中国西北部天山山脉西南部沿NW走向的Heya断层在晚第四纪时期的逆冲作用

《Quaternary Science Advances》：Late Quaternary thrust faulting along the NW-trending Heya fault in southwestern Tian Shan, NW China

中国天山造山带西南部Heya断层（HYF）的几何特征、活动速率及构造作用研究。通过高分辨率遥感影像解译、无人机测量（累计7430张影像）、探方开挖及OSL年代测定（样本HY-00至HY-03），揭示HYF为NW走向低角度冲断层，晚期垂直滑动速率0.31 mm/yr，NE-SW方向 crustal shortening rate 0.85 mm/yr。该断层作为马旦断层（MDF）东端的收缩性马蹄结构，与TLHF共同调节MDF的左旋走滑分量（

　　在天山造山带的南北两侧，一系列前陆逆冲构造系统已经形成，以适应南北向的岩石圈缩短作用。这些前陆逆冲构造系统的走向大致与山脉平行，通常被认为是天山造山带向外扩展的结果。然而，在天山南部前缘的冲积扇区域，发现了一条走向为西北的Heya断层（HYF），目前对其晚更新世的运动特征、变形机制及其在区域构造变形中的作用仍不明确。本研究基于高分辨率遥感图像的解释、现场调查、无人机测量、更新世沉积物的光释光（OSL）测年以及挖掘沟槽，对HYF的结构几何特征进行了量化分析，并确定了其约0.85毫米/年的岩石圈缩短速率。通过对被错断的地质地貌面的调查，我们推测HYF遵循一种典型的滑动模型。我们提出，这条低角度的逆冲断层HYF是位于 Maidan 断层（MDF）最东端附近的一个收缩性马尾状构造，用于吸收MDF的左旋走滑运动。

天山造山带在晚新生代期间，由于印度板块与欧亚板块持续碰撞，经历了重新激活和快速隆升的过程。这种构造活动导致了区域内的显著变形，包括大约55-65公里的岩石圈厚度缩短、约200公里的南北向岩石圈缩短以及每年约20毫米的汇聚应变。这些数据表明，天山地区的晚新生代变形主要由南北向压缩主导。由于天山地区高耸的地貌特征，其平均海拔超过3500米，因此变形活动持续向构造前缘的前陆盆地传播，形成了沿天山南北两侧的典型前陆逆冲构造系统。然而，在天山南部，除了与山脉走向一致的逆冲断层和褶皱外，还发现了若干走向为西北的晚新生代背斜构造，这些构造出现在伊犁盆地的西北部，并与山脉呈斜交关系。这些背斜构造并非由天山造山带向外扩展所形成，因此在以往的研究中并未受到足够关注。由于这些构造的规模相对较小，研究其几何形态、运动特征和形成机制仍存在诸多不确定性，限制了我们对天山新生代构造活动机制的理解。

在天山西南部前缘，一系列与山脉走向平行的前陆逆冲断层和背斜构造广泛发育。例如，近东西向的卡尔宾逆冲带和库车逆冲带已经被充分研究。然而，在Wushi凹陷内的冲积扇区域，却识别出一条走向为西北的逆冲断层和背斜构造，即Heya断层（HYF）。与周围被广泛研究的逆冲断层和褶皱系统相比，HYF的几何形态和变形速率仍不明确。本研究通过高分辨率遥感图像的解释、现场调查、无人机测量、光释光测年以及挖掘沟槽等方法，获取了HYF的几何和运动特征，并确定了其岩石圈缩短速率。最后，我们还分析了HYF在区域构造变形中的作用及其意义。

天山西南部的Wushi凹陷位于卡尔宾逆冲带（西侧）和库车逆冲带（东侧）之间。卡尔宾逆冲带的长度超过300公里，其南侧呈现弧形排列，包含4-6排近东北向的背斜构造，并被皮羌断层（Piqiang fault）分割。GPS数据表明，西卡尔宾逆冲带的南北向缩短速率为8-10毫米/年，而东卡尔宾逆冲带则为5-6毫米/年。库车逆冲带位于卡尔宾逆冲带的东侧，延伸约400公里，其缩短速率从西向东和从山前向盆地方向逐渐减小。其西侧的锯齿状背斜构造与这种缩短模式一致，区域缩短速率为约6.5毫米/年。

作为天山西南部与塔里木盆地之间的大规模边界结构，Maidan断层带（MDF）的长度约为400公里，其走向大致为东北偏东，并主要由逆冲断层活动构成，同时伴有显著的左旋走滑分量。通过调查被错断的晚更新世地质地貌面和2024年Mw 7.1的Wushi地震，我们确认了MDF仍然处于活动状态。根据对被错断地貌面的调查和测年结果，Wu等人（2019）估算出MDF的晚更新世缩短速率为1.19±0.25毫米/年，左旋走滑速率为1.56±0.64毫米/年。大地测量结果也表明，MDF主要表现为逆冲和左旋走滑运动。左旋走滑分量在MDF上呈现出东侧减弱的趋势，而在阿克苏市以北，GPS剖面无法识别其左旋运动。

在这一区域，最显著的西北向逆冲断层是Tailanhe断层（TLHF），它位于Tomur峰前，靠近MDF的最东端。TLHF表现出明显的逆冲断层特征，并在第四纪期间吸收了约3.7公里的岩石圈缩短。根据对被错断地貌面的调查和年代限制，估算出TLHF的晚更新世岩石圈缩短速率为1.23-1.59毫米/年。这些断层的几何形态和运动特征对理解区域构造变形至关重要。

为了确定HYF的逆冲运动特征，我们采用了一系列方法，包括高分辨率遥感图像的解释、无人机测量、沟槽挖掘以及地质地貌沉积物的测年。在实地调查中，我们全面考察了HYF的整个断层带，识别了断层走向和距离，确定了阶地的发育程度，并采集了年代样本。我们通过Google Earth获取了高分辨率遥感图像，用于分析研究区域内的被错断地貌面和断层痕迹，从而获得HYF的几何形态、运动特征及其错断量。本研究中的图示和描述均基于无人机拍摄的高分辨率图像和结构从运动（SfM）模型，分辨率小于0.5米/像素。在实地调查过程中，我们使用了配备有2000万有效像素图像传感器和实时动态定位（RTK）技术设备的无人机平台进行航拍。无人机拍摄的照片具有80%的航向重叠和70%的侧向重叠，以确保相邻照片中包含相同的地貌特征。飞行高度为200米，拍摄带宽度为0.2-1.8公里，总共获取了7430张照片，覆盖面积约为4.9平方公里，长度约为8.5公里。

无人机航拍数据通过结构从运动（SfM）模型进行处理，使用Agisoft PhotoScan Pro构建正射影像图和三维地形模型，并结合地理信息。该过程包括五个步骤：首先，去除模糊、颜色异常和变形严重的照片，然后将剩余照片导入软件进行特征匹配和跟踪，生成稀疏点云数据；其次，基于多视角立体匹配算法，构建三维场景并生成高密度点云数据；第三，建立纹理和网格数据；第四，生成正射影像图和数字高程模型（DEM），并将其导出为TIFF格式文件。为了确保数据的完整性和可用性，在现场调查中，我们使用了戴尔Precision 5560移动图像处理工作站处理收集到的无人机照片数据。如果正射影像图或地貌面未完全覆盖某些区域，我们将进行额外的航拍。最终，我们获得了一张分辨率约为3.29厘米的正射影像图。

由于HYF上没有记录大型地震或最新的地震错断，我们挖掘了一个位于断层上的古地震沟槽，以揭示其变形特征。在沟槽剖面中，可以识别出两组沉积单元。U1是一层覆盖在T2阶地表面的冲积砾石层，而U2是一层灰白色砾石层，其水平层理明显，砾石颗粒呈次圆形，颗粒大小不均，最大砾石直径约为6-8厘米。在T1阶地沉积物中，我们采集了HY-03样本进行光释光测年。这些样本的等效剂量通过单剂量再生法（SAR）测量，计算出的等效剂量值通过减去最后10秒的光子计数平均值（背景值）得到。我们使用HD-2001低背景多通道伽马谱仪测量了样品中铀、钍和钾的剂量率。对于细粒石英（4-11微米），其α系数为0.04±0.02。环境剂量率的计算考虑了水分含量和宇宙射线的影响。最终，通过获得的等效剂量值和环境剂量率，计算出光释光年龄。

在本研究中，我们从以下四个地质意义重大的地点采集了四个样本进行光释光测年（见图9）：（1）HY-00样本来自T1阶地顶部下方30厘米处的砂质透镜层，代表T1阶地的形成年代；（2）HY-01样本来自T2阶地顶部下方50厘米处的砂质透镜层，直接约束T2阶地的形成年代；（3）HY-02样本来自T3阶地顶部下方100厘米处的砂质透镜层，用于确定T3阶地的形成年代；（4）HY-03样本来自沟槽剖面中的悬挂壁层，代表与断层活动相关的沉积层的年代。表1列出了这四个样本的测年结果。

通过测量不同阶地的垂直错断量，我们发现T2阶地（在Site 1中对应P1阶地）的错断量约为T1阶地的两倍。这种两倍的关系在其他地点也有所体现（见图2B中的黑色线条），表明断层的滑动行为可能遵循某种典型的滑动模型。根据不同阶地的滑动分布，我们推断第一场古地震发生在T3阶地形成之后，T2阶地形成之前；第二场古地震（即最近一次）发生在T2阶地形成之后，T1阶地形成之前。因此，T3阶地的错断量代表了两次地震活动的累积错断，而T2阶地的错断量则对应最近一次地震的错断量。为了估算古地震的复发间隔，我们可以将T3阶地的废弃年代（约13.63千年前）视为两次地震之间的最大间隔，而T2阶地的废弃年代（约8.86千年前）则为最小间隔。因此，我们估计HYF的古地震复发间隔约为4.43-6.81千年。最近一次古地震发生在约1.23±0.05千年前，这与我们在T1阶地未发现变形的现场观察结果一致。本研究中确定的岩石圈缩短速率为0.85毫米/年，由此计算出HYF上的滑动亏损约为1.05米，明显小于约5.79米的地震滑动量。因此，我们推测HYF的地震危险性在未来相对较低。

天山地区的构造活动通常在走滑断层的末端通过压缩或拉伸结构终止。例如，海原断层的左旋走滑运动在其东端转变为逆冲和岩石圈缩短，驱动了六盘山的隆升。同样，阿尔金断层的左旋走滑运动在其西段转变为拉伸裂谷。在天山北部，库车河断层的右旋走滑运动在其西端转变为岩石圈缩短。这些现象表明，走滑断层的运动特征在不同区域可能有所不同。

在晚新生代期间，塔里木盆地向东北方向的俯冲作用导致了天山地区的左旋剪切应变和南北向压缩。天山内部的若干原有基底断层（如Maidan断层）吸收了左旋走滑运动。一项先前的研究表明，天山地区的左旋走滑运动在周围结构中被吸收和适应。然而，我们的研究结果显示，HYF与北侧的MDF呈约40度的夹角。在HYF以东约55公里处，另一条西北向的Tailanhe断层（TLHF）主要表现为逆冲运动，其晚更新世滑动速率在1.23-1.59毫米/年之间。因此，HYF和TLHF这两条西北向断层共同吸收了约2-3毫米/年的岩石圈缩短。MDF在阿克苏市以北终止，其南部前缘的左旋运动也随之消失。因此，我们推测HYF和TLHF共同吸收了MDF的左旋运动，可以视为MDF最东端的收缩性马尾状构造。尽管HYF的规模远小于TLHF，但现场调查显示，HYF在冲积扇上最大的错断量仅为12.5米（对应最古老的地貌面的抬升高度），表明这是一条新形成的逆冲构造，其地表破裂规模仍在形成过程中。综上所述，我们推断该断层是位于一条走滑断层末端附近的新形成的分支逆冲构造。