太行山新生代構(gòu)造隆升的地質(zhì)學(xué)證據(jù)——來自沁水盆地沁參1井的磷灰石裂變徑跡證據(jù)

孟元庫，汪新文，陳 杰

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所大陸構(gòu)造與動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100037;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

太行山的隆起是華北地區(qū)新生代以來非常重要的地質(zhì)構(gòu)造事件，它的隆起與中國東部地區(qū)的氣候、環(huán)境變化以及礦產(chǎn)資源分布息息相關(guān)。因此，較為準(zhǔn)確的厘定太行山隆起的時間，以及探究其隆起的原因無疑對氣候和環(huán)境變化都具有非常重要的意義。目前關(guān)于太行山造山機(jī)制的研究、新生代隆升時間等具體問題，仍然具有很多爭論[1-10]。探其原因，除了研究對象、研究范圍和研究程度等因素外，主要是因為太行山屬于陸內(nèi)造山[2，11]，不像典型的碰撞造山，不發(fā)育蛇綠巖套和深熔巖漿活動，因此在其研究方法、研究手段上不是很成熟[12-15]。特別是對太行山新生代的隆起時間以及隆起方式，前人并未進(jìn)行厘定和系統(tǒng)的研究與論述。本文以太行山西側(cè)的沁水盆地為研究對象，結(jié)合前人在太行山東麓石家莊-邢臺地區(qū)(黃寺-龍泉寺)的研究工作以及這兩個地區(qū)與太行山之間密切的構(gòu)造演化關(guān)系，并通過比對沁水盆地構(gòu)造演化和石家莊-邢臺地區(qū)(黃寺-龍泉寺)地質(zhì)構(gòu)造演化來約束新生代太行山的隆升剝蝕史。

1 研究區(qū)及鄰區(qū)地質(zhì)背景

1.1 沁水地區(qū)區(qū)域地層及其分布特征

沁水盆地位于山西省東南部，面積3 200 km2。構(gòu)造上介于太行山隆起帶和呂梁山隆起帶之間，并與兩個隆起帶之間的次級負(fù)向構(gòu)造單元相連通。盆地內(nèi)部主要出露中生代地層，其中三疊系在盆地中大面積出露，古生代地層主要出露在盆地的外圍。由于受到后期強(qiáng)烈構(gòu)造抬升剝蝕，區(qū)內(nèi)新生界地層相對較薄。

沁水盆地地層發(fā)育較為齊全(表1)，由老到新主要發(fā)育有太古界(阜平群和五臺系)、下元古界(滹沱群)、中上元古界(長城系、薊縣系、青白口系和震旦系)、古生界(寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系)、中生界(三疊系、侏羅系)以及新生界(新近系和第四系)，全面缺失志留系和泥盆系。

表1 山西沁水盆地區(qū)域地層簡表Table 1 Stratigraphic column of Qinshui Basin in Shanxi

1.2 太行山地區(qū)地層分布特征

太行山地區(qū)地層主要發(fā)育有太古界(阜平群和五臺系)、下元古界(滹沱群)、中上元古界(長城系、薊縣系、青白口系和震旦系)、古生界(寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系)、中生界(僅發(fā)育三疊系)以及新近系和古近系溝谷沉積。缺失侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)沉積，沉積間斷較大。

1.3 太行山東麓地區(qū)地層分布特征

東麓地區(qū)地層從太古界到新生界發(fā)育較為齊全，由老到新主要發(fā)育有太古界(阜平群和五臺系)、下元古界(滹沱群)、中上元古界 (長城系、薊縣系、青白口系和震旦系)、古生界(寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系)、中生界(中下三疊統(tǒng)、中下侏羅統(tǒng)、白堊系)以及新生界(新近系、古近系和第四系)。

1.4 地層對比

太行山地區(qū)、沁水盆地在中三疊世時和東麓華北地區(qū)具有統(tǒng)一的大地構(gòu)造環(huán)境，以及相同的沉積相(二馬營組);到了中三疊世晚期時，由于太行山東麓大斷裂開始形成，并逐漸活動，以東麓大斷裂為界，西邊的太行山地區(qū)和沁水盆地仍然具有相一致的沉降相，沉積了長石砂巖夾砂質(zhì)泥頁巖(銅川組);而大斷裂東側(cè)的廣大華北地區(qū)沉積相開始發(fā)生變化，沉積巖性以長石砂巖與灰綠色、紫紅色粘土巖呈不等厚互層為主(油房莊組)。到了晚三疊世時，東麓地區(qū)整體抬升遭受剝蝕，而太行山以西地區(qū)(包括沁水盆地-鄂爾多斯地區(qū))仍然接受沉積(延長組)，即以太行山東麓大斷裂為界，表現(xiàn)為東高西低的古地理格局。侏羅紀(jì)時，古太行山早侏羅世時開始隆起，遭受剝蝕，缺乏沉積;沁水盆地也抬升遭受剝蝕，東麓地區(qū)直到中侏羅世時才開始接受沉積 (坊子組);即從侏羅紀(jì)中-晚期開始3 個地區(qū)進(jìn)入了不同的構(gòu)造演化格局，直到晚白堊世末期(95 ～65 Ma)，研究區(qū)及鄰區(qū)全面進(jìn)入準(zhǔn)平原化階段，遭受過強(qiáng)烈剝蝕夷平，最后形成廣泛分布的北臺期準(zhǔn)平原，內(nèi)部相對高差最大僅為200 m 左右。

晚白堊世末時，古太行山被剝蝕夷平，東麓地區(qū)和沁水盆地也遭受了相同的構(gòu)造運(yùn)動，在區(qū)域上可以進(jìn)行對比(圖1)。此后，進(jìn)入新生代，裂陷作用使準(zhǔn)平原裂離解體，東麓地區(qū)下沉為盆地，斷塊隆升成山區(qū)，從而開始了東麓及太行山地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造地貌發(fā)育歷史?？梢姡讏准o(jì)末期華北地區(qū)大規(guī)模的剝蝕夷平是一個區(qū)域性地質(zhì)事件，從太行山東麓地區(qū)到鄂爾多斯地區(qū)，都經(jīng)歷了準(zhǔn)平原化過程。這些地質(zhì)構(gòu)造事件都可以在區(qū)域上進(jìn)行對比。在準(zhǔn)平原化基礎(chǔ)上，新生代太行山的隆起、東麓盆地的大規(guī)模坳陷以及沁水盆地的快速隆升在時間上具有很好的一致性，特別是東麓盆地的拆離下陷和沁水盆地的快速抬升都是對新生代太行山的隆起構(gòu)造事件的回應(yīng)。它們之間在地質(zhì)時間上的巧合絕不是偶然，而是一種內(nèi)在的動力學(xué)聯(lián)系。沁水盆地作為緊挨太行山西側(cè)沉積盆地，和太行山具有十分密切的關(guān)系;在構(gòu)造演化上表現(xiàn)為，沁水盆地在新生代兩次地溫梯度的快速降低都和太行山在新生代的階段性隆升具有耦合意義，特別是新近紀(jì)以來，沁水盆地地?zé)岬难杆傧陆狄约翱焖偬齽兾g無不是對太行山新近紀(jì)快速隆升的構(gòu)造響應(yīng)。而太行山東麓沉積盆地，形成于新生代，其中古近紀(jì)的斷陷和新近紀(jì)斷坳與太行山在新生代的兩次快速抬升具有不可分割的關(guān)系，其中，東麓盆地作為太行山剝蝕物質(zhì)的主要載體，因此，東麓盆地的拆離下陷正好是太行山快速抬升回返的最佳印證。另外，東麓盆地孔店組和館陶組發(fā)育的兩套較為穩(wěn)定的礫巖層，都是對太行山在古近紀(jì)初和新近紀(jì)初快速抬升剝蝕的沉積響應(yīng)。

圖1 研究區(qū)及鄰區(qū)柱狀圖對比Fig.1 Column chart of study area and adjacent region

1.5 沁水盆地構(gòu)造演化特征

沁水盆地作為華北地臺基底的一部分，和整個華北地臺基底都具有很大相似性;從中小尺度上，沁水盆地的演化與山西高原的演化密切相關(guān)，并且作為山西高原的一部分，中新生代以來具有十分相似的性質(zhì);從小尺度上，沁水盆地的演化具有其內(nèi)在的獨特性和規(guī)律性，特別是新生代以來的構(gòu)造演化特征。因此，可根據(jù)一般原則和劃分方法將沁水盆地劃分為9 個次級構(gòu)造單元(圖2)。原則為:(1)印支期后活動的邊界斷層;(2)構(gòu)造斷塊性質(zhì)、差異及活動時間;(3)中新生代沉積建造差異，特別是新生代以來斷塊隆升過程中的沉積差異;(4)基底構(gòu)造特別是基底面構(gòu)造形態(tài)的反映。

圖2 沁水盆地構(gòu)造單元劃分圖Fig.2 Division of structural units of Qinshui basin

本文重點是將沁水盆地構(gòu)造演化和華北地臺區(qū)的構(gòu)造演化相對比，重點研究沁水盆地新生代以來的構(gòu)造運(yùn)動與構(gòu)造演化，并與太行山地區(qū)進(jìn)行比較。沁水盆地的構(gòu)造演化可以分為以下幾個階段:

古元古代的中條運(yùn)動后，沁水盆地及其鄰區(qū)逐漸聯(lián)合并固結(jié)為穩(wěn)定、廣泛的統(tǒng)一陸殼，局部地區(qū)克拉通化仍在進(jìn)行。中—新元古代時期，研究區(qū)及鄰區(qū)主要表現(xiàn)為坳拉槽特征，其盆地的南北兩側(cè)分別為古秦祁海和古興蒙海，沁水盆地及其華北地區(qū)的構(gòu)造演化與兩個洋殼對華北古陸的俯沖密切相關(guān)。由于向華北陸塊持續(xù)的俯沖作用，導(dǎo)致沁水盆地及其鄰區(qū)在晚元古代末期(Pt3)抬升為陸地，遭受剝蝕。到了古生代末期(P3)沁水盆地的演化仍和華北板塊具有統(tǒng)一的構(gòu)造演化歷史。

中生代時，由于揚(yáng)子和華北板塊的碰撞以及受到古太平洋板塊的俯沖影響，華北板塊開始產(chǎn)生差異分化，沁水盆地開始了獨立的地質(zhì)構(gòu)造演化過程。

沁水盆地三疊紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動相對薄弱。整體上繼承了晚古生代(P3)的沉積構(gòu)造格局，西北高、東南低的格局一直保持到晚三疊世。其中中三疊世末到晚三疊世印支I期運(yùn)動較弱，而且表現(xiàn)范圍局限;但是到晚三疊世末的印支運(yùn)動II 幕是區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折，此時導(dǎo)致盆地逐漸萎縮消亡。這期的構(gòu)造運(yùn)動性質(zhì)以擠壓、抬升剝蝕為主，從盆地整體上看，表現(xiàn)為西強(qiáng)東弱的特點。

侏羅紀(jì)早期，受印支運(yùn)動II 幕和燕山運(yùn)動I幕的影響，研究區(qū)及鄰區(qū)遭受到強(qiáng)烈的抬升，構(gòu)造地貌也轉(zhuǎn)變?yōu)闁|高西低，沉積中心逐漸向西遷移(鄂爾多斯地區(qū))，區(qū)內(nèi)形成了一系列NE 到NNE 向為主的構(gòu)造。到了侏羅紀(jì)晚期，華北地區(qū)地殼進(jìn)入強(qiáng)烈活動期，形成NE、NNE 向的伸展拉張構(gòu)造，沁水盆地及鄰區(qū)抬升遭受剝蝕，此時區(qū)內(nèi)古太行山和呂梁山已經(jīng)形成。

進(jìn)入白堊紀(jì)以后，擠壓塊斷作用逐漸減弱，地殼日趨穩(wěn)定。晚侏羅世到早白堊世初，區(qū)內(nèi)發(fā)生燕山運(yùn)動Ⅲ幕，這在本區(qū)以北的晉北表現(xiàn)強(qiáng)烈，造成了白堊系下統(tǒng)與侏羅系上統(tǒng)間的大角度不整合接觸關(guān)系，本區(qū)內(nèi)則主要繼承了晚侏羅世以來的持續(xù)隆升勢頭，這表明燕山運(yùn)動中晚期大體繼承了早期的構(gòu)造活動特點，具有東強(qiáng)西弱的性質(zhì)。早白堊世末發(fā)生燕山運(yùn)動Ⅳ幕，區(qū)內(nèi)仍主要表現(xiàn)出區(qū)域隆升的特點，但在鄂爾多斯盆地則結(jié)束了大型坳陷盆地發(fā)育的歷史。晚白堊世時，沁水盆地仍以擠壓、抬升剝蝕為主，逐步形成了現(xiàn)今的復(fù)式向斜的構(gòu)造格局?？梢姡咚璧匕讏准o(jì)時期以整體隆升為特點。

新生代時期與燕山運(yùn)動時期相比，其地質(zhì)構(gòu)造格局發(fā)生了深刻的變化。在白堊紀(jì)末到古近紀(jì)初期的剝蝕夷平基礎(chǔ)上，研究區(qū)主要在鄂爾多斯東緣北北東向和近東西向構(gòu)造基礎(chǔ)上，發(fā)生斷塊破裂與沉降陷落。由于早期沁水盆地抬升較高，缺乏古近紀(jì)沉積;新近紀(jì)到第四紀(jì)以來，沁水盆地以及周緣地區(qū)以快速抬升為主，僅在晉中斷陷和山間盆地中沉積有新近系和第四系;此外，由于新近紀(jì)以來的快速擠壓抬升，先前在區(qū)內(nèi)形成的褶皺被廣泛改造，逐漸形成了現(xiàn)今的構(gòu)造地貌。

2 太行山隆升機(jī)制研究進(jìn)展及存在問題

通過對涉及太行山及其鄰區(qū)的眾多文獻(xiàn)進(jìn)行篩選、歸納和總結(jié)，現(xiàn)列出部分學(xué)者的觀點。

羅照華等(1996)對太行山500 多個樣品的K -Ar 同位素測年分析后認(rèn)為[1]，太行山巖漿構(gòu)造帶的活動高峰期為中—晚侏羅世，巖漿侵位具有同造山運(yùn)動的性質(zhì)，深部熱流以及物質(zhì)的脈動式上涌是太行山地區(qū)巖漿活動的特點及其主要原因。通過計算得出了研究區(qū)巖漿在中生代隆升的速率為0.421 ～0.253 mm/a，隆升的總高度為8 799 ～5 288 m。此外羅照華等(2006)還得出[16]，太行山為板內(nèi)造山帶，可以劃分4 個主要期次:(1)早期伸展階段;(2)主期擠壓造山;(3)晚期均衡調(diào)整;(4)造山帶垮塌和區(qū)域伸展。

吳忱等(1999)通過對太行山地區(qū)部分深切河谷進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究[3，17]，即上新世時太行山地區(qū)普遍發(fā)育寬緩的丘陵- 平原寬谷地貌，便由此得出了現(xiàn)今巍峨挺拔的太行山主要是上新世以后(2.6 Ma)即第四紀(jì)以來隆升的，并且計算出隆升幅度為1 100 ～1 500 m，隆升速率為0.44 ～0.60 mm/a。

徐杰等(2000)重點研究了太行山和其東麓盆地的盆-山關(guān)系[4]，認(rèn)為太行山與東麓的盆地具有統(tǒng)一的動力學(xué)條件，太行山是伴隨著東麓盆地的形成和發(fā)展相應(yīng)隆升的。

張家聲等(2002)主要通過構(gòu)造年代學(xué)的方法對太行山東側(cè)的石家莊邢臺- 地區(qū)進(jìn)行了研究[6]，得出了如下結(jié)論:(1)太行山和華北平原區(qū)的巨大地貌差異是白堊紀(jì)末期至古近紀(jì)初期以來形成的。(2)太行山東麓斷裂帶的伸展滑脫主要起于古近紀(jì)早期，并且經(jīng)歷了68 ～65 Ma 和23～18 Ma 兩個快速的隆升變動期;此外，計算了太行山東麓斷裂的最大水平滑脫量為17 km，垂向上升降為5 ～6 km。 (3)華北地區(qū)陸殼的加厚作用可能發(fā)生于白堊紀(jì)中期(94 ±4 Ma)。

牛樹銀等主要研究了裂陷盆地與其周圍造山帶的耦合關(guān)系[18-23]，指出東麓盆地與其西邊的太行山斷隆均和華北亞地幔熱柱即幔枝構(gòu)造有密切關(guān)系。

吳智平等(2007)重點研究了華北東部地區(qū)中生代盆地格局及演化過程[24]，認(rèn)為東部地區(qū)中生代盆地受控于歐亞構(gòu)造域的板塊擠壓及濱太平洋構(gòu)造域的洋- 陸俯沖、碰撞兩大動力學(xué)背景，與研究區(qū)太行山隆起及其鄰區(qū)深大斷裂發(fā)育、深部動力學(xué)等因素具有密切的聯(lián)系。

張長厚等(2011)對太行山北段進(jìn)行了研究工作[25]，認(rèn)為中生代太行山地區(qū)收縮變形導(dǎo)致了華北克拉通東部巖石圈淺層穩(wěn)定性的破壞，但卻為深部拆離創(chuàng)造了條件，經(jīng)歷了穩(wěn)定克拉通階段、收縮變形導(dǎo)致的克拉通破裂、伸展變形及強(qiáng)烈?guī)r漿活動，最后失穩(wěn)致克拉通破壞。

可見，在太行山新生代隆升的模式、時間以及方式上前人沒有進(jìn)行詳細(xì)的研究和論述。羅照華等主要是對太行山中生代隆升的模式機(jī)制進(jìn)行了探討，對新生代以來太行山的隆升機(jī)制和模式缺乏研究。雖然，吳忱等對太行山隆起的時間以及隆起速率加以限定，但研究方法僅僅限于對太行山區(qū)幾條河流的深切河谷進(jìn)行研究，根據(jù)上新世時深切河谷發(fā)育較為平緩，就得出了太行山主要隆起于第四紀(jì)的結(jié)論;沒有結(jié)合太行山及其鄰區(qū)的地質(zhì)演化，缺乏半定量-定量的基礎(chǔ)地質(zhì)研究作為證據(jù)，因此所得結(jié)論有待進(jìn)一步研究。徐杰等雖然對太行山隆起的模式進(jìn)行了討論，但是沒有對隆起的時間進(jìn)行限定，并且隆起的模式圖缺乏更多的地質(zhì)證據(jù)進(jìn)行支持。此外，他們的研究工作缺乏對沁水盆地等與太行山演化具有密切關(guān)系的鄰區(qū)進(jìn)行對比研究，只從其東麓的渤海灣盆地單方面提出盆-山耦合模式，因此所取得的結(jié)論值得商榷。

針對以上科學(xué)問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，結(jié)合磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)，通過區(qū)域比對的方法，對太行山主體部位的隆升時間和隆升模式進(jìn)行了初步探討并提出些許見解，為進(jìn)一步研究太行山的造山機(jī)制提供新的研究思路和方法。

3 裂變徑跡分析

磷灰石廣泛分布于三大類巖石中[26]，其礦物中含有微量的鈾，在地質(zhì)歷史中，裂變徑跡不斷產(chǎn)生，又在地質(zhì)熱事件中受熱而發(fā)生不同程度的退火，這樣裂變徑跡便記錄下了巖石所經(jīng)歷的地質(zhì)熱事件。因此，對裂變徑跡的分析，不僅能提供巖石的有關(guān)年齡數(shù)據(jù)，而且能有效地揭示樣品所在地層在地史演化中經(jīng)歷的熱歷史信息[27-31]，因而在地球科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛[32-33];其次，磷灰石裂變徑跡在沉積物源[31]、大地構(gòu)造演化[34-35]、造山帶[36-37]、斷裂[38-39]及成礦作用等方面具有重要的應(yīng)用[40-42]，目前已成為地質(zhì)學(xué)界研究較熱的一個領(lǐng)域。磷灰石裂變徑跡的起始退火溫度為65 ～110 ℃ (Partial Annealing Zone)[43]，具有相對較低的退火溫度，能較為敏感的記錄研究區(qū)所經(jīng)歷的熱-剝蝕事件，特別是對新生代以來的構(gòu)造抬升事件具有較好的記錄和反映。

本文樣品主要來自太行山西側(cè)的沁水盆地沁參1 井及其東麓的石家莊-邢臺地區(qū)(黃寺-龍泉寺)(圖3)。對沁水盆地沁參1 井進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)采樣，共測試沁參1 井及鄰區(qū)露頭樣品12 塊(表2)，涵蓋了上古生界的二疊系、石炭系以及中生界的三疊系以及侏羅系。石家莊-邢臺地區(qū)的樣品數(shù)據(jù)主要依據(jù)張家聲等[6]。

圖3 研究區(qū)及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.3 Structural geological map of study area and adjacent areas

表2 磷灰石裂變徑跡分析結(jié)果(沁水盆地沁參1 井)Table 2 Analytic results of apatite fission track from Well Qincan 1

結(jié)合裂變徑跡模擬結(jié)果(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)，在23 Ma 以后(新近紀(jì)初)，沁水地區(qū)發(fā)生了快速抬升剝蝕，地溫迅速降低，在圖上表現(xiàn)為一段很陡的直線。根據(jù)區(qū)域不整合面的發(fā)育、周邊地層對比以及沁水地區(qū)含煤層系的Ro值編制埋藏剝蝕史曲線，也可以很明顯地發(fā)現(xiàn)在N -Q 段(圖5)，曲線斜率也十分陡直，斜率近70°，表現(xiàn)為一個快速抬升、剝蝕的過程。此外，結(jié)合蘇現(xiàn)波等[44-45]在沁水盆地南部晉試1 井的埋藏剝蝕史曲線上也可以明顯的發(fā)現(xiàn)沁水盆地南部在新生代以后也表現(xiàn)為一個抬升剝蝕的過程，特別是上新世以來為一個快速抬升的過程(圖6)?？梢?，沁水盆地在新近紀(jì)以來的抬升在全盆地為一個區(qū)域性的地質(zhì)事件。

圖4 沁水盆地沁參1 井QC－1(a)、QC－2(b)及QC－3(c);QC－4(d)、QC－5(e)及QC－6(f);Q5B1(g)、二馬營組Q2B2(h)和延長組樣品D3B1(i)磷灰石封閉徑跡長度分布與地?zé)崮M結(jié)果Fig.4 Histogram o f apatite fission track lengths and the modeling results of thermal history in Well Qincan 1

此外，從沁水盆地沁參1 井及地表露頭采樣分析后得出:所有樣品的磷灰石裂變徑跡年齡介于19.61 ～27.7 Ma，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其所在地層的地質(zhì)年齡，這說明樣品發(fā)生過很強(qiáng)的退火作用，相應(yīng)地層應(yīng)經(jīng)受過120 ℃以上的古地溫，使早期形成的裂變徑跡全部退火消失，而現(xiàn)今樣品中的裂變徑跡是后期(新生代以來)重新形成的。樣品裂變徑跡表觀年齡隨井深的加大而逐漸減小(表2)，與地層時代的增加呈相反的變化，說明它們是在完全退火之后，地層由淺部到深部依次上升、降溫進(jìn)入到記錄裂變徑跡的溫度線之內(nèi)而逐漸形成的。但總體來看，樣品表觀年齡值隨井深及地層時代的增加而降低得很少，說明相應(yīng)地層在新生代時期有一個古地溫迅速降低的過程，這反映了地?zé)崃餮杆傧陆岛偷貙犹齽兾g降溫的共同作用。

圖5 沁水盆地沁參1 井埋藏－剝蝕史曲線Fig.5 Curve of burial-denudation history of Well Qincan 1

圖6 晉試1 井埋藏－剝蝕史曲線Fig.6 Curve of burial-denudation history of Well Jinshi 1

新近紀(jì)以來(中新世)所有樣品所在地層地溫逐漸降低至今天的地溫，降溫幅度達(dá)到了30 ～40 ℃，根據(jù)地溫梯度每3.0 ℃/100 m 以及埋藏剝蝕史曲線可以計算出沁水盆地[46](沁參1 井)剝蝕量達(dá)到了2 000 m 以上，說明了新近紀(jì)以來沁水盆地至少抬升剝蝕了2 000 m[46]。

太行山東麓地區(qū)(石家莊-邢臺)在晚白堊紀(jì)末期—古近紀(jì)初期，太行山及其東部的盆-嶺構(gòu)造發(fā)育基本結(jié)束[3，47]，古太行山也被剝蝕夷平，華北東部完成了準(zhǔn)平原化，此時形成了北臺面[48](圖7)，表現(xiàn)為區(qū)域性的下白堊統(tǒng)與古近系的角度不整合(圖1)。從圖4中不難發(fā)現(xiàn)，裂變徑跡模擬曲線在古近紀(jì)末期(25 Ma 附近)出現(xiàn)了一個較為短暫的間斷(表現(xiàn)為斜率變小，多數(shù)樣品均有顯示)，之后地層繼續(xù)冷卻。這很可能為快速冷卻之后的一個短暫熱穩(wěn)定表現(xiàn)[46]，表明此時樣品的古地溫變化幅度較小，在該時期降溫作用和隆升剝蝕作用有所減緩。這短暫的停留和太行山東麓地區(qū)古近紀(jì)末的東營運(yùn)動(準(zhǔn)平原化過程)具有很好的對應(yīng)性，表現(xiàn)為東麓地區(qū)和沁水地區(qū)在古近紀(jì)末具有相同的構(gòu)造運(yùn)動[49]，在區(qū)域上形成了廣泛的角度不整合，形成了甸子梁面。

據(jù)張家聲等[6]對太行山北段易縣地區(qū)和南段皇寺-龍泉寺地區(qū)卷入拆離滑脫帶的基底巖石鋯石、磷灰石裂變徑跡年齡的測定，9 組樣品分別采自太行山東麓的北段易縣地區(qū)(Y2k -3、Y2k -34、Y2k-6、Y2k-7)和南段皇寺-龍泉寺地區(qū)(Y2k -21、Y2k-18、Y2k-19、Y2k-23、Y2k-30)(圖3)，太行山北段的4 個樣品的鋯石、磷灰石裂變徑跡年齡集中在68 ～52 Ma;太行山南段的5 個樣品裂變徑跡的年齡比較集中，在23 ～18 Ma，因此根據(jù)鋯石、磷灰石裂變徑跡年齡以及研究區(qū)發(fā)育的夷平面(圖7)，可以認(rèn)為:太行山早期的隆升、伸展滑脫主要發(fā)生在68 ～52 Ma，即白堊紀(jì)末期到古近紀(jì)初的快速抬升階段。其原因主要是北段為東營期末準(zhǔn)平原化過程中殘留的未被剝蝕殆盡的太行山(小五臺山，現(xiàn)今太行山海拔最高處，保留有北臺面夷平面)，因而只記錄了第一期的滑脫時間。而太行山主體(中-南部)準(zhǔn)平原化程度相對較高，古近紀(jì)隆起的太行山幾乎被剝蝕殆盡，因而缺乏第一期伸展滑脫的裂變徑跡時間記錄，只記錄了古近紀(jì)末期快速滑脫抬升的裂變徑跡時間，即23～18 Ma，因而該時間也是太行山的主體部分即中—南段主要的隆升時間。這與來自沁水盆地的裂變徑跡具有一致的時間，都表現(xiàn)出自中新世以來一個快速抬升剝蝕的過程。

圖7 太行山地夷平面與渤海灣盆地堆積面分布對比示意圖[18]Fig.7 Comparison between the distribution of planation surfaces in Taihang Mountain and sedimentary surfaces in Bohaiwan basin

經(jīng)過全面總結(jié)分析可以得出:太行山的東西兩側(cè)在新近紀(jì)以來具有相似的裂變徑跡年齡，大規(guī)模抬升都發(fā)生于23 ～18 Ma，即太行山的主體是新近紀(jì)以來隆升的，根據(jù)太行山東西兩側(cè)的磷灰石裂變徑跡模擬結(jié)果可以計算隆升剝蝕史。

新近紀(jì)初期太行山地區(qū)地溫梯度為3 ℃/100 m[46]，樣品(以QC -4 為例)來自沁水盆地沁參1井位，取樣深度為-10 m(即地表取樣);磷灰石裂變徑跡年齡值23.09 ±1.68 Ma(表1)，記錄了新近紀(jì)以來的地質(zhì)年齡，說明了在新近紀(jì)以前樣品處于退火溫度(或Partial Annealing Zone)(大于65 ℃)，裂變徑跡長度遠(yuǎn)小于QC -4 的平均徑跡長度15 μm。到了新近紀(jì)后開始記錄年齡，即當(dāng)時采樣位置的埋深溫度小于65 ℃，根據(jù)3 ℃/100 m 計算可以得出[46]:當(dāng)時樣品埋深至少為2 000 m，這很好的表明太行山西側(cè)的沁水盆地至少從新近紀(jì)以來抬升剝蝕量為2 000 m 左右[50]。而太行山東麓的山腰面即甸子良面在東營期末接近海平面[51-52]，在23 ～18 Ma 以來也經(jīng)歷快速的抬升剝蝕[6];此外，根據(jù)贊皇穹窿上(張安北、崇水峪、明水村)的太古宇、古元古界變質(zhì)巖系的樣品，其磷灰石裂變徑跡表觀年齡為6.6 ±0.7、6.2 ±1.5、5.5 ±0.8 Ma[53]，即介于5.5 ～6.6 Ma (表3)，表明太行山中段的隆升、剝蝕作用主要發(fā)生于中新世以來，尤其是上新世以來的隆升、剝蝕速率更快，其剝蝕量達(dá)到了2 000 m。根據(jù)現(xiàn)今太行山主體的平均海拔高程為1 800 ～2 000 m，可以充分的證明自新近紀(jì)以來太行山的隆升量達(dá)到4 000 m，即新近紀(jì)以來太行山的主體平均隆升速率為0.18 mm/a，不同地段，隆升速率略有不同。

4 太行山新生代隆升的成因探討

關(guān)于新近紀(jì)以來太行山的快速隆升，本文通過歸納總結(jié)認(rèn)為主要有如下原因:

(1)歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)。由于歐亞板塊和印度板塊的碰撞，導(dǎo)致中國的青藏高原大規(guī)模隆升，碰撞的時間大約在古近紀(jì)的始新世到漸新世初期[54-56]。大概十幾個百萬年后，由于遠(yuǎn)程效應(yīng)[11，57-58]，到了新近紀(jì)中新世時在華北地區(qū)應(yīng)力作用才有所表現(xiàn)[59-60]。特別是鄂爾多斯地區(qū)的抬升都是歐亞板塊遠(yuǎn)程效應(yīng)碰撞的響應(yīng)，研究區(qū)及鄰區(qū)新生代的構(gòu)造抬升也與遠(yuǎn)程效應(yīng)有關(guān)[60-62]。太行山屬于克拉通陸內(nèi)造山，由于板塊碰撞的遠(yuǎn)程應(yīng)力，在陸內(nèi)構(gòu)造軟弱帶(古克拉通、縫合帶以及古斷裂縫合帶等)發(fā)生增生造山作用。由于太行山一方面發(fā)育有古斷裂——太行山東麓斷裂帶(殼斷裂)，另一方面太行山又是華北克拉通中東部的重要地質(zhì)界線，因此板塊碰撞的遠(yuǎn)程應(yīng)力在研究區(qū)表現(xiàn)較為顯著，是促使新生代太行山大規(guī)模隆升的重要內(nèi)因。

(2)熱冷卻。新生代古近紀(jì)時伸展減薄作用在研究區(qū)及鄰區(qū)達(dá)到了高峰[63-64]，地殼厚度減薄，在整個華北東部地區(qū)拉張陷落形成許多裂陷盆地，此時具有較高的熱流值和地溫梯度[65-66]。這很可能和當(dāng)時發(fā)生的強(qiáng)烈的裂陷作用有關(guān)[67-68]。裂陷作用一方面使得地殼大幅度伸展減薄，地幔熱流上侵，同時還引起了不同程度的火山活動。古近紀(jì)以后由于研究區(qū)由斷陷轉(zhuǎn)向拗陷，地溫梯度也隨之降低導(dǎo)致等溫線下降，盆地和以前相比進(jìn)入熱冷卻階段，相對下沉[66];而太行山地區(qū)地溫梯度則相對上升，致使華北東部表現(xiàn)為熱冷卻地殼下沉，而太行山則相對上升[69-71](圖8)。

表3 太行山贊皇穹窿變質(zhì)核雜巖磷灰石裂變徑跡分析結(jié)果Table 3 Analytic results of apatite fission track from Zanhuang dome metamorphic core complex in Taihang Mountains

此外，胡圣標(biāo)[72-73]、王良書[74-75]等根據(jù)渤海灣盆地9 口井61 塊樣品的磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)和鏡質(zhì)體反射率(Ro)，結(jié)合埋藏史曲線進(jìn)行了盆地的熱史分析，用古熱流的方法反演了新生代渤海灣盆地的熱演化過程(圖9)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，25 Ma 以后，太行山東側(cè)的東麓盆地(渤海灣盆地)熱流值有所下降?？梢?，這與太行山新近紀(jì)的快速隆升具有很好的呼應(yīng)性。

圖8 研究區(qū)及鄰區(qū)中、新生代地幔熱流與地表熱流比值[71]Fig.8 Ration of the mantle heat flow and surface heat flow from the study area in Meszoic-Cenozoic geologic periods

圖9 渤海灣盆地鉆井熱流史[72]Fig.9 Heat flow history for boreholes in Bohai Basin

(3)構(gòu)造負(fù)荷。新生代晚期區(qū)域水平拉張應(yīng)力基本消失，斷陷也隨之停止。根據(jù)東麓臨清地區(qū)LQ88 -421 平衡剖面恢復(fù)結(jié)果表明，新近紀(jì)剖面較古近紀(jì)拉伸率僅為0.14%[76]，表現(xiàn)為輕微的伸展拉張[76-77]。太行山東麓地區(qū)新近紀(jì)以來經(jīng)歷了大面積緩慢沉降，深部以均衡調(diào)整為主，為拗陷作用階段[78-80]。在沉積負(fù)荷和區(qū)域均衡調(diào)節(jié)作用下斷陷轉(zhuǎn)化為坳陷，在古近紀(jì)彼此分割的斷陷之上，廣泛接受巨厚的新近系和第四系沉積，形成了統(tǒng)一的華北盆地[81-82]。

隨著新近紀(jì)以來太行山的大規(guī)模隆升，這時由于來自西邊的剝蝕物大量充填進(jìn)來，導(dǎo)致短時間內(nèi)沉積物負(fù)荷過量，引起重力上的不均衡，致使地殼發(fā)生彎曲、翹傾來適應(yīng)短時間的負(fù)荷充填，包括魯西南的地區(qū)也一起隆起，太行山和泰山地區(qū)的隆起時間基本相一致[83](圖10)。

圖10 負(fù)荷重力模式(a 為負(fù)荷半寬度，h 為負(fù)荷高度)Fig.10 Schematic diagram of flexural downbending of the lithosphere (result of a two-dimensional load of half-width a，height h)

構(gòu)造負(fù)荷引起的隆升幅度計算[84]

式中:P(x)水平位移距離x 的函數(shù);g 為重力加速度;ρm為軟流圈的密度;ρw為上覆沉積物的密度;ρs為中下地殼的密度;z 為垂直位移距離;D 是彎曲強(qiáng)度系數(shù)，其表達(dá)式為D = ETe3/(12(1－σ2))，E為楊氏模量，σ 為泊松比，Te為地殼彈性層的厚度。

通過數(shù)學(xué)推算可以得出

減去2 000 m 的剝蝕量，構(gòu)造負(fù)荷引起太行山隆升的理論高度為783 m。而現(xiàn)在太行山中段、南段的平均海拔高度為1 800 ～2 000 m，說明了構(gòu)造負(fù)荷是引起太行山隆起的一個重要因素，它也是導(dǎo)致巖石圈撓曲引起東麓盆地快速沉降的一個重要條件[84]。

5 討 論

古太行山在白堊紀(jì)末已經(jīng)剝蝕夷平，現(xiàn)今的太行山主要是新生代以來快速隆升的。白堊紀(jì)末期到古近紀(jì)初(95 ～65 Ma)的區(qū)域剝蝕，形成第一期夷平面為東麓地區(qū)到鄂爾多斯盆地一次區(qū)域性事件，而非研究區(qū)獨立的構(gòu)造事件[86]。由此可見，在白堊紀(jì)結(jié)束時(65 Ma)整個研究區(qū)及鄰區(qū)已經(jīng)形成了統(tǒng)一的夷平面，古地表幾近夷平，最大高差僅200 m[3，86]。第1 次大規(guī)模抬升發(fā)生于古近紀(jì)的始新世，形成了新生代太行山的主體。到了東營期末，華北地區(qū)經(jīng)歷了大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動，古近紀(jì)形成的太行山主體被剝蝕夷平，只在太行山最北部保留有部分夷平面——北臺面。第2 次快速抬升即新近紀(jì)中新世以來，23 Ma 以來為快速抬升期，通過計算得出其隆升的平均速率為0.18 mm/a。可以說，盡管太行山地區(qū)出露的巖石非常古老，但現(xiàn)在看到的太行山主體卻是新近紀(jì)以來隆升的，其年齡只有23 ～18 Ma。

新近紀(jì)太行山的抬升絕不是一個偶然的事件，它與其東側(cè)的渤海灣盆地、西側(cè)的沁水盆、鄂爾多斯盆地以及周緣的泰山、燕山、呂梁山、系舟山等都具有密切的關(guān)系[3，6，82-85]。即在漸新世末—中新世(23 Ma)初期，隨著太行山的大規(guī)模隆起，鄂爾多斯地塊及鄰近地區(qū)也表現(xiàn)為普遍抬升遭受剝蝕，形成第2期夷平面[86];其中盆地中的渭河、河套以及銀川等地塹盆地縮小，曾出現(xiàn)沉積間斷，前期地層遭受剝蝕;形成中新統(tǒng)與下伏地層之間的區(qū)域性不整合，隨后周緣盆地接收了廣泛的沉積;于此同時，鄂爾多斯盆地發(fā)生強(qiáng)烈隆升，盆地抬升表現(xiàn)為靠近太行山的東側(cè)抬升較為強(qiáng)烈，而西側(cè)相對較弱;這一時期的磷灰石裂變徑跡年齡為29 ～16.8 Ma[86]。因此可以看出，太行山的隆起和鄂爾多斯盆地及其鄰區(qū)的隆起幾乎是同時的;而呂梁山的隆起和沁水盆地、太行山的快速抬升也具有很好的一致性，其中呂梁山和太行山一樣，在新生代也經(jīng)歷了多次抬升，最后一次大規(guī)模抬升(呂梁山的整體隆起)發(fā)生于26 Ma 左右，這次大規(guī)模的隆起奠定了呂梁山的主體格局?？蓮膮瘟荷椒植嫉纳介g礫石與基巖之間的耦合關(guān)系可以得出，呂梁山最后一次大規(guī)模的隆起是新生代漸新世末到中新世以來抬升造成的。呂梁山和太行山以及沁水盆地隆升幅度的差異主要是因為:沁水盆地為華北晚古生代成煤期形成的獨立斷塊，其具有統(tǒng)一的結(jié)晶基地，在新生代后又一次遭受到活化，導(dǎo)致沁水盆地和太行山、呂梁山具有不同的動力學(xué)背景，因此在隆升幅度和規(guī)模上不盡相同。此外，在遠(yuǎn)程應(yīng)力和其他作用力綜合作用下，引起華北巖石圈和軟流圈向西的流變，而沁水盆地相對剛性，在其周緣形成了眾多的構(gòu)造隆起帶，如太行、呂梁山、系舟山。因此，通過沁水盆地的構(gòu)造演化能很好的制約太行山演化歷史，為其提供更多的地質(zhì)基礎(chǔ)資料。

此外，太行山新生代的整體差異隆升和區(qū)域剝蝕，為東麓盆地的大規(guī)模拗陷沉降提供了豐富的物源，沉降了巨厚的館陶組和明化鎮(zhèn)組，為新近紀(jì)的油氣勘探奠定了基礎(chǔ)[53，80，87-88]。

綜上所述，太行山在新生代的抬升是不均衡的，經(jīng)歷了前新生界的剝蝕夷平-準(zhǔn)平原化過程，到古近紀(jì)的抬升-剝蝕夷平，最后新近紀(jì)中新世以來的快速隆升?，F(xiàn)今太行山的主體是新近紀(jì)以來隆升的，隆升的原因主要為遠(yuǎn)程應(yīng)力、熱冷卻和構(gòu)造沉積負(fù)荷。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)構(gòu)造地貌和磷灰石-鋯石裂變徑跡等綜合分析后認(rèn)為，現(xiàn)今的太行山主要是新近紀(jì)中新世以來隆升的，隆升平均速率為0.18 mm/a。

(2)新近紀(jì)以來太行山的隆起主要來自于3個因素:①熱冷卻;②構(gòu)造沉積負(fù)荷;③歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效力等綜合作用。

致謝:導(dǎo)師許志琴院士、中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所何碧竹研究員、中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)王瑞瑞博士以及陳希節(jié)博士等在論文行文過程中給予指導(dǎo)，在此表示感謝。此外，兩位匿名評審專家以及中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所王偉博士在論文修改中提出建設(shè)性意見，使筆者受益匪淺，深表謝意。

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