Uplifting since Quaternary in Southeastern Qilian Mountains and Its Dynamic Analysis
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摘要: 祁连山东南缘隆升是来自印度板块挤压的远程效应与该区周边地块的存在及其活动的相互制约作用而产生的挤压隆升、伸展隆升和左旋走滑隆升共同作用的结果.标志性构造及主应力分析表明, 自早更新世以来, 隆升动力机制不断发生转换, 在早更新世早期以北东-南西向挤压为主, 中更新世早期至全新世早期以北东-南西向拉张、近东-西向的拉张为主, 全新世晚期以北西-南东向左旋扭动为主.根据湟水河阶地有关数据估算出的不同时段河谷下切速率为: 1.4 1× 103 ~ 36.4ka间平均速率较慢(0.11mm/a), 36.4ka至今较快(1.5 4mm/a), 其中10.5~ 3ka间最快(2.2 7~ 2.80mm/a), 显示该区自1.4 1Ma至今构造隆升具有越来越强烈的变化趋势.Abstract: Quaternary structures and those multipleage stress changes reveal that the uplifting in southeastern Qilian Mountains results from the long-distance effect of the Indian plate compression and multiplex uplift mechanism on the adjacent massifs, producing the compression-uplifting, extension-uplifting and sinistral strike-slip uplifting in the area. The analysis of the stress and marker structures indicates that the uplift dynamic mechanism changes have occurred since Early Pleistocene epoch. The early Early Pleistocene is mainly NE-SW direction compression, the Middle Pleistocene to Early Holocene, mainly NE-SW and approaching E-W direction extension, while the Late Holocene is mainly NW-SE sinistral strike-slip. The stream valley downcutting rate since 1.41 Ma is estimated according to relative date of terrace from Huangshui River. The average rate from 1.41 Ma to 36.4 ka is slower, 0.11 mm/a, from 36.4 ka to the present, it is 1.54 mm/a and from 10.5 ka to 3 ka is 2.27-2.80 mm/a, the most rapid. It is shown that the tectonic uplifting in the area tends to be more and more intense since 1.41 Ma.
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Key words:
- southeastern Qilian Mountains /
- Quaternary /
- stream downcutting rate /
- uplift mechanism
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0. 引言
研究青藏高原隆升的关键问题是引起高原隆起的驱动力机制和第四纪以来隆升速度的快慢变化规律.这不仅可以为窥测其地球动力学提供信息, 而且对进一步探讨该区乃至更大范围与人类活动密切相关的气候、环境变化及河流演化等重要科学问题都具有重要的实际意义.为此, 一些学者对高原的隆升机制[1~5]、3 Ma以来的高原隆升的地貌演化[6]和水系演化[7]进行过研究.但是, 青藏高原隆升机制、青藏高原隆升对气候环境的影响等重大问题仍在探索之中.笔者根据民和县幅1∶25万区域地质调查及前人有关资料, 利用构造解析方法, 对位于青藏高原东北部的祁连山东南缘的隆升动力机制和隆升速度快慢变化进行了初步探讨.
1. 对隆升动力机制的思考与分析
印度板块与欧亚板块碰撞作为青藏高原抬升的主要的驱动力机制已被广泛接受.近几年也有一些学者注意到地幔的拆沉作用[3]或对流作用[4]对青藏高原崛起的贡献.许志琴等[4]则提出多因素驱动力的高原隆升模式.青藏高原的隆升机制仅仅束缚于来自高原南部的俯冲显然是不够全面的, 在这一广大区域里, 必须考虑其内部不同地块组成的岩石圈不均一性及其周边地块间的边界条件的复杂性.当然, 祁连山东南缘也不例外.
印度板块向北东俯冲于欧亚板块之下, 自南向北所产生的陆内构造变形远程效应在Tapponnier等[8]东南亚挤出构造和大断层纲要图上可一目了然.马宗晋等[9]根据1998—2000年间81个GPS测站的观测资料获得了中国大陆及周边地区现今地壳水平运动的统一速度场; 王琪等[10]根据包括周边国家在内的229个GPS观测站的原始观测资料获得了中国大陆地壳运动速度图; 张培震等[11]根据GPS观测资料获得了中国大陆现今构造运动的GPS速率场; 这些成果都为中国大陆地壳受印度次大陆向北推挤的动力学研究提供了基础性的运动学约束条件.由此可知, 印度板块沿NE方向的向欧亚板块的碰撞作用是祁连山东南缘的隆升构造变形的背景构造应力场来源.
从更大区域看, 北有阿拉善地块, 东有鄂尔多斯地块, 北西越过阿尔金断裂为塔里木地块, 这些地块及其之间的边界断裂构成了该区的动力学分析的边界条件.
在北东向区域应力和该区周边地块的存在及其活动所产生的应力的联合作用下, 必然构成该区多级多次的复杂叠加应力场体系.周边地块和其边界断裂的活动都会改变其应力状态, 向北东推挤的水平作用力不仅受到塔里木地块和阿拉善地块的阻挡, 而且还会受到阿尔金断裂和祁连山两侧断裂的走向滑动的调整, 致使应力方向朝东南东偏转(图 1), 同时又受位于研究区东侧的鄂尔多斯地块的左旋扭动的阻挡, 使水平应力偏转加大.在这种复杂应力的作用下, 不仅造成该区的纵向挤出构造, 而且会出现向南东方向的挤出构造.这仅是水平应力体系的简单分析, 如果考虑三维空间、不同时间段以及各自的活动差异, 其应力体系的变化可能会更加复杂.由此可知, 这些边界地质条件在本区隆升构造变形和成山作用的过程中起着直接的控制作用.这些地块、边界断层的存在及其活动是导致本区运动体制转变的直接因素.
从地质历史的演变进程来看, 第四纪以来该地区的构造体制并非一成不变, 该区的隆升也不可能始终只受控于一种机制.因受周边地质条件影响而可能产生不同时段主应力方向的改变, 由此导致第四纪以来的不同时段可能出现不同的应力状态和构造体制, 但它们对该地区的隆升都有着重要贡献, 所以应该是多种机制的共同作用.就其隆升的速度而言也应该是不均衡的.
2. 第四系构造变形特征
研究区在地质构造单元上属秦祁昆仑地槽系的祁连山地槽(造山带), 区内自北而南又分北祁连山加里东褶皱带、中祁连山隆起带和南祁连山加里东褶皱带.该区主体构造格局形成于加里东期, 此期形成的主体构造对后期构造有一定影响, 故此后的构造变形不同程度地带有继承性.
2.1 收缩构造系统
该区加里东期及其以后形成的构造主体为北西向, 尤其是中生代以前的构造线方向更为明显(图 2), 在该区的新近纪和古近纪地层中广泛发育有北西-南东向的褶皱及逆冲断层, 而且部分地段的第四纪地层也出现弯曲, 如在盐锅峡柏林子隧道西口, 中更新统的冲洪积砾石、石质黄土层形成倾角5°~10°的宽缓褶皱①.这种现象在东昆仑东段的布青山北坡表现明显[12].
① 甘肃省地质矿产局.盐锅峡幅1∶5万地质图说明书,1992
图 2 祁连山东南缘民河地区主要断裂及第四系地质简图(左上角为研究区位置及主要水系分布)1.全新统冲积物; 2.全新统冲洪积物; 3.上更新统洪积物; 4.上更新统冲积物; 5.上更新统风积物; 6.上更新统冲洪物; 7.中更新统洪积物; 8.中更新统冲积物; 9.新近系—古近系红层; 10.前新生代基底; 11.构造单元主断裂; 12.逆断层13.正断层; 14.平移断层; 15.隐伏断层; 16.角度不整合界线; 17.主要水系及其流向Fig. 2. Simple geological map of major faults and Quaternary strata in Minhe area, southeastern Qilian Mountains在永登地区发育的向南陡倾的逆断层② (多期活动) 不同程度地影响到了下更新统砾石层, 造成砾石层倾角陡达40°, 在黄河以南兰州附近发育走向近南南东-北北西向、倾角60°的逆断层, 局部可见下白垩统河口群逆冲于Ⅴ级阶地的砾石层之上③.据中岭幅1∶5万区调资料显示, 在桃红营附近, 古近—新近纪红层逆掩于第四纪Ⅰ级阶地之上.这些标志性构造反映了该区北东-南西向的挤压收缩体制.应该指出的是在通远地区第三纪地层中发育有与整体构造线方向极不协调的轴向呈北东-南西的宽缓褶皱, 显示新近纪末期以来, 局部区段曾经有北西-南东向的挤压应力场存在.
② 甘肃省地质矿产局.永登幅1∶20万区域地质测量报告,1967.
③ 甘肃省地质矿产局.兰州幅1∶20万区域地质测量报告书,1964.
2.2 伸展构造系统
在盐锅峡地区发育的向南西倾斜的正断层切割了中更新统冲积层.红古城地区发育的一些切割第四系的北北西-南南东向、北西-南东向正断层, 如塔拉断裂倾向北西西、倾角70°, 切割了中更新统; 十八湾断裂倾向北东东、倾角50°, 切割了中更新统, 剖面上构成地堑式断层组合; 白崖柯断裂向南西中等倾斜, 切割下更新统, 剖面呈阶梯状④, 显示第四纪以来的近东-西向和北东-南西向拉张应力场.
④ 黄长生.兰州地区新构造运动及其环境效应[D].中国地质大学,1998
2.3 左旋走滑系统
研究区的部分北西-南东向断裂, 不同程度地兼有走滑断层性质, 尤其是控制本区的南北两侧的区域性主干断裂, 表现明显.由于这2条左旋走滑断层的活动, 造成测区内古—新近纪红盆呈反“S”型, 并形成NE-SW向宽缓褶皱及北北西向右旋压扭性断裂(大通河断裂和庄浪河断裂), 并控制了沟谷的形态, 致使近断层处沟谷发生有规律的弯曲.它们不仅对该区地貌格局有一定的影响, 而且也是发生地震的主要活动断裂.如1927年6月在古浪发生了8级地震⑤ (N37°6′, E102°6′); 1990年10月20日果泰(N37°12′, E103°6′) 发生6.2级地震, 断层走向94°, 倾角70°, 滑动角21.4°, 震源深度3 km; 1995年7月22日永登(N37°37′, E103°17′) 发生5.8级地震[13], 断层走向111°, 倾角87°, 滑动角135.92°, 震源10 km.说明了该区现今左旋压扭性活动断裂的强烈活动性.这些活动断层以南东东向左旋走滑和北北西向右旋走滑2组为主, 而地震的发生与现代区域构造应力场有着密切的关系, 即背景构造应力场来源于印度板块对欧亚板块的北东向碰撞挤压作用[14].位于邻区的兰州北北东走廊过渡带南侧边界的中卫-同心左旋走滑断裂, 早更新世以来左旋走滑明显, 造成山脊、阶地、冲积扇及水系的明显错移[15].GPS观测资料研究结果表明, 现今祁连山体在NW300°-SE120°方向上的左旋走滑分量在10.00~14.00 mm/a之间; 河西走廓为7.00~10.00 mm/a, 祁连山和阿拉善之间的左旋走滑速率为(7.5±1.5) mm/a[11].可以看出新近左旋走滑速度变大的趋势.
⑤ 甘肃省地质矿产局.天祝幅1∶20万区域测量报告,1971.
3. 隆升速度变化
王菲等[16]根据溶洞古潜水面抬升的时间差、古潜水面之间的高差求得了中秦岭更新世以来的河谷下切速率.尹功明等[17]根据锆石和磷灰石裂变径迹热年代学并用高差法和矿物求得了华山的抬升速率.第四纪以来的垂直运动造成黄河、湟水及庄浪河两岸发育多级阶地, 如在长流水沟口黄河发育的7级阶地[15].在湟水发育的6级阶地[18]及其特征见表 1, 笔者根据阶地基座的高差及其形成的年代对不同时期下切速率进行了估算(表 1).1.41 Ma至今平均为0.15~0.17 mm/a, 而1 410~36.4 ka间较慢(0.11 mm/a), 36.4 ka至今较快(1.54 mm/a), 其中10.5~3 ka间最快(2.27~2.80 mm/a).360~150 ka间为0.19~0.24 mm/a, 这一期间的下切速率与秦岭[16]358 ka以来的下切速率相当; 1 410 ka至今的平均下切速率与华山[17]1 780 ka以来的平均抬升速率0.19 mm/a接近, 与兰州盆地黄河下切速率[6]相当.这些数据显示出下切速率越来越大、构造隆升越来越强烈的变化趋势(图 3).
表 1 红古城地区湟水河阶地特征及下切速率Table Supplementary Table Terrace characteristics and trenching rates in Huangshui River应该指出的是, 因受局部地质条件的影响, 其隆升(或抬升) 的速度存在一定差异, 如拉脊山南北两侧的不均衡掀斜就是一个例证.尤其该区位于青藏高原边缘, 地质条件复杂, 更应注意隆升的差异及其原因.
4. 构造运动体制的转换
在研究区的第四纪地层中不同程度发育有节理, 通过对这些节理的研究分析, 可为分析第四纪以来的构造应力场及其变化规律提供依据.笔者对黄长生④在红古城地区第四纪地层中测量的239个节理数据统计分析显示, 该区第四纪以来, 最大主应力轴倾斜方向及其倾角在不同时段是变化的, 它进一步反映了该区进入第四纪以来应力场是变化的.
上述第四系构造变形特征、标志性构造及节理分析表明, 该区构造运动体制也是不断转换的.根椐节理分析, 在早更新世早期以北东-南西向挤压为主, 最大主应力轴为南西向; 早更新世晚期至中更新世早期以拉张为主, 由北东-南西向拉张转为北西-南东向拉张; 中更新世晚期转为压扭性; 晚更新世早期为北东东-南西西向拉伸, 最大主应力倾角近直立, 后转为以近南北向扭动为主; 全新世早期以近东-西向的拉张为主、兼有扭动, 晚期转为北东-南西向的挤压和北西以南东向左旋扭动.考虑部分节理可能与局部构造应力场有关, 所反映的应力场可能有偏差, 为此, 笔者结合上述标志性构造进行综合分析, 初步认为: 在早更新世早期以北东-南西向挤压为主; 中更新世早期至全新世早期以北东-南西向拉张、近东-西向的拉张为主, 全新世晚期以北西-南东向左旋扭动为主.有关应力场的细划及应力场变化的具体原因还有待今后野外的详细调查和室内的深入研究.就目前所获资料及其分析结果, 可以认为该区第四纪以来的隆升构造变形、山脉崛起是经过不同时段的挤压隆升、伸展隆升和左旋走滑隆升的多种构造体制联合作用的结果.
5. 结语
(1) 隆升构造变形和山系崛起, 是印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应与周边地块的相互制约作用而产生的挤压隆升、伸展隆升和左旋滑动隆升多种动力机制联合作用的结果. (2) 第四纪期间的隆升构造变形体制(或动力机制) 转换过程主体表现为: 在早更新世早期以北东-南西向挤压为主, 最大主应力轴为南西向; 中更新世早期至全新世早期以北东-南西向拉张、近东-西向的拉张为主, 全新世晚期以北西-南东向左旋扭动为主. (3) 湟水河谷下切速率1.41 Ma至今平均为0.15~0.17 mm/a, 而1.41×103~36.4 ka间较慢(0.11 mm/a), 36.4 ka至今较快(1.54 mm/a), 其中10.5~3 ka间为最快(2.27~2.80 mm/a), 显示了该区1.41 Ma以来构造隆升具有越来强烈的变化趋势.
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图 2 祁连山东南缘民河地区主要断裂及第四系地质简图(左上角为研究区位置及主要水系分布)
1.全新统冲积物; 2.全新统冲洪积物; 3.上更新统洪积物; 4.上更新统冲积物; 5.上更新统风积物; 6.上更新统冲洪物; 7.中更新统洪积物; 8.中更新统冲积物; 9.新近系—古近系红层; 10.前新生代基底; 11.构造单元主断裂; 12.逆断层13.正断层; 14.平移断层; 15.隐伏断层; 16.角度不整合界线; 17.主要水系及其流向
Fig. 2. Simple geological map of major faults and Quaternary strata in Minhe area, southeastern Qilian Mountains
表 1 红古城地区湟水河阶地特征及下切速率
Table 1. Terrace characteristics and trenching rates in Huangshui River
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