地质力学学报  2021, Vol. 27 Issue (2): 159-177
引用本文
张逸鹏, 郑文俊, 袁道阳, 王伟涛, 张培震. 西秦岭晚新生代构造变形的几何图像、运动学特征及其动力机制[J]. 地质力学学报, 2021, 27(2): 159-177.
ZHANG Yipeng, ZHENG Wenjun, YUAN Daoyang, WANG Weitao, ZHANG Peizhen. Geometrical imagery and kinematic dissipation of the late Cenozoic active faults in the West Qinling Belt: Implications for the growth of the Tibetan Plateau[J]. Journal of Geomechanics, 2021, 27(2): 159-177.
西秦岭晚新生代构造变形的几何图像、运动学特征及其动力机制
张逸鹏1,2, 郑文俊1,2, 袁道阳3, 王伟涛1,2, 张培震1,2    
1. 中山大学地球科学与工程学院, 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室, 广东 珠海 519082;
2. 南方海洋科学与工程广东省实验室 (珠海), 广东 珠海 519082;
3. 兰州大学地质科学与矿产资源学院, 甘肃 兰州 730000
摘要:西秦岭位于东西向展布的秦岭-大别-苏鲁中央造山带与南北向展布的贺兰山-龙门山-川滇地震带构成的巨型"十字"构造区的交汇点,是中国大陆中部"西秦岭-松潘构造结"的重要组成部分。西秦岭晚新生代的构造变形与青藏高原的侧向扩展过程密切相关。该区构造变形的几何图像、运动特征及其深部动力学机制对于揭示青藏高原东北部的动力过程及强震活动具有重要意义。西秦岭地区主要断裂晚新生代以来的滑动速率及跨断裂GPS应变速率的结果表明,这一时期西秦岭构造带发生了明显的构造活动方式转换,主要的构造变形过程是通过其内部一系列低滑动速率的断裂活动以及断裂之间隆起山脉与盆地的变形,共同承担着自东昆仑断裂向西秦岭断裂之间的转换平衡。在调节这种构造转换过程中,西秦岭地区以"连续变形"为特征,即区域内的应变是以多条相对低滑动速率断裂的弥散变形遍布全区,并且西秦岭及其周缘块体的旋转作用也吸收了部分变形分量。综合已查明的区域构造活动特征、新生代岩浆活动、地球物理资料以及现今地貌特征可知,西秦岭在特提斯构造域的影响下,岩石圈的结构存在明显的流变学分层,一方面,西秦岭的上地壳保留了主造山期的地质构造形态,但中—下地壳的弱化使得莫霍面之上的圈层解耦,深部可流动的岩石圈地幔不但改变了陆内造山带的结构,同时也控制了现今上地壳连续变形的发育;另一方面,西秦岭内部的中强震主要发生在高速(或高阻)与低速(或低阻)的构造边界带附近。这种独特的流变学结构导致西秦岭在青藏高原向北生长和侧向扩展的过程中,不同阶段的构造变形过程是截然不同的。因此,进一步深入研究西秦岭地区的晚新生代构造转换过程及其机制,不仅对于理解青藏高原东北部的动力过程具有重要意义,更有助于深入认识南北地震构造带中段未来的强震危险性。
关键词青藏高原东北缘    西秦岭    陆内造山带    陆内变形    活动断裂    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.02.017     文章编号:1006-6616(2021)02-0159-19
Geometrical imagery and kinematic dissipation of the late Cenozoic active faults in the West Qinling Belt: Implications for the growth of the Tibetan Plateau
ZHANG Yipeng1,2, ZHENG Wenjun1,2, YUAN Daoyang3, WANG Weitao1,2, ZHANG Peizhen1,2    
1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-Sen University, Zhuhai 519082, Guangdong, China;
2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai), Zhuhai 519082, Guangdong, China;
3. School of Earth Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu, China
Abstract: The West Qinling Belt (WQB) situated in the central China continent, is an enormous structure on the crustal scale, which is not controlled only by the Tethyan tectonic domain but is more complex, involving additional tectonic domains. The composite WQB as the coordinate system, which underwent five major episodes of accretion and collision between discrete continental blocks, has distinct geological and geophysical structure, geomorphology and environment, characterized by complex structures, complex forming processes and mixed materials. Moderate-strong earthquakes occurred frequently in the WQB in recent years, attesting its tectonic activity. Numerous results from the studies related to active fault geological and geodesic observations gave us new insights into present-day crustal deformation characteristics and its dynamic mechanism and helped us in exploring the control effect of active tectonic system on significant earthquake events in the WQB. Two groups of faults striking in different direction (NWW-trending and NEE-trending) within the WQB have played significant roles in the tectonic deformation and the transference slip along the east end of the east Kunlun fault since the Quaternary. Recent results suggest that the < 2 mm/a slip rate at the tip of the east Kunlun fault is absorbed by low slip rate faults, crustal shortening, basin formation, mountain uplift and block rotation in the WQB. Whereas deformation in the shallow brittle crust does not occur on a major fault, deformation of a continuous medium at depth best describes the present-day tectonics of the WQB. Regionally, mantle magmatism, geophysical and geological data show that the actively deforming WQB crust is dominated by main mountain building contraction shortening strain in the upper crust, decoupled plastic deformation in the lower crust and extrusion of the mantle lithosphere below to the high-strain domains in the crust above, and such a transition zone (high and low velocity/resistivity anomalies) is relatively easy to accumulate stress, leading to occurrence of major earthquake in this area.
Key words: northeastern margin of the Tibetan Plateau    West Qinling Belt    intra-continental orogen    intra-continental deformation    active fault    
0 引言

横贯中国大陆呈东西向展布的中央造山带(秦岭-大别-苏鲁造山带)与南北向展布的南北地震带(贺兰山-龙门山-川滇构造带)在西秦岭形成交汇的巨型“十字”构造区(张培震等, 2013; 董云鹏等, 2019)。西秦岭在印支期就奠定了造山带内部的地质单元基本配置与构造格架;中—新生代以来,受特提斯构造域、古亚洲构造域和太平洋构造域等三大构造动力学体系共同作用,成为华北地块、华南地块和青藏高原交汇、衔接和转换部位,由于区内岩石单元成分复杂,构造变形样式繁多,叠加有不同时代的造山事件,因此又被称为“西秦岭构造结”(张国伟等, 2004)。此外,现今的西秦岭还是中国大陆东部与西部地壳结构、地壳厚度和地球物理场发生变化的梯度带和地貌过渡带(张国伟, 2015),其内部新生代以来的构造变形和地球动力学作用引起了国内外地学界的广泛关注。

在地貌上,西秦岭其从西向东“渐变”的地貌与青藏高原东缘(川西地区)平顶陡坡的“突变”地貌状态完全不同。因此,Clark and Royden (2000)提出的管道流(Channel Flow)模型认为,由于西秦岭的地壳物质相对较为软弱,主要以塑性流变为主,中—下地壳物质沿着秦岭向东流动,并未受到刚性块体的阻挡,因而沿秦岭造山带走向的地形高差并不明显,呈现出模糊的“渐变式”地貌;而在龙门山地区,由于受四川盆地刚性基底的阻挡,使得中—下地壳囤积,导致龙门山地区的地壳急剧增厚,形成了地貌高差明显且高原边界清晰的“突变式”地貌。然而这种地貌上的反差与地表构造活动的关系及其动力学机制,值得进一步深入研究。

西秦岭造山带北部以西秦岭断裂(WQLF)为界、南部被东昆仑断裂(EKLF)所分割,内部叠加有不同时代、不同走向和不同运动性质的地质构造,现今地壳变形十分活跃,强震频发。历史上曾发生过1654年天水南和1879年武都南两次8级大地震(侯康明等, 2005)。2013年7月22日MS6.6级岷县-漳县破坏性地震发生于西秦岭核部地区,更证明了整个西秦岭内部断裂的构造活动性十分显著(郑文俊等, 2013)。晚新生代以来,西秦岭内部主要存在两种走向不同但活动性质相近的活动断裂:①北西向展布的逆冲兼左旋性质的断裂,临潭-宕昌断裂(LTF)、光盖山-迭山断裂(GDF)和白龙江逆冲断裂(BLJF);②近东西向展布的逆冲兼左旋性质的断裂,两当-江洛断裂(LJF)和成县断裂(CXF)。局部还存在左旋走滑兼有少量正断分量的礼县-罗家堡断裂(LLF)。这些断裂构成整体向南突出的弧形构造带。从这种活动断裂的几何学和运动性质来看,西秦岭整体的变形被内部弥散的断裂所分解和吸收,并且导致了高原过渡带内部的强震活动(Zheng et al., 2016);然而,根据青藏高原东北缘的地表GPS的观测结果表明,东昆仑断裂的变形并没有沿着秦岭向东传递,也没有被西秦岭内部的断裂活动完全吸收,而是向北主要被海原断裂及其北侧高原前陆内散布的张性断裂或块体的旋转所完全吸收(Duvall and Clark, 2010)。

从区域构造活动断裂的几何学和运动性质来看,由于青藏高原持续向北东方向扩展,西秦岭内部的活动断裂起到了传递和平衡西秦岭断裂和东昆仑断裂二者之间的运动转换作用(袁道阳等, 2004),其内部先存断裂的活化是区域构造变形的主要原因。然而,西秦岭内部不同走向活动断裂间的构造转换关系是什么?应变是怎样在不同断裂间传递、分配和释放的?什么样的深部动力过程驱动着构造变形和中强震发生?近年来,西秦岭及邻区开展了大量的晚新生代以来的构造活动研究,积累了诸多定量数据,非常有必要加以总结和归纳。文章从西秦岭内部的活动断裂几何学和断裂的运动学性质入手,在总结和分析区域内不同构造部位断裂的运动特征的基础上,结合该区新生代晚期的构造变形的年代框架、变形模式和演化过程等研究成果,进而深入探讨了西秦岭晚新生代以来的构造活动特征及其与青藏高原向北扩展的动力过程。

1 西秦岭内部主要断裂的活动特征

断裂的滑动速率是活动构造定量研究的最重要参数之一,尤其是全新世以来的滑动速率,不仅可以直接应用于活动构造的地震危险性预测和工程场地的地震安全性评价,同时也为区域动力学的研究提供重要信息(张培震等, 2008; 吴中海, 2019)。国内外学者在西秦岭及其周缘进行了大量的研究工作,尤其是在断裂滑动速率的研究方面取得了十分重要的成果。随着活动构造近年来在理论上的发展,提出了构造转换、应力分配等概念,来解释区域断裂之间变形强弱、变形样式差异等构造之间的转换关系(袁道阳等, 2004; 张岳桥等, 2005; Kirby et al., 2007; Duvall and Clark, 2010; Li et al., 2011, 2018; 张培震等, 2013; Zheng et al., 2016)。西秦岭全新世以来活动构造的变形,受先存区域北西向和北东向两组构造的制约和影响,共同控制着该区的晚新生代构造变形(图 1a)。区域内主要活动断裂的特征简述如下。

HYF—海原断裂;WQLF—西秦岭断裂;EKLF—东昆仑断裂;LTF—临潭-宕昌断裂;GDF—光盖山-迭山断裂;BLJF—白龙江断裂;LLF—礼县-罗家堡断裂;LJF—两当-江洛断裂;CXF—成县断裂;WKLF—文县-康县-略阳断裂;MJF—岷江断裂;HyF—虎牙断裂;QCF—青川断裂;LMSF—龙门山断裂
a—青藏高原东北缘主要断裂分布图;b—西秦岭及其周缘主要构造格架与强震活动特征(据Zheng et al., 2016修改)
图 1 青藏高原东北缘及西秦岭主要构造格架与强震活动分布图 Fig. 1 Distribution of major faults and strong earthquakes in the northeastern margin of the Tibetan Plateau and the West Qinling Belt. (a) Distribution of major faults and strong earthquakes in the northeastern margin of the Tibetan Plateau. (b) Late Quaternary active tectonics and strong earthquakes in the West Qinling Belt. (modified after Zheng et al., 2016)HYF—Haiyuan fault; WQLF—West Qinling fault; EKLF—East Kunlun fault; LTF—Lintan-Tanchang fault; GDF—Guanggaishan-Dieshan fault; BLJF—Bailongjiang fault; LLF—Lixian-luojiapu fault; LJF—Liangdang-Jiangluo fault; CXF—Chengxian fault; WKLF—Wenxian-Kangxian-Lueyang fault; MJF—Minjiang fault, HyF—Huya fault; QCF—Qingchuan fault; LMSF—Longmenshan fault. The fault names in the later drawings are consistent with these in Fig. 1
1.1 西秦岭断裂

西秦岭断裂(WQLF)是西秦岭北侧的边界断裂(图 1b),西起临夏南部,东至宝鸡,与商丹缝合带相连(张国伟, 2015; 董云鹏等, 2019)。断裂整体呈北西西—南东东向展布,断裂整体较为平直,其内部仍然保留有古生代—中生代早期有关岛弧火山岩、弧前加积楔与俯冲-碰撞杂岩等物质,以构造混杂残留的状态夹持在断裂带的内部(裴先治等, 2007)。总体而言,西秦岭断裂是一条在先期板块俯冲-碰撞缝合带的基础上,后又叠加中—新生代陆内构造变形,并以断裂为骨架的复合构造带,具有长期复杂而特殊的形成演化过程(张国伟等, 2015)。现今西秦岭断裂南、北两侧的地貌存在巨大差异(图 1b),断裂南侧主要以高海拔、地形陡峭的中高山区为主,其内部河谷深切(如黄河、洮河、岷江、白龙江等),是秦岭向西的延伸部分,整体地势西高东低;北侧主要为陇中盆地,主要包括西宁-兰州盆地、临夏盆地、循化盆地、天水盆地、寺口子盆地等次级盆地,平均海拔约1800 m。同时整个陇中盆地位于黄土高原的东缘,因此,在这些中—新生代盆地之上又覆盖了厚度不等的黄土,主要呈现出侵蚀堆积的黄土丘陵地貌,相对高差不超过200 m(李传友, 2005)。

新生代以来,西秦岭断裂最显著的变形特点是其运动性质由逆冲断裂转变为左旋走滑断裂(Fang et al., 2003; Clark et al., 2010; Wang et al., 2012b)。始新世时期(约50~45 Ma),西秦岭断裂开始被活化,临近断裂上盘的夏河地区(Clark et al., 2010),以及造山带腹陆地区快速抬升(Zhang et al., 2020),遭受剥蚀。强烈的逆冲作用导致了西秦岭断裂南北两侧存在显著的地貌高差,同时在断裂下盘形成了前陆盆地(如临夏盆地和循化盆地;Fang et al., 2003)。中中新世时期(~15 Ma),西秦岭断裂的活动性质发生改变,沿断裂带内部形成的拉分盆地(武山盆地)表明这一时期断裂主要以左旋走滑为主。第四纪以来,先存的西秦岭断裂在新构造活动背景下再次复活,并且对先存断裂存在一定的改造。与宽阔的先存断裂带相比,新生的断裂带较窄,但在新生断裂带内部仍然可见与先存断裂相伴生的强烈揉皱、挤压透镜体以及片理化的断层泥。现今的西秦岭断裂主要由规模不等的次级断裂呈左行雁列组合而成(图 1b)。晚第四纪时期,强烈的左旋走滑活动错断了一系列冲沟和山脊,最新形成的破裂面保存较好,发育近水平擦痕,累计的走滑距离可达18 km,晚更新世—全新世的左旋走滑速率约为2.5~3.0 mm/a,倾滑速率约为0.29 mm/a(李传友, 2005; Zheng et al., 2016; Chen and Lin, 2019图 2)。

图 2 西秦岭活动断裂展布图(断裂代号同图 1;滑动速率资料来源于Kirby et al., 2007; Li et al., 2011, 2020; Zheng et al., 2016; Chen and Lin, 2019; Zhang et al., 2021) Fig. 2 Geometry and kinematics of the active faults in the West Qinling Syntaxis. The numbers along the fault show the slip rates based on geological observations. Data from Kirby et al., 2007; Li et al., 2011, 2020; Zheng et al., 2016; Chen and Lin, 2019; Zhang et al., 2021.
1.2 临潭-宕昌断裂

临潭-宕昌断裂(LTF)自临潭西部向南东,经过宕昌、岷县至成县北部石峡镇地区。断裂整体呈北西—南东向展布,倾向北东,区内总长约300 km(图 2)。中生代早期,断裂北侧的古生代浊流沉积序列向西南逆冲至断裂南侧的三叠纪复理石建造;中生代晚期,断裂构造性质反转,主要以伸展作用为主,控制了一系列白垩纪陆源沉积序列(如宕昌盆地;Horton et al., 2004; 张逸鹏, 2020)。临潭-宕昌断裂是现今西秦岭内部较为活动的断裂,2013年MS6.6级的岷县-漳县地震就发生在断裂中部(图 1b);同时也是造山带核部构造转换和变形传递中的重要断裂(图 2)。

现今的临潭-宕昌断裂走向上图像差异明显(图 2),断裂在西部(合作-碌曲地区)和中东部(岷县地区)的平面几何学图像呈发散状;在中部(临潭地区)断裂平直,由多条规模不等、相互平行或斜列的次级断裂组合而成,最新的断裂带宽度可达5~10 km,断裂整体以逆冲作用为主,沿倾向滑动速率小于1 mm/a,存在左旋走滑分量,根据现今地表活动的影像可知断裂整体的活动差异性较大。

临潭-宕昌断裂西段(合作地区)以断层谷地、鞍状山等为主,地貌特征没有最新活动的迹象表明分支断裂呈现出活动性不匀的状态,局部地区控制了晚更新世的黄土沉积,表明该断裂可能在晚更新世—全新世存在局部活动;断裂中段(临潭地区)在地貌上为明显的山脉与盆地的分界线,北侧为西秦岭内部的主夷平面(美武高原),同时控制了南侧临潭-卓尼新生代沉积序列,沿断层山脊断错较为明显,同时洮河南北向的支流经过断裂时,存在数千米的同步左旋位错,表明晚第四纪存在明显活动;断裂东段(宕昌地区)主要呈向南西突出的弧形,该断裂段倾角以高角度为主,多在50°~60°,在卫星影像上断裂线性特征较为明显,主要控制了部分新生代盆地沉积,在地貌上有断错山脊、断层三角面、断层沟谷等,由于该段人口密集,地貌多被改造,难以保留,总体来说,断错地貌特征没有临潭-岷县地区发育。

1.3 光盖山-迭山断裂

光盖山-迭山断裂(GDF)是玛曲-迭部逆冲推覆构造带的北部边界,自迭部西北侧的光盖山向南东,经过舟曲,至武都北部,断裂整体呈北西—南东向展布,倾向北东,总长度约260 km(图 2)。光盖山-迭山断裂是西秦岭造山带内部三叠纪楔状复理石建造的南部边界,断裂上盘的三叠系整体呈南翼陡、北翼缓,轴面北倾的复式向斜褶皱构造,指示了断裂上盘自北向南的逆冲推覆作用(裴先治, 2001; 张国伟, 2015)。断裂带宽约10 km,其内部存在多条逆冲断裂,断层面以北倾为主,逆冲于南侧古生界之上。中生代晚期,整条断裂处于伸展构造背景,在断裂的上盘形成一系列不连续的断陷盆地,这表明整条断裂的活动特征存在分段性。新生代早期,整条断裂以逆冲作用为主;而晚期断裂不但继承了先存断裂的活动特征,还存在左旋走滑的运动特征。光盖山-迭山断裂全新世以来存在较强的活动,公元842年的7级碌曲地震就发生在断裂的西段(袁道阳等, 2014)。

现今的光盖山-迭山断裂由北西至南东,依次分为三条近平行的次级断裂:光盖山-迭山北缘断裂、坪定-化马断裂和舟曲断裂(俞晶星等, 2012)。光盖山-迭山北缘断裂主要发育在高山峡谷中,在地貌上多表现为断层谷地、垭口等;遥感影像上,断裂的线性特征明显,主要表现为基岩崩塌体上的线性陡坎、断层沟槽等,同时还存在冲沟、阶地、山脊、水系同步左旋断错地貌,野外可见三叠纪复理石建造逆冲至白垩系红层之上,并错断了顶部的坡积砂砾石层,表明断裂在晚更新世—全新世期间存在较为强烈的构造活动(袁道阳等, 2014)。中部坪定-化马断裂主要发育在区域的第二和第三级夷平面之间;在地貌上表现为线性槽地;在舟曲北侧,断裂断错了全部阶地面,表明断裂在晚更新世以来有过明显活动(俞晶星等, 2012)。东南段的舟曲断裂在岷江西侧为高山和盆地之间的构造边界;而在岷江东侧断裂两侧不存在明显的地貌高差,主要发育在峡谷之中(张波等, 2018)。整体而言,光盖山-迭山断裂左旋位错地貌较为典型,同时在不同期次的洪积扇上均有断层陡坎发育,可通过断错地貌来约束断裂晚第四纪以来的滑移速率。在光盖山-迭山断裂中西部,断裂垂向滑移速率(0.5~1.2 mm/a)略大于左旋走滑速率(0.51 mm/a;俞晶星等, 2012; Zheng et al., 2016; Zhang et al., 2021);在断裂中东部,断裂以左旋滑移为主(0.72 mm/a),垂向倾滑作用较弱(0.13 mm/a;Zhang et al., 2021)。

1.4 白龙江逆冲断裂

白龙江逆冲断裂(BLJF)是玛曲-迭部逆冲推覆构造带南部边界(图 2)。该构造带是西秦岭造山带内部变形最为强烈的地方,整体是一个以古生界为核,三叠系为翼的区域复式背斜。中生代早期,随着华北与华南地块逐渐拼贴,勉略洋消失,复式背斜遭受强烈改造,以其南缘断层为主推覆断层,在自北而南的叠瓦式逆冲推覆作用下,最南缘已推覆至若尔盖隐伏地块之上(张国伟, 2015);中生代晚期,断裂性质存在构造反转,局部形成了明显的断陷盆地(如舟曲盆地;张逸鹏, 2020)。新生代时期,随着青藏高原向北的生长,断裂活动性质再次反转,整体以逆冲活动为主。

白龙江逆冲断裂西起迭部西部,经过舟曲,向东南至武都,整体呈北西—南东向展布,长约300 km。根据卫星影像可知,白龙江断裂西段受植被覆盖和河流下切侵蚀的影响,断裂线性特征地貌隐约可见,断裂活动性较弱,未发现可靠的晚第四纪活动的断层剖面;中—东段断裂线性特征清晰,断裂切过得地貌主要表现为:断层垭口、断错山脊、基岩陡崖、断层陡坎及冲沟左旋等断错地貌。根据对断错阶地的测量和年代测试,断裂的逆冲滑动速率约为0.38 mm/a(侯康明等, 2005),左旋走滑速率为1.73~2.61 mm/a(Li et al., 2020)。通过历史地震考证和开挖的探槽结果可知,公元前186年的武都7级地震就发生白龙江逆冲断裂的中—东段,这表明该断裂在全新世期间存在明显的活动(袁道阳等, 2007)。

1.5 两当-江洛断裂

两当-江洛断裂(LJF)是西秦岭内部一条重要的地壳尺度的断裂,断裂整体呈北东东—南西西方向展布,自成县北部一直延伸至太白山脚,出露地表的断面近直立,断裂长约160 km(图 2)。断裂分割了北侧的泥盆纪浊流沉积序列和南侧的三叠纪复理石建造。古近纪时期,随着青藏高原向北持续的扩展,两当-江洛断裂在强烈的收缩构造背景下控制了武都-成县-徽县盆地的沉积(史小辉等, 2018; Zhang et al., 2020图 1b)。中中新世,随着青藏高原继续向北扩展,当高原的扩展前缘已经跨过西秦岭到达祁连山时(袁道阳等, 2004),西秦岭内部的断裂开始出现明显的左旋走滑分量(Wang et al., 2012b; Chen and Lin, 2019),徽成盆地两侧的边界断裂(两当-江洛断裂和成县断裂)可能还记录了区域上构造挤出的动力学过程(张岳桥等, 2005; 马收先等, 2013)。

第四纪以来,两当-江洛断裂的活动继承了早期左旋走滑的运动性质,断裂西段和中段主要位于造山带内部,存在多个斜列断层,地貌上线性特征清晰,可见多处的冲沟左旋位错、逆冲形成高大的断层陡坎和线性沟谷等地貌特征,新鲜的断面上也可见左旋运动的擦痕。断裂东段由于植被覆盖率高,地貌特征相对较为模糊,断错地貌零星发育。通过对断错地貌的测量及相应的年代学约束可知,晚更新世以来,两当-江洛断裂的逆冲滑动速率约为0.43 mm/a、左旋水平滑动速率约为0.71 mm/a(刘兴旺等, 2015; Zheng et al., 2016)。与临潭-宕昌断裂、白龙江逆冲断裂一样,西秦岭内部的逆冲速率相对较低,整体的变形呈弥散的状态。

1.6 礼县-罗家堡断裂

礼县-罗家堡断裂(LLF)西起宕昌,经过礼县,东至天水,断裂全长约160 km。断裂整体呈北东—南西向展布,发育在古生界浊流沉积序列内部,新生代时期再次复活,控制了礼县盆地的形成(陈鹏等, 2016)。断裂呈雁列式分布,现今以左旋走滑为主,局部伴随有正倾滑分量的走滑断裂(图 2);晚更新世以来断裂的平均走滑和倾滑速率分别为0.95 mm/a和0.35 mm/a(韩竹军等, 2001)。

礼县-罗家堡断裂在影像上地貌形迹清晰,断层陡坎和水系位错沿断裂较为发育,局部表现为明显的断裂宽缓谷地。晚更新世以来,礼县-罗家堡断裂存在过明显构造活动,在礼县地区(即断裂中部),断裂的活动已经影响到上覆更新世的黄土序列,同时改变了盐关河和西汉水北段的走势。同时,断裂广泛发育有地震滑坡和沙土液化现象表明,礼县-罗家堡断裂很可能是1654年天水南8级地震的发震断裂(韩竹军等, 2001)。

1.7 东昆仑断裂

东昆仑断裂(EKLF)是在勉略缝合带基础上再次活化而形成的活动断裂。中生代早期,由于华南地块与华北地块逐渐汇聚,勉略洋逐渐消减,断裂以大规模低角度向南的韧性逆冲剪切变形为主;三叠纪晚期,以南北向的收缩构造为主(张国伟, 2015)。现今的东昆仑断裂是一条强烈活动的岩石圈尺度的左旋走滑断裂(张岳桥等, 2005)。在研究区范围内,仅出露东昆仑断裂带的最东段的玛曲段(图 1b图 2)。

研究区内东昆仑断裂出露的断层面平直光滑,倾角近直立(约70°~80°),影像上断裂的线性特征清晰,断裂经过的地方冲沟、山脊、河流阶地、冲洪积扇都发生了不同程度的位错。东昆仑断裂在高原内部(玛沁以西地区)全新世早期以来的左旋走滑速率约为11~13 mm/a;经过阿尼玛卿山后,水平滑动速率降到约10 mm/a;向东经过玛曲县城,走滑速率约为5 mm/a;再向东经过若尔盖盆地,走滑速率下降至1 mm/a(图 2),同时与龙日坝断裂、岷江断裂和虎牙断裂相交,形成帚状撒开的尾端收缩构造(Kirby et al., 2007; Li et al., 2011)。东昆仑断裂走滑速率向东逐渐递减的趋势,一方面是由于东昆仑断裂自身的几何结构吸收了部分走滑速率(如挤压隆起区);另一方面东昆仑断裂尾部与其及直交的逆冲断裂吸收了绝大部分走滑速率(如岷江断裂和虎牙断裂),导致了岷山-龙门山地区横向构造的地壳所短(Li et al., 2011),同时还造成了区域的顺时针旋转(张岳桥等, 2005)。

2 西秦岭现今地表变形特征

活动构造研究获得的断裂滑动速率和地壳缩短速率只反映了区域构造变形的长期和平均活动水平;然而,全球定位系统(GPS)观测的结果则可以提供高精度、大范围和准实时的地壳运动定量数据,从而反映地壳构造变形的现今和暂态的活动水平(Zhang et al., 2004)。文中选用了中国“九五”期间建设的重大科学工程“中国地壳运动观测网络”1999—2004年的观测结果,以及2004年以后在“十一五”到“十二五”陆续开展的“中国陆态网络工程”获得的相关结论,对西秦岭及其周缘的构造运动特征进行分析和讨论。文中使用的GPS数据、数据处理(包括误差传递)和参考框架转换等方法参见Wang et al., 2001; Zhang et al., 2004; Gan et al., 2007Ge et al., 2015。为了更好地研究西秦岭内部地壳运动与时空分布特征,文中以去除旋转和平移后的无旋转框架为基准,得到了西秦岭及其周缘块体内部的构造变形特征(图 3),同时横跨西秦岭内部弧形构造带,得到了西秦岭东、西两段不同部位断裂的缩短速率剖面和平行于断裂的走滑速率剖面(图 4Zheng et al., 2016)。考虑到GPS站点的离散性,为得到更加可靠的西秦岭区域性变形特征,选取廊带宽度约80 km以保证覆盖西秦岭的主要断裂。

图 3 西秦岭及其周缘的GPS速度场(Zheng et al., 2016;断裂代号同图 1;灰色椭圆置信度为95%;GPS数据来源于Gan et al., 2007) Fig. 3 Tectonic setting of the West Qinling on the relief map and GPS velocity field(Zheng et al., 2016). Grey ellipses represent 95% confidence. GPS data is from Gan et al., 2007.
2.1 北东向GPS速度剖面揭示的断裂最新活动特征

从横跨西秦岭内部北西—南东向断裂的GPS速度剖面可以看到(图 4a),从若尔盖盆地南缘到东昆仑断裂之间,整个盆地吸收了部分变形。在跨过东昆仑断裂之后,从观测数据分析可知,白龙江断裂(BLJF)、光盖山-迭山断裂(GDF)之间的缩短速率相近,均约为1~2 mm/a,而北侧西秦岭断裂(WQLF)到临潭-宕昌断裂(LTF)表现出明显的挤压缩短,缩短速率达2 mm/a,表明临潭-宕昌断裂(LTF)在吸收区域变形时,比其南侧的断裂更为显著。从若尔盖盆地到陇中盆地的GPS速度梯度变化情况可以看出,无论是块体的边界断裂(EKLF/WQLF),还是造山带内部的主要断裂(BLJF/LTF)并没有显著的吸收区域收缩构造背景下的应变,而是在整个区域上存在明显的渐变型构造缩短(图 4a),这说明西秦岭及其周缘将全部的收缩构造变形分散到每一条断裂,区域呈弥散的变形状态。因此,整个区域处于“连续变形”的构造背景之中。

a,b—剖面A廊带GPS速率剖面;c,d—剖面B廊带GPS速率剖面 图 4 横跨西秦岭的GPS速率剖面(断裂代号同图 1;剖面位置见图 3,GPS速度向北和向西速度为正) Fig. 4 GPS velocity profiles across the West Qinling Syntaxis along N52°E and N28°W. Location of each profile is shown in Fig. 3. (a, b) GPS velocity across the profile A. (c, d) GPS velocity across the profile B

平行于北西—南东向断裂的走滑分量反映(图 4b),东昆仑断裂(EKLF)上存在2~2.5 mm/a的左旋走滑速率,而西秦岭断裂(WQLF)为1~2 mm/a,二者之间的多条北西向断裂多表现为1 mm/a的左旋走滑速率甚至更低,这也与地质速率给出的单条断裂上低走滑速率以及左旋段错地貌的结果是一致的。区域上断裂的走滑速率仍旧可以看出,西秦岭及其周缘属于连续的弥散型变形,单条断裂在区域上并没有占主导作用。尽管西秦岭内部的走滑速率均处于1 mm/a左右,但是造山带核部地质体的走滑速率仍略高于造山带南、北两侧,即光盖山-迭山断裂(GDF)和临潭-宕昌断裂(LTF)之间的滑移速率略高于这两条断裂南北两侧地质体的滑移速率(图 4b)。这说明随着青藏高原在侧向扩展时,与造山带走向平行的核部地区更容易成为物质挤出的通道,这与青藏高原整个区域上的应变特征是一致的,即高原腹陆的塑性物质更容易发生侧向流动(Zhang et al., 2004)。

现今GPS速率观测到的区域变形结果与晚新生代地质记录的构造变形是相近的。整个西秦岭内部新生代的沉积序列几乎不存在明显的收缩构造变形,仅在临近断裂的地方变形较为强烈。这与新生代早期弥散的收缩构造背景完全不同(Clark et al., 2010; Zhang et al., 2020),这也说明区域的动力学背景存在明显改变。

2.2 北西向GPS速度剖面揭示的断裂最新活动特征

横跨西秦岭内部北东(东)—南西(西)向断裂的GPS速度剖面揭示(图 4c),自青川断裂(QCF)向北至两当-江洛断裂(LJF),区域的缩短速率约2 mm/a,最明显收缩构造变形发生在徽成盆地两侧,这一特征与地质上呈现的区域收缩构造变形特征相一致。再往北至礼县盆地,局部亦处于挤压环境背景,只是盆地周缘约1.5 mm/a的缩短速率比徽成盆地两侧的形变量较小,主要的原因可能是由于礼县地区存在幔源岩浆岩(喻学惠等, 2001; Liu et al., 2018),导致区域的地热梯度较高,局部存在热沉降。整体而言,西秦岭内部构造缩短主要集中于徽成盆地的南北两侧。从廊带剖面看,陇中盆地与米仓山之间似乎区域存在着一定的伸展作用,主要是由于陇中盆地与西秦岭内部均存在着顺时针旋转作用,而且陇中盆地的旋转速率远高于西秦岭内部旋转速率(Hao et al., 2021),二者存在明显的差异性,因此在廊带剖面上呈现出局部的伸展构造背景。

平行于北东(东)—南西(西)向断裂的走滑分量反映(图 4d),由于青川断裂(QCF)南东观测点相对较少,现有的观测结果表明该条断裂南侧的区域相对于西秦岭构造带存在约1~1.5 mm/a左旋走滑运动,西秦岭断裂(WQLF)的左旋走滑速率为1 mm/a左右;剖面中部的两当-江洛断裂(LJF)及两侧表现出1 mm/a甚至更低的左旋走滑速率,与文中得到的地质速率是相符的。陇中盆地和米仓山之间的走滑速率整体成右旋走滑特征,表明了区域整体以顺时针旋转为主。最新的低温热年代学数据以及沿秦岭走向展布的中生界和新生界接触关系表明,古近纪时期,西秦岭陆内构造演化的动力学环境主要受控于特提斯构造域,秦岭在这一时期沿造山带走向存在明显的分段性(Clark et al., 2010; Wang et al., 2011; Zhang et al., 2020)。而剖面B中展现的北东(东)—南西(西)向断裂走滑分量特征进一步说明,西秦岭内部断裂系统继承了先存断裂的变形特征,无论是收缩构造还是沿断裂的侧向滑移作用都不是特别明显;同时亦说明青藏高原向北的扩展作用,限制了西秦岭东西向构造体系的向西延伸,因此,其构造运动特征处于一个相对缓慢的运动状态,变形往往分布于一个很宽的范围,而不是集中断裂附近(Zhang et al., 2004; Gan et al., 2007; Zheng et al., 2016)。

3 西秦岭现今地震活动与地壳结构

西秦岭地区历史上就有多次强震发生,尤其是北边西秦岭断裂和南部的武都一带(图 1b)。地震活动与地壳结构和构造动力学环境息息相关,是非均质地壳在区域构造背景下,特定构造部位应变积累与释放的结果,地震活动特征可以反映地壳结构和动力学环境。另一方面,详细的地壳结构解析有助于对地区未来地震危险性进行预测研究。

3.1 仪器记录以来地震活动特征

根据史料记载,西秦岭曾发生过1654年天水南和1879年武都南两次8级大地震(侯康明等, 2005; 袁道阳等, 2007),还发生了多次6~7级以上的地震,强震主要发生于西段起伏大、海拔高、侵蚀改造强烈的高山区(图 1b)。有仪器记录以来MS4.0级以上的地震主要发生在临潭-宕昌断裂和光盖山-迭山断裂及其周缘(图 5a),并且震源机制解显示西秦岭内部的中强震主要以逆冲型为主,伴随有少量的走滑特征,这与晚新生代以来活动断裂的运动性质一样。

2019年甘肃合作北部MS5.7地震和2013年岷县-漳县MS6.6级地震都表明临潭-宕昌断裂具有极强的分段性,不同段落的地震活动规模及频率差异较大(图 5a)。尤其是在临潭地区,地貌特征显示断裂晚第四纪活动特征最为明显,因此可能存在中强地震破裂空区(郑文俊等, 2013)。同样,2015年碌曲南部MS4.5地震和1987年迭部东部MS5.5地震发生在光盖山-迭山断裂东西两端,在该断裂中部迭部地区无明显强震(图 5a)。通常情况下,在中强震发生之后,一系列的小震将沿发震断裂及其附近发生,形成明显的小震集中带,这种状况可以持续数十年或数百年,直到经历了相当长时间,地壳趋于稳定,历史大震震源区的小震方才逐渐减少,最后才可以形成小震活动空区(王泽皋, 1985)。这种地震活动的分布规律可能是由于地震时在震源区产生了部分次级断裂,这种脆性背景下的断裂是需要一定的时间才能恢复的,在恢复的过程中,始终以小震或中强震的活动特点呈现出这一弱化区,根据小震的集中区可以大致反映历史上曾经存在过中—强震;同时也有可能是因为地震发生后,中强震的震源区小震逐渐减少,并最后形成小震活动的空区,它与其端部的差异又可以从小震反映出来。因此,西秦岭地区仍然存在着中—强震的危险。

3.2 地壳结构特征

最新的高精度密集台阵揭示出西秦岭构造结内部P波和S波速度结构具有明显的横向不均匀性(Shen et al., 2014)。同一深度的P波和S波速度结构也有明显差异,在西秦岭核部S波由地表至25 km深度时,存在较弱的分层性,随着深度越深,低速带逐渐变窄,整体呈倒三角状(图 5b);而P波速度结构由地表至25 km时,随着深度越深,低速带逐渐变窄,几乎不存在分层性(李敏娟等, 2018)。从重定位后的地震事件分布图可以看出(图 5b),地震主要沿着主干断裂(如LTF和GDF),而强震发生后作为具有脆性特征的高速体更容易发生余震,地震事件沿着断裂呈现带状或簇状分布的特征。以九寨沟地震和岷县-漳县地震为例,二者均发生在显著的P波高低速过渡带上,而S波速度结构显示强震发生在低速体的边缘。因此,基于密集台阵和接收函数可知,西秦岭构造结的地壳起伏和波速比呈现较强烈的横向变化,这可能也是该区域孕育巨大地震的一种深部结构条件(Shen et al., 2014)。

a—1976—2021年西秦岭及邻区地震分布(地震目录来源:https://www.globalcmt.org);b—P波和S波揭示的地壳结构特征(据李敏娟等,2018修改) 图 5 西秦岭地震分布及地壳结构(断裂代号同图 1) Fig. 5 Focal mechanism solutions of the West Qinling and its crustal structure. (a) 1976-2021 focal mechanism solutions of the West Qinling and its adjacent areas (https://www.globalcmt.org). (b) Crustal structure characteristics of the West Qinling (modified after Li et al., 2018)

此外,西秦岭构造结两侧存在不同构造背景下形成的地块(华北和华南地块)/地体(松潘-甘孜和碧口地体),以及沉积背景差异较大的地质单元(古生代浊流沉积和中生代复理石建造)。因此,尽管西秦岭内部地质单元错综复杂,但是由于其岩石组成单元的电阻率存在明显差异,因此西秦岭中—上地壳的电性结构十分清晰。已有的大地电磁剖面揭示出西秦岭断裂、临潭-宕昌断裂、两当-江洛断裂、青川断裂和东昆仑断裂表现为明显的电性梯度带,是区域内重要的地壳尺度断裂(詹艳等, 2014; 赵凌强等, 2015)。垂向上,西秦岭自地表到中地壳(~20 km)表现为东北和西南浅、中部深的倒“梯形”高阻层,在高阻层之下广泛发育低阻层,低阻层与高阻层相互契合,呈现相互挤压堆积的式样;松潘-甘孜地体的中—下地壳存在西南深、东北浅的低阻层;陇中盆地和碧口地体具有稳定的成层性结构。横向上,西秦岭中段表现出与东西两段截然不同的构造特征,即102°E以西范围地壳结构为大规模高速构造和近乎完整的高阻构造;105°E以东地壳的深部结构表现为高、低阻块体间相互组合的特征;102°~105°E之间,从地表到约20 km的深部电性结构呈现高阻特征,下地壳中存在成区域性连续展布的低阻层,上—下地壳间存在着明显的电性界面。因此,西秦岭内部频发的中强震一方面发生在电性结构存在差异的构造部位,另一方面可能与区域大规模存在的中—下地壳低阻层以及深部结构表现为高、低阻块体间相互组合的复杂构造特征相关(詹艳等, 2014; 赵凌强等, 2015刘诚等,2020)。

根据地表地质调查和地球物理资料可知,白龙江断裂及其南部上地壳的反射层变形主要受到东昆仑断裂的直接影响,其断裂滑动速率大,褶皱变形强烈,河流急剧深切,地形起伏较大;而临潭-宕昌断裂及其北侧主要受西秦岭断裂的直接影响,活动速率相对较小,上地壳反射层相对平缓,仅局部位置发育强烈变形带(郑文俊等, 2013; Xu et al., 2017; 张波等, 2020)。因此,西秦岭的历史强震以及现代地震仪器记录的中强震主要发生在构造边界以及不同构造背景的地质单元分界带上,现今的观测亦表明这些边界带是高速(或高阻)与低速(或低阻)的分界带。因此,这些西秦岭内部低速(或低阻)带是其内部主要的构造变形单元;内部稳定性较好、强度较高的高速(或高阻)带具有刚性块体的特征,是区域内收缩构造应变积累的支撑单元,这种持续的变形将应变转换为积累在西秦岭内部边界带的应力,当其超过断裂的摩擦强度时就突发破裂(张培震等, 2009),继而形成西秦岭腹陆的中强震。

4 讨论 4.1 西秦岭新生代早期构造变形的方式及构造转换

新生代早期(约50~35 Ma),西秦岭断裂上盘和及其腹陆的低温热年代学研究发现,这一时期整个造山带存在区域性强烈的收缩构造变形,而这一地质过程却没有在东秦岭发现,说明秦岭在古近纪时期就存在明显的分段性(Clark et al., 2010; Zhang et al., 2020)。与此同时,西秦岭断裂下盘发育临夏前陆盆地(陇中盆地南侧;Fang et al., 2003),而陇中盆地的(东)北侧却以寺口子伸展断陷盆地为主(Wang et al., 2013),结合西秦岭及其腹陆的变形特征可知(Clark et al., 2010; Wang et al., 2016; Zhang et al., 2020; 张逸鹏, 2020),渐新世早期(~30 Ma),西秦岭断裂是当时青藏高原东北缘的北部边界(Clark et al., 2010; Zhang et al., 2020)。同时也说明当西秦岭处于青藏高原扩展的最前缘时,西秦岭几乎全部吸收了整个高原向北生长的运动分量,即区域内以逆冲和褶皱收缩构造为主。

中中新世(~15 Ma),西秦岭断裂运动学性质发生改变(图 6a),由早期的逆冲构造活动转变为左旋走滑运动(Wang et al., 2012b),这说明青藏高原在这一时期存在明显的侧向生长,高原的物质与应变逐渐向东传递(马收先等, 2013)。而西秦岭的地壳强度明显比四川盆地和鄂尔多斯盆地的刚性基底要更为软弱。因此,西秦岭中—下地壳的物质更容易发生塑性变形,存在较强的流动性。在这种背景下,西秦岭的地壳在沿构造带走向的范围内,由西向东逐渐增厚,使得沿造山带走向形成渐变的地貌特征。在这种假说下,高原的物质与应变也是逐渐向东传递的(Clark and Royden, 2000)。因此,西秦岭的时-空演化过程表明,新生代期间,西秦岭的岩石圈结构存在明显的流变学分层性,而这种流变学分层也表明陆内形变在青藏高原向北扩展过程中,不同阶段的变形方式是截然不同的。当西秦岭处于青藏高原的扩展前缘时,区域以收缩构造为主;当青藏高原跨过西秦岭,使得西秦岭成为高原腹陆时,中下地壳的塑性变形导致区域以整体抬升为主。

a—西秦岭及其周缘晚新生代主要构造事件的年代学数据(青藏高原东缘河流下切事件参考自Tian et al., 2015Clark et al., 2005。山脉隆升:龙门山参考自Wang et al., 2012a;岷山参考自Tian et al., 2018;米仓山参考自Tian et al., 2012;太白山参考自Liu et al., 2013;六盘山参考自Zheng et al., 2006;积石山和拉脊山参考自Lease et al., 2011。盆地形成及物源变化事件:武山盆地参考自Wang et al., 2012b;临夏盆地参考自Fang et al., 2003。走滑断裂活动事件:海原断裂参考自Wang et al., 2020。岩浆活动:西秦岭参考自Liu et al., 2018。)
b—青藏高原东北缘构造变形模式图(块体旋转参考England and Molnar, 1990Dupont-Nivet et al., 2004;块体运移方向参考Wang et al., 2016Zhang et al., 2019)
图 6 西秦岭及其周缘晚中生代构造事件及区域变形模式图 Fig. 6 Compilation of faults, basins, mountains, magmatism, exhumation ages in the West Qinling Belt and its schematic model of the NE Tibetan Plateau. (a) Compilation of faults, basins, mountains, magmatism, exhumation ages in the West Qinling Belt (River incision in the eastern Tibetan Plateau: Tian et al., 2015; Clark et al., 2005. Mountain uplifts: Longmenshan: Wang et al., 2012a; Minshan: Tian et al., 2018; Micangshan: Tian et al., 2012; Taibaishan: Liu et al., 2013; Liupanshan: Zheng et al., 2006; Jishishan and Lajishan: Lease et al., 2011. Basin formation and provenance changes: Wushan Basin: Wang et al., 2012b; Linxia Basin: Fang et al., 2003. Fault activation: Haiyuan fault: Wang et al., 2020. Magmatism: West Qinling Belt: Liu et al., 2018). (b) Schematic model of the NE Tibetan Plateau(Block rotation: England and Molnar, 1990; Dupont-Nivet et al., 2004; Block movement: Wang et al., 2016; Zhang et al., 2019)
4.2 西秦岭晚新生代地壳变形与区域中强震活动

晚新生代,西秦岭作为青藏高原东北部重要的过渡带,在高原逐渐向北扩展的过程中,应变在西秦岭到底是向北传递还是沿着秦岭逐渐向东传递呢?

现今西秦岭主要受控于东昆仑断裂和西秦岭断裂(图 1b),两条边界断裂之间一系列近乎平行的断裂明显继承了中中新世以来的运动学性质,在区域中起到了明显的构造转换作用。西秦岭内部的临潭-宕昌断裂、白龙江断裂、两当-江洛断裂以及文县-康县-略阳断裂主要运动特征均呈现出左旋兼逆冲的滑移特征,左旋滑动速率一般为1 mm/a左右,逆冲速率一般均小于1 mm/a,这些特征均表现出西秦岭内部的构造作用是在两条边界断裂围限下,通过内部多条断裂共同调节和吸收区域应变的,构造结内部的应变并没有集中在某一条断裂上。区域内已有的GPS速度场同样揭示了西秦岭内部的应变是弥散式的(图 4)。区域上,东昆仑断裂与西秦岭断裂走滑速率的不一致主要也是由于被西秦岭腹陆一系列北西—南东向断裂的走滑和倾滑变形所吸收(袁道阳等, 2004)。从几何结构上看,在东昆仑断裂和西秦岭断裂之间构成一个巨大的左旋岩桥区,这些西秦岭核部的断裂通过相对较低的水平和垂向滑动速率,以及断裂之间隆起山脉及不同时代盆地的变形,共同吸收了东昆仑断裂往北传递过程中的运动分量(郑文俊等, 2013)。而西秦岭内部也可能并没有完全吸收区域内的应变,而是继续向北传递,被海原断裂及其以北的区域吸收(Duvall and Clark, 2010)。

事实上,陆内变形是大陆碰撞过程中形成的所有应变的总和,这不仅包括区域内收缩构造和走滑构造的活动,还包括大陆内部次级块体的旋转。西秦岭及其周缘由南向北存在着三条地壳尺度近东西向展布的左旋走滑断裂:东昆仑断裂、西秦岭断裂和海原断裂,England and Molnar(1990)用刚性块体简单剪切的模式来解释区域内走滑断裂的分布,并且强调青藏高原东缘近南北向的右旋剪切带内,块体普遍存在顺时针旋转的特性,近似于一个巨型的多米诺骨牌构造。在这种构造背景下,块体的旋转吸收了绝大部分的形变,可能青藏高原内部块体的挤出只是有限挤出,近东西向左旋走滑断裂只是在区域性顺时针旋转的作用下被动出现的结果(图 6b)。近年来,西秦岭及其周缘大量的古地磁数据表明区域内存在明显的顺时针旋转(Dupont-Nivet et al., 2004; Wang et al., 2013; 张逸鹏, 2020),同时顺时针旋转主要从中中新世开始(约20~15 Ma;Yan et al., 2006; 张逸鹏, 2020),并且持续距今,旋转率大约为1°/Ma(Zuza and Yin, 2016),这与现今GPS数据计算出来的旋转率一致(Gan et al., 2007)。综上可知,西秦岭及其周缘次级块体的顺时针对地壳变形的调整和分配具有重要的作用(图 6a)。而其根本的动力学机制可能不是单一模型就可以对其进行解释的,如基底剪切模型(Zuza and Yin, 2016)、重力扩散模型(England and Molnar, 1997)、软流圈拖拽模型(Soto et al., 2012)、先存弧形构造带活化模型(Dupont-Nivet et al., 2004)。因此,需要更多的研究去深入剖析这一问题;同时,块体旋转到底可以吸收多大的缩短量,仍然需要深入思考。

陆内造山带再次被活化和改造过程中另一个重要的地质过程就是造山带内圈层的解耦。中新世时期(约20~16 Ma),西秦岭内部形成了一系列钾霞橄黄长岩(即幔源玄武岩),根据其类似洋岛玄武岩的地球化学性质认为,其成分具有原始岩浆的特征,形成于距离地表 80~120 km的软流圈(喻学惠等, 2001; Lai et al., 2014; Liu et al., 2018)。尽管对其构造成因的认识并不统一,但对于其自身的源区及成因认识存在一致性,即形成于软流圈地幔低度部分熔融作用,原始岩浆作用较高的CO2含量表明源区又经历了含碳酸岩洋壳沉积物俯冲交代作用(Lai et al., 2014)。与此同时,青藏高原腹地向外以及沿昆仑断裂自西向东分布的钾质-超钾质火山岩分布都表现出高原内部软流圈地幔向周缘区域流动的岩浆活动记录(Liu et al., 2018)。此外,剪切波速图像显示,在深度~95 km之下,青藏高原腹地到西秦岭存在明显且连续的低速带(Bao et al., 2015),这可能是高原内部地幔挤出的通道地球物理学证据。横跨西秦岭的深反射地震剖面揭示了造山带的莫霍面十分平坦,这种现象在挤压造山带中十分少见,合理的解释是造山带曾经出现了强烈的伸展作用(Gao et al., 2014)。但是在伸展作用过后,西秦岭在高原向北扩展的过程中地壳又出现了增厚,Shen et al.(2014)用中—下地壳塑性流动促使西秦岭地壳增厚来进行解释,并且这可以很好的解释了西秦岭内部大量的新生代沉积序列变形微弱的地质事实(张国伟, 2015; 张逸鹏, 2020)。同时,这种区域性的整体抬升作用也得到了水准数据的验证(Hao et al., 2014)。

西秦岭在中生代晚期不存在大规模的地壳变形(Clark et al., 2010),区域以稳定的剥蚀作用为主(郭进京等, 2015),造山带向着稳定的克拉通方向发展。上文已述,新生代西秦岭受特提斯构造域的影响,中新世之前经历了青藏高原的垂向生长和侧向扩展的过程。地壳不仅存在强烈的变形,同时中—下地壳和岩石圈地幔都经历了侧向流动的过程,因此晚中生代稳定的陆壳结构遭到了严重改造,甚至先存的地壳成分已经被置换。在地球物理剖面中,可以看到地壳中,乃至岩石圈地幔,存在大量的低速带/低阻层,这说明岩石圈深部可以较为容易的发生塑性变形;同时也存在一些高速或者高阻体,这可能是西秦岭内部保存下来的古陆核。因此,这些内部低速带是其内部主要的构造变形单元;而稳定性较好、强度较高的高速带具有刚性块体的特征,是构造应变积累的支撑单元,这种持续的变形将应变转换为积累在内部边界带的应力,当其超过断裂的摩擦强度时就突发破裂,继而形成西秦岭陆内的中强震。同时伴随着断裂之间存在较强的分段性,导致了地震的离散性。

综上所述,新生代早期(约50~30 Ma),西秦岭作为青藏高原生长的最前缘,内部的收缩构造吸收了绝大部分形变;中中新世(约15~10 Ma),随着高原继续向北的生长,西秦岭由扩展前缘逐渐转变成高原腹地,这一时期,西秦岭以整体抬升和顺时针旋转作用来调节区域应变。晚新生代以来,西秦岭内部相对低滑动速率的断裂,以及断裂之间隆起山脉及盆地的变形,共同吸收了东昆仑断裂往北传递过程中的运动分量。现今西秦岭上地壳保留有主造山期的地质构造,中—下地壳存在弱化,莫霍面之上的圈层存在解耦;而流动的岩石圈地幔不但改变了西秦岭的深部结构,同时也控制了现今地貌的发育;此外,大量的地震活动亦表明西秦岭在垂向上具有构造流变学分层的特性(张培震等, 2013; 张国伟, 2015),不同时代的不同构造形迹存在叠加状况。张国伟先生将这种现今具有流变学分层的三维结构模型称之为“立交桥”模型(张国伟, 2015),而这种“立交桥”圈层结构,也成为中国大陆“十字构造”的核心区域(董云鹏等, 2019; 张国伟等, 2019; 郑文俊等, 2019)。

5 主要结论

近二十年来对西秦岭晚新生代构造活动的几何学、运动学和动力学特征研究结果表明,西秦岭内部主要包括北西向展布的逆冲兼左旋性质的断裂(临潭-宕昌断裂、光盖山-迭山断裂和白龙江断裂等),北东向展布的逆冲兼左旋性质的断裂(两当-江洛断裂和成县断裂等),二者在平面几何学上整体呈明显的向南突出的弧形构造带。通过断裂的滑动速率、GPS跨断裂应变速率以及现今地震活动与地壳结构的综合研究,文章获得以下主要结论:

(1) 西秦岭内部的弧形构造带主要受青藏高原北东向扩展作用,晚新生代以来,西秦岭内部单条断裂以相对低的滑动速率(包括了垂向滑移速率和水平滑移速率),以及断裂之间隆起山脉及盆地的变形,共同承担自东昆仑断裂向西秦岭断裂的构造转换过程。即西秦岭断裂走滑速率远低于东昆仑断裂,主要是被内部的弧形构造带的走滑和逆冲变形及断裂之间地壳的缩短共同吸收和调节。

(2) GPS数据揭示区域现今主要以连续的弥散型变形为主,并且西秦岭及其周缘块体的旋转作用也吸收了部分变形分量;同时东昆仑断裂的变形并非往东传递,而是向北传递;断裂之间存在局部应力集中效应,这也是导致西秦岭内部中强震活动频繁的原因之一。

(3) 现今地球物理资料表明,西秦岭有史以来的中强震主要发生在构造边界以及不同构造背景的地质单元分界带上,同时这些边界带主要是高速(或高阻)与低速(或低阻)的分界带。并且西秦岭内部北西向的断裂之间存在较强的分段性,不同段落的地震活动规模及频率差异较大。因此,在这些未发生地震的边界断裂分段上,区域仍然存在着中—强震的危险。

致谢: 感谢中国地震局兰州地震研究所葛伟鹏副研究员在处理GPS数据中给予的帮助,感谢李敏娟助理研究员提供的地壳结构剖面图。与中山大学地球科学与工程学院沈旭章教授、李志刚副教授、闫永刚副教授、许斌斌博士生多次交流和讨论使作者深受启发,在此一并表示感谢。

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