任光雪 李傳友 孫 凱

1)中國地震局地質(zhì)研究所， 地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2)中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300251

0 引言

轉(zhuǎn)換擠壓性變形是指走滑變形與逆沖縮短變形同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象， 其產(chǎn)生與塊體間的斜向運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)(Harland， 1971)。轉(zhuǎn)換擠壓變形是沿走滑斷裂變形的主要特征之一， 也是陸內(nèi)變形的重要構(gòu)造樣式。一般在沿走滑斷裂的受阻彎曲部位， 即走滑斷裂雁列段之間的擠壓階區(qū)或走滑斷裂的擠壓性尾端， 會(huì)形成一系列逆沖斷裂并造成獨(dú)立塊體的擠壓抬升(Biddleetal.， 1985； Cunninghametal.， 2007)。隆起的塊體被與走滑斷裂相連的逆沖或斜滑斷裂控制， 通常表現(xiàn)為高且狹長的地形特征。Cunningham(2005)在對蒙古阿爾泰地區(qū)的新生代山體隆升機(jī)制進(jìn)行研究時(shí)， 提出了板內(nèi)轉(zhuǎn)換擠壓型造山帶， 并認(rèn)為阿爾泰山地區(qū)普遍存在的右旋走滑斷裂與逆沖斷裂共同作用導(dǎo)致了阿爾泰山體的抬升。蒙古西部戈壁—阿爾泰地區(qū)廣泛發(fā)育的近EW向左旋走滑斷裂與NW向逆沖斷裂相連并產(chǎn)生了眾多受阻彎曲位置， 并造成了Gurvan Sayhan山等山體的抬升(Cunninghametal.， 1996； Vassalloetal.， 2007)。

天山屬于典型的陸內(nèi)復(fù)活型造山帶， 低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究表明新生代天山的隆起開始于晚始新世—漸新世(Bandeetal.， 2015； Jiaetal.， 2015)。受新生代印度板塊與亞歐板塊碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)的影響， 現(xiàn)今天山主體以近SN向的擠壓縮短變形為主(張培震等， 1996； 鄧起東等， 2000； Thompsonetal.， 2002； Zubovichetal.， 2010)。作為天山的重要組成部分， 東天山地區(qū)晚新生代構(gòu)造變形與天山主體是一脈相承的。GPS研究結(jié)果表明天山SN向的會(huì)聚變形量自西向東逐漸減小(牛之俊等， 2007)， 東天山地區(qū)SN向縮短變形速率僅為3～5mm/a(王琪等， 2000； 楊少敏等， 2008)， 遠(yuǎn)小于中西天山的SN向縮短速率。另一方面， 中西天山地區(qū)最大水平擠壓應(yīng)力為近SN向， 新生代構(gòu)造變形以SN向的擠壓縮短為特征， 具體表現(xiàn)為山前和山體內(nèi)部發(fā)育EW向逆沖斷裂(鄧起東等， 2000； Thompsonetal.， 2002)。而到東天山地區(qū)， 水平擠壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)為NE向(Zoback， 1992)， 構(gòu)造變形呈現(xiàn)為轉(zhuǎn)換擠壓的格架(Cunninghametal.， 1996； 朱自虎等， 2010)?？s短速率與最大水平應(yīng)力方向的差異暗示東西天山可能具有不同的變形機(jī)制。雖然部分學(xué)者已經(jīng)對天山東部地區(qū)一些斷裂活動(dòng)特征開展了一些研究(柏美祥等， 1999； 吳富峣等， 2016； 徐良鑫等， 2020)， 但都主要集中在對斷裂運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的判斷和地表破裂的歸屬問題上， 不僅缺乏詳細(xì)的變形量及年代學(xué)約束， 而且也未涉及各斷裂之間在結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系。因此， 針對天山東部地區(qū)斷裂結(jié)構(gòu)與活動(dòng)性的研究可以有助于完善對整個(gè)天山新生代構(gòu)造變形特征的理解和認(rèn)識。

本文利用高精度衛(wèi)星影像解譯， 結(jié)合詳細(xì)的野外考察對天山東端的喀爾里克山北緣斷裂的晚第四紀(jì)運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行敘述， 并結(jié)合喀爾里克山南、 北兩側(cè)其他一系列斷裂與戈壁-天山左旋斷裂系的幾何結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系討論了天山東端斷裂轉(zhuǎn)換以及斷裂結(jié)構(gòu)、 變形與喀爾里克山體抬升過程的關(guān)系。

1 地質(zhì)背景與地貌特征

東天山山鏈自西向東由博格達(dá)山、 巴里坤山和喀爾里克山組成。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究顯示東天山山鏈新生代經(jīng)歷了多次隆升， 其強(qiáng)烈隆升事件主要發(fā)生在新生代中期(距今30～20Ma)(王宗秀等， 2008； 朱自虎等， 2010)。喀爾里克山體主要由中泥盆統(tǒng)和中石炭統(tǒng)的火山巖組成， 出露的最老地層是奧陶系的綠片巖(Shuetal.， 2002)， 并且廣泛發(fā)育晚古生代的花崗巖(圖1c)(Guetal.， 1999)。新近系和第四系洪積物、 河流相沉積和湖相沉積廣泛發(fā)育在山前和山間盆地中?？柪锟松奖本墧嗔殉氏騈凹的弧形展布于天山擠壓體系、 戈壁-阿爾泰左旋變形體系及阿爾泰右旋變形體系的構(gòu)造帶交會(huì)區(qū)， Ar-Ar年代學(xué)研究表明喀爾里克山北緣斷裂在晚二疊—早三疊世經(jīng)歷了韌性變形后并在晚新生代發(fā)生了脆性變形(Cunninghametal.， 2003)。東天山東部、 蒙古南部的戈壁—阿爾泰地區(qū)被戈壁-阿爾泰北緣斷裂(NGAFS)和戈壁-天山斷裂系(GTSFS)2條大型左旋走滑斷裂系控制(圖1a)， 這2條斷裂系是中亞地區(qū)重要的區(qū)域性走滑斷裂， GPS限定的斷裂左旋滑動(dòng)速率為1～2mm/a(Calaisetal.， 2003)。喀爾里克山南側(cè)以哈密盆地北緣斷裂與哈密盆地相隔， 哈密盆地北緣斷裂是一條N傾向S逆沖晚第四紀(jì)斷裂(柏美祥等， 1999)。

圖 1 天山東端喀爾里克山周緣構(gòu)造及地貌圖Fig. 1 Structural and geomorphological map around the Karlik Tagh at the easternmost Tian Shan.a 中亞地區(qū)構(gòu)造簡圖(修改自Molnar et al.， 1984)； b 東天山東端及其鄰近地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造圖； c 橫跨喀爾里克山地形與地質(zhì)剖面圖

喀爾里克山最大海拔高度為4928m， 往E地勢逐漸降低并消失于戈壁之中(圖1b)?？柪锟松襟w長200km， 寬50km， 山體向S掀斜， 整體表現(xiàn)為北陡南緩的不對稱的地形特征。山體南、 北兩側(cè)均被河流強(qiáng)烈侵蝕切割， 河流長度表現(xiàn)出南長北短的特征， 與北陡南緩的地形一致。山頂被近200km2的現(xiàn)代冰川覆蓋。山體兩側(cè)都保留著1～2級殘存的侵蝕平面， 這些殘存的地貌面可能形成于晚石炭世—早二疊世， 在中國西部和蒙古西部地區(qū)廣泛發(fā)育(Cunninghametal.， 2003)。

2 喀爾里克山北緣斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)

2.1 喀爾里克山北緣斷裂分段

喀爾里克山北緣斷裂在幾何結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為較單一的線狀構(gòu)造， 呈弧形展布在喀爾里克山與伊吾盆地之間， 全長近180km。斷裂西起伊吾縣前山鄉(xiāng)南側(cè)， 向SE延伸， 在伊吾縣南側(cè)山體內(nèi)走向轉(zhuǎn)為NE向， 至境外與天山-戈壁左旋走滑斷裂系相連(圖1b)。根據(jù)斷裂的走向變化與斷錯(cuò)地貌特征及運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的差異， 可以瓊也為界將喀爾里克山北緣斷裂分為東段和西段2段。

斷裂西段西起鹽池鎮(zhèn)西南15km處， 呈NW走向， 向SW延伸至伊吾縣南部山體中， 延伸長度約為61km。該段晚第四紀(jì)活動(dòng)非常明顯， 斷層活動(dòng)在山前洪積扇上形成多條線性陡坎(圖 2，3)。斷層陡坎在鹽池南側(cè)烏尊布拉克山前開始出現(xiàn)， 向E在龍口附近消失。最長的一條連續(xù)陡坎在闊臘附近， 延伸近3.2km。徐良鑫等(2020)認(rèn)為該段陡坎為1914年7.5級地震的同震地表破裂帶， 同震垂向位移為1.5m。東段主要展布于伊吾縣下馬崖鄉(xiāng)南側(cè)， 呈NE走向， 斷裂幾何結(jié)構(gòu)單一， 延伸長約95km。沿?cái)嗔研纬蓴D壓脊、 反向陡坎等變形地貌， 在衛(wèi)星影像呈現(xiàn)良好的線狀特征(圖1b)。斷層走向由鹽池段的NW向逐漸轉(zhuǎn)為NE向， 隨著走向的變化， 斷裂的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)也由逆沖變?yōu)樽笮呋?跨過斷裂的沖溝及河流階地發(fā)生明顯左旋錯(cuò)斷(圖 6)。

圖 2 喀爾里克山北緣斷裂西段山前地貌面分期圖Fig. 2 Divisions of frontal morphologic units on east segment of the KTNF.

圖 3 喀爾里克山北緣斷裂西段沿線的晚第四紀(jì)變形地貌面野外照片F(xiàn)ig. 3 Field photos of deformed Late Quateranry deposits along the west segment of KTNF.a 闊臘段陡坎Google Earth影像圖； b 闊臘段陡坎野外照片； c 烏尊巴拉克段陡坎； d 闊臘東側(cè)的高臺地

2.2 斷裂變形地貌特征

基于高精度衛(wèi)星影像解譯及野外考察， 并結(jié)合根據(jù)地貌面特征(包括洪積扇面相對現(xiàn)代河床的高度以及表面侵蝕程度、 表面沉積物特征等)， 可將鹽池鎮(zhèn)南側(cè)山前發(fā)育的洪積扇分為3期(圖 2)。其中Fan1為最新一期洪積扇， 分布最為廣泛， 扇體表面辮狀流發(fā)育。Fan2為較早一期洪積扇， 與現(xiàn)代洪積扇的相對高差為5～10m， 扇面上沖溝切割較深。Fan2地貌面分布范圍有限， 在盆地SE側(cè)扇體保存較為完整， 在盆地NW側(cè)扇體受現(xiàn)代洪積扇侵蝕切割保存面積較小。Fan3為該地區(qū)發(fā)育的最老一期洪積扇， 在山前零星分布， 扇面高出現(xiàn)代洪積扇約15m， 由于斷層不斷抬升的影響， 在山前局部地區(qū)形成高臺地(圖3d)。洪積扇Fan1和Fan2基本都受到斷層活動(dòng)的影響并在扇面上形成明顯的線性陡坎。野外沿?cái)嗔堰M(jìn)行調(diào)查后未發(fā)現(xiàn)沖溝等地貌存在明顯的水平錯(cuò)斷， 說明該段斷裂不具有水平運(yùn)動(dòng)的特征。

圖 4 a 喀爾里克山北緣斷裂西段拜勒烏臺克點(diǎn)地形圖； b 變形洪積扇面與階地及采樣位置野外照片F(xiàn)ig. 4 The topography at Bileuteck site on west segment of KTNF(a)； Photos of deformed terraces and sampling site(b).

圖 5 拜勒烏臺克段橫跨斷層陡坎的地形剖面圖(剖面的具體位置見圖4a)Fig. 5 Topographical profiles normal to the fault scarp at Bileuteck site(see Fig.4a for detailed site location).

表 1 拜勒烏臺克段河流T1階地的OSL結(jié)果Table1 The result of OSL dating from the T1 terrace on Bileuteck segment

圖 6 喀爾里克山斷裂東段錯(cuò)斷階地的地貌特征Fig. 6 Geomorphology of the faulted river terraces at the east segment of KTNF.a 喀爾里克山北緣斷裂東段位錯(cuò)階地的Google Earth影像圖； b 位錯(cuò)階地及斷層解譯圖； c 橫跨河流剖面圖及各級階地相對河床的高度； d 斷裂跡線的野外照片

圖 7 喀爾里克山北緣斷裂東段變形地貌的野外照片F(xiàn)ig. 7 Field photos of deformed landforms on east segment of KTNF.

圖 8 下馬崖南小隆起的Google Earth影像圖Fig. 8 Google Earth image of the uplifted massif at south of Xiamaya site.紅色箭頭指示斷層跡線， 左上角插圖表示隆起下部推測的斷裂幾何結(jié)構(gòu)示意圖

在河流東北約4.5km處， 斷層穿過一個(gè)近似三角形的隆起， 其長約670m， 寬100～210m， 西寬東窄， 地形北坡緩南坡陡。該隆起擋住了一條自北向南的河流， 使其向右拐彎， 在隆起的東側(cè)流出。隆起北坡受沖溝侵蝕嚴(yán)重， 南坡僅在東側(cè)一角發(fā)育幾條沖溝。我們在該隆起的北坡東北一側(cè)的工程采石坑中發(fā)現(xiàn)一斷層剖面(圖9a)。由剖面可以判斷出斷層具有明顯的逆沖分量， 但地表未顯示出明顯的變形跡象。剖面共揭露了4套地層(U1—U4)(圖9b)， 其中底部U1為很厚的土黃色含礫石粉砂層。U2為黑色礫石層， 礫石粒徑相對較小， 磨圓度較好， 近水平層理， 受斷層活動(dòng)影響， 礫石層呈一定的定向排列； U3為礫石和粗砂互層， 礫石磨圓度較差， 在斷層上盤厚約1.1m， 具有明顯的水平層理； 頂部地層U4組成與U3相似， 為后期洪積礫石層。剖面顯示斷層具有3條分支， 其中斷層F1的產(chǎn)狀為164°∠75°， 使底部U1垂向斷錯(cuò)了0.6m， 并且在斷層附近可能受到拖拽影響發(fā)生了一定的撓曲。斷層F2使U2垂向錯(cuò)斷了1.4m， 但斷層并未錯(cuò)斷到地表， 即U4未變形。斷層F3斷錯(cuò)了F2活動(dòng)形成的定向礫石， 形成了0.3m的垂直位移。因此， 斷裂在底部含礫砂層形成以來的累計(jì)垂向位移為2.3m。根據(jù)山丘的地形地貌特征， 我們推測山丘東南一側(cè)可能也存在斷層的一個(gè)分支， 喀爾里克山北緣斷裂在隆起下部表現(xiàn)為正花狀構(gòu)造， 同時(shí)山丘南側(cè)斷層的垂直運(yùn)動(dòng)速率更大， 從而山丘向N掀斜， 呈現(xiàn)出現(xiàn)今的地貌特征。

圖 9 喀爾里克山北緣斷裂東段斷層的剖面(a)及剖面解譯圖(b)Fig. 9 Outcrop of the fault and its interpretation on east segment of KTNF.

3 喀爾里克山南北兩側(cè)其他斷裂

圖 10 伊吾周緣次級斷裂分布圖與野外照片F(xiàn)ig. 10 Fault distribution around Yiwu and field photo.

喀爾里克山南側(cè)為哈密盆地北緣斷裂， 該斷裂是山體與哈密盆地的分界部位。哈密盆地北緣斷裂斷續(xù)長180km， 總體走向近EW， 研究顯示該斷裂晚第四紀(jì)表現(xiàn)為向S逆沖的運(yùn)動(dòng)特征(柏美祥等， 1999)(圖1b)。斷裂造成巴里坤山南側(cè)山前晚第四紀(jì)沖積扇發(fā)生明顯變形， 在扇面上形成多條斷層陡坎。前人在德外里鄉(xiāng)附近對變形地貌面進(jìn)行了10Be 暴露定年， 得到斷裂晚第四紀(jì)的垂向滑動(dòng)速率為0.1～0.18mm/a(吳富峣等， 2016)。在喀爾里克山南麓局部地區(qū)， 斷層活動(dòng)造成較老的洪積扇不斷抬升并廢棄， 形成了局部臺地。山前明顯的線性特征和地貌上巨大的高差也說明哈密盆地?cái)嗔丫哂休^強(qiáng)的垂向運(yùn)動(dòng)。

4 討論

4.1 東天山東端斷裂變形與運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換

4.2 喀爾里克山轉(zhuǎn)換擠壓抬升

沿走滑斷裂帶的雁列狀擠壓階區(qū)或斷裂的擠壓性尾端一般會(huì)發(fā)育逆沖變形并導(dǎo)致被斷裂圍限的塊體的抬升(Biddleetal.， 1985； Cunninghametal.， 2007)?？柪锟松侥?、 北兩側(cè)都被晚第四紀(jì)斷裂控制， 并且表現(xiàn)出雙向的構(gòu)造朝向， 即山體北側(cè)的斷裂S傾向N逆沖， 山體南側(cè)斷裂N傾向S逆沖。山體兩側(cè)及內(nèi)部的主要斷裂圍限了不同的基巖塊體(圖1c)。野外剖面顯示， 喀爾里克山北緣斷裂的產(chǎn)狀陡傾， 我們推測喀爾里克山南緣的哈密盆地北緣斷裂與伊吾周緣斷裂在深部收斂并與喀爾里克山北緣斷裂會(huì)聚， 在剖面上形成不對稱的正花狀結(jié)構(gòu)(圖 10)。朱自虎等(2010)依據(jù)橫跨山體的裂變徑跡年代具有中間新、 兩邊老的特征， 建立了喀爾里克山兩邊先抬升、 中間后抬升的造山模式。但是山體中部的裂變徑跡年代新而邊緣年代老的結(jié)果可能是由于山體中部抬升速率較快所導(dǎo)致的。同時(shí)， 該造山模式也不符合最新構(gòu)造活動(dòng)已經(jīng)擴(kuò)展到山前的事實(shí)。根據(jù)喀爾里克山的地形地貌特征以及山體兩側(cè)斷裂的幾何學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系， 我們建立了喀爾里克山的演化模型(圖 11)。戈壁-天山左旋走滑斷裂的走向在其西端由近EW向轉(zhuǎn)變?yōu)镹W向， 且NW向斷裂表現(xiàn)為逆沖的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。隨著走滑位移不斷累積， 出現(xiàn)新的NW走向逆沖斷裂， 并造成了早期喀爾里克山體的抬升， 逆沖變形逐步向山前擴(kuò)展， 山體逐漸加寬， 并且使喀爾里克山表現(xiàn)為“臺階式”的地貌特征(圖11a)。如果現(xiàn)今山體保存的每一級侵蝕平面都代表一次強(qiáng)烈的隆升事件， 那么根據(jù)山體南側(cè)保留了2期不同高度的侵蝕平面， 北側(cè)保留了1期侵蝕面， 我們可以粗略地判斷， 喀爾里克山南側(cè)斷裂向外遷移了2次， 北側(cè)斷裂向外遷移了1次(圖1c， 11b)。

圖 11 a 喀爾里克山隆起的演化過程圖解； b 演化過程對應(yīng)各演化階段的斷層平面結(jié)構(gòu)Fig. 11 Block diagrams representing the building process of Karlik Tagh(a) and corresponding stages in plain view(b).

沈傳波等(2006)認(rèn)為東天山地區(qū)山體隆升始于晚侏羅世—早白堊世， 新生代主要的隆升發(fā)生在距今44～24Ma和13～9Ma。王宗秀等(2008)利用磷灰石裂變徑跡年代學(xué)分析獲得了東天山山鏈新生代期間距今47～42Ma、 30～20Ma和19～5.6Ma 3個(gè)明顯的抬升階段。朱自虎等(2010)基于天池河床砂巖屑裂變徑跡結(jié)果認(rèn)為博格達(dá)-哈爾里克山于新生代經(jīng)歷了距今42.8Ma、 18.8Ma以及3.2Ma 共3次主要的冷卻事件， 并且哈爾里克山的整體隆升發(fā)生在距今25Ma。雖然不同學(xué)者對隆升階段和時(shí)限劃分存在差異， 但基本都認(rèn)為東天山山鏈在新生代經(jīng)歷了多次隆升， 其強(qiáng)烈隆升期主要發(fā)生在新生代晚期(距今30～20Ma)以來， 這與天山主體的強(qiáng)烈隆升時(shí)間一致(Hendrixetal.， 1994； 鄧起東等， 2000)。

5 結(jié)論

(1)喀爾里克山北緣斷裂位于天山最東段， 根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的變化分為東、 西2段。其中西段為NW走向， 呈逆沖性質(zhì)， 根據(jù)階地變形量與OSL定年結(jié)果得到該段垂向逆沖速率為0.19～0.35mm/a。東段為NE走向， 主要為左旋走滑性質(zhì)。

(2)喀爾里克山北緣斷裂、 哈密盆地北緣斷裂及喀爾里克山北側(cè)的其他NW向次級斷裂共同構(gòu)成了戈壁-天山左旋走滑斷裂系得馬尾狀端部構(gòu)造， 調(diào)節(jié)和吸收了戈壁-天山斷裂的左旋變形。

(3)喀爾里克山周緣發(fā)育的斷裂向深部會(huì)聚收斂到戈壁-天山左旋走滑斷裂上， 在剖面上呈現(xiàn)正花狀結(jié)構(gòu)， 喀爾里克山體的抬升由兩側(cè)逆沖斷裂和東側(cè)左旋走滑斷裂共同控制， 表現(xiàn)轉(zhuǎn)換擠壓變形抬升的特征。