尹功明 江亞風(fēng) 俞 崗 韓 非 劉春茹

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083

0 引言

香山－天景山斷裂位于甘肅與寧夏的交接地區(qū)，與南側(cè)的海原斷裂和北側(cè)的煙筒山－牛首山斷裂共同組成青藏高原東北緣著名的弧形斷裂體系。香山－天景山斷裂長(zhǎng)期以來(lái)活動(dòng)強(qiáng)烈，早期以擠壓逆沖為主，形成香山－天景山的隆起和中衛(wèi)盆地的下降，可能在第四紀(jì)早期轉(zhuǎn)變成以左旋走滑為主兼具逆沖性質(zhì)的斷裂(張維岐等，1988)，或在距今5Ma時(shí)開(kāi)始左旋運(yùn)動(dòng)(Wang et al.;2013)。在黃河左岸的一所附近，可以見(jiàn)到斷裂露頭，煤系地層逆沖在黃河T2階地礫石層之上，斷層面上擦痕明顯，側(cè)伏角為15°～20°，為典型的左旋走滑兼具逆沖分量。

有關(guān)香山－天景山斷裂左旋走滑已有一些研究，其中，汪一鵬等(1990)根據(jù)紅溝梁Ⅰ級(jí)階地研究獲得全新世平均滑動(dòng)速率為3.58mm/a;戴華光等(1999)根據(jù)不同級(jí)別的沖溝、山脊和階地的80個(gè)水平位錯(cuò)值計(jì)算得到天橋—黃羊川一帶晚更新世以來(lái)的左旋滑動(dòng)速率為4～5mm/a;張維歧等(1988)根據(jù)堿溝與陰溝之間斷層將古－新近系與前寒武系不整合面的界限錯(cuò)動(dòng)指出錯(cuò)動(dòng)量為3.2km;丁國(guó)瑜(1993)根據(jù)黃河沙坡頭大拐彎位置距離以及推測(cè)的古河道，認(rèn)為在此段黃河形成以來(lái)的總位移量約3km，但沒(méi)有具體的年齡數(shù)據(jù);另外，根據(jù)孟家灣火車站附近黃河礫石的位置，推測(cè)左旋走滑的距離約8km，但是，對(duì)于黃河礫石的原始位置沒(méi)有討論(Ding et al.，2004);張珂等(2010)根據(jù)黃河在穿過(guò)該斷層時(shí)形成的不對(duì)稱谷地，提出不對(duì)稱谷地的寬度7km是斷層左旋走滑的距離;李傳友(2005)認(rèn)為本斷裂全新世的左旋走滑速率為2.81～7.48mm/a，平均2.86mm/a。顯然，有關(guān)本斷裂左旋走滑的研究程度并不高，不同地點(diǎn)的數(shù)值相差也較大。

橫跨走滑斷裂的沖溝和河流是研究走滑運(yùn)動(dòng)時(shí)常用的材料。本文根據(jù)沙坡頭大彎一帶的黃河階地特征，分析香山－天景山斷裂在此段黃河形成以來(lái)的左旋走滑量和走滑速率，豐富此斷裂的基本信息。

1 沙坡頭大彎一帶黃河階地分布特征

黃河在夜明山前緣穿越香山－天景山斷裂后，即在斷裂的北側(cè)，黃河沙坡頭大彎一帶，形成了非常美麗的“幾”字型大彎曲(圖1)。在“幾”字型突出部位，河流直接與基巖接觸，沒(méi)有階地存在。在大彎內(nèi)側(cè)發(fā)育了3級(jí)階地，從低到高分別標(biāo)為T(mén)1、T2、T3(圖1)。前人對(duì)大彎處的階地有不同的劃分，丁國(guó)瑜(1993)只劃分為Ⅱ級(jí)階地和Ⅰ級(jí)南山臺(tái)子面;胡海濤等(1993)劃分出5級(jí)階地;馮希杰(2002)則劃出7級(jí)。大家對(duì)于T1和T2的劃分、位置等都是一致的。丁國(guó)瑜(1993)劃分的南山臺(tái)子面，我們認(rèn)為是T3階地。而我們劃分的T3與胡海濤、馮希杰等各自劃分的最高級(jí)階地一致。胡海濤等(1993)的T3和T4、馮希杰的T3～T6認(rèn)定部位，位于大灣村與小灣村之間，范圍極小，高差僅25m，基巖出露，沒(méi)有黃河礫石分布，應(yīng)該為基巖殘丘。因此，我們認(rèn)為只發(fā)育3級(jí)階地。河流階地因氣候變化導(dǎo)致基準(zhǔn)面的下降而形成，同時(shí)可以受垂向上的構(gòu)造事件的影響。本研究主要涉及的是沙坡頭大彎一帶黃河相對(duì)固定形成以來(lái)產(chǎn)生的水平位移量，因此不具體討論到底有幾級(jí)階地、階地形成過(guò)程以及階地特征等。本文對(duì)階地的劃分為:

T1階地 基座階地，拔河高約8m，階地寬度約200m。被村莊和農(nóng)田占據(jù)，表明階地上部為沙－黏土堆積。

T2階地 基座階地，拔河高約40m，階地寬度約800m。礫石層厚4～10m，部分被風(fēng)沙覆蓋。

圖1 沙坡頭黃河階地分布示意圖(據(jù)丁國(guó)瑜修改，1993)Fig.1 The sketch map of distribution of the Yellow River terraces in Shapotou area(after DING Guo-yu，1993).

T3階地 基座階地，拔河高約80m，階地寬達(dá)1 400m，但大部分被風(fēng)沙覆蓋。礫石層厚達(dá)15m。

此段黃河T2、T3階地堆積物全為黃河礫石，礫石磨圓度高，礫石層有層理，含豐富的長(zhǎng)英質(zhì)礫石。礫石粒徑以8～20cm為主，并含1m以上的巨礫，幾乎不含河沙。礫石潔凈，表明黃河水動(dòng)力極強(qiáng)。T3后緣的山地為石炭紀(jì)地層，而T1、T2基座和左岸出露地層為白堊紀(jì)和上新世的紅色砂巖和泥巖。

采自沙坡頭大彎第3級(jí)階地后緣頂部(此段為最高的黃河堆積物)礫石層中透鏡體沙樣品的光釋光年齡為 (169±6)ka，ESR年齡為(194±29)ka(表1)。2種測(cè)年方法在誤差范圍內(nèi)基本一致。而釋光測(cè)年相對(duì)較成熟。另外，采樣階地為香山－天景山斷裂北側(cè)的最高階地，張珂等(2004)研究認(rèn)為，中衛(wèi)盆地在中更新世晚期隆起才使黃河固定。因此，這2個(gè)年齡值是可靠的，即沙坡頭大彎一帶最高階地(T3)形成于距今170ka左右。由于低階地的形成年齡與本文研究?jī)?nèi)容無(wú)關(guān)，因此不予探討。

表1 沙坡頭大彎Ⅲ級(jí)階地后緣頂部樣品的OSL和ESR測(cè)年數(shù)據(jù)表Table 1 Results of OSL and ESR dating of samples from top of trailing edge of the third terrace at the Shapotou Big Bend area

圖2 沙坡頭大彎Ⅲ級(jí)階地后緣頂部采樣點(diǎn)剖面照片(37°27'03.6″N，104°59'34.7″E)Fig.2 Photo of the cross-section of the sampling site at top of trailing edge of the third terrace at the Shapotou Big Bend area.

2 討論和分析

橫跨走滑斷裂的沖溝和河流是研究走滑運(yùn)動(dòng)的很好場(chǎng)所，可以根據(jù)河流的拐彎位移來(lái)恢復(fù)斷裂的運(yùn)動(dòng)量。對(duì)于發(fā)育久遠(yuǎn)、側(cè)蝕作用強(qiáng)烈的河流，在選擇斷裂兩側(cè)的測(cè)量參照物時(shí)，需要具體分析。根據(jù)左旋走滑運(yùn)動(dòng)特征，河流在穿過(guò)左旋走滑斷裂后的位移量與斷層位移量有如下的關(guān)系。

(1)如果兩岸沒(méi)有被河流沖刷，只形成河道拐彎形態(tài)，那么，階地左右兩岸的走滑量應(yīng)該相同(AA'=BB')，其河岸的位移量就是斷裂的位錯(cuò)量(圖3)。

(2)雖然河道兩岸受斷裂左旋作用一直向左移動(dòng)，但如果河流沖刷河岸導(dǎo)致了河岸后退，那么，通過(guò)被沖刷側(cè)蝕作用的河岸位錯(cuò)量來(lái)計(jì)算斷裂位移量會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。圖4表示河道形成以來(lái)右岸只是在靠近斷裂附近被沖刷侵蝕，而遠(yuǎn)離斷裂的河岸未被側(cè)蝕，同時(shí)，左岸一直被沖刷側(cè)蝕后退。在這種情況下，通過(guò)斷裂上下游左岸對(duì)比測(cè)量獲得的量值(AA')要大于右岸對(duì)比測(cè)量獲得的量值(BB')。而B(niǎo)B'值則代表斷裂自此段河流形成以來(lái)的位移量。

黃河在香山－天景山斷裂的南側(cè)形成了深切的黑山峽，在夜明山發(fā)育9級(jí)階地，最高拔河140m，階地發(fā)育在左岸，右岸不發(fā)育(邢成起，2006)。而在香山－天景山斷裂的北側(cè)，階地發(fā)育與斷裂南側(cè)正好相反，主要階地在右岸。

如前所述，香山－天景山斷裂至少?gòu)牡谒募o(jì)以來(lái)是一條以左旋為主的斷裂，對(duì)橫跨此斷裂的黃河，肯定會(huì)產(chǎn)生影響。那么其影響值(位移值)有多大?可做以下分析，黃河右岸基巖為抗沖刷作用較弱的含煤地層、泥巖和砂巖。而黃河是一條水動(dòng)力極其強(qiáng)烈的河流，對(duì)河岸的沖刷作用非常強(qiáng)大?？梢酝茰y(cè)在沙坡頭大彎一帶黃河被固定之前(即T3之前)，黃河最有可能是從SW往NE直向流動(dòng)。當(dāng)時(shí)，黃河向右拐流動(dòng)的可能性很小。即T3后緣基巖是當(dāng)時(shí)“推測(cè)黃河直道”的右岸(圖5)。

圖3 左旋走滑斷裂河流兩岸都未被沖刷侵蝕Fig.3 River banks along the left-lateral strike-slip fault without scour erosion.

圖4 左旋走滑斷裂河流下游左岸被沖刷侵蝕而右岸未被沖刷侵蝕Fig.4 River banks along the left-lateral strike-slip fault with the left bank in the downstream eroded，while the right bank not.

距今170ka時(shí)，沙坡頭大彎一帶形成了T3階地，即T3后緣就脫離了黃河水的沖刷側(cè)蝕，右岸形態(tài)不再改變，成為“原生岸”。而斷裂南側(cè)的黃河右岸位置一直沒(méi)有改變，為固定的“原生岸”。把圖1簡(jiǎn)化成圖5，其形態(tài)特征與圖4相似。因此，可以通過(guò)斷裂兩側(cè)右岸的“原生岸”來(lái)推算斷裂的位移量。在T3后緣與“黃河直道”之間作香山－天景山斷裂的平行線，獲得最大值的EE'線，EE'線的長(zhǎng)度就是斷裂的位移量，位移值為880m。即距今170ka以來(lái)，香山－天景山斷裂左旋走滑的最大量值為880m，因此，最大速率為5.18mm/a。這個(gè)速率與戴華光等(1999)的研究結(jié)果(4～5mm/a)相近，而比李傳友(2005)獲得的全新世平均滑動(dòng)速率(2.86mm/a)要大。但實(shí)際上李傳友(2005)對(duì)不同地點(diǎn)研究得出的速率也是不同的，其中最大值為7.48mm/a。如果考慮到這個(gè)值是最大值，而且是不同的地點(diǎn)，可認(rèn)為此結(jié)果是比較合理的。

圖5 沙坡頭黃河地貌簡(jiǎn)圖Fig.5 Topographical sketch of the Yellow River at Shapotou area.

另外，通過(guò)左岸獲得的位移值為3 000m(圖5中的HH'線)，這個(gè)量值也是以往文獻(xiàn)認(rèn)為的值(丁國(guó)瑜，1993)，與通過(guò)右岸獲得的數(shù)值相差達(dá)2 100m。如果采用3 000m數(shù)值，則表明，在堆積T3時(shí)黃河在圖5中“推測(cè)黃河直道”的東邊2 100m處，而黃河過(guò)斷裂后，要向右轉(zhuǎn)流，這可能與斷裂長(zhǎng)期左旋產(chǎn)生的效果不符。所以，通過(guò)侵蝕岸獲得的“位錯(cuò)量”是不可靠的。

實(shí)際上彎曲性河流在自然界中普遍存在，是由河流的地質(zhì)條件和水文條件等多方面因素共同作用以及河流的自我調(diào)節(jié)因素導(dǎo)致的(洪笑天，1987)。因受到地球自轉(zhuǎn)科里奧利力的影響，河流不可能是順直流動(dòng)的，在北半球，科氏力使運(yùn)動(dòng)的物體向右偏轉(zhuǎn);單位水體運(yùn)動(dòng)的軌跡總是走彎的(Yang，1971)。隨著河流的彎曲性形成，必然在河流凹岸發(fā)生侵蝕后退，同時(shí)，凸岸邊灘穩(wěn)定沉積且不斷擴(kuò)大(圖6)。如果同時(shí)發(fā)生構(gòu)造隆升或基準(zhǔn)面下降，還可在凸岸形成階地。從沙坡頭大彎一帶的黃河階地分布(圖1)中可看出，從距今170ka以來(lái)有過(guò)2次隆升的構(gòu)造事件或基準(zhǔn)面下降變化。

圖6 河曲水流運(yùn)動(dòng)方向及平面形態(tài)示意圖Fig.6 Sketch showing water flow direction in a meandering stream and its plane geometry.

3 結(jié)論

(1)通過(guò)穿越走滑斷裂的河流拐彎程度來(lái)估算斷裂走滑量時(shí)，必須根據(jù)河流地貌發(fā)育特征，選擇合理的測(cè)量對(duì)象才能獲得相對(duì)可靠的量值。

(2)根據(jù)沙坡頭大彎一帶的黃河地貌和階地特征推測(cè)，距今170ka以來(lái)，香山－天景山斷裂左旋走滑的最大量值不超過(guò)880m，滑移速率應(yīng)＜5.18mm/a。

戴華光，陳永明，蘇向洲，等.1999.天橋溝－黃羊川活動(dòng)斷裂帶的幾何學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征［J］.西北地震學(xué)報(bào)，21(3):259—267.

DAI Hua-guang，CHEN Yong-ming，SU Xiang-zhou，et al.1999.Geometry and kinematics characteristics of Tianqiaogou-Huangyangchuan active fault zone［J］.Northwestern Seismological Journal，21(3):259—267(in Chinese).

丁國(guó)瑜.1993.寧夏中衛(wèi)沙坡頭黃河位錯(cuò)現(xiàn)象［J］.第四紀(jì)研究，13(4):370—378.

DING Guo-yu.1993.Offset of Yellow River，Shapotou，Zhongwei County，Ningxia ［J］.Quaternary Sciences，13(4):370—378(in Chinese).

馮希杰，師亞芹.2002.寧夏沙坡頭黃河大彎曲形成時(shí)代的討論［J］.西北地震學(xué)報(bào)，24(4):33—37.

FENG Xi-jie，SHI Ya-qin.2002.Discussion on the forming time of the big winding of Yellow River in Shapotou，Ningxia［J］.Northwestern Seismological Journal，24(4):33—37(in Chinese).

洪笑天，馬紹嘉，郭慶伍.1987.彎曲河流形成條件的實(shí)驗(yàn)研究［J］.地理科學(xué)，7(1):35—43.

HONG Xiao-tian，MA Shao-jia，GUO Qing-wu.1987.An experimental study on the forming conditions of meandering rivers［J］.Sci Geo Sin，7(1):35—43(in Chinese).

胡海濤，羅國(guó)煜，許兵，等.1993.黃河黑山峽段大柳樹(shù)壩址工程地質(zhì)專題研究［M］.北京:地震出版社.

HU Hai-tao，LUO Guo-yu，XU Bing，et al.1993.Special Subject of Engineering Geology in the Daliushu Dam Region，Heishan Gorge of the Yellow River［M］.Seismological Press，Beijing(in Chinese).

李傳友.2005.青藏高原東北緣幾條主要斷裂帶的定量研究［D］:［學(xué)位論文］.北京:中國(guó)地震局地質(zhì)研究所.

LI Chuan-you.2005.Quantitative studies on major active fault zones in northeastern Qinghai-Tibet plateau［D］.Ph D thesis.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing(in Chinese).

汪一鵬，宋方敏，李志義，等.1990.寧夏香山－天景山斷裂帶晚第四紀(jì)強(qiáng)震重復(fù)間隔的研究［J］.中國(guó)地震，6(2):17—26.

WANG Yi-peng，SONG Fang-min，LI Zhi-yi，et al.1990.Study on recurrence intervals of great earthquakes in the late Quaternary of Xiangshan-Tianjingshan Fault zone in Ningxia［J］.Earthquake Research in China，6(2):17—26(in Chinese).

邢成起.2006.青藏高原東北隅弧束區(qū)的地貌面與新構(gòu)造演化［D］:［學(xué)位論文］.北京:中國(guó)地震局地質(zhì)研究所.

XING Cheng-qi.2006.Geomorphic surfaces and neo-tectonic evolution of the arc area in the northeastern margin of the Qinghai-Xizang plateau［D］:Ph D thesis.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing(in Chinese).

張珂，劉開(kāi)瑜，吳加敏，等.2004.寧夏中衛(wèi)盆地的沉積特征及其所反映的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)［J］.沉積學(xué)報(bào)，22(3):465—473.

ZHANG Ke，LIU Kai-yu，WU Jia-min，et al.2004.Depositional features of the Zhongwei Basin，Ningxia，and its implications for neotectonic movements［J］.Acta Sedimentologica Sinica，22(3):465—473(in Chinese).

張珂，馬占武.2010.斷層走滑產(chǎn)生的不對(duì)稱谷地［J］.華南地震，30(增刊):83—86.

ZHANG Ke，MA Zhan-wu.2010.Asymmetrical valley resulted from strike-slip fault［J］.South China Journal of Seismology，30(Suppl):83—86(in Chinese).

張維岐，焦德成，柴熾章，等.1988.寧夏香山－天景山弧形斷裂帶新活動(dòng)特征及1709年中衛(wèi)南7級(jí)地震形變帶［J］.地震地質(zhì)，10(3):12—20.

ZHANG Wei-qi，JIAO De-cheng，CHAI Chi-zhang，et al.1988.Neotectonic features of the Xiangshan-Tianjingshan arc fracture zone and the seismic deformation zone of 1709 south of Zhongwei M7earthquake ［J］.Seismology and Geology，10(3):12—20(in Chinese).

Ding G，Chen J，Tian Q，et al.2004.Active faults and magnitudes of left-lateral displacement along the northern margin of the Tibetan plateau［J］.Tectonophysics，380:243—260.

Wang Weitao，Eric Kirby，Zhang Peizhen，et al.2013.Tertiary basin evolution along the northeastern margin of the Tibetan plateau:Evidence for basin formation during Oligocene transtension［J］.Geological Society of America Bulletin，March/April 2013，125(3/4):377—400.doi:10.1130/B30611.1.

Yang C T.1971.On river meanders［J］.Journal of Hydrology，13.