塔尔湾断裂活动时代厘定及地貌陡坎成因分析

陈 涛 刘玉刚 闵 伟 周本刚

(中国地震局地质研究所，中国地震局活动构造与火山重点实验室，北京 100029)

塔尔湾断裂活动时代厘定及地貌陡坎成因分析

陈 涛 刘玉刚*闵 伟 周本刚

(中国地震局地质研究所，中国地震局活动构造与火山重点实验室，北京 100029)

阿尔金断裂东段北侧发育了多条NW向断裂，塔尔湾断裂是其中规模最大的塔尔湾－登登山－池家刺窝断裂的西段。该断裂总体走向NW，长约10km，在卫星影像上为一笔直的线性陡坎，地貌上为高几十cm至5m的地形陡坎。陡坎倾向NE，组成陡坎的地层主要有早更新世砾岩和全新世风积砂土等。通过地形剖面测量得到，由全新世风积砂组成的地貌陡坎高5m左右，由早更新世砾岩组成的地貌陡坎高1m左右。垂直地貌陡坎开挖的探槽揭示出，塔尔湾断裂为SW倾的逆断层，表现为新近纪泥岩逆冲于早更新世砾岩之上，断距为0.5m左右。全新世风积砂及晚更新世戈壁砾石层覆盖于断层之上，没有被错断。断裂上盘为新近纪泥岩，富含地下水，因此植被较发育;由于植被的保护及固砂作用，风积砂不断堆积并保存下来，风积沙层逐渐增高。下盘除地表有几十cm厚的戈壁砾石层外，下部均为胶结坚硬的早更新世砾岩，不含地下水，植被不发育。全新世风积砂土只发育在塔尔湾断裂上盘，下盘没有全新世地层发育;早更新世砾岩上的地貌陡坎高度远远小于全新世风积砂土上地貌陡坎的高度。这些都表明由全新世风积砂组成的地貌陡坎不是断裂活动形成的，而是外动力作用造成的。因此，塔尔湾断裂是一条早中更新世逆断裂。

塔尔湾断裂 地貌陡坎 逆断裂

0 引言

阿尔金断裂可分为若干段，昌马大坝以东为其最东段，大致沿五华山、宽滩山等向东断续延伸(图1)。该段的南侧为河西走廊最西端的酒西盆地，新构造运动以强烈凹陷为特征;其北侧为低窝铺隆起区，总体上为一新近纪末—第四纪早期的侵蚀台地，新近纪地层产状近水平，局部覆盖厚度0～5m水平产状的早更新世砾岩或晚更新世戈壁砾石层，大地构造上属于较稳定的塔里木地台，新构造运动以缓慢上升为特征，东北侧为花海盆地，西侧为玉门镇盆地。

昌马大坝以东构造变形复杂，断裂众多，大致可以分为3组。第1组沿阿尔金断裂走向分布，如宽滩山断裂等;第2组分布于酒西盆地，走向以NW向为主，如玉门断裂等;第3组分布于阿尔金断裂北侧，也以NW走向为主，如花海断裂等。第1、2组断裂前人已有较多研究，如徐锡伟等(2003)认为阿尔金断裂西段滑动速率为17mm/a，东段宽滩山段只有2.2mm/a，并讨论了滑动速率向东递减的构造运动转换模式;陈柏林等(2008)研究了阿尔金断裂昌马大坝—宽滩山段全新世活动特征;龚健业等(2007)研究了阿尔金断裂东端断裂展布形式;闵伟等(2002)研究得到酒西盆地阴洼山、玉门和新民堡3条逆掩断层全新世以来的垂直活动速率为0.18～0.25mm/a。总体来看，这些断裂活动时代较新，都为晚更新世以来的活动断裂，但活动速率都很低。

图1 塔尔湾断裂及其附近地震构造图Fig.1 Seismic tectonic map of Tarwan Fault and its surroundings.

阿尔金断裂东段以北也发育多条NW向断裂，它们的新活动特征对分析阿尔金断裂东端的新构造演化、阿尔金断裂向东扩展等具有重要意义，但以往对它们的研究较少。最近我们对这些断裂进行了野外调查，结果发现这些断裂主要活动时期都在早更新世，晚更新世以来由于阿尔金断裂不断向东扩展，宽滩山强烈隆起，使其南北两侧的断裂发生逆冲活动。位于宽滩山东北侧的塔尔湾－登登山－池家刺窝断裂随着逐渐远离宽滩山，活动强度也不断减弱。池家刺窝为晚更新世以来活动断裂，塔尔湾断裂和其他NW向断裂一样，晚更新世以来都没有活动。本文将介绍的塔尔湾断裂是这些NW向断裂中规模最大的塔尔湾－登登山－池家刺窝断裂的西段(图1)，登登山和池家刺窝断裂的研究结果将在另文介绍。

塔尔湾断裂总体呈NW走向，长约10km，在卫星影像上为一笔直的线性陡坎，地貌上为高几十cm至5m的地形陡坎。陡坎倾向NE，组成该陡坎的地层主要有早更新世砾岩和全新世风积砂土等，陡坎东北侧则为戈壁滩。其地貌特征很像中国西部分布较多的历史地震地表破裂带(国家地震局地质研究所等，1990;徐锡伟等，2008)。仅从地貌特征及组成陡坎的地层时代分析，塔尔湾断裂应该是一条全新世活动断裂，而且历史上发生过破裂至地表的强震。如果真是如此，那么，为什么在阿尔金断裂以北构造较稳定的地区有这样一条活动断裂?它的构造背景是什么?为了回答这些问题，我们对塔尔湾断裂进行了系统的地貌测量、探槽开挖等工作，结果表明塔尔湾断裂为一条第四纪早期的逆断裂，早更新世砾岩的垂直断距只有1m左右，由全新世风积砂土组成的高约5m的地貌陡坎不是断裂活动形成的。

1 塔尔湾断裂空间分布及地貌特征

塔尔湾断裂走向NW，西起塔尔湾村南，东至生地湾村北，长约10km，卫星影像上线性特征清晰(图2 a)，为一条连续的地貌陡坎，西南高东北低。断裂附近地区为一早更新世以来的隆起区，局部分布了早更新世砾岩被侵蚀成的低山丘陵，大部分地区为地形较为平坦的戈壁滩，覆盖很薄的晚更新世戈壁砾石层。地势较低地区及断裂下盘紧邻断层处有晚更新世冲洪积砂砾石层分布，全新世风积砂土主要沿断裂分布，构成地貌陡坎的主要地层(图2 b)。断裂SW盘地下水位较高，陡坎底部有泉水流出，在全新世风积砂土组成的地貌面上植被发育(图3 a，d)，局部有沼泽地。

沿地貌陡坎实测了4条地形剖面(图2 b，图4，表1)，Dx－1位于图3a探槽Tc－1附近全新世风积砂土组成的地貌陡坎之上，地貌高差4.8m;Dx－2位于图3b探槽Tc－3附近早更新世砾岩组成的地貌陡坎之上，地貌高差0.5m;Dx－3位于图3c早更新世砾岩组成的地貌陡坎之上，地貌高差1.2m;Dx－4位于图3d全新世风积砂土组成的地貌陡坎之上，地貌高差4.3m。从野外调查及实测地貌陡坎剖面可以看出，地貌陡坎走向NW，倾向NE，由早更新世砾岩组成的地貌陡坎高差只有1m左右;由全新世风积砂土组成的地貌陡坎高差则达5m。如果仅根据地貌陡坎的形态判断断裂活动时代，塔尔湾断裂应该为全新世以来活动断裂。为了准确查明该断裂的活动时代，沿断裂开挖了5个横跨地貌陡坎的探槽(位置见图2 b)。

2 塔尔湾断层探槽剖面

2.1 探槽Tc-1

探槽Tc－1为垂直地貌陡坎开挖。陡坎NE侧为晚更新世戈壁砾石层，SW侧为全新世风积砂土。探槽长14m，宽5m，深3m，其NW壁照片和剖面如图5所示。出露的主要地层如下:

①淡黄色风积砂土，含植物根系，松软;

②灰绿色洪积细砂砾石层，较松散，具有水平层理;

③红色细砂层，含次生石膏;

图2 塔尔湾断裂卫星影像及解译图Fig.2 The satellite image and interpreted map of Tarwan Fault.

④黄色粗砂层;

⑤黄色砾岩，胶结坚硬，向NE缓倾;

⑥黄色与灰绿色泥岩互层，近断层处发生牵引变形。

图3 塔尔湾断裂地貌陡坎照片Fig.3 Photos of topographic scarp of Tarwan Fault.

如前所述，断裂附近地区为一早更新世以来的隆起区，大部分为地形较为平坦的戈壁滩，覆盖很薄的晚更新世戈壁砾石层。地势较低地区及断裂下盘紧邻断层处有晚更新世冲洪积砂砾石层分布，全新世风积砂土主要沿断裂分布，构成地貌陡坎的主要地层单元。因此，探槽揭露的层⑥时代为新近纪，层⑤砾岩的时代为早更新世(地质部甘肃省地质局，1971)。断层下盘堆积的层②、层③和层④砂砾层松散没有胶结，都应为晚更新世地层。层①风积砂土，时代为全新世。

如图5所示，探槽揭露出一条倾向SW的逆冲断层，倾角约45°，向上变陡。早更新世末，断层上盘层⑥新近纪黄色与灰绿色互层泥岩逆冲于层⑤早更新世砾岩之上，层⑥有轻微弯曲变形，近断层处由于逆冲作用，发生牵引变形;层⑤受断层向NE方向逆冲作用的影响，向NE方向缓倾。此后断层再没有活动，而是经历了长期的侵蚀和堆积作用。断层上盘遭受侵蚀，下盘接受堆积，断层下盘堆积了晚更新世的层④、层③和层②，层②覆盖于断层之上。随后覆盖断层之上的层②遭剥蚀，沿断层上盘堆积了风成的层①，形成地貌上醒目的陡坎。层②具有水平层理，出露位置高于断层上断点，这些都表明断层主要活动时期为早更新世，晚更新世以来没有活动。

图4 塔尔湾断裂实测地貌陡坎剖面Fig.4 The measured topographic scarp profiles of Tarwan Fault.

表1 塔尔湾断裂地貌陡坎参数表Table 1 The topographic scarp parameters of Tarwan Fault

图5 塔尔湾断裂探槽Tc－1 NW壁照片及剖面图Fig.5 Photo and profile of the northwestern wall of trench Tc －1 across the Tarwan Fault.

以断层为界，上盘地层潮湿松软，并不断有地下水渗出;下盘地层则干燥坚硬。断层两侧地下水位高度不同应该是地层岩性不同造成，断层上盘为泥岩及砂土，富含地下水。断层下盘为砾岩，胶结非常坚硬、致密，不含水分，而且地下水无法渗透到断层下盘的砾岩中，而逐渐汇聚于断层上盘，并在地貌陡坎局部地段渗出到地表(图3 d)。由于富含地下水，断层上盘植被比较发育;而由于这些植被的固砂作用，风积砂能够保存下来，使得断层上盘地形越来越高。地貌陡坎NE侧为晚更新世戈壁砾石层，植被不发育，也没有风积砂土堆积。

2.2 探槽Tc-2

探槽Tc－2距离探槽Tc－1约80m，地貌特征与Tc－1相同，陡坎NE侧为晚更新世戈壁砾石层，SW侧为全新世风积砂土。垂直地貌陡坎开挖，探槽长14m，宽3m，由于早更新世砾岩非常坚硬不易开挖，开挖深度0.2～3m不等，其SE壁局部照片和剖面如图6所示。根据揭露出的剖面特征，探槽剖面图向下进行了适当延伸。揭露出的地层大部分与探槽Tc－1相同，主要如下:

①全新世淡黄色风积砂土，含植物根系，松软;

②晚更新世灰绿色戈壁砾石层，厚十几cm;

③早更新世黄色砾岩，胶结坚硬，向NE陡倾，倾角约50°;

④新近纪黄色与灰绿色泥岩互层，倾角约50°。

如图6所示，由全新世风积砂土组成的地貌陡坎高度约2m，风积砂上植被发育。陡坎NE侧为戈壁滩，植被不发育，在地貌陡坎前缘有一宽度不大的凹槽。探槽主要揭露出4套地层:探槽上部的全新世风积砂层①和晚更新世戈壁砾石层②，下部的早更新世砾岩层③和新近纪泥岩层④。早更新世砾岩和新近纪泥岩为平行不整合接触，都向NE倾，倾角约50°。

图6 塔尔湾断裂探槽Tc－2 SE壁照片及剖面图Fig.6 Photo and profile of the southeastern wall of trench Tc －2 across the Tarwan Fault.

探槽揭露出2条高角度逆冲断层F1和F2，均发育于Q1p砾岩中，为宽约20cm的断层破碎带，其中断层F1沿地表凹槽分布，近断层处Q1p砾岩受逆冲作用，向NE方向陡倾。

断层最新活动应在第四纪早期，受NE向挤压，形成F1和F2断层，并使早更新世砾岩和新近纪泥岩向NE倾斜。此后遭受侵蚀作用，使断层两侧地貌面基本水平，随之堆积了几十cm厚的晚更新世戈壁砾石层②和全新世风积砂层①，断层都没有断错层②和层①。

以早更新世砾岩和新近纪泥岩平行不整合面为界，断层上盘地层潮湿松软，探槽开挖过程中即大量出水;断层下盘地层则干燥坚硬，不含地下水。断层两侧地下水位高度的不同及构成地貌陡坎的风积砂的成因应该与探槽Tc－1中相同，不是断裂活动形成。

2.3 探槽Tc-3

探槽Tc－3距离探槽Tc－1约300m，垂直地貌陡坎开挖，陡坎两侧都为早更新世砾岩。探槽长7m，宽2m，由于早更新世砾岩非常坚硬不易开挖，开挖深度0.2～2m不等。其SE壁局部照片和剖面如图7所示。根据揭露出的剖面特征，探槽剖面图向下进行了适当延伸。揭露出的地层大部分与探槽Tc－1相同:

图7 塔尔湾断裂探槽Tc－3 SE壁照片及剖面图Fig.7 Photo and profile of the southeastern wall of trench Tc－3 across the fault.

①全新世黄色表层土;

②中更新世红色细砂层，含次生石膏，与Tc－1中层③相同;

③早更新世灰黄色砾岩，胶结坚硬，向NE缓倾;

④新近纪黄色与绿色泥岩，向NE缓倾。

如图7所示，探槽揭露出一条倾向SW的逆冲断层，倾角约80°。断层断错早更新世砾岩和新近纪泥岩，新近纪顶面显示垂直断距约0.5m，断层顶部被厚约10cm的表层砂土覆盖。

断层两侧都为胶结坚硬的砾岩，不含水，因此植被不发育，断层上盘也没有全新世风积砂土堆积。

2.4 探槽Tc-4

探槽Tc－4垂直全新世风积砂土组成的地貌陡坎开挖，探槽长约8m，宽约2.5m。NW壁照片和剖面如图8所示，揭露出的地层主要如下:

图8 塔尔湾断裂探槽Tc－4 NW壁照片及剖面图Fig.8 Photo and profile of the northwestern wall of trench Tc －4 across the fault.

①全新世淡黄色风积砂土，含植物根系，松软;

②晚更新世灰绿色洪积细砂砾石层，较松散，具有水平层理;

③前震旦纪灰绿色片麻岩。

由图8可以看出，厚约2m的全新世风积砂土组成了醒目的地貌陡坎，下伏产状水平的厚约1m的晚更新世洪积砂砾石层，两套地层近水平覆盖于前震旦纪片麻岩之上。片麻岩非常破碎，顶面近水平，看不出明显的断层面。推测在地貌陡坎附近片麻岩内部有一逆冲断层。结合前述几个探槽分析，断层自早更新世以来没有活动，因遭受长期侵蚀剥蚀，片麻岩顶部被夷平并堆积了晚更新世冲洪积砂砾石层和全新世风积砂土。

2.5 探槽Tc-5

探槽Tc－5位于塔儿湾东南，垂直全新世风积砂土组成的地貌陡坎开挖，探槽长约10m，宽约2.5m，最深处＞3m。NW壁照片和剖面如图9所示，揭露出的地层主要如下:

①全新世淡黄色风积砂土，含植物根系，松软;

②晚更新世灰绿色洪积砂砾石层，较松散，具有水平层理，层内夹黏土透镜体;

③新近纪黄色泥岩。

图9 塔尔湾SE探槽Tc－5 NW壁照片及剖面图Fig.9 Photo and profile of the northwestern wall of trench Tc－5 across the fault.

探槽Tc－5与Tc－4剖面基本一致，只是探槽底部揭露出的最老地层为新近纪泥岩。厚约2m的全新世风积砂土组成醒目的地貌陡坎，下伏近水平的厚约2m的晚更新世洪积砂砾石层，两套地层覆盖于新近纪泥岩之上。新近纪泥岩成分、颜色均匀，看不出明显的层理和断层面。推测在早更新世NE向挤压作用下，新近纪泥岩发生变形，向SW倾斜，并在地貌陡坎附近的新近纪泥岩内部发育一逆冲断层。随后遭受长期侵蚀剥蚀，新近纪泥岩顶部被夷平并堆积了晚更新世洪积砂砾石层和全新世风积砂土。它们都没有发生断错，表明断裂晚更新世以来没有活动。

3 塔尔湾断裂活动时代及地貌陡坎成因分析

3.1 塔尔湾断裂活动时代厘定

塔尔湾断裂发育在早更新世以来的隆起区，地势较低地区及断裂下盘紧邻断层处有晚更新世冲洪积砂砾石层分布，全新世风积砂土主要沿断裂分布。

垂直地貌陡坎开挖的探槽，揭示断裂为SW倾的逆断层，主要为新近纪泥岩逆冲于早更新世砾岩之上，断距只有0.5m左右。全新世风积砂及晚更新世戈壁砾石层覆盖于断层之上，没有被断层错断，而且全新世风积砂只发育在断层上盘。

塔尔湾断裂为一条逆断层，全新世风积砂只发育在断层上盘，下盘不发育全新世地层。早更新世砾岩上的地貌陡坎高度远远小于全新世风积砂上地貌陡坎的高度，这些都表明由全新世风积砂组成的地貌陡坎不是断裂活动形成的。

另一方面，低窝铺隆起区发育一组NW向断裂，野外调查显示，它们最新一次活动都在早更新世晚期，但断距不大，只有几十cm。晚更新世以来只有塔尔湾－登登山－池家刺窝断层的SE段登登山断层和中段池家刺窝断层还有活动，NW段塔尔湾断裂和其他NW向断裂都不再活动。塔尔湾－登登山－池家刺窝断层位于宽滩山隆起的NE侧，宽滩山隆起的南侧为阿尔金断裂最东端的宽滩山断裂，晚更新世以来由于阿尔金断裂向NE方向的不断扩展，使得宽滩山强烈隆起，南北两侧的断裂也随之发生逆冲活动，活动强度随着距离宽滩山隆起距离的增加而减弱，距离最远的塔尔湾断裂晚更新世以来则没有活动。

3.2 塔尔湾地貌陡坎成因分析

塔尔湾断裂线性特征明显，地貌上有高0.5～5m的NE倾的地貌陡坎。通过地貌剖面测量得到，由全新世风积砂组成的地貌陡坎高度在5m左右，由早更新世砾岩组成的地貌陡坎高度较低，为1m左右。

野外调查及探槽显示，断裂SW盘地下水位很高，几乎是近地表，植被发育。断裂NE盘地下水位较低，地表植被不发育。断裂两侧地下水位高差较大主要是由断裂两侧岩性差异造成的，SW盘除有砾岩出露的地段外都为新近纪泥岩，富含地下水;探槽揭露NE盘除地表有几十cm厚的戈壁砾石层外，下部都为胶结坚硬的早更新世砾岩，不含地下水。因此，断层上盘植被较发育，由于植被的保护及固砂作用，使得风积砂土不断堆积并保存下来。断裂下盘地表附近没有地下水，植被也不发育，因此，没有全新世风积砂堆积，随着风蚀作用而形成干燥的戈壁滩。

4 结论

综上所述，塔尔湾断裂是一条早中更新世的逆断裂，表现为新近纪的泥岩逆冲于早更新世的砾岩之上，断距0.5m左右，晚更新世以来的砾石层及全新世的风积砂覆盖在断层之上，没有被断错;现今高约5m的全新世风积砂组成的地貌陡坎是由外动力作用形成的。

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THE ACTIVITY AGE OF TARWAN FAULT AND GENESIS OF THE TOPOGRAPHIC SCARP

CHEN Tao LIU Yu-gang MIN WeiZHOU Ben-gang

(Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

Many NW-trending faults have been developed on the north of the eastern segment of Altyn Tagh Fault.The Tarwan Fault，about 10km long and striking NW on the whole，is the western segment of the largest Tarwan-Dengdengshan-Chijiaciwo Fault among these faults.The fault appears as a straight linear scarp in the satellite image and a geomorphic scarp of dozens of centimeters to 5 meters high，topographically.The scarp dips NE and is composed mainly of beds of early Pleistocene conglomerate and Holocene aeolian sandy soil.As revealed by a measured topographic profile，the scarp composed of Holocene aeolian sandy soil is about 5m high，and that of early Pleistoscene conglomerate is about 1m high.Field investigation and trenches excavated on the vertical scarp have revealed the Tarwan Fault is a thrust fault，striking NW and dipping SW.The Geogene mudstone is thrust over the early Pleistocene conglomerate，with a throw of 0.5m.The Holocene aeolian sand and late Pleistocene gravel layers overlying the fault are not dislocated.The hanging wall of the fault is Geogene mudstone with rich groundwater and well-developed vegetation.Due to the protection and control of sand movement with vegetation，aeolian sand was accumulated constantly and preserved，and as a result，the aeolian sand layer became higher gradually.The foot wall of the fault consists of a Gobi gravel layer of a few centimeters thick on the surface and hard cemented conglomerate of early Pleistocene under it，with groundwater and vegetation being undeveloped.Therefore，Holocene aeolian sand is only developed on the hanging wall of the fault，and there is no Holocene stratum developed in the footwall.The height of the scarp formed on the early Pleistocene conglomerate is far lower than that on the Holocene aeolian sand.These findings indicate that the topographic scarp composed of Holocene aeolian sand was produced by external dynamic process rather than faulting，and that the Tarwan Fault is an early-middle Pleistocene thrust fault.

Tarwan Fault，geomorphic scarp，thrust fault

P315.2

A

0253－4967(2012)03－0401－14

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2012.03.002

2012－01－19收稿，2012－04－26改回。

国家科技支撑计划项目(2012BAK15B01)资助。

* 通讯作者:刘玉刚，E－mail:csbiglyg@sina.com。

陈涛，男，1984年生，2008年毕业于山东聊城大学地理科学专业，现为中国地震局地质研究所在读硕士研究生，主要研究方向为地震地质、活动构造、工程地震，电话:15210674201，E－mail:chentao0528@126.com。