摘要
响应于印度-欧亚板块挤压碰撞，天山在晚新生代构造复活再造山，成为亚洲内陆最为活跃的造山带之一，是理解大陆内部活动造山带变形机理的天然实验场，也是构造地貌研究的热点地区之一。伴随天山晚新生代隆升、扩展，一系列逆断裂-背斜带发育在山前，控制着区域构造变形与地貌演化。对于这些山麓构造带变形特征的认识，有助于揭示天山晚新生代的变形过程和应变分配模式，也是理解大陆内部活动造山带变形动力机制的一个重要途径。 天山北麓的乌鲁木齐坳陷发育四排逆断裂-背斜带。这些背斜构造大致呈东西向展布，在东西~250 km、南北~50 km 的范围内大致呈雁列式排列。为揭示这些逆断裂-背斜的构造变形时空特征，本论文选择第Ⅱ排构造带的霍尔果斯断裂与吐谷鲁断裂、第Ⅲ排构造带的独山子背斜、第Ⅳ排构造带的西湖隆起开展了系统的构造地貌研究。论文在详细的野外考察的基础上，对这些构造发育区域的河流地貌序列进行了划分和厘定。进一步借助光释光测年、宇宙成因核素（10Be）深度剖面定年方法，对所划分的地貌面年龄进行了约束。基于无人机地形测绘、差分 GPS 测量获得的高精度地形数据，并结合褶皱模型，论文得到了变形地貌面记录的变形量（断层滑动量、地壳缩短量）。在以上工作的基础上，通过蒙特卡洛模拟，得到了天山北麓霍尔果斯断裂与吐谷鲁断裂、独山子背斜与西湖隆起的变形速率及其空间（沿构造走向）分布特征。论文最终结合前人在天山南、北麓及山间盆地的研究结果以及本论文关于 GPS 速度场的分析结果，较为全面地探讨了天山北麓、天山造山带晚第四纪应变分配与构造变形速率的时空特征，同时也对天山晚新生代构造变形的动力学机制做了一定探讨。 论文取得以下主要认识： （一）天山北麓单一构造的变形特征 （1）霍尔果斯断裂 晚第四纪以来该断裂断错金沟河（穿过断裂中部）与三个泉河（穿过断裂东部）的系列阶地面。基于变形阶地面的相关研究发现，自~13 ka 以来，金沟河与三个泉河处的断层滑动速率分别为 1.0+0.22/-0.15 mm/yr 和 0.69+0.18/-0.11 mm/yr-1.02+0.15/-0.13 mm/yr。由于缺少断裂东端的变形数据，初步认为霍尔果斯断裂晚第四纪滑动速率沿其走向呈均一分布。 （2）吐谷鲁断裂 玛纳斯河、塔西河和呼图壁河依次穿过吐谷鲁断裂的西端、中部、东端，所发育的阶地序列受断层活动影响而发生变形。基于高精度的地形数据，并结合断弯褶皱模型，得到了可靠的断裂变形量。进一步结合阶地年龄，确定自~15 ka 以来，吐谷鲁断裂在玛纳斯河、塔西河、呼图壁河处的滑动速率分别为~0.73 mm/yr、~1.41 mm/yr、~0.82 mm/yr。这表明，吐谷鲁断裂晚第四纪变形速率沿其走向呈现“弓”形特征。 （3）独山子背斜 奎屯河横切独山子背斜中部，发育四期冲积扇和七级阶地。利用铲形断弯褶皱模型与面积守恒模型得到了地貌面的变形量。结合地貌面年龄，确定晚更新世（~112 ka）以来独山子背斜东端、中部、西端的断层滑动速率分别为~1.1 mm/yr、~2.72 mm/yr、~1.28 mm/yr，对应的地壳缩短速率分别为~0.83 mm/yr、~2.23 mm/yr、~0.9 mm/yr。因此认为，晚更新世独山子背斜的变形速率同样呈现“弓”形分布特征。在背斜中部，自~13 ka 以来的断层滑动速率与地壳缩短速率分别为~2.88 mm/yr 和~2.15 mm/yr。相对于~4.8 Ma 以来的地壳缩短速率（~0.44 mm/yr），独山子背斜在晚第四纪的变形可能呈现增速趋势。 （4）西湖隆起 在西湖隆起区自西向东共发育三条南北向河流，每条河流均发育三级堆积阶地。以阶地为变形参考面，基于滑脱褶皱模型与地貌面年龄（10Be深度剖面法的年龄为~173 ka），确定隆起构造高点处（偏隆起东部）的地壳缩短速率为~0.81 mm/yr；隆起中部偏西处地貌面记录（OSL 年龄为~60 ka）的地壳缩短速率为~0.64 mm/yr；隆起东端地貌面（OSL年龄为~22 ka）记录的地壳缩短速率为~0.52 mm/yr；隆起西端地貌面（OSL 年龄为~11 ka）记录的地壳缩短速率为~0.48 mm/yr。这些速率结果表明，西湖隆起的变形速率同样呈现“弓”形分布。 以上数据表明，研究对象的变形速率大多沿其走向呈“弓”形分布特征，即中间大、两端小。唯一的例外是霍尔果斯断裂，这可能缘于缺乏构造端部的变形数据。初步认为，在逆冲挤压的构造背景下，在雁列式展布的构造交叠位置，相邻构造共同吸收应变，由此导致了单一构造的变形速率沿其走向呈现中间高、两端低的特征，构造中部的变形速率更能代表其整体变形程度。 （二）天山北麓构造变形的时空模式 基于对变形地貌面的研究揭示，自晚更新世末以来，第Ⅱ排、第Ⅲ排背斜带单一构造的地壳缩短速率集中在 1-2 mm/yr 之间；第Ⅳ排背斜带稍有减小，为~0.5 mm/yr。而基于前人利用生长地层与磁性地层学的研究结果表明，天山北麓逆断裂相关褶皱晚新生代以来的地壳缩短速率均小于 1 mm/yr，且变形速率在空间上的分布相对均一。以上结果表明，晚第四纪以来，天山北麓南北向的挤压应变主要集中在第Ⅱ、Ⅲ排构造带，且已逐步扩展至第Ⅳ排构造带；对于整个山麓而言，构造变形速率在晚更世末可能呈现加速的趋势。 （三）天山构造变形的时空模式与可能动力学机制 根据前人关于天山南、北麓和山间盆地的构造变形研究结果，天山造山带的活动构造图像是由山内的高角度走滑兼逆冲断裂系与山前低角度的逆冲推覆体构成的岩石圈尺度的花状构造。GPS 速度场与地貌证据得到的断裂走滑速率与地壳缩短速率基本一致，其中在东经83°-87°范围内地貌证据得到的南北向地壳缩短速率为~8-11 mm/yr，这与 GPS 速度场得到的~8-10 mm/yr 的地壳缩短速率基本吻合，这可能表明晚第四纪以来天山的构造活动受控于同一种地球动力源，应变分配现今与长期一致。同时，GPS速度场与地貌证据均得到，晚第四纪以来天山造山带的构造变形速率存在西高东低的特点，而在南北方向则表现为构造变形速率均一分布的特征。其中，山间盆地所吸收的地壳缩短速率占整个天山南北向地壳缩短速率的近三分之一（83°-87°E），并非早期认为的主要集中在山前的逆冲推覆体之上。依据天山造山带构造变形的时空模式、地球物理学等证据，论文认为岩石圈对流剥离和塔里木地块与哈萨克地块（准噶尔地块）的双向俯冲可能是天山晚新生代复活隆升再造山的主要动力来源。
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