西秦岭北缘断层的多期变形演化及其构造动力学意义*

常璐璐 郭进京 常西玲 吴彦旺

（天津城建大学，地质与测绘学院 天津 300384）

西秦岭北缘构造带既是秦岭微板块与祁连地块（北秦岭）加里东—印支期板块拼贴缝合带（张国伟等，2001，2015），也是青藏高原东北缘新生代盆地沉积的控制性边界断层（甘肃省地质矿产局，1989），同时还是现今青藏高原东北缘的主要活动构造带之一。构造带基本构造格架由一系列北西西向区域断层和由断层所夹持的不同时代的地层块体所组成（郭进京等，2016）。构造带北侧广泛分布的天水盆地、临夏盆地、循化—贵德盆地等一系列新生代盆地和构造带内发育的区域断层多期构造变形现象为研究青藏高原向东北缘的扩展生长和高原东北缘地壳隆升和变形提供了良好条件。但前人多集中于对新生代沉积盆地的沉积地层序列、沉积环境、古生物、古地磁测年、裂变径迹测年、古气候和古地貌等研究，探讨青藏高原东北缘隆升和变形过程（Guo et al.，2002；Fang et al.，2003，2005；Horton et al.，2004；方 小 敏 等，2007；刘 少 峰 等，2007；Wang et al.，2011，2012a，2012b，2012c；Liu et al.，2013），而对断裂构造系统变形历史及其几何学—运动学特征，多局限于第四纪以来的断层左旋走滑作用、断层活动性分段、断层地貌等特征研究（袁道阳等，1999；李传友等，2007；邵延秀等，2011），尚缺乏对主要区域断层带本身记录的断层变形期次、方式、几何学—运动学等特征详细构造分析，这不仅限制了对青藏高原东北缘新生代以来地壳变形演化的完整过程的认识，而且使得对北缘构造带北侧的新生代盆地到底是挤压缩短背景下的挠曲前陆盆地（方小敏等，2007；刘少峰等，2007；袁道阳等，2007）或压陷盆地（张克信等，2010；潘桂棠等，2013，2017），还是伸展背景下的断陷盆地（Wang et al.，2012a；郭进京等，2017）或是走滑拉分盆地（Wang et al.，2012c）等科学问题认识缺乏来自控盆断层本身变形历史和几何学—运动学地质数据的支撑或约束。西秦岭北缘北西西向区域性断层的断层带宽度达近百米，且具有复杂的物质组成、结构特征和丰富的多期构造变形形迹；因此，西秦岭北缘断层带详细的构造解析对于正确恢复西秦岭北缘新生代构造变形历史，限定新生代沉积盆地构造属性，深化对青藏高原东北缘隆升和构造变形时空动力学过程认识、揭示印度板块—欧亚板块碰撞汇聚的远程构造响应等都具有重要的科学意义。本文通过对西秦岭北缘新生代盆地南边界断层典型剖面的构造变形较详细观测分析，特别是多方位、多期次的构造破裂面形态学、几何学、运动学特征及其截切指示的先后关系或相互截切的共轭关系的研究，辨认出了F1断层至少经历了6期变形性质不同、形态学—几何学—运动学特征各异的构造变形事件。这为正确厘定新生代盆地不同阶段的构造属性、青藏高原东北缘地壳变形方式和变形历史等提供了构造约束，也为探讨青藏高原东北缘地壳变形动力学提供了科学依据。

1 区域地质背景

漳县—武山地区的西秦岭北缘构造带现今构造格架主要由自南而北发育的F1、F2、F3、F4等4条北西西向的主干断层和由断层所夹持的不同时代的地层块体组成的构造带（图1）。这些北西西向区域性主干断层多发育数十米甚至百余米宽的断层带。断层带蕴含了丰富、多期、多性质的构造变形信息，加上受断层控制或改造的新生代沉积盆地的沉积地层记录较完整，为研究断裂构造变形演化及其与新生代沉积盆地的构造配置关系提供了良好条件。研究区内前新生代地层包括下古生界李子园群、泥盆系大草滩群、石炭系巴都和下加岭组、二叠系大关山组和石关组等造山带地层和鸳鸯镇蛇绿混杂岩及与蛇绿混杂岩共生的加里东期同碰撞型浅灰色中细粒二长花岗岩侵入体（甘肃省地质调查院等，2007①甘肃省地质调查院.2007.合作幅、岷县幅1∶250 000区域地质调查报告.兰州：甘肃省地质调查院.）和白垩系磨沟组红色砾岩、砂砾岩和风成砂岩；新生代沉积地层包括角度不整合在下伏造山带地层之上的渐新统—中新统含盐红层地层和近水平角度不整合覆盖在渐新统—中新统含盐红层地层之上的上新统韩家沟砾岩（郭进京等，2016）。

图1 西秦岭北缘漳县—武山地区地质图（据脚注①修改）Fig.1 Geological sketch map of Zhangxian-Wushan area in northern margin of West Qinling（modified after①）

下古生界李子园岩群由黑云二长变粒岩、灰色黑云斜长变粒岩夹浅灰色长石石英岩、二长浅粒岩、黑云纤闪石角岩、透闪石大理岩等组成；鸳鸯镇蛇绿混杂岩由绿帘阳起片岩、阳起斜长片岩、黑云钠长角闪岩，含石榴子石绿帘钠长角闪岩等变质基性—中基性火山岩和蛇纹岩、滑石蛇纹岩等变质超基性岩组成（董云鹏等，2008；裴先治等，2009）；泥盆系大草滩群主要由紫红色—紫色—紫灰色中薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩与灰色—灰绿色中薄—中厚层状长石石英砂岩、细砂岩、粉砂岩及粉砂质泥岩组成；石炭系包括由深灰—浅灰色长石石英砂岩、石英砂岩、钙质岩屑砂岩、粉砂质板岩、粉砂岩夹泥灰岩及少量煤线、含牙形石、珊瑚、有孔虫等化石组成的下石炭统巴都组和由深灰—褐灰色钙质岩屑砂岩、石英砂岩、钙质粉砂岩、岩屑灰岩、含生屑砂屑灰岩夹泥灰岩、粉晶灰岩、含炭板岩组成的韵律层组成的上石炭统下加岭组；二叠系包括由灰白—深灰色微晶灰岩夹砂屑灰岩、生物碎屑灰岩、泥质—粉砂质板岩组成，且沉积旋回发育的中二叠统大关山组和由细粒长石石英砂岩、岩屑石英砂岩、粉砂质页岩与生物灰岩、角砾状灰岩、泥灰岩互层或夹层组成，含丰富的腕足、珊瑚化石的上二叠统石关组；白垩系磨沟组主要由紫红色—红色厚层砾岩、砂砾岩与含砾粗砂岩、粉砂泥岩互层组成。

新生代地层包括：1）渐新统—中新统的多个河流相—湖泊相沉积旋回组成，每个旋回由河流相砾岩、砂岩、砂砾岩和湖相细砂岩、粉砂岩、泥岩组成的红色岩系和上部灰色—灰黑色—深紫红色的泥岩、泥灰岩、灰岩和石膏—岩盐等蒸发岩组成的灰色岩系（郭进京，2017）；2）上新统砾岩分布在漳县北部方家沟—韩家沟—裴家沟—红沟一带和F4断层以北广大区域，这套砾岩以厚度大、单层厚、粒度粗、分选差、基底砂砾质胶结、次棱角—次圆状为主要特征，是以西秦岭北缘逆冲断层为边界，物源主要来自南侧西秦岭造山带地层的近源快速堆积的冲洪积扇砾岩组合（郭进京等，2017；许何弘昕等，2020）。

西秦岭北缘构造带中F1断层是新生代沉积盆地的南边界断层，是西秦岭北缘新生代盆—山构造和区域地质演化中具有代表性的构造形迹，其近百米的断层带和带内包含的多种构造岩类型和多期、多方位的形态各异，几何学—运动学各不相同的断层面及滑动线理等为研究断层变形历史提供了良好条件，是本文的主要研究对象。

2 西秦岭北缘构造带F1断层总体特征

西秦岭北缘构造带主要由一系列北西西向（290°～300°）区域性断层及由这些断层所夹裹的不同时代地层块体组成。这些断层或控制了渐新统—中新统地层或控制了上新统砾岩层。其中F1断层控制渐新世—中新世红层盆地沉积，该断层发育宽度达百余米的由断层破碎带、断层泥带和夹裹其中的巨大二叠系灰岩块体或透镜体组成的复杂结构的断层带，断层带内断层岩类型多样，既有发育S-C组构的韧性剪切变形的构造岩和韧—脆性变形的透镜化—片理化构造岩，还有各种脆性变形的胶结的或未胶结的断层碎裂岩、碎粉岩、断层角砾岩、断层泥等，如大墙沟断层剖面（图2）和大大沟断层剖面（图3）所示。断层带内不同产状、不同形态、不同运动学特征的构造面极为发育，特别是在断层带内的灰岩或碎裂灰岩块体中，发育各种形态（波状、弧状、平直状）、各种规模的线理，如不对称的窗棱线理、粗大擦脊和擦槽、细小擦痕线理和形态各异的阶步、反阶步，各种运动学特征（正断、逆冲、近直立左旋和右旋）、各种方位（东西向、南北向、北东向、北西向）的同期或不同期的断层面或摩擦镜面等构造破裂面（图4～图8）。这些丰富多样的构造形迹指示了西秦岭北缘构造带控制性边界F1断层在新生代以来多期复杂的构造变形演化历史。

图3 西秦岭北缘构造带新生代盆地南边界断层（F1）构造剖面图—大大沟剖面（位置见图1）Fig.3 Tectonic section of south boundary fault（F1）of the Cenozoic basin in the West Qinling northern margin tectonic belt（location seen in Fig.1）

漳县东孙家峡村西大墙沟内和武山县高楼镇漳河南岸大大沟内的F1断层出露完整（剖面位置见图1）。其中大墙沟内的F1断层带宽百余米，断层带南盘为泥盆系长石石英砂岩，北盘为渐新统砾岩，断层带自南而北可以分为以下10个不同类型的断层岩带（图2）：

图2 西秦岭北缘构造带新生代盆地南边界断层（F1）构造剖面图—大墙沟剖面（位置见图1）Fig.2 Tectonic section of south boundary fault（F1）of the Cenozoic basin in the West Qinling northern margin tectonic belt（location seen in Fig.1）

①20～30 cm宽的灰黑色断层泥带；

②1 m宽的土黄色胶结碎裂岩带；

③10～20 m宽的巨大二叠系灰岩构造透镜体，岩石多呈胶结的角砾岩，发育北东、北西和东西向小型断层带或断层摩擦镜面或节理带；

④10～20 cm宽的土黄色胶结断层碎裂岩，其南为北西走向，向北陡倾的断层摩擦镜面，断层面上发育近水平擦痕线理；

⑤8 m宽的韧性变形的糜棱岩—构造片岩带，发育S-C面理和不对称眼球状构造；

⑥6 m宽的灰黄色未胶结的含断层角砾的碎粉岩—角砾岩化带，北边界为红色近东西向直立的断层摩擦镜面，摩擦镜面上发育向南东侧伏的擦痕线理，阶步指示斜向左旋走滑；

⑦3 m宽的灰红—灰黄杂色透镜化-片理化带；

⑧10～15 m宽的灰色二叠系碎裂灰岩透镜体；

⑨15～20 m宽的薄层状—条带灰岩和黑灰色片岩构成的透镜片理化带；

⑩20～30 m宽的土黄色二叠系块状灰岩块体，内部多碎裂—角砾岩化，但胶结好。发育近南北向和北西向近直立的小型脆性断层带，断层带内脆性破裂面发育，断层碎裂岩未见胶结。

武山县高楼镇漳河南岸大大沟内F1断层剖面出露良好，断层带宽度达110 m，断层带主要由一系列断层破碎带和灰岩块体或透镜体组成，自南向北可以分为10个不同断层岩带（图3）：

①25 m宽的二叠系大型灰岩块体，发育一系列各种方向、各种形态的断层面，并且断层面上多发育清晰的擦痕或滑动线理；

②5～8 m宽的灰岩块体中断层碎裂岩—碎粉岩带；

③20 m宽二叠系灰岩块体，实际上是断层带内的大的构造透镜体，发育大量各种方向、各种形态的断层摩擦镜面；

④7～8 m宽的碎裂岩—断层角砾岩碎粉岩带，带内夹裹大量构造透镜体；

⑤8～10 m宽的二叠系灰岩透镜体，发育南北向弧形滑动面与光滑的摩擦镜面，面上发育两组擦痕线理与阶步；

⑥8～10 m宽的黑色石墨化断层泥带，构造面理发育，夹裹有砂岩透镜体；

⑦3～5 m宽的巨大二叠系灰岩构造透镜体，透镜体中发育两组共轭剪节理，擦痕线理与阶步，线理近水平，且含有方解石脉；

⑧9 m宽的断层碎粉岩带，其中发育较大的灰岩构造透镜体和灰黑色砂质板岩构造透镜体，构造透镜体边部被构造劈理或光滑的断层摩擦镜面所围限；

⑨2 m宽的断层角砾岩带，其中发育宽约50 cm的小型脆性断层碎粉岩带；

⑩7 m宽的渐新统—中新统红色砾岩、砂砾岩断层破碎带、透镜化带，发育密集脆性破裂面，紧邻断层破碎带的砾岩层产状变陡，而远离断层破碎带则变缓，甚至近水平。

上述F1断层两个剖面中不同产状和不同运动学特征的断层摩擦镜面发育，其中包括北西西走向的主断层面，还有与主断层面斜交或直交的断层摩擦镜面，包括北东走向、北西走向和南北走向的断层面，这些断层面上滑动线理、阶步等运动学标志指示了左旋或右旋、逆冲或斜向逆冲等（图4，图5a～图5e，图6a～图6j，图7a～图7e，图8a～图8e）。根据这些断层面形态特征差异、运动学特征、先后截切关系或共轭关系等可以确定其变形期次（见后述）。

图4 西秦岭北缘南部边界断层（F1）内主要断层摩擦镜面及擦痕线理极射赤平投影图Fig.4 Stereonet projection of slickenside and slip lineations developed in the south boundary fault（F1）in the northern margin of West Qinling

3 西秦岭北缘构造带新生代盆地南边界断层（F1）几何学—运动学特征

断层是地壳中最主要的构造类型之一。断层构造岩类型及形成机制、断层的几何学—运动学、断层形成的力学机制、断层与盆地耦合关系、断层对固体矿产及油气资源形成富集控制作用、断层活动与地震作用等研究都是断层研究重要内容。一般来说，断层岩研究（孙岩等，1985；何永年等，1988；Snoke et al.，1998；Lin，2001）、断层几何学—运动学—动力学分析（Hobbs et al.，1976，2015；庄培仁等，1996；朱志澄，1999；陈颙等，2001；宋鸿林等，2013）、断层变形模式研究（Sibson，1977，1980；Shimamoto，1989；Scholz，2002；林爱明，2008）是断层研究的基本内容。按照变形性质可以分为韧性断层、脆韧性断层、韧脆性断层和脆性断层（Ramsay，1980）。但多期构造变形演化地质区域的断层，往往经历了多期而且具有多种性质变形演变历史，因此，断层构造变形的复杂性非常突出。西秦岭北缘新生代盆地南边界F1断层带内既发育韧性变形—脆韧性变形的断层岩和构造面理，又发育脆性变形的胶结或未胶结碎裂岩和丰富的多方向、运动学各不相同、形态差异明显的断层滑动面和滑动线理，这些断层岩和构造变形形迹及其运动学标志指示该断层复杂的多期变形演化过程。如何从F1断层复杂的构造现象分析、辨别、筛分出不同期次变形记录，建立断层带构造变形时空演变序列及动力学模型是本文要解决的核心问题。我们通过对F1断层断层岩特征野外观察、构造要素的几何学—运动学和形态差异分析，识别出至少6期不同性质的构造变形。

3.1 F1断层中韧性剪切变形现象

西秦岭北缘F1断层带中韧性剪切变形记录出现在大墙沟剖面（图2）上的⑤、⑦和⑨断层岩带。最典型韧性变形现象保存在糜棱岩或构造片岩带中，不仅片理发育，而且还发育清晰的指示南升北降运动学特征的S-C面理和不对称眼球状构造（图5d）。灰岩透镜体边部韧性变形的不对称弧形构造指示的运动学特征（图5e）与糜棱片岩或构造片岩中S-C面理和不对称眼球状构造指示的南升北降的运动学特征相同。剪切带走向呈北西290°～300°，向北东陡倾，这与F1断层带总体走向基本一致，但与晚期脆性断层面产状相比，倾角较缓，多在60°～70°之间。断层带中这些韧性变形断层岩与晚期的脆性变形断层岩完全不同，并且为后期脆性断层形成胶结的土黄色碎裂岩、未胶结断层角砾碎粉岩和断层摩擦镜面所截切改造（图5b、图5c）。由于后期脆性断层作用改造，特别是挤压逆冲作用，可能导致这期韧性剪切带倾角变大。但从断层带现今保留的韧性剪切变形带及其几何学—运动学特征来看，这期韧性剪切变形应该为伸展正断型韧性剪切作用。

3.2 F1断层中脆—韧性剪切变形现象

F1断层带还保存有既非典型的韧性变形，又非典型的脆性变形的构造岩类型（图5c、图5e，图6g），这种构造岩主要由强变形的片理化带（破碎细粒化带）和弱变形不连续分布的形态各异的灰岩透镜体组成，构造透镜体本身既有韧性弯曲形成的不对称弧状构造，又有与破裂面斜交的脆性破裂面，构造透镜体排列平行构造面理，不对称构造指示运动学方向与上述韧性变形带一致（图5e）。我们把这类变形现象确定为脆—韧性过渡变形性质。鉴于断层带中韧性剪切变形和脆—韧性剪切变形的运动学一致性和变形性质的过渡性，认为这可能反映了断层带变形过程中逐渐抬升导致了韧性到脆—韧性的变形转换，是断层带连续剪切变形之结果。

3.3 F1断层中脆性变形现象

F1断层带内脆性变形现象最为普遍，并且表现形式多样，胶结的断层角砾岩、黑色或灰色断层泥带、土黄色含角砾的断层碎粉岩、平坦的断层摩擦镜面和节理发育的破碎带等（图5b～图5c，图6c～图6e、图6h、图6j）。

土黄色胶结角砾岩在大墙沟剖面非常普遍，断层带南部的灰岩块体和北部的灰岩块体，大部分是碎裂的角砾岩（图6a、图6c、图6i），这种断层角砾岩宏观特征表现为特征性土黄色，胶结程度好，粒度均匀，无定向组构，微观上呈碎裂结构和网状结构；南边界两组剪切破裂面围限的长轴近直立的菱形构造透镜体本身就是碎裂岩块体（图5a）；透镜体边部和内部与主断层斜交或直交的北西向和北东向小型断层摩擦镜面一侧土黄色断层角砾岩，其中可见灰色灰岩角砾，与灰色结晶灰岩之间边界或清晰或逐渐过渡，而灰色灰岩中发育与断层近直交的不连续张裂方解石脉体（图6b）；南边界还发育强烈挤压剪切形成的黑色或紫红色断层泥砾岩带以及北边界土黄色胶结碎裂岩带逆冲作用造成砾岩层产状翘起变陡，这些构造特征都指示了这期脆性断层作用具有挤压逆冲的运动学特征（图2，图6c）。这期脆性断层倾角与前述韧性剪切带相比，明显变陡（倾角为75°～80°）。土黄色胶结碎裂岩出现在近百米断层带的不同构造部位，指示了这期脆性断层作用不是沿一个断层面发生，而是整个断层带在区域强烈挤压构造应力作用下断层带中变形局部化结果。按照断层双层或三层模式，这些胶结的碎裂岩不是地表浅层次的断层作用，而是4 km之下脆性断层（Sibson，1977，1983；林爱明，2008）。

图5 西秦岭北缘F1断层断层岩特征和构造要素的几何学—运动学标志（见图2大墙沟剖面）Fig.5 Fault rock types in F1 fault zone and geometry-kinematics characteristics of various tectonic elements developed within F1 fault zone in the northern margin of West Qinling（seen in Fig.2 Daqianggou section）

图6 西秦岭北缘F1断层内脆性变形形迹的几何学—运动学标志（见图2大墙沟剖面）Fig.6 Geometry-kinematics of the brittle faulting in F1 fault zone of the northern margin of West Qinling（location seen in Fig.2 Daqianggou section）

未胶结的断层碎裂岩在大墙沟和大大沟剖面都常见，未胶结的含角砾碎粉岩，其特征都表现为疏松、散体的碎粉岩或角砾岩，它们为北西西向向北陡倾的断层面边界所限定，如大墙沟剖面的灰黄色含大量角砾的碎粉岩（图5b，图6g）和大大沟剖面的灰色—灰黑色断层泥带和灰红色的碎裂—角砾岩化断层带（图3中④、⑥），内部角砾多呈棱角状，由于断层岩本身缺乏显著的运动学标志，尚难以判断其运动学特征，但根据限定其边界的断层面产状与上述的土黄色胶结碎裂岩相同，推断其与土黄色胶结碎裂岩代表的脆性挤压逆冲断层作用形成于同一期构造挤压应力场的作用，代表了这期脆性断层作用持续时间内逐渐抬升至近地表层次构造变形迁移局部化的结果。

在大墙沟剖面上见到大型北西西向近直立的红色断层摩擦镜面，镜面上擦痕线理发育，向南东侧伏，断层摩擦镜面非常平直光滑，产状近直立，略向北倾，摩擦镜面上擦痕线理十分发育，指示斜向左旋走滑的特征（图6h）。这种断层摩擦镜面发育于力学性质较弱未胶结的断层角砾碎粉岩的北边界，并且形成了3～5 cm宽的红色断层碎裂岩，切割韧性变形构造片岩和土黄色碎粉岩带，应该代表了F1断层最新一次的快速斜向左旋走滑作用，这可能与西秦岭北缘第四纪以来的区域性断层左旋走滑作用相对应（李传友等，2007；郭进京等，2013）。

在大大沟剖面，F1断层脆性变形还表现在对渐新统砂砾岩的强烈构造改造上。如图8e所示，砂砾岩层已经被近直立的断层改造的面目全非，失去其地层特性，一系列断层破裂面把砂砾岩切割和剪切形成透镜化—劈理化破碎带，内部还发育共轭破裂面，把砾岩切成小型菱形透镜体。不仅如此，破裂带北侧砂砾岩地层产状明显向南翘起，远离断层带地层恢复正常近水平状态（图3），大墙沟剖面北侧砂砾岩地层产状变化也具有类似特征（图2），这说明F1断层晚期变形发生在渐新世—中新世红层盆地沉积充填之后。同时也指示了这期脆性变形具有挤压逆冲的运动学特征，只是断层面产状近直立，更有可能是盆地南部块体向上挤出隆升。

3.4 叠加或复合在北西西向F1断层之上的断层作用形成的断层面特征

F1断层除了上述沿北西西向韧性变形、韧脆性变形、脆性变形现象外，在其内部，特别是灰岩块体或胶结的角砾岩化灰岩块体或构造透镜体，甚至脆性断层破裂带中，都可发现大量的与主断层走向不一致的各种断层面或摩擦镜面，这些构造破裂面有些可能与主断层有关，有些可能与主断层无关的构造变形形迹，但这些构造形迹也是断层变形历史的一部分，甚至说是区域构造变形的一部分。下面我们对不同方向的断层面特征、运动学特征及其可能的先后关系进行分析讨论。

（1）F1断层带中南北向断层（走向350°～10°）主要表现为近直立的断层摩擦镜面，摩擦镜面平整，擦痕线理和阶步发育，多指示水平右旋走滑，有时可见宽30～50 cm的断层角砾岩带（图8a，图3中④）；南北向断层还发育向东中等倾斜断层面，断层面上擦痕粗大，阶步和反阶步指示了东盘向西逆冲（图8a）；在孙家峡断层剖面上也可见到近南北向向西陡倾的断层面上沿倾向逆冲的滑动线理（图8b）；这种线理特征的差异，指示其形成的环境和变形速率的差异，运动学的不一致，说明其可能是独立的一期构造变形事件，反映了一次东西向挤压缩短的构造应力场作用（图9c）；但多数南北向断层面上擦痕线理指示了右旋滑动的特征，这与北西西向主断层的近水平左旋滑动运动学上相匹配，构成了共轭破裂系统（图7d、图7e）。南北向断层切过北西西向主断层带（图6i），说明其形成时期晚于北西向和北东向断层。

（2）F1断层带中北东向断层摩擦镜面（走向50°～60°）非常发育，断层面形态变化较大，如大大沟剖面南部的灰岩块体中出现总体向南东倾的发育斜向较粗大擦痕的弧形断层滑动面，又有近直立的比较平整、发育近水平滑动线理的滑动面（图7a），前者运动学标志指示南东向北西斜向逆冲，而后者则显示水平右旋滑动特征；在孙家峡大墙沟剖面，F1断层带南部灰岩透镜状块体中发育的北东向断层摩擦镜面多光滑平整，擦痕线理水平，阶步指示左旋滑动（图6e，图8d），还可看到北东向断层面上两期滑动线理，早期擦痕线理较粗大，产状近水平，擦脊、擦槽和阶步多指示左旋走滑；晚期的擦痕线理较细小，向南西侧伏，侧伏角20°～30°，也显示左旋走滑的特征（图6f）。

（3）F1断层带中北西向断层面（走向330°）同样发育广泛，断层面产状多近直立，有的断层面略向北东倾斜，断层摩擦镜面光滑，镜面上可见早期的倾斜擦痕和晚期的近水平擦痕，前者显示出北东盘上升，南东盘下降的运动学特征（图6b），而水平擦痕则显示出右旋滑动的特点（图6d）。

（4）F1断层带中近东西向的断层摩擦镜面与主断层走向基本平行，但几乎都近直立，断层摩擦镜面上擦痕线理同样有两期，早期擦痕线理向南东侧伏，晚期擦痕线理近水平，但其运动学标志都指示斜向或水平左旋走滑（图7e，图8c）。

图7 西秦岭北缘F1断层（大大沟）几何学—运动学标志（见图3大大沟剖面南部）Fig.7 Composition and kinematic indicators developed within F1 fault zone in the northern margin of West Qinling（location seen in Fig.3，in the southern of Dadagou section）

图8 西秦岭北缘F1断层几何学—运动学标志（见图3大大沟剖面北部）Fig.8 Composition and kinematic indicators within F1 fault zone in the northern margin of West Qinling（location seen in Fig.3，in the northern of Dadagou section）

断裂带中上述的北西向、北东向和南北向断层滑动面与北西西向主断层走向都呈一定角度相交，并且截切主断层的韧性变形、脆韧性变形、脆性变形带，几何学—运动学也与主断层的滑动难以匹配协调，因此，我们认为这些断层摩擦镜面是叠加复合在北西西向主断层之上的新构造变形事件。也就是说F1断层带在这些破裂形成过程中已经只是一个独立而被动的地质体卷入了区域构造变形，如果某期构造挤压应力方向产生的破裂与断层面产状相近，则发生平行主断层的破裂或已有破裂面的复活滑动。这也与西秦岭北缘新生代红层盆地地层中同样发育北西、北东、南北、东西4组构造破裂面（小断层或节理）得到佐证。

3.5 F1断层内共轭断层系统和构造应力场分析

共轭破裂构造是上地壳变形的主要构造形式（Anderson，1951；朱志澄，1999；Zheng et al.，2004，2011，2015）。利用共轭破裂构造反演古构造应力场是最常用并且有效的方法（万天丰，1988），尽管关于共轭破裂的锐夹角等分线还是钝夹角等分线是最大主压应力方向还存在不同观点（万天丰，1984；Zheng et al.，2015），但以共轭破裂确定的滑动方向为依据确定最大主压应力方向却是最可靠的。

F1断层带内发育的北东向、北西向、南北向、东西向断层摩擦镜面并非都是由独立的构造变形事件形成，从断层摩擦镜面特征和几何学—运动学匹配情况看，存在共轭破裂的现象。如在大大沟剖面上可见到北西走向和北东走向两组擦痕线理粗细和形态相近的断层摩擦镜面，并且都呈一定角度的侧伏，北东向右旋，北西向左旋，构成了最大主压应力近东西向的共轭破裂系统（图7b、图7c），最大主压应力对应的共轭角为104°，说明这期破裂变形速率较缓慢滑动的特征（Zheng et al.，2015）；在北部砂砾岩断层破碎带内还可见到走向分别为近南北向和近东西向两组摩擦镜面特征相同、运动学相匹配的共轭破裂，最大主压应力方向为北东—南西向（图7d、图7e）。在大墙沟剖面也可见到走向为北东向和北西向两组断层镜面光滑、擦痕线理水平、北东向左旋、北西向右旋运动学匹配的共轭破裂面，最大主压应力方向为近南北向（图6d、图6e）。上述共轭破裂现象是断裂带内常见的构造现象，这与漳县盆地渐新统—中新统含盐地层和上新统砾岩中发育的北东和北西、南北和东西向的两套共轭节理系统（陆宏宇等，2018；郭进京等，2021）相吻合，说明这套共轭破裂系统具有区域性的地质意义。

4 西秦岭北缘构造带F1断层的构造变形期次及几何学—运动学

综上所述，F1断层的断层带结构复杂，断层岩类型多，断层带内各种方向和形态的面状和线状构造，反映了断裂带构造变形历史的多期性和复杂性。依据上述对断层带丰富构造现象的性质、几何学—运动学特征的综合分析，根据变形性质差异、断层面和滑动线理特征的不同、几何学—运动学匹配和构造切割或迁就关系，提出F1断层经历了6期不同性质的构造变形演化（图9）。

第一期，韧性—韧脆性伸展正断层作用（图9a）。断层总体走向290°～300°、倾向北北东，倾角60°～70°，北盘下降，南盘上升。主要构造标志为：发育S-C组构的强烈韧性剪切的条带状构造片理化带，不对称眼球状构造及波状滚动面的不对称性等都指示了南升北降的伸展正断作用。这期变形形迹被之后断层活动形成的构造形迹所截切或改造。这种韧性—韧脆性变形应该形成于约10 km左右的脆韧性转换带（Sibson，1977），之所以出露于现今位置，应该是F1断层后期挤压收缩变形过程中逆冲或挤出所致，且这期伸展正断作用控制了断层北侧渐新世—中新世的红层盆地（郭进京等，2021）。

第二期，缩短—挤出—逆冲断层作用（图9b）。走向仍为北西290°～300°，向北倾，但倾角变陡，甚至近直立。以黑色—红色断层泥、石墨化的黑色断层泥及菱形黄色胶结碎裂岩、断层角砾岩、含角砾的碎粉岩为代表。在大大沟断层剖面上发育有近30 m宽的红色渐新统砾岩卷入断层而形成向北陡倾断层破碎带（图8e）。构造透镜体斜列、扁平面平行断层带，且长轴与断层面倾向一致，加上断层岩挤压特征明显和北边界的砾岩产状逆冲抬升翘起，说明该期断层作用具有近南北向挤压构造应力作用下的高角度逆冲断层的特征。运动学特征同样为北降南升，并且显示出北盘为主动盘的特点。由于这期逆冲活动造成渐新统沉积地层向上翘起而产状变陡，这种现象在大墙沟剖面和大大沟剖面都可见到。这期变形形成的宽度达8 m黑色石墨化断层泥带、灰岩透镜体或断层夹裹块体普遍碎裂岩化和在碎裂岩化基础上大量弧形滑动面及滑动线理指示的逆冲作用以及宽度达7 m碎粉岩、角砾岩带等（图3中④、⑥），指示了这期变形规模和强度大、持续时间长。同样，形成于不同深度的胶结碎裂岩和未胶结的碎裂岩应该也是同一构造应力场作用下断层带从一定深度逐渐抬升至表层而出现断层岩类型的变化。

图9 西秦岭北缘构造带F1断层多期变形几何学—运动学模型（说明见正文）Fig.9 Geometry and kinematic model of F1 fault in the northern margin of West Qinling tectonic belt（seen text for instructions）

第三期，东西向挤压构造应力作用下的近南北向逆冲断层作用（图9c）。主要依据南北走向向东中等倾斜的逆冲断层摩擦镜面（图8a）和向西陡倾的逆冲断层摩擦镜面（图8b）以南北向轴为对称中心发生对冲运动。

第四期，近直立的北东向和北西向断层摩擦镜面和其上斜向逆冲擦痕线理（图9d）。北东向断层指示右旋，北西向断层指示左旋，这两组破裂面具有共轭破裂关系。利用共轭破裂反演出的构造应力场中最大主压应力近东西向（图7b、图7c）。

第五期，南北向挤压构造应力作用下（图9e），形成的近直立的北东向和北西向共轭破裂系统。破裂面表现为断层摩擦镜面或小型断层带，无论北东还是北西向摩擦镜面上擦痕线理都近水平，指示北东向断层面左旋走滑、北西向断层面右旋走滑。两组断层摩擦镜面显示共同的形态特征，运动学特征指示其为共轭破裂系统（图6d、图6e）。

第六期，北西西向或近东西向左旋走滑断层和近南北向右旋走滑断层构成了几何学—运动学协调的共轭破裂系统（图7d、图7e）。北西西或近东西向断层（主断层）主要表现为无胶结的碎裂岩带和近直立的红色摩擦镜面，摩擦镜面上既有近水平的擦痕，又有斜向擦痕，但都呈左旋。而南北向直立断层也发育无胶结的碎裂岩带和近水平右旋擦痕。这是F1断层最新的构造变形，并且与西秦岭北缘断层以左旋走滑型地震为主相吻合（图9f）。

5 F1断层带多期变形时代约束及地质意义讨论

根据对西秦岭北缘新生代盆地南边界断层（F1）断层带内发育构造岩类型、构造面理、脆性破裂面、运动学标志和构造面之间的截切关系等观测和分析，辨别筛分出了6期不同性质和几何学—运动学特征的构造变形事件，其中第一期和第二期变形是F1断层主要变形期，也可以称之为断层定型期，而第三期—第六期变形事件则是区域构造变形在断层带中反映，断层带只是作为被动的地质体单元参与变形，只是断层带作为结构高度不均匀的地质单元，构造应力易于集中，对构造应力的反应也比较敏感的部位，因此，大量的变形记录出现其中。虽然目前对F1断层的这6期变形发生和持续的时间尚缺乏来自断层带物质本身的构造测年数据约束，但我们认为F1断层构造变形演化过程不是孤立的地质事件，断层的主要变形期应该与新生代盆地形成的充填过程、盆地改造过程和其他区域构造变形过程在内的时空耦合关系，实际上，西秦岭北缘断层常被默认为新生代挠曲前陆盆地的边界逆冲断层（方小敏等，2007；刘少峰等，2007），只是都没有来自断层本身构造变形证据的支持。下面我们从断层带本身变形期次及几何学—运动学特征，结合西秦岭北缘新生代沉积盆地沉积地层记录及地层本身构造变形特征分析，讨论F1断层多期变形的地质时代约束。

（1）如前所述，F1断层构成西秦岭北缘渐新世—中新世漳县含盐红层盆地的南边界，代表新生代沉积盆地的控制性边界断层。而漳县渐新统—中新统沉积地层总体上具有下粗上细的多个正旋回沉积充填特征，沉积厚度达3 600 m（郭进京等，2017）。这一巨大沉积空间是由逆冲压陷产生，还是伸展断陷产生，要从断层与盆地几何学—运动学配置来约束。如果是逆冲压陷，那就要求F1断层必须向南倾，但上述百余米宽F1断层带中并不存在向南倾的逆冲断层，相反最早期的变形却是向北倾的伸展正断层，而且这一伸展正断层变形具有韧性—脆韧性变形的特征，显然F1断层这期变形特征不支持压陷盆地的观点；结合新生代漳县含盐盆地是一个典型由河流相—洪泛相砾岩、砂岩、砂质泥岩到湖相泥岩—钙质泥岩—泥质灰岩的正旋回沉积，具有伸展构造盆地的特征（陈发景等，2007；郭进京等，2017）分析，认为西秦岭北缘新生代漳县含盐红层盆地只能是伸展断陷盆地，而不可能是逆冲压陷盆地。如果考虑漳县含盐盆地3 600 m沉积厚度（郭进京等，2017），那么西秦岭北缘F1断层伸展断陷幅度至少在4 000～5 000 m，那么现今盆地底部砾岩层与断层韧性—脆韧性变形的断层带出现在同一空间位置，说明其至少是5 km处断层变形的现今出露，考虑到伸展上升盘的剥蚀和陆相盆地的非连续性沉积，这一深度应该更大。那么，F1断层带的第二期逆冲变形是否可以作为新生代盆地控制性边界断层来支持压陷盆地的观点呢？F1断层第二期变形强烈改造了与断层相邻的新生代盆地底部的砂砾岩层，使其成为断层带的组成部分，显然F1断层第二期强烈的脆性逆冲变形并不能作为压陷盆地的构造依据。据此，我们有理由相信，F1断层第一期韧性—脆韧性伸展正断作用是与漳县渐新统—中新统含盐红层盆地相匹配的构造变形。那么漳县渐新统—中新统含盐红层盆地无疑具有伸展断陷盆地性质，这在一定程度上约束F1断层第一期变形发生在渐新世，持续到中新世末期。

（2）F1断层第二期缩短—挤出—逆冲断层作用，由于造成断层北侧渐新统—中新统砾岩向北翘起和底部砾岩卷入断层带变形形成断层碎裂岩—透镜化带，这次变形应该始于漳县渐新世—中新世含盐盆地沉积充填结束后或盆地反转封闭阶段漳县盆地最顶部的河流相砂砾岩、砂岩沉积的时间，即中新世末期（郭进京等，2017）。考虑到这次逆冲作用规模大，对漳县盆地改造强烈，和图1中F2断层发育类似的碎裂岩和黑灰色断层泥，以及F2断层北侧上新统韩家沟砾岩具有再生前陆磨拉石盆地特征（许何弘昕等，2020），认为这次冲断可能持续到上新统韩家沟砾岩形成，即上新世末期或第四纪初期。

（3）F1断层第五期和第六期变形，由于在F1断层北侧新生代地层中都发育北西、北东、南北、东西4组构造破裂（小断层、构造节理），并且北东和北西、南北和东西构成了两套共轭构造节理系统，这与F1断层带共轭断层相一致，由于发育的最新地层是上新统韩家沟砾岩，因此其时代只能是上新世末期或第四纪以来。但F1断层第三期和第四期东西向挤压形成的构造破裂却没有在上新统砾岩中发现，仅在渐新统—中新统地层中发现北西左旋走滑断层，这一左旋走滑断层造成了渐新统—中新统地层扭折（郭进京等，2019，2020），由于这两期断层摩擦镜面都是倾斜面，其变形的动力学机制还有待讨论，但其发生的时代应该是在上新世早期，上新统韩家沟砾岩沉积之前。

应该指出的是，西秦岭北缘断层左旋走滑作用无论本文所研究的F1，还是F2，都很显著，直立摩擦镜面，近水平或小角度倾伏的走滑线理，都指示了这期走滑作用是区域性的，这期断层走滑作用控制了第四纪河流和冲沟地貌以及地震活动（袁道阳等，1999；李传友等，2007；邵延秀等，2011；郭进京等，2013）。

西秦岭北缘构造带新生代盆地南边界断层F1，虽然仅是北缘构造带一系列断层中的一条断层，但作为盆地边界和区域构造敏感带，其变形演变历史既包含盆—山格局演变的信息，又包含青藏高原东北缘新生代不同时期、不同阶段的构造动力学状态及其构造变形记录的信息，是认识青藏高原东北缘新生代构造变形与隆升过程的一把钥匙。尽管我们对F1断层野外宏观构造做了较详细观测研究，提出断层带6期不同层次、不同性质、不同运动学特征变形演化过程的认识，并且结合其与新生代沉积盆地构造时空关系展开了讨论，提出了西秦岭北缘渐新世—中新世沉积盆地具有拉张断陷盆地性质，这与长期以来仅就沉积地层研究而推断的前陆挠曲或压陷盆地的认识相悖。但关于西秦岭北缘断裂带新生代变形历史的解剖才刚刚开始，断层岩的微观研究、断层变形层次及温压条件的定量化研究、变形时代的年代学数据约束、断层带深部结构和构造演变过程，特别是断层变形演化过程中其动力学机制等一系列问题都有待今后深入研究。同时，西秦岭北缘断裂构造变形的复杂性、构造现象的典型性、构造信息的丰富性等，对其深入详细的构造解剖一定会为青藏高原东北缘新生代沉积盆地发育、构造变形和隆升过程以及其与青藏高原构造系统形成时空过程提供大量的地质约束性信息，进而澄清长期以来争论不休的科学问题。另外，西秦岭北缘断裂构造变形的复杂性、构造现象的典型性也为多期复杂变形历史断层带构造解剖思路、方法集成系统创新和对大陆多期变形机制及动力学提供了良好条件。

6 结 论

本文通过对西秦岭北缘新生代盆地南边界F1断层的断层带物质组成与结构分带、各种构造要素的形态与几何学—运动学特征和构造要素之间改造截切关系等详细构造解析，取得如下新认识：

（1）辨认出了F1断层6期不同性质、不同几何学—运动学特征的构造变形：第一期为北西西走向的向北倾斜的韧性—韧脆性伸展正断层作用；第二期为南北向挤压的北西西走向，向北陡倾或近直立的高角度挤出逆冲断层作用；第三期为近东西向挤压形成的走向近南北的向东或向西陡倾的对冲断层作用；第四期为东西向挤压形成的北东向右旋和北西向左旋的斜向逆冲—走滑共轭断层系统；第五期为近南北向挤压形成的北东向左旋、北西向右旋、断层面直立的共轭断层系统；第六期为北东—南西向挤压形成的近东西向左旋走滑断层和近南北向右旋走滑断层构成了几何学—运动学协调的共轭破裂系统。

（2）结合西秦岭北缘渐新世—中新世沉积盆地沉积特征和上新世具有类磨拉石的冲洪积扇粗砾岩及断层新生代不同阶段沉积地层的控制和改造作用分析，提出了F1断层第一期的韧性—脆韧性伸展正断作用始于渐新世，并且控制了渐新世—中新世伸展断陷盆地沉积；F1断层第二期高角度逆冲缩短变形使得渐新世—中新世末盆地封闭、紧邻F1断层的底部砾岩卷入挤压逆冲变形和抬升翘起，这期变形持续到上新世冲洪积扇粗砾岩出现。

（3）F1断层的第三期和第四期虽然都为近东西向挤压，但第三期为东西向对冲挤出，而第四期为北东向和北西向斜向走滑挤出，其动力学机制是否与青藏高原东北缘西部地壳增厚隆升诱发的中下地壳向东流动导致上地壳东西向挤压缩短有关尚待证实，由于上新世韩家沟砾岩尚未发现这种形式的构造变形形迹，其时代可能为中新世末期或上新世早期。

（4）第五期形成的北东和北西向共轭破裂系统和第六期南北向和东西向共轭破裂系统在渐新世—中新世沉积地层和上新世粗砾岩地层中都有发育，其时代无疑是上新世末期或第四纪以来的构造变形，但最大主压应力方向第五期为近南北向，而第六期为北东—南西向，最大主压应力发生顺时针30°的旋转，这可能与青藏高原东北缘扩展过程块体旋转有关。

F1断层这种丰富、复杂的构造变形形迹揭示的断层变形方式和历史演变对于澄清青藏高原东北缘新生代红层盆地构造属性的认识上的分歧和高原变形是均匀增厚变形和块体沿断层挤出滑移地壳变形机制的争论等提供了重要的构造依据或线索，但对于断层每期变形的确切时代、变形性质、变形机制及变形动力学等还有待深入详细研究。

致 谢天津城建大学赵海涛博士、刘重庆博士、徐梦婧副教授等参加了野外考察，吉夏、王凯旋、陆宏宇、张琛、杜志锐、许何弘昕等硕士研究生先后参加了野外考察和资料整理，在此一并表示感谢。同时感谢论文评审专家提出的建设性意见。