渭河盆地斷層系統(tǒng)運動學(xué)體制分解與探討

白相東，關(guān)成堯，張 艷，袁四化，劉曉燕

(1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

渭河盆地是新生代形成的盆地，和喜馬拉雅山脈的隆升在秦嶺-鄂爾多斯盆地區(qū)域表現(xiàn)出的遠(yuǎn)程效應(yīng)有關(guān)，一般認(rèn)為是走滑伸展型盆地[1-3]，不同領(lǐng)域的學(xué)者對盆地結(jié)構(gòu)及活動斷層的研究在20世紀(jì)80～90年代形成一次研究高峰，得到了一些重要的認(rèn)識[4-11]，至今研究仍在逐步深入[12-21]。整體來說其動力學(xué)模式的解釋還處于爭議階段。從渭河盆地的整體陷落進(jìn)程中見到最多的信息就是其伸展性的行為的表現(xiàn)，秦嶺北緣斷裂的走滑一般作為盆地形成的重要誘因，而渭河盆地內(nèi)部的走滑問題研究則相對較少。本文意在研究渭河盆地斷層系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將斷層宏觀運動學(xué)信息分解為可以與動力學(xué)模式相聯(lián)系的若干構(gòu)成體制，以期待為建立盆地幾何學(xué)和運動學(xué)之間的聯(lián)系奠定一些運動學(xué)基礎(chǔ)，為區(qū)域控震模式研究提供構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論基礎(chǔ)。

1 渭河盆地斷層系統(tǒng)

前人對渭河盆地斷裂及體系有較多研究[4,8,9,22-24]，這些斷裂的幾何展布關(guān)系表現(xiàn)了新構(gòu)造運動的基本活動格局，是理解新構(gòu)造期或者第四紀(jì)渭河盆地構(gòu)造活動性的重要依據(jù)。渭河盆地斷層系統(tǒng)如圖1所示。

一些學(xué)者依據(jù)地質(zhì)力學(xué)理論討論了渭河盆地斷層系統(tǒng)問題[4,8,9,25]，將渭河盆地斷層系統(tǒng)大致可以分成東西向斷裂系、北東-北東東向斷裂系、北西向斷裂系、北東東向弧形斷裂系、近南北向斷裂系等五個斷裂體系，體現(xiàn)了編圖工作者隱含的用地質(zhì)力學(xué)方法解釋這些斷裂體系以及多套體系產(chǎn)生于多次運動的思想，筆者傾向于沿用這種劃分方法。

圖1 渭河盆地斷層系統(tǒng)(底圖依據(jù)《渭河盆地活動斷裂分布圖》[25]，有改動)Fig.1 The Weihe Basin faults system (modify based on The Map Distribution Map of Weihe Basin Activity Faults[25])

2 主要斷裂運動學(xué)體制分解

不同的斷層體系往往形成時間和活動時間有所不同，根據(jù)渭河盆地斷層相對運動的關(guān)系，盆地斷層活動可以分解為5種相對運動機(jī)制，分別如下文所述。

2.1 東西向左行走滑運動體制

東西向左行走滑運動是和秦嶺左行走滑運動相聯(lián)系的，該走滑體制下，本區(qū)可以形成五個走滑系，從北向南依次有口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F1)、渭河北岸斷裂(F2)、渭河南岸斷裂(F3)、余下-鐵爐子斷裂(F5)、秦嶺北緣斷裂(F6)，由圖2所示。這五個走滑斷層系分別形成左行走滑，該斷裂活動體制下，渭河盆地中西部可以快速發(fā)展。

渭河盆地東西向左行走滑運動，一般認(rèn)為是和秦嶺北緣斷裂左行走滑運動相聯(lián)系的東西向走滑運動。從口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F1)中可以找到明顯的斷層左行滑動體制方面的證據(jù)，由圖2可見，從西向東，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F1)依次錯開了乾縣-富平-禹門口斷裂(F26)、禮泉-雙泉-臨猗斷裂(F25)、中條山西側(cè)斷裂(孟源-永濟(jì)斷裂)(F11)。錯開位置分別如A、B、C三點所示，其對應(yīng)的斷層走滑錯斷量依次減小，說明左行走滑量從西向東依次減小，走滑的驅(qū)動力來源于盆地西部，米豐收研究結(jié)果也顯示從口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F1)沿線階地位錯黃土陡坎、地層沉積、小震分布及地裂縫發(fā)育等情況，該斷裂具有明顯的西強(qiáng)東弱的分段性活動特征[26-28]。在渭河北岸斷裂(F2)也可以發(fā)生左行走滑，但從圖2中沒能體現(xiàn)明顯的證據(jù)，渭河北岸斷裂(F2)是一個很重要的斷裂，物探研究結(jié)果[29]顯示渭河北岸斷裂(F2)是一個基底分界斷裂[30]，同時也是盆地蓋層結(jié)構(gòu)的分區(qū)界線[30,5]，而且還控制著渭河盆地初期的成和發(fā)展[30]，沒找到證據(jù)可能是因為盆地內(nèi)隱伏斷層走滑量不好發(fā)現(xiàn)所致。渭河南岸斷裂(F3)和韓城-臨潼-長安斷裂帶(F9)交匯部位可見渭河南岸斷裂(F3)被左行走滑錯斷的證據(jù)，如圖2中的D點所示。余下-鐵爐子斷裂(F5)是和秦嶺北緣斷裂(F6)相互平行的主要埋藏在渭河盆地中的斷裂，理論上在左行體制下也可以發(fā)生走滑錯動，但圖2無法提供有效的證據(jù)。秦嶺北緣斷裂(F6)的左行走滑是學(xué)術(shù)界普遍的觀點[1-9]，圖1中秦嶺北緣斷裂(F6)的E和F兩個參考點錯開較大距離，但目前還無法準(zhǔn)確確定E和F兩個錯開點是否同屬于F18，這里不再贅述。

圖2 與秦嶺左行走滑運動相聯(lián)系的東西向走滑運動體制Fig.2 The WE strike-slip system associated with the left strike-slip movement of Qinling Mountain

圖3 與鄂爾多斯盆地的整體變形有關(guān)的北西-南東走滑系Fig.3 The NW-SE strike-slip system associated with the overall deformation of Ordos Basin

2.2 北西-南東走滑系運動體制

以往的研究中較少討論北西-南東走滑系，在以往的地質(zhì)圖中，如圖3中的西部3條北西-南東向右行走滑斷層系(F20、F21、F23)經(jīng)常出現(xiàn)，也較容易理解，寶雞一帶的向北擠壓必然導(dǎo)致此地區(qū)向北移動，可以產(chǎn)生(F20、F21、F23)右行走滑。

渭河盆地中東部存在3條明顯的北西-南東向右行走滑斷層系(F12、F13、F14)。賈曲-華陰東斷裂(F12)在G點明顯錯斷了乾縣-富平-禹門口斷裂(F26)，向南則缺乏明顯錯斷的證據(jù)，推測滑移動力來自于盆地以北方向。涇河-驪山斷裂(F14)在H點錯斷了乾縣-富平-禹門口斷裂(F26)，在I點錯斷了禮泉-雙泉-臨猗斷裂(F25)，錯斷量比較結(jié)果顯示北側(cè)的H點錯斷量明顯大于稍南一點的I點，可以推測滑移動力也來自于盆地以北方向。東部的右行走滑斷層系(F12、F13、F14)和西部的右行走滑斷層系(F20、F21、F23)組合在一起，形成6條階梯狀的右行走滑系。隴縣-馬召斷裂(F20)的K點錯斷量大于L點，說明隴縣-馬召斷裂(F20)東側(cè)的盆地發(fā)生過明顯的N-S向伸展，在M點錯斷量減小，說明M點以西的渭河南岸斷裂(F3)的鄰區(qū)也發(fā)生了明顯的N-S向伸展，并導(dǎo)致固關(guān)-陽平鎮(zhèn)斷裂(F21)的O點錯斷量和北部的N點相當(dāng)。金陵河斷裂(F23)在北部P點有明顯的右行錯斷，向南則錯斷不明顯，說明這一部分導(dǎo)致走滑錯斷的力量主要來自盆地北部。

東部的右行走滑斷層系(F12、F13、F14)和西部的右行走滑斷層系(F20、F21、F23)，整體來看東北側(cè)為主要動力來源區(qū)，導(dǎo)致盆地整體發(fā)生階梯狀右行走滑，這可能和鄂爾多斯的整體變形有關(guān)，也可能和盆地扭動有關(guān)。

2.3 口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂右行走滑體制

在圖4中，在口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F1)與涇河-驪山斷裂(F14)交匯點U處，涇河-驪山斷裂(F14)明顯被口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F1)走滑錯斷，發(fā)生了右行走滑，沿口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(F1)繼續(xù)東行則沒有明顯的右行走滑的證據(jù)，說明該體制下右行走滑的動力來源于盆地西部，推測和六盤山一帶從盆地西面向東擠壓鄂爾多斯地塊而發(fā)生次生右行走滑有關(guān)。這種走滑體制也可以同時導(dǎo)致圖4中禮泉-雙泉-臨猗斷裂(F25)的右行走滑運動。

圖4 與六盤山擠壓有關(guān)的口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂右行走滑體制Fig.4 The right strike-slip system of Kouzhen-guanshan fault associated with the the extrusion of Liupanshan

白相東等[31]的研究顯示，臨近口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂附近的上盤地層存在3組伸展方向，分別是(1)盆地NNW向南北伸展，代表口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂有輕微右行的南北伸展；(2)盆地NWW向伸展，代表口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂有劇烈的左行走滑活動并伴生伸展；(3)盆地近SW向伸展，代表口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂左行走滑微弱，盆地主要以南北伸展為主。從動力學(xué)的角度來理解，鄂爾多斯地塊的逆時針旋轉(zhuǎn)可以導(dǎo)致口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂的右行走滑，需要關(guān)注兩者之間的聯(lián)系。

2.4 東秦嶺南北擠壓運動體制

圖5 東秦嶺的南北擠壓運動體制Fig.5 The NS extrusion movement system in the Eastern Qinling Mountains

來源于川東北的擠壓力向東秦嶺傳遞，這種擠壓作用可以在韓城-臨潼-長安斷裂帶(F7、F8、F9)東西兩側(cè)產(chǎn)生收縮量的差異，導(dǎo)致韓城-臨潼-長安斷裂帶(F7、F8、F9)發(fā)生左行走滑，如圖5所示。圖5中韓城-臨潼-長安斷裂帶(F7、F8、F9)中的F9斷裂在南部依次分別在Q點切錯余下-鐵爐子斷裂(F5)，在R點切錯秦嶺北緣斷裂(F6)，且Q點錯斷量明顯大于R點，說明本區(qū)運動驅(qū)動力來自于渭河盆地南部，也就是來自于東秦嶺造山帶。F7斷裂、F8斷裂在S點和T點也分別有一定的左行走滑切錯量，向北則變形漸弱。從理論上講F9斷裂的左行走滑還可以在渭河南岸斷裂(F3)渭南段發(fā)生左行走滑，不排除這種渭河南岸斷裂(F3)渭南段左行走滑有該運動體制的貢獻(xiàn)。F9斷裂Q點錯斷量達(dá)到6km(包括了秦嶺北緣斷裂發(fā)生的拖曳性彎曲)，R點錯斷量達(dá)到3km左右，這兩個數(shù)字都顯示該運動體制所占盆地發(fā)展的時間比重必將不會很小，也或者該體制發(fā)生時即使時間不算長但擠壓能量很大。這種體制作用積累的結(jié)果是東秦嶺隆升量的有效積累，從區(qū)域山地海拔高度來看，東秦嶺的海拔高度明顯高于中秦嶺，大概就是東秦嶺的南北擠壓運動所占的時間比很大或者擠壓能量較強(qiáng)的緣故。劉護(hù)軍[32]研究認(rèn)為：1.2Ma.B.P至今，東秦嶺平均的隆升速率為0.375mm/a，這個劇烈隆升階段或者是東秦嶺的南北擠壓運動體制作用的結(jié)果。

2.5 中秦嶺動力楔擠壓體制

圖6 中秦嶺動力楔擠壓模式Fig.6 The dynamic wedge extrusion model of Mid-Qinling Dynamic Wedge

白相東等[13]依據(jù)渭河盆地內(nèi)斷裂體系及GPS運動矢量數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為在渭河盆地中西部毗鄰的中秦嶺地區(qū)，從西南方向的四川地塊向中“秦嶺動力楔”傳遞而來的擠壓應(yīng)力峰點形成應(yīng)力主軸，應(yīng)力主軸兩側(cè)楔形地塊普遍存在側(cè)向擠出逃逸。白相東等[13]認(rèn)為鄂爾多斯南緣現(xiàn)今地塊相對運動規(guī)律符合“三頭碰撞”模式，由四川地塊在四川北部形成的擠壓力可以通過“中秦嶺動力楔”[13]將擠壓力傳入到渭河盆地?！爸星貛X動力楔”擠壓應(yīng)力形成應(yīng)力主軸(實際為應(yīng)變數(shù)據(jù)推測的應(yīng)力主軸)如圖6紫色虛線箭頭所示，本文中鋒點主軸位置相對于白相東等[13]的研究略有東移。斷層F15(灞河斷裂)到斷層F19(灃河斷裂)之間圍限的區(qū)域被切割為幾個小型斷塊，斷塊南北被渭河南岸斷裂(F3)和韓城-臨潼-長安斷裂帶(F7、F8、F9)所圍限，形成若干大小不等的“豆腐塊”，這些“豆腐塊”在“中秦嶺動力楔”擠壓力作用下可以發(fā)生右行走滑。

圖6中灃河斷裂(F19)從南向北分別在V點錯斷了韓城-臨潼-長安斷裂帶中的F7斷裂，在W點錯斷了余下-鐵爐子斷裂(F5)，顯示了灃河斷裂(F19)明顯的右行走滑歷史，這種右行走滑轉(zhuǎn)換為地塊(“豆腐塊”)的扭動，可以進(jìn)一步將右行走滑傳遞到皂河斷裂(F18)，皂河斷裂(F18)在X點錯斷了F7，也可能在Y點錯斷了浐河斷裂(F16)，和在Z點錯斷了浐-灞河斷裂(F17)，形成一套小型的右行走滑斷層系。

在圖6中，灃河斷裂(F19)的右行走滑逐漸向右傳遞可以導(dǎo)致浐-灞河斷裂(F17)右行走滑，F(xiàn)17在@點錯斷F3，并且，@點錯斷量明顯大于Z點，說明地塊在這里運動受阻，或者浐-灞河斷裂(F17)的運動阻力相對小。“中秦嶺動力楔”的擠壓作用以及次生的變形還可以導(dǎo)致西安地塊等“豆腐塊”在渭河南岸斷裂(F3)處發(fā)生左行走滑，渭河南岸斷裂(F3)在臨潼縣城附近的#點明顯發(fā)生左行走滑，錯斷了F9，這說明在“中秦嶺動力楔”機(jī)制作用的早期曾經(jīng)導(dǎo)致較大尺度渭河南岸斷裂(F3)的左行走滑，傳遞到“#點”仍然走滑量較大?！爸星貛X動力楔”的作用是渭河南岸斷裂(F3)“#點”發(fā)生左行走滑的有利模式，前文中的東秦嶺的南北擠壓運動若發(fā)揮作用，產(chǎn)生的結(jié)果應(yīng)該是渭河南岸斷裂(F3)“#點”發(fā)生右行走滑，而非左行。

“中秦嶺動力楔”擠壓模式和白相東等[13]提出的鄂爾多斯地塊、四川地塊、豫西斷隆(地塊)發(fā)生“三頭碰撞”模式是一致的，在“三頭碰撞”模式下“中秦嶺動力楔”代表四川地塊擠壓而來的能量，“三頭碰撞”模式是基于目前GPS矢量得出的，可以認(rèn)為是渭河盆地目前正在執(zhí)行的運動體制。

3 動力學(xué)討論

3.1 “輪流值班”論點的提出

前文提到的五種運動學(xué)體制或運動學(xué)模式產(chǎn)生的結(jié)果必將各自不同，但其結(jié)果無疑是從以上討論的證據(jù)中是共存的。證據(jù)的共存性只是構(gòu)造形跡的遺留，每種運動學(xué)機(jī)制產(chǎn)生的積累性活動量會部分地保留成為構(gòu)造形跡，本文的核心構(gòu)造形跡為斷層走滑導(dǎo)致的錯斷量。五種運動體制可能存在不同的地質(zhì)歷史時期，并且每種運動學(xué)機(jī)制相關(guān)聯(lián)的傾向性動力學(xué)解釋模式也會不同，無論是某種運動學(xué)體制或者某種動力學(xué)解釋模式，這些機(jī)制或者模式之間的關(guān)系就可能不是“零和博弈(互斥關(guān)系，最多只有一個正確)”，而完全可能是這些動力學(xué)模式都有正確性，歷史上都曾發(fā)生過。既然多種動力學(xué)模式在歷史上都發(fā)生過，多種運動學(xué)體制也都事實地存在過(本文的核心目的就是證明這五種體制都存在過)，筆者傾向于提出多體制和多動力學(xué)模式“輪流值班”論點，此思想是本文提出的五種運動學(xué)體制在地質(zhì)歷史時期曾經(jīng)以一定的次序或隨機(jī)無序地交替出現(xiàn)過，甚至不能排除重復(fù)出現(xiàn)的可能，對應(yīng)的合理的動力學(xué)模式也曾經(jīng)以一定的次序或隨機(jī)無序地交替出現(xiàn)過，甚至也不能排除重復(fù)出現(xiàn)的可能。因此，所謂“輪流值班”論點，就是多種運動學(xué)體制交替輪換，多種動力學(xué)模式交替輪換，或者強(qiáng)弱位置發(fā)生轉(zhuǎn)換，以協(xié)調(diào)諸多的機(jī)制和動力學(xué)模式，運動中各個模式“此起彼伏”。本文在觀念上主要不是判斷究竟哪個模式正確，而是什么時期哪個模式發(fā)揮了主體作用。不同運動學(xué)體制和動力學(xué)模式作用階段，其構(gòu)造應(yīng)力場的格局也是不同的，渭河盆地也是如此?！拜喠髦蛋唷闭擖c并不是全新的觀念，只是一種思想傾向。

3.2 時間主體觀點與孰強(qiáng)孰弱傾向

從以上五種運動學(xué)體制的相關(guān)構(gòu)造形跡證據(jù)來看，這些走滑錯動量既有和動力方向來源相關(guān)性，也有整體錯動量遺跡的大小比較，這些比較不是絕對的，如口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂發(fā)生過右行滑動，那么，左行的證據(jù)就由于存在右行“倒車”而小于實際的左行總量。能在本文圖中保留錯動量的運動都不會很小。

從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來看，本區(qū)構(gòu)造形跡的積累滑移量最大的是東西向左行走滑運動體制、北西-南東走滑運動體制、東秦嶺的南北擠壓運動體制這三種體制。口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂右行走滑體制和中秦嶺動力楔擠壓運動體制積累滑移量相對不大，且影響比較局部。東西向左行走滑運動體制、北西-南東走滑運動體制影響盆地全局，是兩個作用時間可能更長的體制，東西向左行走滑運動體制是渭河盆地成盆的主體，北西-南東走滑系運動體制需要引起重視，需要系統(tǒng)地展開研究。中秦嶺動力楔擠壓運動體制雖然在歷史上占時間份額不一定很大，但它是代表現(xiàn)今的模式，對現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場和地震發(fā)震是控制性模式，具有現(xiàn)今時效的控制性意義，其他三個積累滑移量較大的模式也具有強(qiáng)烈的積累性意義，其時間效應(yīng)可能更加明顯。

這五種運動學(xué)體制的強(qiáng)弱有別，第一種是東西向左行走滑運動模式是導(dǎo)致渭河盆地發(fā)展的主體模式，其它模式大多導(dǎo)致盆地整體縮小，但可能導(dǎo)致盆地局部的少量發(fā)展。

4 結(jié)論

根據(jù)渭河盆地斷裂系統(tǒng)走滑切錯關(guān)系，將渭河盆地斷裂系統(tǒng)分解為五種斷裂運動學(xué)體制，對應(yīng)多種和鄰區(qū)有相互作用關(guān)系的區(qū)域動力學(xué)模式。詳述五種運動體制，認(rèn)為：

(1)東西向左行走滑運動體制是導(dǎo)致渭河盆地擴(kuò)展的重要模式，北西-南東走滑體制可能和鄂爾多斯盆地的擠壓蠕散有關(guān)，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂右行走滑體制可能代表了六盤山造山導(dǎo)致的鄂爾多斯地塊相對東移甚至旋轉(zhuǎn)，東秦嶺的南北擠壓運動體制導(dǎo)致秦嶺北緣斷裂的強(qiáng)烈彎折，并維持了華山、崤山的相對隆升狀態(tài)，中秦嶺動力楔擠壓體制和目前的GPS數(shù)據(jù)反映的規(guī)律一致，代表了目前的渭河盆地擠壓匯聚狀態(tài)。

(2)多種運動學(xué)機(jī)制和動力學(xué)模式可以“輪流值班”、“此起彼伏”。