天山晚第四紀(jì)古地震事件的記錄

天山晚第四紀(jì)古地震事件的記錄

0雅等地區(qū)在晚三古代構(gòu)造活動研究取得了一些成果自宋代以來，印度板塊和歐亞板塊的碰撞被嚴(yán)重擠壓、縮短、新興，形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模式。這一地區(qū)已成為大陸動力學(xué)研究的熱點之一（minsteral.，1978；avouacetal.，1993；郭耀杰等人，2006）。在天山北側(cè)由南向北形成3排中-新生代褶皺帶(圖1,2),這些褶皺帶在晚第四紀(jì)時期有不同程度的活動,一系列河流橫切褶皺帶并發(fā)育了多級階地(鄧起東等,2000)。對河流階地的研究可以獲取構(gòu)造活動的信息,鄂爾多斯高原、祁連山、天山和喜馬拉雅等地區(qū)第四紀(jì)構(gòu)造活動研究新進(jìn)展就是通過對河流階地的研究取得的(Molnaretal.,1994;楊曉平等,1995,2009;程紹平等,1998;楊景春等,1998;Lietal.,1999;鄭文濤等,2000;Laveetal.,2000;Shenetal.,2001;袁慶東等,2006;Yangetal.,2007;史興民等,2008;呂紅華等,2008)。因此,河流階地的研究在創(chuàng)建構(gòu)造演化和河流發(fā)展歷史等方面有重要的意義(Merrietal.,2002;史興民等,2008)。天山北麓發(fā)育3期沖積扇,相應(yīng)的這3期洪積扇被下切之后形成天山北麓河流3級主要的階地(張培震等,1995)。對奎屯河階地的研究主要集中在河流階地的發(fā)育特征和褶皺隆升,對河流階地的形成年代只有少量的直接測年結(jié)果(Molnaretal.,1994;鄧起東等,2000;袁慶東等,2006;呂紅華等,2008),對奎屯河等穿越活動褶皺段的河流階地尚無系統(tǒng)的年代學(xué)研究。Ota等在1991年就提出Huon半島上重復(fù)發(fā)生的7級以上地震導(dǎo)致了該地區(qū)的第四紀(jì)隆升,并在2006年研究了Huon半島上階地的形成,認(rèn)為其形成與同震隆起有關(guān)。筆者對天山北麓的奎屯河穿越活動褶皺段的河階地進(jìn)行了野外科學(xué)考察,精確測定了階地礫石層頂面和底面的拔河高度,系統(tǒng)采集了各階地堆積物中的測年樣品,用光釋光技術(shù)測定了階地沉積物的堆積年代,厘定了階地沉積物的堆積時代和階地的形成時代,把獨山子活動斷裂帶中揭露出的古地震事件(毛鳳英等,1995)發(fā)生年代與階地形成年代對比,進(jìn)而對獨山子活動褶皺的隆起提出一些新的認(rèn)識。1逆沖斷裂-背斜帶烏魯木齊山前坳陷發(fā)育于準(zhǔn)噶爾盆地南緣,呈EW向帶狀分布,長達(dá)300km以上,南北寬50～80km,是一個中新生代山前坳陷,中新生界最厚達(dá)12000m。各時代沉降中心由老至新從東向西遷移,新生代不同時代地層之間大多為連續(xù)沉積,其中下更新統(tǒng)西域組與上新統(tǒng)獨山子組產(chǎn)狀有輕微變化,下更新統(tǒng)與中更新統(tǒng)之間則為不整合關(guān)系,顯示了最新構(gòu)造活動。烏魯木齊山前坳陷大致以烏魯木齊市為界分為東西兩段,東段為博格達(dá)推覆構(gòu)造,西段為北天山活動褶皺帶。北天山活動褶皺帶南界為準(zhǔn)噶爾南緣斷裂,它是天山再生造山帶與烏魯木齊山前坳陷的分界斷裂,也是二者在地貌上的分界線。南側(cè)天山山體海拔高達(dá)3000～4000m,北側(cè)山前坳陷內(nèi)發(fā)育3排近EW向由背斜山嶺組成的低山-丘陵區(qū),自南向北海拔高程分別為1300～2100、1000～1500和600～1200m。準(zhǔn)噶爾南緣斷裂總體走向為280°～290°,傾向S,傾角45°～75°,為一長達(dá)245km的逆沖斷裂。沿斷裂可見古生代地層逆沖于中新生代地層之上,斷裂在第四紀(jì)不同時期均有活動。準(zhǔn)噶爾南緣斷裂以北,烏魯木齊山前坳陷內(nèi)最南邊的第1排逆斷裂-背斜帶被稱為齊古逆斷裂-背斜帶。在該帶以北20～30km發(fā)育了第2排逆斷裂-背斜帶,即霍爾果斯-瑪納斯-吐谷魯活動逆斷裂-背斜帶,簡稱瑪納斯逆斷裂-背斜帶。1906年瑪納斯7.7級地震時沿該逆斷裂發(fā)育了不連續(xù)的地表破裂帶和同震隆起帶(張培震等,1994)?，敿{斯逆斷裂-背斜帶西段以北10km左右處發(fā)育了第3排逆斷裂-背斜帶,即獨山子-安集海活動逆斷裂-背斜帶,簡稱獨山子逆斷裂-背斜帶。該帶自西向東由獨山子、哈拉安德和安集海3個逆斷裂-背斜組成,其中獨山子背斜核部地層為中新統(tǒng),兩翼地層為上新統(tǒng)及下更新統(tǒng)(圖2)。獨山子逆斷裂-背斜帶北翼陡、南翼緩,北翼發(fā)育主逆沖斷裂,斷裂上盤發(fā)育反沖逆斷裂,其中獨山子背斜北翼靠近主逆沖斷裂的中新統(tǒng)發(fā)生倒轉(zhuǎn),斷裂切割不同時代的地層和河流階地,并使階地發(fā)生褶皺變形(鄧起東等,2000)。北天山山前坳陷中發(fā)育的3排褶皺帶為一個前展式的逆沖推覆構(gòu)造,瑪納斯逆斷裂-背斜帶、獨山子逆斷裂-背斜帶分別為主滑脫斷層上2個逆沖斷坡上盤地層中的斷層相關(guān)褶皺?，敿{斯、獨山子活動逆斷裂-褶皺帶的構(gòu)造變形,以及斷裂帶上的古地震事件記錄了天山山前推覆構(gòu)造根帶(天山山前的活動隱伏斷坡)上的逆沖活動和地震事件(鄧起東等,2000)。2沉積型地質(zhì)條件確定本文從以下幾個方面開展工作:1)利用高精度的航空遙感圖像、1/5萬地形圖以及Googleearth衛(wèi)星遙感圖像,對獨山子市西側(cè)及其以南的奎屯河沿岸進(jìn)行地質(zhì)地貌填圖,詳細(xì)劃分了奎屯河兩側(cè)的河流階地;2)在獨山子背斜段的河流階地堆積物中采集測年樣品,然后在地震動力學(xué)國家重點實驗室用光釋光法測定年齡;3)通過地質(zhì)樣品的測年結(jié)果和第四紀(jì)氣候變化對比,確定河流階地的形成時代;4)收集整理獨山子活動斷裂帶上的古地震研究成果,確定晚第四紀(jì)以來的古地震發(fā)生時代;5)對比古地震時代和階地的形成時代,討論二者之間的關(guān)系。3河流流的分布和形成時間3.1獨山子背斜段階地的分布利用高精度的遙感影像,對奎屯河流經(jīng)獨山子背斜及南北兩側(cè)進(jìn)行了地貌解釋,發(fā)現(xiàn)奎屯河在獨山子背斜北側(cè)只發(fā)育1級階地,且為堆積階地,在獨山子背斜南側(cè)的向斜部位發(fā)育2級堆積階地,而流經(jīng)獨山子背斜段的奎屯河發(fā)育7級階地,均為基座階地。其中只有T6階地在獨山子背斜區(qū)及其南北兩側(cè)均有分布(圖3)。依據(jù)前人的研究,天山北麓發(fā)育3期沖洪積扇,相應(yīng)的這3期沖洪積扇被下切之后形成天山北麓河流的3級主要階地,而這3級階地為晚第四紀(jì)氣候變化形成的氣候階地。在天山北麓的奎屯河沿岸,其中的T7和T6階地為兩級氣候階地(張培震等1995,鄧起東等2000)。T7階地存在于獨山子背斜區(qū)和以南地區(qū),T6階地在獨山子背斜區(qū)及其南北均有分布,且階地面寬闊。T1～T5階地僅存在于獨山子活動背斜分布區(qū),它們的形成與背斜的構(gòu)造隆起密切相關(guān)。3.2測試結(jié)果與分析在奎屯河T1～T7階地分別采集了斷代樣品,并進(jìn)行了光釋光測年,樣品全部采集于地下0.5～1.5m,成分為含黏土的粉砂和細(xì)砂或砂質(zhì)黏土(圖3b)。對粉砂和細(xì)砂樣品,采用直徑8cm、長20cm的不銹鋼管封裝,兩頭用錫箔紙包裝;對砂質(zhì)黏土,則采集重約1.5kg的塊狀樣品,用錫箔紙包裝。各階地堆積物采樣位置的地質(zhì)剖面如圖4。上述兩種包裝的樣品外層均用膠帶密封,保持地層原始的含水量。樣品測試由地震動力學(xué)國家重點實驗室完成。光釋光測年法適于測定第四紀(jì)沉積物的沉積年齡(孫洪艷等,2003),其中細(xì)顆粒礦物簡單多片再生法(SMAR)是河流階地沉積物釋光測年最為實用的方法之一(王昌盛等,2005;Luetal.,2007)。因此,本批樣品均采用簡單多片再生法測定階地堆積物的沉積年齡,測試結(jié)果見表1。雖然細(xì)顆粒石英光釋光測年的簡單多片再生法是一種有效的測定沉積物堆積年齡的方法,但由于每件測年樣品本身的不同也會導(dǎo)致同一級階地堆積物測年結(jié)果存在較大的差異。其原因主要有:1)同一級階地不同地點的堆積物堆積時代應(yīng)在一個特定的時間段內(nèi),但階地堆積物的形成也不是在短時間內(nèi)完成的,而是要經(jīng)歷一定長時段,先期堆積物的沉積年齡本身就大于后期形成的堆積物;2)奎屯河階地堆積物均為沖洪積物,細(xì)顆粒物質(zhì)在沉積之前受到的光曬退程度不一致,部分樣品釋光信號沒有“歸零”,導(dǎo)致同一層位中的沉積物樣品光釋光測年結(jié)果不一致;3)測年樣品顆粒的大小也是影響測年結(jié)果的原因之一,在相同的光曬退條件下,細(xì)顆粒石英樣品中較粗顆粒石英樣品的釋光信號更容易“歸零”。另外,在奎屯河T1階地粉細(xì)砂透鏡體中發(fā)現(xiàn)一個長約10cm、直徑3cm已經(jīng)炭化的樹干,地震動力學(xué)國家重點實驗室測定結(jié)果為距今(1.705±0.07)ka,樹輪校正區(qū)間為252～411AD。3.3階地形成時代影響河流階地形成的主要因素是氣候變化和構(gòu)造活動。氣候變化主要表現(xiàn)為冰期和間冰期的交替。在內(nèi)陸地區(qū)由于冰期河流流量的減少導(dǎo)致河流下切能力減弱,使得河流的侵蝕以拓寬河谷為主;間冰期河流的流量增大使得其下切能力增強,河流以下切河谷為主,冰期形成的沖洪積扇被下切而形成階地(Bulletal.,1990;Molnaretal.,1994)。在活動構(gòu)造發(fā)育的地區(qū),地殼相對穩(wěn)定時河流以側(cè)蝕為主,形成河漫灘和沖洪積層;地殼隆升階段河流以深切為主,使河漫灘轉(zhuǎn)化為階地。天山北麓穿越活動褶皺帶的河流因褶皺的間歇性隆升會引起間歇式的側(cè)向侵蝕和下切,以及晚第四紀(jì)氣候的變化引起的河流側(cè)蝕和下切共同作用形成深切河谷和兩岸的階地地貌;而在活動褶皺帶以北的準(zhǔn)噶爾盆地南緣,河流僅發(fā)育因氣候變化形成的區(qū)域性階地(鄧起東等,2000)。階地堆積物的時代大致為晚第四紀(jì)的寒冷階段,或活動褶皺帶隆升相對緩慢的時代,這個時期河流拓寬河谷,沖洪積砂礫石、粉質(zhì)黏土等堆積于河谷中,河流下切時代大致為晚第四紀(jì)溫暖期以及褶皺相對隆升較快階段?？秃幼阅舷虮睓M穿獨山子活動背斜,在背斜以北的地區(qū)僅發(fā)育1級堆積階地,獨山子活動背斜段發(fā)育7級階地,且為基座階地(圖3,5)。野外工作中用手持GPS測定了階地采樣地點階地面的海拔高度,用TRUPULSETM200激光測量儀測定了階地礫石層的厚度?？秃游靼峨A地橫剖面如圖5a所示。新疆和藏北地區(qū)均屬于大陸內(nèi)部干旱地區(qū),中更新世末期以來經(jīng)歷了多次氣候的變化。斷代樣品采樣的位置均位于河流堆積物的上部,它們的光釋光測年結(jié)果應(yīng)反映了冰期、冰階、寒冷階段河流拓寬河谷,或構(gòu)造隆升相對緩慢階段的末期。之后的氣候轉(zhuǎn)暖期間,河流流量增加,或背斜構(gòu)造快速隆升階段,河流切割沖洪積物和下伏的基巖而形成基座階地。我們在另文中對奎屯河階地的下切時代進(jìn)行了詳細(xì)的討論(楊曉平等,2011),以下簡要概述奎屯河各級階地的形成時代?？秃覶7階地堆積物的測年樣品采自砂礫石層之上的黃土夾礫石層中,測年結(jié)果為距今103～118ka;采樣位置以上的黃土中未發(fā)現(xiàn)礫石和層理,因此,這個年代值應(yīng)大致代表了奎屯河T7階地沉積物的最后形成時代,之后的末次間冰期奎屯河下切形成T7階地,下切的時代推測為距今100ka左右?？秃覶6階地礫石層厚約10m,砂礫石層頂部的細(xì)砂透鏡體光釋光測年結(jié)果為距今47～56ka,推測該階地堆積物形成于距今58～75ka的末次間冰期早冰階,在末次間冰期間冰階被下切,距今約為50ka。T5階地堆積物有3個測年結(jié)果,較年輕的2個年齡值為距今29.3～39.2ka,為末次間冰期間冰階的堆積物,推測T5階地的下切時代為距今約30ka的異常溫暖階段。奎屯河T3階地礫石層厚3～5m,其上部粉細(xì)砂透鏡體測年結(jié)果為距今20.7～27.3ka,應(yīng)為距今23～30ka之間的低溫期的沖洪積物,推測該級階地下切的時代為距今約20ka的末次冰盛期溫暖階段。奎屯河T2階地為典型的二元沉積結(jié)構(gòu),下部為砂礫石堆積,上部為粉質(zhì)黏土;粉質(zhì)黏土的光釋光測年結(jié)果為距今14.98ka,為末次冰后期寒冷階段的沉積,推測在距今14ka開始的末次冰后期溫暖階段被下切。T1階地為二元沉積結(jié)構(gòu),下部細(xì)砂層中夾的黏土層14C年齡為距今8.4ka的全新世早期(鄧起東等,2000),上部細(xì)砂透鏡體中炭化的植物殘體14C年齡為距今1.7ka,應(yīng)是全新世末氣候干濕波動階段的堆積,推測T1階地被下切時代為全新世末干濕氣候波動階段?？秃覶4階地堆積物測年結(jié)果為距今100ka左右,可能是測年樣品堆積之前沒有充分退火的原因,依據(jù)奎屯河階地序列關(guān)系,可以推測T4階地下切的時代約為25ka。4事件5的距今及在刑法中的遺跡毛鳳英等(1995)利用逐次限定法對獨山子-安集海斷裂帶15個探槽內(nèi)揭露的古地震事件(鄧起東等,1991)進(jìn)行了綜合分析,可以確定在20ka以來至少發(fā)生過6～7次古地震事件(圖5b)。最早的一次事件(事件7)發(fā)生年代為距今(18±2)ka,在2個探槽中發(fā)現(xiàn)了這次事件。事件6發(fā)生在距今(12.8±1.5)ka,在2個探槽中發(fā)現(xiàn)了事件6。事件5發(fā)生在距今(7.5±0.55)ka,在4個探槽中發(fā)現(xiàn)了該次事件的遺跡。事件4發(fā)生年代為距今(5.8±0.55)ka,在2個探槽中揭露出這次古地震事件。事件3的年代為距今(4.3±0.12)ka,在2個探槽中發(fā)現(xiàn)了這次古地震事件的遺跡。事件2發(fā)生的年代為距今(3.4±0.1)ka,也是在2個探槽中發(fā)現(xiàn)了這次事件。事件1發(fā)生在距今2ka左右。距今20ka以來獨山子-安集海斷裂帶的古地震活動在時間上是不均一,距今8ka以前只發(fā)生過2次古地震事件,重復(fù)間隔是4～5ka,距今3～8ka之間發(fā)生過4次古地震事件,重復(fù)間隔為1.5ka。即該斷裂帶上的古地震重復(fù)周期在平靜期為4～5ka,活躍期為約1.5ka,最近一次古地震事件發(fā)生在距今2ka左右(毛鳳英等,1995)。Deng等(1996)對獨山子-安集海斷裂帶揭露的古地震事件進(jìn)行了再研究,認(rèn)為該活動斷裂帶古地震的復(fù)發(fā)間隔為4ka左右。另據(jù)鄧起東等(1991)的資料,在DTC-13探槽中還揭露出1次古地震事件,距今年代為24～27ka(圖5b)。鄧起東等(1991)根據(jù)一次古地震事件垂直位移量,估算了獨山子斷裂帶上的古地震震級應(yīng)>7級。5獨山子活動背斜段階地的發(fā)生對比奎屯河獨山子活動背斜段階地的形成時代,可以發(fā)現(xiàn)最近一次古地震事件(距今2ka)以來,奎屯河下切了7m,據(jù)T1階地堆積物距離地表0.6m深處的14C年代樣品測年結(jié)果為距今1.7ka左右,推測這次古地震事件造成獨山子背斜的強烈隆起而導(dǎo)致河流下切。奎屯河T2階地頂部河漫灘相堆積物底部的堆積時代為距今15ka年左右,被下切時代為距今14ka。獨山子活動逆斷裂帶距今12.8ka左右發(fā)生過古地震事件,它可能造成獨山子背斜瞬間的快速隆起,而導(dǎo)致奎屯河的快速下切。距今3～8ka之間,獨山子-安集海斷裂帶還記錄到4次古地震事件,但在獨山子背斜段奎屯河沒有發(fā)育河流階地。推測這期間獨山子逆斷裂-背斜帶發(fā)生了多次強烈地震,造成獨山子背斜以平均2.7mm/a的速率快速隆起(楊曉平等,2011),在奎屯河獨山子背斜段形成現(xiàn)今的峽谷地貌?？秃覶3階地為距今23～30ka之間的沖洪積物,階地下切的時代為距今約20ka,距今18ka左右獨山子斷裂帶發(fā)生過1次(叢)古地震事件。T4階地形成的年代為距今25ka左右,在距今24ka左右發(fā)生了1次(叢)古地震事件(圖5b,c)?？秃恿鹘?jīng)獨山子活動背斜時還發(fā)育了T5、T6和T7階地,其中T6和T7階地是區(qū)域氣候變化形成的階地(張培震等,1995;鄧起東等,2000)。但是同樣可以看到,T6階地在獨山子背斜南、北地區(qū)為堆積階地,出露的礫石層厚度分別達(dá)290m和80m左右,而在獨山子活動背斜段,階地礫石層厚度僅有2～20m。這種階地礫石層厚度的巨大差異說明,T6階地礫石層在活動背斜段地層沉積不連續(xù),或活動背斜隆起過程中遭受了剝蝕;也可能是活動背斜段階地礫石層沉積速率慢,背斜南北兩側(cè)礫石層沉積速率快。推測在背斜南北兩翼T6階地礫石層中發(fā)育的生長地層,記錄了T6階地礫石層堆積時段獨山子背斜的隆起過程,這期間可能伴隨多次古地震事件的發(fā)生。T5階地被下切的時代為距今30ka左右,階地堆積物中最新的測年結(jié)果為(29.28±1.59)kaBP,二者之間