Lithosphere & Tectonophysics & Tectonics:甘肃北山地块晚中新世以来构造变形和地壳活化

北山地块位于青藏高原东北缘、东天山、戈壁阿尔泰和阿拉善地块之间(图1)。热年代学揭示北山在晚三叠纪—早古新世发生了多次快速剥露事件,但缺少新近纪以来的盆地断陷沉积记录。有史记载以来,北山地区没有强震记录,中小地震分布未见沿断层分布的特点。较低的地形起伏、弱地震活动性和活动强度,使得国、内外学者认为北山地块是一个完整的稳定刚性块体,同时作为中国高放废物地质处置库预选场址的候选地区。到目前为止,对于许多研究中亚地区的科学工作者来说,北山地区为中亚陆内变形场中还没有被详细研究的巨型晚新生代变形区域,是否其存在新近纪乃至第四纪活动构造还不清楚,其地壳稳定性是否受青藏高原向北扩展的影响。因此,厘定北山地区晚第四纪活动断层的几何学和运动学图像、古地震历史是理解青藏高原向北扩展过程、北山地区地壳重新活化样式、以及评估该地区地震危险性的关键所在。

针对以上主要科学问题,近年来中国地震局地质研究所杨海波博士、杨晓平研究员、美国东康涅狄格州立大学Dickson Cunningham教授等,在国家自然科学基金面上项目“甘肃北山旧井地区活动断裂的形成及其地震危险性评价”(编号:41572195)等的支持下,选取北山中南部的北河湾断裂、旧井断裂系以及阿尔金断裂北侧的三危山—南截山断裂带、以及北山西南部柳园断裂系开展了遥感影像解译、活动断层研究、第四纪测年、钻孔探查和大地电磁探测等工作,取得的主要成果如下:

(1)北山地块中部北东向旧井断裂为晚更新世至全新世左旋走滑正断层。探槽揭示最新地震事件可能发生在~14ka。钻探成果揭示旧井盆地为一个东深西浅的半地堑性断陷盆地,靠近旧井活动断裂的盆地底部沉积物26Al/10Be埋藏测年限定了盆地形成于距今~5.5Ma(图2)。北山西南部北东向柳园断裂系是左旋斜滑逆冲断裂系,断裂断错山前第四纪冲洪积物和古生代花岗岩体。几何结构上,旧井断裂系和柳园断裂系均位于东西走向走滑断裂系之间的构造阶区,总体构造样式分别属于转换拉张双重构造(图3)和转换挤压双重构造。

(2)旧井断裂系与南侧的三危山断裂在构造上不相连,后者与阿尔金断裂系北侧各分支断层、及主断裂共同构成向北东方向生长的转换挤压双重构造,吸收了阿尔金断裂系北东段的地壳变形(图4)。与早期获得的北山南部断裂系与阿尔金断裂和祁连山逆冲体系在构造上不相连的认识(Yang et al., 2019)一致,这些研究结果共同表征了北山为一个独立的走滑构造体系。北山地块在青藏高原重力势能诱发的和扩展的挤压应力场下,北山地块内部的部分断层在第四纪时期已经被激活。



图1 北山及邻区主要断裂分布图,红色线为研究断层位置

图2 跨旧井盆地三维地形和深部结构,以及盆地钻孔沉积柱状图和埋藏测年

图3 旧井断裂系转化拉张双重构造成因模式

图4 阿尔金断裂系北侧主要断裂分布及转换挤压双重构造模型


上述研究成果发表在:

(1) Yang H., Yang, X.*, Cunningham, D., et al. 2021. Late Miocene to Quaternary development of the Jiujing Basin, southern Beishan block, China: Implications for the kinematics and timing of crustal reactivation north of Tibet. Lithosphere, doi.org/10.2113/2021/6670365.

(2) Yang H., Cunningham, D.*, Yang, X. 2021. Quaternary crustal reactivation of the southwestern Beishan, NW China: The Liuyuan sinistral transpressional duplex. Tectonophysics, doi.org/10.1016/j.tecto.2021.228758

(3) Yang H., Yang, X.*, Cunningham, D., et al. 2020. A regionally evolving transpressional duplex along the northern margin of the Altyn Tagh Fault: new kinematic and timing constraints from the Sanweishan and Nanjieshan, China. Tectonics, 39(2), doi.org/10.1029/2019TC005749.