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    新疆乌孙山北缘断裂晚第四纪活动及区域构造意义

    袁四化 刘晓燕 白相东 李建刚 迟宝明 姜纪沂 李瑛 赵振宏

    袁四化, 刘晓燕, 白相东, 李建刚, 迟宝明, 姜纪沂, 李瑛, 赵振宏, 2019. 新疆乌孙山北缘断裂晚第四纪活动及区域构造意义. 地球科学, 44(10): 3541-3550. doi: 10.3799/dqkx.2018.396
    引用本文: 袁四化, 刘晓燕, 白相东, 李建刚, 迟宝明, 姜纪沂, 李瑛, 赵振宏, 2019. 新疆乌孙山北缘断裂晚第四纪活动及区域构造意义. 地球科学, 44(10): 3541-3550. doi: 10.3799/dqkx.2018.396
    Yuan Sihua, Liu Xiaoyan, Bai Xiangdong, Li Jiangang, Chi Baoming, Jiang Jiyi, Li Ying, Zhao Zhenhong, 2019. Constraints on Late Quaternary Activity of North Wusunshan Fault in Xinjiang and Its Regional Tectonic Implications. Earth Science, 44(10): 3541-3550. doi: 10.3799/dqkx.2018.396
    Citation: Yuan Sihua, Liu Xiaoyan, Bai Xiangdong, Li Jiangang, Chi Baoming, Jiang Jiyi, Li Ying, Zhao Zhenhong, 2019. Constraints on Late Quaternary Activity of North Wusunshan Fault in Xinjiang and Its Regional Tectonic Implications. Earth Science, 44(10): 3541-3550. doi: 10.3799/dqkx.2018.396

    新疆乌孙山北缘断裂晚第四纪活动及区域构造意义

    doi: 10.3799/dqkx.2018.396
    基金项目: 

    中国地震局教师科研基金 20140103

    国家自然科学基金 41772200

    中国地质调查局国土资源大调查项目 121201011000150021

    中国地质调查局国土资源大调查项目 12120115046401

    详细信息
      作者简介:

      袁四化(1980—), 男, 博士, 副教授, 主要从事区域地质教学和研究

    • 中图分类号: P546

    Constraints on Late Quaternary Activity of North Wusunshan Fault in Xinjiang and Its Regional Tectonic Implications

    图(8) / 表 (1)
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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-12-16
    • 刊出日期:  2019-10-01

    新疆乌孙山北缘断裂晚第四纪活动及区域构造意义

      作者简介: 袁四化(1980—), 男, 博士, 副教授, 主要从事区域地质教学和研究
    • 1. 防灾科技学院地球科学学院, 河北三河 065201
    • 2. 中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西西安 710054
    基金项目:  中国地震局教师科研基金 20140103国家自然科学基金 41772200中国地质调查局国土资源大调查项目 121201011000150021中国地质调查局国土资源大调查项目 12120115046401

    摘要: 乌孙山北缘断裂位于新疆伊宁盆地南部,是伊宁盆地与乌孙山的边界断裂,由多条平行或斜列的次级断层组成.断裂呈近东西走向,总体倾向南,山前主断裂主要表现为高角度逆冲,倾角50°~80°,前缘冲断面相对较缓.断裂上盘主要由石炭系-二叠系组成,下盘主要为第四系和侏罗系,断层两盘沉积物的ESR年代表明断裂带多处错断中、上更新统地层.野外地层接触关系和区域构造研究表明,在中更新世末以来,断裂强烈向北逆冲,与伊犁盆地北缘断裂共同控制了盆山地貌格局.伊宁盆地及邻区中更新世末的区域构造运动与青藏高原的共和运动时代相当,这次事件由南北天山向伊犁盆地的对冲挤压引起,动力来源于青藏高原向外扩展生长.

    English Abstract

      • 新生代以来,由于印度和欧亚大陆碰撞的远程效应而导致天山强烈隆升,山体向两侧盆地扩展形成再生前陆盆地(Lu et al., 1994; 卢华复等, 2000; 刘志宏等, 2001; 贾承造, 2007),因此受到很多学者关注.目前,已有学者对天山山脉南北缘与盆地新生代的构造关系从不同角度开展了大量工作(Zhang, 2004; Wang et al., 2011; 李本亮等, 2011; Li et al., 2014; Tian et al., 2016; Zhang et al., 2016; 文磊等, 2016; Wen et al., 2017),而伊犁盆地作为天山的大型山间盆地,相关的研究工作开展较少(艾南山和王永兴, 1984; 罗福忠等, 2003; 张进等, 2009).目前研究表明新构造运动对伊宁盆地的铀矿有重要控制作用(秦明宽等, 1998; 孙占学等, 2004王勇等, 2006),但是对于控盆断裂的新构造活动时限开展工作较少,乌孙山北缘断裂作为伊宁盆地的南部控盆断裂,对盆地的形成演化具有重要意义,有学者将乌孙山北缘断裂看作南部天山变形的前锋断裂(张进等, 2009),但是对断裂的形成时间,尤其是最新活动时间未做深入研究,因此,开展伊犁盆地控盆断裂的研究,一方面对于揭示天山造山带内部结构和新生代演化具有重要理论意义,另一方面对于新构造控矿也具有实际意义,此外,还可为城市防震减灾规划提供参考依据.本文在前人研究的基础上,重点对乌孙山北缘断裂及次级断裂的最新活动情况进行了详细的野外地质调查,并对第四纪以来断裂的活动性进行了年代约束,同时结合前人工作和区域资料讨论了断裂在第四纪的活动方式,及其对第四纪伊宁盆地的控制作用和区域新构造运动.

      • 伊宁盆地位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州,作为乌孙山和北天山之间的山间盆地(图 1),地势东高西低, 西边为哈萨克斯坦的中亚戈壁沙漠区.伊宁盆地和乌孙山南边的昭苏盆地合称伊犁盆地,是在伊犁地块上发展起来的山间叠合盆地,自石炭纪以来经历了4期成盆作用(张国伟等, 1999).盆地自下而上是由中新元古代变质基底、石炭纪火山岩和二叠纪以来的沉积岩系组成三大构造层(张国伟等, 1999).盆地的形态和结构受断裂控制明显,断裂的走向基本和区内的构造线方向一致.区内新生界主要为河湖相地层,古近系紫红色砂砾岩角度不整合在侏罗系地层之上,古近系-新近系地层发育不同程度的褶皱,往往被第四纪地层角度不整合覆盖,盆地两侧晚更新世的黄土分布较广泛.

        图  1  新疆伊宁盆地主要活动断裂分布图(a)和研究区位置(b)

        Figure 1.  Active fault distribution (a) and study area(b) of Yining basin in Xijiang

        伊宁盆地呈东西向展布, 西部开阔,向东部变窄, 在新源以东封闭.北界是伊犁盆地北缘断裂(喀什河断裂), 南界是乌孙山北缘断裂,总体是一个近东西向的向斜状盆地,向斜轴部在伊宁市南的东西一线,呈不对称状,北翼短,南翼长(张国伟等, 1999).目前调查研究表明伊宁盆地的活动断裂(图 1)主要有喀什河、红山嘴、霍城、巩留南、雅马渡等(罗福忠等, 2003; 尹光华等, 2003; 吴国栋和尹光华, 2010; 沈军等, 2011; 袁四化等, 2016).

      • 乌孙山北缘断裂也叫巩留南断裂(罗福忠等, 2003; 张进等, 2009; 沈军等, 2011),中国境内总体走向近东西向, 倾向南, 倾角50°~80°,具有逆断层性质, 由多条平行或斜列的次级断层组成(图 2),前人认为断层两盘新生界沉积厚度有明显差异,垂直断距达800 m左右(罗福忠等, 2003),并造成了约15 km的缩短量(张进等, 2009).也有学者认为该断裂向西延伸出国境应与契利克深断裂相连,百年以来发生8级地震2次,6级以上地震12次,活动强度和频度很高(尹光华, 1993).考虑断裂尺度远超出巩留县的范围,因此本文采用乌孙山北缘断裂这一名称.作为伊宁盆地和乌孙山的边界断裂(图 1),断裂两侧地层分界明显,上盘主要由石炭系-二叠系火山-沉积地层组成,下盘主要为侏罗系含煤系地层和新生界地层组成.断层在影像上具有较明显的线性特征,两侧地形地貌差异突出, 地貌上明显分隔了乌孙山北的中低山和山前堆积的倾斜砾质平原(图 1).

        图  2  沿萨雷布清河谷乌孙山北山断裂系构造剖面图

        Figure 2.  Structural profile of North Wusunshan fault zone along Saleibuqing River Valley

      • 通过对断裂的野外观察,发现断裂在多处错断第四纪地层,在阿克吐别克乡东南约12 km,即去往特克斯公路进乌孙山的垭口可见山前主断裂露头,此处可清晰地观察到断层错断第四系的砾石层证据(图 3).断层上盘为石炭系紫色安山岩、安山质火山碎屑岩,地层南倾,倾角约80°,断层破碎带宽约5~8 m,主要由深红色的砂岩和弱固结的砂砾石组成,深红色砂岩可能为侏罗系或者古近系地层,下盘主要由向北微倾斜第四系黄褐色弱固结的砂砾石层组成,砂砾石层夹有粉、细砂的透镜体(图 4),ESR年代学样品在该层中采集,用以确定地层时代,进而约束断裂活动时限.

        图  3  乌孙山北缘断层断错第四系砂砾石层

        Figure 3.  North Wusunshan fault thrusting the Quaternary conglomerate layer

        图  4  垭口采样位置和岩性

        Figure 4.  Sampling location and lithology in the valley pass

        从垭口沿断层走向向西追索约11 km,在莫乎尔村村口的小路上发现一处侏罗系地层被强烈挤压揉皱,侏罗系砂岩地层发生同斜倒转-平卧褶皱,轴面南倾北倒,推断由乌孙山北缘断裂向北逆冲引起,由于露头范围有限,没有观察到断层面,但上覆有一套弱固结砾石层,从岩相岩貌看,均与垭口处一致(图 5).为了与垭口处的地层时代作对比,笔者采集了在砾石层所夹的透镜状土黄色泥质砂样品.

        图  5  莫乎尔村东侏罗系砂岩揉皱

        Figure 5.  Crumpled Jurassic sandstone in east of Mohuer Village

        在巩留县羊场二道湾正在开挖的采石场,发现了非常好的前缘断层出露点,此处主要是由第四系姜黄色弱固结到半固结的砂岩、粉砂岩组成,发育了非常典型的逆冲断层和牵引褶皱(图 6a),笔者沿断层走向向东追索,在东侧另一废弃的采石场发现断层的另一处露头,也明显错动了第四系,此处应为乌孙山北缘断裂的前缘分支断层,断层面总体倾向东南,倾角约30°,两盘主体由砾石层组成,夹有泥质砂透镜体(图 6b).

        图  6  二道湾西采石场(a)和东采石场(b)乌孙山北缘断裂次级断层

        Figure 6.  Secondary North Wusunshan fault in western stone quarry (a) and eastern stone quarry of Erdaowan

        此外,笔者对伊宁盆地南部的另一活动断裂雅马渡断裂(图 7)进行了调查,在雅马渡西南一废弃工厂(734厂)的采空塌陷区发现其第四纪活动的证据,断层面南倾,倾角约85°.断层切穿了晚更新世微倾斜土黄色砂土层、灰褐色砾石层和煤灰(图 7),错断标志层表明,雅马渡断裂的第四纪活动方式主要表现为正断层.

        图  7  雅马渡断裂活动断层

        Figure 7.  Active Yamadu fault

      • 为了限定乌孙山北缘断裂的新构造活动时代,本文对上述断裂的上、下盘地层采集了适合ESR测年的弱固结粉砂、细砂样品作为约束断裂活动时代的参考.考虑到地层都有不同程度固结,为早-中更新世地层的可能性较大,由于新疆地区早更新世的地层西域砾岩(可能从上新世或更早一直持续到早更新世)固结程度非常好(Sun et al., 2007; Sun and Zhang, 2009),综合考虑,初步限定上述地层的时代可能为中更新统,选择ESR方法来确定这些地层的埋藏年龄(刘春茹等, 2011).本文的ESR样品在中国地震局地震动力学国家重点实验室测试完成,实验流程参考(Liu et al., 2010; 刘春茹等, 2011),主要步骤如下.

      • 实验室内根据样品性状不同取一定数量的原样品称重,放入干燥箱中烘干(温度40℃).烘干前后记重量,并计算其含水量.然后进行碎样,过筛分选出粒径100~140 μm、重约120 g左右的样品放入1 000 mL烧杯中进行化学处理,获取石英矿物.将已提纯的石英颗粒样品称重,分成多个等分,分别接受不同附加剂量辐照,辐照剂量范围为0~6 000 Ga.辐照在北京大学钴源(60Co)实验室完成.

      • 古剂量测定是在德国布鲁克公司生产的EMX1/6型ESR信号测量谱仪上对辐照后的样品进行ESR信号测量,测量参数根据样品岩性、地质地貌信息及估计时代设定,样品测量功率选用2.0 mW和0.2 mW(E’)和Ge’心信号.将ESR信号测量结果输入相应软件,计算古剂量.样品的环境剂量(铀、钍、钾)含量分析,由核工业北京地质研究院分析测试中心完成,仪器型号为ELEMENT等离子体质谱分析仪.根据样品的铀、钍、钾含量和样品埋深宇宙射线的少量贡献及含水量等参数,计算样品环境剂量(年剂量).所有样品均符合ESR方法测年要求,样品ESR测量信号良好,测量参数和结果见表 1.

        样品号 岩性 U(10-6 Th(10-6 K2O(%) 含水量
        (%)
        古剂量(Ga) 年剂量
        (Ga/ka)
        年龄(ka)
        EDW01-E1 细砂 2.95 17.0 2.74 1.0 3 874±659 4.69 826±140
        EDW01-E2 细砂 9.25 21.6 2.73 1.0 2 153±215 6.54 329±32
        b1D12-E1 细砂 3.33 12.9 2.93 1.0 982±123 4.67 210±26
        b1D13-E1 粉砂 4.33 11.2 2.52 16.7 906±90 3.64 249±24
        YMD-E1 粉砂 2.96 14.2 2.13 5.0 379±61 3.75 101±16

        表 1  电子自旋共振样品测年结果

        Table 1.  ESR dating results

      • 从ESR测试结果看,在阿克吐别乡南公路垭口处(样品号b1D12-E1,位置见图 3图 4)被乌孙山北缘断裂主断裂错断的地层时代为210±26 ka,与莫乎尔村主断裂附近的第四系地层时代(样品号b1D13-E1,位置见图 5)很接近,同时也表明测年结果非常可靠.在二道湾,前缘分支断层错断的上盘地层时代(样品号EDW01-E1,位置见图 6b)为826±140 ka,为早更新世末期,但误差稍大,而下盘地层(样品号EDW01-E2,位置见图 6b)限定为329±32 ka,这些错断证据表明断层都是在中更新世末以后发生强裂活动,前人在新源县西塔德萨依沟口附近,也曾发现断裂错断了晚更新世阶地砾石层及上覆黄土(罗福忠等, 2003).雅玛渡断层(样品号YMD-E1,位置见图 7)所错断的地层时代为101 ka,为晚更新世早期.此外,在伊宁盆地北缘断裂带的前锋断裂红山嘴断裂处也发现有错断晚更新世砾石层和黄土的证据(袁四化等, 2016).黄土在研究区广泛分布,根据前人研究表明伊犁盆地黄土为风成土,相当于马兰期(宋友桂和史正涛, 2010; 宋友桂等, 2010; 李传想等, 2013),其底界年龄为80 ka(宋友桂等, 2010).综合目前已有证据表明,伊宁盆地两侧的控盆断裂和盆地内的断裂在中更新末以来都有强烈活动.

      • 乌孙山北缘断裂作为伊宁盆地的南部控盆断裂,可能是南天山造山带向北扩展逆冲的前锋断裂(张进等, 2009),根据本文研究其最新强烈向北逆冲发生中更新世末以来,是一条大型的活动断裂,具备发生强震的构造条件,进一步开展浅层地震勘探工作和古地震研究工作对区域防震减灾规划具有重要意义(罗登贵等,2017He et al., 2018).

        前人研究表明天山南北两侧盆地新生代以来主要的构造活动和隆升期发生在上新世以来(邓起东等, 2000),构造活动峰期在早更新世末(张培震等, 1996),大致相当于昆仑-黄河运动(李吉均, 1999; 施雅风等, 1999).受昆仑-黄河运动影响,青藏高原强烈隆升,这次运动对整个西北地区的地貌形成有很大的影响(葛肖虹等, 2006).在伊宁盆地霍尔果斯、开干沟一带的野外工作发现,一套灰褐色砾岩与红色砂泥岩一起卷入褶皱,与上覆胶结程度较差的砾石层呈角度不整合接触(图 8),下伏胶结非常好的砾岩很可能为西域组,这表明早更新世末的构造事件在伊犁地区也是普遍存在的.

        图  8  西域砾岩与上覆上更新统砾岩角度不整合接触

        Figure 8.  Angle unconformity between Xiyu conglomerate and Upper Pleistocene

        根据伊宁盆地的新资料,本文认为在伊犁盆地中更新世末以来还有一次重要的构造运动,在西北地区盆山构造格局的形成过程中扮演同样重要的角色.这次区域构造运动的时间基本和共和运动时间(~150 ka)相当(李吉均, 1999),共和运动导致黄河切穿龙羊峡进入共和盆地(刘志杰和孙永军, 2007; 孙延贵等, 2007),同时造成共和组湖相地层明显褶皱断裂(施雅风等, 1999).最近,来自对柴达木盆地第四系地层的综合研究表明,中更新世的地层普遍卷入褶皱构造(于祥江等, 2018),这些证据表明这一构造事件不仅发生在青藏高原北部地区,还波及到天山山脉,制约着整个西北地区的盆山演化.

        综上,本文认为伊宁盆地及周缘山系的形成演化过程中,中更新世末的构造运动具有重要意义,区域上南北天山向伊犁盆地逆冲推覆,乌孙山呈花状挤压抬升,导致伊犁盆地分为伊宁盆地和昭苏盆地,或是加剧了两个盆地的分化,这进一步涉及到伊犁盆地分化为伊宁盆地和昭苏盆地的时代问题,是下一步需要深入研究的科学问题.伊犁盆地和周缘山系的基本地貌格局可能奠定于这次构造运动.区域构造运动时间的一致性,表明天山山盆地貌格架的形成是受青藏高原整体向外生长扩展影响的.

      • 乌孙山北缘断裂是伊宁盆地南部边界断裂,由多条平行或斜列的次级断层组成.断裂走向呈近东西向,总体倾向南,山前主断裂主要表现为高角度逆冲,前缘冲断面相对较缓.断裂带在多处错断中、上更新统地层,表明在中更新世末以来断裂强烈向北逆冲,与此同时伊宁盆地北缘断裂向南逆冲,南、北天山同时向盆地内对冲,南、北天山山体推覆隆升,山间盆地相对两侧山体下降萎缩,同时在整个造山系统中,山间盆地又在整体抬升,奠定了伊犁盆地及邻区盆山地貌格局.这次构造运动区域上与青藏高原的共和运动时代相当,因此,伊犁盆地和南、北天山的盆山耦合演化与青藏高原隆升扩展息息相关.

    参考文献 (71)

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