李 濤 陳 杰 肖偉鵬

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

2)中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

3)安徽省地震局，合肥 230031

0 引言

褶皺陡坎是褶皺變形過程中形成的地貌陡坎，是近期發(fā)現(xiàn)的一種不同于斷層陡坎的構(gòu)造作用形成的陡坎地貌類型(盧華復(fù)等，2002;Thompson et al.，2002;陳杰等，2005a;Scharer et al.，2006;Chen et al.，2007;Hubert-Ferrari et al.，2007;李濤等，2014)。盡管褶皺變形通常彌散分布在整個褶皺帶內(nèi)，很難在地表形成坡度較大的陡坎;但根據(jù)斷層相關(guān)褶皺理論(Suppe，1983;Suppe et al.，1990，1992，1997;Poblet et al.，1996，1997;何登發(fā) 等，2005;Poblet，2012)，在某些構(gòu)造部位(如發(fā)生膝折帶遷移的活動樞紐附近)仍可能由于應(yīng)變陡變或集中而形成陡坎地貌，即為褶皺陡坎。褶皺陡坎記錄了活動褶皺變形演化的詳細(xì)過程，當(dāng)褶皺深部幾何形態(tài)無法準(zhǔn)確限定，橫跨褶皺地貌面無法連續(xù)追蹤，根據(jù)不同期次地貌面上發(fā)育的褶皺陡坎的變形特征，結(jié)合第四紀(jì)年代學(xué)，可限定活動褶皺的變形速率和生長演化歷史。

由于褶皺陡坎的概念模型提出較晚，相應(yīng)的研究實(shí)例較少，其中最為經(jīng)典的是盧華復(fù)等(2002)和Hubert-Ferrari等(2007)對南天山庫車地區(qū)秋里塔格背斜的研究。初始水平或近水平的地貌面(或地層、不整合面、侵蝕面等)受下伏斷層或盲斷層的拐折沖斷作用，在以膝折帶遷移方式通過活動樞紐時(shí)發(fā)生差異性隆升而在地表形成的陡坎(圖1)(盧華復(fù)等，2002)。陡坎高度h、下伏斷層傾角θ1(緩傾段)和θ2(陡傾段)與縮短增量s之間存在如下定量關(guān)系:

當(dāng)陡坎高度和縮短增量達(dá)到一定值時(shí)，陡坎坡度將不再變化，即達(dá)到最大坡度(圖1)(Chen et al.，2007)。褶皺陡坎的最大坡度φmax只與下伏斷層傾角有關(guān)，而與縮短增量無關(guān)，其計(jì)算公式為:

與其他類型陡坎(如斷層陡坎、階地陡坎等)相比，褶皺陡坎兩側(cè)下伏基巖傾角不同，即陡坎位于基巖中2個不同等傾角區(qū)轉(zhuǎn)折處(樞紐)，其走向與樞紐(或基巖)走向一致，且陡坎處不發(fā)育斷錯地表的斷層，是野外識別和判定褶皺陡坎的主要依據(jù)。由于該類褶皺陡坎與下伏斷層的拐折沖斷作用密切相關(guān)，因此文中稱之為斷彎褶皺陡坎。

圖1 斷彎褶皺陡坎模型(據(jù)Chen et al.，2007和Hubert-Ferrari et al.，2007修改)Fig.1 Fault-bend fold scarp model(modified from Chen et al.，2007 and Hubert-Ferrari et al.，2007).

盧華復(fù)等(2002)、Hubert-Ferrari等(2007)和Chen等(2007)對于斷彎褶皺陡坎進(jìn)行了深入研究，但對于其他類型的褶皺，尤其是下伏斷層不存在拐折的滑脫褶皺能否形成褶皺陡坎、形成的褶皺陡坎具有怎樣的變形特征等至今沒有相關(guān)報(bào)道。位于帕米爾－南天山前陸盆地的明堯勒背斜是第四紀(jì)早期開始生長且至今仍在活動的滑脫褶皺(圖2)(陳杰等，2005b)。在背斜南翼，克孜勒蘇河北岸階地面上發(fā)育了一系列褶皺陡坎。利用Google Earth提供的高分辨率衛(wèi)星影像，對該地區(qū)褶皺陡坎進(jìn)行了詳細(xì)的野外地質(zhì)地貌填圖。結(jié)合高精度差分GPS測量和宇宙成因核素測年結(jié)果，對該地區(qū)褶皺陡坎的變形特征、形成機(jī)制和運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行了探討，對其吸收的縮短增量和速率進(jìn)行了限定;并通過與斷彎褶皺陡坎的對比總結(jié)了2類褶皺陡坎的異同。

圖2 明堯勒背斜構(gòu)造簡圖Fig.2 Stratigraphy and structure of the Mingyaole anticline.

1 明堯勒背斜構(gòu)造變形特征

明堯勒背斜位于阿圖什背斜以南、喀什背斜以西，帕米爾前緣斷層帶(PFT)托姆洛安背斜和木什背斜北側(cè)(圖2)(Li et al.，2013)，全長約40km，寬約10km，走向近EW，呈略向南凸出的弧形(圖2a)。背斜南部，PFT使托姆洛安背斜的古近紀(jì)石膏層向北逆沖至明堯勒背斜西域礫巖之上(Li et al.，2012);背斜南翼還發(fā)育有PFT向北擴(kuò)展的前鋒——明堯勒南逆斷層，該斷層在1985年烏恰M7.4地震中發(fā)生破裂，形成了長約15km的地表破裂帶(圖2a)(馮先岳，1994)。

背斜區(qū)出露的基巖包括中新世烏恰群砂泥巖(N1w)，上新世阿圖什組砂泥巖、砂礫巖(N2a)和早更新世西域組礫巖(Q1x)(圖2a)。阿圖什組和烏恰群間為連續(xù)沉積，西域組礫巖與阿圖什組間為進(jìn)積式沉積接觸(Scharer et al.，2004;陳杰等，2005b)。該背斜為南緩北陡的寬緩不對稱箱狀背斜(圖2b)，其南、北兩翼地層最大傾角分別約為58°和70°，頂部傾角較緩。烏恰群和阿圖什組構(gòu)成了背斜的基本結(jié)構(gòu)，相互間近于平行，為一套前生長地層。在背斜南翼阿圖什組頂部，傾角34°阿圖什組地層之上被13°西域礫組地層超覆，形成一角度不整合。顯然阿圖什組頂界及上覆西域礫巖為一套與褶皺變形同時(shí)沉積的生長地層。陳杰等(2005b)據(jù)背斜南翼喀浪勾律克河谷磁性地層年代學(xué)結(jié)果認(rèn)為背斜變形起始于距今約1.6Ma。2010年在該剖面關(guān)鍵層位及剖面之上約100m的西域礫巖砂巖、粉砂巖透鏡體中補(bǔ)采了20個古地磁樣品，此外在西域礫巖底部采集了1個宇宙成因核素埋藏測年樣品。據(jù)新的磁性地層年代和埋藏測年結(jié)果(Thompson，2013)，該剖面沉積速率在(1.9±0.1)Ma有一突變，表明明堯勒背斜在約1.9Ma開始生長;阿圖什組頂部的角度不整合發(fā)生在(1.4±0.1)Ma，表明此時(shí)背斜活動可能加劇。

綜合Scharer等(2004)、陳杰等(2005b)結(jié)果和對喀浪勾律克河谷的補(bǔ)充填圖資料，獲得了背斜的構(gòu)造橫剖面(圖2b)。將明堯勒背斜解譯為一滑脫褶皺，其滑脫面位于距地表約8km的古近系中。在喀浪勾律克河，背斜縮短量和平均縮短速率分別為約1.7km和0.9mm/a，隆升量和速率分別為約2.3km和約1.2mm/a。背斜生長變形一直持續(xù)至今，使位于背斜中部喀浪勾律克河谷的階地和背斜西南克孜勒蘇河階地發(fā)生了顯著變形(陳杰等，2005b;Scharer et al.，2006;李濤等，2013)，并在背斜南翼克孜勒蘇河階地上形成了一系列褶皺陡坎。

2 明堯勒背斜南翼褶皺陡坎發(fā)育特征

2.1 階地分布及形成年代

明堯勒背斜南翼、克孜勒蘇河北岸是明堯勒背斜與明堯勒南逆斷層相互作用的地方(圖2a)。背斜的隆升、斷層的逆沖和克孜勒蘇河的強(qiáng)烈下切在背斜南翼形成了多級河流階地(圖3a)。階地均以阿圖什組砂泥巖、砂礫巖為基座、以青灰色磨圓較好的階地礫石堆積為蓋層?？拷角暗碾A地面上堆積有厚度超過1m的源自北部基巖隆升區(qū)的洪積物，為較純凈的砂質(zhì)黏土層;遠(yuǎn)離山前，洪積物迅速尖滅。各級階地被SN向沖溝深切，遭受了強(qiáng)烈侵蝕改造。

根據(jù)拔河高度和表面風(fēng)化程度，可將河流階地大致劃分為3期(圖3a)。其中T1和T2拔河高度分別為8～15m和30～40m。T3比T2高約15m，可進(jìn)一步細(xì)分為T3a和T3b，后者僅比前者高約3m;二者向東合并為同一階地。我們在T2階地未受后期擾動處開挖了一個深2m的探槽，用宇宙成因核素10Be深度剖面法采集了6個粗砂樣品，獲得了該階地的暴露年齡為(8.0±1.1)ka(Thompson et al.，2013)。

明堯勒南逆斷層在各階地上形成了一系列坡向北的反向斷坎(圖3a)。在T3b上，斷坎最高處近10m。在1985年烏恰地震中，斷層的同震垂直位移為1～2m(馮先岳，1994)，表明自T3b形成以來斷層可能已經(jīng)歷了至少5次同等規(guī)模的地震事件。研究區(qū)東端(圖3a)，坡向北的反向斷坎與北部基巖隆升區(qū)之間形成一小型堰塞盆地，其內(nèi)沉積了厚約數(shù)m的淺棕色砂質(zhì)黏土層。

2.2 褶皺陡坎發(fā)育特征

由于溝谷深切，階地下伏基巖出露良好(圖3a)。詳細(xì)的構(gòu)造填圖表明，基巖中發(fā)育一近EW走向的向斜樞紐:在約10m范圍內(nèi)，基巖傾角由北側(cè)的50°～59°向南變?yōu)?5°～20°。樞紐經(jīng)過的T2和T3b階地上發(fā)育有坡向南的與樞紐位置對應(yīng)的陡坎(圖3a)。陡坎的形態(tài)類似于階地陡坎(圖3b，C)，但其走向與向斜樞紐走向一致且非常穩(wěn)定。陡坎附近下伏基巖和階地堆積并未發(fā)生斷錯(圖3d)。此處的陡坎在形態(tài)上與庫車地區(qū)秋里塔格背斜的褶皺陡坎(盧華復(fù)等，2002;Hubert-Ferrari et al.，2007)非常類似。我們認(rèn)為這些陡坎是由于向斜樞紐活動形成的褶皺陡坎，而非階地陡坎或斷層陡坎。這些褶皺陡坎北側(cè)階地堆積較薄，向南明顯增厚，具有生長地層的特征，表明在階地形成過程中向斜樞紐在持續(xù)活動。

圖3 明堯勒背斜南翼河流階地分布和褶皺陡坎發(fā)育特征Fig.3 Fluvial terraces distribution and fold scarp deformation on the south limb of the Mingyaole anticline.a Google Earth及地質(zhì)地貌解譯圖;b褶皺陡坎野外照片，觀察點(diǎn)位置見圖3a;c T3 b階地上褶皺陡坎橫剖面照片

為獲得不同期次階地上褶皺陡坎的高度、寬度和坡度，對階地面進(jìn)行了高精度差分GPS測量。根據(jù)實(shí)測結(jié)果(圖3 c，e)，T2和 T3b階地上褶皺陡坎的高度/寬度/坡度分別為16m/40m/25°、20m/50m/26°。由于褶皺陡坎遭受了一定程度的侵蝕，實(shí)測得到的陡坎坡度應(yīng)小于其原始坡度。在褶皺陡坎北側(cè)，階地面上還發(fā)育了多條高0.3～2.0m不等的彎滑斷層坎(圖3c)。在彎滑斷層作用下階地面發(fā)生了不同程度的掀斜:掀斜角度和陡坎高度遠(yuǎn)離向斜樞紐(向北)依次遞減(楊曉東，2013)，角度變化的位置與彎滑斷層發(fā)育的位置對應(yīng)，這與南天山南緣烏拉根背斜南翼彎滑斷層作用下河流階地變形特征非常類似(李濤等，2011)。在1985年烏恰地震中部分彎滑斷層還發(fā)生了同震破裂(馮先岳，1994;楊曉東，2013)。

3 滑脫褶皺陡坎的運(yùn)動學(xué)模型

明堯勒背斜南翼褶皺陡坎具有以下特征(圖3):1)在產(chǎn)出位置上，褶皺陡坎均發(fā)育在向斜樞紐附近，陡坎地表跡線與樞紐位置對應(yīng)。2)在階地變形行，越老的階地面上陡坎高度越大;遠(yuǎn)離向斜樞紐，褶皺陡坎南側(cè)(緩傾等傾角區(qū))階地面未發(fā)生顯著掀斜，不同期次階地面平行產(chǎn)出。3)褶皺陡坎北側(cè)(陡傾等傾角區(qū))階地面上發(fā)育了多條近平行展布的彎滑斷層坎。這些特征均表明該地區(qū)褶皺陡坎是由樞紐遷移作用形成的(圖4)(陳杰等，2005a;Scharer et al.，2006;李濤等，2014)。圖4所示的運(yùn)動學(xué)模型給出了具有一定寬度的向斜樞紐作用下褶皺陡坎的形成過程:褶皺陡坎形成初期，陡坎高度、寬度和坡度逐漸增大;當(dāng)褶皺陡坎寬度達(dá)到樞紐帶寬度2倍時(shí)(圖4a3，b)，陡坎坡度將達(dá)到最大值;之后盡管陡坎高度和寬度逐漸增大，其坡度將保持恒定。褶皺陡坎的最大坡度φmax可由下式計(jì)算獲得(圖5)(推導(dǎo)見附錄):

式(3)中，θ1和θ2分別為緩傾和陡傾等傾角區(qū)傾角(圖5)。盡管表達(dá)方式不同，但公式(3)與公式(2)等價(jià)(見附錄)。由式(3)可知，褶皺陡坎的最大坡度φmax只與下伏地層傾角有關(guān)，而與縮短增量和樞紐帶寬度無關(guān)。褶皺陡坎達(dá)到最大坡度需滿足的條件為:

式(4)中，wfs和wh分別為褶皺陡坎和向斜樞紐的水平寬度(圖5)。在褶皺陡坎生長過程中，陡坎前緣(坡腳)隨活動樞紐的遷移不斷向前推進(jìn)，但后緣(坡頂)位置保持固定(圖4b)。背斜的縮短是由于地層由緩傾角區(qū)通過活動樞紐遷移至陡傾角區(qū)造成的，褶皺陡坎的縮短增量s與陡坎高度h、下伏地層傾角θ1和θ2存在以下關(guān)系(推導(dǎo)見附錄):

在明堯勒背斜南翼，向斜樞紐兩側(cè)地層傾角分別約為15°和50°，由式(3)計(jì)算該處褶皺陡坎所能達(dá)到的最大坡度約為32°。由于向斜樞紐寬度約為10m，因此只要褶皺陡坎的寬度超過20m就能達(dá)到最大坡度。在T2和T3b上，褶皺陡坎的水平寬度分別約為40m和50m，均超過20m;但陡坎坡度分別約為25°和26°，均略小于最大坡度32°。其最可能的原因是褶皺陡坎后期遭受了一定程度的侵蝕改造，通過階地面測量獲得的坡度要小于其原始坡度，也小于由模型計(jì)算得到的最大坡度。另外，由于彎滑斷層使階地面發(fā)生了掀斜，也可能對褶皺陡坎坡度產(chǎn)生一定影響。

由T2和T3b上褶皺陡坎高度約16m和20m，樞紐兩側(cè)地層傾角約15°和50°，根據(jù)式(5)可得2期階地形成以來活動樞紐吸收的縮短量分別約為10.2m和12.7m。據(jù)T2階地的暴露年齡約8.0ka，可得其縮短速率約為1.3mm/a。由于該方法得到的僅僅是背斜南翼活動樞紐吸收的縮短速率，而背斜北翼也發(fā)育活動樞紐，背斜核部還發(fā)生了一定程度的純剪切變形(陳杰等，2005b;Scharer et al.，2006)，因此明堯勒背斜全新世總縮短速率 ＞1.3mm/a。該速率大于背斜長時(shí)間尺度的平均縮短速率，表明背斜的縮短在全新世可能加速。

圖4 樞紐遷移機(jī)制下滑脫褶皺陡坎的運(yùn)動學(xué)模型Fig.4 Kinematic model of detachment fold scarp formed by hinge migration.

圖5 滑脫褶皺陡坎幾何模型Fig.5 Geometry of detachment fold scarp.

關(guān)于彎滑斷層陡坎的形成，推測可能與膝折帶遷移過程中活動樞紐附近的局部擠壓應(yīng)力和下伏基巖地層的強(qiáng)度有關(guān)。但其與褶皺陡坎之間在成因上存在怎樣的關(guān)聯(lián)，彎滑斷層陡坎高度和上盤階地面掀斜角度與褶皺陡坎之間存在怎樣的定量幾何關(guān)系等仍有待進(jìn)一步探討。

4 滑脫褶皺陡坎與斷彎褶皺陡坎的異同

上述明堯勒背斜滑脫褶皺陡坎與南天山庫車地區(qū)秋里塔格背斜的斷彎褶皺陡坎存在諸多相似之處:1)在產(chǎn)出位置上，2類褶皺陡坎均發(fā)育在活動的向斜樞紐附近，陡坎兩側(cè)下伏基巖產(chǎn)狀不同，即陡坎位于基巖中2個不同等傾角區(qū)拐折處，其走向與基巖樞紐走向一致，都是野外識別和判定褶皺陡坎的主要依據(jù)。2)在形成初期，2類褶皺陡坎的高度、寬度和坡度均逐漸增大;但當(dāng)陡坎高度和寬度達(dá)到一定值(陡坎寬度為樞紐帶寬度2倍)時(shí)，陡坎將達(dá)到最大坡度;之后，盡管陡坎高度和寬度不斷增大，陡坎坡度將保持恒定。3)2類褶皺陡坎所能達(dá)到的最大坡度只與下伏地層或斷層傾角有關(guān)，且遵循相似的定量幾何關(guān)系。4)遠(yuǎn)離活動樞紐，階地面保持初始坡度，不同時(shí)代階地面平行產(chǎn)出。

斷彎褶皺陡坎與滑脫褶皺陡坎也存在著如下不同之處:1)在形成機(jī)制上，前者是由下伏斷層拐折沖斷作用形成的，即下伏斷層面必須存在拐折或斷坡;而后者是沿平行斷層面的滑脫褶皺作用形成的，其下伏斷層面不存在拐折。2)在發(fā)育特征上，后者后緣通常伴生有多條近平行產(chǎn)出的彎滑斷層坎，但在對前者的研究中(盧華復(fù)等，2002;Chen et al.，2007;Hubert-Ferrari et al.，2007)并未發(fā)現(xiàn)彎滑斷層坎和其他次生構(gòu)造。3)在形成過程中，對于前者，由于樞紐固定在深部斷層拐折處，同一期河流階地上褶皺陡坎前緣位置固定，后緣不斷后退;而對于后者，由于樞紐發(fā)生遷移，同一期河流階地上褶皺陡坎前緣不斷隨樞紐向前推進(jìn)，而后緣位置固定(圖4b)。4)在計(jì)算背斜縮短增量和速率時(shí)，盡管2類褶皺陡坎在形態(tài)上類似，但由于后者不發(fā)育斜斷坡，背斜的縮短只是因地層從緩傾角區(qū)遷移至陡傾角區(qū)造成的，其縮短增量的計(jì)算公式與前者不同(公式(1)和(5));這就要求在計(jì)算背斜縮短增量時(shí)，需要對褶皺陡坎的類型進(jìn)行區(qū)分和判定。

5 初步認(rèn)識

通過對明堯勒背斜褶皺陡坎的研究，認(rèn)為:1)這些褶皺陡坎是滑脫褶皺通過膝折帶遷移機(jī)制形成的，是與斷彎褶皺陡坎不同的一種新型褶皺陡坎，稱之為滑脫褶皺陡坎。2)滑脫褶皺陡坎形成初期，陡坎高度、寬度和坡度逐漸增大;當(dāng)陡坎寬度達(dá)到樞紐帶寬度2倍時(shí)，陡坎坡度將達(dá)到最大值;之后盡管陡坎高度和寬度逐漸增大，其坡度將保持恒定。3)滑脫褶皺陡坎吸收的縮短增量與陡坎高度和下伏地層傾角間存在定量幾何關(guān)系。4)根據(jù)滑脫褶皺陡坎的高度約16m及其暴露年齡約8.0ka，估算T2階地面暴露以來明堯勒背斜南翼的縮短速率約為1.3mm/a。

褶皺陡坎表征該褶皺仍在活動，其發(fā)現(xiàn)和運(yùn)動學(xué)模型的建立為限定活動褶皺的變形速率和生長演化歷史提供了可靠便捷的途徑。通過對南天山庫車地區(qū)秋里塔格背斜和喀什地區(qū)明堯勒背斜的研究使對斷彎褶皺陡坎和滑脫褶皺陡坎有了深入認(rèn)識。但由于斷層相關(guān)褶皺類型多樣，仍可能存在其他多種類型的褶皺陡坎。例如，上述2類褶皺陡坎均發(fā)育在向斜樞紐附近，那么在背斜樞紐附近能否形成褶皺陡坎，具有怎樣的變形特征和地貌表現(xiàn)?再比如，在1999年臺灣集集地震中，Chen等(2007)曾報(bào)道了一種發(fā)育在三角剪切褶皺頂端的褶皺陡坎，但對其幾何模型和運(yùn)動學(xué)模型并未進(jìn)行更深入的探討。這些都需要對更多活動褶皺進(jìn)行研究，以積累更多典型褶皺陡坎的研究實(shí)例，進(jìn)一步改進(jìn)和完善褶皺陡坎的概念模型。

附錄:滑脫褶皺陡坎吸收縮短增量和最大坡度的推導(dǎo)

首先推導(dǎo)滑脫褶皺陡坎吸收縮短增量(s)的計(jì)算公式(5)。由附圖1可得軸面傾角γ=(π-θ2-θ1)/2。那么縮短增量:

附圖1 滑脫褶皺陡坎各參數(shù)的幾何關(guān)系A(chǔ)ppended Fig.1 Trigonometric relationships of the active detachment fold scarp.

其次，推導(dǎo)滑脫褶皺陡坎最大坡度(φmax)的計(jì)算公式(3)。由附圖1可得:

由公式(A2)和(A3)可得:

由于AB=OP，BC=QR，由公式(A1)和(A4)可得:

根據(jù)附圖1可得上述各參數(shù)與θ2、θ1和φmax的關(guān)系式:

將上述關(guān)系式代入公式(5)可得:

最后證明滑脫褶皺陡坎最大坡度計(jì)算公式(3或A6)與斷彎褶皺陡坎最大坡度計(jì)算公式(2)等價(jià)。用:

將其代入公式(2)，公式可轉(zhuǎn)化為:

將A、B和C置換回來，可得:

該公式與公式(3或A6)相同，證明兩公式等價(jià)。

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