河西走廊西段及邻区主要断裂（一）——晚新生代逆断层与走滑断层的地震剖面解释

河西走廊西段及邻区主要断裂（一）——晚新生代逆断层与走滑断层的地震剖面解释 河西走廊西段及邻区主要断裂(一)——晚 新生代逆断层与走滑断层的地震剖面解释 第26卷第6期 2004年I1月(601,608) 地震 ACTASEISM0L0GICASINICA VoI.26.No.6 Nov..2004 文章编号:0253—3782(2004)06—0601—08 河西走廊西段及邻区主要断裂(一) 一 晚新生代逆断层与走滑断层的地震剖面解释 何光玉? 韩永科' 杨树锋? 李建立' 陈汉林? 刘昱. 1)中国杭州310027浙江大学地球科学系 2)中国甘肃玉门735000玉门油田 3)中国河南南阳473132河南油田 肖安成 高军良.' 摘要基于地震剖面解释的构造分析明,河西走廊西段及邻区发育有许多晚第三 纪一第四 纪的逆断层与走滑断层.其主要类型有两种:一是与北祁连逆冲推覆作用有关的南 倾逆断 层,其走向北西,主要分布于北祁连山东北缘及河西走廊西南部地区;二是与阿尔金断裂活 动有关的逆断层与走滑断层,主要分布于红柳峡,宽台山,合黎山地区.这些断层与新生代 始新世末期以来印一藏碰撞的远距离效应有关.它们于晚第三纪开始活动,主要活动于第四纪 时期,而且大多目前仍在活动,属于活动性断层,是河西走廊地区地震的潜发因素.此外,它 们还造成了地层的强烈变形,形成了一系列的地貌阶地和河流的水平错移. 关键词逆断层走滑断层地震河西走廊 中图分类号:P315.2文献标识码:A 引言 河西走廊位于青藏高原北部的阿拉善隆起区与北祁连加里东褶皱带之间,走向 WNW--ESE,延伸一千余公里.本研究的范围位于宽台山一黑山一合黎山隆起与北祁连 造山带北缘的西段之间,向东起于榆木山山前,向西止于阿尔金断裂,面积约22800km. 这里气候干旱,植被稀少,油气资源丰富,是我国最重要的石油工业基地之一. 河西走廊西段及邻区沉积的地层主要为中新生代地层,自下而上主要为中下侏罗统龙 凤山群,下白垩统赤金堡组,下沟组和中沟组.下第三系始新统柳沟庄组,渐新统火烧沟 组,白杨河组,上第三系中新统弓形山组和牛胳套组,上新统胳塘沟组和疏勒河组,第四 系更新统玉门组,酒泉组和全新统风积层和冰水堆积层. 对于河西走廊西段及邻区的活动断层及其与地震活动和地貌变形的关系,前人(时振 梁等,1982;向宏发等,1988;向宏发,虢顺民,1990;国家地震局地质研究所,国家地震 局兰州地震研究所,1993;陈杰等,1998)已经作过许多的工作,这些研究对于掌握该 区活 动断层的特征,解释和预测地震活动作出了重要贡献.然而,从研究手段来看,这些研究 主要是从野外露头考察,地貌调查,并结合重力与磁力资料开展的,因而对于断层深部的 * 国家"十五"科技攻关项目(200]BA605A06A)与中石油技术开发项目(Y2001JF)联合资助 2003—1010收到初稿,20040326收到修改稿,200405—31决定采用. 602地震26卷 情况掌握得不够,需要加以深化. 地震剖面是石油部门精细研究地下构造(尤其是深部构造)的主要手段,笔者据此对河 西走廊西段及邻区进行了一些研究,并且在断层的构造变形与延伸展布,与地貌变形和地 震活动的关系等方面获得了一些新的认识.在此先选取4条代表性的剖面来介绍新生代的 逆断层与走滑断层的情况,对于中生代的反转正断层与逆断层的情况将另文介绍. 1与北祁连逆冲推覆作用有关的逆断层 与北祁连冲断推覆作用有关的逆断层主要包括两部分:一是祁连山北缘断裂,位于河 西走廊南缘的北祁连冲断一单斜带,主要有北祁连1号断裂和北祁连2号断裂;二是冲断前 锋隐伏断裂,位于河西走廊中部的北祁连冲断前锋带,主要有庙北断裂(图1). 图1河西走廊西段及邻区新生代断层分布简图 ?,?分别表示:?北祁连1号断裂,?北祁连2号断裂,?庙北断裂,?阿尔金断裂.?红柳峡断层, ?宽台山断层,?合黎山断层.?嘉峪关断层,?文殊山断层,?榆木山断层,?青西 断层 1.1北祁连1号断裂 北祁连1号断裂位于河西走廊的南缘与北祁连山北缘的接合处.它与青头山北缘出露 的断层属于同一条断裂,为一沿石炭一二叠系的底部滑脱,并向南倾的逆断层(图2).断层 走向北西,自西向东主要沿着北祁连山的北缘展布.除部分地段(如青头山)断距特别大, 造成石炭一二叠系冲出地表外,大部分地段被沿北祁连2号断裂滑脱的推覆体所掩覆,或隐 伏于志留纪花岗岩体(酒东金佛寺的南面)之下(图1). 北祁连1号断裂的形成时间较早,于晚第三纪时期已经形成.但断裂的活动时间较长, 野外在紧靠走廊南缘的窟窿山的南坡可见第四纪玉门组砾岩反冲于白垩纪地层之上,二者 之间为断层接触关系.表明北祁连1号断裂在更新世时期仍然活动强烈,属于活动断层. 表1河西走廊西段及邻区主要断层剖面构造缩短量一览表 *杨树峰,陈汉林,肖安成,等.2002.酒泉盆地构造特征及控油作用.中石油玉门油田分公司勘探开发研究院,123 , 12j,133,145. a期何光玉等:—— 薯秦毒要震墨86O3 北祁连1号断裂的准覆距离非常大,所造成的剖面构造缩短量至少在8km之上 (表1J. 需要的是.前人所说的祁连北缘大断裂(时振粱等.1982;虢顺民等.1987;向宏 发等.1988:陈志泰等,l993:国家地震局地质研究所.国家地震局兰州地震研究所. 】993),祁连北缘深断裂(任纪瞬等,l980)和玉门断裂(闭伟等.2002)描述的是同一条断 裂.它们与北祁连1号断裂既有相同之处._义有不同之处.相同之处是都位于祁连山的北 缘+不同之处是前者实际上忽视了北祁连l号断裂和:lE祁连2号断裂的差别.将这两条断 裂作为一条断裂. fll 图2JL,N~琏1.2号断裂地震解释削面(剖面位置图1) lH)解释前;(b:解释唇i:震:?震源 1.2北祁连2号断裂 北祁连2号断裂也位于河西走廊的南缘与北祁连山北缘的接台处.走向北西.平面上 它与北祁连l号断裂相距很近.在许多地段几近重台(图1).因此前人将它与北祁连】号 断裂误作为一条断裂.实际上,它也是一条晚第』纪时期形成,但沿志留系的底部滑脱的 南倾逆断层(图2).固此它与北祁连1号断裂具有明显的不同.该断裂的断距较大.(所造 成的剖面构造缩短量至少在l2km之上.表1.不仅造成志留系冲出地表,逆冲于石炭一二 叠系之上.而且还使金佛寺的志留纪花岗岩体发生掏造变形<野外于祁连乡剖面可见晚第 三纪地层与花岗岩体所组成的背斜.背斜核部为花岗岩件)并逆冲于中新生代地层之 上0. 此外一住祁连山北缘所见的许多近南北向的横断层除部分属实外+实际上大多数是北 祁连1,2号断裂和位于其南侧.沿奥陶系底面滑脱的北祁连3号断裂,星这些断裂 的上覆 岩层被剥蚀掉后断裂面H1露的结果,位于旱峡煤矿东南的西淘牧场侏罗,白垩系构造窗和 位于青头山南面的土达坂自垩系构造窗就是最好的例证 1.3庙北断裂 庙北断裂位于河西走廊的南部.北祁连山前冲断前锋带处,走向北西.西起红柳峡. 自西向东经青草湾,鸭儿峡,老君庙,石油淘至青头山(图I),长3O余千米.它由一系列 榜树峰.陈汉林.肖安成.等.扎吧酒采翁地构避特征盥控油作用.中石油玉门油田分营司勘探开发研究院 l23,12j.133,【45 604地震26卷 向南倾斜的隐伏逆断层所组成.这些断层的水平断距在L200,1500m之间(表i).其断 开层位主要为早白华世中淘组与下沟组,渐新世白杨河组和部分上第三系(1哥3). 商北断裂到逃青头山后的延伸情况目前尚不清楚.由于再往东为早白垩?上的嘉峪关志 留纪隆起.估计断层终止于隆起的西侧.二者之间以早向譬世北北东向的同沉积正断层作 为嗣节断层. 图3庙北断裂地震解释剖面(剖面位置见囤L).ca)解释前;(b)解释后 从背斜南北翼下第三系厚度基本相同.以及北翼上第三系的厚度远大于南翼来看(图 3).庙北断裂最早在晚第三纪开始活动;而从背斜棱部第二三纪与第四纪地层卷八相同强度 的褶皱变形来看.断层的主要活动期为第四纪时期. 2与阿尔金断裂活动有关的断层 与阿尔金断裂活动有关的断层主要有两种类型:一是逆冲断层.这类断层逆冲运动 为主兼有走滑运动的特征.Pt西向东主要有红柳峡断层,宽台山断层,嘉峪关断层,文殊 山断层和榆术山断层;二是走滑断层这类断层走滑运动为主兼有逆冲运动的特征,主 要有合黎山断层. 上述断层中的嘉峪关断层,文殊山断层和榆水山断层.前人都有过详细的描述(时振 梁等-1982;向宏发,虢顺民.1990;国家地震局地质研究所.国家地震局兰州地震研究 所,1993;李有利等.1997).在此不再赘述.下面着重介绍一下红柳峡断层,宽台山断层 和合黎山断层. 2.1红柳峡断层 红柳峡断层位于河西走廊的最西端.阿尔金断裂的东侧.由于它经过红柳峡故得此 名.泼断层倾向北西.其西端起于阿尔金断裂.东端止于宽台山断层,整体走向北东东,平 面上呈一向北西凹入的弧形.约18km(圈1). 图4表明,阿尔金断裂在河西走廊段表现m很强的向南逆冲运动的特征.并造成了早 白垩世的赤金堡组出露地表.显示阿尔金断裂在河西走廊段的走滑兼逆冲运动的特征而 红柳峡断层则为阿尔金断裂的派生断层,它也具有很强的逆冲运动特征:断面北倾.断层 上盘的志留系向南逆冲于断层下盘的第四系之上(所造成的剖面构造缩短量在3km以上, 表1).此外,它还与自身派生的更次一级的反向倾逆断层一起,在断层上盘形成了一个大 朝何兜等:— 蛊要墨未毒撬 型的向斜和一个大型的背斜.向斜主要由上第三系,早白垩世赤金堡组和下沟组等地层所 组成.而背斜则主要由早白垩世赤金堡组和下沟组所组成.住阿尔金断裂的北盘则只残留 有少量的早世赤金堡组.可见.红柳峡断层是一条逆冲兼走滑活动的断层. I-一1】 图-l红柳峡断层与阿尔盒断裂地震解释剖面(剖面位置圈1).(aj解释前;(b)解释后 从断层造成志留系逆冲于第四系之上,并H{露地表的特征来看.红柳蛱断层在第四纪 晚期仍有过强烈的活动.是一条活动性断层. 2.2宽台山断层 宽台山断层也是阿尔垒断裂的一条派生断层.它位于阿尔金断裂的东侧.红椰蛱断层 向东的终止点处.其向东切宽台山南缘而过.宽台Ill断层的名字由此而来.陵断层断面北 倾,断层走向北东东,长约20km.平面上,宽台山断层与红柳峡断层的形态很相似,电呈 向西北凹八的弧形(图1). 宽台山断层的分布主要是根据地质图上地层的展布规律勾烩出来的.前已述及.在地 震剖面上红柳峡断层主要造成早白垩世下淘组的卅露,在地质图上这一特征则丧现为出露 的早白垩世下淘组与上第三系及第四系呈一向西北凹入的弧形接触(图5),该弧形边界即 为红柳峡断层. 圈j河西走廊西段宽台山黑山地质简图 仔细观察阿尔金断裂东侧,宽台山西侧出露的早白垩世赤金堡组的展布不难发现, 该 处赤金堡组的平面展布与前述下沟组的平面展布非常相似,整体上也是呈一扇形展布,扇 地震 形的南部边界也呈向西北凹人的弧形,而且陵弧形的西端终止于阿尔金断裂.东端与宽台 山南缘的北倾逆断层即宽台山断层的位置一致.据此.可推断宽台山断层向西的延展情 况.应该与泼处H{露的赤金堡组的南部边界一致. 从宽台山断层经过处赤金堡组与第四系(Q与Q)接触来看.该断层活动时间较新, 因此也属于活动断层. 2.3台黎山断层 合黎山断层位于阿尔金断裂东侧,宽台山北缘.宽台山断层向东的终止点处+自西向 东经黑山北缘,金塔南山南缘向东延伸,到达合黎山南侧的黑河后分为两支:主支沿合黎 山南缘继续向东延伸.旁支则向南东往高台方向延伸.长度在8.km以上.向东可能与龙 首山断裂相接(图】). 在地震剖面上.合黎山断层表现出较强的逆冲特征.图6为过宽台山东面花2井的一 条近南北向的地震剖面.由图6可知.合黎山断层的断面北倾.下第三系以下地层之间的 断距较大.断层上,下盘上第三系的厚度差日4很大.表明台黎山断层在晚第二三纪发生过强 烈的逆冲活动(所造成的4面构造缩短量在0.3km之上,表1).而上部第四系变形则表 明,合黎山断层在第四纪仍有过强烈恬动. :hj 河西走廊西殷H84一lI3测线地震剖面(位置图l】 (aJ解释前I(h解释后 不仅如此,台黎山断层还表现m强烈的走滑活动特征.这种走滑活动在地表有明显的 反映.例如+在东段的宽台山地区,Q.N.N呈一东西向延伸的弧行展布.这一点与前 述红柳峡断层和宽台山断层分别造成的下沟组和赤金堡组的弧形展布相似.表明断层西段 的走滑特征(图5).而北大河和黑河分别为断裂左旋位错2,3km,从断层的k度及造成 河流错移的位移来看.合黎山断层应该是一条以走滑运动为主.逆冲活动为辅的压扭断 层. 可见.合黎山断层与前人所说的北山断裂(任纪舜等.1980)有相似之处,它们在宽台 山黑河这一段的位置及活动特征是相同的不同的是.台黎山断层向西终止于阿尔金断 裂.属于阿尔金断裂的派生断层;向东到达黑河后主支沿合黎山南缘继续向东延伸.旁支 则向南东往高台方向延伸.而北山断裂向西与阿尔金断裂相连.似乎二者属于同一条断 层;向东受沿黑河展布的右行走滑断层的影响错断后.经高台向东继续延伸. .期何光玉等:——— 孳譬姜譬毒解释607 3讨论 3.1断层与地貌的关系 前述断层对地貌的改造作用非常明显,主要表现在地貌面,河流阶地及河流错移等3 个方面. 研究表明,本区发育有4级地貌夷平面,由北向南呈阶梯状下降.其中,I级地貌面 由零星分布的中高山山峰顶面组成,海拔36004000m,主要由志留系旱峡组的紫红色 硬砂岩组成.?级地貌面主要由切割破碎的山麓缓坡,宽谷及中低山峰顶面构成,海拔3 200,3500m,主要由中新生代地层组成;111级地貌面主要由走廊南部的低山丘陵带组成, 海拔2200,2900m,主要由晚新生代地层组成;?级地貌面即山前冲一洪积戈壁面,海 拔17002200m(陈杰等,1998).对比断裂的活动特征不难发现,这4级地貌面分别是由 前述北祁连1,2号断裂及庙北断裂的活动所形成的. 不仅如此,上述断裂还造成了大量河流阶地的形成.受断层影响,河西走廊西段各条 主要河流在流经南缘北祁连山前地带时都强烈下切,形成了多级河流阶地.例如,石油河 发育有7级阶地,北大河发育有12级阶地,洪水坝河发育有15级阶地,黑河发育有7级 阶地等等(谭利华等,1998).这些阶地的发育与上述断层的新构造活动直接相关. 此外,断层还造成了河流在平面上的错移.如前所述,在合黎山断层的左行走滑作用 下,北大河在金塔南山段左旋错移达2km,黑河在合黎山附近及其南缘多次发生左旋错 移,并且最大位移达3km. 3.2断层与地震的关系 河西走廊西段地震活动强烈,历史上有记载的大地震有3次:公元180年高台大地震, 1609年红崖子,清水堡大地震和1785年新民堡大地震.此外,2002年12月14日又在走 廊中部的玉门地区发生了5.9级地震. 从成因上来看,这4处地震中除新民堡大地震与前面介绍的断层无关外,其它3处地 震都与这些断层有非常密切的关系.180年的高台大地震位于合黎山断层的南支上,其形 成无疑与该分支断层的活动有关;1609年的红崖子,清水堡大地震尽管位于北祁连1,2 号断裂的前缘,但由于断裂的位置为北祁连山南缘的金佛寺花岗岩体,人迹罕至,因此, 实际的震中应该位于这两条断裂上.而2002年的玉门地震则位于青西断层活动带上,因 此,主要由青西断层的活动所致(图1,图2). 4结论 河西走廊西段及邻区新生代断层的发育主要与北祁连的冲断推覆作用和阿尔金断裂的 活动有关.与北祁连冲断推覆作用有关的断层,主要有北祁连冲断一单斜带的逆断层和北祁 连冲断前锋带的隐伏断层.前者主要有北祁连1,2号断裂,后者主要有庙北断裂.与阿尔 金断裂活动有关的断层主要有逆断层和走滑断层两种类型.前者以逆冲运动为主兼有走滑 运动的特征,主要有红柳峡断层和宽台山断层;后者以走滑运动为主兼有逆冲运动的特 征,主要有合黎山断层. 上述断层在晚第三纪时期开始形成,在第四纪时期仍然活动强烈,属于活动断层.断 层与地貌变形和地震活动的关系非常密切.断层活动的结果形成了一系列的地貌夷平面和 6O8地震26卷 河流阶地,使河流发生错移,并至少还与该区的3次地震活动密切相关. 本研究得到中国石油天然气股份公司玉门油田分公司和卢华复,朱杨明,程晓敢,王 步清等的支持与帮助,在此深表感谢! 参考文献 陈杰,卢演俦,丁国瑜.1998.祁连山西段酒西盆地区阶地构造变形的研究Eli.西北地震,20(1):28,36 陈志泰,虢顺民,戴华光,等.1993.祁连山河西地区断层活动及其动力作用[A].见:国家地震局地质研究所编.中 法合作活断层对比研究[c].北京:地震出版社,29,5O 虢顺民,向宏发,黄昭.1987.河西走廊南缘断裂第四纪活动断裂的考察[A].见:中国地震学会地质专业委员会编.中 国地震年鉴[c].北京:地震出版社,263,268 国家地震局地质研究所,国家地震局兰州地震研究所.1993.祁连山河西走廊活动断裂系[M].北京:地质出版社, 74,208 李有利,杨景春,李保俊,等.1997.河西走廊榆木山边缘断层构造地貌研究[J].地质力学,3(4):2O,26 闵伟,张培震,何文贵,等.2002.酒西盆地断层活动特征及古地震研究[J].地震地质,24(1):35,44 任纪舜,姜春发,张正坤,等.1980.中国大地构造及其演化[M].北京:科学出版社,1,124 时振梁,环文林,谢原定.1982.河西走廊西部的活动断层和地震[A].见:中国地震学会地质专业委员会编.中国活动 断裂rC].北京:地震出版社,212,218 潭利华,杨景春,段烽军.1998.河西走廊新生代构造运动的阶段划分[J].北京大学.自然科学版.34(4):523,532 向宏发,虢顺民,才树华.1988.祁连山北缘断裂带第四纪运动特征的初步研究[J].华北地震科学,6(3):1,9 向宏发,虢顺民.1990.对河西走廊玉门一嘉峪关地区活动断裂的初步认识[A].见: 国家地震局地质研究所编.现代地 壳运动研究[c].北京:地震出版社,139,145 oNFAULTSoFWESTERNHEXICoRRIDoRANDITS VICINITY.NoRTHWESTERNCHINAI:THRUSTAND STRIKE—SLIPFAULTSoFLATECENoZoIC HeGuangyuYangShufengChenHanlin'XiaoAncheng' HanYongkeLiJianliLiuYu.GaoJunliang. 1)DepartmentofEarthSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China 2)YumenOilfield,Yumen735000,China 3)HenanOilfield,Nanyang473132,China Abstract:Thestructuralanalysisbasedontheexplanationofseismicprofilesindicatesthat alotofthrustfaultsandstrike-slipfaultsofLateCenozoicoccurinwesternHexiCOrEidor andnearbyregions.Theycanbedividedintotwotypes.Oneisthethrustfaultsdipping southwardandextendingnorthwestward,whichwasmainlycorrelatedwiththethrusting ofnorthernQilianshanandlocatedatthenortheastmarginofQilianshanandthesouth— easternHexiCorridor,theotheriSthethrustfaultsandstrikslipfaultsthatwererelated tothestrike—slippingofAltunfaultandlocatedmainlyattheregionsofHongliuxia, Kuantaishan.andHelishanthatareclosetotheAltunfault.Allthesefaults.whichwere relatedtotheremoteeffectsofcoilisionbetweenthetwocontinentsofIndiaandTibetdur— ingtheLateEoceneandlater.startedtodevelopsincetheLateTertiaryandPresentedthe featuresofviolentthrustorstrike—sliPmovementinQuaternary.Manyofthemarestill activeuptonowandthusbelongtotheactivefaultsthatarethepotentialinducementof earthquakesintheHexiCorridor.Moreover,alotofintensestructuraldeformationand manymorphologyphenomenasuchastectonicterraceandriveroffsetwereformedunder thecontrolofthesefaultsinQuaternary. Keywords:thrustfault;strike—slipfault;earthquake;HexiCorridor