研究区位于青藏高原东北缘( 图 1), 南部为近东西向盆山边缘山系, 昆仑山主脊呈北西西— 南东东向横贯其南部, 山顶面海拔4800~5400, m。北部为柴达木盆地南缘, 平均海拔3000, m, 相对高差较小, 为丘状高原盆地, 本次发育震积岩的地层就位于盆地南缘。

图1

Fig.1

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	图1 柴达木盆地西南缘地质简图(A)及构造背景图(B)Fig.1 Geological map of southwestern margin of Qaidam Basin(A)and tectonic background map(B)

研究区自南向北横跨东昆仑造山带与柴达木盆地结合带, 涉及的构造单元自北向南包括柴达木盆地南缘构造带、东昆北构造带、东昆中构造带和东昆南构造带, 其南与阿尼玛卿构造带和巴颜喀拉构造带邻接。构造演化经历了前寒武纪基底形成阶段、原特提斯和古特提斯洋陆转换阶段和侏罗纪以来陆内造山成盆阶段(李德威, 2008)。包括柴达木盆地在内的青藏高原北缘于晚三叠世晚期印支运动后结束了青藏高原东北部海侵历史进入陆内构造环境, 之后本区经历的主要构造运动是燕山期板内造山成盆事件和喜马拉雅晚期以来随青藏高原整体快速隆升作用(李德威, 2008; 李德威等, 2009), 造成震积事件沉积的古地震等强构造运动就发生在青藏高原3.6, Ma之后的整体快速隆升过程中。

图2

Fig.2

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	图2 柴达木盆地与东昆仑造山带结合带叠瓦状逆断层系(中灶火哈西牙3604高地) A— 中灶火哈西牙元古界变质岩中的逆断层; B— 中灶火哈西牙地区3263高地叠瓦状逆冲断层; C— B照片剖面素描简图Fig.2 Imbricate reverse faults system in Qaidam Basin and East Kunlun Orogenic Belt

在山脉迅速隆起过程中, 盆地发生快速沉降和沉积作用, 盆山边界和盆地内断层活动比较强烈。盆地内次级断隆与凹陷也具有同步发育特点, 往往最强烈挤压段也是构造沉降幅度最大的部位。中新世以来, 在持续盆山演化过程中柴达木盆地受到来自南侧的强烈挤压作用发生大面积隆升剥蚀, 形成了大量褶皱和断层(李德威等, 2009), 盆地中东部受挤压作用影响, 第四纪沉降中心迁移至三湖地区, 同时在盆地第四系沉积层内形成了广泛分布的不整合面, 对柴达木盆地进行的平衡剖面与古地磁研究也表明, 2.65, Ma以来, 本区域构造变形达到顶峰(张涛等, 2012), 在此过程中作为控盆构造的前述东昆仑断层系统发生逆冲运动, 因此对震积岩和古地震构造形迹研究不仅有助于了解区域断层活动史, 而且有利于盆山一体化研究。

1.3 地层

作者发现的震积事件层剖面位于柴达木盆地与东昆仑造山带西缘的过渡地区, 早中生代后期, 本区才形成一个陆相沉积为主的中、新生代沉积盆地。中生界由海相、海陆交互相及陆相三叠系与陆相侏罗系、白垩系组成, 厚约10, km; 新生界主体为河流湖泊相沉积, 由下而上依次为路乐河组、下干柴沟组、上干柴沟组、下油砂山组、上油砂山组、狮子沟组、七个泉组。作为研究重点的第四系出露较为完整, 从下更新统至全新统均有出露, 成因类型复杂: 有洪冲积、湖积、冲积、风积等, 其中上更新统以洪冲积层为主, 局部出露下部的下— 中更新统湖积、冲积层; 全新统以风积砂层为主, 沿河道发育多级河流冲积层。

图3

Fig.3

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	图3 PM407剖面震积岩野外露头特征Fig.3 Outcrop characteristics of seismites section PM407 A、B、C、D— 震积岩标志层露头(以PM407局部为例)

震积岩发育于更新统七个泉组湖相、河湖相地层, 上部被全新统冲洪积砂砾石层以及风成沙覆盖, 受河流冲蚀切割影响, 下伏更新统震积层沿河流出露于两侧冲沟( 图 3), 震积岩在3个地点最发育, 通过实测剖面(PM406、PM407、PM408)反映震积岩相关地层具有如下基本特征: (1)主体以浅灰色粉砂岩、泥质粉砂岩层为主, 局部发育地震成因的砂砾石透镜体、震积变形构造等事件层沉积; (2)地层整体产状近似水平, 剖面顶部受风成沙覆盖改造; (3)剖面包含大量倒粒序旋回层, 主体由粒度向上变粗的进积式准层序组与砂泥比变化不大的加积式准层序组叠置而成, 单个准层序厚5~20, m; (4)整体属陆相河流相— 三角洲相— 湖相沉积层, 其尚未完全固结成岩, 孢粉分析显示该组植被以更新世荒漠植物为主, 偶见山地木本植物, 同时测年数据( 图 5)也显示其属于中下更新统。

目前, 震积岩分类学界还没有统一标准, 国外倾向于将同沉积断层、假结核、泄水构造、卷曲变形构造与液化砂岩脉等共同作为震积岩鉴别标志, 国内杜远生和韩欣(2000)曾提出一套分类方案, 乔秀夫和李海兵(2009)通过搜集大量已报道震积岩资料, 由沉积物物性差异提出一套新的震积变形划分方案。

综合已有分类方法, 并结合研究区内沉积变形特征与构造变形特点, 将发现的震积岩古地震发生过程中产生的沉积标志与构造标志进行分类, 前者强调古地震活动在地层中的同震沉积响应, 后者注重同震产生的构造形迹(朱萌等, 2011)。本次发现的同震沉积标志包括: 负荷构造、火焰构造、球— 枕状构造、液化均一层、地震角砾等, 同震构造标志则包括层内震褶曲、同沉积微断层、震裂缝、同震断层等( 图 4)。

图4

Fig.4

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	图4 PM407剖面更新统震积岩识别标志Fig.4 Identification mark of the Pleistocene seismites in section PM407

A— 同沉积微断层切割层内震褶曲层, 褶曲层内有震裂缝发育, 上部发育地震角砾、火焰状构造(剖面PM407导Ⅵ 15~18, m处第2层); B— 层内震褶曲层内发育地震角砾、震裂缝等(剖面PM407导Ⅵ 14~18, m处第2层); C— 大型同震断层内发育地震角砾, 底部发育层内褶曲层(剖面PM407导Ⅴ 12~18, m处); D— 同沉积微断层切割层内震褶曲层, 局部发育火焰状构造(剖面PM407导Ⅵ 15~18, m处)。 ①— 震裂缝; ②— 大型同震断层; ③— 火焰构造以及球— 枕状构造; ④— 同沉积微断层; ⑤— 层内震褶曲; ⑥— 地震角砾

其中负荷构造是地震震动影响下, 上覆的砂层沉陷到下部泥质层中形成的, 有时泥质层受到挤压侵入上覆砂层中形成火焰状构造( 图 4-A), 同时当砂质层呈球状或枕状陷入泥质层, 则会形成枕状— 球状构造, 本剖面内部分球状构造下陷过程中经历变形与脱水作用, 局部发育同心纹层; 地震角砾是地震作用过程中强烈振动引起沉积物变形, 并被后期沉积物充填而保存下来的角砾岩(乔秀夫和李海兵, 2009), 剖面内在同震断层底部与上盘( 图 4-C)内部均有地震角砾发现; 沉积物经历震动、液化、稀释作用后, 上层沉积物结构、性质趋向均一, 形成液化均一层, 该层标志着地震活动引起的软沉积物变形作用的结束( 图 4-A, 4-D)。

而本次被列为同震构造标志的震裂缝、层内震褶曲层、同沉积微断层和同震断层都是地震振动作用直接形成的断裂和褶皱, 地震作用过程中首先形成一系列震裂缝( 图 4-A, 4-B, 4-D)与反应地震波波动性质的层内震褶曲( 图 5-A, 5-D), 该类褶皱以轴面及枢纽方向不确定、形态各异等特征区别于重力流中的滑塌顺层剪切褶曲, 当地震振动进一步加大时会形成一系列张性同沉积微断层( 图 4-A, 4-B, 4-D)乃至大型同震断层( 图 4-C)。

同沉积微断层的成因通常被解释为: 地震作用停止后, 沉积物因压实和失水导致体积缩小而形成(魏垂高等, 2006; 乔秀夫和李海兵, 2009; 石亚军等, 2009)。作者认为同沉积微断层是局部应力集中、软沉积岩层破裂位移的结果。同沉积微断层常与层内震褶曲层处于同一层位, 震褶曲层发育在薄层、条带状或纹层状尚未完全固结的岩层中, 在振动作用中局部发生卷曲变形而形成褶皱层, 这类变形一般限于单层内部并仅在极震区附近发育, 变形以平缓褶皱为主, 局部有箱状、紧闭褶皱发育, 褶皱的轴面方向变化大( 图 4-A), 这种层内轴面无定向的小褶皱是层内震褶曲的重要标志。

大型同震断层断层剖面上多呈铲式, 常见2~3条铲式同震断层组合阶梯状分布, 断层延深达2~4, m, 部分断层断距达0.5, m, 与前人报道的毫米级微断层相区别(杨剑萍等, 2004; 魏垂高等, 2006; 石亚军等, 2009), 可能反映古地震的震级较大或地震地层年代较新。

断层活动往往会伴生地震活动, 除去少量陨石撞击和地表重力作用成因外, 大型同震断层应当可以作为古地震活动识别标志, 此外在宁夏中宁上更新统冲积亚沙土及黄土剖面中发现的地震成因大型正断层系(丁梦麟, 1981)以及塔里木盆地上奥陶统中米级软沉积物变形的发现(何碧竹等, 2010)也表明, 地震成因的大规模构造变形沉积记录是可信的。作为区内造山作用及古地震活动沉积响应之一, 对同震断层开展的活动期次划分以及断距数据统计对研究区域地震活动期次与判断震中方位也具有指导意义, 所以当上述构造现象与其他震积软沉积物变形标志共生时, 应当作为古地震活动识别标志。

另外, 剖面中有厚度不等的次棱状和次圆状砂砾石层分布, 砾石源自南侧元古界变质岩与华力西期中酸性侵入岩层, 砾石层与上下湖相砂泥质沉积层无明显过渡, 反映其与河流上游水流事件所造成的快速堆积有关, 不排除地震成因的可能。

对震积岩相关事件层进行的ESR与释光年代测试分析表明: 引发软沉积物变形的古地震活动主要集中于1.8— 1.2, Ma、0.8— 0.7, Ma、0.16— 0.14, Ma这3个阶段:(1)PM407中发现的3个软沉积物变形事件层, 上部均被近水平产状的地层不整合覆盖, 对其下界与本身层位进行ESR年代学测试, 上界进行释光测试, 结果表明相关构造活动集中于1.8, Ma、0.8, Ma、0.16— 0.15, Ma 等3段时间内( 图 5-A); (2)PM407中同震断层下部亦有1.8, Ma构造活动中产生的软沉积物变形构造发现, 而对同震断层进行年代学测试表明, 多数同震断层形成于0.8— 0.7, Ma, 而其外部同一高度被断层切割的地层主要集中于1.1— 0.9, Ma( 图 5-B, 5-C), 结果表明在1.8, Ma和0.8, Ma引起软沉积物变形的2次构造活动中, 后者构造活动更为强烈, 形成了大规模的同震断层; (3)PM408剖面整体由底部以砾石为主的河流冲积沉积逐渐向上演化为细砂泥为主的湖相沉积, 且过度层发育大量软沉积物变形构造,

图5

Fig.5

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	图5 PM407和PM408剖面更新统湖相震积岩相关地层取样位置及测年数据Fig.5 Sampling locations of seismites and dating data in sections PM407 and PM408 A— 3组震积岩层顶底测年数据(剖面PM407); B— 震积岩层测年数据(剖面PM407); C— 震积岩层测年数据(剖面PM407); D— 两组震积岩层顶底测年数据(剖面PM408)

对其进行的年代学限制表明从1.8— 1.2, Ma这段时间研究区内发生了强烈的构造隆升作用, 在造山作用影响下沉积物以造山磨拉石沉积为主(该阶段剖面发育巨厚砾石层图5-D), 0.8— 0.4, Ma构造活动仍十分强烈, 本剖面内震积岩主要集中于这个时间段( 图 5-D), 0.3— 0.2, Ma造山作用减弱以冲湖相沉积为主。上述震积岩年代学分析表明本区域在1.8— 1.2, Ma、0.88— 0.7, Ma、0.15, Ma曾发生过一系列脉动式同震构造活动, 它们与青藏高原的整体隆升密切相关(以上数据: ESR测试结果来自成都理工大学应该核技术研究所, OSL测试结果来自中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室)。

震积岩在本区的分布具有如下时空规律: 区域上, 这类特殊事件层主要分布在昆仑山主基以北与柴达木盆地交界的狭小区域内, 向盆地中心方向变形强度与变形规模逐渐变小, 逐渐弱化为小型软沉积物变形为主古地震识别标志, 直至消失; 时间上, 具有明显期次性, 集中产生于1.8— 1.2, Ma、0.8— 0.7, Ma和0.16— 0.14, Ma等3个时间段内; 此外, 因形成时限与地震强度不同, 震积标志发育呈不同特点, 在1.8— 1.2, Ma和0.16— 0.14, Ma这2个时间段古地震标志以震裂缝、层内震褶曲层、火焰状构造等中小尺度软沉积物变形为主, 而0.8— 0.7, Ma这段时间内发育的震积构造以米级大尺度同震断层等为主, 部分区域可见其2期活动与破坏前期震积标志的现象。研究还发现, 震积构造标志走向线呈东西向, 与盆山边界断层以及昆仑山造山带断层( 图 2-A, 2-B, 2-C)走向近一致, 对昆仑山口的古地磁研究也表明自更新世至今昆仑山曾推覆隆升2000— 3000, m, 昆仑山口向北推移了近400, km(钱方和张金起, 1997), 正是这些断层活动引发的古地震引起并控制了震积岩的发育, 而断层活动是高原整体隆升背景下局部盆山耦合演化的具体表现形式之一。

柴达木盆地作为青藏高原北部盆山系统重要的组成单元, 在其内部发现的这一系列震积岩及其同震构造与青藏高原晚新生代多次脉动式整体隆升有关( 图 6)(李德威等, 2009; Li, 2010)。研究者通过对第四纪以来青藏高原周边环境演变(施雅风, 1998; 施雅风等, 1999)、地貌演化(李吉均等, 1996)、古地磁(赵志军等, 2001)、夷平面、古土壤等方面的研究, 提出青藏高原产生于3.6, Ma以来的阶段性隆升, 并将其细分为3.66, Ma(青藏运动A幕)、

图6

Fig.6

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	图6 青藏高原分区块、分阶段隆升曲线示意图(据李德威, 2008, 有修改)Fig.6 Uplift curves of different blocks in Qinghai-Tibet Plateau during different stages(modified from Li, 2008)

2.58— 2.14, Ma(青藏运动B幕)、1.8— 1.23, Ma(青藏运动C幕)、0.93— 0.84, Ma(昆黄运动)、0.14, Ma(共和运动)。此次年代学测试结果显示震积岩形成时代恰好与因构造隆升黄河下切而在兰州盆地形成的T7(1.6, Ma)、T6(1.5, Ma)、T5(1.2, Ma)、T4(0.8, Ma)、T3(0.15, Ma)等阶地(李吉均等, 1996)对应, 而青藏高原周缘盆地内发现的青藏高原源碎屑沉积层(施雅风等, 1999)、冰川活动遗迹以及冰芯同位素测试结果(施雅风, 1998)都显示相似结论, 即包括柴达木盆地在内的青藏高原北缘更新世以来曾发生过多次同震构造活动。

作为青藏高原隆升事件的沉积和构造响应, 本次在柴达木盆地发现的一系列震积岩及相关震积构造可以作为1.8— 1.2, Ma、0.8, Ma、0.15Ma这3次隆升事件的有力证据。

通过对东昆仑及柴南缘地区第四系同震沉积现象和同震构造形迹的调查研究、年代学测试以及与青藏高原整体隆升过程关联分析, 得到以下2点结论:

1)作者在柴达木盆地南缘更新统中发现的震积岩发育有火焰构造、球— 枕构造等软沉积物变形标志, 以及同震沉积层中的同沉积微断层、震裂缝、同震褶皱等特征构造变形, 是本地区有报道以来最新的古地震标志层。

2)在青藏高原晚新生代整体脉动式隆升构造背景下, 东昆仑造山带与柴达木盆地差异隆升及其盆山边界昆仑北缘断层活动可能是一系列古地震事件的直接诱发因素, 更新世以来柴南缘发生了多次高强度地震活动, 测年数据表明与本次发现的震积岩分别与1.8— 1.2, Ma、0.8, Ma、0.15, Ma等3次高原整体隆升、均衡成山及其相关盆地边缘拗陷带沉降有关。

致谢:论文在撰写与修改过程中得到了杜远生教授的耐心指导, 在此表示衷心的感谢。