自新生代以来，印度板块向北俯冲，造成青藏高原的剧烈隆升^[1]。青藏高原的隆升不仅对自身及周边区域的地貌和自然环境产生影响，也影响着全球气候变化，同时全球气候变化也不断影响着青藏高原的地貌形态^[2-4]。祁连山位于青藏高原东北缘，受青藏高原向北挤压和变形的影响，是中国西北活动构造变形特征最敏感、构造活动和地震运动最剧烈的地区之一^{[5, 6]}。祁连山的抬升形成了众多层状地貌，如夷平面、阶地和洪积扇等^[7-9]。构造活动和气候变化是影响洪积扇发育的主要因素^[10-12]，构造抬升的影响表现在控制河流差异下切的幅度，而气候变化主要通过影响河流流量和泥沙供给量来控制河流下切或堆积^{[13, 14]}。洪积扇对于构造活动或气候变化反应十分灵敏，使其成为研究构造活动和气候变化的重要物质载体^[15-18]。

永昌南山位于河西走廊东段，北麓洪积扇发育，但相关研究缺乏。本文通过卫星影像、野外调查、无人机航测、光释光测年等方法来分析洪积扇形成时间、期次、对应气候变化以及丰乐断裂垂直滑动速率，对于弥补祁连山东北缘区域研究薄弱环节和服务区域发展有着重要意义。

1.   研究区概况

1.1   地质地貌背景

河西走廊位于祁连山构造带与阿拉善地块之间(图 1)，南侧发育祁连山北缘断裂带，北侧山麓发育多条南缘断裂^[1]。河西走廊南缘的多组逆冲断裂及其NNW向构造隆起将河西走廊盆地分割成4个次级盆地，自西向东依次为酒西盆地、酒东盆地、张掖盆地和武威盆地。祁连山北缘山麓地带广泛发育洪积扇，前人已做过许多研究^{[15, 19-23]}。Hu等^[19]利用光释光测年法获得金塔河阶地T2年龄为(34±3)ka；Pan等^[15]利用光释光测年法获得黄羊河阶地T3年龄为(28.1±3.0)ka；Palumbo等^[20]利用¹⁰Be测年法获得榆木山中部阶地T1年龄为(15.5±2.3)ka，洪积扇T2年龄为(35.1±2.3)ka；Hetzel等^[21]利用¹⁰Be测年法获得张掖断裂东段洪积扇年龄为(31±5)ka；杨海波^[22]利用¹⁰Be测年法获得丰乐河阶地T3年龄为(16.33±0.30)ka；李安等^[23]利用¹⁰Be测年法获得玉门断裂东段洪积扇T2年龄为(26.5±2.9)ka。杨海波^[22]统计发现祁连山北缘在(38±7)ka和(15±3)ka普遍发育两期地貌面。

图  1  祁连山东段构造背景与研究区位置

F1.丰乐断裂；F2.武威盆地南缘断裂；F3.皇城-双塔断裂；F4.民乐-大马营断裂；F5.龙首山断裂；F6.合黎山断裂；F7.榆木山断裂；F8.佛洞-红崖子断裂；F9.玉门断裂；F10.阿尔金断裂；F11.海源断裂

Figure  1.  Tectonic setting of eastern Qilian Mountain and location of study area

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前人对位于祁连山北缘的断裂开展了很多研究^[23-31]。闵伟等^[25]和李安等^[23]得到玉门断裂全新世以来的垂直滑动速率为0.25~0.49mm/a。杨海波等^[26]获得佛洞庙-红崖子断裂垂直滑动速率约为1.1mm/a。郑文俊等^[27]和Palumbo等^[20]获得榆木山断裂全新世以来垂直滑动速率0.5~0.8mm/a。艾晟等^[28]获得全新世以来武威盆地南缘断裂垂直滑动速率约为0.44mm/a。雷惊昊等^[29]得出晚更新世以来民乐-大马营断裂滑动速率约为0.91mm/a。统计分析，祁连山北缘断裂带晚更新世以来的运动学速率，在空间分布上展现中间大、两端小的特点^{[18, 30, 31]}。

丰乐断裂是一条位于永昌南山北麓的逆冲断裂，为祁连山北缘断裂带向北部盆地扩展的前锋带。丰乐断裂晚第四纪活动地表行迹西起西大河，向东延伸，经新城子镇、杜家团庄、周家庄、石家园子至西营河，长度约80km(图 2)。永昌南山北麓主要发育3期洪积扇，最新一期为现代洪积扇。丰乐断裂错断永昌南山北麓普遍发育的两期早期洪积扇。Champagnac等^[32]计算得丰乐断裂30ka以来垂直滑动速率约为2.8mm/a。Hu等^[19]认为滑动速率偏大，可能是地貌年龄偏大所致。Hetzel^[33]认为是Champagnac实测断层陡坎高度偏大导致。本文通过卫星影像解译、无人机航测、年代样品测试和断层剖面测量等工作来厘定丰乐断裂晚更新世以来的垂直滑动速率。

图  2  研究区地形与主要断裂分布图

F1.丰乐断裂；F2.武威盆地南缘断裂；F3.皇城-双塔断裂；F4.民乐-大马营断裂

Figure  2.  Regional landscape and main active faults

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1.2   气候背景

前人的研究认为河西走廊西段主要受西风带控制，而河西走廊东段可受亚洲夏季风的影响^[34]。武威盆地属温带大陆性干旱气候，气候干燥，夏季太阳辐射较为强烈，日照时间长，昼夜温差大，降雨集中在每年6—9月，8月最多。武威年平均气温7.7℃，平均气温年较差29.4℃，年平均蒸发量2163.6mm，年平均降水量212.2mm。由于蒸发量远大于降水量，武威盆地的水资源主要来源于祁连山区降水和冰雪融水补给。区域内的主要河流有东大河、西营河、石羊河等河流，其他河流大多源近流短，出山后消失在冲、洪积扇附近。

姚檀栋等^[35]根据古里雅冰心，将末次间冰期以来的气候分为5个阶段，分别是MIS5末次间冰期125~75ka、MIS4早冰盛期75~58ka、MIS3间冰期58~31ka、MIS2末次冰盛期31~16ka、MIS1冰消期约15ka至今，通过与格陵兰冰心和南极冰心对比，认为重大气候事件是全球范围发生，而不同地区气温变化幅度可能不尽相同。郑绵平等^[36]通过对青藏高原湖区研究，认为在约40~30ka青藏高原及以北腾格里沙漠都出现高湖面，存在特强的南亚夏季风。在末次冰盛期气候相对干冷，进入15~13ka，气候波状回升，湿度较高，冰雪融水增加^{[37, 38]}。

2.   材料与方法

2.1   样品采集及测定

在东大河阶地T3和杜家团庄洪积扇T1砾石层与上覆黄土层交界部位采集黄土样品(图 2)。采样前先剥去剖面至少30cm厚度的黄土，然后在20cm×5cm的钢管一端塞上黑色塑料袋并与剖面接触，从另一端用锤将钢管垂直砸入新鲜剖面中，取出钢管时用黑色塑料袋塞紧里端，然后用锡箔纸包裹两端，最后用胶带封紧。

样品光释光分析测试按照前处理、光释光等效剂量(ED)和环境剂量率测试、数据处理4个部分进行，由地壳动力学重点实验室(中国地震局地壳应力研究所)完成。

2.2   DEM获取

利用Phantom 4 Pro四旋翼无人机系统对杜家团庄、周家庄洪积扇和西营河出山口阶地进行数据采集。该无人机系统相机配备1英寸2000万像素影像传感器，保证了影像分辨率高、畸变小以及色彩还原度高的特性。在开始采集影像数据之前，在每个测图区域均匀布设了9~11个地面控制点，之后使用Trimble Geo7X差分GPS进行了实测，浮动测量精度在厘米级。航测在晴朗弱风的天气下进行，以保证飞机的稳定性并更好地保留地物的光学纹理特性^[39]。室内处理步骤：①将航拍影像导入Photoscan软件，剔除模糊、光照不佳的照片，对齐照片；②导入地面控制点坐标，并对照片中自动检测出的控制点标志位置进行校正，再次对齐照片；③生成密集点云；④生成网格；⑤生成DEM和DOM。本文所采集的三个地区DEM数据中，杜家团庄区域9个控制点的平均高程误差为0.61m，DEM分辨率为8.78cm/pix；周家庄区域10个控制点的平均高程误差为0.59m，DEM分辨率为10.4cm/pix；西营河出山口区域9个控制点的平均高程误差为0.32m，DEM分辨率为8.52cm/pix。本文所测数据精度和分辨率完全可以反映真实地貌特征，达到提取复杂地貌信息的要求。

3.   结果

3.1   地貌面分期

永昌南山北麓发育2级西营河阶地和3期洪积扇。阶地从新到老依次为T1—T2，洪积扇面从新到老依次为T0—T2，T0为现代洪积扇。洪积扇总体坡度约为2°~6°，3期洪积扇在山麓地带普遍发育，连续分布。本文基于遥感影像和野外调查，并通过无人机对杜家团庄处洪积扇(图 3)、周家庄洪积扇(图 4)和西营河河口西侧阶地(图 5)进行航空测量，详细展示研究区地貌面分布。

图  3  杜家团庄洪积扇及丰乐断裂

Figure  3.  Alluvial fan in Zhoujia village and Fengle fault

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图  4  周家庄洪积扇及丰乐断裂

Figure  4.  Alluvial fan in Zhoujia village and Fengle fault

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图  5  西营河阶地及丰乐断裂

Figure  5.  Terraces of Xiying River and Fengle fault

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3.2   地貌面年龄

Champagnac等^[32]用¹⁰Be剖面法对西营河河口西侧阶地测年，获得T2年龄为(29.9±7.8)ka，T1年龄为(16.3±4.4)ka。本文在砾石层与上覆黄土层交界部位采集黄土样品，样品沉积年代被认为与阶地或洪积扇废弃的年代相同，并被视为阶地和洪积扇形成的年代。杜家团庄洪积扇T1采样点位于丰乐断裂上盘，保存较好的扇中部位；东大河T3阶地采样点位于丰乐断裂上盘，虽然距离断层稍远但阶地连续且剖面出露较好，可以代表被错断阶地的年代，光释光测试结果如表 1。祁连山北缘部分地貌面测年数据汇总见表 2。根据气候曲线比对结果，认为研究区洪积扇T1和西营河阶地T1为19.3~16.3ka形成的同一期地貌面，洪积扇T2、西营河阶地T2和东大河阶地T3为29.9~27.4ka形成的同一期地貌面。

表  1  杜家团庄洪积扇T1和东大河阶地T3测年数据

Table  1.  Dating results of alluvial fan T1 in Dujiatang village and Dongda River terrace T3

编号	U/(Bq/kg)	Th/(Bq/kg)	Ra/(Bq/kg)	K/(Bq/kg)	环境剂量率/ (Gy/ka)	等效剂量/Gy	年龄/ka
杜家团庄洪积扇T1	52.52±1.71	103.88±3.50	710.16±38.15	35.58±9.46	6.31±0.45	121.75±12.61	19.30±2.45
东大河T3	44.24±1.44	61.37±2.17	552.48±29.80	44.54±10.83	4.53±0.32	124.16±6.62	27.40±2.47

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表  2  祁连山北缘地貌面测年数据

Table  2.  Dating results of alluvial surfaces in the north of Qilian Mountains

样品坐标	采样地层	年龄/ka	测年方法	资料来源
杜家团庄	杜家团庄洪积扇T1	19.30±2.45	OSL	本文
东大河	东大河T3	27.40±2.47	OSL	本文
西营河	西营河T1	16.3±4.4	10Be	[32]
西营河	西营河T2	29.9±7.8	10Be	[32]
西大河	阶地T2	30.79±6.15	TL	[40]
金塔河	阶地T2	34±3	OSL	[24]
古浪河	阶地T2	19.2±1.5	OSL	[15]
黄羊河	阶地T3	28.1±3.0	OSL	[15]
童子坝河	阶地T5	16.70±1.81	14C	[18]
丰乐河	阶地T3	16.33±0.30	10Be	[26]
石油河	阶地T2	29	TL	[41]
石油河	阶地T3	19	TL	[41]
榆木山中部	阶地T1	15.5±2.3	10Be	[31]
榆木山中部	洪积扇T2	35.1±2.3	10Be	[31]
张掖断裂东段	洪积扇	31±5	10Be	[6]
玉门断裂东段	洪积扇T2	26.5±2.9	10Be	[23]

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3.3   断层垂直断距

在杜家团庄断层陡坎处开挖探槽，探槽底部据下盘地貌面3m，探槽剖面中上盘砾石层出露，而下盘砾石层未出露，因此本文所测地貌面陡坎高度代表的是断层最小垂直断距。

在东大河东侧杜家团庄处，断层错断两期洪积扇T1和T2。通过在DEM(图 3B)上提取多条断层陡坎剖面线，并对断层上下盘分别进行线性拟合，测得洪积扇T2上陡坎平均高度(17.62±1.07)m(图 6A)，洪积扇T1上陡坎平均高度(12.46±0.46)m(图 6B)，现今的洪积扇面T0上未发现陡坎。

图  6  杜家团庄洪积扇断层陡坎横剖面图

A.洪积扇T2断层陡坎剖面图；B.洪积扇T1断层陡坎剖面图

Figure  6.  Cross-section of the fault scarp of alluvial fans in Dujiatuan village

A. Fault scarp cross-section of alluvial fan T2; B. Fault scarp cross-section of alluvial fan T1

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在周家庄处，断层错断两期洪积扇T1和T2。在正射影像上将洪积扇划分3期，在洪积扇T1、T2上提取多条断层陡坎横剖面(图 4C)，并对断层上下盘分别进行线性拟合，测得洪积扇面(T2)上断层陡坎平均高度约为(24.20±3.14)m(图 7A)，洪积扇面(T1)上断层陡坎平均高度约为(11.48±1.73)m (图 7B)，现今的洪积扇面T0上未发现陡坎。周家庄洪积扇位于东大河右岸2km处，陡坎上下盘剖面出露扇物质，剖面未见东大河物质。因此本文认为该处陡坎主要是由断裂活动形成，受东大河影响可能性小。

图  7  周家庄洪积扇断层陡坎横剖面图

A.洪积扇T2断层陡坎剖面图；B.洪积扇T1断层陡坎剖面图

Figure  7.  Fault scarp cross-section of alluvial fans in Zhoujia village

A. Fault scarp cross-section of alluvial fan T2; B. Fault scarp cross-section of alluvial fan T1

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在西营河出山口西侧，断层错断两级阶地T1和T2。Champagnac等^[32]测得阶地T2断层陡坎高度为96.4m，阶地T1断层陡坎高度为40.1m。Hetzel^[33]认为Champagnac断层陡坎测量数据偏大。本文利用无人机航测生成3D影像模型(图 5C)，并在1:50000 DEM上提取多条断层陡坎横剖面线。通过对两级错断阶地上下盘分别进行线性拟合，得到阶地T2断层陡坎平均高度(85.89±2.38)m(图 8A)，阶地T1断层陡坎平均高度(37.97±2.38)m(图 8B)。Champagnac^[32]所测阶地T2陡坎高度比本文所测数据高10.51m，测量结果相对较大，阶地T1陡坎高度与本文所测结果基本一致。本文根据本次测量结果进行区域断裂活动性评价。

图  8  西营河河口西侧阶地断层陡坎横剖面图

A.阶地T2断层陡坎剖面图；B.阶地T1断层陡坎剖面图

Figure  8.  Fault scarp cross-section of Xiying terraces

A.Fault scarp cross-section of terrace T2; B.Fault scarp cross-section of terrace T1

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4.   讨论

4.1   永昌南山北麓地貌面下切与气候变化关系

Thompson等^[42]将格陵兰冰心、古里雅冰心和南极冰心所测成分对比，得出所测成分随时间变化曲线(图 9)。在MIS2阶段, 格陵兰冰心¹⁸ O和CH₄、古里雅冰心¹⁸ O、南极冰心CH₄含量均较低，出现全球范围冰期。但29.9~27.4ka为冰阶向间冰阶过渡阶段，格陵兰冰心¹⁸O和CH₄、南极冰心CH₄含量上升，气温变暖。此时期冰雪融水增加，河流流量增大，河流侵蚀下切能力增强，形成东大河阶地T3、西营河阶地T2和永昌南山北麓洪积扇T2。

图  9  永昌南山北麓地貌面形成时段与其他古气候记录对比

A.格陵兰冰芯记录132ka年以来，¹⁸O(蓝)和CH₄(红)含量变化，亮蓝色虚线表示110ka年前受冰盖变形影响的记录，古里雅冰芯记录110ka年以来¹⁸O含量变化；B.古里雅冰芯¹⁸O含量变化与格陵兰冰芯CH₄含量和南极冰芯粉尘(蓝)、甲烷(红)和二氧化碳(黑)含量变化趋势相同；C.表示5d阶段同位素随时间变化连续性

Figure  9.  Comparison of abandoned period of the alluvial fan in the north front of South Yongchang Mountains with other paleoclimatic records

A. The GISP2 δ¹⁸O (blue) and CH₄ records (red) are shown with time for the past 132ka. The record is compromised by ice deformation below 110 ka, as shown by the light blue dotted line. The Guliya δ¹⁸O record over the past 110 ka. B. is matched to the GISP2 CH₄ record over the past 110 ka. The Guliya record is also compared to the Vostok δD (blue), CH₄ (red) and CO₂ (black). C. which display temporal continuity below isotope Stage 5d.

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19.3~16.3ka是末次冰盛期向冰消期过渡阶段，格陵兰冰芯¹⁸ O和CH₄、南极冰芯¹⁸ O和CH₄、古里雅冰芯¹⁸ O含量均上升，此时气候逐渐变暖，冰雪融水增加，河流流量增大，河流侵蚀下切能力增强，下切形成西营河阶地T1和永昌南山北麓洪积扇T1。

本文所测阶地及洪积扇年龄和气候变化事件比对吻合，都形成于冰期向间冰期或冰阶向间冰阶气候过渡阶段，此时期温度升高、冰雪融水增多、河流流量增大，下切侵蚀能力增强，利于阶地和洪积扇的形成发育。本文认为研究区阶地和洪积扇为气候成因。阶地T2和洪积扇T2在29.9~27.4ka冰阶向间冰阶过渡阶段形成，阶地T1和洪积扇T1在19.3~16.3ka末次冰盛期向冰消期过渡阶段形成。

4.2   垂直滑动速率

研究区地貌面T1年龄上限为(19.30±2.45)ka，年龄下限为(16.3±4.4)ka，所测断层陡坎高度为最小垂直断距。杜家团庄洪积扇T1平均陡坎高度为(12.46±0.46)m，算得该处晚更新世以来垂直滑动速率为0.65~0.82mm/a。周家庄洪积扇T1平均陡坎高度为(11.48±1.73)m，计算得该处晚更新世以来的垂直滑动速率为0.60~0.76mm/a。西营河河口西侧阶地T1平均陡坎高度为(37.97±2.38)m，计算得该处晚更新世以来的垂直滑动速率为1.99~2.56mm/a。

5.   结论

(1) 永昌南山北麓在19.3~16.3和29.9~27.4ka发育两期地貌面，主要在冰期向间冰期或冰阶向间冰阶过渡、气候由冷变暖过程中形成。

(2) 晚更新世以来丰乐断裂在杜家团庄处的垂直滑动速率为0.65~0.82mm/a，在周家庄处的垂直滑动速率为0.60~0.76mm/a，在西营河河口处的垂直滑动速率为1.99~2.56mm/a。丰乐断裂在西营河河口的活动性远远大于其在杜家团庄和周家庄的活动性。

(3) 丰乐断裂在西营河河口活动性增大的原因：民乐-大马营断裂在丰乐断裂西端消失，丰乐断裂补偿构造分量。