雷生學(xué) 冉勇康 李彥寶 李海鷗 高 也 郭 巍

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029 2)防災(zāi)科技學(xué)院，三河 065201 3)天津市地震局，天津 300201 4)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

0 引言

拉分盆地和擠壓隆起(push up)是走滑斷裂帶上最常見(jiàn)和最重要的2類(lèi)構(gòu)造。拉分盆地一詞最早由Burchfiel等(1966)在研究美國(guó)加州南部的死亡之谷(Death Valley)時(shí)提出，指在走滑斷裂帶的階區(qū)(stepover)或拐彎(bend)處的局地性張應(yīng)力作用下形成的斷陷構(gòu)造。拉分盆地既有可能扮演阻止地震破裂傳播 “障礙體”的角色，還有可能成為大地震的成核區(qū)(Cunninghametal.，2007)，因此在地震災(zāi)害評(píng)估研究中具有重要意義。同時(shí)，拉分盆地內(nèi)往往堆積巨厚的沉積物，成為碳水化合物、金屬礦產(chǎn)、蒸發(fā)鹽類(lèi)及其他工業(yè)礦產(chǎn)的聚集地，如中國(guó)的渤海灣盆地、奧地利的維也納盆地、中東的死海盆地等，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值(Cunninghametal.，2007；Wuetal.，2009)。

過(guò)去的幾十年間，研究者通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查(Aydinetal.，1982；Mannetal.，1983；Zhangetal.，1989；Gürbüz，2012)、室內(nèi)砂箱模擬實(shí)驗(yàn)(Raheetal.，1998；Basileetal.，1999；Atmaouietal.，2006；Wuetal.，2009；Suganetal.，2014)及數(shù)值模擬(Petruninetal.，2006，2008)等手段對(duì)拉分盆地展開(kāi)了大量研究，使得人們對(duì)拉分盆地的幾何特征、控制因素、形成機(jī)制及消亡過(guò)程等有了較為深入的了解。同時(shí)，學(xué)者們對(duì)拉分盆地內(nèi)部 “對(duì)角線(xiàn)式中央斷層”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為 “中央斷層”)的形成機(jī)理、構(gòu)造演化等進(jìn)行了一定程度的研究(Zhangetal.，1989；McClayetal.，1995；Dooleyetal.，1997；Schattneretal.，2008；Heimannetal.，2009；Ku?u，2009；van Wijketal.，2017)。目前，人們認(rèn)識(shí)到對(duì)中央斷層展開(kāi)研究至少具有2方面重要意義：其一，中央斷層在拉分盆地的消亡過(guò)程中扮演著重要角色。越來(lái)越多的自然界實(shí)例顯示，隨著中央斷層的逐步貫通，邊界主控走滑斷裂將會(huì) “截彎取直”，使得走滑運(yùn)動(dòng)自邊界主控?cái)嗔艳D(zhuǎn)移到中央斷層上，斷陷作用會(huì)逐漸減弱乃至消失，從而使拉分盆地走向消亡(Zhangetal.，1989；Ku?u，2009；van Wijketal.，2017)。其二，由于中央斷層的截彎取直連通了更長(zhǎng)區(qū)段的走滑斷裂帶，而地震的震級(jí)又與斷層長(zhǎng)度(取對(duì)數(shù))呈正相關(guān)(Scholz，1982)，因此這意味著大地震發(fā)生的概率有可能會(huì)增加(Raheetal.，1998；Schattneretal.，2008)。然而，總體而言，與拉分盆地相比，專(zhuān)門(mén)針對(duì)中央斷層的研究較少，中央斷層在傾向上具有怎樣的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、其形成機(jī)制又是如何等重要問(wèn)題尚未很好地得到解決，這極大地制約了人們對(duì)拉分盆地乃至走滑斷裂帶構(gòu)造演化過(guò)程的理解。

本文選擇青藏高原東北緣海原斷裂帶上最大的拉分盆地——干鹽池拉分盆地作為研究對(duì)象，對(duì)盆地內(nèi)的中央斷層開(kāi)展了地質(zhì)地貌調(diào)查、淺層人工地震勘探及鉆孔聯(lián)合探測(cè)等工作，重點(diǎn)對(duì)該中央斷層的性質(zhì)及形成機(jī)制進(jìn)行了探討，并對(duì)獲得的最新認(rèn)識(shí)進(jìn)行了總結(jié)。

1 背景資料

1.1 區(qū)域構(gòu)造

海原斷裂西起甘肅景泰的興泉堡，向E跨過(guò)黃河，經(jīng)哈思山、北嶂山、黃家洼山、西華山、南華山和月亮山，一直到六盤(pán)山北端的硝口附近(圖1)，全長(zhǎng)約240km，由11條次級(jí)斷層組成(鄧起東等，1989)，在這些次級(jí)斷裂的交會(huì)部位形成了2個(gè)擠壓隆起區(qū)和8個(gè)大小不一的拉分盆地(國(guó)家地震局地質(zhì)研究所等，1990)，其中，干鹽池拉分盆地的面積和規(guī)模最大(圖2)。沿海原斷裂帶曾發(fā)生過(guò)1920年海原8.5級(jí)地震，對(duì)甘肅、寧夏地區(qū)造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 干鹽池拉分盆地及海原斷裂帶的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Regional tectonic setting of Ganyanchi pull-apart basin and the Haiyuan Fault.

圖2 干鹽池盆地中央斷層的衛(wèi)星影像(a)及地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(b)(改自鄧起東等，1989)Fig.2 Satellite image(a)and simplified geological map(b)of the cross-basin fault in Ganyanchi pull-apart basin(modified from DENG Qi-dong et al.，1989).a 紅色箭頭指示盆地內(nèi)3條主要斷層；b 藍(lán)色星標(biāo)為鉆孔位置；人工地震測(cè)線(xiàn)則以淺藍(lán)色實(shí)線(xiàn)表示； F1、F2分別為盆地南、北邊界斷層，F(xiàn)3為盆地中央斷層；研究區(qū)在海原斷裂帶上的位置見(jiàn)圖1

干鹽池拉分盆地形成于上新世晚期(約2.8MaiBP)(Leietal.，2018；雷生學(xué)等，2018)，現(xiàn)今活動(dòng)依然強(qiáng)烈，為一活動(dòng)盆地，具體位于海原斷裂帶中段的南-西華山北麓斷層與黃家洼山南麓斷層的左階錯(cuò)列區(qū)內(nèi)(圖2)。干鹽池盆地長(zhǎng)約8km，寬約3km，形狀呈較為規(guī)則的菱形。盆地內(nèi)部被土黃色全新世沖洪積物所覆蓋；盆地周邊出露的地層主要為晚元古界變質(zhì)巖(片巖和大理巖)、新生界沉積巖(漸新統(tǒng)清水營(yíng)組泥巖、粉砂巖)和第四系風(fēng)積黃土(國(guó)家地震局地質(zhì)研究所等，1990)。

除NW邊緣有一些規(guī)模較小的正斷層外，干鹽池盆地共發(fā)育3條規(guī)模較大的斷層，即盆地南邊界斷層、北邊界斷層和中央斷層(圖2)，具體為：1)盆地南邊界斷層(圖2 中的F1)，即黃家洼山南麓斷層，走向 N290°～310°W，長(zhǎng)度較短，僅約9km，在斷層西段見(jiàn)前寒武系片巖逆沖于侏羅系以來(lái)的年輕地層之上，并使沿線(xiàn)的河流、山脊發(fā)生同步左旋位錯(cuò)，形成壯觀(guān)的斷層地貌；2)盆地北邊界斷層(圖2 中的F2)，即南-西華山北麓斷層，走向 N305°～310°W，長(zhǎng)約73km，為海原斷裂帶內(nèi)最長(zhǎng)的次級(jí)斷層，控制著區(qū)域內(nèi)盆地和山脈的分布，構(gòu)成山脈與盆地的地貌分界線(xiàn)；3)中央斷層(圖2 中的F3)，即干鹽池-唐家坡斷層，走向 N280°～300°W，長(zhǎng)約13km，在平面上呈反“S”狀，沿盆地的對(duì)角線(xiàn)將2條邊界斷層連接起來(lái)(陳社發(fā)等，1985)。

干鹽池盆地的中央斷層沿菱形盆地的長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)將2條邊界斷裂連接，依出露情況、兩盤(pán)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等可將其分為3段：1)西段，即唐家坡以西的段落，該段在地表連續(xù)出露，形成南盤(pán)下降、北盤(pán)上升的陡坎或小地塹，陡坎高0.4～0.9m，其尾端以<20°的角度與盆地南邊界斷層相交。前人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，1920年的海原地震使得唐家坡附近的田埂被左旋錯(cuò)斷(國(guó)家地震局蘭州地震研究所等，1980)，斷距為3.4～7.5m(陳社發(fā)，1984)。2)中段，即唐家坡—鹽池村之間的段落，斷層在此段出露最為連續(xù)，錯(cuò)斷跡象也最為明顯。斷層沿現(xiàn)代鹽湖的南緣形成較為壯觀(guān)的陡坎，陡坎高1～3m，長(zhǎng)約2.5km，北盤(pán)下降、南盤(pán)上升(陳社發(fā)，1984)。據(jù)記載，1920年的海原地震使鹽湖湖水從斷層南側(cè)整體移到了北側(cè)，遷移距離約為800m(國(guó)家地震局蘭州地震研究所等，1980)。3)東段，即鹽池村以東的段落，中央斷層在此可能轉(zhuǎn)為隱伏狀態(tài)，1920年海原地震的同震破裂遺跡因人為活動(dòng)或自然侵蝕遭受破壞，現(xiàn)在已很難觀(guān)察到。但是，在最東端卻可以觀(guān)察到中央斷層以小角度會(huì)入盆地的北邊界斷裂。

1.2 已有認(rèn)識(shí)

關(guān)于干鹽池盆地的中央斷層，前人主要開(kāi)展了野外地質(zhì)調(diào)查和古地震研究2方面的工作(陳社發(fā)，1984；陳社發(fā)等，1985；國(guó)家地震局地質(zhì)研究所等，1990；Burchfieletal.，1991；Liu-Zengetal.，2015；李彥寶等，2016)，獲得的主要認(rèn)識(shí)有：1)中央斷層的性質(zhì)。1920年海原大地震的地表破裂在干鹽池盆地內(nèi)主要沿中央斷層展布，在唐家坡村以西(圖2)，地震造成一系列田埂被左旋錯(cuò)斷，意味著該斷層具左旋走滑分量。而在唐家坡村以東，斷層陡坎出露連續(xù)完整，南盤(pán)下降、北盤(pán)上升?；诶峙璧匦纬捎?拉)張應(yīng)變區(qū)的特征，前人推測(cè)干鹽池盆地中央斷層可能為一條正走滑斷裂(陳社發(fā)，1984；陳社發(fā)等，1985)。然而，直接觀(guān)察近地表探槽剖面卻發(fā)現(xiàn)該斷層表現(xiàn)為壓扭性質(zhì)，為一條逆走滑斷裂(李彥寶等，2016)。2)中央斷層的古地震記錄。橫跨中央斷層的槽探研究表明，晚更新世末期以來(lái)干鹽池盆地記載了至少7次古地震事件，其復(fù)發(fā)呈現(xiàn)叢集與單個(gè)事件相間排列的規(guī)律(Lietal.，2014)。此外，干鹽池盆地保存了1500AD以來(lái)的3次非特征型古地震序列(Liu-Zengetal.，2015)。

如上所述，干鹽池拉分盆地中央斷層在總體走滑的前提下兼具明顯的逆沖性質(zhì)，這與拉分盆地形成于(拉)張應(yīng)變的宏觀(guān)構(gòu)造背景似乎有些矛盾，二者是如何統(tǒng)一起來(lái)的？針對(duì)上述問(wèn)題，我們聯(lián)合采用人工地震勘探和鉆孔探測(cè)等手段，對(duì)干鹽池盆地中央斷層的深、淺部幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征等進(jìn)行了研究，并從范圍更廣的拉分盆地尺度對(duì)其可能的形成機(jī)制進(jìn)行了探討。

2 淺層人工地震勘探結(jié)果

為了探明中央斷層深部的幾何結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，我們(近)垂直該斷層布設(shè)了10條淺層人工地震反射測(cè)線(xiàn)。采用可控震源車(chē)作為激發(fā)震源，所用可控震源為小型工程地震震源IVI T15000，擊震力輸出峰值約為2.7t，掃描頻率為15～200Hz，采用P波掃描，掃描時(shí)長(zhǎng)為8s。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國(guó)Geometrics公司的Geode DZ200數(shù)字地震儀，該儀器為140道接收，使用重慶地震儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的100Hz單道檢波器。觀(guān)測(cè)系統(tǒng)的具體參數(shù)為：道間距為4m，炮間距為12m，偏移距為0m；采用中間放炮、兩邊接收的雙邊觀(guān)測(cè)方式。具體的采樣參數(shù)為：采樣間隔為0.25ms，記錄時(shí)長(zhǎng)為1s，記錄長(zhǎng)度為4i000點(diǎn)。

然而，可能由于研究區(qū)的地層比較復(fù)雜，或是鹽湖區(qū)地下水位較高及含鹽層較多的緣故，大多數(shù)地震反射剖面的結(jié)果比較模糊——尤其是中央斷層以北地區(qū)，給解譯工作帶來(lái)了較大困難，僅有2條測(cè)線(xiàn)的結(jié)果差強(qiáng)人意，即測(cè)線(xiàn)C和測(cè)線(xiàn)E-F(圖2b)。需要強(qiáng)調(diào)的是，物探剖面的解譯結(jié)果僅是時(shí)間剖面，未作時(shí)深轉(zhuǎn)換，但其反映的生長(zhǎng)地層、斷層上下盤(pán)差異傾斜等形態(tài)卻異常清楚，并不影響對(duì)結(jié)果的最終解釋。下面將分述物探測(cè)線(xiàn)C和E-F的解譯結(jié)果。

2.1 人工地震反射剖面C

人工地震C測(cè)線(xiàn)布設(shè)于盆地中央、現(xiàn)代鹽湖的西邊緣(圖2b)，橫跨中央斷層兩盤(pán)，測(cè)線(xiàn)總長(zhǎng)約1i150m。如圖3 所示，可以看出在樁號(hào)約255m處同相軸不連續(xù)且出現(xiàn)位錯(cuò)現(xiàn)象，故將其解釋為一條傾向SW的斷層，斷層傾角在底部相對(duì)較緩，向上漸陡并延伸至地表，對(duì)應(yīng)于中央斷層形成的陡坎。目前，在地表上可以清晰地觀(guān)察到斷層陡坎以南的地層相對(duì)抬升、以北則相對(duì)下降，落差約1～3m。由此可知，中央斷層為一條傾向SW的逆沖斷層。

圖3 干鹽池盆地人工地震C測(cè)線(xiàn)的結(jié)果及其解譯Fig.3 Seismic reflection profile of C across the cross-basin fault in Ganyanchi Basin and its interpretation.測(cè)線(xiàn)C的具體位置見(jiàn)圖2b。結(jié)果顯示，中央斷層在剖面上為傾向SW的逆斷層，且盆地內(nèi)發(fā)育了較厚的生長(zhǎng)地層

另外，人工地震反射剖面C還揭示出更重要的地下構(gòu)造信息(圖3)：盆地內(nèi)所有的沉積地層皆向NE傾斜，越接近盆地中心地層越傾斜，即地層傾角越大；地層厚度由SW向NE迅速增厚，以HY-C8深孔作為參考(深311.2m，雙程走時(shí)約為366ms，則平均波速約為1.7km/s)(雷生學(xué)等，2018)，并假設(shè)整個(gè)盆地內(nèi)地震波的平均波速一致，則C測(cè)線(xiàn)SW側(cè)的沉積層厚約170m(雙程走時(shí)約為200ms)，而中央斷層附近的沉積層則厚達(dá)470m(雙程走時(shí)約為550ms)，呈現(xiàn)出SW薄、NE厚的楔狀形態(tài)。上述 “地層傾角和地層厚度向NE逐漸增大”的幾何特征為同構(gòu)造沉積，即 “生長(zhǎng)地層”的典型特征。因此，我們將相應(yīng)的地層解釋為生長(zhǎng)地層。

2.2 人工地震反射剖面E-F

人工地震E-F測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)約2i700m，布設(shè)于盆地中心偏E的位置(圖2b)，測(cè)線(xiàn)南起盆地南邊界，經(jīng)中央斷層向N直抵盆地北邊界斷層附近，此測(cè)線(xiàn)有助于查明整個(gè)干鹽池拉分盆地的地層與地下構(gòu)造的全貌信息。如圖4 所示，人工地震E-F反射剖面同樣顯示盆地中央斷層在傾向上表現(xiàn)為逆沖運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。

圖4 干鹽池盆地人工地震E-F測(cè)線(xiàn)的結(jié)果及其解譯Fig.4 Seismic reflection profile of E-F across the cross-basin fault in Ganyanchi Basin and its interpretation.測(cè)線(xiàn)E-F的具體位置見(jiàn)圖2b。結(jié)果顯示，中央斷層在剖面上為一傾向SW的逆斷層；盆地內(nèi)的生長(zhǎng)地層及翻轉(zhuǎn)背斜似乎主要受盆地北邊界斷層控制

3 鉆孔聯(lián)合剖面探測(cè)結(jié)果

如前文所述，淺層人工地震勘探結(jié)果表明干鹽池盆地中央斷層為一條傾向SW的逆斷層，且盆地內(nèi)堆積了厚度>680m的生長(zhǎng)地層。為了驗(yàn)證此結(jié)果，垂直于該中央斷層布設(shè)了2排鉆孔(D、G剖面，其具體位置見(jiàn)圖2b，以藍(lán)色五角星表示)，其中G剖面由6個(gè)鉆孔組成，D剖面則由5個(gè)鉆孔組成。在具體施工過(guò)程中，采用直徑為130mm的巖心管，鉆進(jìn)回次≤2m；除個(gè)別礫石層的巖心采取率較低(約為50%～80%)外，其他地層的巖心采取率≥92% ；對(duì)厚度≥20cm的地層進(jìn)行單獨(dú)劃分并加以編錄，以免遺漏潛在的重要信息，且便于對(duì)鉆孔間的地層進(jìn)行對(duì)比。下面將分述這2條鉆孔剖面的探測(cè)結(jié)果。

3.1 鉆孔聯(lián)合D剖面

鉆孔聯(lián)合D剖面位于鹽池村NW約1.5km處(圖2b)，由5個(gè)鉆孔組成，水平跨度約為60m，單孔最大深度為75m，最小深度則為50m，總進(jìn)尺292m，結(jié)果如圖5 所示。鉆孔剖面揭露出的地層可以劃分為4個(gè)主要大層，由下而上分別為(圖5)：

圖5 鹽池村NW鉆孔聯(lián)合地質(zhì)D剖面Fig.5 Composite drilling geological section of D to the northwest of Yanchi village.中央斷層北側(cè)地層有明顯的加厚現(xiàn)象；標(biāo)志層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為灰黑色、藍(lán)灰色和棕紅色粉砂質(zhì)黏土；斷層旁的數(shù)字為以各標(biāo)志層底界為參考的垂向斷距(標(biāo)志層Ⅰ因底界未揭露，故以頂界為參考)

層①：灰色、灰黑色粉砂質(zhì)黏土，夾數(shù)段黏土質(zhì)粉砂層，全段含灰黑色泥炭斑塊或條紋較多，推測(cè)可能為湖相沉積。該層為比較顯著的標(biāo)志層(標(biāo)志層Ⅰ)；

層②：灰色粉砂質(zhì)黏土，頂部為紅棕色粉砂質(zhì)黏土和土黃色泥質(zhì)細(xì)粉砂，中下段局部為礫石層、粉細(xì)砂和黏土質(zhì)粉砂夾層。該層的總體粒度較粗，為整個(gè)剖面之最；

層③：灰色、藍(lán)灰色粉砂質(zhì)黏土，局部粉砂含量較高，發(fā)育水平或波狀微細(xì)層理，下半段夾少量灰黑色泥炭斑塊。該層為另一較為顯著的標(biāo)志層(標(biāo)志層Ⅱ)；

層④：棕紅、紅棕色表層土與粉砂質(zhì)黏土，局部含少量粉砂。醒目的紅棕色極易識(shí)別，使得該層成為標(biāo)志層Ⅲ。

從圖中5可以看出，中央斷層在傾向上的確表現(xiàn)為逆沖運(yùn)動(dòng)，斷層的持續(xù)活動(dòng)使得南盤(pán)地層相對(duì)抬升，如標(biāo)志層Ⅰ的頂界被抬升>6.5m，而標(biāo)志層Ⅱ的頂界則被抬升>0.8m。同時(shí)還可以看出，中央斷層以北的各主要地層皆有明顯的增厚現(xiàn)象，以上部的標(biāo)志層Ⅱ、Ⅲ為例，標(biāo)志層Ⅲ為醒目的紅棕色粉砂質(zhì)黏土，其在斷層的兩側(cè)分別厚約3.4m和4.0m，厚度差為0.6m；而標(biāo)志層Ⅱ則為發(fā)育微細(xì)層理的灰色、藍(lán)灰色粉砂質(zhì)黏土，其在斷層兩側(cè)分別厚約1.8m和3.5～5.0m，厚度差為1.7～3.2m；雖然標(biāo)志層Ⅰ(灰—灰黑色粉砂質(zhì)黏土)的底部未完全揭露，但依然可以看出下盤(pán)的地層較上盤(pán)明顯增厚。上述觀(guān)察表明確實(shí)存在物探剖面揭示的生長(zhǎng)地層，且其跨過(guò)中央斷層延伸至更北部的區(qū)域，這有可能暗示著控制生長(zhǎng)地層形成發(fā)育的斷裂構(gòu)造是盆地的北邊界斷層，而非盆地中央斷層。

3.2 鉆孔聯(lián)合G剖面

鉆孔聯(lián)合G剖面位于鹽池村北(圖2b)，由6個(gè)鉆孔組成，水平跨度約為135m，單孔最大深度為50m，總進(jìn)尺約255m，結(jié)果如圖6 所示。鉆孔剖面揭露出的地層可以劃分為7個(gè)大層，自下而上分別為：

層①：灰綠色粉砂質(zhì)黏土，局部夾少量粉細(xì)砂薄層；

層②：棕紅色粉砂質(zhì)黏土，頂部夾少量直徑<1cm的鈣結(jié)核，中部夾土黃色粉砂質(zhì)黏土薄層較多，底部夾少量次棱—次圓狀的灰白或灰黑色砂礫石，礫石成分多為片巖或大理巖。醒目的棕紅色使得該層成為最易識(shí)別的標(biāo)志層(標(biāo)志層Ⅰ)；

層③：土黃色粉砂質(zhì)黏土，夾少量細(xì)礫；

層④：灰色砂礫石，礫石巖性以直徑2～4cm的次圓狀片巖居多，并夾少量石英巖或大理巖，中段夾數(shù)層灰綠色粉砂質(zhì)黏土。該層為標(biāo)志層Ⅱ；

層⑤：上半段為土黃色細(xì)—中粗砂，含少量細(xì)礫(粒徑以0.5～2cm居多，最大約為3cm)，下半段為深紅棕色粉砂質(zhì)黏土，夾少量淡銹黃色粉砂團(tuán)塊；

層⑥：灰色、灰黑色黏土質(zhì)粉砂與粉砂質(zhì)黏土互層，夾少量灰黑色泥炭，局部夾少量細(xì)粉砂；

層⑦：灰黑色表層土，含少量碎石塊，下半段為淡銹黃色粉砂質(zhì)黏土。

與鉆孔聯(lián)合剖面D相同，該剖面同樣表明中央斷層為逆沖性質(zhì)，南盤(pán)的地層逆沖至北盤(pán)地層之上(圖6)。同時(shí)，該剖面清楚地表明盆地內(nèi)發(fā)育生長(zhǎng)地層且其跨越了中央斷層并延伸至更北的區(qū)域——這從中央斷層以北的地層有明顯的加厚現(xiàn)象可以看出。以2套標(biāo)志層為例，標(biāo)志層Ⅰ為醒目的棕紅色粉砂質(zhì)黏土，其在斷層南、北兩側(cè)分別厚約14m和20m，厚度差約為6m；標(biāo)志層Ⅱ則為一套灰色礫石層，其在斷層的兩側(cè)分別厚約1.7m和4.7m，厚度差約為3m。此外，還可以看出中央斷層在此為隱伏狀態(tài)，并未出露于地表，其上斷點(diǎn)埋深約為3.3m(圖6)。

圖6 鹽池村北鉆孔聯(lián)合地質(zhì)G剖面Fig.6 Composite drilling geological section of G in Yanchi village.中央斷層北側(cè)地層有明顯的加厚現(xiàn)象；標(biāo)志層Ⅰ、Ⅱ分別為醒目的棕紅色粉砂質(zhì)黏土和礫石層；斷層旁的數(shù)字為以各主要層底界為參考的垂向斷距

4 討論

4.1 干鹽池拉分盆地中央斷層的性質(zhì)

在唐家坡村以西(圖2)，沿干鹽池盆地中央斷層可以清楚地觀(guān)察到左旋錯(cuò)斷的證據(jù)：一系列田埂被左旋錯(cuò)斷，錯(cuò)距為3.4～7.5m，這意味著該斷層在走向上為一條左旋走滑斷層，與前人將拉分盆地中央斷層解釋為里德剪切破裂的認(rèn)識(shí)一致。里德破裂(通常記為R)是在大型走滑斷裂帶上常見(jiàn)的次級(jí)剪切破裂(此外還有共軛里德破裂R′和P破裂等)，以小角度與主走滑斷層相交、滑動(dòng)方向與主斷裂一致等為主要特征(Raheetal.，1998；Fossen，2010)。由于拉分盆地中央斷層的分布方位、平面形態(tài)、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)及其與主斷層的夾角等皆與里德破裂一致，因此可以認(rèn)為拉分盆地中央斷層在本質(zhì)上屬于里德剪切破裂(國(guó)家地震局地質(zhì)研究所等，1990；Raheetal.，1998；Dooleyetal.，2012)。

如前文所述，淺層人工地震勘探結(jié)果表明，干鹽池盆地中央斷層傾向SW，斷層以南的地層相對(duì)抬升、以北則相對(duì)下降，地表落差約1～3m，顯示斷層具有逆沖性質(zhì)(圖3， 4)；而鉆孔聯(lián)合剖面探測(cè)結(jié)果則進(jìn)一步證實(shí)中央斷層在傾向上的確表現(xiàn)為逆沖運(yùn)動(dòng)，斷層南盤(pán)相對(duì)北盤(pán)被顯著抬升。以鉆孔聯(lián)合D剖面為例(圖5)，其標(biāo)志層Ⅰ的頂界被抬升>6.5m，而標(biāo)志層Ⅱ的頂界則被抬升>0.8m。因此，與地表觀(guān)察到的左旋證據(jù)相結(jié)合，可以斷定干鹽池盆地中央斷層為逆走滑性質(zhì)。

基于拉分盆地形成于(拉)張應(yīng)變區(qū)這一認(rèn)識(shí)，前人推測(cè)干鹽池盆地中央斷層可能為一條正走滑斷裂(陳社發(fā)，1984；國(guó)家地震局地質(zhì)研究所等，1990)。然而，最新的探測(cè)成果不支持這一推測(cè)。除干鹽池盆地外，海原斷裂帶上另有3個(gè)拉分盆地內(nèi)部同樣發(fā)育中央斷層(三角城盆地、大營(yíng)水盆地和邵水盆地)(圖1)，同樣，前人推測(cè)它們可能皆為正走滑性質(zhì)。干鹽池盆地的例子清晰地表明，在判斷拉分盆地中央斷層的性質(zhì)時(shí)須謹(jǐn)慎，應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步工作。

4.2 干鹽池拉分盆地的構(gòu)造格架

如前文所述，人工地震反射剖面結(jié)果(圖3， 4)顯示，干鹽池盆地內(nèi)發(fā)育了SW薄而NE厚的楔狀生長(zhǎng)地層，且生長(zhǎng)地層堆垛起來(lái)構(gòu)成背斜形態(tài)——這在物探剖面E-F中顯得尤為清晰(圖4)。針對(duì)在伸展構(gòu)造環(huán)境下形成背斜的現(xiàn)象，前人已有較多研究并將其命名為 “翻轉(zhuǎn)背斜”(Rollover anticline，也可譯作 “滾動(dòng)背斜”或 “逆牽引背斜”)，指在張性正斷層的下降盤(pán)形成的褶皺(李德生，1979；Shelton，1984；Yamadaetal.，2003)。同時(shí)，生長(zhǎng)地層及其構(gòu)成的翻轉(zhuǎn)背斜一般被認(rèn)為是指示正斷層為鏟式的幾何結(jié)構(gòu)(Spahicetal.，2011)。顯然，該鏟式正斷層應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于盆地北邊界的南-西華山北麓斷層，而非中央斷層——因?yàn)槠湫再|(zhì)并非張性正斷。同時(shí)，物探剖面清晰地表明干鹽池盆地為一不對(duì)稱(chēng)拉分盆地，其沉積中心更靠近北邊界斷層(圖4)，這意味著干鹽池拉分盆地的形成演化可能主要受控于南-西華山北麓斷層；而鉆孔聯(lián)合剖面亦顯示生長(zhǎng)地層跨過(guò)了中央斷層并延伸至更北的區(qū)域(圖5， 6)，這進(jìn)一步暗示南-西華山北麓斷層控制著盆地內(nèi)生長(zhǎng)地層的堆積發(fā)育。

圖7 中央斷層及其所在的干鹽池拉分盆地內(nèi)的主要構(gòu)造Fig.7 Cross-basin fault and other main structures developed in the Ganyanchi pull-apart basin.

4.3 逆走滑中央斷層可能的形成機(jī)制

眾所周知，拉分盆地處于張應(yīng)力構(gòu)造環(huán)境中，然而在干鹽池拉分盆地中央?yún)s發(fā)育一條逆走滑斷層，其形成機(jī)制是怎樣的？基于物探剖面和地質(zhì)考察所揭示的盆地及其周邊的主要構(gòu)造推測(cè)，該逆走滑中央斷層的形成機(jī)制及演化過(guò)程可能如下：1)初期，在呈左階展布的黃家洼山南麓斷裂和南-西華山北麓斷裂交會(huì)處的左旋拉張作用下，干鹽池拉分盆地開(kāi)始發(fā)育，由于主控?cái)嗔褳榕璧乇本墧嗔?南-西華山北麓斷裂)，不對(duì)稱(chēng)的斷陷作用使盆地北部的沉積物厚度大于盆地南部，并形成與主控?cái)嗔逊聪虻恼龜鄬印粗醒霐鄬拥碾r形(圖8a)；2)中期，盆地南緣斷裂(黃家洼山南麓斷裂東段)的活動(dòng)漸漸變?nèi)?，而沿盆地北緣斷裂的斷陷作用則在持續(xù)，盆地北部的地層進(jìn)一步加厚并在逆牽引作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成 “翻轉(zhuǎn)背斜”，而先前的反向正斷層的傾向也隨之發(fā)生改變(圖8b)；3)晚期，隨著盆地南緣斷裂的活動(dòng)趨于停止，拉分盆地進(jìn)入消亡階段，中央斷層 “截彎取直”與盆地南緣逆走滑的黃家洼山南麓斷裂的西段(冉勇康等，1997)連接，部分或全部吸收了其逆走滑位移，使得先前的反向正斷層轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏀鄬?圖8c)。

圖8 干鹽池拉分盆地逆走滑中央斷層演化的概念模型(改自Gibbs，1983和Fossen，2010)Fig.8 Conceptual model showing the evolution of a reverse cross-basin fault in the Ganyanchi pull-apart basin(modified from Gibbs，1983 and Fossen，2010).

需要補(bǔ)充的是，對(duì)于上述模型的第1階段，前人針對(duì)在某些拉分盆地內(nèi)部出現(xiàn)對(duì)角線(xiàn)式中央斷層的原因已做過(guò)較多研究(Basileetal.，1999；Wuetal.，2009；van Wijketal.，2017)，一般認(rèn)為，這與盆地的幾何特征和邊界斷層的重疊度(overlap)及分隔量(separation)有關(guān)。以van Wijk等(2017)的數(shù)值模擬結(jié)果為例：當(dāng)拉分盆地的長(zhǎng)寬比較小或2條邊界主控?cái)鄬拥闹丿B度較低或不重疊時(shí)將形成中央斷層；而當(dāng)拉分盆地的長(zhǎng)寬比較大或2條邊界主控?cái)鄬拥闹丿B度較高時(shí)，則不會(huì)出現(xiàn)中央斷層，而拉分作用將持續(xù)進(jìn)行下去，從而形成大陸裂谷或海底擴(kuò)張區(qū)。如圖2 所示，干鹽池盆地的2條主邊界斷裂的重疊度較低，具有形成中央斷裂的條件。

(拉)張應(yīng)變構(gòu)造環(huán)境中出現(xiàn)逆斷層的例子也有不少，如美國(guó)猶他州的San Rafael Desert剖面(Fossen，2010)，該剖面揭露出的逆斷層被解釋為是早先發(fā)育的正斷層受后期翻轉(zhuǎn)褶皺的影響，斷層的傾向發(fā)生旋轉(zhuǎn)而成。Gibbs(1983)同樣注意到隨著下降盤(pán)遠(yuǎn)離主控?cái)鄬樱却嬲龜鄬拥膬A角和彎曲度(curvature)顯著減小，并隨著翻轉(zhuǎn)背斜一起旋轉(zhuǎn)成為視逆斷層。位于海原斷裂帶最西端的老龍灣拉分盆地(圖1)，其內(nèi)部的中央斷層(紫紅山斷層)同樣為逆走滑性質(zhì)(田勤儉等，2000)。現(xiàn)今，老龍灣盆地已消亡并反轉(zhuǎn)隆升為低山丘陵，而紫紅山斷層的形成與貫通被認(rèn)為是老龍灣拉分盆地發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)的可能原因之一(田勤儉，1998；田勤儉等，2000)。不過(guò)，與老龍灣盆地相比，干鹽池拉分盆地所處的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境似乎尚未發(fā)生大的改變(轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變環(huán)境)，其邊界主控?cái)鄬印?西華山北麓斷裂依然具有較大的正斷分量，由此推測(cè)干鹽池盆地演化至今日老龍灣盆地那樣的低山丘陵可能尚需一段時(shí)間。

綜上，干鹽池拉分盆地的實(shí)例表明，逆走滑中央斷層的一種可能形成機(jī)制是 “截彎取直”作用，即先存正斷層在截彎取直后吸收了邊界斷層的逆走滑位移而成。而受控于盆地邊界主控?cái)鄬拥姆D(zhuǎn)背斜，則可能對(duì)中央斷層的傾向發(fā)生旋轉(zhuǎn)有一定影響。

5 結(jié)論

本文對(duì)海原斷裂帶干鹽池拉分盆地內(nèi)的對(duì)角線(xiàn)式中央斷層進(jìn)行了地質(zhì)地貌調(diào)查、淺層人工地震勘探及鉆孔聯(lián)合探測(cè)等工作，獲得了以下主要認(rèn)識(shí)：

(1)與前人的認(rèn)識(shí)不同，本研究基于實(shí)地考察和探測(cè)后分析認(rèn)為干鹽池盆地中央斷層為一條傾向SW的逆走滑斷層；

(2)雖然干鹽池盆地的幾何形態(tài)呈較為規(guī)則的菱形，但實(shí)際上為一不對(duì)稱(chēng)拉分盆地，其形成演化主要受控于盆地北緣的南-西華山北麓斷層。盆地內(nèi)堆積了至少680m厚的生長(zhǎng)地層，在強(qiáng)烈的(拉)張應(yīng)力作用下，生長(zhǎng)地層堆疊起來(lái)構(gòu)成翻轉(zhuǎn)背斜形態(tài)，而中央斷層便位于翻轉(zhuǎn)背斜的核部；

(3)干鹽池拉分盆地的實(shí)例表明，逆走滑中央斷層的一種可能的形成機(jī)制是 “截彎取直”作用，即起初中央斷層以反向正斷層的形式出現(xiàn)，隨著其逐步貫通并吸收了邊界斷層的逆走滑位移后性質(zhì)才發(fā)生了轉(zhuǎn)變。至于翻轉(zhuǎn)背斜，其主要受控于不對(duì)稱(chēng)拉分盆地的邊界主控?cái)鄬?，可能?duì)中央斷層的傾向發(fā)生旋轉(zhuǎn)有一定影響。

致謝中國(guó)地震局地質(zhì)研究所的蔡明剛博士在人工地震剖面的解釋上提供了極大的幫助；天津大學(xué)的何沐文博士在成文過(guò)程中提供了建設(shè)性的建議；審稿專(zhuān)家為本文提出了諸多建設(shè)性的修改意見(jiàn)。在此一并表示感謝!