天山北缘河流阶地形成及构造变形定量分析
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发布时间：2022-05-01 11:03
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时间：2023-10-09 12:45
新生代以来，北天山山前发育了三排冲断褶皱带。新生代晚期一系列河流普遍穿过这三排冲断褶皱带并发育了*河流阶地。在最新构造活动的影响下，河流阶地普遍发生变形，遭受抬升。利用光释光及14C年代学方法确定了塔西河*阶地的形成年龄，并实际测量了*阶地的高程。结果表明吐谷鲁背斜的构造抬升速率在32.85～28.75 ka间为（9.50～12.57）mm/a，12～13 ka间为（9.67～14.5）mm/a，全新世则增至（10.79～23.44）mm/a，天山基底的平均隆升速率达到（3.39～3.86）mm/a。通过对天山最高一级夷平面、野外实测侏罗纪地层高程及天山发育的煤层的相对隆升速率的研究则表明天山自24Ma以来平均的隆升速率约为（0.085～0.146）mm/a。结合对北天山其他主要河流阶地的观察及研究可以看出自晚更新世-全新世以来，天山北缘的最新构造活动具有不断加快的特征。
横亘于中亚的天山，东西延绵2500km，南北宽达400～500km，是亚洲最主要的规模巨大的年轻山脉之一。目前，天山新生代隆升研究已经成为*动力学研究的热点。新生代以来印度与欧亚板块碰撞作用使得天山地区遭受了强烈的挤压缩短和快速隆升（Minster et al.，1978；郭召杰等，2005待刊）。这使得在天山北侧由南向北依次形成三排由老至新的冲断褶皱带，一系列河流横切这些冲断褶皱带并在其上发育了*河流阶地（图1-3-36）。河流在新构造运动的作用下发生迁移，河流阶地被构造抬升、变形。因而，研究河流的发育特征和阶地的最新断错和变形可以很好的揭示天山晚新生代的最新构造活动。
目前，对天山北缘构造变形幅度的研究主要通过大比例尺填图、平衡剖面技术、依据第四纪阶地面的位移和年代学分析等途径进行的（邓起东等，1991，2000；张培震等，1993；Avouac et al.，1993；Molnar et al.，1994；杨晓平等，1995，1996；Brown et al.，1998）。前人虽对奎屯河、玛纳斯河等河流阶地进行过研究，但主要集中在对阶地的发育特征或是划分上，对河流阶地的形成年龄很少有人做过年代学方面的直接测定（王永焱，1959；吴子荣，1959；张鸿义等，1985；彭希龄，1985；Molnar，1994；柏美祥，1998；王永等，2000）。张培震等（1995）对天山发育的3期冰水冲洪积扇作了年代学研究，认为河流阶地堆积物的形成与山前和山间盆地内冲洪积地貌变化，特别是冰期和间冰期直接相关，并通过他们之间的对应关系推断出北天山山前河流阶地的形成与废弃年龄。光释光测年是近几年从热释光测年基础上发展起来的测定第四纪沉积物年龄的一种新技术。与热释光测年相比，光释光测年具有简便且更为准确的特点。笔者近几年对天山北麓几条主要河流阶地进行了野外考察，特别是对塔西河的阶地变形和纵向相对高程变化进行了实地测量，并运用光释光测年技术结合14C年代学方法对阶地沉积物的形成年龄做出了精确测定，对阶地的变形特征、吐谷鲁背斜及天山基底的隆升速率提出一些新的看法。
一、区域地质背景
天山在印度板块与欧亚板块碰撞和持续的推挤作用下于新生代晚期强烈上升隆起，形成再生造山带。在天山北侧山前坳陷内强烈变形的挤压构造带形成了山前逆冲席体，表现为在前陆盆地内渐进式一系列的冲断褶皱带，在山麓区沿准噶尔南缘断裂古生代的地层逆冲于中、新生代地层之上。在准噶尔盆地内发育了三排冲断褶皱带，它们分别是南部山麓冲断褶皱带、霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁冲断褶皱带和独山子-安集海冲断褶皱带。第一排准噶尔南缘冲断褶皱带主要由齐古背斜等多个背斜组成，形成于晚中新-上新世时期。研究表明，准噶尔南缘冲断褶皱带在晚第四纪约3万年以来已不再活动（张培震等，1994）；第二排霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁冲断褶皱带长约130km，自西向东为霍尔果斯、玛纳斯和吐谷鲁3个背斜带，前两者作左阶排列，后两者作右阶排列。第三排独山子-安集海冲断褶皱带由西向东由独山子、哈拉安德和安集海背斜带组成，长约80km。其中独山子背斜形成最早，安集海背斜表现为南翼缓、北翼陡的不对称背斜，其褶皱强度弱于独山子背斜。此外，在独山子-安集海冲断带西北的乌苏附近带发育了一个形成时代更新、隆起幅度更小的西湖隆起，是一个正在形成之中的最新活动背斜。吐谷鲁背斜东北方向分布有呼图壁背斜，这也是一个最新活动背斜，可能是第二排冲断褶皱带向北扩展的产物。总的来讲，准噶尔南缘断裂控制的活动背斜和断裂构造十分发育，且活动逆断裂多出现在活动背斜北翼及其核部附近，它们控制了北天山山前地区的新构造运动的性质和幅度（图1-3-36）。
图1-3-36 北天山地质构造略图
1—古河道；2—河流；3—逆断裂；4—活动背斜
二、河流与河流阶地
北天山山前发育一系列由南向北的河流，受第四纪以来构造活动和气候变化耦合作用的影响，在其流经的北天山山前地区普遍发育*河流阶地。由于河流大都近南北向横切背斜，所以靠近背斜核部地段通常发育基座阶地，而于南北两侧多发育堆积阶地。Ⅲ级阶地发育较为完整，但在背斜段仅残存于零星的孤峰之上。阶地面被一层黄土覆盖，其下为灰黑色砾石层，具典型的“二元结构”（邓起东等，2000）。值得注意的是，Ⅲ级阶地上的黄土延续性很好，从山内一直延续到山前，而且黄土与下伏的乌苏群冰水冲洪积砾石层间的接触面非常平直。在塔西河处，黄土和灰黑色砾石层在吐谷鲁背斜具有核部厚度薄，两翼厚度大的特征。Ⅱ级阶地发育最为连续完整，向北与现代戈壁连为一体，阶地面宽阔平坦，多由砂砾石和亚砂土组成。除安集海河外，Ⅱ级阶地上也覆盖有一层黄土，但与Ⅲ级阶地不同的是黄土层中多具有砂砾石夹层，显示出流水改造的结果。Ⅰ级阶地地势低平，主要分布在现今河谷中，阶地面由砂砾石、亚砂土等组成（图1-3-37）。
图1-3-37 河流阶地横剖面图
天山北缘的*河流阶地在天山最新的构造活动下均已发生不同程度的构造变形，表现为横穿冲断带的河流及阶地面的形成、阶地类型的转变、阶地级数的增多以及阶地面被错断和/或发生拱曲变形。在冲断褶皱带的发育部位，可明显见到由于构造抬升作用，河流阶地发生向上拱曲，多表现为南缓北陡的不对称状，其形态与相应的褶皱形态相似（图1-3-38）。阶地于核部多表现为基座阶地，两侧多为堆积阶地，这种现象也是受构造抬升作用的影响。从图中变形阶地的纵剖面可以看出，相应两级阶地褶皱变形的核部也不在同一垂线上，较低一级的阶地的变形最高点通常比较高一级相应的向北迁移、扩展。其中，吐谷鲁背斜向北扩展了130m，而玛纳斯背斜向北扩展了约200m（邓起东等，2000）。此外，在变形的最大地段，也就是相应的冲断褶皱带发育的地段，阶地的级数明显增多，次级阶地非常发育。
三、阶地的形成年代
前人对于天山北缘河流阶地发育年龄的看法不尽相同，其原因：一是在于对阶地的划分标准及分级方法不同；二是由于本身运用的年代学方法不同（刘小凤等，2001）。光释光是近年发展起来的测定第四纪沉积物的新方法，其突出特点在于测年精度高且测年技术已经较为成熟，其准确度在某些情况下比14C测年方法还要好（Huntley et al.，1996）。为了对天山北缘河流阶地沉积物的年代做出准确测定，我们对一个剖面至少采集了两个以上光释光样品或是14C样品，并且互相校验。
图1-3-38 变形阶地对构造运动响应的示意图
（一）样品采集
光释光样品的采集要求十分严格。采集过程中不能见光，把表面暴露层铲去20cm以上，用金属罐钻取或者刻大块，然后用闭光包装袋密封。我们采集的样品主要有块状和罐状两种，实验条件下再选取样品的中心部位供测试。采样剖面的周围并未发现有放射性矿床或其他放射性污染。具体的采样剖面如图1-3-39所示。
（二）实验仪器及参数介绍
在光释光实验中，样品的铀、钍和钾的含量是通过放射性测量获得。所使用的仪器是Thermo electron corporation（美）生产的扫描型波长色散X射线荧光光谱仪，仪器型号为ARL ADVANT′XP+。仪器的最大激发电压约70 kV，最大激发电流120mA，最大功率4.2 kW。
运用光释光技术测定样品的等效剂量运用的是单片再生剂量法。等效剂量的测量是在丹麦Risφ国家实验室生产的热释光/光释光测量仪（Risφ-TL/OSL-15）上进行的，激发光源为绿光［波长为（470±10）nm］，探测滤光片为U-340。测量仪器上附带放射性β源为90Sr/90Y，所有人工放射性辐照都在该仪器上进行。测量时样品的预热温度为250℃，预热时间10 s，试验性小剂量为1 Gy。
图1-3-39 样品采集地理位置图
样品的含水量对样品的放射性能量的吸收有一定的影响，由于本次样品普遍偏干，水含量指定为10%，不确定度为10%。最后，根据样品颗粒大小，按有关参数得出测量样品的年剂量值。铀、钍和钾含量的不确定度指定为10%。
此次工作在塔西河共采集了14C样品4个，其中Ⅲ级阶地2个，一为碳屑，一为骨片，委托北京大学加速器质谱实验室第四纪年代测定实验室运用加速器质谱方法测得；Ⅰ级阶地的采集2个碳屑样品，运用的方法是常规14C，测样单位为北京大学考古文博学院科技考古与文物保护实验室。
（三）结果讨论
测量结果如表1-3-4、表1-3-5所示。从实验数据中可以看出，塔西河Ⅲ级阶地上发育的黄土层从（30.8±2.05）ka开始沉积，其间出现的年龄分别为（15.1±1.86）ka和（6.4±0.30）ka。此外，从距地表30cm处发现古人类活动遗迹，采集其中的碳屑和骨片作了14C年龄测定，结果分别为（3010±60）ka.BP.和（2900±60）ka.BP.。从野外的实际观察来看，这部分黄土是次生黄土，其发育的延续性好，其底面与下伏地层接触面十分平直。这些特征表明，Ⅲ级阶地上发育的黄土层具有流水改造过的迹象。所以说，所测黄土层的底部年龄应该代表了阶地抬升的最晚年龄。而后出现的年龄较小的黄土则很可能是后来坡积作用的结果。因而次生黄土底部的年龄可以代表塔西河Ⅲ级阶地的废弃年龄的下限。
塔西河Ⅱ级阶地L325和L326样品出现了表观实验数据和野外实际观测不符的情况。L325样品处于采集剖面的下部，但是其光释光年龄却小于上部沉积样品L326的年龄，造成这种情况的原因可能是由于沉积体本身是一种河流作用的结果，如果河流在搬运、沉积的时候，沉积物在曝光的过程中的热晒退事件可能进行的不完全，样品中的光释光信号没有消失殆尽。另外，样品L325和L326的数据结果处于光释光实验本身的误差范围之内。因此我们认为，Ⅱ级阶地接受沉积的年龄大约在距今（12.8±0.70）ka和（14.8±0.69）ka左右，其后塔西河Ⅱ级阶地开始废弃。
表1-3-4 样品的年剂量率、等效剂量及其所对应的光释光年龄
表1-3-514C样品测量年龄值
四、阶地变形
为了精细的解剖天山地区晚更新世之后的构造活动，采用GPS与1：100000地形图对塔西河发育的各级阶地以及天山北麓地区的一些地貌面的高程进行了精细测量，并结合年龄数据对天山最新的构造活动进行剖析。
表1-3-6是依据阶地的抬升量及形成年代估算北天山第二排冲断褶皱带吐谷鲁背斜的隆升速率以及整体隆升速率。从表中可以看出，自32.85ka以来，吐谷鲁背斜的抬升速率开始加快，自13 ka之后，速率甚至达到（10.79～23.44）mm/a，但必须说明的是，塔西河穿过吐谷鲁背斜的中段，所得出的变形速率为其变形量的最大值。如果依据未变形地段河流阶地的抬升幅度加以计算，则可以估算自32.85 ka以来扣除掉吐谷鲁断展背斜隆升的影响，基底的平均抬升速率约为（3.39～3.87）mm/a（数据参见表1-3-7）。从北天山地区的其他河流阶地的发育来看，玛纳斯河Ⅲ阶地上堆积的次生黄土的光释光年龄绝对值约为距今28.75～22.12 ka，与塔西河阶地堆积的时间大致相同，其拔河高度约为157m，估算其隆升的速率约为（7.10～5.46）mm/a。此处位于吐谷鲁背斜与玛纳斯背斜的重合部位，应具有最大的隆升速率。
表1-3-6 吐谷鲁背斜晚更新世以来的隆升速率
注：相对隆升时间-各级阶地废弃的时间差；阶地拔河高度-现今阶地面到河床面的高差；相对隆升高度-各级阶地间的高差；整体抬升速率（各级阶地间的高差/相对隆升时间）；相对南翼未变形段隆升高度-阶地变形最大处的高程未变形处的高程；吐谷鲁背斜隆升速率-消除影响因素后褶皱隆起的速率。
表1-3-7 晚更新世以来基底的隆升速率
注：表中的基底隆升速率未消除掉气候因素对于河流下蚀的影响。
五、讨论与结论
柏美祥（1995）等根据大地形变测量对天山近期的抬升强度做了研究，得出南天山西部主脉以平均14mm/a的速率上升，依连哈比尔尕山以平均17.8mm/a速率上升。这与我们对于现今通过河流Ⅰ级阶地所反映出的隆升速率（10.79～23.44）mm/a是基本一致的。
表1-3-8 据天山最高一级夷平面24Ma以来的升降幅度得出的天山的隆升速率
注：海拔资料据王树基（1998）。
为了较为全面的探讨天山新生代以来的构造变形强度，根据前人的资料，从以下几个方面对24Ma以来天山的升降幅度及平均隆升速率作如下估算：
据天山最高一级夷平面24Ma以来的升降幅度估算天山的隆升速率。从表1-3-8中可以看出，24Ma以来，天山隆起的平均速率约为（0.104～0.146）mm/a，且天山西段抬升明显比东段快（表1-3-8）。柳永清等（2004）对准噶尔南缘，特别是西缘一带发育的粗砾质沉积的研究表明，天山早期的隆升最先发育于北缘，主要时代为渐新世末期，且西区较东区表现显著，这与我们运用夷平面研究东西天山隆升速率差异的结果是一致的。
早、中侏罗世天山地区的盆山格局以不存在地理分割明显的天山山脉，地势低平为特征（方世虎，2005待刊），现今侏罗系地层已被抬升至不同的海拔高度。如果现今天山的构造地貌主要是24Ma 以来隆升形成的，据表1-3-9 可得出天山隆起的平均速率约为0.085mm/a。同样据1：20万地质图分析，乌兰达坂以西约10km处发育侏罗纪西山窑组煤层，其海拔约3800m。阿拉沟口以东18km外出露的西山窑组煤层海拔约为650m。假定是天山24Ma以来造成的构造高程差异，那么天山的隆起最大速率约为0.131mm/a。可以看出，同24Ma以来的平均速度相比，天山现今的隆升速度明显加快。
表1-3-9 侏罗纪煤层现今海拔高程统计表
总的看来，天山北缘的河流大都穿过3排冲断褶皱带，从其上发育的河流阶地来看，北天山地区主要发育了3级，但在各个冲断褶皱构造隆升的地区，河流阶地发育的级数往往增多，如奎屯河在独山子背斜处发育了6级阶地。各个河流阶地面对于构造隆升的响应不止表现在河流阶地发育的级数增加上，还表现在阶地均已发生变形，河流阶地面反倾，且大多数河流阶地面的纵向上的形态与相应的背斜的形态一致。
运用光释光及14C技术并实际测量3级阶地的高程得出吐谷鲁背斜的构造抬升速率在32.85～28.75 ka间为（9.50～12.57）mm/a，12～13 ka间为（9.67～14.5）mm/a，全新世则增至（10.79～23.44）mm/a。天山基底的平均隆升速率达到（3.39～3.86）mm/a。通过对天山最高一级夷平面、野外实测侏罗纪地层高程及天山发育的煤层的隆升速率的研究则表明天山自24Ma以来平均的隆升速率约为（0.085～0.146）mm/a，而天山自晚更新世-全新世以来，隆升速率则高达（9.50～23.44）mm/a。对比后可以看出，天山北缘的构造活动速率有不断加快的特点。
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