的上部与层⑤ 接触的位置，标志着层④ 被废弃不再接受沉积的年龄，可以初步判定在5.27±0.71ka至今，探槽Tc02所处的阿克艾肯断裂段这一次级断裂未发生破裂。

古地震探槽资料表明，阿克艾肯断裂段在全新世以来仍有较强烈的活动，2个探槽均揭露出2次古地震事件，根据探槽Tc01中光释光年代样品的采集位置及数据，得到第一次事件发生的上限年龄为6.60ka及第二次事件发生的下限年龄为4.05ka，相同的方法在探槽Tc02仅得到第一次事件发生的下限年龄为7.15ka。利用逐次限定法对阿克艾肯段不同探槽之间的事件进行判定^[21]，阿克艾肯断裂段全新世中期以来发生过2次古地震事件，第一次事件(事件Ⅰ)发生在6.60~7.15ka之间，但是靠近6.60ka；第二次事件(事件Ⅱ)发生在距今4.05ka至今，更加靠近4.05ka(图 8)。

图 8(Fig. 8)

图 8 阿克艾肯断裂段全新世古地震事件分析 Fig. 8 Paleoearthquake event analysis of Holocene in Akeaiken Fault segment

根据前人^[22]提出的原地复发地震的时间预报理论，断裂的特征地震的平均复发间隔T，可根据断裂段上的最新一次古地震事件的同震位移D与该段断层的平均滑动速率v两者相比得到^{[23, 24]}：

(1)

其中：v为该断裂段长期的平均滑动速率，D为断裂单次古地震事件产生的同震位移。

根据野外地质调查以及开挖探槽发现，北轮台断裂阿克艾肯段晚第四纪以来以逆冲运动为主，全新世以来的平均滑动速率为0.97~1.32mm/a，相比邓起东等^[11]在天山南缘北轮台断裂库尔楚段的平均滑动速率0.85~1.52mm/a较为接近，说明这一数据较为可信。

根据标志地层的切错关系，得到阿克艾肯断裂段的最新一次古地震事件(事件Ⅱ)的垂直位移量为2.5~3.5m，结合滑动速率法公式(1) 计算得到断裂特征地震的复发周期约为2.7ka。

新生代以来印度-欧亚板块发生剧烈的碰撞，在这种效应的影响下，天山中段南北向的地壳缩短速率为20mm/a^[18]或16~18mm/a^[25]。部分学者^{[3, 5, 18]}认为天山大部分的应变被南北两侧的推覆构造吸收、转化，而北轮台断裂作为南天山与塔里木盆地的边界断裂，在一定程度上同样吸收了南北方向的推挤能量。GPS观测资料^[18]显示，北轮台断裂南北向缩短速率约为4~5mm/a，而邓起东等^[11]研究得到的该断裂段的缩短速率约为2mm/a，大致是总缩短速率的一半，因此全新世以来阿克艾肯断裂段的平均滑动速率需要对多条次级断裂逐一进行计算。

相关学者^{[11, 14]}利用宇宙成核素(¹⁰ Be)得到F3a地貌面的年龄为14~17ka，基本与光释光测年(OSL)得到F3a洪积扇的年龄14.6ka一致，这也间接说明该洪积扇面较长时间未发生过堆积，处在剥蚀状态下，因此计算得到F3a地貌面上断裂的滑动速率为最小滑动速率。

北轮台断裂阿克艾肯段全长8km，是一条北倾的逆冲断层，倾角为40°~60°，全新世以来该断裂活动强烈，根据实地测量断层陡坎垂直位错，结合地貌面年龄，初步得到晚第四纪以来的平均垂直滑动速率：F3a洪积扇形成以来断裂的最小垂直滑动速率为1.71~2.07mm/a，F3b洪积扇的最小垂直滑动速率为0.97~1.32mm/a。根据探槽揭露出的地层切错关系，发现阿克艾肯断裂段全新世中期以来发生过2次古地震事件，分别是事件Ⅰ发生在6.60~7.15ka之间，但接近距今6.60ka，事件Ⅱ发生在距今4.05ka至今，更接近4.05ka。

新疆地区天山、昆仑山，通常震级为Ms≥7.0的地震才能产生明显的地表破裂带^[26]，因此，7级以上地震才能造成阿克艾肯断裂段的断层陡坎地貌。对于新疆区域逆断裂的震级(Ms)与同震位移(D)的经验关系，前人做过总结得到的经验公式：Ms=7.00+1.05LgD^[27]，估算得到阿克艾肯断裂段古地震震级在7.3~7.5之间。

天山地区有明确记录的7级以上大震逾10次，其中最为突出为1949年库车7.3级地震。库车逆断裂-褶皱带的地壳缩短速率为1.35~1.85mm/a^[28]，与阿克艾肯断裂段的缩短速率近一致，标志着北轮台断裂全新世以来构造活动强烈，但有历史记录以来，北轮台断裂未发生过大型地震，5级以上地震也鲜有发生，利用滑动速率法计算得到阿克艾肯断裂段的古地震复发周期为2.7ka，这是否意味着该断裂段的能量已经累积到了较高的水平，未来有发生大型破坏型地震的可能？值得关注。

致谢 巴音郭楞蒙古自治州地震局在工作中给予了很大的帮助；同时感谢评审人和编辑部老师细致地评阅，提出宝贵的修改意见。