祁連山北緣祁連山北緣河西走廊西段晚新生代逆沖推覆斷裂發(fā)育模式

祁連山北緣祁連山北緣河西走廊西段晚新生代逆沖推覆斷裂發(fā)育模式

山西省祁山北緣河西走廊西側(cè)位于青藏高原東北緣。中生代末期,首先是科瑞斯坦微板塊在尼泊爾拼貼碰撞,導(dǎo)致阿爾金斷裂帶的形成;而后從新生代漸新世早期開始,由于印度板塊向歐亞板塊的碰撞和持續(xù)至今的向北推擠作用,導(dǎo)致青藏高原隆起、阿爾金斷裂帶大規(guī)模左行走滑以及祁連山北緣斷裂帶和龍首山南緣斷裂的巨大逆沖,并形成河西走廊典型新生代壓陷盆地。同時(shí),祁連山北緣—河西走廊地區(qū)也是我國新構(gòu)造活動非常強(qiáng)烈的地區(qū)之一,包括祁連山北緣斷裂、阿爾金斷裂在內(nèi)的青藏高原北緣、東北緣地區(qū)的新生代構(gòu)造變形、構(gòu)造轉(zhuǎn)換及擴(kuò)展機(jī)制是最近20多年來國內(nèi)國際研究的熱點(diǎn)[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]。祁連山北緣—河西走廊西段逆沖推覆活動斷裂非常發(fā)育,自南向北依次是昌馬斷裂、旱峽—大黃溝斷裂、玉門斷裂、新民堡斷裂和陰洼山斷裂(圖1)。對祁連山北緣—河西走廊西段地區(qū)的新生代構(gòu)造活動,前人已經(jīng)做了比較多的研究,時(shí)振梁等、向宏發(fā)等和虢順民等較早對玉門—嘉峪關(guān)地區(qū)的活動斷裂進(jìn)行了初步研究,國家地震局地質(zhì)研究所等較系統(tǒng)地總結(jié)了祁連山—河西走廊地區(qū)的活動斷裂。陳文彬等和閔偉等開展了酒西盆地古地震事件研究,黃華芳等從古地磁學(xué)角度對祁連山北緣西段逆沖推覆斷裂與油氣儲層的關(guān)系開展了研究。在祁連山隆升和祁連山北緣斷裂的年代學(xué)方面,宋春暉等、方小敏等和陸潔民等通過對沉積相、沉積速率、古流向和重礦物的分析研究了北祁連山開始隆升的時(shí)間;陳漢林等和楊樹鋒等運(yùn)用生長地層的頂?shù)捉缥恢梅治龇椒ㄑ芯科钸B山北緣西段逆沖推覆斷裂帶中山前斷層和前鋒斷層開始活動的時(shí)間和結(jié)束活動時(shí)間;而陳柏林等對玉門斷裂和河西走廊西段盆地內(nèi)的陰洼山斷裂和新民堡斷裂的新構(gòu)造活動進(jìn)行了研究,強(qiáng)調(diào)了這些斷裂的全新世活動性。上述研究無疑很大地提高了祁連山北緣—河西走廊西段地區(qū)活動構(gòu)造研究程度,但仍然存在一些問題。首先,上述研究大多數(shù)為比較零散地研究具體的某條活動斷裂,并且對各條活動斷裂的最新活動時(shí)代也存在比較多的爭議,而將祁連山北緣—河西走廊西段地區(qū)作為一個整體考慮的比較少;第二,在祁連山北緣—河西走廊西段逆沖推覆構(gòu)造的研究中,有研究者提出前展式發(fā)育模式,認(rèn)為玉門活動斷裂為該前展式逆沖推覆構(gòu)造最前緣的斷裂,并被一些學(xué)者認(rèn)可和接受,但是在玉門活動斷裂北側(cè)還發(fā)育形成時(shí)代更新的火燒溝斷裂、新民堡斷裂和陰洼山斷裂等,而且新民堡斷裂開始活動時(shí)間遠(yuǎn)晚于玉門斷裂,因此前展式逆沖推覆模式還值得商榷。本文通過對該地區(qū)主要活動斷裂的詳細(xì)野外調(diào)查研究、結(jié)合年代學(xué)測試和綜合分析,認(rèn)為旱峽—大黃溝斷裂、玉門斷裂、新民堡斷裂和陰洼山斷裂都是晚更新世至全新世活動斷裂,玉門斷裂不是逆沖推覆最前緣的斷裂,并建立前展-后展復(fù)合式的逆沖推覆斷裂發(fā)育模式,認(rèn)為形成時(shí)代最新的是位于盆地中心的新民堡斷裂,其南側(cè)為前展式,由祁連山腹地向河西走廊西段盆地中心斷裂形成時(shí)代越來越新,而盆地中心以北為后展式,即盆地北側(cè)邊緣斷裂形成時(shí)代比盆地中心斷裂早。1近地層構(gòu)造背景研究區(qū)地處青藏高原東北側(cè)外圍,在大地構(gòu)造是屬于甘青地塊北部的祁連褶皺系和河西走廊盆地。該區(qū)在太古宙—古元古代為陸殼基底形成階段;中元古代—震旦紀(jì),古陸核解體,形成開闊洋盆,以沉積淺海碳酸鹽巖為特征,屬于穩(wěn)定大陸邊緣環(huán)境,并于新元古代后期形成穩(wěn)定的大陸克拉通。震旦紀(jì)末—早古生代在大陸克拉通上裂解為拗拉槽,其中在晚寒武世—早奧陶世,拗拉槽達(dá)到最大規(guī)模,并發(fā)育較大面積海相中基性火山巖;中奧陶世開始,拗拉槽趨于減小;在志留紀(jì)中晚期發(fā)生“祁連運(yùn)動”使拗拉槽閉合形成古祁連山,導(dǎo)致褶皺、變質(zhì)和大規(guī)模構(gòu)造變形,結(jié)束了早古生代拗拉槽構(gòu)造演化階段;晚古生代—中三疊世古祁連山遭受剝蝕夷平,作為新克拉通盆地的一部分,接受穩(wěn)定型沉積;中三疊世末由于羌塘板塊碰撞的影響,引起印支期的板內(nèi)構(gòu)造變形,但沒有形成強(qiáng)烈的造山帶;中生代—古近紀(jì)北祁連山處于準(zhǔn)平原化階段。在中生代末期,首先是科瑞斯坦微板塊在尼泊爾拼貼碰撞,導(dǎo)致阿爾金斷裂帶的形成;而后在新生代始新世早期開始,由于印度板塊向歐亞板塊的碰撞和持續(xù)至今的向北推擠作用的遠(yuǎn)程效應(yīng)的影響,板內(nèi)變形十分強(qiáng)烈。從新近紀(jì)中新世開始,最具特征的表現(xiàn)形式是阿爾金活動斷裂帶的大規(guī)模左行平移、祁連山的大規(guī)模隆升、河西走廊的相對強(qiáng)烈凹陷等,至此奠定了現(xiàn)在北祁連山—河西走廊的構(gòu)造格局[12,13,14,15,22,25,12,13,14,15,22,25]。在地貌上,南部為祁連山區(qū)、中間為河西走廊西段(主要為酒西盆地)、北側(cè)為五華山—寬灘山—黑山中山區(qū)(圖1)。祁連山山區(qū)山脈為北西西-南東東向延伸,山地海拔一般在3000m以上,具有南坡較緩、北坡陡立的地貌形態(tài),北坡比高在2000m左右。河西走廊西段中心平均海拔1600～1900m左右,屬于內(nèi)陸堆積平原類型,沖洪積物來源于祁連山區(qū);盆地南側(cè)祁連山山前為海拔2500～3000m的丘陵區(qū),明顯高于北側(cè)山前的高度,這是南側(cè)祁連山的巨大隆升作用所形成的斜坡地貌特點(diǎn)。五華山—寬灘山—黑山中山區(qū)海拔2000～2500m。區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造帶有昌馬斷裂帶、祁連山北緣斷裂帶、酒西盆地內(nèi)斷裂帶和黑山北緣斷裂帶及阿爾金斷裂東段(圖1)。昌馬斷裂帶位于祁連山北緣山前以南15～25km的祁連山腹地,沿昌馬—祁連縣一帶延伸,走向北西西,以比較陡的傾角傾向南南西,形成于中生代晚期,以逆沖為主,伴有左行走滑位移,沿?cái)嗔褞Оl(fā)育中新生代盆地。該斷裂也是一條現(xiàn)代活動斷裂;1932年在該斷裂西段發(fā)生了8.0級昌馬大地震。因其位于祁連山腹地,本文不作詳細(xì)討論。祁連山北緣斷裂帶也稱走廊南山斷裂帶,呈北西西延伸,主要由相互平行、呈右列式斜列的多條壓扭性斷裂所組成,是北祁連山與河西走廊的分界線,沿走廊南緣長度達(dá)800km以上。本文祁連山北緣斷裂帶西段西起玉門以西的旱峽,東至冰溝口,傾角為中等—陡(40°～70°),傾向南西,由旱峽-大黃溝斷裂和玉門斷裂組成,形成于中新世—上新世[15,16,18,22,15,16,18,22]。山前主斷裂破碎帶一般寬數(shù)十m,最大寬度超過100m;在運(yùn)動學(xué)上,斷裂帶具有強(qiáng)烈的逆沖活動特點(diǎn),逆沖斷層切割地層時(shí)代多,導(dǎo)致前新生代地層、變質(zhì)巖及古生代花崗巖體逆沖于新近紀(jì)泥巖、早-中更新世松散礫石層之上,其新構(gòu)造活動特點(diǎn)詳見后文。河西走廊西段主要為酒西盆地,盆地內(nèi)和盆地中-北緣斷裂包括新民堡斷裂、火燒溝斷裂和陰洼山斷裂,形成時(shí)代較新,本文以新民堡斷裂和陰洼山斷裂為代表,分析其新構(gòu)造活動特點(diǎn)。研究區(qū)西北側(cè)為阿爾金斷裂帶東段的昌馬大壩-寬灘山部分,阿爾金斷裂以規(guī)模巨大和顯示強(qiáng)烈的左行平移活動為特點(diǎn);但是其東段各方面特征有所差異,走向上呈北東東向(70°～80°)延伸甚至近東西向,同時(shí)在該斷裂截切祁連山西段后,晚新生代位移速率迅速銳減,反映了阿爾金斷裂的巨大走滑位移已經(jīng)轉(zhuǎn)換為包括祁連山北緣斷裂帶在內(nèi)的一系列斷裂帶的巨大逆沖。2旱峽—祁連山北緣斷裂西段新構(gòu)造活動特點(diǎn)祁連山北緣斷裂帶西段由旱峽—大黃溝斷裂、玉門斷裂和佛洞廟—紅崖子斷裂組成,在平面上呈右列式斜列,重疊度達(dá)20%～40%,重疊部分間距6～10km。本文涉及前兩條斷裂。該斷裂帶在地貌上非常明顯,兩條斷裂的切割形成三級醒目的臺階,旱峽—大黃溝斷裂以南為由前中生界為主組成的祁連山山體,海拔3500m以上;旱峽—大黃溝斷裂與玉門斷裂之間為祁連山山前一級臺地,主要為由E—Qp1組成的基巖隆起帶,呈現(xiàn)代侵蝕地貌,海拔2500～3000m;玉門斷裂以北是由Qp2—Qh組成的中央向斜拗陷帶,海拔1600～2200m(圖1)。沿?cái)嗔褍蓚?cè)相對高差非常大,旱峽—大黃溝斷裂兩側(cè)達(dá)500m以上,玉門斷裂兩側(cè)相對高差達(dá)300～600m(圖2)。2.1大壩冰溝口旱峽—大黃溝斷裂是祁連山北緣斷裂帶中最西邊的一條次級斷裂,西起玉門鎮(zhèn)的大壩,經(jīng)窟窿山,穿石油河、白楊河、北大河(冰溝口)、洪水壩河,止于佛洞廟以南,全長160km,本文主要涉及大壩至冰溝口段(圖1)。(1)上更新統(tǒng)覆蓋/se45該剖面位于旱峽—大黃溝斷裂的西段,斷裂斷于奧陶系淺變質(zhì)砂巖與新近系中新統(tǒng)橘紅色泥巖之間,斷層面產(chǎn)狀85°/SE∠45°(圖中表示為85°/SE45°),斷層南側(cè)為奧陶系淺變質(zhì)砂巖,斷層北側(cè)為新近系中新統(tǒng)橘紅色泥巖,斷裂以北為第四系下更新統(tǒng)玉門組礫巖,其上有少量上更新統(tǒng)砂礫層覆蓋。在斷層面附近,泥巖產(chǎn)狀倒轉(zhuǎn),并形成葉理化,葉理產(chǎn)狀與斷層面接近,或者稍陡于斷層面;玉門組礫石底部產(chǎn)狀近直立,往北逐漸變緩;上更新統(tǒng)僅僅局部覆蓋在下更新統(tǒng)之上,沒有直接覆蓋在斷層破碎帶上(圖3)。該剖面反映旱峽—大黃溝斷裂早更新世之后發(fā)生過強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動。(2)下白堊統(tǒng)逆沖帶和下更新統(tǒng)不整合關(guān)系該剖面位于旱峽—大黃溝斷裂西段的旱峽溝口及其外側(cè),剖面中發(fā)育2條斷層,斷層面傾向南南西,傾角中等(圖4)。南側(cè)斷層斷于上志留統(tǒng)淺變質(zhì)砂巖與下白堊統(tǒng)礫巖和砂頁巖之間,沿?cái)嗔焉现玖艚y(tǒng)逆沖在下白堊統(tǒng)之上,斷裂附近巖層產(chǎn)狀普遍很陡或近于直立;北側(cè)斷層斷于下白堊統(tǒng)與新近系中新統(tǒng)橘紅色泥巖和下更新統(tǒng)玉門組礫巖之間,沿?cái)鄬酉掳讏捉y(tǒng)逆沖在新近系中新統(tǒng)和下更新統(tǒng)之上,其中斷層北側(cè)的下更新統(tǒng)與新近系中新統(tǒng)為小角度不整合(20°左右)。在斷層面附近,中新統(tǒng)泥巖傾角中等,并往往發(fā)育葉理化,葉理與斷層面接近,或者稍陡于斷層面。2條斷層之間主要為下白堊統(tǒng)的礫巖、砂巖和頁巖,地貌總體較為平坦,其上有上更新統(tǒng)松散砂礫層覆蓋,但是其中2個較大的小山包為致密塊狀玄武巖,玄武巖兩側(cè)與下白堊統(tǒng)的砂頁巖呈斷層接觸,斷層傾角低緩并相向傾斜;低緩斷層上下巖層產(chǎn)狀不一致,斷層上盤玄武巖近于直立,而斷層面之下的下白堊統(tǒng)為中等偏陡傾角(50°～65°)傾向北,因此這2個較大的小山包屬于一個飛來峰構(gòu)造。該剖面顯示旱峽—大黃溝斷裂在下更新統(tǒng)沉積之后發(fā)生過強(qiáng)烈新構(gòu)造活動(圖4)。上述剖面反映旱峽—大黃溝斷裂在早更新世之后發(fā)生過強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動。而該斷裂在金灣子以西將前第四紀(jì)地層逆沖于晚更新世—全新世沉積物之上,斷裂兩側(cè)地貌差異明顯,表明在晚更新世—全新世仍然有活動,結(jié)合前人資料[12,13,16,18,22,12,13,16,18,22],該斷裂形成于中新世晚期,一直活動至今。2.2麻黃灣鴨兒峽口、石油河口、紅泉口玉門斷裂是祁連山北緣斷裂帶西段(清水以西)中3條次級斷裂的第2條,位于酒西盆地的南緣。西起青草灣,經(jīng)鴨兒峽口、石油河口、石油溝北口、白楊河口、大紅泉、2127高地東溝、冰溝口、大紅溝,過洪水壩河,至馬草灘一帶,全長近100km,呈北西西向延伸。本文只涉及青草灣至冰溝口的中段和西段,全長約60km(圖1),并以石油溝北口為界,以東為中段,以西為西段。2.2.1下盤砂層下盤2127高地東溝剖面位于玉門市東南35km的2127高地東側(cè)溝口,南東距西溝站3.7km。該剖面中斷層南盤(上盤)下部為下更新統(tǒng)玉門組灰色礫巖,層理產(chǎn)狀45°/SE∠55°,其上不整合覆蓋上更新統(tǒng)松散砂礫層;而斷層北盤(下盤)僅出露上更新統(tǒng)松散砂礫層(熱釋光年齡30.0ka)。低角度逆沖斷層產(chǎn)狀290°/SW∠28°,斷層將下更新統(tǒng)玉門組礫巖逆沖在上更新統(tǒng)松散砂礫層之上(圖5),并表現(xiàn)出明顯的逆沖牽引,使得下盤砂礫層在斷層面附近近于直立。該剖面反映玉門斷裂在晚更新世晚期(距今30.0ka)以來發(fā)生過較強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動,運(yùn)動形式為自南西向北東的逆沖。2.2.2上更新統(tǒng)—大紅泉溝剖面大紅泉溝剖面位于玉門市東南26km的大紅泉及其南側(cè)溝內(nèi)。該剖面以出露大面積新近系泥巖為特色。玉門活動斷裂出露于剖面北段,將新近系中新統(tǒng)白楊河組橘紅色泥巖和上新統(tǒng)淺橘紅色泥巖逆沖在上更新統(tǒng)松散砂礫層之上。斷層南側(cè)的泥巖均發(fā)生褶皺,靠近斷層的泥巖因?yàn)轳薨櫤蛿嗔训哪鏇_作用而發(fā)生倒轉(zhuǎn)(圖6A)。大紅泉溝近溝口附近可見玉門斷裂最新構(gòu)造活動的剖面,變形的上新統(tǒng)淺橘紅色泥巖逆沖在上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)灰色松散砂礫層之上。斷層局部小剖面見圖6B,斷裂南側(cè)下部為上新統(tǒng)(N2)淺橘紅色泥巖,地層強(qiáng)烈柔皺,泥巖葉理化,并逆沖到斷裂北側(cè)的全新統(tǒng)早期沖積砂礫層(熱釋光年齡為7.6ka)之上,包括斷裂整個被更新的全新統(tǒng)沖積砂礫層(熱釋光年齡7.4ka)覆蓋。該剖面說明玉門斷裂在全新世中期(7.6ka與7.4ka之間)有過新構(gòu)造活動。2.2.3剖面地質(zhì)特征:中新統(tǒng)泥巖的不對稱背斜面產(chǎn)狀玉門石油河剖面位于玉門市南側(cè),剖面為北北東向。自南向北依次出露中新統(tǒng)白楊河組橘紅色泥巖、上新統(tǒng)淺橘紅色泥巖夾砂巖、下更新統(tǒng)玉門組礫巖,構(gòu)成一個完整的背斜構(gòu)造。在剖面南段,出露上新統(tǒng)淺橘紅色泥巖,泥巖產(chǎn)狀穩(wěn)定(305°/SW∠20°);在剖面中段,泥巖產(chǎn)狀開始緩慢變陡,局部出露中新統(tǒng)白楊河組橘紅色泥巖,同時(shí)在由此向北100m范圍內(nèi),中新統(tǒng)泥巖產(chǎn)狀急劇變陡至直立,泥巖層間滑動非常明顯,滑動方式為南側(cè)向上;向北250m后,巖性變化為淺橘紅色泥巖(上新統(tǒng)疏勒河組);在剖面中北段泥巖產(chǎn)狀開始逐漸變緩,并出現(xiàn)砂礫巖夾層;在剖面北段,下更新統(tǒng)礫巖以微角度或平行不整合于上新統(tǒng)泥巖夾砂礫巖之上,不整合面產(chǎn)狀為275°/NE∠50°。該剖面構(gòu)成一個不對稱背斜構(gòu)造(老君廟背斜),背斜核部非常緊密(圖7)。值得特別指出的是,上述剖面為沿石油河溝底的剖面,而在高出300m的石油河西側(cè)的山梁上剖面特征有明顯差異:一是沒有出露中新統(tǒng)深橘紅色泥巖,第二是背斜形態(tài)要開闊許多,兩翼都為中等傾角向外傾斜。在該石油河溝底剖面中背斜核部附近,逆沖斷裂剛剛出露,但是斷裂還沒有斷至石油河西側(cè)山梁的高度(溝底剖面之上300m)部位。2.2.4不對稱背斜構(gòu)造的地質(zhì)特征剖面位于玉門市西側(cè)2km的石油河西溝,剖面為北北東向。自南向北依次出露上新統(tǒng)疏勒河組淺橘紅色泥巖夾砂巖、下更新統(tǒng)玉門組礫巖、上更新統(tǒng)砂礫層。整個剖面巖層均向北傾斜,但傾角變化比較大。在剖面南段,上新統(tǒng)泥巖夾砂巖產(chǎn)狀穩(wěn)定,傾向北西,傾角比較小,一般為10°～25°;在剖面中段,泥巖產(chǎn)狀急劇變陡至直立甚至高角度傾向南(倒轉(zhuǎn)),其間下更新統(tǒng)礫巖與上新統(tǒng)泥巖呈平行不整合接觸關(guān)系,不整合面產(chǎn)狀近直立。剖面北段,下更新統(tǒng)礫巖產(chǎn)狀逐漸變緩,由55°變化為35°;同時(shí)上更新統(tǒng)松散砂礫層不整合覆蓋于下更新統(tǒng)礫巖之上,不整合面產(chǎn)狀275°/NE∠15°。整個剖面構(gòu)成不對稱背斜構(gòu)造(屬于老君廟背斜西段)的北翼。其中急劇變陡的產(chǎn)狀變化特征反映出在剖面中段下部發(fā)育逆沖活動斷裂,該活動斷裂目前還沒有延伸至地表。而該不對稱背斜構(gòu)造也是屬于與逆沖斷層作用有關(guān)的斷層相關(guān)褶皺類型(圖8)。概括起來,玉門活動斷裂中段和西段在地表特征上存在一定的差異。玉門活動斷裂中段地表地貌陡坎明顯,斷裂直接出露地表;導(dǎo)致前(或早)新生代地層與晚新生代松散沉積物直接以斷裂關(guān)系接觸(圖5、圖6)。說明玉門活動斷裂中段形成時(shí)間早、活動時(shí)間長、位移幅度大,因此在冰溝口一帶形成寬度超過100m的巨大破碎帶。從大紅泉溝口剖面(圖6B)反映出在距今7.6ka左右發(fā)生強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動(應(yīng)該是古地震);結(jié)合閔偉等的研究,證明在北大河口附近距今3.2ka左右發(fā)生過另一次古地震事件,這進(jìn)一步證明玉門活動斷裂中段新構(gòu)造活動強(qiáng)烈,也是地震斷裂。玉門活動斷裂西段新構(gòu)造活動表現(xiàn)的最大的特點(diǎn)是地表較少見及主斷裂的出露,也即玉門斷裂主體沒有斷至地表,表現(xiàn)為隱伏斷裂為主(圖7、圖8)。在地表常見有由新近系地層組成的不對稱褶皺構(gòu)造特點(diǎn),而且屬于與逆沖斷裂密切相關(guān)的褶皺,也是現(xiàn)在正在變形的“活動背斜”。說明玉門活動斷裂西段形成時(shí)間較晚,活動時(shí)間短、活動位移幅度比較小。該斷裂西端目前還在繼續(xù)發(fā)生破裂擴(kuò)展,端部的破裂擴(kuò)展引發(fā)2002年的玉門5.9級地震。此外,老君廟背斜是與逆沖斷層作用有關(guān)的斷層相關(guān)褶皺構(gòu)造,其褶皺的層間相對運(yùn)動與縱彎褶皺是不同的。在逆沖斷層上盤、臨近背斜核部的北翼,背斜的內(nèi)層表現(xiàn)為向著轉(zhuǎn)折端運(yùn)動(本剖面向上逆沖),而不是一般的縱彎褶皺內(nèi)層是背離轉(zhuǎn)折端運(yùn)動;同樣在逆沖斷層下盤,如果發(fā)育與其有關(guān)的向斜,靠近逆沖斷裂一側(cè)翼部層間相對運(yùn)動也與一般縱彎褶皺的向斜層間運(yùn)動方向相反。3沖構(gòu)造背景和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場從區(qū)域大地構(gòu)造分析,河西走廊盆地西段與祁連山北緣西段及其鄰區(qū)逆沖構(gòu)造具有相似的構(gòu)造背景和統(tǒng)一的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場。河西走廊西段盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造包括陰洼山斷裂、新民堡斷裂、火燒溝斷裂、嘉峪關(guān)斷裂和文殊山斷裂(圖1),本文以新民堡斷裂和陰洼山斷裂為代表進(jìn)行闡述。3.1走廊中段的中心位置新民堡斷裂位于嘉峪關(guān)以西40km、玉門市北東東25km的新民堡至黃土良一帶,居河西走廊西段的中心位置,長約10km,平均走向299°。傾向南西,傾角低緩(25°～30°)。新民堡斷裂雖然出露于酒西盆地中心的戈壁平灘上,但仍然具有明顯的地貌特征,沿?cái)嗔殉雎恫课?形成南高北低、高差達(dá)2～15m不等的陡坎,反映出挽近時(shí)期存在強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動。3.1.1上新統(tǒng)上盤礫石層剖面位于新民堡東側(cè)三里墩村東側(cè),低傾角逆沖斷裂主斷層產(chǎn)狀300°/SW∠30°,斷層面下盤(北東盤)為上更新統(tǒng)(Qp3)的灰黃色中-粗砂層和青灰色礫石層互層;斷層面上盤(南西盤)下部為中新統(tǒng)(N1)橘紅色泥巖、其上為上新統(tǒng)(N2)黃白色中粗砂巖和不整合其上的上更新統(tǒng)上部(Qp3(2))礫石層。在剖面中下部,沿主斷層上盤1～3m寬的泥巖帶發(fā)生強(qiáng)烈變形、泥巖葉理化強(qiáng)烈、帶內(nèi)擦痕發(fā)育,擦痕指向15°～30°,反映上盤的運(yùn)動指向;下盤的礫石層在臨近斷層處發(fā)生牽引轉(zhuǎn)向,并呈明顯的定向排列。在剖面的右上部斷層面兩側(cè)均為礫石層,均發(fā)生牽引轉(zhuǎn)向和定向排列(圖9A)。在主斷層面出露地表部位形成2～3m的陡坎。同時(shí),在該剖面東側(cè)20m的主斷層面下盤,可見上更新統(tǒng)礫石層與中新統(tǒng)的橘紅色泥巖呈斷層接觸,而接觸斷層呈強(qiáng)烈褶皺狀,使得泥巖與礫石層之間呈指狀穿插關(guān)系(圖9B),這可能是較早和稍早期的斷層面。3.1.2斷層上、下盤上的礫石層和夾砂層剖面位于新民堡村北西西2.5km的三道溝塘村,低傾角逆沖斷裂斷層面產(chǎn)狀295°/SW∠27°,斷層兩側(cè)沉積物層序基本一致,下部為中新統(tǒng)(N1)的橘紅色泥巖,上部為不整合其上的晚更新世晚期沖積物(礫石層夾砂層)(圖10)。斷層將不整合面切錯2.9m,上盤(南西盤)自南西向北東逆沖。如果將該剖面上2.9m總位移分解后,其水平方向位移為2.58m,垂直位移為1.32m。其中垂直方向位移與剖面西側(cè)10m和30m處地表坡度測量取得的陡坎高度平均值(1.34m)非常接近。沿?cái)鄬用娓浇?泥巖發(fā)生明顯的葉理化,礫石層中的礫石發(fā)生牽引和定向排列(圖10)。在斷層上、下盤上部的礫石層夾砂層中采集熱釋光年代學(xué)樣品,測得年齡為35.6ka和28.3ka。本剖面說明,在晚更新世中晚期沉積了砂礫層(熱釋光年齡28.3～35.6ka)之后,新民堡斷裂發(fā)生過明顯的新構(gòu)造活動,結(jié)合該點(diǎn)西側(cè)河漫灘上明顯的陡坎,因此斷定該斷層的最新活動應(yīng)該是全新世中晚期(2～3ka)。3.1.3斷裂新及構(gòu)造活動的認(rèn)識該剖面位于黃土良南東1.5km鐵路橋北的河道東側(cè),剖面中見低角度逆沖斷層(圖11)。該剖面上部為松散粗砂礫層,中、下部為半膠結(jié)細(xì)-中砂礫層,低角度逆沖斷層自下而上穿切所有砂礫層直達(dá)地表,并形成小陡坎;剖面下部斷層面產(chǎn)狀300°/SW∠25°,上部斷層面傾角趨于平緩。在剖面上部逆沖斷層為一條,向下分支為2條,將巖性界面分別切錯0.7m和0.25m;沿?cái)鄬用鎯蓚?cè),砂礫層發(fā)生明顯的牽引,礫石長軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)和定向排列,同時(shí)剖面下部巖性界面在靠近斷層面附近出現(xiàn)反向彎曲(類似反向牽引)、緊臨斷層面時(shí)則為正向牽引,這表明沿?cái)鄬用娌粌H是簡單的自南西向北東的逆沖,而且擠壓作用也比較明顯,所以剖面下部巖性界面的這種彎曲很可能屬于在擠壓作用下的縱彎褶皺縮短的一種表現(xiàn),這也與斷層面傾角平緩有關(guān)。剖面中-下部為半膠結(jié)細(xì)-中砂礫層,其熱釋光年齡為(26.3±2.6)ka和(28.6±3.1)ka,為晚更新世晚期堆積(由于河岸高達(dá)十余m,無法采集剖面頂部的測年樣品)。該剖面說明新民堡活動斷裂在距今26.3ka以來發(fā)生過明顯的新構(gòu)造活動。結(jié)合地表發(fā)育連續(xù)地貌陡坎(整個斷裂10km范圍內(nèi)非常連續(xù)),說明斷裂在全新世中晚期(2～3ka)發(fā)生過新構(gòu)造活動。從上述剖面及測年數(shù)據(jù)分析,被新民堡斷裂切錯的最新沉積物年齡為28.3ka,而據(jù)陳柏林等從新民堡西側(cè)的三道溝塘的一級地貌面和七里墩的二級地貌面上實(shí)測的斷層陡坎的地表坡度,并依據(jù)Tapponnier等的斷層陡坎擴(kuò)散方程,估算出新民堡斷裂最新兩次活動的時(shí)間為距今4.4ka和1.2ka左右,后者與閔偉等確認(rèn)的火燒溝斷裂的最新一次古地震事件的時(shí)間比較吻合。在活動性質(zhì)上,新民堡斷裂主要發(fā)育于泥巖中,以非地震性的蠕滑變形為主。3.2陰洼山北緣玉門東鎮(zhèn)干草原區(qū)陰洼山斷裂位于嘉峪關(guān)以西28km的陰洼山北側(cè)和東側(cè)一帶,從河西走廊西段酒西盆地的角度看,陰洼山斷層位于酒西盆地中心偏北緣的位置(圖1)。該斷裂西起陰洼山西北角的西側(cè),經(jīng)陰洼山北側(cè)、陰洼山東側(cè),至玉門東鎮(zhèn)附近,全長約20km。陰洼山斷裂以單條線型為特征,主體走向變化不大,略呈弧形,其中在陰洼山北側(cè),走向315°,在陰洼山東側(cè)—玉門東鎮(zhèn)一帶,斷裂走向322°左右。在陰洼山西北角與陰洼山西緣斷裂會聚后向北西延伸約600m后轉(zhuǎn)向南西西再延伸約1km后尖滅。陰洼山西北角至陰洼山北側(cè),為該斷裂北西段,兩側(cè)地貌差異非常大,斷裂位移幅度大;陰洼山東側(cè)—玉門東鎮(zhèn)一帶為東南段,斷裂發(fā)育于戈壁灘中,兩側(cè)地貌差異小,位移幅度小。3.2.1奧陶系淺變質(zhì)砂巖碎屑剖面位于陰洼山西北角,剖面中可見陡傾角逆沖斷裂(圖12A)。斷層產(chǎn)狀322°/SW∠70°,斷層面下盤(北東盤)自下而上依次是上新統(tǒng)淺橘紅色泥巖(N2)、由棱角-次棱角狀的奧陶系淺變質(zhì)砂巖碎屑組成的全新世早期灰黃色的松散坡積層夾少量風(fēng)成黃土(Qh),斷層面上盤(南西盤)下部為破碎的奧陶系灰綠色淺變質(zhì)碎屑巖,上部為全新世松散坡積物夾風(fēng)成黃土(Qh);斷層切穿全新統(tǒng)直達(dá)地表,有不太明顯的地貌小陡坎,并有寬達(dá)1.5～2.5m的破碎帶。斷層破碎帶中有奧陶系碎屑巖的碎塊和角礫(最大碎塊達(dá)0.5～1m),也有上新統(tǒng)淺橘紅色泥巖的角礫和碎塊。斷層面下盤上部被斷全新世松散坡積層的熱釋光年齡為(9.1±1.1)ka。該剖面說明斷層在全新世有新構(gòu)造活動。3.2.2晚更新世末—XQ226剖面剖面位于陰洼山北東側(cè),可見傾角較陡立的逆沖斷裂(圖12B)。斷層產(chǎn)狀315°/SW∠55°～70°,斷層破碎帶寬5～10cm,由經(jīng)強(qiáng)烈變形的中新世(N1)橘紅色泥巖組成,帶內(nèi)泥巖葉理化明顯。斷層面下盤(北東盤)下部為中新世橘紅色泥巖,上部為晚更新世晚期的灰黃色松散沖-坡積砂礫層(Qp3)(熱釋光年齡(38.6±4.2)ka),礫石以次棱角狀為主,大小2～5cm,近水平層理清楚;斷層面上盤(南西盤)為白堊紀(jì)紫紅色砂巖,產(chǎn)狀為325°/NE∠50°,靠近斷層的1.5m范圍內(nèi)白堊紀(jì)砂巖也比較破碎;該斷層破碎帶被全新世(Qh)坡積物(熱釋光年齡8.4±1.2ka)所覆蓋,覆蓋層又發(fā)生過小的錯動而被斷。該剖面說明斷層在晚更新世末—全新世早期有過一次強(qiáng)烈新構(gòu)造活動,構(gòu)造活動時(shí)間在距今8.4ka之前,但是比較接近8.4ka;此外,在8.4ka之后,該區(qū)又發(fā)生過另一次較弱的新構(gòu)造活動。3.2.3巖石學(xué)和剖面結(jié)構(gòu)位于陰洼山東北緣,可見傾角中偏陡的逆沖斷裂(圖13A)。斷裂使主要由奧陶紀(jì)變質(zhì)砂巖組成的較老的破碎帶與晚更新世晚期的灰黃色松散沖-坡積砂礫層直接接觸,其間新活動斷層破碎帶寬5～10cm,帶內(nèi)有少量中新世(N1)橘紅色泥巖的帶入,泥巖葉理化明顯、礫石定向排列。斷層面下盤(北東盤)為晚更新世晚期的灰黃色松散沖-坡積砂礫層(Qp3)(熱釋光年齡(15.6±1.6)ka),礫石以次棱角狀為主,有弱的近水平層理清楚;斷層面上盤(南西盤)為較老的斷層破碎帶,其中的構(gòu)造角礫定向比較明顯,構(gòu)造角礫成分主要為奧陶紀(jì)變質(zhì)砂巖;剖面上部被全新世(Qh)坡積物(熱釋光年齡(4.1±0.5)ka)所覆蓋。該剖面說明斷層在晚更新世末—全新世中期有新構(gòu)造活動,構(gòu)造活動時(shí)間在距今15.6ka之后,4.1ka之前,但是比較接近4.1ka。3.2.4抗側(cè)壁內(nèi)泥巖葉剖面位于陰洼山東北緣,剖面中見傾角較陡立的逆沖斷裂(圖13B)。斷層產(chǎn)狀315°/SW∠80°～90°,斷層破碎帶由經(jīng)強(qiáng)烈變形的中新世橘紅色泥巖組成,寬25～50cm,帶內(nèi)泥巖葉理化明顯。斷層面下盤(北東盤)為晚更新世晚期的灰黃色松散沖-坡積砂礫層(Qp3)(熱釋光年齡(13.4±0.8)ka),礫石為次棱角狀為主,大小2～5cm,近水平層理清楚;斷層面上盤(南西盤)為白堊紀(jì)紫紅色砂巖,產(chǎn)狀為320°/NE∠45°,砂巖中發(fā)育次級斷層,產(chǎn)狀為320°/NE∠65°;該斷層破碎帶被全新世(Qh)坡積物(熱釋光年齡(5.8±0.8)ka)所覆蓋。該剖面說明斷層在晚更新世末—全新世早期有新構(gòu)造活動,構(gòu)造活動時(shí)間在距今5.8ka之前,但是比較接近5.8ka。3.2.5坡積物的碎屑實(shí)測剖面位于陰洼山以東3.5km的戈壁灘上。在由晚更新世沉積層為主組成的黑山南坡戈壁灘(南傾坡度6°～8°)中,可見傾角陡立的斷裂,斷層產(chǎn)狀320°/NE∠75°(圖14A)。該剖面長21m,地表見約40～50cm的南西高北東低的地貌陡坎。剖面下部為白堊系下統(tǒng)的紫紅色含礫砂巖、砂巖和泥巖,其上不整合覆蓋灰色晚更新世坡積物(Qp3)(熱釋光年齡(30.2±3.0)ka),坡積物的碎屑主要是灰色-灰綠色淺變質(zhì)碎屑巖,來源于其北東側(cè)的榆樹溝山南坡的剝蝕作用。剖面中發(fā)育有多條斷層,其中有明顯位移的主斷層面發(fā)育于剖面中部,切斷白堊系和上更新統(tǒng)。沿?cái)鄬用鎯蓚?cè)不整合面、上更新統(tǒng)礫石層均發(fā)生北東盤下降、南西盤相對上升的一致位移,垂直位移距離20cm(圖14A)。在不整合面附近,斷層寬6～8cm,斷層內(nèi)礫石和坡積物巖片具有明顯的定向排列;在接近地表,斷層寬度呈喇叭形變大,最寬達(dá)80cm,具有明顯的地震崩積楔特征。在剖面南西段,有位移僅2～3cm的次級小斷層面。在實(shí)測剖面中北段的一條位移不大的次級斷裂上部斷層崩塌楔的熱釋光年齡為(5.1±0.5)ka。在剖面北東段,發(fā)育眾多沒有明顯相對位移的小斷層面,并且沿小斷層面或順砂礫層理,發(fā)育有砂脈,砂脈寬一般5～10mm,最寬20mm,長0.50～1.5m,而且在近剖面北東端,可見從一順層砂脈分支出一弧形的穿層砂脈(圖14A),說明沿該斷裂發(fā)生古地震活動時(shí),局部發(fā)生了砂體液化作用。同時(shí),該剖面還說明陰洼山斷裂全新世中期發(fā)生過新構(gòu)造活動,最新一次活動在距今5.1ka之前,但非常接近5.1ka的時(shí)期。3.2.6構(gòu)造背景及崩積符合該實(shí)測剖面與XQ137相似,下部為白堊系紫紅色含礫砂巖、砂巖和泥巖,其上不整合覆蓋上更新統(tǒng)砂礫層(Qp3)(熱釋光年齡(19.9±2.2)ka),斷裂切穿白堊系和上更新統(tǒng)。斷層在白堊系中寬度為10cm,在斷層上部形成寬達(dá)1m的倒三角形斷層崩積楔,崩積楔堆積物熱釋光年齡(4.8±0.6)ka(圖14B),與XQ137剖面非常接近。該剖面說明陰洼山斷裂全新世中期有過構(gòu)造活動,最新一次活動在距今4.8ka之前,但非常接近4.8ka的時(shí)期。3.2.7斷裂新構(gòu)造活動的地層背景及構(gòu)造意義剖面位于陰洼山東側(cè)5.0km,剖面中可見傾角中—陡的逆沖斷裂(圖15)。斷層走向326°,傾向南西,傾角75°～80°。斷層面下盤(北東盤)下部為新近系中新統(tǒng)橘黃色泥巖,其不整合覆蓋晚更新世晚期灰黃色松散沖積砂礫層(Qp3(2))(底部熱釋光年齡(32.9±4.2)ka、頂部熱釋光年齡(10.3±1.5)ka),礫石以次棱角狀為主,大小1～5cm為主,發(fā)育弱水平層理。斷層面上盤(南西盤)下部為新近系中新統(tǒng)橘黃色泥巖,其上不整合覆蓋晚更新世晚期灰黃色松散沖積砂礫層(Qp3(2))(底部熱釋光年齡(27.7±3.0)ka)。斷層將不整合面斷錯0.6～0.8m,并直接斷至地表,形成20cm左右的地貌陡坎。該剖面說明斷層在晚更新世末期(距今(10.3±1.5)ka之后)以來有新構(gòu)造活動,結(jié)合考慮地表還保留有弱的陡坎,斷層活動時(shí)間可能在全新世中期,或稍后(推測距今3～5ka)。因此,從上述剖面及新構(gòu)造測年數(shù)據(jù)分析,陰洼山斷裂切錯的最新沉積物年齡為8.4～9.1ka(圖12),覆蓋斷層的沉積物最老為4.1～5.8ka(圖13),同時(shí)兩個斷層崩塌楔的沉積物年齡為4.8～5.1ka(圖14),所以,陰洼山斷裂最新一次新構(gòu)造活動發(fā)生在距今4.1～5.0ka。同時(shí),根據(jù)其他剖面(不一一列舉)的被斷或覆蓋斷層的沉積物的測年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,陰洼山斷裂在距今8.6～10.0ka、19.9～21.0ka還發(fā)生過新構(gòu)造活動。另外,從1785年惠民堡(現(xiàn)新民堡)地震的震中位置、震源深度(特別重要)、鄰區(qū)主要活動斷裂分布及斷裂產(chǎn)狀(圖略,另文詳述)綜合分析,惠民堡(現(xiàn)新民堡)地震的發(fā)震構(gòu)造很可能是陰洼山斷裂,而不是時(shí)振梁等認(rèn)為的新民堡斷裂。綜上所述,研究區(qū)旱峽—大黃溝斷裂、玉門斷裂、新民堡斷裂和陰洼山斷裂雖然最初形成時(shí)代差異比較大,但都是全新世活動斷裂。4抗沖擊破壞配置4.1主要活動的破裂形成時(shí)期4.1.1地質(zhì)及地質(zhì)分析方面對北經(jīng)濟(jì)發(fā)展的資祁連山北緣斷裂西段由旱峽—大黃溝和玉門兩條次級斷裂組成,在平面上呈右列式,即單條次級斷裂走向偏北西(平均300°),而整體走向偏北西西(平均290°)(圖1)。而每條斷裂均由南東向北西從較老地層伸入至較新地層中,相應(yīng)的位移幅度也逐漸變小,形成時(shí)代(起始活動時(shí)代)逐漸變新,玉門斷裂的這一特點(diǎn)尤其明顯。對于祁連山北緣斷裂的形成時(shí)代,前人從多方面進(jìn)行過研究。國家地震局地質(zhì)研究所最早從地質(zhì)分析角度認(rèn)為祁連山北緣斷裂的新構(gòu)造活動開始于新近紀(jì)中新世;陸潔民等(2004)通過對酒西盆地地區(qū)沉積特征、古流向和重礦物分析,認(rèn)為北祁連山在白楊河組(N1b)沉積時(shí)期開始隆升變形;宋春暉等(2001)和方小敏等(2004)通過對沉積相和沉積速率的分析確定了北祁連山開始隆升的時(shí)間,結(jié)合磁性地層測量結(jié)果認(rèn)為確切的時(shí)間為8.3Ma;宋春暉等(2002)通過對酒西地區(qū)沉積物重礦物的分析也認(rèn)為北祁連山開始隆升的時(shí)間為8.26Ma;陳漢林等(2006)和楊樹鋒等(2007)運(yùn)用生長地層的頂?shù)捉缥恢梅治龇椒ㄕJ(rèn)為山前斷層(即本文的旱峽—大黃溝斷裂)開始活動的時(shí)間為9.0Ma,結(jié)束于更新世末,而前鋒斷層(即本文的玉門斷裂,)開始活動的時(shí)間略晚于8.3Ma。本文認(rèn)為旱峽—大黃溝斷裂最早形成于中新世晚期,玉門斷裂最早形成于中新世末期,但是新構(gòu)造活動一直持續(xù)至今,并且玉門斷裂西端還正在破裂擴(kuò)展過程中。因此,玉門斷裂形成時(shí)代要晚于旱峽—大黃溝斷裂已經(jīng)是被普遍認(rèn)同了(這也成為部分學(xué)者認(rèn)為玉門斷裂是推覆構(gòu)造最前緣斷裂的重要依據(jù)之一)。4.1.2巖相古地理以新民堡斷裂位于河西走廊盆地西段的酒西盆地近中心部位的戈壁灘上,在新民堡至腰泉子一帶主要將由中更新統(tǒng)酒泉組(也稱“酒泉礫巖”)組成的二級階地?cái)噱e,最多有三級地貌陡坎,累計(jì)最大地貌陡坎高度不超過30m,考慮其他因素,總體垂向位移幅度也在100m以下(在新近系上新統(tǒng)白楊河組厚度之內(nèi)),如果以陳柏林等的垂直位移速率0.51～1.45mm/a與閔偉估算的火燒溝斷裂的垂直位移速率0.24mm/a的平均值0.60mm/a計(jì)算,則新民堡斷裂地表破裂活動開始于距今0.17Ma中更新世晚期。4.1.3陰洼山斷裂垂向位移的估算陰洼山斷裂在陰洼山西北角與陰洼山東北角之間的西北段是該斷裂位移幅度最大的部位,斷裂出露點(diǎn)與陰洼山最高點(diǎn)的高程差約450m,奧陶系之上白堊系厚度最少970m(在鄰區(qū)黑山西側(cè)一帶,白堊系直接不整合于奧陶系之上,故僅計(jì)算白堊系厚度),可以初步推算垂向位移至少達(dá)到1400m以上,如果考慮陰洼山上奧陶系的部分剝蝕和白堊系之上部分新生代新近紀(jì)沉積物的厚度,則陰洼山斷裂垂向位移最保守的估算也在1800m以上。如果以垂向位移1800m來計(jì)算,并以本區(qū)內(nèi)的新民堡斷裂晚更新世以來的垂向位移速率0.6mm/a(取陳柏林等的0.51～1.45mm/a與閔偉的0.24mm/a的中間值),則陰洼山斷裂西北段開始活動時(shí)間為距今3Ma的新近紀(jì)上新世晚期。所以,在橫跨祁連山北緣—河西走廊西段的剖面上,自南南西到北北東方向,斷裂出露的順序是旱峽-大黃溝斷裂→玉門斷裂→新民堡斷裂→陰洼山斷裂(圖16);而在斷裂起始活動的時(shí)代順序是旱峽-大黃溝斷裂(最早),玉門斷裂(次早),陰洼山斷裂(次晚),新民堡斷裂(最晚),即在而同樣方向上按時(shí)代為最老→次老→最新→次新排列。4.2基于逆沖突然滑動的發(fā)展模式和原因的探討4.2.1前展—逆沖推覆斷裂發(fā)育模式從上述主要活動斷裂的形成時(shí)代上可看出,在祁連山北緣—河西走廊西段逆沖推覆斷裂發(fā)育并不是簡單的自南南西到北北東方向一條比一條更新,也就是說不是簡單的前展式發(fā)育模式,而是前展-后展復(fù)合模式。具體表現(xiàn)為在祁連山北緣—河西走廊西段盆地中心的剖面中南段,逆沖推覆斷裂以展式模式發(fā)育,即從旱峽—大黃溝斷裂→玉門斷裂→新民堡斷裂形成時(shí)代越來越新;在河西走廊西段盆地中心以北到盆地北緣的剖面北段,逆沖推覆斷裂以后展式模式發(fā)育,即從新民堡斷裂→陰洼山斷裂形成時(shí)代越來越老(圖16)。所以,在祁連山北緣—河西走廊西段逆沖推覆斷裂以前展-后展復(fù)合模式發(fā)育,玉門斷裂不是最前緣的逆沖推覆斷裂,形成時(shí)代最新的是以新民堡斷裂為代表的盆地中心的低角度逆沖推覆斷裂,其開始