李 濤

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

帕米爾前緣逆沖推覆系活動(dòng)斷層和活動(dòng)褶皺作用

李 濤

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

帕米爾構(gòu)造結(jié)是印度板塊向歐亞大陸碰撞的兩個(gè)突出支點(diǎn)之一，是中國(guó)大陸受板塊動(dòng)力作用最強(qiáng)烈、強(qiáng)震頻發(fā)的地區(qū)之一，也是揭示青藏高原形成與演化歷史的關(guān)鍵地區(qū)之一。晚新生代帕米爾構(gòu)造結(jié)北部向北楔入推移了約300km，形成了一陸內(nèi)深俯沖帶和地震帶，但對(duì)這一變形過程及方式至今未能很好的限定。沿76°E附近橫跨帕米爾—天山的最新GPS測(cè)量結(jié)果表明，其現(xiàn)今地殼縮短速率為20～24mm／a，幾乎占印度板塊現(xiàn)今向北推擠速率（40～50mm／a）的一半。帕米爾已成為全球開展現(xiàn)今陸內(nèi)再造山過程、陸內(nèi)應(yīng)變的空間分配和時(shí)間變化、陸內(nèi)強(qiáng)震及其預(yù)測(cè)等大陸動(dòng)力學(xué)前沿問題研究的關(guān)鍵地區(qū)和最理想的天然實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。

在帕米爾西緣，構(gòu)造變形持續(xù)集中在帕米爾和塔吉克盆地的邊界斷層、左旋走滑的達(dá)瓦孜—卡拉庫(kù)爾斷層（Darvaz-Karakul Fault，簡(jiǎn)稱DKF）。與西緣不同，在帕米爾北緣的阿萊谷地，變形前緣已由帕米爾前緣逆沖推覆系（Pamir Frontal Thrust，簡(jiǎn)稱PFT）逐步向腹陸方向后退至山前的主帕米爾斷層（Main Pamir Thrust，簡(jiǎn)稱MPT）。在帕米爾東緣，自25～20Ma以來(lái)，構(gòu)造變形主要通過帕米爾與塔里木盆地的邊界斷層喀什—葉城轉(zhuǎn)換帶（Kashgar-Yecheng Transfer System，簡(jiǎn)稱KYTS）調(diào)節(jié)；至晚中新世或上新世，KYTS走滑速率由之前的約11～15mm／a減小至約1.7～5.3mm／a，帕米爾與塔里木盆地間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)明顯減弱，兩大塊體已拼接在一起并作為一整體向北運(yùn)動(dòng)。區(qū)域構(gòu)造格局的變化，必然導(dǎo)致應(yīng)變的重新分配。那么最新構(gòu)造變形帶位于何處，具有怎樣的變形特征，縮短速率如何？GPS觀測(cè)的該最新構(gòu)造變形帶現(xiàn)今地殼縮短速率約為6～9mm／a，這與第四紀(jì)時(shí)期的地質(zhì)變形速率是否一致？在時(shí)間和空間上應(yīng)變是如何在塔里木與帕米爾兩個(gè)相互作用的地體間傳遞、分配的？是一個(gè)還是多個(gè)構(gòu)造帶吸收了這一構(gòu)造變形？帕米爾東緣和東北緣的應(yīng)變分配與西緣和北緣有何不同，與其北鄰的天山又有何異同？

為了回答上述問題，我們選擇帕米爾、塔里木與天山碰撞帶的最新構(gòu)造變形帶帕米爾前緣逆沖推覆系（PFT），通過對(duì)其重點(diǎn)地段的大比例尺地質(zhì)-地貌填圖、磁性地層年代學(xué)和更新世變形河流階地的詳細(xì)測(cè)量、分析及測(cè)年研究，獲得了以下幾方面的新認(rèn)識(shí)：

（1）帕米爾東北緣活動(dòng)構(gòu)造的空間展布。帕米爾東北緣晚新生代以來(lái)的構(gòu)造變形主要集中在山前的MPT、前鋒地區(qū)的PFT和兩者之間的背馱盆地內(nèi)。MPT是帕米爾和塔里木盆地的邊界斷層，是帕米爾東緣的喀什—葉城轉(zhuǎn)換帶（KYTS）沿帕米爾和塔里木盆地的邊界向西北的延伸，由數(shù)條前新生代基底卷入的高角度逆斷層組成，斷層兩側(cè)地質(zhì)地貌特征對(duì)比顯著。綜合野外調(diào)查、地震分布、GPS速率和彈性半空間模型模擬結(jié)果，可確定MPT晚第四紀(jì)已基本停止活動(dòng)，構(gòu)造變形沿背馱盆地下伏的古近紀(jì)石膏層向北遷移到PFT上。PFT變形帶內(nèi)活動(dòng)斷層和活動(dòng)褶皺廣泛發(fā)育。出露地表的活動(dòng)斷層包括瑪依卡克盆地內(nèi)的別爾托闊依前緣斷層、瑪依卡克斷層和吉勒格由特?cái)鄬右约芭璧匾詵|的托姆洛安斷層?；顒?dòng)褶皺包括烏拉根背斜、明堯勒背斜和木什背斜。

（2）PFT變形帶內(nèi)第四紀(jì)地層和主要地貌面的年代。準(zhǔn)確而可靠地確定與PFT相關(guān)的第四紀(jì)地層和地貌面的年齡是本文研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。選擇PFT的分支托姆洛安斷層下盤明堯勒背斜西南一出露良好，包括阿圖什組頂部和西域礫巖厚約2 100m的地層剖面開展了詳細(xì)的磁性地層年代學(xué)研究。結(jié)合整個(gè)磁性地層剖面進(jìn)行帶的分布樣式，與Lourens等的磁性極性年表進(jìn)行對(duì)比，將剖面最下部的正極性帶N1對(duì)應(yīng)于Matuyama的Reunion正極性亞時(shí)，最上部的N4對(duì)應(yīng)于Brunhes正極性時(shí)，即剖面底部阿圖什組與西域礫巖的分界年齡約為2Ma，西域礫巖頂界年齡約為0.35Ma。據(jù)此獲得剖面下段1 600m厚地層的平均沉積速率約為1 150m／Ma，各段地層沉積速率大致保持恒定。

在研究區(qū)沿克孜勒蘇河、別爾托闊依河、康素河、喀帕卡河兩岸普遍發(fā)育有多期區(qū)域可對(duì)比的河流階地。本文采用光釋光測(cè)年方法對(duì)這些階地進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)年。結(jié)果表明，這些階地面形成于氣候由冰期向間冰期的轉(zhuǎn)換階段，反映了階地形成于氣候事件的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)分布和發(fā)育最廣泛的階地面形成于末次冰盛期（Last Glacial Maximum，簡(jiǎn)稱LGM），本文命之為“LGM”階地。

（3）PFT變形帶內(nèi)主要活動(dòng)斷層的變形特征和速率。在瑪依卡克盆地，位于盆地SW緣的別爾托闊依前緣斷層為一向北逆沖、傾角約70°的高角度逆斷層，根據(jù)盆地內(nèi)LGM階地的斷錯(cuò)量可得斷層的傾滑速率為2.1＋1.0／-0.5mm／a，縮短速率約為2.0mm／a。位于盆地北部的瑪依卡克斷層為一向南逆沖、傾角約15°的低角度逆斷層，斷層上盤階地面上發(fā)育多條逆彎滑斷層和正彎滑斷層陡坎；在彎滑斷層發(fā)育處階地面發(fā)生了明顯反向掀斜。綜合瑪依卡克斷層附近階地面變形特征和下伏構(gòu)造的形態(tài)，認(rèn)為瑪依卡克斷層極有可能為烏拉根背斜南翼褶皺生長(zhǎng)形成的逆彎矩?cái)鄬印８鶕?jù)LGM階地的斷錯(cuò)，估算該斷層的傾滑速率為3.1＋3.0／-1.6mm／a，縮短速率約為3.0mm／a。盆地北緣的吉勒格由特?cái)鄬訛橐粌A角約45°的向南逆沖的斷層，根據(jù)階地面斷錯(cuò)，其傾滑速率約為0.25mm／a，縮短速率約為0.2mm／a。由盆地向東為PFT 的分支托姆洛安斷層，斷層活動(dòng)使古近紀(jì)膏泥巖沿約15°的斷層面向北逆沖到明堯勒背斜南翼第四紀(jì)西域礫巖之上，最小縮短量約為2.1km。根據(jù)磁性地層年代學(xué)結(jié)果，估算該西域礫巖頂界年齡約為0.35Ma，由此可得，PFT的最小傾滑速率約＞6.3mm／a，縮短速率約＞6.3mm／a。

（4）PFT變形帶內(nèi)主要活動(dòng)褶皺的變形特征和速率。在PFT變形帶內(nèi)，活動(dòng)褶皺的變形非常強(qiáng)烈，對(duì)調(diào)節(jié)區(qū)域應(yīng)變具有重要作用。但僅利用出露地表的前生長(zhǎng)地層無(wú)法限定褶皺的生長(zhǎng)機(jī)制和變形速率。由于褶皺生長(zhǎng)過程中，發(fā)育在褶皺區(qū)的河流階地也發(fā)生了同步變形；通過對(duì)河流階地的詳細(xì)填圖、測(cè)量和定年，確定階地面幾何形態(tài)及其與下伏基巖間的關(guān)系，可推斷活動(dòng)褶皺的生長(zhǎng)機(jī)制，估算褶皺的變形速率。

明堯勒背斜為一滑脫褶皺，自約1.6Ma以來(lái)的縮短速率約為0.9mm／a。在明堯勒背斜南翼喀帕卡河谷、采金場(chǎng)和背斜SW的階地面上發(fā)育著一系列褶皺陡坎。褶皺陡坎是指初始水平或近水平的地層或未固結(jié)的沉積物（或階地面、不整合面、侵蝕面等）受下伏斷層或盲斷層的轉(zhuǎn)折沖斷作用，由于膝折帶遷移使活動(dòng)樞紐與固定樞紐分離而在地表形成的陡坎。根據(jù)斷層相關(guān)褶皺的基本理論，對(duì)于滑脫褶皺，盡管由于不發(fā)育斷坡而不存在斷層的轉(zhuǎn)折沖斷作用，但在理論上，褶皺的膝折帶遷移機(jī)制也會(huì)使活動(dòng)軸面與固定軸面分離而形成褶皺陡坎；而在翼旋轉(zhuǎn)機(jī)制中，為調(diào)節(jié)內(nèi)部空間的減小，活動(dòng)樞紐附近地層的小規(guī)模遷移也會(huì)在地表形成褶皺陡坎。盡管滑脫褶皺在理論上存在形成褶皺陡坎的可能，卻并未有相關(guān)野外實(shí)例的詳細(xì)報(bào)道。通過對(duì)河流階地變形特征的分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)育在明堯勒背斜南翼喀帕卡河谷和采金場(chǎng)的褶皺陡坎是通過膝折帶遷移機(jī)制形成的，在背斜西南的褶皺陡坎是通過翼旋轉(zhuǎn)形成的，是兩種新的褶皺陡坎類型。根據(jù)采金場(chǎng)T2階地上發(fā)育的褶皺陡坎，可得背斜晚第四紀(jì)縮短速率約＞0.6mm／a。與斷彎褶皺作用形成的經(jīng)典褶皺陡坎對(duì)比表明，這幾種不同類型的褶皺陡坎在產(chǎn)出位置、野外識(shí)別和形態(tài)上具有很多相似之處，但在形成機(jī)制、造成的階地變形和規(guī)模上也存在諸多不同，在利用褶皺陡坎計(jì)算背斜縮短增量時(shí)首先要區(qū)分褶皺陡坎的類型。

褶皺在三維空間的生長(zhǎng)包括縮短、隆升和側(cè)向擴(kuò)展。河流階地作為伴隨背斜生長(zhǎng)被動(dòng)變形的地貌面已越來(lái)越多地被應(yīng)用到褶皺縮短和隆升的研究中，但利用河流階地限定褶皺側(cè)向擴(kuò)展的實(shí)例尚屬少見。發(fā)育在PFT東部的木什背斜，為一南翼緩、北翼陡由滑脫面或盲斷坡控制的斷頂褶皺，其縮短量約為700m，隆升量可達(dá)約1 300m。在背斜核部和北部發(fā)育數(shù)級(jí)開闊平坦的沿背斜軸向展布的河流階地，伴隨背斜生長(zhǎng)河流階地發(fā)生了顯著變形。通過對(duì)階地面變形特征的分析，木什背斜晚第四紀(jì)是通過翼旋轉(zhuǎn)縮短和隆升的，其縮短速率和隆升速率分別為1.5＋1.4／-0.5mm／a和2.3＋2.3／-0.9mm／a。沿背斜軸向，河流階地縱剖面發(fā)生了明顯掀斜。根據(jù)木什背斜河流階地變形特征，提出了區(qū)分褶皺側(cè)向擴(kuò)展方式的模型，與該模型對(duì)比表明，木什背斜向東的側(cè)向擴(kuò)展至少自約134ka在T4階地形成之后已停止活動(dòng)，側(cè)向擴(kuò)展僅通過側(cè)向旋轉(zhuǎn)作用進(jìn)行。

（5）帕米爾東北緣的應(yīng)變分配及其與西緣和北緣的差別。在瑪依喀克盆地，PFT的變形由別爾托闊依前緣斷層、瑪依喀克斷層和吉勒格由特?cái)鄬诱{(diào)節(jié)，其萬(wàn)年尺度的總縮短速率約為5.0mm／a，由盆地向東PFT兩分支托姆洛安斷層和明堯勒背斜在百萬(wàn)年尺度內(nèi)吸收的縮短速率共計(jì)約7～8mm／a。因此，PFT在萬(wàn)年和百萬(wàn)年兩個(gè)不同時(shí)間尺度內(nèi)的縮短速率大致相當(dāng)，約為5～8mm／a，且該速率與由GPS數(shù)據(jù)得到的現(xiàn)今會(huì)聚速率約6～9mm／a也大致相同，表明PFT在過去的約1～2Ma吸收的縮短速率基本恒定，帕米爾東北緣的主要構(gòu)造變形可能至少自約1～2Ma以來(lái)由山前的MPT向北遷移至PFT上。該速率與研究區(qū)以西阿萊谷地內(nèi)MPT全新世縮短速率約＞5.3mm／a和以東南天山南緣喀什前陸盆地內(nèi)阿圖什—喀什褶皺帶約4Ma以來(lái)的縮短速率約5mm／a相當(dāng)，表明盡管帕米爾與天山之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在不同位置由不同構(gòu)造吸收，但可能至少自約4Ma以來(lái)，兩大塊體的會(huì)聚速率是基本恒定的，均約為5～8mm／a。

帕米爾與天山間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在不同邊界由不同構(gòu)造吸收，反映了帕米爾各邊界不同的區(qū)域構(gòu)造格局。在帕米爾東緣和東北緣，帕米爾和塔里木盆地邊界斷層MPT—KYTS活動(dòng)性的明顯減弱及構(gòu)造變形前緣向北遷移至PFT-南天山南緣均表明，兩大塊體已拼接在一起并作為整體向天山推擠。在帕米爾西緣構(gòu)造變形持續(xù)集中在左旋走滑的DKF上則反應(yīng)了帕米爾和塔吉克盆地之間仍具有很強(qiáng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而在帕米爾北緣的阿萊谷地，盡管變形前緣向腹陸方向后退，但變形前緣一直位于帕米爾一側(cè)。

（6）帕米爾與天山造山作用和向前陸地區(qū)擴(kuò)展方式的異同。與北鄰天山縮短變形分散在造山帶內(nèi)多條高角度逆斷層上不同，帕米爾的構(gòu)造變形主要集中在邊界斷層上，反應(yīng)了兩大塊體不同的造山過程。帕米爾和天山向前陸地區(qū)的擴(kuò)展都具有脈沖式擴(kuò)展遷移的特征。但不同的是，帕米爾前陸地區(qū)的構(gòu)造變形以出露地表的活動(dòng)斷層為主，各分支構(gòu)造長(zhǎng)度較小，且應(yīng)變集中在非常狹窄的范圍內(nèi)。而天山前陸地區(qū)的構(gòu)造變形則以盲斷層控制的活動(dòng)褶皺為主，各分支構(gòu)造可延伸很長(zhǎng)距離，構(gòu)造變形離散在很寬的變形帶內(nèi)。

（7）擠壓造山帶GPS速率與地質(zhì)速率一致性探討。在擠壓造山帶，GPS速率與長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)的地質(zhì)速率是否一致，能代表多長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)的地質(zhì)速率仍未得到很好的驗(yàn)證。通過對(duì)喜馬拉雅、臺(tái)灣、天山和帕米爾的對(duì)比，我們認(rèn)為，兩速率是否一致受控于斷層幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)造山帶內(nèi)斷層傾角越大、包括斷層越多，斷層震間變形的尺度與上地殼厚度越接近時(shí)，兩速率更趨于一致。

本論文的主要進(jìn)展和創(chuàng)新點(diǎn)包括：

（1）給出了PFT變形帶內(nèi)活動(dòng)構(gòu)造的空間展布，限定了各分支構(gòu)造的變形特征和速率；

（2）限定了帕米爾東北緣的應(yīng)變分配，揭示了帕米爾東緣和東北緣變形特征與西緣和北緣的不同，以及整個(gè)帕米爾與天山造山作用和向前陸地區(qū)擴(kuò)展方式的異同；

（3）在野外首次發(fā)現(xiàn)了與經(jīng)典褶皺陡坎不同的兩種新的褶皺陡坎類型，并對(duì)其變形特征進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)其形成機(jī)制進(jìn)行了探討；

（4）首次提出了利用變形河流階地限定背斜三維空間生長(zhǎng)，尤其是側(cè)向擴(kuò)展的方法和模型；

（5）首次在國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了活動(dòng)逆彎矩?cái)鄬雍驼龔澔瑪鄬拥膶?shí)例，也是國(guó)際上僅有的幾個(gè)研究實(shí)例之一，并對(duì)其變形特征、形成機(jī)制等進(jìn)行了討論；

（6）對(duì)碰撞造山帶GPS速率與長(zhǎng)時(shí)間尺度地質(zhì)速率一致性的控制因素進(jìn)行了探討；

（7）在國(guó)內(nèi)首次運(yùn)用Monte Carlo模擬方法對(duì)活動(dòng)斷層和活動(dòng)褶皺的變形速率及其不確定性進(jìn)行了定量計(jì)算。

背斜帶；斷層分布；逆沖推覆；帕米爾東緣；構(gòu)造變形；前緣斷層；活動(dòng)斷層；明堯勒；縮短速率；走滑；變形特征；河流階地；邊界斷層；前陸；陡坎；滑斷層；活動(dòng)褶皺；阿圖什組；滑脫褶皺；北緣

（作者電子信箱，李濤：litao.410＠163.com）

P542；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2013.08.010