祁连山北缘祁连山北缘河西走廊西段晚新生代逆冲推覆断裂发育模式

祁连山北缘祁连山北缘河西走廊西段晚新生代逆冲推覆断裂发育模式

山西省祁山北缘河西走廊西侧位于青藏高原东北缘。中生代末期,首先是科瑞斯坦微板块在尼泊尔拼贴碰撞,导致阿尔金断裂带的形成;而后从新生代渐新世早期开始,由于印度板块向欧亚板块的碰撞和持续至今的向北推挤作用,导致青藏高原隆起、阿尔金断裂带大规模左行走滑以及祁连山北缘断裂带和龙首山南缘断裂的巨大逆冲,并形成河西走廊典型新生代压陷盆地。同时,祁连山北缘—河西走廊地区也是我国新构造活动非常强烈的地区之一,包括祁连山北缘断裂、阿尔金断裂在内的青藏高原北缘、东北缘地区的新生代构造变形、构造转换及扩展机制是最近20多年来国内国际研究的热点[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]。祁连山北缘—河西走廊西段逆冲推覆活动断裂非常发育,自南向北依次是昌马断裂、旱峡—大黄沟断裂、玉门断裂、新民堡断裂和阴洼山断裂(图1)。对祁连山北缘—河西走廊西段地区的新生代构造活动,前人已经做了比较多的研究,时振梁等、向宏发等和虢顺民等较早对玉门—嘉峪关地区的活动断裂进行了初步研究,国家地震局地质研究所等较系统地总结了祁连山—河西走廊地区的活动断裂。陈文彬等和闵伟等开展了酒西盆地古地震事件研究,黄华芳等从古地磁学角度对祁连山北缘西段逆冲推覆断裂与油气储层的关系开展了研究。在祁连山隆升和祁连山北缘断裂的年代学方面,宋春晖等、方小敏等和陆洁民等通过对沉积相、沉积速率、古流向和重矿物的分析研究了北祁连山开始隆升的时间;陈汉林等和杨树锋等运用生长地层的顶底界位置分析方法研究祁连山北缘西段逆冲推覆断裂带中山前断层和前锋断层开始活动的时间和结束活动时间;而陈柏林等对玉门断裂和河西走廊西段盆地内的阴洼山断裂和新民堡断裂的新构造活动进行了研究,强调了这些断裂的全新世活动性。上述研究无疑很大地提高了祁连山北缘—河西走廊西段地区活动构造研究程度,但仍然存在一些问题。首先,上述研究大多数为比较零散地研究具体的某条活动断裂,并且对各条活动断裂的最新活动时代也存在比较多的争议,而将祁连山北缘—河西走廊西段地区作为一个整体考虑的比较少;第二,在祁连山北缘—河西走廊西段逆冲推覆构造的研究中,有研究者提出前展式发育模式,认为玉门活动断裂为该前展式逆冲推覆构造最前缘的断裂,并被一些学者认可和接受,但是在玉门活动断裂北侧还发育形成时代更新的火烧沟断裂、新民堡断裂和阴洼山断裂等,而且新民堡断裂开始活动时间远晚于玉门断裂,因此前展式逆冲推覆模式还值得商榷。本文通过对该地区主要活动断裂的详细野外调查研究、结合年代学测试和综合分析,认为旱峡—大黄沟断裂、玉门断裂、新民堡断裂和阴洼山断裂都是晚更新世至全新世活动断裂,玉门断裂不是逆冲推覆最前缘的断裂,并建立前展-后展复合式的逆冲推覆断裂发育模式,认为形成时代最新的是位于盆地中心的新民堡断裂,其南侧为前展式,由祁连山腹地向河西走廊西段盆地中心断裂形成时代越来越新,而盆地中心以北为后展式,即盆地北侧边缘断裂形成时代比盆地中心断裂早。1近地层构造背景研究区地处青藏高原东北侧外围,在大地构造是属于甘青地块北部的祁连褶皱系和河西走廊盆地。该区在太古宙—古元古代为陆壳基底形成阶段;中元古代—震旦纪,古陆核解体,形成开阔洋盆,以沉积浅海碳酸盐岩为特征,属于稳定大陆边缘环境,并于新元古代后期形成稳定的大陆克拉通。震旦纪末—早古生代在大陆克拉通上裂解为拗拉槽,其中在晚寒武世—早奥陶世,拗拉槽达到最大规模,并发育较大面积海相中基性火山岩;中奥陶世开始,拗拉槽趋于减小;在志留纪中晚期发生“祁连运动”使拗拉槽闭合形成古祁连山,导致褶皱、变质和大规模构造变形,结束了早古生代拗拉槽构造演化阶段;晚古生代—中三叠世古祁连山遭受剥蚀夷平,作为新克拉通盆地的一部分,接受稳定型沉积;中三叠世末由于羌塘板块碰撞的影响,引起印支期的板内构造变形,但没有形成强烈的造山带;中生代—古近纪北祁连山处于准平原化阶段。在中生代末期,首先是科瑞斯坦微板块在尼泊尔拼贴碰撞,导致阿尔金断裂带的形成;而后在新生代始新世早期开始,由于印度板块向欧亚板块的碰撞和持续至今的向北推挤作用的远程效应的影响,板内变形十分强烈。从新近纪中新世开始,最具特征的表现形式是阿尔金活动断裂带的大规模左行平移、祁连山的大规模隆升、河西走廊的相对强烈凹陷等,至此奠定了现在北祁连山—河西走廊的构造格局[12,13,14,15,22,25,12,13,14,15,22,25]。在地貌上,南部为祁连山区、中间为河西走廊西段(主要为酒西盆地)、北侧为五华山—宽滩山—黑山中山区(图1)。祁连山山区山脉为北西西-南东东向延伸,山地海拔一般在3000m以上,具有南坡较缓、北坡陡立的地貌形态,北坡比高在2000m左右。河西走廊西段中心平均海拔1600～1900m左右,属于内陆堆积平原类型,冲洪积物来源于祁连山区;盆地南侧祁连山山前为海拔2500～3000m的丘陵区,明显高于北侧山前的高度,这是南侧祁连山的巨大隆升作用所形成的斜坡地貌特点。五华山—宽滩山—黑山中山区海拔2000～2500m。区内主要断裂构造带有昌马断裂带、祁连山北缘断裂带、酒西盆地内断裂带和黑山北缘断裂带及阿尔金断裂东段(图1)。昌马断裂带位于祁连山北缘山前以南15～25km的祁连山腹地,沿昌马—祁连县一带延伸,走向北西西,以比较陡的倾角倾向南南西,形成于中生代晚期,以逆冲为主,伴有左行走滑位移,沿断裂带发育中新生代盆地。该断裂也是一条现代活动断裂;1932年在该断裂西段发生了8.0级昌马大地震。因其位于祁连山腹地,本文不作详细讨论。祁连山北缘断裂带也称走廊南山断裂带,呈北西西延伸,主要由相互平行、呈右列式斜列的多条压扭性断裂所组成,是北祁连山与河西走廊的分界线,沿走廊南缘长度达800km以上。本文祁连山北缘断裂带西段西起玉门以西的旱峡,东至冰沟口,倾角为中等—陡(40°～70°),倾向南西,由旱峡-大黄沟断裂和玉门断裂组成,形成于中新世—上新世[15,16,18,22,15,16,18,22]。山前主断裂破碎带一般宽数十m,最大宽度超过100m;在运动学上,断裂带具有强烈的逆冲活动特点,逆冲断层切割地层时代多,导致前新生代地层、变质岩及古生代花岗岩体逆冲于新近纪泥岩、早-中更新世松散砾石层之上,其新构造活动特点详见后文。河西走廊西段主要为酒西盆地,盆地内和盆地中-北缘断裂包括新民堡断裂、火烧沟断裂和阴洼山断裂,形成时代较新,本文以新民堡断裂和阴洼山断裂为代表,分析其新构造活动特点。研究区西北侧为阿尔金断裂带东段的昌马大坝-宽滩山部分,阿尔金断裂以规模巨大和显示强烈的左行平移活动为特点;但是其东段各方面特征有所差异,走向上呈北东东向(70°～80°)延伸甚至近东西向,同时在该断裂截切祁连山西段后,晚新生代位移速率迅速锐减,反映了阿尔金断裂的巨大走滑位移已经转换为包括祁连山北缘断裂带在内的一系列断裂带的巨大逆冲。2旱峡—祁连山北缘断裂西段新构造活动特点祁连山北缘断裂带西段由旱峡—大黄沟断裂、玉门断裂和佛洞庙—红崖子断裂组成,在平面上呈右列式斜列,重叠度达20%～40%,重叠部分间距6～10km。本文涉及前两条断裂。该断裂带在地貌上非常明显,两条断裂的切割形成三级醒目的台阶,旱峡—大黄沟断裂以南为由前中生界为主组成的祁连山山体,海拔3500m以上;旱峡—大黄沟断裂与玉门断裂之间为祁连山山前一级台地,主要为由E—Qp1组成的基岩隆起带,呈现代侵蚀地貌,海拔2500～3000m;玉门断裂以北是由Qp2—Qh组成的中央向斜拗陷带,海拔1600～2200m(图1)。沿断裂两侧相对高差非常大,旱峡—大黄沟断裂两侧达500m以上,玉门断裂两侧相对高差达300～600m(图2)。2.1大坝冰沟口旱峡—大黄沟断裂是祁连山北缘断裂带中最西边的一条次级断裂,西起玉门镇的大坝,经窟窿山,穿石油河、白杨河、北大河(冰沟口)、洪水坝河,止于佛洞庙以南,全长160km,本文主要涉及大坝至冰沟口段(图1)。(1)上更新统覆盖/se45该剖面位于旱峡—大黄沟断裂的西段,断裂断于奥陶系浅变质砂岩与新近系中新统橘红色泥岩之间,断层面产状85°/SE∠45°(图中表示为85°/SE45°),断层南侧为奥陶系浅变质砂岩,断层北侧为新近系中新统橘红色泥岩,断裂以北为第四系下更新统玉门组砾岩,其上有少量上更新统砂砾层覆盖。在断层面附近,泥岩产状倒转,并形成叶理化,叶理产状与断层面接近,或者稍陡于断层面;玉门组砾石底部产状近直立,往北逐渐变缓;上更新统仅仅局部覆盖在下更新统之上,没有直接覆盖在断层破碎带上(图3)。该剖面反映旱峡—大黄沟断裂早更新世之后发生过强烈的新构造活动。(2)下白垩统逆冲带和下更新统不整合关系该剖面位于旱峡—大黄沟断裂西段的旱峡沟口及其外侧,剖面中发育2条断层,断层面倾向南南西,倾角中等(图4)。南侧断层断于上志留统浅变质砂岩与下白垩统砾岩和砂页岩之间,沿断裂上志留统逆冲在下白垩统之上,断裂附近岩层产状普遍很陡或近于直立;北侧断层断于下白垩统与新近系中新统橘红色泥岩和下更新统玉门组砾岩之间,沿断层下白垩统逆冲在新近系中新统和下更新统之上,其中断层北侧的下更新统与新近系中新统为小角度不整合(20°左右)。在断层面附近,中新统泥岩倾角中等,并往往发育叶理化,叶理与断层面接近,或者稍陡于断层面。2条断层之间主要为下白垩统的砾岩、砂岩和页岩,地貌总体较为平坦,其上有上更新统松散砂砾层覆盖,但是其中2个较大的小山包为致密块状玄武岩,玄武岩两侧与下白垩统的砂页岩呈断层接触,断层倾角低缓并相向倾斜;低缓断层上下岩层产状不一致,断层上盘玄武岩近于直立,而断层面之下的下白垩统为中等偏陡倾角(50°～65°)倾向北,因此这2个较大的小山包属于一个飞来峰构造。该剖面显示旱峡—大黄沟断裂在下更新统沉积之后发生过强烈新构造活动(图4)。上述剖面反映旱峡—大黄沟断裂在早更新世之后发生过强烈的新构造活动。而该断裂在金湾子以西将前第四纪地层逆冲于晚更新世—全新世沉积物之上,断裂两侧地貌差异明显,表明在晚更新世—全新世仍然有活动,结合前人资料[12,13,16,18,22,12,13,16,18,22],该断裂形成于中新世晚期,一直活动至今。2.2麻黄湾鸭儿峡口、石油河口、红泉口玉门断裂是祁连山北缘断裂带西段(清水以西)中3条次级断裂的第2条,位于酒西盆地的南缘。西起青草湾,经鸭儿峡口、石油河口、石油沟北口、白杨河口、大红泉、2127高地东沟、冰沟口、大红沟,过洪水坝河,至马草滩一带,全长近100km,呈北西西向延伸。本文只涉及青草湾至冰沟口的中段和西段,全长约60km(图1),并以石油沟北口为界,以东为中段,以西为西段。2.2.1下盘砂层下盘2127高地东沟剖面位于玉门市东南35km的2127高地东侧沟口,南东距西沟站3.7km。该剖面中断层南盘(上盘)下部为下更新统玉门组灰色砾岩,层理产状45°/SE∠55°,其上不整合覆盖上更新统松散砂砾层;而断层北盘(下盘)仅出露上更新统松散砂砾层(热释光年龄30.0ka)。低角度逆冲断层产状290°/SW∠28°,断层将下更新统玉门组砾岩逆冲在上更新统松散砂砾层之上(图5),并表现出明显的逆冲牵引,使得下盘砂砾层在断层面附近近于直立。该剖面反映玉门断裂在晚更新世晚期(距今30.0ka)以来发生过较强烈的新构造活动,运动形式为自南西向北东的逆冲。2.2.2上更新统—大红泉沟剖面大红泉沟剖面位于玉门市东南26km的大红泉及其南侧沟内。该剖面以出露大面积新近系泥岩为特色。玉门活动断裂出露于剖面北段,将新近系中新统白杨河组橘红色泥岩和上新统浅橘红色泥岩逆冲在上更新统松散砂砾层之上。断层南侧的泥岩均发生褶皱,靠近断层的泥岩因为褶皱和断裂的逆冲作用而发生倒转(图6A)。大红泉沟近沟口附近可见玉门断裂最新构造活动的剖面,变形的上新统浅橘红色泥岩逆冲在上更新统—全新统灰色松散砂砾层之上。断层局部小剖面见图6B,断裂南侧下部为上新统(N2)浅橘红色泥岩,地层强烈柔皱,泥岩叶理化,并逆冲到断裂北侧的全新统早期冲积砂砾层(热释光年龄为7.6ka)之上,包括断裂整个被更新的全新统冲积砂砾层(热释光年龄7.4ka)覆盖。该剖面说明玉门断裂在全新世中期(7.6ka与7.4ka之间)有过新构造活动。2.2.3剖面地质特征:中新统泥岩的不对称背斜面产状玉门石油河剖面位于玉门市南侧,剖面为北北东向。自南向北依次出露中新统白杨河组橘红色泥岩、上新统浅橘红色泥岩夹砂岩、下更新统玉门组砾岩,构成一个完整的背斜构造。在剖面南段,出露上新统浅橘红色泥岩,泥岩产状稳定(305°/SW∠20°);在剖面中段,泥岩产状开始缓慢变陡,局部出露中新统白杨河组橘红色泥岩,同时在由此向北100m范围内,中新统泥岩产状急剧变陡至直立,泥岩层间滑动非常明显,滑动方式为南侧向上;向北250m后,岩性变化为浅橘红色泥岩(上新统疏勒河组);在剖面中北段泥岩产状开始逐渐变缓,并出现砂砾岩夹层;在剖面北段,下更新统砾岩以微角度或平行不整合于上新统泥岩夹砂砾岩之上,不整合面产状为275°/NE∠50°。该剖面构成一个不对称背斜构造(老君庙背斜),背斜核部非常紧密(图7)。值得特别指出的是,上述剖面为沿石油河沟底的剖面,而在高出300m的石油河西侧的山梁上剖面特征有明显差异:一是没有出露中新统深橘红色泥岩,第二是背斜形态要开阔许多,两翼都为中等倾角向外倾斜。在该石油河沟底剖面中背斜核部附近,逆冲断裂刚刚出露,但是断裂还没有断至石油河西侧山梁的高度(沟底剖面之上300m)部位。2.2.4不对称背斜构造的地质特征剖面位于玉门市西侧2km的石油河西沟,剖面为北北东向。自南向北依次出露上新统疏勒河组浅橘红色泥岩夹砂岩、下更新统玉门组砾岩、上更新统砂砾层。整个剖面岩层均向北倾斜,但倾角变化比较大。在剖面南段,上新统泥岩夹砂岩产状稳定,倾向北西,倾角比较小,一般为10°～25°;在剖面中段,泥岩产状急剧变陡至直立甚至高角度倾向南(倒转),其间下更新统砾岩与上新统泥岩呈平行不整合接触关系,不整合面产状近直立。剖面北段,下更新统砾岩产状逐渐变缓,由55°变化为35°;同时上更新统松散砂砾层不整合覆盖于下更新统砾岩之上,不整合面产状275°/NE∠15°。整个剖面构成不对称背斜构造(属于老君庙背斜西段)的北翼。其中急剧变陡的产状变化特征反映出在剖面中段下部发育逆冲活动断裂,该活动断裂目前还没有延伸至地表。而该不对称背斜构造也是属于与逆冲断层作用有关的断层相关褶皱类型(图8)。概括起来,玉门活动断裂中段和西段在地表特征上存在一定的差异。玉门活动断裂中段地表地貌陡坎明显,断裂直接出露地表;导致前(或早)新生代地层与晚新生代松散沉积物直接以断裂关系接触(图5、图6)。说明玉门活动断裂中段形成时间早、活动时间长、位移幅度大,因此在冰沟口一带形成宽度超过100m的巨大破碎带。从大红泉沟口剖面(图6B)反映出在距今7.6ka左右发生强烈的新构造活动(应该是古地震);结合闵伟等的研究,证明在北大河口附近距今3.2ka左右发生过另一次古地震事件,这进一步证明玉门活动断裂中段新构造活动强烈,也是地震断裂。玉门活动断裂西段新构造活动表现的最大的特点是地表较少见及主断裂的出露,也即玉门断裂主体没有断至地表,表现为隐伏断裂为主(图7、图8)。在地表常见有由新近系地层组成的不对称褶皱构造特点,而且属于与逆冲断裂密切相关的褶皱,也是现在正在变形的“活动背斜”。说明玉门活动断裂西段形成时间较晚,活动时间短、活动位移幅度比较小。该断裂西端目前还在继续发生破裂扩展,端部的破裂扩展引发2002年的玉门5.9级地震。此外,老君庙背斜是与逆冲断层作用有关的断层相关褶皱构造,其褶皱的层间相对运动与纵弯褶皱是不同的。在逆冲断层上盘、临近背斜核部的北翼,背斜的内层表现为向着转折端运动(本剖面向上逆冲),而不是一般的纵弯褶皱内层是背离转折端运动;同样在逆冲断层下盘,如果发育与其有关的向斜,靠近逆冲断裂一侧翼部层间相对运动也与一般纵弯褶皱的向斜层间运动方向相反。3冲构造背景和区域构造应力场从区域大地构造分析,河西走廊盆地西段与祁连山北缘西段及其邻区逆冲构造具有相似的构造背景和统一的区域构造应力场。河西走廊西段盆地内断裂构造包括阴洼山断裂、新民堡断裂、火烧沟断裂、嘉峪关断裂和文殊山断裂(图1),本文以新民堡断裂和阴洼山断裂为代表进行阐述。3.1走廊中段的中心位置新民堡断裂位于嘉峪关以西40km、玉门市北东东25km的新民堡至黄土良一带,居河西走廊西段的中心位置,长约10km,平均走向299°。倾向南西,倾角低缓(25°～30°)。新民堡断裂虽然出露于酒西盆地中心的戈壁平滩上,但仍然具有明显的地貌特征,沿断裂出露部位,形成南高北低、高差达2～15m不等的陡坎,反映出挽近时期存在强烈的新构造活动。3.1.1上新统上盘砾石层剖面位于新民堡东侧三里墩村东侧,低倾角逆冲断裂主断层产状300°/SW∠30°,断层面下盘(北东盘)为上更新统(Qp3)的灰黄色中-粗砂层和青灰色砾石层互层;断层面上盘(南西盘)下部为中新统(N1)橘红色泥岩、其上为上新统(N2)黄白色中粗砂岩和不整合其上的上更新统上部(Qp3(2))砾石层。在剖面中下部,沿主断层上盘1～3m宽的泥岩带发生强烈变形、泥岩叶理化强烈、带内擦痕发育,擦痕指向15°～30°,反映上盘的运动指向;下盘的砾石层在临近断层处发生牵引转向,并呈明显的定向排列。在剖面的右上部断层面两侧均为砾石层,均发生牵引转向和定向排列(图9A)。在主断层面出露地表部位形成2～3m的陡坎。同时,在该剖面东侧20m的主断层面下盘,可见上更新统砾石层与中新统的橘红色泥岩呈断层接触,而接触断层呈强烈褶皱状,使得泥岩与砾石层之间呈指状穿插关系(图9B),这可能是较早和稍早期的断层面。3.1.2断层上、下盘上的砾石层和夹砂层剖面位于新民堡村北西西2.5km的三道沟塘村,低倾角逆冲断裂断层面产状295°/SW∠27°,断层两侧沉积物层序基本一致,下部为中新统(N1)的橘红色泥岩,上部为不整合其上的晚更新世晚期冲积物(砾石层夹砂层)(图10)。断层将不整合面切错2.9m,上盘(南西盘)自南西向北东逆冲。如果将该剖面上2.9m总位移分解后,其水平方向位移为2.58m,垂直位移为1.32m。其中垂直方向位移与剖面西侧10m和30m处地表坡度测量取得的陡坎高度平均值(1.34m)非常接近。沿断层面附近,泥岩发生明显的叶理化,砾石层中的砾石发生牵引和定向排列(图10)。在断层上、下盘上部的砾石层夹砂层中采集热释光年代学样品,测得年龄为35.6ka和28.3ka。本剖面说明,在晚更新世中晚期沉积了砂砾层(热释光年龄28.3～35.6ka)之后,新民堡断裂发生过明显的新构造活动,结合该点西侧河漫滩上明显的陡坎,因此断定该断层的最新活动应该是全新世中晚期(2～3ka)。3.1.3断裂新及构造活动的认识该剖面位于黄土良南东1.5km铁路桥北的河道东侧,剖面中见低角度逆冲断层(图11)。该剖面上部为松散粗砂砾层,中、下部为半胶结细-中砂砾层,低角度逆冲断层自下而上穿切所有砂砾层直达地表,并形成小陡坎;剖面下部断层面产状300°/SW∠25°,上部断层面倾角趋于平缓。在剖面上部逆冲断层为一条,向下分支为2条,将岩性界面分别切错0.7m和0.25m;沿断层面两侧,砂砾层发生明显的牵引,砾石长轴发生偏转和定向排列,同时剖面下部岩性界面在靠近断层面附近出现反向弯曲(类似反向牵引)、紧临断层面时则为正向牵引,这表明沿断层面不仅是简单的自南西向北东的逆冲,而且挤压作用也比较明显,所以剖面下部岩性界面的这种弯曲很可能属于在挤压作用下的纵弯褶皱缩短的一种表现,这也与断层面倾角平缓有关。剖面中-下部为半胶结细-中砂砾层,其热释光年龄为(26.3±2.6)ka和(28.6±3.1)ka,为晚更新世晚期堆积(由于河岸高达十余m,无法采集剖面顶部的测年样品)。该剖面说明新民堡活动断裂在距今26.3ka以来发生过明显的新构造活动。结合地表发育连续地貌陡坎(整个断裂10km范围内非常连续),说明断裂在全新世中晚期(2～3ka)发生过新构造活动。从上述剖面及测年数据分析,被新民堡断裂切错的最新沉积物年龄为28.3ka,而据陈柏林等从新民堡西侧的三道沟塘的一级地貌面和七里墩的二级地貌面上实测的断层陡坎的地表坡度,并依据Tapponnier等的断层陡坎扩散方程,估算出新民堡断裂最新两次活动的时间为距今4.4ka和1.2ka左右,后者与闵伟等确认的火烧沟断裂的最新一次古地震事件的时间比较吻合。在活动性质上,新民堡断裂主要发育于泥岩中,以非地震性的蠕滑变形为主。3.2阴洼山北缘玉门东镇干草原区阴洼山断裂位于嘉峪关以西28km的阴洼山北侧和东侧一带,从河西走廊西段酒西盆地的角度看,阴洼山断层位于酒西盆地中心偏北缘的位置(图1)。该断裂西起阴洼山西北角的西侧,经阴洼山北侧、阴洼山东侧,至玉门东镇附近,全长约20km。阴洼山断裂以单条线型为特征,主体走向变化不大,略呈弧形,其中在阴洼山北侧,走向315°,在阴洼山东侧—玉门东镇一带,断裂走向322°左右。在阴洼山西北角与阴洼山西缘断裂会聚后向北西延伸约600m后转向南西西再延伸约1km后尖灭。阴洼山西北角至阴洼山北侧,为该断裂北西段,两侧地貌差异非常大,断裂位移幅度大;阴洼山东侧—玉门东镇一带为东南段,断裂发育于戈壁滩中,两侧地貌差异小,位移幅度小。3.2.1奥陶系浅变质砂岩碎屑剖面位于阴洼山西北角,剖面中可见陡倾角逆冲断裂(图12A)。断层产状322°/SW∠70°,断层面下盘(北东盘)自下而上依次是上新统浅橘红色泥岩(N2)、由棱角-次棱角状的奥陶系浅变质砂岩碎屑组成的全新世早期灰黄色的松散坡积层夹少量风成黄土(Qh),断层面上盘(南西盘)下部为破碎的奥陶系灰绿色浅变质碎屑岩,上部为全新世松散坡积物夹风成黄土(Qh);断层切穿全新统直达地表,有不太明显的地貌小陡坎,并有宽达1.5～2.5m的破碎带。断层破碎带中有奥陶系碎屑岩的碎块和角砾(最大碎块达0.5～1m),也有上新统浅橘红色泥岩的角砾和碎块。断层面下盘上部被断全新世松散坡积层的热释光年龄为(9.1±1.1)ka。该剖面说明断层在全新世有新构造活动。3.2.2晚更新世末—XQ226剖面剖面位于阴洼山北东侧,可见倾角较陡立的逆冲断裂(图12B)。断层产状315°/SW∠55°～70°,断层破碎带宽5～10cm,由经强烈变形的中新世(N1)橘红色泥岩组成,带内泥岩叶理化明显。断层面下盘(北东盘)下部为中新世橘红色泥岩,上部为晚更新世晚期的灰黄色松散冲-坡积砂砾层(Qp3)(热释光年龄(38.6±4.2)ka),砾石以次棱角状为主,大小2～5cm,近水平层理清楚;断层面上盘(南西盘)为白垩纪紫红色砂岩,产状为325°/NE∠50°,靠近断层的1.5m范围内白垩纪砂岩也比较破碎;该断层破碎带被全新世(Qh)坡积物(热释光年龄8.4±1.2ka)所覆盖,覆盖层又发生过小的错动而被断。该剖面说明断层在晚更新世末—全新世早期有过一次强烈新构造活动,构造活动时间在距今8.4ka之前,但是比较接近8.4ka;此外,在8.4ka之后,该区又发生过另一次较弱的新构造活动。3.2.3岩石学和剖面结构位于阴洼山东北缘,可见倾角中偏陡的逆冲断裂(图13A)。断裂使主要由奥陶纪变质砂岩组成的较老的破碎带与晚更新世晚期的灰黄色松散冲-坡积砂砾层直接接触,其间新活动断层破碎带宽5～10cm,带内有少量中新世(N1)橘红色泥岩的带入,泥岩叶理化明显、砾石定向排列。断层面下盘(北东盘)为晚更新世晚期的灰黄色松散冲-坡积砂砾层(Qp3)(热释光年龄(15.6±1.6)ka),砾石以次棱角状为主,有弱的近水平层理清楚;断层面上盘(南西盘)为较老的断层破碎带,其中的构造角砾定向比较明显,构造角砾成分主要为奥陶纪变质砂岩;剖面上部被全新世(Qh)坡积物(热释光年龄(4.1±0.5)ka)所覆盖。该剖面说明断层在晚更新世末—全新世中期有新构造活动,构造活动时间在距今15.6ka之后,4.1ka之前,但是比较接近4.1ka。3.2.4抗侧壁内泥岩叶剖面位于阴洼山东北缘,剖面中见倾角较陡立的逆冲断裂(图13B)。断层产状315°/SW∠80°～90°,断层破碎带由经强烈变形的中新世橘红色泥岩组成,宽25～50cm,带内泥岩叶理化明显。断层面下盘(北东盘)为晚更新世晚期的灰黄色松散冲-坡积砂砾层(Qp3)(热释光年龄(13.4±0.8)ka),砾石为次棱角状为主,大小2～5cm,近水平层理清楚;断层面上盘(南西盘)为白垩纪紫红色砂岩,产状为320°/NE∠45°,砂岩中发育次级断层,产状为320°/NE∠65°;该断层破碎带被全新世(Qh)坡积物(热释光年龄(5.8±0.8)ka)所覆盖。该剖面说明断层在晚更新世末—全新世早期有新构造活动,构造活动时间在距今5.8ka之前,但是比较接近5.8ka。3.2.5坡积物的碎屑实测剖面位于阴洼山以东3.5km的戈壁滩上。在由晚更新世沉积层为主组成的黑山南坡戈壁滩(南倾坡度6°～8°)中,可见倾角陡立的断裂,断层产状320°/NE∠75°(图14A)。该剖面长21m,地表见约40～50cm的南西高北东低的地貌陡坎。剖面下部为白垩系下统的紫红色含砾砂岩、砂岩和泥岩,其上不整合覆盖灰色晚更新世坡积物(Qp3)(热释光年龄(30.2±3.0)ka),坡积物的碎屑主要是灰色-灰绿色浅变质碎屑岩,来源于其北东侧的榆树沟山南坡的剥蚀作用。剖面中发育有多条断层,其中有明显位移的主断层面发育于剖面中部,切断白垩系和上更新统。沿断层面两侧不整合面、上更新统砾石层均发生北东盘下降、南西盘相对上升的一致位移,垂直位移距离20cm(图14A)。在不整合面附近,断层宽6～8cm,断层内砾石和坡积物岩片具有明显的定向排列;在接近地表,断层宽度呈喇叭形变大,最宽达80cm,具有明显的地震崩积楔特征。在剖面南西段,有位移仅2～3cm的次级小断层面。在实测剖面中北段的一条位移不大的次级断裂上部断层崩塌楔的热释光年龄为(5.1±0.5)ka。在剖面北东段,发育众多没有明显相对位移的小断层面,并且沿小断层面或顺砂砾层理,发育有砂脉,砂脉宽一般5～10mm,最宽20mm,长0.50～1.5m,而且在近剖面北东端,可见从一顺层砂脉分支出一弧形的穿层砂脉(图14A),说明沿该断裂发生古地震活动时,局部发生了砂体液化作用。同时,该剖面还说明阴洼山断裂全新世中期发生过新构造活动,最新一次活动在距今5.1ka之前,但非常接近5.1ka的时期。3.2.6构造背景及崩积符合该实测剖面与XQ137相似,下部为白垩系紫红色含砾砂岩、砂岩和泥岩,其上不整合覆盖上更新统砂砾层(Qp3)(热释光年龄(19.9±2.2)ka),断裂切穿白垩系和上更新统。断层在白垩系中宽度为10cm,在断层上部形成宽达1m的倒三角形断层崩积楔,崩积楔堆积物热释光年龄(4.8±0.6)ka(图14B),与XQ137剖面非常接近。该剖面说明阴洼山断裂全新世中期有过构造活动,最新一次活动在距今4.8ka之前,但非常接近4.8ka的时期。3.2.7断裂新构造活动的地层背景及构造意义剖面位于阴洼山东侧5.0km,剖面中可见倾角中—陡的逆冲断裂(图15)。断层走向326°,倾向南西,倾角75°～80°。断层面下盘(北东盘)下部为新近系中新统橘黄色泥岩,其不整合覆盖晚更新世晚期灰黄色松散冲积砂砾层(Qp3(2))(底部热释光年龄(32.9±4.2)ka、顶部热释光年龄(10.3±1.5)ka),砾石以次棱角状为主,大小1～5cm为主,发育弱水平层理。断层面上盘(南西盘)下部为新近系中新统橘黄色泥岩,其上不整合覆盖晚更新世晚期灰黄色松散冲积砂砾层(Qp3(2))(底部热释光年龄(27.7±3.0)ka)。断层将不整合面断错0.6～0.8m,并直接断至地表,形成20cm左右的地貌陡坎。该剖面说明断层在晚更新世末期(距今(10.3±1.5)ka之后)以来有新构造活动,结合考虑地表还保留有弱的陡坎,断层活动时间可能在全新世中期,或稍后(推测距今3～5ka)。因此,从上述剖面及新构造测年数据分析,阴洼山断裂切错的最新沉积物年龄为8.4～9.1ka(图12),覆盖断层的沉积物最老为4.1～5.8ka(图13),同时两个断层崩塌楔的沉积物年龄为4.8～5.1ka(图14),所以,阴洼山断裂最新一次新构造活动发生在距今4.1～5.0ka。同时,根据其他剖面(不一一列举)的被断或覆盖断层的沉积物的测年数据统计分析,阴洼山断裂在距今8.6～10.0ka、19.9～21.0ka还发生过新构造活动。另外,从1785年惠民堡(现新民堡)地震的震中位置、震源深度(特别重要)、邻区主要活动断裂分布及断裂产状(图略,另文详述)综合分析,惠民堡(现新民堡)地震的发震构造很可能是阴洼山断裂,而不是时振梁等认为的新民堡断裂。综上所述,研究区旱峡—大黄沟断裂、玉门断裂、新民堡断裂和阴洼山断裂虽然最初形成时代差异比较大,但都是全新世活动断裂。4抗冲击破坏配置4.1主要活动的破裂形成时期4.1.1地质及地质分析方面对北经济发展的资祁连山北缘断裂西段由旱峡—大黄沟和玉门两条次级断裂组成,在平面上呈右列式,即单条次级断裂走向偏北西(平均300°),而整体走向偏北西西(平均290°)(图1)。而每条断裂均由南东向北西从较老地层伸入至较新地层中,相应的位移幅度也逐渐变小,形成时代(起始活动时代)逐渐变新,玉门断裂的这一特点尤其明显。对于祁连山北缘断裂的形成时代,前人从多方面进行过研究。国家地震局地质研究所最早从地质分析角度认为祁连山北缘断裂的新构造活动开始于新近纪中新世;陆洁民等(2004)通过对酒西盆地地区沉积特征、古流向和重矿物分析,认为北祁连山在白杨河组(N1b)沉积时期开始隆升变形;宋春晖等(2001)和方小敏等(2004)通过对沉积相和沉积速率的分析确定了北祁连山开始隆升的时间,结合磁性地层测量结果认为确切的时间为8.3Ma;宋春晖等(2002)通过对酒西地区沉积物重矿物的分析也认为北祁连山开始隆升的时间为8.26Ma;陈汉林等(2006)和杨树锋等(2007)运用生长地层的顶底界位置分析方法认为山前断层(即本文的旱峡—大黄沟断裂)开始活动的时间为9.0Ma,结束于更新世末,而前锋断层(即本文的玉门断裂,)开始活动的时间略晚于8.3Ma。本文认为旱峡—大黄沟断裂最早形成于中新世晚期,玉门断裂最早形成于中新世末期,但是新构造活动一直持续至今,并且玉门断裂西端还正在破裂扩展过程中。因此,玉门断裂形成时代要晚于旱峡—大黄沟断裂已经是被普遍认同了(这也成为部分学者认为玉门断裂是推覆构造最前缘断裂的重要依据之一)。4.1.2岩相古地理以新民堡断裂位于河西走廊盆地西段的酒西盆地近中心部位的戈壁滩上,在新民堡至腰泉子一带主要将由中更新统酒泉组(也称“酒泉砾岩”)组成的二级阶地断错,最多有三级地貌陡坎,累计最大地貌陡坎高度不超过30m,考虑其他因素,总体垂向位移幅度也在100m以下(在新近系上新统白杨河组厚度之内),如果以陈柏林等的垂直位移速率0.51～1.45mm/a与闵伟估算的火烧沟断裂的垂直位移速率0.24mm/a的平均值0.60mm/a计算,则新民堡断裂地表破裂活动开始于距今0.17Ma中更新世晚期。4.1.3阴洼山断裂垂向位移的估算阴洼山断裂在阴洼山西北角与阴洼山东北角之间的西北段是该断裂位移幅度最大的部位,断裂出露点与阴洼山最高点的高程差约450m,奥陶系之上白垩系厚度最少970m(在邻区黑山西侧一带,白垩系直接不整合于奥陶系之上,故仅计算白垩系厚度),可以初步推算垂向位移至少达到1400m以上,如果考虑阴洼山上奥陶系的部分剥蚀和白垩系之上部分新生代新近纪沉积物的厚度,则阴洼山断裂垂向位移最保守的估算也在1800m以上。如果以垂向位移1800m来计算,并以本区内的新民堡断裂晚更新世以来的垂向位移速率0.6mm/a(取陈柏林等的0.51～1.45mm/a与闵伟的0.24mm/a的中间值),则阴洼山断裂西北段开始活动时间为距今3Ma的新近纪上新世晚期。所以,在横跨祁连山北缘—河西走廊西段的剖面上,自南南西到北北东方向,断裂出露的顺序是旱峡-大黄沟断裂→玉门断裂→新民堡断裂→阴洼山断裂(图16);而在断裂起始活动的时代顺序是旱峡-大黄沟断裂(最早),玉门断裂(次早),阴洼山断裂(次晚),新民堡断裂(最晚),即在而同样方向上按时代为最老→次老→最新→次新排列。4.2基于逆冲突然滑动的发展模式和原因的探讨4.2.1前展—逆冲推覆断裂发育模式从上述主要活动断裂的形成时代上可看出,在祁连山北缘—河西走廊西段逆冲推覆断裂发育并不是简单的自南南西到北北东方向一条比一条更新,也就是说不是简单的前展式发育模式,而是前展-后展复合模式。具体表现为在祁连山北缘—河西走廊西段盆地中心的剖面中南段,逆冲推覆断裂以展式模式发育,即从旱峡—大黄沟断裂→玉门断裂→新民堡断裂形成时代越来越新;在河西走廊西段盆地中心以北到盆地北缘的剖面北段,逆冲推覆断裂以后展式模式发育,即从新民堡断裂→阴洼山断裂形成时代越来越老(图16)。所以,在祁连山北缘—河西走廊西段逆冲推覆断裂以前展-后展复合模式发育,玉门断裂不是最前缘的逆冲推覆断裂,形成时代最新的是以新民堡断裂为代表的盆地中心的低角度逆冲推覆断裂,其开始