鄂尔多斯—中秦岭—四川东部的重力异常场与深部地壳结构

王谦身，滕吉文，2，张永谦，3，皮娇龙

1中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

2吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

3中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037

1 引言

鄂尔多斯盆地位于中国大陆的中部，是构成华北克拉通西部的主体，是一处典型的板内构造单元，发育了古生代以来不同时期的稳定沉积建造.在鄂尔多斯块体的南部边缘是中国大陆中央造山带中部的秦岭—大巴造山带.秦岭造山带横亘于中国大陆中部，形成分割南北的重要构造界带，也是世界著名的大陆内部造山带之一.秦岭—大巴是一个典型的复合型大陆造山带，在不同地质发展阶段以不同的构造体制演化，并构成了独特而复杂的深部地壳结构.在秦岭—大巴造山带的北侧与南侧分别是华北克拉通西部的鄂尔多斯块体和扬子克拉通西部的四川盆地块体.这两大古老的克拉通型块体的挤压作用下促使了秦岭—大巴微块体的抬升和秦岭—大巴造山带的形成.通过多种地球物理学探测手段对鄂尔多斯盆地—秦岭—大巴造山带—四川盆地这一复杂构造地区的各个不同构造块体下方深部地壳结构、构造形态以及物性特征进行研究，对深入理解与认识华北克拉通与扬子克拉通的接触耦合关系、秦岭—大巴造山带隆起的动力学机制、金属与非金属矿产资源以及煤、石油、天然气等能源形成与运移的深层控制作用，均有着重要意义.

多年来，许多地质学家与地球物理学家针对鄂尔多斯盆地（滕吉文等，2008，2010；王谦身等，2010；张永谦，2013；Zhang et al.，2014b）、渭河盆地（韩恒悦等，2002；任隽等，2012；王谦身等，2013a，b）、秦岭造山带（袁学诚，1994；张国伟等，1995a，b，1996，1997a，b；张先康等，2008；张永谦等，2011；胡健民等，2011；Dong et al.，2013；王谦身等，2013a，b；张永谦，2013；张永谦等，2013；滕吉文等，2014）、四川盆地（江为为等，2001；汪泽成等，2006；Zhang et al.，2014a）及周缘地域的深部地壳结构从各自不同的研究领域进行了探测、研究与探讨.但关于秦岭—大巴造山带的深部地球物理工作主要集中于东秦岭—大别造山带以及西秦岭—昆仑造山带地域（袁学诚，1994；张国伟等，1995a，b，1996，1997a，b；张先康等，2008；胡健民等，2011）很少涉及中秦岭地带，以及更少对中秦岭地带及其与鄂尔多斯盆地和四川盆地关系的深部地球物理研究.而中秦岭地带不仅是东、西秦岭的过渡界带，又恰为大巴山弧形西侧变窄的转折部位.为此，对这样一个核心地带的科学问题应给予重视.不然，将在很大程度上制约了对该区深部结构与山、盆构造特征及其深层动力学机制的探索与认识.

为了获得鄂尔多斯盆地、秦岭造山带及四川盆地东北部地域的地壳深部的精细结构特征，探索该区复杂的构造现象及其间的相互关系，在自然科学基金重点项目《秦岭造山带与南鄂尔多斯盆地地壳精细结构与动力学响应》的资助下，于2011年，跨越鄂尔多斯盆地、秦岭造山带及四川盆地东北部地域实施了一条近南北走向的综合地球物理探测剖面.应用高精度重力测量、地磁测量和人工源地震宽角反射／折射探测等多种地球物理方法作同线探测.该剖面南起重庆市鱼泉镇，向北经四川万源、陕西咸阳，抵达陕西北部榆林，全长1010km；测线自南向北相继穿越了四川盆地东北部、大巴山弧形构造系西缘、秦岭造山带中部、渭河凹陷盆地以及鄂尔多斯盆地等大地构造单元.本探测剖面作为一条特定地穿越中秦岭造山带的“盆－山－盆”构造体系的完整的、连续的、包含重力、地磁、人工地震各种方法的综合地球物理探测长剖面，这是前所未有的.它不仅提供了诸多新的地球物理信息，同时还可以据此为构建完整连续的地壳深部介质的密度结构、磁性结构和地震波速结构提供新的信息与约束.

2 重力信息的探测与数据处理

在综合地球物理探测长剖面中，重力探测剖面共计采集到有效重力数据1116个，平均测点距为0.9km（图1）.

在重力测量中所用的仪器为Lacoste－G型重力仪（No.596，No.1149），这两台仪器的观测精度为0.01mGal，互比值为1.00032，其一致性符合国家区域重力调查数据质量要求.与野外重力测量同步进行测地工作，采用TopoCon高精度GPS接收机进行野外差分观测.经解算，其水平测量误差小于0.1m，垂直测量误差在平原地区约为0.5m，在山区小于1m，测量精度满足本研究的需要.

在实际野外工作中，以国家重力基点网（2000网）的重庆江北机场、咸阳机场和榆林机场3个国家基本点为基准点进行基点联测，共联测出适用于本测区的25处重力基点引点（图1），以利于测点数据的归算.联测标准差为0.037mGal.

野外实测重力数据的处理是按照标准规范，进行零漂改正，固体潮改正，正常场改正，高度改正，中间层改正和地形改正（0～166.7km范围）.最后求得全剖面沿线的布格重力异常值.

3 鱼泉—咸阳—榆林剖面的布格重力场特征

根据各项处理与改正后得到的各测点的布格重力异常值编绘出鱼泉—咸阳—榆林剖面的布格重力异常分布曲线（图2）.

由图2可见，根据鱼泉—榆林剖面全线的地形高程与布格重力异常分布曲线的特征，可以32.6°N与34.6°N为界，将本剖面划分为南部、中部与北部三大主要单元，这三大主要构造单元内部的地形高程分布与布格重力异常曲线均呈现出各自特异的特征.

图1 重庆—榆林综合地球物理探测剖面地理位置与地形图（张永谦，2013）Fig.1 Map showing geographic location of the Chongqing—Yulin geophysical profile and topography（Zhang，2013）

在剖面南段，即四川盆地东北缘地域，此段又可分为两段.（1）鱼泉至达州以南地段，其布格重力异常变化较为平缓，在 －110mGal～－125mGal之间呈小幅度变化.此段的平均布格重力异常值为－120mGal.（2）自达州向北至万源与宁陕之间（31.0°N—32.6°N）地段，布格重力异常呈现出漏斗状的特征，由－120mGal降至－150mGal后，又抬升至－110mGal，升降幅度达30～40mGal.

在32.6°N—34.0°N（户县南）地带，即大巴山弧形构造系西缘与中秦岭造山带地域，其布格重力异常场的特征是重力值起伏变化剧烈.由32.6°N至33.6°N 段的－110mGal骤降到－180mGal，至34.0°N附近又跃升为－145mGal.布格重力异常曲线呈现出剖面沿线并形成多个大小不等的漏斗状区段.户县以北地区，为秦岭北麓和渭河盆地地域，布格重力异常值迅速陡直地下降，在不足10km的距离内由－145mGal陡降至－195mGal，降幅达到50mGal.重力水平变化梯度达到5mGal／km，这也是整个1010km重力探测剖面中的最低布格异常值.由34.1°N向北，布格重力异常值又呈现为抬升，并在34.7°N 附近升至－125mGal，升幅达到70mGal，重力水平变化梯度达到1.1mGal／km.对于这个特异的重力异常现像及其分析解释，在文献（王谦身等，2013a）中已作过专题详细研究讨论.

自34.7°N向北至36.4°N范围内，进入鄂尔多斯盆地地域，布格重力异常在－130mGal与－150mGal之间小幅度地变化，总体上呈现为较低频的缓慢变化特征.在36.4°N以北地域，布格重力异常呈下降态势，并在37.5°N附近出现15mGal左右的小局部凸起.

4 鄂尔多斯盆地、中秦岭造山带及四川盆地的地壳密度结构

布格重力异常主要是地球内部物质密度分布不均匀所引起的.它是地球在漫长的地质演化史中历次构造运动叠加作用结果的反映.因此通过研究布格重力异常分布并求得地壳深部的密度结构，进而构建地壳的结构与构造展布的模型（王谦身等，2003）.这将对大陆地壳的演化与物质运动样式及行为的研究提供重要的信息.

为此，应用沿鱼泉—榆林剖面已获取的布格重力异常数据来构建剖面辖区地壳深部的密度结构模型，并对其给以分析和讨论.

在剖面密度结构的构建中，采用了目前广泛应用的、效果较好的组合二度半体重磁异常人机交互正反演方法，并结合有关的地质、地球物理资料，特别是本剖面的人工源宽角反射／折射地震数据资料，作为约束条件，利用目前国际上较为流行的P波速度与介质密度之间的经验关系式（Brocher，2005），将该剖面二维地壳与上地幔速度结构转化为该剖面地壳与上地幔的二维密度结构的初始模型.在参考了本区已有的区域构造格局与地层层序特征断裂分布等地质资料和地球物理资料中包含的物性数据，对密度模型在形态与密度值等参数上进行了多次重复计算拟合与调整，最终，获得鱼泉—榆林剖面地区的二维地壳密度结构模型.如图3所示.

由图3可见，经过多次拟合所得到的最终二维密度模型，经正演计算后求得的布格重力异常（图3a中的蓝线）与沿该剖面实测所得到的布格重力异常（图3a中的红线）吻合程度较高.在剖面南段32°N以南（即万源以南，四川盆地东部）地域与剖面北段的鄂尔多斯盆地（35°N以北）地域，其布格重力异常的计算值与实测值几乎完全重合；而在剖面中段的中秦岭造山带地区，其布格重力异常的计算值与实测值之间虽然在整体趋势上仍然一致，但存在一定的偏差，即不完全吻合.

由于在中秦岭造山带地区的地壳浅部的密度结构较为复杂，从而导致了实测的布格重力异常值在该地区存在高频起伏变化.而本密度结构模型由于网格尺度较大，对近地表浅部未能精细地反映其密度结构的横向变化，因此导致了不完全吻合.但对于深部密度结构的反映仍然是较为可靠的（张永谦，2013）.

由图3b可见，鱼泉—咸阳—榆林剖面辖区的地壳与上地幔存在着复杂且特异的二维密度结构.在纵向上，密度值随着深度的增加而增加，但在剖面沿线不同的位置其密度增加的梯度却有所差异，在剖面同一构造位置的不同深度，其密度随深度增加的梯度亦不完全相同（图4）.

基于鱼泉—咸阳—榆林剖面上9处不同位置处1D密度结构可见（图4），沿整个剖面地壳浅部的密度值均较小，即在2.45g·cm－3范围内变化，而在渭河盆地及一些局部地区的浅表处仅为2.2～2.35g·cm－3左右.应是由于在地壳较浅处的沉积建造部分，其岩层尚未完全固结压实等多种因素从而导致岩石的密度相对较小.在结晶地壳中，地壳岩石的平均密度随着深度的增加而增加，较明显地存在有密度差异的上、中、下的地壳层，呈现出密度间断面的特征.到地壳底部，密度大约增至2.95g·cm－3左右.在地壳底部的Moho界面形成了密度值突变带，呈现出密度间断面的特征.在Moho界面两侧的密度值由2.95g·cm－3左右突跃至3.2，密度差达0.25g·cm－3.

5 地壳内部界面的展布特征

图2 鱼泉—榆林剖面的地形高程与布格重力异常分布特征（张永谦，2013）（a）剖面沿线的海拔高程分布；（b）剖面沿线的布格重力异常曲线.Fig.2 Topographic elevation and Bouguer gravity anomalies along the Yuquan—Yulin（a）Topographic elevation；（b）Bouguer gravity anomaly curves（Zhang，2013）.

图3 鱼泉—咸阳—榆林地学剖面的地壳密度结构模型中所标数值代表各不同层、块体的平均密度值，单位g·cm－3.Fig.3 Crustal density model along the Yuquan—Xianyang—Yulin profile Numbers in the model are average density values of different layers and blocks in unit of g·cm－3.

本剖面自南向北跨越了扬子克拉通的四川盆地，秦岭—大巴造山带，渭河断陷盆地，以及华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地.在漫长的地质历史时期内，该地区，特别是秦岭—大巴造山带，经历了多期次的挤压与伸展作用，并受控于复杂的力系作用过程，并从而导致其地壳内部的界面形态和构造格局产生了强烈变形，并形成了现今的结构与构造形态.

5.1 壳内界面的划分

对于本研究中所得到的地壳密度结构模型，可根据其密度在垂直方向上的变化特征（图4），将地壳宏观地分为沉积建造（结晶基底以上部分），上地壳、中地壳与下地壳四部分.

由于结晶地壳内的密度值一般高于2.6g·cm－3，故以2.6g·cm－3为界，将其上部密度值小于2.6g·cm－3的部分划为是沉积建造部分，其下部密度值高于2.6g·cm－3的部分，则认为是结晶地壳部分，以此可勾画出结晶基底的展布形态如图4中黑色虚线所示.

一般认为上地壳部分的地壳介质主要以脆性变形为主，其物性特征在垂向上的变化较为明显，而中、下地壳的介质变形特征偏柔性性质.因此，在扬子克拉通的四川盆地确定上、中、下地壳的分界面时，主要是根据所得研究区地壳密度结构模型的垂向梯度特征，同时结合该区已有的地质与地球物理研究成果，特别是结合在该区所开展的最新的人工源宽角反射／折射地震探测研究成果（滕吉文等，2014），在深度为15～20km和25～30km左右的密度差为0.05g·cm－3的地层界面则应为上、中、下地壳的分界面（图4中绿色和蓝色虚线所示）.而在华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地，与扬子克拉通的四川盆地有所差异.在地壳的分界面的分布上，在深度为23～27km左右有较明显的密度差异（图4中蓝色线所示）.

在整个鱼泉—咸阳—榆林剖面上，Moho界面作为地壳与上地幔之间的一级间断面，其两侧的介质密度存在明显的差异，是一个密度突变界带（图4中红色实线所示）.

5.2 结晶基底的起伏特征

由图4中代表结晶基底的黑色虚线的形态可见，在剖面沿线不同构造单元的沉积建造厚度差异明显，在四川盆地东北部地域，沉积厚度约在2～3km左右，结晶基底形态略有起伏，但总体上较为平缓；向北进入秦岭—大巴造山带地区，其结晶基底逐渐抬升，在最浅处仅为1km左右；渭河盆地是本研究剖面辖区沉积建造最厚的部分，其结晶基底自南侧秦岭山区最浅处的1km左右逐步加深，并在渭河盆地的中心地带达到本剖面辖区结晶基底最深处（近8km），之后沉积建造的厚度又逐渐减薄，并在渭河盆地北缘与鄂尔多斯块体接触地域抬升至4km左右，该地域巨厚的低密度物质沉积也导致了在地表观测到的明显的低布格重力异常特征；在本剖面北段的鄂尔多斯盆地地域，结晶基底的埋藏深度约在4～6km之间起伏变化，呈现出比较稳定的沉积特征.

5.3 上、中、下地壳的分界面

由图4可见，在整个剖面辖区的上地壳、中地壳与下地壳之间存在明显的界面，在剖面南段的四川盆地地域，其上、中、下地壳界面的埋藏深度由南端的16～17km与27～28km处缓慢下降，并在达州附近达到18km与29km左右，基本保持近似平行状态.之后继续保持稳定，直至万源以北至石泉之间的大巴山弧形构造区西缘地域，其间仅存在小幅度的起伏.再向北，进入中秦岭造山带地域，即宁陕与户县之间的区域，各分界面的埋藏深度发生复杂的起伏变化，在该地段北侧较南侧有所抬升（受Moho上隆控制）.在户县南侧，上、中地壳厚度约为25～26km；在渭河盆地地域，由于各界面起伏升降，上地壳加中地壳的厚度在24km左右变化.进入鄂尔多斯盆地之后，与剖面南段的四川盆地地域不同，上、中地壳分界不甚明显，但与下地壳保持密度值差异显著.该分界面的起伏较为平缓，形态保持稳定，埋藏深度在24～26km之间呈现出低频缓慢起伏的特征.总之，在本剖面辖区的南段和北段部分，各地壳分界面的两侧的密度值差异显著，分布形态基本稳定.中秦岭造山带与渭河盆地地域，界面展布呈复杂的起伏变化，不如其两侧稳定，这或许与该地域作为华北克拉通与扬子克拉通之间的接触耦合地域所经历的多期次复杂变形过程有关.

5.4 Moho界面

Moho界面作为地壳与岩石圈之间的一级间断面，其性质、形态、以及两侧的物性特征均是大陆地壳的演化历史和动力学过程在结构与形态上的体现.因此，通过构建研究区的二维地壳密度结构模型，则可从重力学与密度结构组成的角度对Moho界面的形态与性质作以探讨.

由图4中代表Moho界面的红色实线可见，沿本剖面各地段的Moho界面起伏变化程度不同.在剖面南段的四川盆地地域，Moho界面的埋藏深度由剖面南端的42km降至万源附近的44km左右，且该下降过程并非均一下降，而是呈现出波状起伏的特征.在万源以北至户县以南地段，亦即构造单元上的秦岭—大巴造山带地域，Moho界面呈现出明显增厚的特征，增厚幅度为3～4km左右，在石泉、宁陕一带Moho界面深达48～49km.再向北延伸，Moho界面抬升较快，在户县南可升至40km左右.据已有的地球物理研究成果，秦岭造山带的东段与西段构造差异明显，东段无山根存在，而西段则有山根；从本研究所得到中秦岭地域的Moho界面展布特征来看，在中秦岭地域的Moho界面下凹即意味着在该地域有山根的存在迹象，但其幅度并不大，说明中秦岭地域的山根特征应介于东秦岭与西秦岭之间，也体现出了位于秦岭中部的剖面地区，具有与东、西秦岭各异的过渡衔接特征.在渭河盆地地域，即户县以北与咸阳北的测段内，Moho界面呈现出明显的上隆特征，并在咸阳南达到本剖面辖区的最浅Moho界面深度（37km左右），相对于其两侧地域其Moho界面的上隆幅度可达近10km，该地域的Moho界面上隆与地表的地形降低呈现出“镜像”相关的关系.同时亦为前陆盆地，即渭河盆地的性质给出了深层作用的解释.在鄂尔多斯盆地地域，Moho界面的埋藏深度保持在44～46km左右，并呈现出较为低缓的起伏特征，这反应了鄂尔多斯块体稳定、古老的演化特征.

6 几点分析与认识

基于最新的高精度重力观测数据和反演求得的剖面辖区的密度结构，可得出以下几点认识：

6.1 鄂尔多斯盆地、中秦岭—大巴造山带与四川盆地的断裂构造

基于重力学理论（王谦身等，2003），重力异常场中的重力异常梯度带是地下断裂构造带的反映，它对应着地下物质体的密度变化带.根据对本剖面的重力异常场分布、密度结构剖面、以及相关的区域地质构造和地球物理资料对本剖面内的断裂构造的特性、规模、分布已有较详的综合分析（王谦身等，2013a，b；滕吉文等，2014）.在此，将已知的、规模较大的断裂构造（带）的位置与其相对应地标示于重力异常分布曲线图上（图5）.

沿鱼泉—咸阳—榆林剖面沿线的地壳深部断裂带分布与布格重力异常分布曲线之间有较好的对应关系（图5）.由于断裂构造带两侧形成了密度的差异，这种差异表现为布格重力异常的突然变化和呈现出梯度带的变化特征.通常，深大断裂的存在，定会分隔不同构造单元或构造块体.如图5中的两个规模较大的断裂QB（秦岭北侧断裂）与AK（安康断裂）之间为中秦岭造山带块体.由于本剖面的重力测线恰恰在大巴山弧终端的西侧经过，故它们分别也是中秦岭造山带在本重力测线上与华北克拉通和扬子克拉通的接触断裂带（王谦身等，2013a，b）.GK（关山—口镇断裂）与QB（秦岭北侧断裂）之间为渭河盆地－盆山耦合带，亦即秦岭—大巴造山带北缘的前陆盆地.NS（宁陕断裂）在本测线经过地段亦呈现为一较有规模的断裂构造.

通过分析还可认识到鱼泉—咸阳—榆林剖面的断裂构造（带）的分布，亦具有分段性特征.在盆地、造山带、盆山耦合地域各不相同；如中秦岭造山带地域，规模较大的断裂带较多也较集中.在四川盆地、鄂尔多斯盆地地域，断裂构造的规模则相对较小也较分散.而在盆山耦合带的渭河盆地，其断裂构造乃属于规模小的类型.

6.2 本剖面研究区的“盆－山－盆”块体单元体系

根据对本剖面的重力异常场分布、密度结构剖面、以及相关的区域地质构造及地球物理资料进行了综合分析.本剖面研究区总体上可分为四川盆地—秦岭造山带与前陆盆地（渭河盆地）—鄂尔多斯盆地三大构造单元，并组成“盆－山－盆”型耦合构造单元体系.但它们不论在分层上，还是分区上，即在各自所辖的区块内，均与前人的论述存在差异.

其中四川盆地这一构造单元，在本剖面研究区为四川盆地东北部丘陵山地.在大地构造上，属于扬子克拉通的东北边缘，也是与秦岭—大巴造山带的接触地带.秦岭—大巴造山带这一构造单元，在本剖面研究区为绵延千里的秦岭造山带的中间地段（108°E至109°E之间），在此称为中秦岭造山带.在大地构造上，它是南侧与扬子克拉通的东北边缘相连，北与盆山耦合过渡带的前陆盆地，即渭河盆地衔接.前陆渭河盆地位于稳定的克拉通—鄂尔多斯盆地的南边缘与活动的造山带—中秦岭造山带之间的盆山耦合地域.鄂尔多斯盆地在大地构造单元上，则是华北克拉通西南部的高原盆地，表征着它作为古老的克拉通的“坚硬”、“刚性”的特征.因此，除在地球物理重力场、深部结构特征上，各大构造单元都有其不同之处外，在区域地质断裂构造的分布上，在本剖面各大构造单元内的研究结果表明，它们也有显著的不同.

图4 鱼泉—咸阳—榆林剖面地壳内部界面的展布特征（按纬度1°分幅）Fig.4 Undulation characteristics of interfaces in crust along the Yuquan—Xianyang—Yulin profile（With latitude interval of 1°between each two plots）

图5 鱼泉—咸阳—榆林剖面布格重力异常与断裂分布图DX：达县断裂；TX：铁溪断裂；YD：鱼渡断裂；ZB：镇巴断裂；CK：城口断裂；AK：安康断裂；NS：宁陕断裂；QB：秦岭北侧断裂；WH：渭河断裂；GK：关山—口镇断裂；TC：铜川断裂；FY：富县—延长断裂；AQ：安塞—清涧断裂.图中黑色线段表示断裂规模较大，蓝色线段表示断裂规模相对中等，绿色线段表示断裂规模相对较小.Fig.5 Bouguer gravity anomalies and distribution of faults along the Yuquan—Xianyang—Yulin profileDX：Daxian fault；TX：Tiexi fault；YD：Yudu fault；ZB：Zhenba fault；CK：Chengkou fault；AK：Ankang fault；NS：Ningshan fault；QB：North Qinling fault；WH：Weihe fault；GK：Guanshan—Kouzhen fault；TC：Tongchuan fault；FY：Fuxian—Yanchang fault；AQ：Ansai—Qingjian fault.Black column：large scale fault；Blue column：middle－scale fault；Green column：relative small fault.

7 结语

本项研究根据鱼泉—咸阳—榆林长1010km剖面的最新实测的重力异常场数据，通过反演、分析与研究，构建了地壳深部的密度结构模型.本文的研究结果厘定了形成“扬子克拉通—中秦岭—华北克拉通”特异类型的“盆－山－盆”构造体系及其演化结果的现代特征.呈现出扬子克拉通和华北克拉通的四川盆地、秦岭造山带、渭河盆地、鄂尔多斯盆地等构造单元各自在漫长的地质历史时期中所发生和经历的、复杂的、多级多次的生成、发展和变形的地壳演化深层动力过程.

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