中国西北部河西走廊内民乐-永昌断层晚第四纪逆冲分段作用时的地质和地貌特征

《Geomorphology》：Geologic and geomorphic characteristics of Late Quaternary reverse-thrusting segmented propagation along the Minle–Yongchang Fault within the Hexi Corridor, NW China

　　

李红强|袁道阳|陈鲁瑶|陈艳文|苏琦|余金超|邵艳秀|姚云生

中国兰州大学地球科学学院，兰州730000

摘要

祁连山–河西走廊构成了青藏高原扩张的东北前沿地带，在此多个活跃的构造过程形成了复杂的构造地貌格局。在该走廊内，呈东北走向的前缘逆冲- Apostle系统（包括古浪、玉木山和嘉峪关–文水山 Apostles）与向西南方向的达煌山逆冲地堑共存，其前缘边界为民乐–永昌断层（MYF）。尽管该断层具有重要的构造意义，但其几何形态、晚第四纪的活动情况以及地貌表现仍不够明确。本研究结合了基于30米分辨率数字高程模型（DEM）的河道陡度指数（k_sn）分析、野外调查、地貌面的年代测定，以及利用高分辨率卫星图像和无人机摄影测量进行的气候地貌制图（包括断层追踪和河漫滩界定），以评估MYF的逆冲行为及其背后的机制。我们将其划分为从东到西的三个部分：永昌（YC）、达煌山（DH）和永固（YG）。YC段没有明确的晚第四纪构造活动地貌证据，而中部的DH段最为活跃，表现出强烈的地形起伏和新的晚第四纪逆冲断层活动记录。YG段是一个全新世活跃的盲逆冲-褶皱带，垂直滑移速率为0.21±0.05毫米/年。channel陡度指数（k_sn）的变化与地貌响应高度吻合，显示出明显的分段性。断层陡崖测量显示DH段的垂直滑移速率为0.85±0.08毫米/年，明显高于YG和YC段。MYF可能是由于祁连地块与阿尔察地块之间的压缩作用而形成的逆冲断层。这三个区域显示出系统性的向西扩展和构造地貌发展的年轻化特征，为了解河西走廊内部的变形过程提供了新的参考。

引言

印度-欧亚板块的东北向碰撞驱动了青藏高原的持续抬升和构造地貌演化（Molnar和Tapponnier，1975；Tapponnier、Peltzer、Le Dain和Armijo，1982；Tapponnier等人，2001；Harrison等人，1992；Molnar等人，1993；Molnar，2005；Molnar和Stock，2009；Clark等人，2010；Clark，2012；Yuan等人，2013）。在高原的东北边缘，祁连山–河西走廊通过主要走向滑移边界（如阿尔金塔格断层（ATF）和祁连–海原断层（QL-HYF）（Yuan，2003；Zhang等人，2003；Zhang等人，2006；Zhang、Molnar和Xu，2007，2013；Yuan等人，2004；Bovet等人，2009；Li等人，2009；Xiao等人，2015；Zheng等人，2016）以及一系列呈东北走向的前缘逆冲- Apostle系统（包括古浪、玉木山、嘉峪关–文水山系统和向西南方向的达煌山系统），容纳了大量的地壳变形（图1a）。这些结构将走廊划分为多个次盆地，其中沉积了厚厚的新生代沉积物，记录了新近纪的压缩作用、高原的增长以及高度分段的盆地内变形（Meyer等人，1998；Tapponnier等人，2001；Champagnac等人，2010；Palumbo等人，2010；Zheng等人，2013a；Zheng等人，2016；Zhang等人，2014；Wang等人，2016a；Wang、Zhang、Zheng、Zhang和Zhang，2016b）。因此，祁连山–河西走廊对于理解高原的东北部变形和扩张至关重要（Chen等人，2017）。

祁连山–河西走廊内的强烈地壳缩短和次级剪切作用导致了高区域的地震活动，历史上至少发生了五次震级大于或等于7级的地震，这些地震主要发生在主要的盆地边界断层和逆冲- Apostle带上（图1a，IGLS，1993；Tapponnier等人，1990；Zhang等人，2003；Zhang等人，2014；Zheng等人，2013a；Zheng等人，2016；Hetzel等人，2004；Dong等人，2005；Cao，2010；Palumbo等人，2010；Liu等人，2011；Shao等人，2011；Hetzel，2013；Li等人，2021）。在这一构造活跃的背景下，民乐–永昌断层（MYF）是河西走廊内的关键结构，控制着达煌山山脉的抬升。此外，MYF被认为是2003年民乐–山丹6.1级和5.8级地震的震源断层，这凸显了其产生破坏性地震的潜力（He等人，2004；Zheng等人，2005；Lu等人，2010；Zou等人，2021）。以往的研究主要集中在断层的地质测绘和河流阶地的变形上，但这些研究大多局限于局部断层段，缺乏系统的定量分析。因此，MYF的构造地貌分段和差异性抬升模式仍不甚明了，特别是在晚第四纪活动的沿走向变化及其地貌表现方面。明确河西走廊内关键逆冲断层的几何构造、构造地貌分段和发展机制对于解读盆地内的变形模式、识别潜在的地震生成环境和评估区域地震风险至关重要。在此背景下，MYF是一个解决这些问题的关键结构。本研究旨在阐明整个MYF沿线的晚第四纪活动及其地貌分段演化过程。

在本研究中，我们假设河道陡度指数（k_sn）的空间变化反映了与断层分段相关的差异性抬升。通过将k_{sn分析与详细的野外调查相结合，本研究从构造地貌和活跃构造两个方面系统地研究了MYF的最新活动情况。这两种方法相互补充并相互验证。这种综合方法使我们能够确定MYF的构造地貌分段及其近期活动，并阐明其在区域变形和地貌演化中的作用。}

章节摘录

地质与地貌背景

河西走廊位于青藏高原扩张的东北前沿，是相邻地壳块之间的重要构造边界。区域变形主要由一系列NWW走向的逆冲断层和褶皱结构所调节（Tapponnier等人，2001；Zheng等人，2013a；Su等人，2019）。走廊两侧分别由北祁连山断层（NQLF）和南龙首山断层（SLSF）界定

数据采集与处理

本研究中使用的卫星图像解析基于Google Earth数据。区域地貌分析和地形剖面数据来自美国地质调查局（USGS）提供的30米分辨率SRTM-1 DEM数据。区域降水量数据来自WorldClim全球气候数据库（Fick和Hijmans，2017）。地质地图数据来自中国地质调查局的地质云平台。

YC段野外观测

对YC段的野外调查表明，受断层控制的丘陵具有与达煌山相似的地貌特征，表现为南侧陡峭、北侧平缓的不对称地形（图9b）。断层迹线大致沿北侧山前走向呈东西方向分布，抬升的地形在此处不连续。在焦家庄镇以西有一个明显的断层阶梯现象，呈现出右旋的阶梯状排列（图3a）。

影响k_sn值分段变化的因素

通常认为，只有当整个流域或子流域接近地貌平衡状态（dz/dt = 0，即U＝E）时，k_sn才能作为抬升率的指标（Kirby等人，2003；Hu等人，2010）。尽管系统性地分析断点可以提供有关河流剖面调整和构造扰动的额外见解，但以往的研究表明，平均河道k_sn和下游最大k_sn值都能揭示出断层的段落性特征

结论

本研究结合k_sn分析与详细的野外调查，系统地描述了MYF的晚第四纪活动、几何分段和地貌响应。主要发现如下：

（1）MYF可以明确划分为YG、DH和YC三个段落。k_sn值的变化与每个段落的地貌表现高度吻合，反映了段落尺度上断层活动的显著差异，证实了河道陡度能够有效地捕捉这些变化

李红强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，方法论，调查，数据分析。袁道阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，监督，方法论，调查，资金筹集，数据分析。陈鲁瑶：撰写 – 原始稿，监督，数据管理。陈艳文：撰写 – 原始稿，调查，数据管理。苏琦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿。余金超：撰写 – 审稿与编辑

Zhao, Chen, Li, Wu和Liu，2023

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了〈span id="gts0005〉中国地震局地质研究所基础研究基金（授权号：IGCEA2533）和〈span id="gts0010〉第二次青藏高原科学考察与研究计划（授权号：2019QZKK0901）的支持。我们衷心感谢Yeong Bae Seong教授和其他匿名审稿人的建设性评论和建议，这些意见极大地提高了本手稿的质量。