渭河盆地断层系统运动学体制分解与探讨

白相东，关成尧，张 艳，袁四化，刘晓燕

(1.防灾科技学院，河北 三河 065201；2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

渭河盆地是新生代形成的盆地，和喜马拉雅山脉的隆升在秦岭-鄂尔多斯盆地区域表现出的远程效应有关，一般认为是走滑伸展型盆地[1-3]，不同领域的学者对盆地结构及活动断层的研究在20世纪80～90年代形成一次研究高峰，得到了一些重要的认识[4-11]，至今研究仍在逐步深入[12-21]。整体来说其动力学模式的解释还处于争议阶段。从渭河盆地的整体陷落进程中见到最多的信息就是其伸展性的行为的表现，秦岭北缘断裂的走滑一般作为盆地形成的重要诱因，而渭河盆地内部的走滑问题研究则相对较少。本文意在研究渭河盆地断层系统的基础上，将断层宏观运动学信息分解为可以与动力学模式相联系的若干构成体制，以期待为建立盆地几何学和运动学之间的联系奠定一些运动学基础，为区域控震模式研究提供构造地质学理论基础。

1 渭河盆地断层系统

前人对渭河盆地断裂及体系有较多研究[4,8,9,22-24]，这些断裂的几何展布关系表现了新构造运动的基本活动格局，是理解新构造期或者第四纪渭河盆地构造活动性的重要依据。渭河盆地断层系统如图1所示。

一些学者依据地质力学理论讨论了渭河盆地断层系统问题[4,8,9,25]，将渭河盆地断层系统大致可以分成东西向断裂系、北东-北东东向断裂系、北西向断裂系、北东东向弧形断裂系、近南北向断裂系等五个断裂体系，体现了编图工作者隐含的用地质力学方法解释这些断裂体系以及多套体系产生于多次运动的思想，笔者倾向于沿用这种划分方法。

图1 渭河盆地断层系统(底图依据《渭河盆地活动断裂分布图》[25]，有改动)Fig.1 The Weihe Basin faults system (modify based on The Map Distribution Map of Weihe Basin Activity Faults[25])

2 主要断裂运动学体制分解

不同的断层体系往往形成时间和活动时间有所不同，根据渭河盆地断层相对运动的关系，盆地断层活动可以分解为5种相对运动机制，分别如下文所述。

2.1 东西向左行走滑运动体制

东西向左行走滑运动是和秦岭左行走滑运动相联系的，该走滑体制下，本区可以形成五个走滑系，从北向南依次有口镇-关山断裂(F1)、渭河北岸断裂(F2)、渭河南岸断裂(F3)、余下-铁炉子断裂(F5)、秦岭北缘断裂(F6)，由图2所示。这五个走滑断层系分别形成左行走滑，该断裂活动体制下，渭河盆地中西部可以快速发展。

渭河盆地东西向左行走滑运动，一般认为是和秦岭北缘断裂左行走滑运动相联系的东西向走滑运动。从口镇-关山断裂(F1)中可以找到明显的断层左行滑动体制方面的证据，由图2可见，从西向东，口镇-关山断裂(F1)依次错开了乾县-富平-禹门口断裂(F26)、礼泉-双泉-临猗断裂(F25)、中条山西侧断裂(孟源-永济断裂)(F11)。错开位置分别如A、B、C三点所示，其对应的断层走滑错断量依次减小，说明左行走滑量从西向东依次减小，走滑的驱动力来源于盆地西部，米丰收研究结果也显示从口镇-关山断裂(F1)沿线阶地位错黄土陡坎、地层沉积、小震分布及地裂缝发育等情况，该断裂具有明显的西强东弱的分段性活动特征[26-28]。在渭河北岸断裂(F2)也可以发生左行走滑，但从图2中没能体现明显的证据，渭河北岸断裂(F2)是一个很重要的断裂，物探研究结果[29]显示渭河北岸断裂(F2)是一个基底分界断裂[30]，同时也是盆地盖层结构的分区界线[30,5]，而且还控制着渭河盆地初期的成和发展[30]，没找到证据可能是因为盆地内隐伏断层走滑量不好发现所致。渭河南岸断裂(F3)和韩城-临潼-长安断裂带(F9)交汇部位可见渭河南岸断裂(F3)被左行走滑错断的证据，如图2中的D点所示。余下-铁炉子断裂(F5)是和秦岭北缘断裂(F6)相互平行的主要埋藏在渭河盆地中的断裂，理论上在左行体制下也可以发生走滑错动，但图2无法提供有效的证据。秦岭北缘断裂(F6)的左行走滑是学术界普遍的观点[1-9]，图1中秦岭北缘断裂(F6)的E和F两个参考点错开较大距离，但目前还无法准确确定E和F两个错开点是否同属于F18，这里不再赘述。

图2 与秦岭左行走滑运动相联系的东西向走滑运动体制Fig.2 The WE strike-slip system associated with the left strike-slip movement of Qinling Mountain

图3 与鄂尔多斯盆地的整体变形有关的北西-南东走滑系Fig.3 The NW-SE strike-slip system associated with the overall deformation of Ordos Basin

2.2 北西-南东走滑系运动体制

以往的研究中较少讨论北西-南东走滑系，在以往的地质图中，如图3中的西部3条北西-南东向右行走滑断层系(F20、F21、F23)经常出现，也较容易理解，宝鸡一带的向北挤压必然导致此地区向北移动，可以产生(F20、F21、F23)右行走滑。

渭河盆地中东部存在3条明显的北西-南东向右行走滑断层系(F12、F13、F14)。贾曲-华阴东断裂(F12)在G点明显错断了乾县-富平-禹门口断裂(F26)，向南则缺乏明显错断的证据，推测滑移动力来自于盆地以北方向。泾河-骊山断裂(F14)在H点错断了乾县-富平-禹门口断裂(F26)，在I点错断了礼泉-双泉-临猗断裂(F25)，错断量比较结果显示北侧的H点错断量明显大于稍南一点的I点，可以推测滑移动力也来自于盆地以北方向。东部的右行走滑断层系(F12、F13、F14)和西部的右行走滑断层系(F20、F21、F23)组合在一起，形成6条阶梯状的右行走滑系。陇县-马召断裂(F20)的K点错断量大于L点，说明陇县-马召断裂(F20)东侧的盆地发生过明显的N-S向伸展，在M点错断量减小，说明M点以西的渭河南岸断裂(F3)的邻区也发生了明显的N-S向伸展，并导致固关-阳平镇断裂(F21)的O点错断量和北部的N点相当。金陵河断裂(F23)在北部P点有明显的右行错断，向南则错断不明显，说明这一部分导致走滑错断的力量主要来自盆地北部。

东部的右行走滑断层系(F12、F13、F14)和西部的右行走滑断层系(F20、F21、F23)，整体来看东北侧为主要动力来源区，导致盆地整体发生阶梯状右行走滑，这可能和鄂尔多斯的整体变形有关，也可能和盆地扭动有关。

2.3 口镇-关山断裂右行走滑体制

在图4中，在口镇-关山断裂(F1)与泾河-骊山断裂(F14)交汇点U处，泾河-骊山断裂(F14)明显被口镇-关山断裂(F1)走滑错断，发生了右行走滑，沿口镇-关山断裂(F1)继续东行则没有明显的右行走滑的证据，说明该体制下右行走滑的动力来源于盆地西部，推测和六盘山一带从盆地西面向东挤压鄂尔多斯地块而发生次生右行走滑有关。这种走滑体制也可以同时导致图4中礼泉-双泉-临猗断裂(F25)的右行走滑运动。

图4 与六盘山挤压有关的口镇-关山断裂右行走滑体制Fig.4 The right strike-slip system of Kouzhen-guanshan fault associated with the the extrusion of Liupanshan

白相东等[31]的研究显示，临近口镇-关山断裂附近的上盘地层存在3组伸展方向，分别是(1)盆地NNW向南北伸展，代表口镇-关山断裂有轻微右行的南北伸展；(2)盆地NWW向伸展，代表口镇-关山断裂有剧烈的左行走滑活动并伴生伸展；(3)盆地近SW向伸展，代表口镇-关山断裂左行走滑微弱，盆地主要以南北伸展为主。从动力学的角度来理解，鄂尔多斯地块的逆时针旋转可以导致口镇-关山断裂的右行走滑，需要关注两者之间的联系。

2.4 东秦岭南北挤压运动体制

图5 东秦岭的南北挤压运动体制Fig.5 The NS extrusion movement system in the Eastern Qinling Mountains

来源于川东北的挤压力向东秦岭传递，这种挤压作用可以在韩城-临潼-长安断裂带(F7、F8、F9)东西两侧产生收缩量的差异，导致韩城-临潼-长安断裂带(F7、F8、F9)发生左行走滑，如图5所示。图5中韩城-临潼-长安断裂带(F7、F8、F9)中的F9断裂在南部依次分别在Q点切错余下-铁炉子断裂(F5)，在R点切错秦岭北缘断裂(F6)，且Q点错断量明显大于R点，说明本区运动驱动力来自于渭河盆地南部，也就是来自于东秦岭造山带。F7断裂、F8断裂在S点和T点也分别有一定的左行走滑切错量，向北则变形渐弱。从理论上讲F9断裂的左行走滑还可以在渭河南岸断裂(F3)渭南段发生左行走滑，不排除这种渭河南岸断裂(F3)渭南段左行走滑有该运动体制的贡献。F9断裂Q点错断量达到6km(包括了秦岭北缘断裂发生的拖曳性弯曲)，R点错断量达到3km左右，这两个数字都显示该运动体制所占盆地发展的时间比重必将不会很小，也或者该体制发生时即使时间不算长但挤压能量很大。这种体制作用积累的结果是东秦岭隆升量的有效积累，从区域山地海拔高度来看，东秦岭的海拔高度明显高于中秦岭，大概就是东秦岭的南北挤压运动所占的时间比很大或者挤压能量较强的缘故。刘护军[32]研究认为：1.2Ma.B.P至今，东秦岭平均的隆升速率为0.375mm/a，这个剧烈隆升阶段或者是东秦岭的南北挤压运动体制作用的结果。

2.5 中秦岭动力楔挤压体制

图6 中秦岭动力楔挤压模式Fig.6 The dynamic wedge extrusion model of Mid-Qinling Dynamic Wedge

白相东等[13]依据渭河盆地内断裂体系及GPS运动矢量数据，分析认为在渭河盆地中西部毗邻的中秦岭地区，从西南方向的四川地块向中“秦岭动力楔”传递而来的挤压应力峰点形成应力主轴，应力主轴两侧楔形地块普遍存在侧向挤出逃逸。白相东等[13]认为鄂尔多斯南缘现今地块相对运动规律符合“三头碰撞”模式，由四川地块在四川北部形成的挤压力可以通过“中秦岭动力楔”[13]将挤压力传入到渭河盆地。“中秦岭动力楔”挤压应力形成应力主轴(实际为应变数据推测的应力主轴)如图6紫色虚线箭头所示，本文中锋点主轴位置相对于白相东等[13]的研究略有东移。断层F15(灞河断裂)到断层F19(沣河断裂)之间围限的区域被切割为几个小型断块，断块南北被渭河南岸断裂(F3)和韩城-临潼-长安断裂带(F7、F8、F9)所围限，形成若干大小不等的“豆腐块”，这些“豆腐块”在“中秦岭动力楔”挤压力作用下可以发生右行走滑。

图6中沣河断裂(F19)从南向北分别在V点错断了韩城-临潼-长安断裂带中的F7断裂，在W点错断了余下-铁炉子断裂(F5)，显示了沣河断裂(F19)明显的右行走滑历史，这种右行走滑转换为地块(“豆腐块”)的扭动，可以进一步将右行走滑传递到皂河断裂(F18)，皂河断裂(F18)在X点错断了F7，也可能在Y点错断了浐河断裂(F16)，和在Z点错断了浐-灞河断裂(F17)，形成一套小型的右行走滑断层系。

在图6中，沣河断裂(F19)的右行走滑逐渐向右传递可以导致浐-灞河断裂(F17)右行走滑，F17在@点错断F3，并且，@点错断量明显大于Z点，说明地块在这里运动受阻，或者浐-灞河断裂(F17)的运动阻力相对小。“中秦岭动力楔”的挤压作用以及次生的变形还可以导致西安地块等“豆腐块”在渭河南岸断裂(F3)处发生左行走滑，渭河南岸断裂(F3)在临潼县城附近的#点明显发生左行走滑，错断了F9，这说明在“中秦岭动力楔”机制作用的早期曾经导致较大尺度渭河南岸断裂(F3)的左行走滑，传递到“#点”仍然走滑量较大。“中秦岭动力楔”的作用是渭河南岸断裂(F3)“#点”发生左行走滑的有利模式，前文中的东秦岭的南北挤压运动若发挥作用，产生的结果应该是渭河南岸断裂(F3)“#点”发生右行走滑，而非左行。

“中秦岭动力楔”挤压模式和白相东等[13]提出的鄂尔多斯地块、四川地块、豫西断隆(地块)发生“三头碰撞”模式是一致的，在“三头碰撞”模式下“中秦岭动力楔”代表四川地块挤压而来的能量，“三头碰撞”模式是基于目前GPS矢量得出的，可以认为是渭河盆地目前正在执行的运动体制。

3 动力学讨论

3.1 “轮流值班”论点的提出

前文提到的五种运动学体制或运动学模式产生的结果必将各自不同，但其结果无疑是从以上讨论的证据中是共存的。证据的共存性只是构造形迹的遗留，每种运动学机制产生的积累性活动量会部分地保留成为构造形迹，本文的核心构造形迹为断层走滑导致的错断量。五种运动体制可能存在不同的地质历史时期，并且每种运动学机制相关联的倾向性动力学解释模式也会不同，无论是某种运动学体制或者某种动力学解释模式，这些机制或者模式之间的关系就可能不是“零和博弈(互斥关系，最多只有一个正确)”，而完全可能是这些动力学模式都有正确性，历史上都曾发生过。既然多种动力学模式在历史上都发生过，多种运动学体制也都事实地存在过(本文的核心目的就是证明这五种体制都存在过)，笔者倾向于提出多体制和多动力学模式“轮流值班”论点，此思想是本文提出的五种运动学体制在地质历史时期曾经以一定的次序或随机无序地交替出现过，甚至不能排除重复出现的可能，对应的合理的动力学模式也曾经以一定的次序或随机无序地交替出现过，甚至也不能排除重复出现的可能。因此，所谓“轮流值班”论点，就是多种运动学体制交替轮换，多种动力学模式交替轮换，或者强弱位置发生转换，以协调诸多的机制和动力学模式，运动中各个模式“此起彼伏”。本文在观念上主要不是判断究竟哪个模式正确，而是什么时期哪个模式发挥了主体作用。不同运动学体制和动力学模式作用阶段，其构造应力场的格局也是不同的，渭河盆地也是如此。“轮流值班”论点并不是全新的观念，只是一种思想倾向。

3.2 时间主体观点与孰强孰弱倾向

从以上五种运动学体制的相关构造形迹证据来看，这些走滑错动量既有和动力方向来源相关性，也有整体错动量遗迹的大小比较，这些比较不是绝对的，如口镇-关山断裂发生过右行滑动，那么，左行的证据就由于存在右行“倒车”而小于实际的左行总量。能在本文图中保留错动量的运动都不会很小。

从现有数据来看，本区构造形迹的积累滑移量最大的是东西向左行走滑运动体制、北西-南东走滑运动体制、东秦岭的南北挤压运动体制这三种体制。口镇-关山断裂右行走滑体制和中秦岭动力楔挤压运动体制积累滑移量相对不大，且影响比较局部。东西向左行走滑运动体制、北西-南东走滑运动体制影响盆地全局，是两个作用时间可能更长的体制，东西向左行走滑运动体制是渭河盆地成盆的主体，北西-南东走滑系运动体制需要引起重视，需要系统地展开研究。中秦岭动力楔挤压运动体制虽然在历史上占时间份额不一定很大，但它是代表现今的模式，对现今构造应力场和地震发震是控制性模式，具有现今时效的控制性意义，其他三个积累滑移量较大的模式也具有强烈的积累性意义，其时间效应可能更加明显。

这五种运动学体制的强弱有别，第一种是东西向左行走滑运动模式是导致渭河盆地发展的主体模式，其它模式大多导致盆地整体缩小，但可能导致盆地局部的少量发展。

4 结论

根据渭河盆地断裂系统走滑切错关系，将渭河盆地断裂系统分解为五种断裂运动学体制，对应多种和邻区有相互作用关系的区域动力学模式。详述五种运动体制，认为：

(1)东西向左行走滑运动体制是导致渭河盆地扩展的重要模式，北西-南东走滑体制可能和鄂尔多斯盆地的挤压蠕散有关，口镇-关山断裂右行走滑体制可能代表了六盘山造山导致的鄂尔多斯地块相对东移甚至旋转，东秦岭的南北挤压运动体制导致秦岭北缘断裂的强烈弯折，并维持了华山、崤山的相对隆升状态，中秦岭动力楔挤压体制和目前的GPS数据反映的规律一致，代表了目前的渭河盆地挤压汇聚状态。

(2)多种运动学机制和动力学模式可以“轮流值班”、“此起彼伏”。