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1 第 49 卷第 4 期 2013 年 8 月兰州大学学报 ( 自然科学版 ) Journal of Lanzhou University (Natural Sciences) Vol. 49 No. 4 Aug 文章编号 : (2013) 由黄河阶地变形反映的兰州盆地活动构造特征刘兴旺 1,2,3, 袁道阳 2,3, 潘保田 1, 葛伟鹏 2,3 1. 兰州大学西部环境教育部重点实验室, 兰州中国地震局兰州地震研究所, 兰州中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地, 兰州摘要 : 通过大比例尺航空照片 1: 地形图及 DEM 图像研究和详细的野外调查, 确定了兰州盆地各级阶地的分布状况. 野外利用差分 GPS 实地测量了各级阶地海拔高度, 据此得到了兰州盆地黄河两岸阶地纵剖面图. 根据剖面图中阶地变形特点分析了兰州盆地活动构造特征, 发现兰州盆地内活动构造以褶皱变形为主, 断层多为褶皱隆起过程中的派生断裂, 其活动性较弱. 兰州盆地内变形的动力来源于西南方向马衔山北缘断层的左旋走滑. 现有的地质资料也支持了这种观点. 关键词 : 河流阶地 ; 活动构造 ; 兰州盆地中图分类号 : P542 文献标识码 : A Active tectonic features in Lanzhou Basin reflected by Yellow River terrace deformation LIU Xing-wang 1,2,3, YUAN Dao-yang 2,3, PAN Bao-tian 1, GE Wei-peng 2,3 1. Key Laboratory of Western China s Environmental System with the Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou , China 2. Lanzhou Institute of Seismology, Chinese Earthquake Administration, Lanzhou , China 3. Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction, Chinese Earthquake Administration, Lanzhou , China Abstract: According to large scale air-photos, 1: topographic maps, DEM maps and field investigations, the distribution conditions of terrace in Lanzhou Basin were confirmed. Differential GPS was used to measure the altitude of every level of terrace in the field. Based on the data, a terrace longitudinal map along the both sides of Yellow River in Lanzhou Basin was drawn. According to the terrace deformation features in the longitudinal map, active tectonic features in Lanzhou Basin were analyzed. The active tectonic in Lanzhou Basin was mainly folding deformation. Most of the faults were derived ones during the folding uplift when its activities were weak. The power of deformation in Lanzhou Basin came from the left-lateral strike slip of the north margin fault of Maxianshan located at southwest. The existing geological data also support this view. Key words: river terrace; active tectonic; Lanzhou Basin 地表的形成是构造和气候综合结果的表象, 它记录了构造和气候变化的详细信息, 构造气候地表三者之间有着密切的联系 [1]. 因此, 地貌在构造运动和气候变化的研究中有着重要的作用. 河流阶地是过去的河床或河漫滩, 是因构造运动气候变化和侵蚀基准面下降等原因导致河流下切侵蚀而形成的阶梯状地貌 [2]. 河流阶地沉积学和地貌学特征提供了河流系统行为及沉积盆地构造运动的野外证据 [3 4]. 兰州地区地处青藏高原东北缘, 构造活动强收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 中国地震局预测研究所基本科研业务专项基金项目 (2009A20) 作者简介 : 刘兴旺 (1980 ), 男, 山东东营人, 博士研究生, lxw_27@163.com, 研究方向为活动构造与地貌学.

2 兰州大学学报自然科学版 460 第 49 卷烈, 形成了沿黄河两岸广泛分布的黄河阶地. 兰州地区的黄河阶地级数多保存好, 素有兰州式阶地之称[5], 一直受到国内外众多地貌学家的关注[6 7]. 不少学者对兰州黄河阶地的级数年代变形特征进行了一些系统的研究和总结[8 15], 建立了以黄土磁性地层年代学研究为基础的黄河阶地年代序列, 并将黄河阶地的形成与青藏高原的间歇式隆升结合起来, 探讨青藏高原隆升的时间与幅度, 而对于兰州阶地本身变形的综合研究相对较少. 在本次研究中我们用差分 GPS 对兰州黄河阶地进行了详细的测量, 获得了兰州盆地黄河两岸阶地变形的详细资料, 根据阶地变形特点分析了兰州盆地活动构造特征. 兰州盆地阶地分布特征 1 图 1 兰州盆地 DEM 山体阴影图兰州盆地指的是西起河口东至桑园峡的地区, Figure 1 DEM hill shadow map of Lanzhou basin 总体呈北西西向, 东西长约 50 km, 南北宽约 4 15 km, 四周高山环绕, 高差达 500 m. 地貌上的一个显著特点就是北西西向的马衔山雾宿山隆起带与庄浪河拗陷带相互交织, 前者比高千余米, 后者比高 m, 且后者又在兰州地区呈现次一级的隆起与拗陷, 自西向东依次为八盘峡隆起河口拗陷柴家台隆起七里河拗陷皋兰山九州台隆起城关拗陷和桑园峡隆起. 正是由于这种次一级的隆起, 将兰州黄河河谷盆地分割成数个串珠状的次级盆地, 通常以皋兰山白塔山隆起为界将兰州盆地分为东西两个盆地, 西盆地规模远 F1 马衔山北缘断裂; F2 寺儿沟断裂; F3 原深沟桥远大于东盆地. 沿兰州黄河两岸广泛发育了 Ⅰ Ⅶ 级阶, 局部段可达 Ⅸ 级[16]. 各级阶地在黄河两岸的分布差异较大. 我们根据 1 : 航空照片进断裂; F4 金城关断裂; F5 雷坛河断裂图 2 根据 1 : 航片和数字高程模型得到的兰州黄 [12] 地河阶地分布图 Figure 2 Distributing map of Yellow River terrace based 行了详细解译, 同时结合兰州地区 1 : DEM 山体阴影图(图 1)和地形图, 勾绘出阶地分布图, 并到野外进行实地观测和校核, 做出兰州黄河阶地分布图(图 2). 由图 2 可以看出, 北岸阶地发育完整 on air-photo (1 : ) and DEM 2 兰州盆地阶地变形特征及反映的活动构造特征但分布局限, 西盆地中以低级阶地为主, 主要为Ⅰ, 对于兰州盆地的阶地变形研究, 前人曾开展 Ⅱ 两级阶地, 沙井驿地区是兰州盆地中 Ⅱ 级阶地过一定的工作[14 15], 但都具有其局限性[17]. 在典型发育的地区; 东盆地高级阶地分布, 但Ⅳ级以本次的研究中, 我们根据图 2 阶地分布状况, 选上阶地受后期流水冲刷以及人类活动改造多成丘择兰州盆地内阶地发育较广泛阶地面完整的黄陵状地貌. 南岸主要发育Ⅰ Ⅳ级阶地, Ⅳ级以上河两岸 Ⅰ Ⅳ 级阶地, 特别是 Ⅲ 级阶地进行构造阶地零星分布, 西盆地中范家坪是盆地中 Ⅲ 级阶变形的定量研究. 野外采用瑞士莱卡系列地发育最为典型的地区, 东盆地中主要为 Ⅰ 级阶差分 GPS 仪对阶地进行了详细测量. 根据测量地, 为今兰州市城关区的主城区所占据. 桃树坪至数据, 以沿河流方向为横轴, 以海拔高度为纵轴, 桑园峡段以Ⅲ级阶地为主. 总体来看, 兰州盆地Ⅳ 分别将各级阶地面高度投影到横轴方向上, 再级以上阶地分布零星且不连续, 不利于开展阶地将同级阶地相连, 得到了阶地纵剖面(图 3). 在柳变形研究, 因此不是此次工作的重点. 沟坪至深沟桥段存在高差不超过 50 m 的两级台

3 第 4 期刘兴旺, 等 : 由黄河阶地变形反映的兰州盆地活动构造特征 461 地, 称为 T 3 1 和 T 3 2 两级亚阶地. T 3 1 级阶地面海拔高度 m, T 3 2 级阶地面海拔高度 m. 阶地变形最常见的有两种类型 : 穿过构造抬升区引起的拱曲和横切活动断层引起的断错 [18]. 在兰州盆地两岸, 横切阶地的断层主要有马衔山北缘断层寺儿沟断层深沟桥断层和雷坛河断层 ( 图 2), 阶地的变形特征侧面反映了这些断层的活动特征. 由图 3 可知, 黄河北岸的阶地变形带主要有 1 个 ( 图中虚线框所示 ),Ⅰ 级阶地面基本平稳而连续, 无明显构造变形反映 ;Ⅱ 级阶地似有小幅变形, 尤以白塔山附近最为明显 ;Ⅲ 级以上阶地在白塔山九州台一带呈现出明显的变形反映, 其抬升幅度随阶地级序的增加而变大, 形成以白塔山为中心, 宽约 7 9 km 的变形带, 构成白塔山九州台背斜褶皱隆起区. 沿黄河南岸的阶地存在 2 个明显的变形隆起区 ( 图中虚线框所示 ), 分别对应分隔兰州东西盆地边界的柴家台牟家台隆起和皋兰山白塔山隆起, 其位置分别与地质上的寺儿沟断层和雷坛河断层的存在相吻合. 在变形区内, Ⅰ 级阶地平稳而连续, 构造变形不明显,Ⅱ 级阶地略有变形,Ⅲ 级以上阶地在西端形成以牟家台为中心, 宽约 9 12 km 的变形带, 在东端龙坪附近 Ⅲ 级以上阶地也有变形反映, 但其幅度较小, 变形宽度约 3 km. 从图 3 中可看出, 兰州盆地黄河阶地变形形成一个较宽的构造变形带, 而不是阶地的直接断错, 这表明变形主要拱曲褶皱为主, 断层并没起到主要的作用. Ⅰ,Ⅱ 级阶地变形不明显, 表明断层在阶地变形过程中作用不明显, 其活动性并不是很强烈, 很可能为褶皱过程中的伴生断层. 前人提出的深沟桥断层附近,Ⅰ Ⅳ 级阶地均无变形, 表明该断层活动性很差或者断层根本就不存在. 在马衔山北缘断层的西端, 其上覆的 Ⅲ 级阶地没有发生变形, 说明马衔山北缘断层晚第四纪的构造活动终止于黄河以东, 未过黄河. 无论从变形幅度还是变形量上来看, 西端变形带要远远大于东端, 这可能表明变形的动力是由西往东传递的, 图 3 兰州黄河阶地纵剖面图 Figure 3 Longitudinal profiles of Yellow River terrace in Lanzhou 因此其规模也是西端大于东端. 测, 通过地球物理物探测地球化学探测钻孔探槽等多手段综合研究, 取得了认识上的重大突 3 阶地变形资料与地质资料的对比破, 对兰州盆地内的断层活动特征有了重新的认城市活动断层探测与地震危险性评价是识 [20 22] ( 图 4), 为城市规划和重大工程建设选址和中国地震局提出的十五期间国家重点建设项抗震设防提供了科学决策依据. 目, 其目的是查明在城市范围内是否存在直下本研究只对比涉及阶地变形的几条断层 : 型活动断裂, 是否可能发生直下型大地震, 对其 1) 雷坛河断层 (F 3 ): 大致沿雷坛河发育, 主要危险性做出评价 [19]. 兰州市是首批选择的 20 个是根据钻孔资料确定的, 长度约 14.5 km, 性质为省会城市之一. 兰州市活动断层探测与地震危逆断层, 是分割兰州东盆地和西盆地的边界断层. 险性评价项目自 2004 年立项, 2007 年通过验收. 根据前人的研究, 在石家沟庙洼沟等地可见断层项目组对兰州盆地内的活断层进行了详细的探剖面, 并断错晚更新世早期的阶地砾石层, 据此推

4 第 49 卷兰州大学学报自然科学版前新近系; 2 新近系; 3 黄河 Ⅳ Ⅵ 级阶地; 4 黄土; 5 Ⅲ级阶地; 6 Ⅰ级阶地; 7 全新世断层; 8 晚更新世断层; 9 第四纪早期断层; 10 隐伏断层; 11 推测断层; 12 逆断层; 13 正断层; 14 走滑断层; 15 断层编号; 16 城区; 17 河流; 18 不整合界线; 19 岩性界线; 20 强震震中; F1 金城关断层; F3 雷坛河断层; F5 寺儿沟断层; F6 西津村断层; F7 马衔山北缘断层; F8 兴隆山北缘断层; F9 庄浪河断层图 4 兰州盆地活断层分布图 Figure 4 Active faults distribution map in Lanzhou basin 1. 但通过活断层断其为一条晚更新世活动断层在新近系西柳沟组内部, 断面平直, 具较窄的挤压项目组的详细考察, 并没有发现可靠的剖面, 而根带及断层泥, 推测可能断错Ⅲ级阶地底部卵石层, 据物探和钻孔的资料, 显示断层处 N2 砂泥岩挤压并认为其为一条晚更新世期间活动断层. 但断层逆冲在 Q1 半胶结砾石层之上, 其上覆的Ⅲ级阶地剖面揭示, 断层并未断错黄河Ⅳ级阶地[20], 根据黄无断错迹象. 根据黄河 Ⅲ 级阶地 13 万年[23], 判断河Ⅳ级阶地年龄 86 万年[23], 判断断层活动为第四断层第四纪早中期有活动, 属第四纪早中期活动纪早中期, 晚第四纪不活动. [20] 断层. 4) 马衔山北缘断层(F7 ): 马衔山北缘断层 2) 深沟桥断层: 该断层为一条隐伏断层, 北起全长 115 km, 总体走向北 60 西, 性质为逆左旋走黄河以北的沙井驿, 过黄河后, 一直顺深沟桥延至滑[24]. 断层具有分段活动的特征, 自东向西分别称彭家坪金沟乡一带, 全长 27 km. 该断层同样是由为内官营段马衔山七道梁段和雾宿山段, 并且钻孔及水文电测深资料确定的, 此断层是控制兰自东向西活动性越强, 其中雾宿山段为全新世断州马滩水源盆地的西边界断层, 是七里河断陷的 2, 推测为一条晚更新世断层. 断层两侧西部边界层, 并为兰州年 7 级地震大发震断层[25 26]. 根据马衔山北缘断层西段 1 : 填图, 断层并岩性差异是判定断层存在的重要依据, 但天然剖没有穿过黄河[26]. 马衔山北缘断层具有左旋走滑面及探槽揭示, 岩性差异只是 N2 和 Q1 地层间假的特征, 在大陆构造变形的动力学机制中, 走滑错 [20] 整合接触的岩性界线, 二者之间并不存在断层. 动起到了非常重要的作用: 它可以作为造山过程 3) 寺儿沟断层(F5 ): 该断层沿西固南侧的寺的机制, 又可成为盆地形成的机制. 走滑断层弯曲儿沟发育, 总体走向北北西, 长约 10 km. 断层发育时所派生的压性分量, 可以产生褶皱和冲断层作 ①国家地震局兰州地震研究所. 兰州大震区地震地质填图总结报告[R] ②甘肃省地质矿产局第一水文地质工程地质队. 兰州市区环境地质勘察报告[R]

5 第 4 期刘兴旺, 等 : 由黄河阶地变形反映的兰州盆地活动构造特征 463 用, 常形成冲断隆起. 出现张性分量时可以产生正断层和地堑, 常形成弯曲伸展盆地或拉分盆地, 在断层分枝时, 可以形成楔形裂陷盆地 [27]. 正是由于走滑断层的这种特性, 在马衔山北缘断层的东端, 由于断层的张扭作用, 断层发生伸展弯曲, 形成内官营拉张盆地. 断层的西端, 由于断层的压扭作用, 造成褶皱变形和冲断隆起, 如柴家台隆起皋兰山白塔山隆起, 并派生雷坛河寺儿沟等逆冲断层 [28]. 对比阶地变形资料与地质资料可知, 利用阶地变形资料可以很好地反映断层活动特征. 如根据阶地变形的特征分析可知, 原深沟桥断层通过处阶地无变形, 据此推测其可能活动性很差或断层根本就不存在, 地质资料证明了其只是不同时代地层间的接触界线, 无真正断层存在. 兰州盆地内阶地变形以褶皱隆起为主, 且应该是由西到东的方向推进的. 雷坛河断层和寺儿沟断层为褶皱隆起的派生断层, 其活动性不强, 这也在马衔山北缘断层的活动性上得到了很好的验证. 马衔山北缘断层的左旋走滑运动使得兰州盆地一侧形成褶皱隆起, 并派生逆冲断层, 其动力是由西南向东北传递的, 这也与本区晚第四纪构造主压应力方向相同 [29]. 4 结论通过阶地变形研究的结果表明 : 兰州盆地内阶地变形以褶皱为主, 其变形特征为宽缓的隆起带, 不存在断层活动引起的阶地断错 ; 雷坛河断层和寺儿沟断层是褶皱隆起过程中的派生断层, 在阶地变形过程中所起的作用不大, 其活动性较弱 ; 原深沟桥断层通过处各级阶地均无变形, 其为不同时代间岩性界线, 无真正断层存在. 兰州盆地西南侧的马衔山北缘断层的左旋走滑是本区变形动力的来源, 其持续活动导致了本区阶地的隆起变形和一系列逆断层的形成. 通过兰州盆地内阶地地貌的研究可知, 地貌变形能准确地反映活动构造活动特征, 其主要结论与地质证据结论具有很好的一致性, 活动构造研究的地质结论能从地貌学角度得到强有力的支持, 地貌学研究在活动构造研究中有着良好的应用前景. 参考文献 [1] 刘少峰, 王陶, 张会平, 等. 数字高程模型在地表研究过程中的应用 [J]. 地学前缘, 2005, 12(1): [2] 杨景春, 李有利. 地貌学原理 [M]. 修订版. 北京 : 北京大学出版社, [3] Van Balen R T, Houthast R F, Van Der Wateren F M, et al. Sediment budget and tectonic evolution of the Ardennes and Roer valley rift system[j]. Global and Planetary Change, 2000, 27(1): [4] Maddy D, Bridgl D, Westaway R. Upliftdriven valley incision and climate-controlled river terrace development in the Thames Valley, UK[J]. Quaternary International, 2001, 79(1): [5] 黄汲清. 中国新构造运动的几个类型 [C]// 中国科学院第一次新构造座谈会发言记录. 北京 : 科学出版社, 1957: [6] Burbank D W, Li Ji-jun. Age and paleaoclimatic significance of the loess of Lanzhou, China[J]. Nature, 1985, 316(4): [7] Li Ji-jun. The environment effects of the uplift of Qinghai-Xizang Plateau[J]. Quaternary Science Reviews, 1991, 10: [8] 安特生. 甘肃考古记 [M]. 地质专报甲种第五号. 北京 : 文物出版社, 1925.? [9] 徐叔鹰. 陇中西部黄土区黄河及其支流阶地反映的若干问题 [J]. 兰州大学学报 : 自然科学版, 1965, 17(1): [10] 张宇田. 兰州墩洼山黄土磁性年龄及其意义 [C]// 中国第四纪冰川与环境研究中心, 中国第四纪委员会. 中国西部第四纪冰川与环境研究. 北京 : 科学出版社, 1991: [11] 朱俊杰曹继秀, 钟巍, 等. 兰州地区黄河最高级阶地与最老黄土沉积的发现及其古地磁年代学的研究 [C]// 青藏项目专家委员会. 青藏高原形成演化环境变迁与生态系统研究. 北京 : 科学出版社, 1994: [12] 潘保田, 李吉均, 朱俊杰, 等. 兰州地区黄河阶地发育与地貌演化 [C]// 中国第四纪冰川与环境研究中心, 中国第四纪委员会. 中国西部第四纪冰川与环境研究. 北京 : 科学出版社, 1991: [13] 李吉均, 方小敏, 马海洲, 等. 晚新生代黄河上游地貌演化与青藏高原隆起 [J]. 中国科学 D 辑 : 地球科学, 1996, 26(4): [14] 刘小凤, 袁道阳, 刘百篪. 兰州及邻近地区河流阶地变形特征 [J]. 西北地震学报, 2003, 25(2): [15] 苏怀. 兰州东部地区 1024 ka 以来的河流阶地研究 [D]. 兰州 : 兰州大学资源环境学院, [16] 潘保田, 苏怀, 胡春生, 等. 兰州地区 1.0 Ma 黄河阶地的发现和 0.8 Ma 阶地形成时代的重新厘定 [J]. 自然科学进展, 2006, 11:

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