馬 建 吳國棟 李 軍 黃帥堂

1)新疆帕米爾陸內俯沖國家野外科學觀測研究站，烏魯木齊 844000 2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

0 引言

天山是橫亙于中亞地區(qū)最為宏偉的板內造山帶，形成于晚古生代末期，經歷了中生代長期夷平作用后，新生代印度板塊與歐亞板塊的碰撞使得天山再度隆起(Allenetal.，1993； Avouacetal.，1993； 張培震等，1996； 鄧起東等，2000)。研究表明，天山新生代的構造變形主要表現(xiàn)為南、 北兩側發(fā)育逆斷層-褶皺帶(Tapponnieretal.，1979； 鄧起東等，2000； Thompsonetal.，2002)，而天山內部則以NW或近EW向走滑斷裂為主(Tapponnieretal.，1979； Burtmanetal.，1996； Selanderetal.，2012)。南、 北兩側逆斷裂-褶皺帶是天山地區(qū)主要的構造形變帶，吸收了天山地區(qū)絕大部分變形量(Avouacetal.，1993； 張培震等，1996； 鄧起東等，2000； 張培震，2003； Chenetal.，2007； 楊少敏等，2008； 楊曉平等，2008； 吳傳勇，2016)。但位于天山內部的大型走滑斷裂也很發(fā)育，且規(guī)模宏大，如呈右旋走滑的塔拉斯費爾干納斷裂、 庫拉山斷裂、 喀什河斷裂，以及左旋走滑的那拉提斷裂和克敏斷裂等(Tapponnieretal.，1979； Zubovichetal.，2010)。 這些斷裂大多為古生代先存斷裂，規(guī)模巨大，表現(xiàn)出線性筆直的槽谷型地貌或成為基巖山體和山間盆地的邊界斷裂，通?？裳诱箶?shù)百千米，天山內部強震的孕育和發(fā)生常與這些斷裂關系密切(聶曉紅等，2005； 龍海英等，2008； Selanderetal.，2012； Campbelletal.，2013)。博羅可努-阿齊克庫都克斷裂(博-阿斷裂)也是一條規(guī)模宏大的右旋走滑斷裂帶，西起哈薩克斯坦境內，沿NW向進入中國境內，向E穿過阿拉山口、 艾比湖、 吐魯番盆地西南緣，終止于覺羅塔格山山體內，全長約1000km。目前，學者們對該斷裂的研究主要集中在西段(阿拉湖—精河一帶)。楊曉平等(2000)得到博-阿斷裂晚更新世以來在精河縣東南的走滑速率約為4.7mm/a； Campbell等(2013)得到晚第四紀以來該斷裂在阿拉山口段的右旋走滑速率約為2.2mm/a，至少具備發(fā)生7級地震的能力； 胡宗凱等(2019)認為博-阿斷裂精河段晚更新世以來的平均右旋走滑速率為(3.1±0.3)mm/a。

通過衛(wèi)星影像發(fā)現(xiàn)，博-阿斷裂沿SE向進入吐魯番盆地西南緣，并斷錯了河流階地、 洪積扇等多種地貌，在地表形成清晰的線性特征，這表明該段斷裂晚第四紀以來有過明顯活動，但目前尚未對博-阿斷裂在這一地區(qū)的構造變形特征開展過詳細的研究，僅有的成果也多通過影像解譯獲取(沈軍等，2003)，缺乏可靠的實地調查數(shù)據(jù)。此外，斷裂從阿拉山口至依連哈比爾尕山北西緣的走向為340°，從依連哈比爾尕山北西緣至吐魯番盆地南緣附近的走向為300°，偏轉了近40°，在走向發(fā)生大角度偏轉的情況下，斷裂的運動特征與西段是否一致？具體的位錯量是多少？以上問題目前尚未有明確的回答。本文通過實地調查、 開挖探槽、 無人機攝影測量等方法對博-阿斷裂在吐魯番盆地西南緣的構造變形特征進行研究，所得結果有助于理解博-阿斷裂在天山新生代構造變形中的作用。

圖 1 天山地區(qū)的主要活動構造Fig. 1 The distribution of active faults in Tianshan region.BAF 博-阿斷裂； DKF 東別列克斷裂； DTF 達爾布特斷裂； FYF 富蘊斷裂； KSHF 喀什河斷裂； NLTF 那拉提斯斷裂； BLTF 北輪臺斷裂； XDF 興地斷裂

1 博-阿斷裂活動的地質地貌證據(jù)

博-阿斷裂全長>1000km，在中國境內約860km，斷裂沿阿拉湖西南緣進入中國境內。阿拉湖西南至艾比湖以北段，斷裂切過山前洪積扇和基巖丘，較大河流的各級階地都被右旋錯動； 從艾比湖至精河縣城以東長約55km的范圍內，斷裂基本處于隱伏狀態(tài)； 在精河以南斷裂又出露地表，并斷錯中—晚更新世的洪積扇，形成斷層陡坎、 斷層鼓包等與斷層活動有關的微地貌(楊曉平等，2000； 沈軍等，2003)； 之后其向SE延伸進入山區(qū)，走向由NW向逐漸轉變?yōu)镹WW向，長約410km的段落位于高山無人區(qū)和現(xiàn)代冰川活動區(qū)，向E經勝利達坂，切過阿拉溝到達吐魯番盆地西南緣。

在吐魯番盆地西南一帶，斷裂向E從基巖山區(qū)延伸至山前沖洪積扇上，在地表形成了沖溝位錯、 斷層陡坎等一系列地貌現(xiàn)象。本次工作主要聚焦于吐魯番盆地西南緣，在衛(wèi)星影像解譯的基礎上，利用無人機、 差分GPS對斷裂活動的典型地貌面開展測量工作，并在局部開挖探槽，以確定斷裂的構造變形特征。

圖 2 研究區(qū)的斷裂分布圖Fig. 2 The distribution of fault in the study area.

1.1 研究區(qū)地貌

研究區(qū)位于吐魯番盆地西南緣，總的地貌特征呈“山-山麓”格局，博-阿斷裂帶以南為高聳的覺羅塔格山體，以北則發(fā)育一系列不同期次的沖洪積扇。通過高分辨率的衛(wèi)星影像解譯和現(xiàn)場實地調查，并依據(jù)沖洪積扇的位置高低、 形態(tài)特征、 表面沖溝發(fā)育及沉積物特征等，將吐魯番盆地西南山前發(fā)育的沖洪積扇分為3期(圖 3)： 第1期沖洪積扇稱為Fan3，其形成時代相對較早，分布較為局限，多殘留于河流出山口兩側，大多被后期年輕的沖洪積扇切割和侵蝕，在衛(wèi)星圖像中多呈灰色，扇體表面遭到后期流水的強烈侵蝕，多發(fā)育深達2～7m的順向切溝，參考天山及吐魯番盆地第四紀地貌的研究成果(鄧起東等，2000； 陳立春，2011)，該期地貌面大致形成于晚更新世早期； 第2期沖洪積扇稱為Fan2，為研究區(qū)內分布最為廣泛的地貌面，在衛(wèi)星影像中表現(xiàn)為灰白色沉積面，雖然遭受后期水流切割，但扇體基本呈現(xiàn)出完整且平坦的表面，自然坡降僅約2°，該期地貌面大致形成于晚更新世晚期—全新世早期； 第3期沖洪積扇稱為Fan1，屬全新世堆積物，多位于河流沖溝的出山口處，形成不規(guī)則扇形傾斜面，在衛(wèi)星影像中該地貌單元與其他地貌單元之間的色調差別非常明顯，呈灰黑色，巖性主要為來自基巖區(qū)的花崗巖礫石，呈次棱角狀，分選較差，粒徑以10～30cm為主，含大漂礫，松散堆積，絕大部分礫石顆粒表面發(fā)育褐黑色的沙漠漆。

圖 3 研究區(qū)內的沖洪積扇分布圖Fig. 3 The distribution of alluvial-proluvial fan in the study area.

1.2 沖溝右旋位錯

1.2.1 祖魯木臺溝以西

在祖魯木臺溝以西約11km處，斷裂從山前沖洪積扇的根部切過，在地表呈現(xiàn)出線性平直的陡坎地貌。我們利用旋翼無人機對該區(qū)域進行攝影測量，獲得了高分辨率的數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)(DEM)。從圖 4a 中可以看出，F(xiàn)an3沖洪積扇表面的沖溝在斷層陡坎穿過處發(fā)生了顯著的同步右旋錯動，宏觀上呈現(xiàn)出“Z”形態(tài)，這樣的水系扭曲形態(tài)與斷裂右旋走滑的運動性質完全一致。

為得到該段斷裂準確的右旋位錯量，我們對5條發(fā)生明顯位錯的沖溝進行測量，以沖溝流水線切線與斷裂交點之間的距離作為沖溝的水平位移量。雖然這5條沖溝均位于Fan3沖洪積扇上，但測量結果表明這5條沖溝的右旋位錯量均不一致，介于22～40m之間(圖4b)，通過現(xiàn)場調查及影像解譯的結果可知，這5條沖溝的規(guī)模并不相同，其中沖溝5的深度、 寬度均遠大于其余4條沖溝，表明沖溝5發(fā)育最早，積累的位錯量也最大。

此外，斷裂活動在Fan3沖洪積扇表面形成的陡坎為順向(南高北低)，陡坎總體坡向為N向，利用差分GPS實測的陡坎高度為3.9～4.2m(圖 4)。野外調查發(fā)現(xiàn)深切斷裂的沖溝揭露出清晰的斷層剖面，古生代基巖向N逆沖于第四紀礫石層之上(圖5)，斷層破碎帶寬約1m，傾角約為30°，傾向為160°，斷層滑動面出現(xiàn)在灰紫色-灰黃色碎裂巖中，下盤礫石層受到牽引變形，鄰近斷層向N傾30°，遠離斷層傾角逐漸變緩，這反映出博-阿斷裂也兼具一定的逆沖分量，但沖溝的右旋位錯量遠大于陡坎高度，說明斷裂在該點的運動以右旋走滑為主。

值得注意的是，無論是現(xiàn)場調查還是無人機影像解譯，均僅在Fan3沖洪積扇表面發(fā)現(xiàn)了斷層陡坎及沖溝位錯，在與之相鄰的Fan2和Fan1沖洪積扇上未能發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂活動跡象(圖 3，4a)。

圖 4 祖魯木臺溝以西沖溝的右旋位錯及陡坎剖面圖Fig. 4 Gully right-lateral displacement and scarp section in the west of Zulumutaigou.

圖 5 祖魯木臺溝以西斷裂的剖面及素描圖Fig. 5 Fault section in the west of Zulumutaigou.

1.2.2 祖魯木臺溝東岸

祖魯木臺溝以西長約10km的山前地帶主要被Fan1、 Fan2沖洪積扇所覆蓋，沒有發(fā)現(xiàn)斷裂在地表的活動跡象。斷裂向E延伸至祖魯木臺溝東岸一帶又出露于地表，并沿SE向在基巖區(qū)延伸約6km，斷裂的線性影像特征十分清晰，斷層兩側巖性色調差異明顯，地貌上表現(xiàn)為明顯的階梯狀地形(圖6a)。出露于祖魯木臺溝東岸的剖面顯示斷裂以南的花崗巖體向N逆沖于志留系片巖之上，發(fā)育寬約1.5m的斷裂帶(圖6b)，斷裂面產狀為298°∠85°，斷裂帶內的巖石極為破碎，由內部向兩側依次呈擠壓的斷層泥、 糜棱巖和斷層角礫，表明斷裂曾經歷過強烈的擠壓作用。

斷裂自基巖區(qū)延伸而出后從Fan3沖洪積扇的根部穿過，延伸約2km。受斷裂活動影響，一系列橫跨斷層的沖溝被不同程度地右旋錯動(圖7)。我們對發(fā)生明顯位錯的沖溝進行測量，結果表明沖溝的位錯量介于46～70m。但斷裂穿過Fan3沖洪積扇后，沿斷裂走向追溯，在Fan2沖洪積扇上未發(fā)現(xiàn)明顯的地表斷錯現(xiàn)象。

圖 6 祖魯木臺溝東岸斷裂的地貌特征Fig. 6 Pictures of faulted landforms in the east of Zulumutaigou.

圖 7 祖魯木臺溝以東沖溝的右旋位錯Fig. 7 Gully right-lateral displacement in the east of Zulumutaigou.

1.3 陡坎垂直位錯

通過高精度影像解譯和現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，在主斷裂以北，祖魯木臺溝西北的Fan2沖洪積扇上發(fā)育2條呈右階斜列的次級斷裂(圖 2)。

其中，西段長約700m，在衛(wèi)星影像中呈弧形展布(圖 8)，總體走向NWW，在地表形成坡向NE的順向斷層陡坎。通過現(xiàn)場調查并結合無人機影像對穿越陡坎的沖溝進行了詳細的分析和解譯，發(fā)現(xiàn)沖溝在陡坎前緣處并未表現(xiàn)出明顯的右旋錯動特征，實測陡坎的垂直位移量為1.6～2.6m。在垂直于陡坎方向布設的探槽TC1中共揭露出5套主要地層(圖 9)，具體描述如下：

圖 8 西段的陡坎影像(位置見圖 2)及實測剖面Fig. 8 Image of fault scarp(See Fig. 2 for location)and measured sections.

圖 9 TC1的照片F(xiàn)ig. 9 Photo of the trench TC1.

層①為灰黃色含礫粉土層，上盤相對較薄，厚約10cm，下盤厚30～50cm，含少量青灰色礫石；

層②為青灰色礫石層，厚30～50cm，粒徑以1～2cm為主，分選一般，磨圓較差，含少量巨礫，中粗砂充填，無明顯層理，較松散；

層③為灰黃色含砂土層，上盤相對較薄，厚10～15cm，下盤厚約50cm，粒徑以2～5cm為主，分選較好，呈次圓狀，粉土及細砂充填，層理不發(fā)育，膠結一般；

層④為灰黃色礫石層，厚50～80cm，含少量礫石，粒徑以5～20cm為主，局部含漂礫，層理不發(fā)育；

層⑤為深灰色礫石層，僅出露于斷層上盤，粒徑多以5～10cm為主，呈次圓狀，分選較好，偶含漂礫，中粗砂充填，水平層理較為發(fā)育。

于探槽東壁揭露出1條清晰的傾向S的低角度逆斷層，斷層產狀為215°∠31°，斷層帶寬5～15cm，帶內礫石有一定的定向排列，該斷層斷錯了除層①以外的所有地層，斷層下盤的礫石多產生明顯的牽引變形。在斷層下盤識別出1個斷塞塘(W)，由粉土和礫石組成，無層理，可能代表1次古地震事件。

東段長約960m，與西段呈右階斜列，總體走向NW，在地表呈NE坡向的順向斷層陡坎，實測陡坎的垂直高度為2.4～3.9m。與西段類似，橫穿陡坎的沖溝未表現(xiàn)出明顯的右旋錯動。為確定斷層在剖面上的幾何特征，沿垂直陡坎方向布設了探槽TC2(圖 10)，在探槽的東壁共揭露出5套地層，描述如下：

圖 10 東段斷層陡坎的影像(位置見圖 2)及實測剖面Fig. 10 Image of fault scarp(See Fig. 2 for location)and the measured sections.

層①為灰黃色粉土，厚10～30cm，屬坎前堆積物，呈楔狀，僅在斷層下盤有少量分布；

層②為灰黃色礫石層，僅在陡坎前緣有少量分布，呈楔狀，厚30～50cm，被f2斷錯。

層③為淺灰色礫石層，僅出露于斷層下盤，層理不清，局部礫石的成層性較好，分選一般，粒徑為4～8cm，磨圓差，多呈次棱角狀；

層④為灰色礫石層，略具層理，局部夾砂層透鏡體，分選較好，粒徑為2～5cm，粒徑較大者達10～15cm，偶有直徑達50cm以上的漂礫；

層⑤為灰黃色礫石層，僅出露于斷層上盤，層理較發(fā)育，夾細砂透鏡體，粒徑以2～5cm為主，磨圓、 分選均一般，粉土充填；

從揭露的剖面(圖11)可以看出，斷層帶寬約4m，由3條緩傾的逆斷層組成，其中f1僅斷錯了底部的礫石層，被層③覆蓋，f2、 f3斷層活動使沿斷層兩側的礫石、 細砂透鏡體均被錯動，出現(xiàn)明顯的牽引變形，其中f3使層③底部礫石被斷錯，呈反“Z”字形變形，并形成約2m的逆沖縮短量。

圖 11 TC2的照片及素描圖Fig. 11 Photo and sketch of the trench TC2.

2 討論

博-阿斷裂是一條斜切天山的大型右旋走滑斷裂。從斷裂控制的地層和侵入巖體來看，它于早古生代前即已形成，切割深度到達巖石圈(宋和平，2005)。斷裂西段(阿拉湖—精河西南一帶)的走向呈NW向，在遙感影像中表現(xiàn)出單一、 線性且連續(xù)的分布特點，以右旋走滑為主要特征，水平滑動速率為2.2～5.0mm/a(楊曉平等，2000； Campbelletal.，2013； 胡宗凱等，2019)。在精河西南一帶，深切斷層的沖溝揭露出完整的地質剖面，主斷層面傾向NE，傾角達67°，顯示斷裂還具有一定的正傾滑活動分量。陳正位(2013)認為博-阿斷裂在阿拉湖—精河西南一帶以右旋走滑為主，但從四棵樹河東至吐魯番盆地東，博-阿斷裂的走向轉變?yōu)镹WW向，與西段相比偏轉了近40°，已屬逆沖性質的斷裂。沖溝揭露的剖面(圖5a)顯示，博-阿斷裂在吐魯番盆地西南一帶曾經歷過強烈的擠壓作用，并具有一定的逆沖分量，在地表形成陡坎地貌。 但實測的地形、 地貌數(shù)據(jù)表明，斷裂在地表形成的沖溝位錯遠大于陡坎高度(圖 4)。因此筆者認為，與西段相比，斷裂的走向在吐魯番盆地西南一帶發(fā)生了顯著轉變，同時也具有一定的逆沖分量，但運動方式仍然以右旋走滑為主。

研究區(qū)位于吐魯番盆地西南部，其主要的構造帶為區(qū)域東北部的吐魯番盆地中央隆起帶和博-阿斷裂，在山前第2期沖洪積扇(Fan2)上發(fā)育了2條規(guī)模較小、 與博-阿斷裂近平行且傾向SW的逆斷裂，那么如何理解這2條次級逆斷裂的歸屬？鄧起東等(2000)認為，新生代以來吐魯番盆地遭受博格達山由北向南遷移的擠壓，盆地構造變形順基底滑脫面由北向南進一步向盆地內遷移，形成一系列由斷展褶皺組成的中央隆起帶，這表明中央隆起帶是受由北向南的擠壓作用而形成的，而研究區(qū)內的這2條次級逆斷裂的傾向均為SW，并表現(xiàn)出由南向北逆沖的趨勢，這與研究區(qū)博-阿斷裂的產狀較為類似。筆者認為，這2條次級逆斷裂仍歸屬于博-阿斷裂。由于研究區(qū)內缺少深部資料，只能初步判斷這2條次級逆斷裂可能是主斷裂派生出的次級斷裂，亦或是由于斷裂向盆地擴展而出露地表，但上述2種判斷均缺乏可靠的數(shù)據(jù)支持?？紤]到這2條次級逆斷裂斷錯了第2期沖洪積扇(Fan2)，而位于山前的主斷裂主要斷錯了第1期沖洪積扇(Fan3)，在第2期沖洪積扇(Fan2)表面未發(fā)現(xiàn)明顯的活動跡象，表明二者的活動時代可能并不同步，這2條次級斷裂的活動時代晚于主斷裂，因此筆者更傾向于這2條次級斷裂是主斷裂向盆地方向擴展而形成的觀點。本次工作未發(fā)現(xiàn)這2條次級斷裂具有右旋走滑的特征，初步判斷可能是由于陡坎受后期水系侵蝕，原始地貌未能較好保存所致。

研究區(qū)內主要發(fā)育3期沖洪積扇，雖然本次工作并未獲取具體的測年結果，但一些大規(guī)模的區(qū)域性地貌面往往是較大范圍第四紀構造作用與氣候環(huán)境階段性演化的響應結果，其形成與發(fā)育具有區(qū)域可比性，因此我們認為研究區(qū)內第四紀地貌的年齡與僅有一山之隔的柴窩堡盆地內的第四紀地貌年齡基本一致。陳立春(2011)對烏魯木齊山前及柴窩鋪盆地內的區(qū)域性地貌面與氣候-構造的耦合關系進行了分析，并確定了幾級區(qū)域性地貌面的形成時代。其中，山前現(xiàn)代戈壁平原形成于12～15ka前，與研究區(qū)內的第2期沖洪積扇(Fan2)屬同一級地貌面； 比現(xiàn)代戈壁面高數(shù)米的高戈壁面形成于74ka前，與研究區(qū)內的第1期沖洪積扇(Fan3)相對應。因此我們認為，第2期沖洪積扇(Fan2)的年齡為12～15ka，第1期沖洪積扇(Fan3)的年齡為74ka?？紤]到斷裂在第1期沖洪積扇(Fan3)的最大右旋位移量為(70±2)m，可初步估計自第1期沖洪積扇(Fan3)形成以來博-阿斷裂的右旋滑動速率約為1mm/a，在第2期沖洪積扇(Fan2)上形成的陡坎高度為1.6～3.9m，估計自第2期沖洪積扇(Fan2)形成以來斷裂的垂直活動速率為0.13～0.32mm/a。

新生代以來，天山南、 北兩側發(fā)育多排逆沖-褶皺帶，成為天山變形的主要吸收區(qū)(張培震等，1996； 鄧起東等，2000)，而發(fā)育在天山內部的大型走滑斷裂則通過其所圍限的次級塊體之間的相互運動調節(jié)近SN向的擠壓應力(黃偉亮等，2018)。依據(jù)GPS的觀測和地質資料，天山SN向的縮短速率自西向東呈遞減趨勢，但在東天山地區(qū)依然能達到2～5mm/a(楊少敏等，2008)。 通過本工作可以發(fā)現(xiàn)，博-阿斷裂在調節(jié)東天山地區(qū)近SN向的擠壓應力中扮演著重要角色，主要通過NWW向右旋走滑運動的方式調節(jié)天山內部的擠壓應變。此外，在研究區(qū)內，最新的斷層陡坎位于主斷裂以北的Fan2沖洪積扇上，而在山前的Fan2沖洪積扇表面未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂位錯，初步判斷博-阿斷裂的最新活動有自山前向盆地遷移的趨勢。

3 結論

(1)博-阿斷裂呈NWW向展布于吐魯番盆地西南部，山前的主斷裂以右旋走滑為主，亦伴隨強烈的擠壓作用，右旋位移量介于22～70m之間。

(2)山前2條次級逆沖斷裂在地表形成的陡坎高達1.6～3.9m，均表現(xiàn)出由南向北逆沖的趨勢，初步判斷這2條次級逆斷裂是博-阿斷裂向盆地內擴展而形成。

(3)博-阿斷裂主要通過NWW向右旋走滑運動的方式調節(jié)天山內部近SN向的擠壓應變，且斷裂的最新活動有自山前向盆地遷移的趨勢。