引用本文
李安, 冉勇康, 刘华国, 徐良鑫. 西南天山柯坪推覆系西段全新世构造活动特征和古地震[J]. 地球科学进展, 2016, 31(4): 377-390.
Li An, Ran Yongkang, Liu Huaguo, Xu Liangxin. .Active Characteristics and Paleoearthquakes in the West Kalpin Nappe Since the Holocene, SW Tianshan Mountain[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(4): 377-390.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.04.0377.
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Copyright©2016, 地球科学进展 编辑部
西南天山柯坪推覆系西段全新世构造活动特征和古地震
李安1, 冉勇康2, 刘华国3, 徐良鑫4
1.中国地震局地壳应力研究所 地壳动力学重点实验室,北京 100085
2.中国地震局地质研究所活动构造与活动火山重点实验室,北京 100029
3.中国地震灾害防御中心,北京 100029
4.陕西省地震局,陕西 西安 710068

作者简介:李安(1983-),男,湖南长沙人,助理研究员,主要从事活动构造和古地震研究.E-mail:antares_lee@163.com

基金:国家自然科学基金青年科学基金项目“冲积扇形态发育对逆断层—褶皱带构造活动的地貌响应”(编号:41402185); 中国地震局地壳应力研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助项目“祁连山北缘玉门断裂带晚第四纪构造活动的地貌响应”(编号:ZDJ2014-12)资助
摘要

柯坪推覆系是南天山重要的多排逆断裂推覆系,研究其活动性对讨论天山新生代构造具有重要意义。讨论柯坪推覆系全新世以来的活动特征和古地震情况可以对其最新活动性特点做出评价。通过对柯坪推覆系西段三排褶皱冲断带山前地貌面上断层陡坎的精确测量和典型地点的古地震探槽研究,并通过10Be宇宙成因核素方法确定地貌面时代和古地震发生时间。获得的结果表明全新世以来柯坪推覆系西段的西柯坪塔格断裂、奥兹塔格断裂和托克塔格断裂的活动速率分别为1.45(+1.68/-0.44)mm/a,0.81(+0.35/-0.19)mm/a和(0.3±0.05)mm/a。表现出天山多排逆断层前展模式中活动强度由后排构造向前排构造转移的特点;古地震的位移量和复发周期特点与活动速率相似,前排古地震活动性强于后排,产生较大地表破裂的强震多出现在第一排的柯坪塔格断裂上。其中第一排西柯坪塔格断裂2次地震复发间隔约4 ka,单次地震位移量约3 m;第二排奥兹塔格断裂4次地震复发间隔约2 ka,单次地震位移量约1 m;第三排托克塔格断裂7 ka来仅发生过1次地震。皮羌捩断层是柯坪推覆系东西段前展推覆速率差异的构造结果。推覆系西段的变形速率明显强于东段,造成推覆系统整体沿皮羌捩断层撕裂。同时由于前展模式的构造特点,目前皮羌断裂两侧的后排断层已经存在近20 km的巨大错距,而随着活动速率向前排的转移,前排两侧4 km左右的错距正在增大。

关键词: 柯坪推覆系; 古地震; 活动速率; 天山
中图分类号:P542 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)04-0377-14
Active Characteristics and Paleoearthquakes in the West Kalpin Nappe Since the Holocene, SW Tianshan Mountain
Li An1, Ran Yongkang2, Liu Huaguo3, Xu Liangxin4
1.Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
2.Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029,China
3.China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China
4.Earthquake Administration of Shaanxi Province, Xi'an 710068, China

First author:Li An (1983- ), male, Changsha City, Hu’nan Province, Research assistant.Research areas include the active tectonic and paleoseismology.E-mail:antares_lee@163.com

Fund:Project supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China “The topography of alluvial fans and their geomorphic response of the structure activity of the thrust fault-fold belt” (No.41402185); The Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration Research Fund “the Geomorphic response of the structure activity of the Yumen fault belt since the late Quaternary in the north Qilian Mountains ” (No.ZDJ2014-12)
Abstract

the Kalpin nappe is an important multiple thrust system. It is important to study the Cenozoic tectonic of the Tianshan Mountain. Holocene active characteristics and paleoearthquake of the Kalpin nappe can be used to evaluate the neotectonic of this area. In this paper, we accurately measured the fault scarp in the front of three thrust-fold faults and analyzed paleoearthquake events in the trenches of the Kalpin nappe. Using the10Be exposure age, we obtained those geomorphic surface ages and paleoearthquake times. The result showed that the slip rates of the west Kalpintag fault, aozitag fault and the tuoketag fault were 1.45(+1.68/-0.44) mm/a, 0.81(+0.35/-0.19) mm/a and (0.3±0.05) mm/a, respectively since the Holocene. The slip rate indicated that the increased activity transferred from back-row fault to front-row fault and accorded with the piggy-back propagation model in the Tianshan Mountain. Displacements and recurrence intervals of paleoearthquakes was similar to the slip rate characteristics. It also showed paleoearthquakes in the front row fault were stronger than paleoearthquakes of the back row fault. The strong paleoearthquake which caused the highest surface rupture happened in the Kalpintag fault. The interval of paleoearthquakes was about 4 ka and the displacement of every paleoearthquake was about 3 m in the west Kalpintag fault; the interval of paleoearthquakes was about 2 ka and the displacement of every paleoearthquake was about 1m in the aozitag fault; the tuoketag fault ruptured only one paleoearthquake since 7 ka. The Piqiang tear fault was the tectonic result of different shortening rate between the west Kalpin system and the east Kalpin system. The shortening rate of west Kalpin system was obviously stronger than the east Kalpin system. The huge separation distance was near 20 km between the east and the west back-row fault. Because the slip rate of system transferred to the front-row fault in the piggy-back propagation model, the separation distance (~4 km) between the east and the west front-row fault was increasing.

Keyword: Kalpin nappe; Slip rate; Paleoearthquake; Tianshan Mountains.
1 引 言

天山造山带由于新生代印度板块与亚欧板块碰撞, 使得其古生代与中生代构造重新复活, 再度隆起。形成了这一世界上最年轻和最宏伟的内陆再生造山带[1~5]。在天山南北山前的多个坳陷中均发育了多排褶皱冲断带。从地震剖面资料上看, 这些多排褶皱冲断带具有统一的浅层滑脱面。前人对天山地区各条断裂和褶皱带中长期变形速率的研究显示天山地区不仅构造运动强烈而且变形复杂。Thompson等[6]对纳伦盆地以北的天山山体活动构造的研究结果认为, 74.5° E附近天山2/3宽度范围内的地壳缩短速率是(11+2/-1)mm/a。西南天山的柯坪活动褶皱冲断带中, 皮羌断裂东西两侧的地壳缩短量分别为40 km和45 km[7, 8], 新生代缩短速率为1~2 mm/a[9~12], 南天山库车逆断裂— 褶皱带中生代以来的地壳缩短量达27~37 km[13~16], 北天山玛纳斯逆断裂— 褶皱带石河子附近的地壳缩短量为8.5~10.5 km, 最东端吐鲁番盆地中央隆起带的地壳缩短量为6~7 km[17]。这4个山前活动逆断裂— 褶皱带大致代表了中国天山自西向东不同段的最小地壳缩短量, 反映出天山新生代地壳缩短向东减小的构造变形。同时, 天山地区百余年来发生了多次八级地震和数十次七级以上地震[18, 19]。研究变形速率快慢与地震强度和周期的关系对认识多排逆断裂破裂形式和各排逆断裂之间的活动关系具有一定的意义。

本文通过对柯坪塔格推覆系西段3排褶皱冲断带山前地貌面变形和形成年龄的分析、各地貌面形成以来古地震次数和位移量的研究, 试图揭示柯坪推覆系西段各排逆断裂的全新世活动特点和古地震复发规律。

2 构造背景

柯坪逆冲推覆构造系位于塔里木盆地西北缘, 北以喀拉铁克断裂与南天山晚古生代层系为界, 南以柯坪塔格南缘逆断裂与塔里木盆地内NWW向的塔里木西南坳陷、巴楚断隆和阿瓦提坳陷为界, 西界位于八盘水磨一带, 与阿图什— 八盘水磨逆冲构造带相接, 东端位于阿克苏附近, 与库车逆冲构造系逐渐过渡[20]。推覆系由多排北东东向延伸的弧形褶皱冲断带构成, 被北北西向的皮羌断裂分为东西2段。西段发育3排褶皱冲断带。第一排为西柯坪塔格断裂, 第二排为奥兹塔格断裂, 第三排为托克塔格断裂。东段较为复杂, 总体上也发育3排褶皱冲断带, 分别为第一排的东柯坪塔格断裂, 第二排的萨尔干塔格断裂和第三排的卡拉布克塞断裂。但是东段内部以三岔口为界, 以西到皮羌断裂每排褶皱冲断带又可分为2个规模相似的次级褶皱冲断带; 三岔口以东则表现为主逆断裂和山前次级小褶皱(三郎塔格和五郎塔格)。整个柯坪推覆系各排褶皱都只残留背斜北翼, 缺失南翼地层, 主断裂出露地表, 表现为古地震断层陡坎(图1)。整个区域古生界发育齐全, 岩性以砂岩和灰岩为主, 中、下寒武统发育较多的膏盐层, 成为该区重要的构造变形控制层。中生代在柯坪逆冲推覆系中仅沉积少量白垩系, 新生代地层发育不全, 厚度不大(图1)。从深部地震探测资料[21]计算的地质平衡剖面上看[22], 柯坪推覆系各排褶皱冲断带由于巨量的剥蚀, 主断裂已经贯通至地表。现今残留的主山体没有明显的褶皱变形, 表明褶皱部分已经基本侵蚀殆尽, 因此现今的构造变形以主断裂错断变形为主; 在主断裂前的下盘地层中未发现新生的断裂发育, 只在山前次生的三郎塔格和五郎塔格发现褶皱变形。从地貌上也显示相同的构造特征。

晚第四纪柯坪推覆系的变形主要表现为2种形式。其一, 褶皱冲断带山前地貌面(冲洪积扇面)褶皱变形。如在柯坪塔格和萨尔干塔格山前冲洪积扇面上分别发育的新生次级背斜三郎塔格和五郎塔格, 是各排褶皱带最新的褶皱变形。其二, 褶皱冲断带山前主逆断裂的断错变形, 表现为古地震断层陡坎。山前的多期冲洪积扇面上古地震断层陡坎的高度并不一致, 因此各级地貌面形成以来发生的古地震事件次数和位移量存在差异。同时由于古地震造成上盘地貌面抬升, 在断裂上盘出露的地貌面级数大于下盘地貌面级数。通过特征地点各级地貌面上不同高度的地震陡坎探槽开挖, 可以揭示各级地貌面形成以来记录的古地震次数和位移量。结合地貌面形成年龄可进行山前断层断错速率分析。

3 方法
3.1 断层速率计算

利用Thompson等[6]逆冲断层滑动模型, 将上盘、下盘和陡坎地形测量的剖面线分别拟合, 获得3条拟合线的6个参数(mh, bh, mf, bf, ms, bs), 探槽开挖后获得的断层角θ 和断层位置f(图2)。结合获得的地貌面10Be年龄, 利用Monte Carlo模拟可计算断层滑动速率。在误差分析上, 3条拟合线的拟合误差为2α 正态分布, 断层位置利用梯形分布计算[23], 地貌面年龄误差为95%置信区间正态分布。将获得的陡坎剖面和地貌面10Be年龄利用Monte Carlo模拟50 000次并进行统计, 得到地貌面形成以来的断层滑动速率(95%置信区间)(图2)。

3.2 古地震事件和位移量

古地震方法是通过史前地震在地表造成的变形或沉积(地貌证据)和构造证据(地层证据)来研究史前地震的位移量和发生时间。槽探方法研究古地震主要通过在探槽中寻找地层位错, 崩积楔等地震造成的地质现象并分析这些现象与正常沉积过程之间的关系, 讨论和界定古地震的发生时间、震级和位移量等参数。槽探方法研究古地震的关键是识别地震变形特征与地层单元之间的关系, 一次古地震事件错断的最新地层和其上覆的未被错断的地层可以分别限定这次古地震事件的下限和上限时间, 被错断层也记录了该次古地震造成的位移量[24]。

图1 柯坪褶皱冲断带地貌、地质及典型构造剖面图[20~22]
F1.东柯坪塔格断裂; F2.西柯坪塔格断裂; F3.萨尔干塔格断裂; F4.奥兹塔格断裂; F5.托克塔格断裂; F6.皮羌断裂; F7.满古特断裂; F8.卡拉布克塞断裂Fig.1 Geological map of Kalpin thrust tectonics[20~22]
F1.East Kalpintag fault; F2.West Kalpintag fault; F3.Saergan fault; F4.Aozitag fault; F5.Tuoketag fault; F6.Piqiang fault; F7.Mangute fault; F8.Kalabukesai fault

图2 断层滑动速率计算[23]Fig.2 Calculation of the fault slip rate[23]

3.3 测年方法

如同皮肤在阳光下暴露一段时间后会变黑一样, 暴露于地表的矿物核素浓度会随样品暴露时间的增长而累积。宇宙成因核素测年模型假设所有的核素都是在暴露时期产生的, 而它们的积累量是暴露时间与生成速率的函数。宇宙成因核素的浓度与暴露时间的关系式为[25]:

Nx, t=Nx, 0+Pxλ+με1-e-λ+μεt(1)

式中:N(x, t)是样品距地表深度x处, t时刻放射性宇宙成因核素的浓度(atom/g); λ 是放射性宇宙成因核素的衰变常数(a-1); μ 是目标岩石吸收系数(cm-1); P(x)是宇宙成因核素在地表深度x(cm)岩石中的生成速率(atoms/(g· a)); t是岩石的暴露时间(a); ε 是侵蚀速率(mm/a)。N (x, t)由加速器测得, P(x)由标准化生成速率P(0)推算, ε 可由一对核素组求解。假设样品无侵蚀作用, 由上式可算出样品的核素年龄t。该公式的建立, 需假设10Be的λ 仅由中子散裂作用控制、且样品暴露过程中核素的地表产率P(0)、侵蚀速率ε 都为定值。

柯坪地区属于干旱气候区, 缺乏14C测年样品的物质来源。同时断层陡坎位于高耸的单斜山山前冲洪积扇面上, 物质成分多以粗砾石为主, 也几乎没有释光测年方法所需的粉细砂层。利用粗砾石层砾石间的填充砂所做出的释光结果缺乏可信度。

宇宙成因核素测年方法中利用10Be元素定年之前主要用于对地貌面暴露年龄的测定。测年样品成分可以为含石英的小砾石或粗砂, 干旱地区地貌面在形成之后表面受水流剥蚀量很小。利用宇宙成因核素测年方法确定柯坪地区地貌面年龄具有不错的可信度。

4 测年结果

本文样品是在各个冲洪积扇面上采集的地表混合样, 由40~50枚玉髓砾石构成, 每块直径都不超过2.5 cm, 采样点见图3和图4。采集到的大部分砾石顶面都均匀地发育深褐色岩石漆, 以避免选取的样品有再次埋藏或搬运的经历。各个地貌面上的采样点都位于断错冲积扇的上升盘, 地势平整, 四周开阔, 计算10Be和26Al生成速率时校正了靠山体一侧高约1 km, 仰角近30° 的地形隔挡的影响。

本文中, 东柯坪塔格(A0, A1, A4)和奥兹塔格(G0, G2, G3)山前冲洪积扇面样品10Be测年在法国宇宙成因核素国家实验室完成。根据研究区核素生成速率和对相应地貌面年龄的初步估计, 通过适当增加石英样品用量的方式尽量提高测试靶中10Be 的含量, 使加速器测试的结果有更高的精度。通过10Be测年不确定度模型对所得结果分析[25~27], 不确定度可控制在12.6%以内。通过利用各级地貌面年龄、探槽剖面中揭露的古地震次数和单次事件位移量, 结合在不同级地貌面上陡坎的不同高度, 可控制古地震复发周期和发生时间。

对地貌面进行测年分析得到的年龄结果见表1。

表1 10Be宇成核素测年结果 Table 1 The result of 10Be cosmogenic nuclide dating
5 活动速率和古地震
5.1 西柯坪塔格断裂

西柯坪塔格山前西克尔镇东发育四级地貌面, 由低到高分别为T1, T2, T3和T4, 四级地貌面的拔河高度分别为2.5 m, 10.4 m, 25 m和35 m(图3)。逆断裂通过T1地貌面形成2.5 m高的断层陡坎(图3c)。陡坎走向近东西, 东侧走向转为北东向。断层在d剖面处的T1上形成的断层陡坎约1.6 m。由于侵蚀作用, 测量区域内缺失位于下盘的T2, 因此无法确定自T2形成以来的断层垂直位错量。根据d剖面的测量, 现今残留的T2位于的上盘部分到断层下盘的T1高度为8.8 m(图3d)。

T1面的断层陡坎处开挖TC1探槽。探槽揭露地层由下至上依次为(图5):

U1:砾石层, 下部为粗砾石层, 粒径多大于10 cm, 夹有一些细砾石薄层, 可以看出一定的成层性; 上部为细砾石层, 含砂质较高, 夹有粗砂质薄层或透镜体, 粒径在3~5 cm。

U2:含粗砂质夹层的细砾石层, 下部含砂质较高的砾石层, 该层底部为粒径5 cm左右的有一定磨圆的砾石层, 向上粒径逐渐变小为1~2 cm的小砾; 中部含砂质透镜体或薄层可作为标志层, 砾石直径在5 cm左右; 上部为含砾石粗砂层, 砾石在层中呈现层状排列。

U3:地表粗砾石层, 砾石无磨圆, 无分选, 粒径最大可达30 cm, 砾石成分主要为泥盆纪红色砂岩容易风化破碎。上盘保存较好, 下盘和陡坎处受到顺陡坎的冲沟侵蚀, 在靠近断层陡坎下的下盘位置, U3基本已经缺失, 离开陡坎20~30 m, 下盘U3层可在地表零星见到。

U4:第一次古地震崩积楔, 物质很松散。底部为杂乱的砾石堆积, 上部为砂质。

U5:最新古地震崩积楔, 与U4不整合接触。以粗砂和砾石堆积为主。

西柯坪塔格断裂在探槽位置形成2条断面F1和F2。F1断层在剖面上表现为2个分支断面, 分别具有1 m和1.4 m的断层位移(以U2底界测量), 断层面未变形到地表, 被U4崩积楔盖住; F2断面则表现为断错U4崩积楔但是被U5崩积楔盖住。因此可以判断出2次古地震。第一次古地震中F1断层破裂, 断错U1-U3层, 断错量约2.4 m。同时F1断层面附近地层也具有少量的褶皱变形, 利用U2层内砂质透镜体恢复约0.7 m的变形量, 所以变形总量为2.4~3.1 m。第一次古地震后形成U4崩积楔。最新古地震中F2断层发生破裂, 单次造成位移量为2.5~3.2 m, 之后堆积U5崩积楔。T1地貌面10Be测年结果为(7.9± 0.74) ka, 这2次古地震事件都发生在7.9 ka到现今的这段时间内。

图3 西柯坪塔格断裂探槽点
(a)探槽点照片; (b)实测地形; (c)& (d)实测地形剖面Fig.3 Trench site of the west Kalpintag fault
(a)The site photograph; (b)The measurement topography; (c)& (d)The topography profile

利用地貌测量结果, 根据Monte Carlo模拟50 K次后, 计算的西柯坪塔格断裂T1面形成以来(7.9± 0.74)ka的断层活动速率为1.45(+1.68/-0.44)mm/a(图6)。古地震探槽揭露的断层滑动量略小于计算的活动速率(图6)。这个结果可能与探槽中只估计了断层断错量而难以估计弯曲变形量有关, 造成探槽揭露的位移量偏小, 并由于陡坎下盘存在侵蚀, 造成陡坎高度偏大, 存在速率估计偏大。

5.2 奥兹塔格断裂

第二排奥兹塔格逆断裂与第一排柯坪塔格断裂相似, 该断裂带平面上呈弧形, 总体近东西走向(图1), 在东端逐渐变为北东30° 走向(图4)。断裂带前缘的冲洪积扇上, 普遍发育断层陡坎。地貌面越老则断层陡坎越高。T2面冲沟中可见断面和地层挠曲变形, 反映该断裂全新世以来仍有活动。不同级别的地貌面发育断坎不同, 从1 m到4 m不等, 残留台地拔河高度最高可达几十米。探槽位置发育了三级地貌面(图4), 测量结果显示, 其中T2上复式陡坎发育连续, 陡坎高度2.4~3.4 m。T1面位于断层上盘, 下盘未见T1发育。在探槽所在冲沟的西侧地貌面T0.5比T1面略低, 但高于现代冲沟T0, 断层延伸方向有极小的地表变形。在该点往西10 km处的T2上也发育2 m左右的断坎, 表明断层陡坎延续性很好。

在T3阶地西侧的冲沟壁清理TC2探槽, 探槽揭露地层描述如下(图7):

U1:砾石层, 下部以粗砾石层为主, 粒径5~10 cm, 偶尔有20 cm以上砾石, 夹有细砾石层; 中部夹有一层含砂较高的细砾石层, 粒径1~0.5 cm为主, 部分粒径可达2~3 cm; 上部为粒径5 cm左右的砾石层, 部分为2~3 cm。

U2:含粗砂细砾石层, 粒径2 cm左右, 有层理, 层厚为30~50 cm, 在F2断层下盘弯曲变形强烈, 同时被压缩变薄, 厚度约10 cm。有一层较为标志的细砾石粗砂层。

图4 奥兹塔格断裂探槽点
(a)地貌照片(镜向北); (b)实测地形; (c)& (d)断层陡坎测量剖面Fig.4 Trench site of the Aozitag fault
(a)The Geomorphic photograph (directionto north); (b)The measurement topography; (c)& (d)The topography profile of the fault scarp

图5 西柯坪塔格断裂TC1探槽Fig.5 TC1 trench of the west Kalpintag fault

图6 西柯坪塔格断裂滑动速率计算和古地震位移Fig.6 The slip rate and paleoearthquake displacements of the west Kalpintag fault

图7 奥兹塔格断裂的TC2探槽
黄线:F1断层U2变形量; 绿线:F1断层U3变形量; 粉红线:F2断层U2层位移量; 橙线:F2断层U4变形量; 蓝线:F2断层U5变形量Fig.7 TC2 trench of the aozitag fault
Yellow line: The U2 displacement in F1 fault; Green line: The U3 displacement in F1 fault; Pink line: The U2 displacement in F2 fault; Orange line: The U4 displacement in F2 fault; Blue line: The U5 displacement in F2 fault

U3:古地震崩积楔, 以杂乱砾石为主, 粒径可达10 cm, 其崩积楔前缘堆积较多的细粒物质, 颜色也较深, 可能为古地面时, 地震后, 陡坎下的小洼地堆积物, 崩积楔有被二次断错的痕迹。

U4:古地震崩积楔, 杂乱的砾石堆积, 填充物以粗砂为主, 砾石直径多为5 cm左右, 崩积楔被二次错动, 物质被挤入断层面。

U5:古地震崩积楔或坎前堆积, 土质含量较高, 有20 cm左右粗砾石。底界发生了一定的弯曲变形, 堆积之后应该还发生了地震变形。

在探槽东侧的陡坎均呈现出复式陡坎的特点, 剖面也揭示出2条断层面F1和F2, 断层产状135° ∠22° 。F1断层面断错了U1-U3层, 被U4崩积楔盖住。F1断层断错U2位移量为2.2 m, U3的位移量为0.6 m。F2断层一直断错到地表, 但断错的各套地层位移量不等, 表明经历多次古地震断错和震后地层堆积。F2断层断错U2位移量为2.3 m, U4位移量为1.8 m, U5位移量为0.8 m。除断错变形外, F2断层下盘的U2, U4和U5还存在强烈褶皱变形。

该探槽中揭露4次古地震事件。最早第一次古地震发生在U1-U2沉积之后, 古地震造成F1断层错断U1和U2, 形成了U3崩积楔, 位移量约1.6 m。随后的第二次古地震F1断层面再次错动, 断错当时地表U3崩积楔约0.6 m, 并F2断层也在这次地震中同时发生破裂, 错断了U2层约0.5 m, 因此第二次古地震总位移量约1.1 m。由于F1和F2两条断层同时活动, 形成了较长的地表陡坎, 因此也形成了比较长的U4崩积楔。第三次古地震中只有F2发生破裂, 错断了U4崩积楔并造成下盘的挠曲变形, 该次地震位移量约1 m。第三次事件之后堆积了更新的U5崩积楔。最新的第四次古地震中F2断层再次发生破裂, 造成U5崩积楔变形。根据U5变形量估计第四次古地震位移量约为0.8 m。

T2面10Be测年结果为(9.2± 0.85)ka, 同时T1的10Be测年结果为(2.6± 0.30)ka。利用Monte Carlo模拟50 k次T2上陡坎计算得到的平均断层滑动速率为0.81(+0.35/-0.19)mm/a。由于事件次数较多, 应该可以反映奥兹塔格山前断层的平均活动速率, 模拟结果在95%的置信区间误差较小。探槽西侧的T0.5面上有微弱的弯曲变形, 因此判断在T1((2.6± 0.30) ka)形成后应存在一次古地震事件。其他3次事件发生在T1年龄(2.6± 0.30)ka和T2年龄(9.2± 0.85)ka之间, 古地震平均复发间隔约2 ka(图8)。利用地貌陡坎模拟得到的断层平均滑动速率略大于探槽中揭露的断层位移量。从探槽剖面上可以看到, 在断层下盘U2地层发生比较强烈的褶皱变形, 甚至地层发生倒转。这种作用加高了陡坎的高度, Thompson模型认为陡坎的高度完全由于断层位错造成, 所以模拟获得的平均滑动速率偏大。探槽中揭露的4次古地震位移量均为1~1.5 m, 较为一致。

5.3 托克塔格断裂

受全新世硝尔库勒湖相地层覆盖的影响, 第三排托克塔格断裂地表出露不连续, 逆断裂出露在湖盆以东。湖盆以西, 仅零星出露由上新统— 早更新统构成的褶皱带后翼, 其前缘断裂平面上也呈弧形展布, 走向近东西。除发育几十米高的洪积台地外, 在较新的冲积扇T1面, 发育0.8~1 m的断层陡坎。该地貌面光释光年龄为(6.79± 0.58)ka[28], 说明全新世以来曾发生过古地震事件。在该点T1上发育约0.7 m的陡坎(图9)。

在T1冲沟壁清理TC3探槽。TC3探槽中的地层描述如下(图10):

U1:砾石层, 砾石直径为2~3 cm, 含有薄砂层, 有层理, 上盘断层附近有弯曲。

U2:细砾石层, 砾石直径略小于U1层, 砂质含量高, 在顶部有一层标志明显的中粗砂层, 厚度约10 cm。

U3:砾石层, 砾石直径为2~3 cm, 含有砂质透镜体, 有少量较大的砾石, 直径可达5~10 cm; 水平层理清晰; 在地层中砂质透镜体采集的释光测年结果为(6.79± 0.58)ka, 采集位置距离地表约80 cm。

U4:崩积楔, 盖住了断层面, 堆积物中砂土含量很高, 未见到较大的砾石, 与U3面有角度不整合。

断层面宽度为5~10 cm, 倾角约20° , 测量得到的U2层断层位错量约为2.4 m, U3层位错量约为1.7 m。U1-U3层变形程度一致, U4堆积后未见断错。因此该点T1面形成以来仅发生过1次古地震。利用剖面的断层位错量1.7~2.4 m, 结合样品年龄估计的断层滑动速率约(0.3± 0.05)mm/a。

图8 奥兹塔格滑动速率和古地震位移Fig.8 The slip rate and paleoearthquake displacements of the Aozitag fault

图9 托克塔格断裂照片和地貌测量Fig.9 The photograph and the measurement topograhy of the Tuoketag fault

图10 托克塔格古地震探槽照片和解译Fig.10 The trench profile of the Tuoketag fault

6 讨 论
6.1 活动速率

晚新生代以来柯坪推覆系的缩短速率是1~2 mm/a[9~12]。我们的研究获得了详细的全新世以来各排断裂的平均活动速率:第一排西柯坪塔格断裂滑动速率为1.45(+1.68/-0.44)mm/a, 第二排奥兹塔格断层滑动速率为0.81(+0.35/-0.19)mm/a, 第三排托克塔格断层滑动速率为(0.3± 0.05)mm/a。3排的总滑动速率为2.56(+2.08/-0.68)mm/a。与前人研究的长时间尺度速率基本一致。对于整个柯坪推覆系, 新生代以来构造强度格局基本维持在相同水平。但在柯坪推覆系内部存在局部分配变化, 即活动速率具有向前排逐渐增强的特点。

许多研究表明南天山构造活动强度具有西强东弱的特点[9, 29~32], 柯坪推覆系以西的喀什坳陷内喀什— 阿图什背斜区活动速率为5~6.5 mm/a[29~31]。以东的库车坳陷内秋里塔格— 亚肯背斜活动速率约2 mm/a[9, 32]。我们的研究结果正好处于二者之间, 比较符合天山构造强度自西向东递减的趋势, 同时GPS观测的结果也具有相同的特点[12]。

6.2 古地震

与活动速率对应, 柯坪推覆系西段的3排断裂— 褶皱带上的古地震也具有明显的差异。第三排托克塔格断裂全新世以来仅发生了1次古地震, 活动性较弱。第二排奥兹塔格9.2 ka以来发生了4次古地震, 但单次位移量很小, 多为1~1.5 m, 最新一次古地震时间为距今1.6 ka, 接近复发周期。第一排的西柯坪塔格断裂7.9 ka以来发生2次古地震, 但是单次位移量很大, 在3 m左右。较大规模的古地震多发生在第一排柯坪塔格断裂上。柯坪推覆系西段三排断裂上。如果这些古地震都是独立事件, 则柯坪推覆系西段在全新世至少发生了7次地震。其中第一排西柯坪塔格断裂2次地震复发间隔约4 ka; 第二排奥兹塔格断裂4次地震复发间隔约2 ka; 第三排托克塔格断裂7 000年来仅发生过1次地震。根据柯坪推覆系西侧1902年发生的阿图什81/4级地震, 造成地表水平断距约4 m, 垂直断距约1.5 m判断[33], 柯坪推覆系的这些古地震规模也应该在7级地震以上。

6.3 皮羌断裂的构造启示

柯坪推覆系西段与柯坪推覆系东段三排逆断裂— 褶皱带比较区别明显。东段第三排卡拉布克塞断裂全新世不活动, 前两排断裂的活动速率均在0.2~0.3 mm/a[34~36]。柯坪推覆系西段各排滑动速率均大于东段各排, 且越前排差距越大, 这正好与皮羌捩断层形成机制对应。柯坪推覆系东西段由于前展变形速率差异, 造成柯坪推覆系东西3排逆断裂— 褶皱带南北向巨大的位移量差距并出现皮羌捩断层。现今第一排的东柯坪塔格断裂与西柯坪塔格断裂错开约4 km, 第二排的奥兹塔格断裂和萨尔干塔格断裂错距约16 km, 第三排的托克塔格断裂和卡拉布克塞断裂错距近20 km。目前保留的早期变形量显示出越靠近前排的断裂— 褶皱总错距小但变形速率快。表现出多排逆断层前展模式中活动强度由后排构造向前排构造转移的特点。目前看柯坪推覆系西段第三排断裂的活动强度已经趋弱, 主要活动集中在第一排的柯坪塔格断裂。从总变形量判断, 柯坪东西段第二排断裂在皮羌断裂处的错距也已达到16 km, 接近第三排断裂20 km的水平。同时西段第二排断裂滑动速率明显低于第一排柯坪塔格断裂的活动速率, 因此可以判断第二排的活动强度也在向第一排柯坪塔格断裂转移。第一排的柯坪塔格断裂正处于强烈活动时期, 并且还将长期持续, 直至更前展的新逆断裂— 褶皱带出现。

7 结论

对于柯坪推覆系西段全新世构造活动特征, 我们可以总结出以下2点认识:

(1) 柯坪推覆系西段的3排逆断裂— 褶皱都在活动, 活动性从北向南逐渐增强。第一排西柯坪塔格断裂活动性最强, 第三排托克塔格断裂活动性最弱。通过地貌测量计算, 获得的全新世以来第一排西柯坪塔格断裂活动速率为1.45(+1.68/-0.44)mm/a, 第二排奥兹塔格断层滑动速率为0.81(+0.35/-0.19)mm/a, 第三排托克塔格断层滑动速率约(0.3± 0.05)mm/a。表现出南天山多排逆断层前展模式中活动强度由后排构造向前排构造转移的特点。

(2) 古地震的位移量和复发周期表现出和活动速率相似的特点, 即第一排柯坪塔格断裂上古地震活动最强, 向北地震活动逐渐减弱的特点。产生较大地表破裂的强震多出现在第一排的柯坪塔格断裂上。第一排西柯坪塔格断裂2次地震复发间隔约4 ka; 第二排奥兹塔格断裂4次地震复发间隔约2 ka; 第三排托克塔格断裂7 000年来仅发生过1次地震。

(3) 皮羌捩断层是柯坪推覆系东西段前展推覆速率差异的结果。推覆系西段的变形速率明显强于东段, 造成推覆系统整体沿皮羌断裂撕裂。同时由于前展模式的构造特点, 目前皮羌断裂两侧的后排断层已经存在近20 km的巨大错距, 而随着活动速率向前排的转移, 前排两侧4 km左右的错距正在增大。

The authors have declared that no competing interests exist.

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