關于東天山區域地殼穩定問題的討論

何建國，高洪雷，張 松，田明明，黃賢芳，孔維豪，李 平，白 蕓

（核工業北京地質研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029）

為了安全處置高放廢物，國際上高放廢物處置庫均采用天然屏障和人工屏障組成的多重屏障系統。對保障處置庫的安全性而言，天然屏障的作用是主要的，而人工屏障是對天然屏障的補充［1］，是用來彌補場址天然屏障的不足而采取的工程措施［1-2］。要使多重屏障系統在安全處置方面長期發揮作用，保障處置庫的壽命至少達到1萬a甚至更長的時間，還必須有一個不可或缺的前提條件，即處置庫場址必須選在一個區域地殼穩定的地區［2］。因此，處置庫場址的區域地殼穩定性從根本上影響著高放廢物能否安全處置，是區域選址階段必須解決的一個關鍵問題。西北地區高放廢物處置庫備選區預選研究項目組從2008年開始，遵循從區域到局部的技術路線，充分利用前人對全國區域活動構造與區域地殼穩定性分區的研究成果［3-4］，從區域構造活動性問題切入，排除明顯不適合選址的區域地殼不穩定區域，按照諸如區內地質構造簡單，不存在區域性構造結，花崗巖體發育，降水稀少，非水源地，無人煙或人口稀少，地貌平緩，無土地利用前景等區域選址條件遴選出東天山地區為選址的重點工作區之一。筆者僅對東天山區域地殼穩定問題進行討論。

1 地形地貌特點

東天山重點工作區地貌類型為干燥的剝蝕高原［5］，海拔一般為900～1300 m，局部為干燥剝蝕山地，海拔最高達1538m。構造地貌類型為燕山運動隆起喜馬拉雅運動上升的高原［5］，屬區域整體構造隆升的產物。

TM遙感圖像上，從東天山西部的阿奇山至東天山東部的雅滿蘇—尾亞—天湖一帶，未見地形起伏引起的圖像陰影，說明地形平緩。

野外實地觀測，發現東天山為準平原化老年地貌。表現為地形起伏和緩，高差小，方圓200～300m以內一般高差小于10m。局部受巖性差別引起的差異風化影響，高差可達到15 m。干枯的季節性河流多為寬谷，寬度在10～40m，深度從不足1 m到數米，河谷谷坡上未見河流階地，河床平坦，坡降和緩，河流游蕩性強，河道沉積物最大粒度一般小于5cm，個別最大的一般也不超過10cm，河道中一般均有厚幾十厘米至2m以下的河流沖積物，河床上除局部出露抗風化的硅質巖外，很少見基底裸露，說明沖刷剝蝕與堆積作用基本平衡。工作區準平原化老年地貌、沖刷剝蝕與堆積作用基本平衡的季節性寬淺沖溝、不發育河流階地均顯示地殼穩定區的地形地貌特點。

2 區域斷裂活動性、歷史地震記錄與地震烈度

2.1 區域斷裂活動性

東天山地區有兩條區域性構造（圖1），分別為康古爾塔格—黃山韌-脆性剪切斷裂帶和阿奇山—沙泉子斷裂（博樂—阿其克庫都克斷裂的東段）。其中，康古爾塔格—黃山韌-脆性剪切斷裂帶是一條早二疊世韌性剪切帶疊加晚二疊世脆性右行走滑（壓扭性）斷裂的多期活動的構造帶。在放大到1∶50000的SPOT多分辨率（全色與多譜段）遙感圖像上，該斷裂帶中的右行走滑（壓扭性）主干斷裂（稱為康古爾塔格斷裂）兩側區域為準平原化地貌，橫穿該斷裂的沖溝并未在斷裂附近出現錯動（圖2），干河床寬度及坡度也未發生變化（圖3、4），顯示該斷裂帶不屬于活動斷裂。另外，沿該斷裂未見第四系分布，說明其屬于前第四紀斷裂。

圖1 東天山地區構造綱要圖Fig.1 The structure outline map of eastern Tianshan

阿奇山—沙泉子斷裂形成于晚石炭世末，早期擠壓逆沖推覆，中期右行走滑，晚期再次向北逆沖。在阿奇山南和雅滿蘇南，沿晚期逆沖斷裂破碎帶上盤抬升區形成的山前斷層谷地十分寬緩，谷地內第四系沖積物厚度僅為數米，探槽中未發現第四系沖積物被斷裂切割的現象。逆沖斷裂帶上盤抬升形成的山體和斷層崖已經被風化剝蝕成渾圓的山嘴，處于戴維斯斷層崖地貌侵蝕降低后退演變的第3階段，即斷層三角面進一步降低、后退，形成渾圓的山嘴，山嘴已距離斷層一段距離，預示晚期逆沖活動距今較早。沿破碎的斷層帶中采集到2件ESR測年樣品，測年結果分別 為 （392±39）KaB.P、 （1479±147）KaB.P；說明阿奇山—沙泉子斷裂在早—中更新世有過活動。另外，橫穿該斷裂的河流為平底的寬谷，從隆起區至下降區，河床坡降基本一致，無裂點；全新世沖積扇規模小，沉積厚度薄 （小于1 m），沖積物粒度小于5 cm，地貌漸變，未發現斷裂新近活動的痕跡。綜合判斷認為阿奇山—沙泉子斷裂晚更新世以來未活動。

圖2 穿越康古爾塔格斷裂的沖溝SPOT遙感圖像Fig.2 The SPOT image of the gully through Kangguertag fault

圖3 沿康古爾塔格斷裂走向兩側的沖溝地貌（鏡向西）Fig.3 The landform along the both sides of Kangguertag fault（the lens to the west）

圖4 穿越康古爾塔格斷裂的沖溝地面照片（鏡向北）Fig.4 Photo of the gully through Kangguertag fault（the lens to the north）

2.2 歷史地震與地震烈度

東天山為非地震活動區，是被北天山地震帶、南天山地震帶和柴達木—阿爾金地震帶圍限的一個“安全島”。從阿奇山到雅滿蘇的東天山中心地區，幾乎沒有破壞性地震分布，3級以上的歷史地震也僅記錄到1次，為康古爾塔格東部的3.9級地震；小于3.9級的地震呈彌散狀分布，與康古爾塔格—黃山韌-脆性剪切斷裂帶和阿奇山—沙泉子斷裂沒有明顯的聯系。

東天山地震烈度絕大部分＜Ⅵ度，僅少部分為Ⅵ度［6］，為地震低烈度區。

3 現代地殼形變

3.1 地殼水平運動

GPS觀測結果表明［7］，在西天山喀什以西，地殼縮短速率大約為18 mm·a-1，喀什以東的地殼縮短速率減小為約13 mm·a-1。庫車一帶的地殼縮短速率大約為7mm·a-1。烏魯木齊站一帶橫跨東天山的地殼縮短速率小于2 mm·a-1，再向東到天山東端的哈密一帶，地殼縮短基本上趨于0。向北運動的分量基本上趨于0。烏魯木齊—庫爾勒一線是天山地殼縮短變形的一個明顯的分界線，分界線以西，地殼水平縮短明顯；以東即鄯善—哈密以南的東天山，現代地殼水平運動速度小或者接近0，地殼縮短不明顯。說明在現代構造應力場下，鄯善—哈密以南的東天山地區未遭受明顯的SN向擠壓?，F代地殼縮短速率小或者接近0。

分布在東天山的桃樹園組（E3N1t）為一套紅色、黃色粉砂巖、砂巖、粉砂質泥巖、泥巖河流沉積，沉積厚度薄，最大約20m，地層現在仍保持原始沉積的水平產狀，說明桃樹園組沉積后的新近紀以來，東天山并未遭受明顯的構造擠壓變形。

3.2 地殼垂向運動

東天山地區除沿阿奇山—沙泉子斷層局部地段形成的谷地內分布厚度僅數米的第四系沖積物外，第四系總體不發育，不存在區域性的地殼下降。筆者利用磷灰石裂變徑跡對東天山地區的地殼隆升史進行了分析，結果表明取自東天山東段的12個磷灰石裂變徑跡年齡集中于81～53 Ma，記錄了東天山地區晚白堊世—始新世的冷卻事件。根據實測裂變徑跡數據和徑跡長度與利用AFTSolve軟件對磷灰石溫度-時間反演模擬結果具有明顯的一致性來判斷，晚白堊世—始新世（80～50 Ma），東天山地區經歷了一次強烈的快速隆升-剝露事件［8］；而始新世（50 Ma）至今的溫度-時間模擬曲線為一條略向上翹起的近水平直線，預示東天山地殼始新世以來基本處于穩定狀態，但存在輕微的抬升。這一判斷也得到東天山地區河道沖刷剝蝕與堆積作用基本平衡事實的佐證。另外，郭召杰對取自東天山東段尾亞和西段阿奇山地段的磷灰石和鋯石裂變徑跡年齡研究表明，東天山地區的現今構造面貌基本繼承了中生代時期特征［9］。同時，根據何為2009年測得東天山紅山銅金礦地表氧化帶表生礦物黃鉀鐵礬的形成年齡為11 Ma可見［10］，11 Ma時期近地表礦床氧化帶未被剝蝕掉，反映東天山11 MaB.P.處于穩定狀態，地殼抬升幅度很小。

另外，筆者在東天山地區取平均地溫梯度 35℃·km-1，磷灰石封閉溫度 （110±10）℃，地表溫度10℃，利用磷灰石裂變徑跡計算得到的東天山83 Ma以來的平均隆升速率4.31×10-2mm·a-1，隆 升 速 率 非常低［8］。 郭召杰利用磷灰石和鋯石裂變徑跡計算得到的東天山地區晚白堊世的平均隆升速率也處在10-2mm·a-1級別［9］，同樣指示東天山地區隆 升速率非常低，地殼抬升不明顯，反映東天山地區區域地殼穩定。

4 區域地球物理場

4.1 區域重磁場特征

據梁月明等（2001）的研究，醒目的康古爾塔格重力梯度帶作為東天山重力異常的分區界線，以極顯著的標志劃分了南、北重力異常場，北部為迪坎爾—康古爾塔格—梧桐大泉重力高值異常區，南部為重力低值異常區［11］。該重力梯度帶呈中部略向南凸的弧形波狀東西橫貫全區，連續分布500 km以上，寬度一般10～20 km，重力值位于20×10-5～30×10-5m·s-2之間，梯度變化每千米在2×10-5～3×10-5m·s-2之間。該梯度帶對應康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶。

在康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶北側的航磁升高磁異常帶經上延不同高度處理后，航磁異常依然存在，表明引起升高磁異常的主要因素并不是出露地表的石炭紀火山巖，這些以中基性為主的火山巖可以形成劇烈跳動的變化磁場，但不可能在長達500余千米的范圍內形成連續性很好的升高磁異常帶。推斷磁異常帶是由隱伏強磁性地質體引起的，是古老結晶基底的反映，說明康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶可能是不同地殼基底的拼貼帶，而康古爾塔格重力梯度帶是不同重、磁物性特征的地殼基底引起的，而非現代構造活動的產物。

另外，沿康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶局部重力高、磁升高異常具有很好的對應關系，表明重、磁升高異常是由同一地質因素造成的。地質勘查結果表明，沿康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶走向，地表幾十處見到超基性巖體［11］，沿斷裂的高磁異常鉆探發現有基性-超基性巖分布。在黃山一帶，已圈定10余處基性-超基性巖體，這些巖體源自上地幔，以輝長輝綠巖、輝石角閃橄欖巖為主。上述基性-超基性巖的分布不是以孤立的巖體產出，往往成帶成片分布，這些巖體幾乎全部在重、磁異常高點或異常高點附近出露。巖石物性測量結果，基性-超基性巖的平均密度為 2.87×103～2.98×103kg·m-3，比石炭紀巖石平均密度高出0.3×10-3～0.4×10-3kg·m-3，兩者的密度差十分明顯；巖石磁化率比石炭紀巖石平均磁化率高出幾倍到幾百倍，兩者的磁性差異也十分明顯。這些基性-超基性巖巖體已經把康古爾塔格—黃山韌-脆性斷裂帶兩側地質單元“焊”接在一起，是晚石炭世—二疊紀東天山地區地殼克拉通化的結果。

4.2 重力均衡異常

在重力均衡異常圖上［12］，東天山地區東經90°以東的區域均衡重力異常0～20 mgal，此圖的原作者賈民育等考慮到繪圖精度，認為均衡重力異常絕對值小于20 mgal的地區為基本均衡區。如依此為標準，東天山地區屬重力基本均衡區，顯示地殼穩定區的均衡重力異常特征。

5 地殼速度結構與巖石圈有效彈性厚度

5.1 地殼速度結構

邱瑞照等（2006）通過對鄂爾多斯克拉通型巖石圈和塔里木克拉通型巖石圈的研究，認為殼內速度結構為正梯度，無殼內低速層，是典型的大陸克拉通巖石圈的結構特征［13］。

圖5 中國北部北緯42°～44°西部天山—長白山區S波速度結構剖面［14］Fig.5 The S wave velocity structural profile of west Tianshan-Changbai Mountain along N42°～44°in north of China［14］

據陳國英等利用中周期和長周期瑞利面波資料分別反演得到中國北部及其鄰區的三維S波速度結構結果［14］（圖5），東天山地殼厚度為43～45 km，吐魯番—哈密的地殼S波速度結構為正梯度地殼波速結構，即由淺到深S波速度整體上表現為越來越大，中、下地殼不存在低速層，與塔里木穩定地區具有類似的地殼結構，顯示地殼穩定區的速度結構特點。

5.2 巖石圈有效彈性厚度

巖石圈有效彈性厚度為與巖石圈板塊中實際應力所產生的彎矩相等的理論彎曲彈性薄板的厚度。它標志著在地質時間尺度內巖石承受壓力超過100 MPa時發生彈性行為和流變行為轉變的深度［15］。利用巖石圈有效彈性厚度概念可以分析巖石圈的力學強度，反映地殼的穩定性特點。即巖石圈有效彈性厚度越大，抵抗地應力作用的能力越強，地殼越穩定，反之，地殼活動性強。

據趙俐紅等對中國西部大陸巖石圈有效彈性厚度的研究成果［16］（圖6），東天山與地殼穩定的塔里木都是巖石圈有效彈性厚度為40～50 km的中等強度塊體，比庫爾勒以西地殼強烈活動的南天山的巖石圈有效彈性厚度大了25～35 km。巖石圈有效彈性厚度大者則不易變形，說明東天山地區地殼穩定。

圖6 工作區及鄰區巖石圈有效彈性厚度圖［16］Fig.6 Effective elastic thickness of the lithosphere of working area and its adjacent area［16］

6 大地熱流與地熱異常

據汪洋等的研究［17］，東天山地區熱流值為45～60 mW·m-2之間。比西天山高熱流區，熱流值60～70 mW·m-2要低得多，但與塔里木盆地低熱流區，熱流值42～56 mW·m-2接近。顯示東天山地區與地殼穩定的塔里木盆地具有類似的熱流特征。

據中國溫泉分布圖［18］，東天山地區不發育溫泉。與塔里木盆地內部、準噶爾盆地內部一并劃歸無水熱活動區。無水熱活動是區域地殼穩定的表現。

7 結論

從以上6個方面的討論中，發現東天山地區具有準平原化老年地貌、發育沖刷剝蝕與堆積作用基本平衡的寬淺沖溝；區內的區域性斷裂晚更新世以來不活動或為前第四紀斷裂；從阿奇山到雅滿蘇的東天山中心地區，幾乎沒有破壞性地震分布，3級以上的歷史地震也僅記錄到1次，為康古爾塔格東部的3.9級地震。區內絕大部分地震烈度＜Ⅵ度，部分為Ⅵ度；區內現代地殼縮短速率小或者接近0，桃樹組（E3N1t）未遭受過擠壓褶皺變形，仍保持水平產狀；晚白堊世以來，該地區的平均隆升速率處在10-2mm·a-1級別，地殼抬升不明顯；重、磁場綜合解釋表明東天山地區不存在新構造運動引起的重力梯度帶，重力基本均衡；東天山地區殼內不發育低速層，巖石圈有效彈性厚度大，屬低熱流區，不發育地熱異常等。據此分析認為東天山區域地殼穩定，就選址安全而言，值得進一步開展高放廢物處置庫選址工作。

致謝：在與本文有關的研究工作中，作者曾得到徐國慶研究員級高級工程師的悉心指導與幫助，他在高放廢物處置庫選址方面提出的許多前瞻性和建設性意見和建議使作者受益良多，在此表示誠摯感謝！

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