阿尔金断裂是青藏高原北缘一条重要边界断裂,其形成演化与青藏高原的隆升扩展有着密切的联系,该断裂的形成时间、滑动速率及东延问题一直是国内外地学界研究的热点问题(Molnar,Tapponnier,1975; Tapponnier,Molnar,1976; Tappoinner et al,2001; Zheng et al,2013)。对于阿尔金断裂的东延,不同学者持不同观点:一种观点认为阿尔金断裂终止于宽滩山—酒西盆地一带,根据阿尔金断裂东段滑动速率衰减特征,其尾端走滑量已被盆地内部逆断层及褶皱产生的地壳缩短完全吸收(Zhang et al,2007; Zheng et al,2013); 另一种观点认为阿尔金断裂切过宽滩山后继续向东延伸至阿拉善块体南缘,最终消失于巴丹吉林沙漠之中(Tappoinner et al,2001; Darby et al,2005; 陈文彬等,2006); 还有一种观点认为阿尔金断裂延伸至了蒙古东部的鄂霍茨克海地区(Yue,Liou,1999)。对于阿尔金断裂尾端走滑量转换为盆地内部逆冲缩短量的观点,需要较为可靠的酒西盆地活动断裂滑动速率的支持。

对于酒西盆地内部的阴洼山断裂和新民堡断裂,前人曾开展过滑动速率的研究,闵伟等(2002)根据地层断距及古地震年代事件热释光测年数据,确定这两条断裂的滑动速率分别为0.18 mm/a和0.24 mm/a; 陈柏林等(2006)根据断层陡坎高度和断错地层年代,估算新民堡断裂的滑动速率为0.25～0.50 mm/a。前人的研究都是基于断错地层年代进行的计算,并未对断错地貌面开展年代学研究,测年方法均采用热释光测年,不确定性较大。在本文的研究中,我们利用差分GPS测量了断层陡坎高度,对断错地貌面采取宇宙成因核素暴露测年,详细厘定了洒西盆地内部的阴洼山和新民堡断裂的滑动速率,并在此基础上讨论了酒西盆地地壳缩短速率。

阿尔金断裂是青藏高原北部边界,在高原新生代构造变形中起着重要的作用,但对其滑动速率的研究一直存在着高和低的争议(Tapponnier et al,1982; Mériaux et al,2004,2005; 国家地震局阿尔金活动断裂带课题组,1992; 徐锡伟等,2003; Zhang et al,2007; Cowgill,2007)。Zhang等(2007)通过对河流阶地遭受位错后的保存及侵蚀条件分析,认为在肃北以西,阿尔金断裂滑动速率约为10 mm/a,向东逐渐衰减,到酒西盆地一带逐渐变为0～2 mm/a。阿尔金断裂速率衰减的原因是从党河南山开始,出现一系列向祁连山内部分离的活动断裂,这些断裂将阿尔金断裂走滑速率的衰减量转换为祁连山内部活动逆断层引起的地壳缩短及山脉的隆升,形成了党河南山、大雪山及北祁连山等一系列NW向条带状山脉。最终,至酒西盆地宽滩山一带,阿尔金滑动速率趋于零,其尾端的滑动速率被酒西盆地的逆冲断裂及褶皱逐渐吸收(Zheng et al,2013)。因此,定量研究酒西盆地断裂滑动速率对认识阿尔金断裂应变分配具有重要的意义。

酒西盆地位于河西走廊最西端,在新生代祁连山隆升和向NE扩展的背景下,经历了复杂的构造活动,盆地边缘及内部形成了多条晚第四纪活动断裂(图1b)(陈文彬等,1999; 闵伟等,2002; 陈柏林等,2005,2006; 郑文俊,2009; 刘兴旺等,2016)。对于盆地周缘断裂,近些年来的研究已经获得了关于断裂滑动速率的定量数据(Zheng et al,2013; 张宁等,2016; Liu et al,2017),而对于盆地内部断裂的研究则相对较少。酒西盆地内部主要发育3条全新世活动断裂:阴洼山断裂、新民堡断裂和白杨河断裂(图1a)。横跨酒西盆地的石油地质剖面揭示这些断裂向下收敛于同一滑脱面(闵伟等,2002)。其中阴洼山断裂和新民堡断裂断面南倾、向北逆冲,白杨河断裂则为北倾的反向逆冲断裂(陈杰等,1998; 闵伟等,2002)。白杨河断裂位于酒西盆地中部,前人研究认为其是一条隐伏断裂,其活动造成了上覆白杨河阶地的形成和褶皱变形。根据阶地变形量和热释光测年,陈杰等(1998)推断白杨河断裂垂直滑动速率为0.32～0.58 mm/a; Hetzel等(2002)通过褶皱陡坎测量和地貌面宇宙成因核素暴露测年,得到白杨河断裂垂直滑动速率约为0.35 mm/a。相较于白杨河断裂,对于阴洼山断裂和新民堡断裂滑动速率的研究则存在一定的不足(闵伟等,2002; 陈柏林等,2006)。

图1 酒西盆地内部断裂地质构造简图(a)及索引图(b)
Fig.1 Geological structure map of the faults within the Jiuxi Basin(a)and inedx map(b)

阴洼山断裂发育于阴洼山东侧,阴洼山为酒西盆地内部一个次级隆起山体,主峰高约2 195 m。阴洼山断裂不仅分布于山体东侧,还向SE,NW向延伸。向SE方向延伸到玉门东镇附近,向NW延伸到下沟村以南,总体走向315°,长约25 km(图1a)。在NW方向,断裂发育于白垩系组成的侵蚀台地中,新活动特征难以判定。在中段,断裂构成阴洼山山体和山前洪积扇的分界线,奥陶系灰绿色浅变质碎屑岩逆冲于紫红色白垩系泥岩或第四系洪积砾石层之上(图2a)。断层剖面显示断裂倾向SW,倾角约55°,断裂断错晚更新世砾石层,被全新世地层覆盖(陈柏林等,2005)。在SE方向,断裂则发育于黑山南麓的洪积扇上,地表形成连续分布的断层陡坎,陡坎坡向与地形方向相反,为坡向NE的反向陡坎(图2b)。断层断错多期洪积扇面,形成高度不等的陡坎,反映了断裂长期持续活动。

图2 阴洼山断裂和新民堡断裂断错地貌(箭头为断层位置)
Fig.2 Fault landforms of the Yinwashan and Xinminpu faults(the arrows show the location of the fault)

新民堡断裂位于酒西盆地内部,东起新民堡以东,向西经清泉村、东帝、火烧沟至清泉乡一带,长约20 km,整体走向300°,倾角约30°,倾向SW,为一条逆掩断层(图1b)。地貌上表现为一系列南高北低的断层陡坎,断层露头可看到断层直通地表,形成前缘翘起的陡坎,表明断层活动时代较新。在新民堡西侧,断裂最东端出露断层剖面,为一低角度逆冲断层(图2c),倾角约30°,断层上盘为新近系砖红色泥岩、砂岩,下盘主要为晚更新世青灰色砾石层,在近断层处砾石层发生牵引转向,并有明显定向排列特征,地表形成高约2～3 m的断层陡坎。在清泉村西侧,较老地貌面上形成的断层陡坎高约18 m,老陡坎前侧叠加新的小陡坎,高1 m左右(图2d)。局部小陡坎前侧保留新鲜的陡坎自由面,推测可能为1785年新民堡63/4级地震形成的地表破裂带(何文贵等,2010)。

沿阴洼山断裂和新民堡断裂均发育多级断错地貌(闵伟等,2002; 陈柏林等,2005,2006),这些地貌面及保存完整的断层陡坎为研究断层滑动速率提供了良好的条件。在室内影像解译和野外踏勘的基础上,分别在阴洼山断裂东南段洪积扇及新民堡断裂火烧沟附近选取研究点进行了断裂滑动速率的研究(图3,4)。这2处断错地貌明显,断层陡坎保存较为完整,地貌表面无植被或黄土覆盖并广泛分布富含石英的砾石及卵石,适合宇宙成因核素¹⁰Be年代样品的采集。在野外样品的采集中,各级地貌每个样品至少采集直径为2～3 cm,富含石英的50块以上砾石块,同时在现今河道内采集一个样品用于计算继承浓度。送实验室之前,先对样品粉碎、筛选,得到250～500 μm粒径颗粒,其后的前期化学处理在中国地震局地质研究所国家动力学重点实验室完成。首先,利用化学蚀刻方法分离出石英颗粒(Kohl,Nishiizumi,1992; 那春光等,2006),之后用HF溶解石英颗粒,并加入0.3 mg的⁹Be载体,用阴阳离子交换层析法得到BeCl₂,加入氨水中和,得到Be(OH)₂,最后高温加热得到BeO,制成样品测试靶样。¹⁰Be/⁹Be比值测试在法国地球科学与环境研究与教育欧洲中心宇宙成因核素实验室完成。最终,利用原子生成率及年龄计算工具,得到了样品的年代(Lal,1991; Granger et al,2013; Vermeesch,2007),主要样品参数及年代结果见表1。

表1 宇宙成因核素测试结果
Tab.1 Results of Cosmogenetic nuclide dating

阴洼山断裂和新民堡断裂同为酒西盆地内部全新世活动的逆断裂,通过卫星影像解译和野外实地调查,选择典型断错地貌单元进行了断层陡坎差分GPS测量和地貌面宇宙成因核素测年,得到了断裂晚第四纪滑动速率。阴洼山断裂和新民堡断裂晚第四纪垂直滑动速率分别为(0.08±0.02)mm/a和(0.11±0.02)mm/a。

酒西盆地是一个被活动断裂围限的盆地(图1a),对于其它断裂的滑动速率,前人也曾开展过

图4 新民堡断裂火烧沟卫星影像(a),断错地貌解译(b),断层陡坎(c)及测量剖面(d)
Fig.4 Satellite image at Huoshaogou site of the Xinminpu fault(a),geomorphic interpretation of the fault landforms(b),fault scarps(c)and measurement profiles(d)

大量研究。嘉峪关断裂是酒西盆地东侧边界断裂,断裂新活动形成醒目的断层陡坎(郑文俊,2009),根据断层陡坎测量和宇宙成因核素测年,Zheng等(2013)得到其垂直滑动速率为(0.22±0.03)mm/a。黑山断裂是酒西盆地北边界断裂,为一条高角度逆断层,断层断错洪积扇形成2～3 m的断层陡坎,根据光释光测年和断层陡坎测量,得到断裂垂直滑动速率为(0.26±0.06)mm/a(张宁等,2016)。黑山断裂东侧金塔南山断裂的滑动速率约为(0.11±0.03)mm/a(Zheng et al,2013)。在酒西盆地内部,白杨河断裂垂直滑动速率为0.35 mm/a(Hetzel et al,2002)。这些断裂均以较低的滑动速率为特征,表现出了区域上断裂活动的协调性和一致性。盆地南侧祁连山北缘断裂带滑动速率一般为0.5～1 mm/a(Hetzel et al,2004; Palumbo et al,2009; Liu et al,2017; Xiong et al,2017),略高于盆地内部及北侧活动断裂带。

酒西盆地内断裂构造变形以逆冲为主要特征,并伴生大量褶皱。逆断层的垂直活动会引起地壳的缩短,地壳的缩短速率与断层滑动速率密切相关,但并不能简单将二者等同起来。断层地表及深部的倾角不是一成不变的,一般来讲,造山带前缘逆断层出露地表的倾角都较缓,深部逐渐变陡,到滑脱面时又逐渐变缓并近水平。Thompson等(2002)根据前人的研究(Narr,Suppe,1994),建立了地壳缩短速率与逆断层滑动速率的关系式,在已知断层在地表的倾角α的情况下,则断层引起的地壳缩短率:Vs=Vv/tanα,其中Vs为地壳缩短速率; Vv为断层垂直滑动速率; α为断层倾角。

白杨河断裂滑动速率为0.35 mm/a(Hetzel et al,2002),探槽揭露断裂倾角约为25°(刘兴旺,2017),地壳缩短速率约为0.75 mm/a。本次研究得到的新民堡断裂和阴洼山断裂的滑动速率分别为(0.11±0.02)mm/a和(0.08±0.02)mm/a,探槽揭露的断裂倾角分别约为30°和55°(刘兴旺,2017),则其缩短速率分别约为0.18 mm/a和0.07 mm/a,综合考虑,得到酒西盆地内部断裂垂直祁连山方向上的地壳缩短速率约为1 mm/a。酒西盆地南缘玉门—北大河断裂的垂直滑动速率为(0.73±0.09)mm/a(刘兴旺,2017),以断裂倾角30°估计(刘兴旺等,2016),地壳缩短速率约为1.3 mm/a。酒西盆地北缘黑山断裂的滑动速率为(0.26±0.06)mm/a,根据断裂倾角约为70°(张宁,2016),计算得到其缩短速率约为0.07～0.12 mm/a。综合考虑,得到酒西盆地垂直祁连山方向上的缩短速率约为2.4 mm/a,平行阿尔金断裂方向的缩短率约为2 mm/a,这与阿尔金断裂东端的走滑速率相近(徐锡伟等,2003; Zhang et al,2007; 张宁,2016),表明阿尔金断裂尾端的走滑量已被酒西盆地的逆断层褶皱所转化吸收,本文的研究结果支持了阿尔金断裂终止于酒西盆地一带的观点。