肖偉鵬 陳 杰 李 濤 李文巧 Thompson J

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)中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083

3)Department of Earth Science，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

帕米爾北緣木什背斜第四紀(jì)滑脫褶皺作用與北翼逆斷裂的生長

肖偉鵬1，2)陳 杰1)*李 濤1)李文巧1)Thompson J3)

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)中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083

3)Department of Earth Science，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

發(fā)育在帕米爾弧形推覆構(gòu)造帶最前緣的木什活動背斜是一南緩北陡的第四紀(jì)滑脫褶皺，背斜的最小地殼縮短量為0.7km，構(gòu)造隆升幅度可達(dá)1.5km。木什背斜北翼逆斷層由一系列坡向北的反向斷層陡坎組成，不同斷坎間垂直位移分布呈現(xiàn)此消彼長的特征，不論是整個北翼逆斷層西段還是單條斷坎，其垂直位移均呈東高西低的不對稱分布，位移梯度東高西低，這可能反映了背斜西段晚第四紀(jì)褶皺作用的東強(qiáng)西弱。該斷層可能是背斜生長過程中為了調(diào)節(jié)褶皺逐漸緊閉時(shí)不斷減小的核部空間形成的淺部、無根的前翼次級剪切逆沖斷層，本身不會產(chǎn)生中強(qiáng)地震。該斷層晚第四紀(jì)平均水平縮短速率為0.8mm/a，僅吸收了該區(qū)現(xiàn)今GPS地殼縮短速率的1/5。木什背斜和背斜北翼逆斷層的生長均遵從根據(jù)全球斷層數(shù)據(jù)獲得的斷層長度＞100m的標(biāo)度律。木什背斜北翼逆斷層西段陡坎的冪律回歸標(biāo)度指數(shù)n=1.37(R2=0.88)，其斷層最大位移(Dmax)與斷層長度(L)的比值(k)遠(yuǎn)小于木什背斜的約4.3%，但比全球地震地表破裂帶的k值(10-4～10-5)要大1～2個數(shù)量級，這表明木什背斜北翼斷裂陡坎可能是數(shù)個中強(qiáng)震的派生產(chǎn)物，但尚處于斷層發(fā)育的早期。

帕米爾 木什背斜 褶皺相關(guān)逆斷層 斷層陡坎 斷層位移-長度標(biāo)度律

0 引言

斷層和褶皺作用是地殼變形的基本類型(Scholz，1990)。造山作用起始于斷層和褶皺的成核、生長和擴(kuò)展(Armstrong et al.，1965)。褶皺和斷層是如何成核、生長擴(kuò)展和相互關(guān)聯(lián)的?褶皺和逆斷層間是如何相互作用的?沿單條斷層位移是如何變化的，沿整個斷裂帶累積位移又是如何變化的?生長是以單向不對稱擴(kuò)展為主還是以雙向擴(kuò)展為主?相鄰2條斷層之間位移是如何分配和傳遞的?褶皺與逆斷裂長度和位移的關(guān)系遵從何種標(biāo)度律(scaling laws)?這些問題不論對于認(rèn)識褶皺和逆斷層本身，還是對于評價(jià)活動褶皺和逆斷層未來地震危險(xiǎn)性都具有十分重要的意義。對斷裂帶形成和生長過程的研究多集中在正斷層和走滑斷層(Dawers et al.，1995;Manighetti et al.，2001;Walsh et al.，2003)，對于逆斷層的研究實(shí)例則非常少(Davis et al.，2005;Amos et al.，2010)。

帕米爾弧形推覆構(gòu)造帶最前緣和最新的變形帶——木什活動背斜以及背斜北翼河流階地上發(fā)育的數(shù)條斷層陡坎是開展上述問題研究的理想場所。我們對該背斜進(jìn)行了1/5萬的活動構(gòu)造地質(zhì)-地貌填圖，采用不同方法和技術(shù)對背斜北翼斷層陡坎進(jìn)行了詳細(xì)測量，結(jié)合探槽開挖和露頭觀察，對斷層的生長過程和位移分布特征進(jìn)行了分析，對該斷層與木什背斜之間的關(guān)系進(jìn)行了討論。

1 研究區(qū)背景

木什背斜位于塔里木西部帕米爾和南天山2個晚新生代再生造山帶的匯聚帶內(nèi)，是帕米爾弧形推覆構(gòu)造帶最前緣和最新的變形帶(陳杰等，2011;圖1)。新生代印度板塊與歐亞大陸強(qiáng)烈擠壓碰撞，帕米爾高原強(qiáng)烈隆升并向北推覆，南天山再度崛起并向南逆沖，使得兩者之間的盆地強(qiáng)烈凹陷，堆積了8～12km巨厚的碎屑沉積物。受軟弱巖性控制，盆地內(nèi)發(fā)育2個深淺不同層次的滑脫面(肖安成等，2000)。深層滑脫面由寒武紀(jì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和膏泥巖組成，深度約10km，是區(qū)域主滑脫面。淺層滑脫面由古近紀(jì)石膏巖、灰?guī)r組成，區(qū)域深度有一定變化。

圖1 (a)帕米爾高原、西天山和塔里木西部GTOPO30 DEM;(b)塔里木西部ASTER影像和主要新生代構(gòu)造帶，GPS速度矢量(據(jù)Zubovich et al.，2010)Fig.1 (a)Tectonic setting of the Kashi foreland basin;(b)the ASTER image，main structures and GPS velocity vectors of the Kashi foreland basin(after Zubovich et al.，2010)

西南天山構(gòu)造變形起始于距今約25Ma(Sobel et al.，2006)，構(gòu)造變形前緣分25～20Ma、16.3 ～13.5Ma、13.5 ～4.0Ma、4.0Ma至現(xiàn)今4 個階段，由腹陸(北)向前陸盆地(南)脈沖式遷移擴(kuò)展，遷移速度＞10mm/a，地殼縮短總量達(dá)7～12km，由西向東縮短量和速率有減小趨勢(Scharer et al.，2004;Chen et al.，2007;Heermence et al.，2008)。在第四紀(jì)，西南天山變形前緣已向南遷移到盆地中部的阿圖什-喀什滑脫褶皺帶，形成了明堯勒、喀什、阿圖什等多個第四紀(jì)活動背斜(圖1)。

新生代以來，帕米爾通過主帕米爾逆沖斷裂(Main Pamir Thrust，MPT)、帕米爾前緣逆沖推覆體(Pamir Front Thrust，PFT)及其之間的烏帕爾背馱盆地吸收了約300km塔里木-塔吉克塊體向南的俯沖(Burtman et al.，1993;Thomas et al.，1994)。MPT 的活動起始于距今 25 ～18Ma(Sobel et al.，1997;Yin et al.，2002)，其空間展布和演化歷史至今未能很好地限定(圖1)。帕米爾的第四紀(jì)變形集中在帕米爾前緣逆沖推覆體(PFT)上。PFT是帕米爾的最前緣和最新變形帶(圖1)，又稱烏帕爾斷裂帶(劉勝等，2005;陳漢林等，2010)或卡茲克阿爾特?cái)嗔?馮先岳，1987)，斷裂以古近系底部的膏泥巖層作為滑脫面向北推覆，由喀孜克阿爾特復(fù)背斜及其北緣的卡茲克阿爾特逆掩斷裂帶組成(劉勝等，2005;陳漢林等，2010)。PFT由多個向北逆沖的次級推覆體及其間的橫向撕裂斷層組成，由西向東包括卡巴加特?cái)嗔选⒓崭裼商財(cái)嗔选⑼心仿灏矓嗔押湍臼脖承?陳杰等，1997)。

PFT和喀什-阿圖什褶皺帶的現(xiàn)今GPS縮短速率為6～9 mm/a(Yang et al.，2008;Zubovich et al.，2010)。據(jù)艾斯毛拉背斜東南的GPS觀測站W(wǎng)UPA和喀什背斜南的KSH站觀測數(shù)據(jù)(Zubovich et al.，2010)，兩站之間現(xiàn)今縮短速率約為 3.7mm/a。

2 木什背斜的構(gòu)造變形特征

木什背斜位于西南天山喀什前陸盆地明堯勒-喀什背斜帶南側(cè)，屬帕米爾前緣逆沖推覆體的東端(陳杰等，1997;尹金輝等，2001)。背斜西起波孜塔格峰東，向SEE方向延伸，東止于疏附縣城以西，背斜北側(cè)以寬緩的卡帕卡向斜與明堯勒-喀什背斜帶相隔，西傾伏端以狹窄的向斜與明堯勒背斜交接。在背斜西南，帕米爾前緣逆沖推覆體的分支斷裂——波孜塔格逆斷裂上盤的古近系和新近系向北逆掩在木什背斜西南翼的西域礫巖之上(圖1和圖3a;陳杰等，1997)。在背斜南側(cè)，PFT的另一條分支斷裂——艾斯毛拉逆斷裂及上盤古近系和新近系向北逆掩在木什背斜南翼之上。

康玉柱等 對該背斜進(jìn)行了1/5萬石油地質(zhì)填圖，對地層組成和構(gòu)造發(fā)育特征進(jìn)行了較詳細(xì)描述。在前人工作基礎(chǔ)上，我們對該背斜進(jìn)行了1/5萬的活動構(gòu)造地質(zhì)-地貌填圖(圖2a)。木什背斜區(qū)內(nèi)出露的最老地層為阿圖什組(N2a)和西域組(Q)。阿圖什組分布在背斜核部，北翼河流階地基座也有零星分布，是一套河流相的土黃色、蒼棕色、灰綠色泥巖、砂泥巖、砂巖層夾砂礫巖層，交錯層理發(fā)育，向上粒度漸粗，出露厚度700～900m。西域組主要分布在背斜南翼和東西傾伏端，北翼的階地基座僅零星出露，巖性為深灰色礫巖，局部夾少量砂巖透鏡體;礫巖成分為變質(zhì)砂巖、沉積砂巖、灰?guī)r、花崗巖等，粒徑3～10cm，大者超過1m;出露厚度300～500m。西域組與下伏阿圖什組之間為整合漸變接觸(圖2b，c)。

在平面上木什背斜呈一略向SSW凸出的扁豆形。背斜總體呈NWW-SEE向展布，構(gòu)造地形長約35km，寬6～12km。背斜西窄(窄處約6km)東寬(圖2d)，背斜最寬逾12km，沿走向延伸最長達(dá)35km，長寬比為2.9。若以地表出露的阿圖什組頂界面計(jì)算，背斜長約17.5km，寬約5.3km，為一短軸背斜。

木什背斜在剖面上為一南翼緩、北翼陡傾甚至直立的不對稱歪斜背斜(圖2d)。阿圖什組和上覆西域組下部構(gòu)成了背斜的基本幾何形態(tài)，相互間近于平行，地層厚度及產(chǎn)狀沒有顯著變化，為一套生長前地層。背斜南翼近核部，阿圖什組產(chǎn)狀較緩，傾角為4°～6°，向南至庫木塔格山脊附近的阿圖什組與西域礫巖過渡帶傾角變?yōu)?5°～20°，再向南至西域組中、上部地層產(chǎn)狀變緩至4°～8°。背斜核部與北翼地表幾乎全部被向東流的克孜勒蘇河所切蝕，形成多級開闊平坦的基座階地。從零星的露頭看，北翼近核部阿圖什組產(chǎn)狀較緩，傾角為22°～26°，向北迅速變陡甚至直立?？v向上，背斜西部相對緊閉，地層較陡，隆升幅度較高;向東褶皺逐漸變寬緩，隆升幅度漸小(圖2d)s。背斜脊線以6°～10°向兩端平緩傾伏，東端尤為平緩，地層傾角只有4°～5°;在西端下傾迅速，在不足2.5km 的范圍內(nèi)地層傾角由10°增大到25°、40°，最后以10°左右過渡至卡帕卡向斜。顯然，背斜的構(gòu)造變形起始于西域礫巖下部沉積之后。但由于地層傾角較緩，我們并未在露頭上觀察到生長地層。

在區(qū)域上，阿圖什組屬新近紀(jì)上新統(tǒng)，西域組屬下更新統(tǒng)，但兩者間的界限具有穿時(shí)性，至少變化于0.7～1.9Ma(Chen et al.，2007;陳杰等，2007)。據(jù)明堯勒背斜南翼明堯勒剖面的磁性地層年代學(xué)結(jié)果，西域礫巖的底界年齡為(1.5±0.2)Ma。顯然，背斜的構(gòu)造變形要晚于(1.5 ±0.2)Ma。

晚第四紀(jì)以來伴隨著背斜的持續(xù)生長，克孜勒蘇河兩岸階地發(fā)生了顯著變形，在背斜西北角主要表現(xiàn)為木什背斜北翼逆斷裂的活動和多條斷層陡坎的形成，在背斜的中東部則表現(xiàn)為不同階地面的橫向掀斜及褶皺陡坎的形成和階地面的縱向掀斜(李濤等，2011)。本文重點(diǎn)討論背斜北翼逆斷裂及其與褶皺作用的關(guān)系。

3 木什背斜北翼逆斷裂變形特征

木什背斜北翼逆斷裂位于背斜區(qū)西北部軸線以北2km處(圖1，3，4)，在克孜勒蘇河北岸階地面T2b上形成了數(shù)十條長約5km、走向N63°W的斷層陡坎，向西延伸終止于1985年烏恰MS7.4地震地表破裂帶(馮先岳，1994;陳杰等，1997;尹金輝等，2001)。需要指出的是，這些斷層陡坎在1985年烏恰MS7.4地震中并未發(fā)生同震破裂。由于修建喀什一級電站引水渠，這些斷坎北部遭到破壞。我們對引水渠修建前、攝于1971的航片對(比例尺約為1/5萬)，引水渠修建后、攝于1983年的航片對(比例尺1/1萬)進(jìn)行了正射校正和數(shù)字化，結(jié)合Google Earth 2010年發(fā)布的高分辨率SPOT衛(wèi)星影像進(jìn)行了細(xì)致的解譯。在此基礎(chǔ)上對未被破壞的斷層陡坎及斷錯地貌進(jìn)行了大比例尺填圖和地形測量。

3.1 幾何學(xué)特征

木什背斜北翼逆斷裂帶在克孜勒蘇河北岸階地面T2b上表現(xiàn)為一系列坡向北的反向斷層陡坎，與坡向南的區(qū)域地形相反。斷坎總體走向與背斜軸線一致，可分為東西兩段。

3.1.1 東段

東段斷坎規(guī)模較大但較為簡單，由坡向北、走向N55°W的斷坎組成(圖2，4)，與下伏基巖走向一致。該段斷坎長約2.1km，向SE延伸至克孜勒蘇河消失，向NW延伸其西端被喀什一級電站引水渠所破壞。由于斷坎較高且坡向NE，斷坎北側(cè)向南流的沖溝水系被阻擋而改道沿陡坎前緣流向SE(圖3a)，形成與斷坎平行的SE向深切溝谷，并在兩岸特別是南岸形成階地，溝床西窄向東漸寬。南岸1～2級沖溝階地的存在使得有些地點(diǎn)難以區(qū)分階地陡坎和斷層陡坎(圖4a)。斷層上盤發(fā)育了多條短小、NE流向的現(xiàn)代小沖溝，匯入此SE流向的水系中，這些小沖溝顯然是在斷坎形成后切蝕斷坎而成。

圖3 木什背斜北翼逆斷裂陡坎分布Fig.3 The spatial distribution of northern Mushi anticline surface rupture.

據(jù)康玉柱等1978年的填圖資料①同291頁①。，在喀什一級電站落水壩施工時(shí)揭露出一斷層剖面(圖4b)，阿圖什組蒼棕色砂泥巖向北逆沖到晚第四紀(jì)階地砂礫石堆積之上，斷層面產(chǎn)狀為190°∠46°。斷層破碎帶內(nèi)阿圖什組遭受強(qiáng)烈擠壓，巖層直立、彎曲、揉皺、甚至局部倒轉(zhuǎn)，泥巖被擠壓成透鏡體。斷層下盤階地砂礫石堆積在斷層面附近受到明顯牽引，礫石沿?cái)鄬用娉识ㄏ蚺帕?。遺憾的是該圖中對晚第四紀(jì)階地砂礫石的斷錯細(xì)節(jié)及斷層的上斷點(diǎn)未作細(xì)致觀察和描述，目前該剖面已經(jīng)被水壩等建筑物所掩埋。

在斷層陡坎東端的喀什一級電站落水壩基處，可見西域組青灰色礫巖(地層產(chǎn)狀為30°∠68°)向北逆沖到晚第四紀(jì)階地礫石層之上，形成較寬的斷層破裂帶，斷層面附近礫石定向排列(圖4c，d)。破裂帶內(nèi)發(fā)育3條斷層，F(xiàn)1和F2僅發(fā)育在西域礫巖中，未斷錯上覆階地堆積。F3斷層面產(chǎn)狀180°∠22°，西域礫巖沿該斷層向北逆沖在近水平階地河床相砂礫石層之上，并在地表形成4.6m高的斷層陡坎(圖4a)。F3斷層下盤雖未見階地堆積底界及西域礫巖，但其垂直斷距應(yīng)＞4.6m。剖面右上角近地表F3下盤發(fā)育一楔狀粉細(xì)砂堆積，近斷層處厚約0.6m，遠(yuǎn)離斷層漸薄，可能是一古地震楔狀堆積。由于F3已逆沖在該楔狀粉細(xì)砂堆積之上，說明該斷層至少經(jīng)歷了2次活動:第1次活動在地表形成一陡坎，隨后在其前緣沉積了楔狀粉細(xì)

砂堆積;第2次活動使F3斷錯該楔狀粉細(xì)砂堆積。需要指出的是，該露頭向南10～15m即為阿圖什組與西域礫巖的過渡帶，亦見數(shù)條向北逆沖的斷層。

圖4 喀什一級電站落水壩基處木什背斜北翼逆斷層Fig.4 The outcrop of Mushi Fault at the dam foundation of the Kashgar's first hydropower station.

如假定克孜勒蘇河北岸階地面T2b與南岸T2a階地的形成時(shí)代一致，即為約13.7ka，木什背斜北翼逆斷裂東段在T2b形成以來的垂直位移為4.6m，若按F3斷層的產(chǎn)狀計(jì)算其傾滑位移為12.3m，水平縮短量為11.4m，則其平均垂直滑動速率為 0.34mm/a，平均傾滑速率為0.9mm/a，平均水平縮短速率為 0.8mm/a。

3.1.2 西段

喀什一級電站引水渠以西為木什背斜北翼逆斷裂帶的西段，斷坎規(guī)模明顯小于東段。據(jù)1971年拍攝的航片(圖3a)，該段在地表由數(shù)十條右階或左階斜列、坡向北的反向斷層陡坎組成，長約3km。沿這些斷坎多處可見沖溝被斷錯，發(fā)育了斷頭溝、斷尾溝和斷塞塘沉積。在斷層上盤發(fā)育3～4條規(guī)模較大的南流深切溝谷(圖3b)，均為斷頭溝，谷內(nèi)發(fā)育3～4級小階地，下盤卻基本不發(fā)育階地。斷層上盤的這些小階地地貌可能反映了斷層的多次間歇性活動。

在平面上，木什背斜北翼逆斷裂帶西段的東部由6條反向斷層陡坎組成，呈掃帚狀向西撒開，最寬處可達(dá)400m，向東逐漸合并為東段所在的“掃帚柄”。南部3條斷坎向西延伸規(guī)模漸小，向西1km后漸消失。北部3條斷坎雖被電站引水渠破壞，但在1971年航片上可見其向西延伸約1.8km后向西散開，規(guī)模漸小，終止于1985年烏恰MS7.4地震地表破裂帶(馮先岳，1994;陳杰等，1997;尹金輝等，2001)。每條陡坎實(shí)際上又由數(shù)條次級陡坎組成。單條斷坎走向NWW-SEE，與下伏基巖地層走向基本一致，蛇曲狀展布，延續(xù)性較好。單條斷坎長短不一，長300～1 100m。階區(qū)斷坎間距(隔離量，separation)30～90m，階區(qū)斷坎重疊量(overlap)100～200m。斷坎間距20～140m不等。在大多數(shù)階區(qū)，斷坎端部彼此向相鄰斷層匯聚。

在斷坎FS10中部斷塞塘沉積發(fā)育的部位開挖了一探槽。該處斷坎高度為(1.1±0.1)m(圖5a)。探槽出露地層以砂礫石層為主夾數(shù)層砂、粉砂和黏土層。探槽剖面揭示出F1和F22條斷層。向北逆沖的主斷層F1呈臺階狀，由下斷坡-斷坪-上斷坡組成。F1下盤地層除在斷層附近發(fā)生輕微牽引變形外，遠(yuǎn)離斷層呈近水平。F1下斷坡產(chǎn)狀188°∠34°，地層垂直斷距(1.2±0.1)m。沿F1上斷坡，地層斷距向上漸小，地層變形漸以褶皺為主。在F1下斷坡頂端發(fā)育向南逆沖的反沖斷層F2，產(chǎn)狀為8°∠12°，斷距較小，至斷層端部表現(xiàn)為地層的褶曲，并未出露地表。F1和F2斷層是在層⑧沉積之后開始活動的，在地表形成斷坎并在坎前堆積了楔狀沉積層⑨。顯然，該探槽僅揭露了一次斷層活動事件。

3.2 位移分布特征

木什背斜北翼逆斷裂陡坎高度由東向西有減小趨勢。東段單條斷坎高度3.9～6.4m不等，累積高度 (11.0±1.0)m。西段斷坎規(guī)模明顯較東段小，單條斷坎高度0.2～2.5m不等，累積高度不超過3.5m，向西漸小。

圖5 橫跨斷坎FS10探槽剖面Fig.5 The cross-section of trench FS10 crossing fault scarp.

為了更進(jìn)一步研究沿單條斷坎位移是如何變化的，我們選擇木什背斜北翼斷層西段保存較好的8條斷層陡坎進(jìn)行了系統(tǒng)測量(圖6a)。測量儀器為UniStrong集思寶E660T GNSS差分GPS測量系統(tǒng)，其水平精度＜2cm，垂直定位精度＜4cm，流動站采用測繪人雙肩背式測量，由此造成的測量誤差＜10cm，小于斷層陡坎的高度。測量時(shí)，沿?cái)嗫裁扛魯?shù)m測一數(shù)據(jù)對(斷坎坡頂和坡腳各測一點(diǎn))，數(shù)據(jù)對兩點(diǎn)的連線與陡坎走向大致垂直，測量時(shí)盡量避開沖溝等后期改造強(qiáng)烈的位置，由此獲得每條坎的高度。為了檢驗(yàn)斷坎坡頂-坡腳數(shù)據(jù)對測量的有效性，同時(shí)還進(jìn)行了跨斷層的地形剖面連續(xù)測量，根據(jù)斷坎上下盤地形坡度、陡坎坡度，利用Thompson等(2002)提出的方法，可計(jì)算得到斷坎的垂直位移。此外，利用Leica ScanStation三維(3D)激光掃描儀選擇典型地段對斷坎FS8，9，10進(jìn)行了高精度測量。測量時(shí)，用差分GPS對3個標(biāo)靶分別進(jìn)行了定點(diǎn)，以備數(shù)據(jù)的后期處理時(shí)配準(zhǔn)使用。數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)是在Leica Geosystems HDS Cyclone 3D點(diǎn)云處理軟件中進(jìn)行的，將事先獲取標(biāo)靶的大地坐標(biāo)按要求導(dǎo)入，設(shè)其為母站，然后對每站的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，這樣拼接好的數(shù)據(jù)就具有絕對地理坐標(biāo)。

圖6d給出了沿?cái)嗫睩S10走向3種方法測量結(jié)果的對比。由于地形不規(guī)則或局部侵蝕，位移分布并非平滑的曲線，而是表現(xiàn)為輕微的起伏和波動。對比這3種測量方法的精度和準(zhǔn)度，理論上而言，3D激光測量應(yīng)該最好，地形剖面連續(xù)測量次之，但數(shù)據(jù)對測量法最省時(shí)。測量時(shí)該地發(fā)育不少10～30cm高的駱駝刺、灌木叢等植被，因而導(dǎo)致3D激光測量數(shù)據(jù)的起伏。從圖6d可看出，雖然數(shù)據(jù)對法測量結(jié)果系統(tǒng)性略低于其他2種方法，但3種方法測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是一致的。斷坎FS8，9也獲得了類似的結(jié)果。因此，數(shù)據(jù)對法獲得的斷坎高度是可信的。

對于木什背斜北翼斷裂西段，單條逆斷層陡坎垂直位移量變化于0.2～2.6m之間，沿?cái)嗫沧呦蚱浞植计鸱^大，通常呈不對稱三角形、箱形或橢圓形，由于后期人為改造，只有5條斷坎可以較好地沿走向追蹤其起止(圖6a)。其中4條斷坎(FS3，4，6，9)的高度從峰值向兩端衰減，從斷坎垂直位移-長度分布圖上可見(圖6g)，這些斷坎的垂直位移分布呈不對稱三角形，其峰值位于其東段，向東快速衰減即位移梯度大，向西緩慢衰減即位移梯度小。斷坎FS8雖然兩端保存完好(圖6b)，從西端向東垂直位移逐漸增大，當(dāng)達(dá)到約1.2m時(shí)基本恒定，在斷坎東端進(jìn)入與FS7重疊的階區(qū)內(nèi)甚至與FS7合并時(shí)位移量仍約1.3m;隨即FS8突然終止于FS7，與其合并，F(xiàn)S8消失，其位移傳遞到FS7，使得FS7垂直位移增大。與FS8不同，斷坎FS9垂直位移由西端向東增大到約1.8m時(shí)因與FS7合并而迅速消失，斷坎最大垂直位移處并未表現(xiàn)為一坪區(qū)，在合并前已衰減至約1m。斷層陡坎FS8和FS9的位移分布特征可能是因兩斷層陡坎之間相互關(guān)聯(lián)和級聯(lián)破裂造成的。FS10斷坎的垂直位移分布呈不對稱箱形，這可能是因不同斷層陡坎之間連接和相互作用造成的(Scholz et al.，1993;Cartwright et al.，1995;Dawers et al.，1995;Willemse et al.，1997)。

在不同斷坎之間，垂直位移分布呈現(xiàn)此消彼長的特征。例如圖6h，在2條斷層陡坎的階區(qū)，垂直位移由西向東表現(xiàn)為沿FS5陡坎逐漸降低，伴隨著另一條斷層陡坎FS6位移逐漸增大，與圖1c類似。FS5和FS6的垂直位移峰值一致，雖然該階區(qū)內(nèi)2條斷坎的累加位移與位移峰值相比存在位移虧損，但這一位移虧損可能被與FS5，6近平行展布的FS3，4所補(bǔ)償(7b)，在500m至850m的距離內(nèi)所有斷坎的累加垂直位移約為3m，表現(xiàn)為一坪區(qū)，這反映了位移在不同斷坎之間的遷移和傳遞。

將木什背斜北翼斷層西段保存較好的8條斷層陡坎垂直位移累加，可得到如圖6b所示的該斷裂西段累積位移分布。盡管沿單條斷坎位移起伏較大，但其累積位移卻較為平滑，由西而東，在170～500m的距離內(nèi)位移總量由西向東緩慢增大，至約3m時(shí)基本恒定，在500～850m的距離內(nèi)累加垂直位移表現(xiàn)為一坪區(qū);再向東，由于北部幾條斷坎已被電站引水渠破壞，使得我們無法進(jìn)一步獲得其累積垂直位移的變化情況。

圖6 木什背斜北翼逆斷裂帶西段斷坎垂直位移分布Fig.6 The vertical displacement distribution of scarps along the west segment of Mushi anticline northern thrust fault.

4 討論

4.1 木什背斜與北翼逆斷裂的關(guān)系

關(guān)于褶皺與斷裂構(gòu)造之間的關(guān)系，至今仍存在“雞和蛋”之爭:一種觀點(diǎn)認(rèn)為先斷裂后褶皺變形，由于斷層作用導(dǎo)致了褶皺的形成和生長，此即斷層相關(guān)褶皺作用(McClay，2004;何登發(fā)等，2005)。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為先褶皺變形后斷裂，斷層作用從屬于褶皺變形，斷裂是為了調(diào)節(jié)褶皺作用過程中巖層不同部位應(yīng)變差異而產(chǎn)生的，此即褶皺相關(guān)斷層作用(Mitra，2002;鄧洪菱等，2009)。

木什背斜北翼逆斷層是背斜區(qū)內(nèi)出露的惟一一條斷裂，其形成與背斜之間必然具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)。陳杰等(1997)根據(jù)前人資料曾推測木什背斜為一第四紀(jì)活動的斷展褶皺。目前尚無穿過背斜的地震反射剖面。從背斜以東約30km的近SN向JC-A1地震反射剖面(南起英吉沙向北穿過喀什背斜至阿圖什市區(qū))看，喀什背斜的滑脫面為5～7km(4～5s深處)深的近水平古近系底部膏泥巖層(T8強(qiáng)反射波組，Chen et al.，2007)，該滑脫面是一區(qū)域性滑脫面(肖安成等，2000;錢俊鋒等，2008)，可向南連續(xù)追蹤至英吉沙背斜附近。木什背斜是帕米爾前緣逆沖推覆體PFT的NE段分支構(gòu)造，劉勝等(2005)通過對地震反射剖面的分析認(rèn)為，帕米爾前緣逆沖推覆體沿古近系底部的膏泥巖層(T8強(qiáng)反射波組)滑移，并向上逆沖推覆至地表。在木什背斜西南1～2km處，清晰可見PFT的分支斷裂(波孜塔格逆斷裂帶)露頭，斷層上盤數(shù)百m厚的古近系底部阿爾塔什組膏泥巖向北逆掩在木什背斜和明堯勒背斜的第四系之上。據(jù)上述資料推測木什背斜的滑脫面應(yīng)該為深5～7km處的古近系底部膏泥巖。

假定地層長度不變，綜合地表填圖資料，利用構(gòu)造平衡恢復(fù)軟件2D Move對木什背斜進(jìn)行了構(gòu)造建模。假設(shè)木什背斜深部存在一斷坡，北翼逆斷裂陡坎是深部斷坡斷錯地表形成的，該斷坡傾角與背斜南翼地層傾角相近，為18°～22°，那么從斷層露頭向下延伸5～7km與滑脫面的交點(diǎn)至少要在該斷層露頭以南12km，這已大大超出地表木什背斜的范圍，與實(shí)際不符。因此，該斷坡是不存在的。如假設(shè)木什背斜為一滑脫褶皺，利用2D MOVE軟件模擬獲得如圖7的結(jié)果，剖面中軸面位置的確定除依據(jù)野外觀察資料外，還采用了盡量減少陡傾等傾斜巖層長度使緩傾等傾斜巖層長度最大化的原則，由此獲得背斜生長前地層的最小地殼縮短量為0.7km;盡管現(xiàn)今地表起伏只有500余m，而背斜構(gòu)造隆升幅度可達(dá)1.5km。該模型較好地解釋了現(xiàn)有實(shí)際資料，因此我們更傾向于認(rèn)為木什背斜是一滑脫褶皺，這與明堯勒背斜和喀什背斜褶皺類型一致(Scharer et al.，2004;陳杰等，2005;Chen et al.，2007)。這也說明木什背斜北翼逆斷裂陡坎可能并非形成木什背斜的主斷層。

圖7 木什背斜構(gòu)造平衡剖面Fig.7 Balanced cross-section of the Mushi anticline.

木什背斜北翼逆斷層具有以下發(fā)育特征:1)數(shù)條斷層陡坎近平行展布，但延續(xù)性不好，單條斷坎長度較短，沿走向位移變化很大;2)斷層發(fā)育在背斜陡傾的北翼，斷層與下伏地層之間交角很大;3)在空間上，斷層僅在背斜較緊閉的西北部出露，在背斜中部和東部均無出露;4)地表斷坎的高度和斷層垂直位移由東向西漸小;5)木什背斜總長度約35km，而木什背斜北翼逆斷層出露長度僅約5km，其規(guī)模與背斜規(guī)模不相匹配。這些均表明木什背斜北翼逆斷層具有褶皺相關(guān)斷層的特征，可能是背斜生長過程中為了調(diào)節(jié)褶皺逐漸緊閉時(shí)不斷減小的核部空間形成的淺部、無根次級斷層，屬背斜前翼剪切逆沖斷層(Mitra，2002;鄧洪菱等，2009)。

4.2 木什背斜北翼逆斷層位移分布及其與斷層長度的關(guān)系

斷裂帶的形成和生長是自然界中構(gòu)造變形的基本方式之一(Scholz，1990)。斷裂最大位移(Dmax)和斷裂長度(L)之間的關(guān)系為觀察斷層生長的機(jī)制提供了條件，可作為考察變形特征的大小和構(gòu)造變形速率的工具。研究結(jié)果表明，斷層長度(L)和最大位移(Dmax)之間遵循冪指數(shù)律:Dmax=kLn，式中 k和 n 均為常數(shù)，可通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得(Cowie，1992b;Scholz et al.，1993;Dawers et al.，1995;Schlische et al.，1996;Manighetti et al.，2001)。根據(jù)不同構(gòu)造背景、巖性條件和斷層規(guī)模獲得的數(shù)據(jù)，斷裂帶長度＜100m時(shí)，Dmax和L之間大致呈線性關(guān)系(n≈1)。對于斷裂帶長度超過100m的斷層Dmax和L之間是否仍遵循線性關(guān)系還存在爭議(Nicol et al.，1996)。上述研究多集中在正斷層，對于逆斷層生長過程的研究實(shí)例很少(Davis et al.，2005;A-mos et al.，2010)，逆斷層帶內(nèi)各段長度和各段最大位移之間是否與正斷層具有相同的統(tǒng)計(jì)規(guī)律?這種規(guī)律在不同時(shí)間尺度是否一致?

不論是整個斷裂帶還是單條斷坎，木什背斜北翼斷裂的垂直位移均呈東高西低的不對稱分布，其位移梯度亦東高西低(圖6b)。前人也曾報(bào)道過這種不對稱的位移分布特征，認(rèn)為這可能反映了斷層由位移峰值向斷層端部的側(cè)向生長擴(kuò)展(Medwedeff，1992;Manighetti et al.，2001)。木什背斜北翼斷裂陡坎均發(fā)育在克孜勒蘇河北岸的T2b階地上，該階地與河南岸的T2a階地為同一級階地，T2a階地的年齡約(15.8±2.4)ka(李濤等，2011)，顯然這些斷坎是在階地形成后發(fā)育的。很難想象在這么短的時(shí)間內(nèi)，木什背斜北翼逆斷層陡坎由東向西側(cè)向擴(kuò)展了2～3km。因此，我們認(rèn)為木什背斜北翼逆斷層陡坎不對稱位移分布并非由東向西的側(cè)向擴(kuò)展造成的。從木什背斜構(gòu)造橫剖面看(圖2d)，由剖面CC'向西至AA'，背斜構(gòu)造高點(diǎn)是向西遞減的，這反映了西段褶皺作用的東強(qiáng)西弱。作為與褶皺作用相關(guān)的次級斷層，木什背斜北翼斷裂陡坎位移梯度的東高西低與背斜構(gòu)造高點(diǎn)的分布特征是一致的，其生長顯然主要受控于褶皺作用的強(qiáng)弱。

為了進(jìn)一步研究木什背斜北翼斷裂陡坎最大垂直位移(Dvmax)與斷坎長度(L)間的關(guān)系，我們利用1971年拍攝的航片對，對已遭破壞的FS5、7和10等3條斷坎的長度和陡坎相對高度進(jìn)行了判讀。獲得了這3條斷坎的長度(表1)，未被破壞段的最大陡坎高度應(yīng)該代表了整條斷坎的最大高度。從圖8可見，不論線性還是冪律最小二乘回歸均能較好地描述木什背斜北翼逆斷裂帶西段斷坎最大垂直位移與斷坎長度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。線性回歸(圖8a)給出的斜率即上述公式中的k為0.0035(R2=0.84)，冪律回歸(圖8b)給出的標(biāo)度指數(shù)即上述公式中的n為1.37(R2=0.88)。如果假定各斷坎斷層面傾角為22°(據(jù)圖4c斷層露頭)，可推算得到各斷坎的最大傾滑位移量Ddmax(表1)，據(jù)此進(jìn)行線性回歸得k=0.009(R2=0.84)，冪律回歸的n不變。這一結(jié)果表明，不同斷坎間的最大位移與斷坎長度間具有自相似的標(biāo)度律，即斷坎越長其最大位移越大。

木什背斜北翼斷裂西段斷坎的最大傾滑位移和長度資料與Schlische等(1996)統(tǒng)計(jì)全球斷層資料給出的標(biāo)度律是匹配的，實(shí)際上彌補(bǔ)了中等尺度(長100～1 000m)斷層資料較少的空白，并與Davis等(2005)在新西蘭Ostler逆斷層帶的研究結(jié)果一致(圖9)。木什背斜北翼斷裂西段斷坎的Ddmax/L比值，即k值為約0.9%，這與Davis等(2005)在新西蘭Ostler逆斷層帶的研究結(jié)果一致，但要比正斷層的小(Dawers et al.，1995，k=1% ～ 2%;Manighetti et al.，2001，k=1.5%)，比Elliott(1976)在加拿大Rockies地區(qū)逆斷層的數(shù)據(jù)(k=7%)小得多。斷層陡坎數(shù)據(jù)的離散度、構(gòu)造背景和巖性的不同以及斷層傾角沿走向的不確定性，均可能會對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大影響。造成木什背斜北翼斷裂西段斷坎k值較小的更主要原因是，我們測量的克孜勒蘇河T2b階地上發(fā)育的斷坎是階地形成(即14ka)以來的位錯量。木什背斜北翼斷裂已經(jīng)斷錯基巖(圖4b)，其在該階地形成前的斷錯量可能已被剝蝕，因此階地的斷錯量僅是該斷層累積位移的最小值。

圖8 木什背斜北翼逆斷裂帶西段斷坎最大垂直位移與斷坎長度關(guān)系圖Fig.8 The relationship of maximum displacement with fault length.

35km長的木什背斜的構(gòu)造隆升量可達(dá)1.5km(圖7)，其Dmax/L比值約4.3%，比北翼斷裂西段單條斷坎或整個西段的Ddmax/L比值要大得多。如果將木什背斜的資料投在圖9上，可見木什背斜的生長遵從斷層長度＞100m的標(biāo)度律。Wells等(1994)、Scholz(1982)收集了全球地震地表破裂帶資料，發(fā)現(xiàn)地表最大同震位移和破裂長度間的比值k為10-4～10-5(圖9)。木什背斜北翼斷裂西段單條斷坎的Ddmax/L比值(表1)至少比這些地震地表破裂帶的k值要大1～2個數(shù)量級。這表明木什背斜北翼斷裂陡坎可能是數(shù)個中強(qiáng)震的派生物，但尚處于斷層發(fā)育的早期。需要指出的是，木什背斜北翼斷裂陡坎與上述全球地震地表破裂帶及新西蘭Ostler逆斷層帶不同，它是褶皺相關(guān)斷層，是發(fā)育較淺的無根次級斷層。這類斷層本身不會產(chǎn)生中強(qiáng)地震，不是地震斷層的地表出露，可能只是木什背斜同震作用派生的產(chǎn)物。

圖9 全球斷層最大位移與斷層長度關(guān)系圖(據(jù)Schlische et al.，1996和Davis et al.，2005)Fig.9 The relationship of maximum displacement with fault length based on global fault dataset(after Schlische et al.，1996 and Davis et al.，2005).

5 初步認(rèn)識

在對帕米爾弧形推覆構(gòu)造帶最前緣和最新的變形帶——木什活動背斜進(jìn)行1/5萬活動構(gòu)造地質(zhì)-地貌填圖的基礎(chǔ)上，采用不同方法和技術(shù)對保存完好的背斜北翼8條斷層陡坎進(jìn)行了詳細(xì)測量，結(jié)合探槽開挖和露頭觀察，對斷層的生長過程和位移分布特征進(jìn)行了分析，獲得以下初步認(rèn)識:

(1)木什活動背斜是一南緩北陡的第四紀(jì)滑脫褶皺，其滑脫面可能為5～7km深處的古近系底部膏泥巖。背斜西部緊閉向東漸寬緩，構(gòu)造高點(diǎn)在西部，反映其構(gòu)造變形西強(qiáng)東弱。背斜的最小地殼縮短量為0.7km，構(gòu)造隆升幅度可達(dá)1.5km。

(2)發(fā)育在背斜西北部的木什背斜北翼逆斷裂帶，在克孜勒蘇河北岸階地面T2b上表現(xiàn)為一系列坡向北的反向斷層陡坎。斷坎總體走向與背斜軸線一致，長約5km，可分為東西2段。東段斷坎規(guī)模較大但較為簡單，陡坎高度4.6m;西段由數(shù)十條右階或左階斜列、坡向北的反向斷層陡坎組成，不同斷坎間垂直位移分布呈現(xiàn)此消彼長的特征，累加垂直位移逾3m。不論是整個西段還是單條斷坎，其垂直位移均呈東高西低的不對稱分布，其位移梯度亦東高西低，這可能反映了晚第四紀(jì)背斜西段褶皺作用的東強(qiáng)西弱。

(3)地質(zhì)露頭和探槽剖面均表明，木什背斜北翼逆斷裂是由一系列向NE低角度逆沖的斷層組成。該斷層在 T2b形成((15.8±2.4)ka，李濤等，2011)以來的垂直位移和速率分別為4.6m、0.34 mm/a;傾滑位移和速率分別為 12.3m、0.9 mm/a;水平縮短量和速率分別為11.4m、0.8 mm/a，僅吸收了該區(qū)現(xiàn)今地殼縮短速率的1/5。

(4)構(gòu)造平衡剖面模擬表明，木什背斜北翼逆斷層可能屬背斜前翼剪切逆沖斷層，是背斜生長過程中為了調(diào)節(jié)褶皺逐漸緊閉時(shí)不斷減小的核部空間形成的淺部、無根次級斷層。這類斷層本身由于較淺且從屬于木什背斜構(gòu)造，不會產(chǎn)生中強(qiáng)地震，可能只是木什背斜同震作用的派生產(chǎn)物。木什背斜構(gòu)造和1985年烏恰地震可能是2個獨(dú)立的震源體和發(fā)震構(gòu)造，這也解釋了木什背斜北翼逆斷層為何在該地震中未發(fā)生同震破裂。

(5)從斷層最大位移(Dmax)與斷層長度(L)的比值(k)看，盡管背斜北翼逆斷層是褶皺相關(guān)斷層，是無根次級斷層，不論木什背斜還是背斜北翼逆斷層的生長均遵從根據(jù)全球斷層數(shù)據(jù)獲得的斷層長度＞100m時(shí)的標(biāo)度律(Schlische et al.，1996;Davis et al.，2005)。木什背斜北翼逆斷層西段陡坎的冪律回歸標(biāo)度指數(shù)n=1.37(R2=0.88)，其k值遠(yuǎn)小于木什背斜的約4.3%，但比全球地震地表破裂帶的k值(10-4～10-5)要大1～2個數(shù)量級，這表明木什背斜北翼斷裂陡坎可能是數(shù)個中強(qiáng)震的派生產(chǎn)物，但尚處于斷層發(fā)育的早期。

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QUATERNARY DETACHMENT FOLDING AND PROPAGATION OF NORTH LIMB FAULT OF MUSHI ANTICLINE，NORTHERN MARGIN OF THE PAMIR

XIAO Wei-peng1，2)CHEN Jie1)LI Tao1)LI Wen-qiao1)Thompson J3)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，
Beijing 100083，China
3)Department of Geological Sciences，University of California，Santa Barbara，CA 93106，USA

The Mushi anticline locates at the frontier Pamir arcuate nappe tectonics belt(PFT)，which is a detachment fold with a gentle south limb and steep north limb，and its earth crust minimum shortening is ～0.7km with uplift up to 1.5km.The north limb fault of Mushi anticline is composed of a series of obsequent slope fault scarps，and the distribution of vertical displacements among different fault scarps presents a pattern of one increasing and the other decreasing.No matter of the entire western segment of the northern limb faults or a single fault，the displacement distribution is asymmetric，that is，high in the east and low in the west，and the same to displacement gradient.This may reflect the late Quaternary folding of Mushi anticline as being intensive in the east and feeble in the west.The fault may be a shallow，rootless secondary fault formed during the growth process of the anticline in order to accommodate the constantly decreased space of anticline nucleus as the fold tightened gradually.The late Quaternary shortening rate of the fault is 0.8mm/a，absorbing only one fifth of the nowadays crustal shortening rate of the region.The growth of Mushi anticline and the north limb fault of Mushi anticline both are in accordance with global fault dataset scaling relationship，that is，fault length is over 100m.The power-law regression scaling exponent of west segment of the northern limb fault of Mushi anticline is n=1.37(R2=0.88)，and its specific value(k)of maximum fault displacement and fault length is far less than that of the Mushi anticline，which is ～4.3%，but 1 ～2 orders of magnitude larger than that of global fault dataset(10-4～10-5).This may show that the northern limb fault of Mushi anticline is the offshoot of several moderate strong earthquakes，and it is still in initial stages.

Pamir，Mushi anticline，fold-related thrust fault，fault scarp，displacement-length scaling relationship

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0289-19

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.004

2011-04-09收稿，2011-05-17改回。

科技部國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2008DFA20860)、我國地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)活動斷層地震危險(xiǎn)性評價(jià)項(xiàng)目和地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(LED2010A04)共同資助。

* 通訊作者:陳杰，研究員，E-mail:chenjie@ies.ac.cn。

肖偉鵬，男，1986年生，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾聵?gòu)造與年代學(xué)，電話:15110084560，E-mail:xiaoweipeng 008@163.com。