科研动态｜我院博士后胡秀在JGR:Solid Earth上发表文章：祁连山东段活动断裂关联性与区域变形分配模式
近日，我院博士后胡秀与合作老师张培震等人，在地学刊物JGR: Solid Earth（JCR: 3.9/Q1）发表了基于河流阶地变形解析祁连山东段断裂活动关联性与区域变形分配模式的最新研究成果。文章题目为Fault Interaction and Strain Partitioning Deduced From Deformed Fluvial Terraces of the Eastern North Qilian Foreland, NE Tibetan Plateau。
本研究利用东大河的阶地变形研究了北祁连山东段腹地和前陆的构造变形模式，揭示地壳缩短如何在不同结构之间分配。通过断层相关褶皱运动学-几何学建模，构筑一个可以解释北祁连山东段整个冲断带阶地变形的基底断裂结构模型。研究结果显示北祁连山东段共发育三条活动断裂(民乐-大马营断层，皇城-塔儿庄断层和丰乐断层)，分布在海原断层以北约 70 km宽的逆冲褶皱冲断带，以2.7-3.4 mm/a的速率吸收北东向的地壳缩短。该研究结果表明，与西祁连相比，北祁连东部存在更大一部分的地壳缩短以逆冲推覆的方式吸收，很可能与海原断裂的挤压弯曲有关。挤压弯曲相关的东祁连山东前陆内的高逆冲缩短表明区域存在较大的地震危险性，尤其是弯区内的东大河-西营河周围。
褶皱冲断带形成于挤压造山带演化和变形向前陆的扩展过程中，往往涉及多组活动时间和速率各异的褶皱和冲断构造。这种时空尺度上的活动复杂性使得不同构造部位间关联的比较，以及推算整个构造带总缩短率异常艰难。此外，这种时空复杂性还可能导致长期和短期变形记录之间的不匹配。而地貌标志面例如河流阶地或山麓夷平面，可以提供自其发育以来的构造变形空间分布，是定量解析逆冲褶皱冲断带时空演化的有效手段。
北祁连山位于青藏高原东北缘，变形历史复杂，涉及多个断层系统之间的相互作用。自约 15-10 Ma 前隆升以来，该地区的斜向汇聚缩短通过逆断层的缩短和左旋断层的侧向逃逸共同吸收(图 1)。北祁连山东段，以南端的海原断层和北端的丰乐断层为边界，在海原断层的挤压弯区附近发育了一条宽 ～70km的前陆褶皱冲断带 (图 1)。先前的变形研究大都集中于单个构造，而不同构造如何相互作用、地壳缩短如何分配以及该褶皱冲断带与海原走滑断层之间的运动学关系等问题尚待解答。
图 1. 北祁连山东段位置、活动断层和河流系统
晚更新世-全新世以来，沿东大河发育的5级阶地从南到北穿过北祁连山腹地，皇城-泱翔山间盆地及大黄山生长背斜。根据阶地的位错特征，估计民乐-大马营断裂的垂直滑动速率为 0.7-0.8 mm/a，丰乐断裂的垂直滑动速率为 0.5-0.7 mm/a。变形阶地表明，在大黄山背斜内部，额外抬升约 0.2mm/a。民乐-大马营断裂与大黄山背斜之间的山间盆地不均匀抬升。利用抬升速率剖面和断层弯曲褶皱模型，在断层段内滑动速率保持不变的假设下，推导出北祁连山东部逆冲系统的整体几何形状。假设滑动速率在深度上保持不变，大黄山背斜顶部的最大抬升速率1.0 ± 0.2mm/a，由倾角为 55° ± 12° 的平面断层产生 (图2)。结合断裂几何结构，推测平面断层在∼3.2 km 深度处弯曲进入铲状部分，铲状断层底部在∼6.7 km深度处进入向南倾斜(10° ± 1°)的滑脱层。在此模型中，穿过皇城-塔尔庄断层的地表差异抬升合理解释为受一条活跃的盲断层的控制，即皇城-塔尔庄断层的活动性质为活动盲断层，拟合深度～15 km。在其南侧，民乐-大马营断层在～20 km 深度处汇聚至滑脱面。利用该模型，本研究表明三条活跃断层带，分布在北祁连山东部约 70 km 宽的褶皱冲断带上共同活动。这些断裂系统，以2.7-3.4 mm/a的速率吸收北东向的地壳缩短。
图 2.地形剖面 A-A’，投影的河流纵剖面及推演的断层模型
为了揭示整个北祁连山东部地壳总缩短的分配模式，基于上述结构模型，本研究重现区域第四纪晚期地壳缩短速率分布，展示前陆褶皱冲断带在北祁连山东部的变形历史及其与海原断层的相互作用。假设所有前陆逆断层在挤压弯区内都生长自构筑结构模型的10° 滑脱层，将前人基于冲积扇/阶地变形获得的滑动速率转换为水平缩短速率。计算结果表明，在东大河—西营河地区，逆冲断层缩短量达到峰值2.6–3.4 mm/a。在挤压弯区两侧，缩短量减小，特别是向东减小，缩短量<1 mm/a。另一方面，海原断裂的走滑速度从弯区内的3.5-5.1 mm/a 加速到弯区以东的 5.0–8.0 mm/a，并发育了次级断层(古浪断层)以吸收额外的水平滑动 (图3)。从逆冲断层和走滑断层速率分布总体趋势看，弯曲以内区域逆冲断层吸收缩短较多，而弯曲以东海原断裂和古浪断裂的左旋滑移则吸收了大部分挤压 (图3)。北祁连山东段晚更新世以来的强烈推覆缩短作用与北祁连山中、西部形成鲜明对比(图3)。与西祁连相比，北祁连东部的逆冲系统吸收了更大一部分缩短，这很可能与海原断裂的挤压弯曲有关。这也标志着北祁连山东部和西部构造变形模式的巨大差异。挤压弯曲相关的东祁连山东前陆内的高逆冲缩短表明该区域的地震危险性很大，尤其是东大河-西营河周围和内部区域。
图 3. 北祁连山东部前缘逆冲断层系统和海原断层构造模式图
本研究结果提供了关于北祁连山东段腹地及前陆结构和缩短速率的较为全面的认识。表明了在研究复杂构造系统时利用广泛分布的地貌特征的优势，这可以在同一参考框架内揭示区域完整的变形模式。该模型可作为比较整体结构的地质缩短率的基础。此外，建议对较老的山麓夷平面进行进一步研究，这将有助于揭示该地区的长时间尺度演化历史。
文章由中山大学、北京大学、加州大学(戴维斯分校)、南洋理工大学等单位合作研究成果。第一作者为中山大学地球科学与工程学院张培震院士课题组胡秀博士后，由北京大学王怡然博士与中山大学王伟涛共同通讯，合作者包括北京大学李有利教授、加州大学(戴维斯分校)Michael E. Oskin教授、地震局地球物理研究所雷惊昊研究员、中山大学郑文俊教授和林凯荣教授、华东师范大学吕红华教授等，本研究得到了国家自然科学基金（42030301、41571001、U2039201、42172233）、国家重点研发计划（2023YFC3008603）和中国国家留学基金委员会的支持。
原文地址：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JB028924
供稿：胡秀
编辑：吴春鑫
初审：黄荣 王玉琨
复核：王伟涛 徐永怡
审核发布：孔晓慧
