鄂爾多斯塊體周緣新生代斷陷活動動力學(xué)成因機制初探

雷鵬

摘要：鄂爾多斯塊體（下文簡稱塊體）位于華北、華南和青藏板塊的交接部位，其周緣邊界上，均被新生代的剪切拉張斷陷盆地或斷裂圍限。本文基于前人研究基礎(chǔ)，系統(tǒng)歸納總結(jié)出塊體及周緣斷陷帶新生代地質(zhì)構(gòu)造、火山活動和地殼結(jié)構(gòu)的基本特征。進而，結(jié)合近年來獲取的研究區(qū)GPS水平速度場和反映上地幔變形特征的SKS波分裂結(jié)果，提出了殼-幔耦合垂直貫通的變形模式，該模式能夠很好的解釋和吻合現(xiàn)今地質(zhì)、地球物理和大地測量獲取的結(jié)果。即青藏高原上地幔物質(zhì)東向擠出在受到堅硬的鄂爾多斯地塊西南部的阻擋后，沿著其周緣的構(gòu)造薄弱帶分叉橫向流動，一支向北運動導(dǎo)致銀川斷陷帶的形成；另一支則沿汾渭斷陷帶流動，從而導(dǎo)致了汾渭斷陷帶的形成和演化。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯塊體及周緣、GPS觀測、SKS波分裂、動力學(xué)機制、殼幔耦合

引言

塊體構(gòu)造部位特殊，處在華北、華南和青藏板塊的交接部位。向東為中新生代經(jīng)受強烈構(gòu)造活動的華北克拉通，其西南為新生代以來急劇隆升、擴展的青藏高原。塊體內(nèi)部穩(wěn)定且構(gòu)造活動微弱，而環(huán)繞四周的卻是新生代以來活動強烈的斷陷帶和斷裂帶，同時也是地震多發(fā)帶，其南部和東部的汾渭盆地更是中國大陸內(nèi)部著名的強震活動帶。

本文擬從研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地球物理、大地測量等方面所取得的基本認識入手，總結(jié)出一些基本的背景特征。在此基礎(chǔ)上探討塊體及其周緣新生代構(gòu)造活動的動力學(xué)成因機制。

1. 塊體周緣構(gòu)造帶地質(zhì)構(gòu)造特征

塊體在其周緣邊界上，均被新生代的剪切拉張斷陷盆地或斷裂圍限?？傮w而言，其東部和西部分別對應(yīng)于山西斷陷帶和銀川——吉蘭泰斷陷帶，南部和北部則分別對應(yīng)于渭河斷陷帶和河套斷陷帶。而其西南邊界是一個典型的北西——北西西方向的擠壓構(gòu)造帶（如圖1）。

塊體西南邊界位于青藏高原東北緣，是一條擠壓性或壓扭性構(gòu)造邊界，由海原——六盤山——隴縣、天景山——香山、煙筒山和牛首山等逆走滑斷裂、逆斷裂、褶皺隆起山地和壓陷盆地組成。晚更新世以來，這些斷裂均具有左旋逆沖走滑的特征[1-4]。越過塊體西南擠壓性或壓扭性的六盤山構(gòu)造帶，向東向北即是塊體南部的渭河斷陷帶和西部的銀川——吉蘭泰斷陷帶。

渭河斷陷帶包括西安凹陷、固市凹陷。其活動明顯受控于南界的秦嶺北緣斷裂和華山山前斷裂，盆地沉降中心位于主斷裂一側(cè)。新生代沉積厚度達6500m，第四系厚度亦達1300m（詳見表1），自始新世盆地接受沉積[2]。研究表明該帶具有左旋引張的運動特征。

銀川——吉蘭泰斷陷帶主要為一系列NNE向的右旋正斷控制。銀川盆地新生界和第四系厚度基本與渭河斷陷帶相當(dāng)，吉蘭泰盆地分別為2500m～3000m和400m[2]，盆地及斷陷自始新世開始接受沉積[5]。

作為塊體北部邊界的河套斷陷帶，平面上呈東西向展布。受其北側(cè)大青山、烏拉山和色爾騰山山前正斷裂所控制，新生界和第四系最大厚度可達12000m和2400m，均分布于西端的臨河盆地。河套斷陷盆具有左旋正走滑斷裂的活動特征，調(diào)查研究表明該帶下陷接受沉積的時代為漸新世[2]。

山西斷陷帶是一條不連續(xù)右旋剪切拉張帶。在其中段即主體部位沉積盆地內(nèi)堆積了1000m～3800m的上新統(tǒng)和第四系。在山西斷陷帶剪切段作左階排列的活動斷裂和斷陷盆地之間的不連續(xù)階區(qū)還形成了兩個最典型的推擠型隆起，即石嶺關(guān)和靈石隆起。此外在恒山——大同及以北地區(qū)有新生代火山活動的記錄。

構(gòu)造圖據(jù)文獻[6]；剖面A（據(jù)靳金泉，1988），C（據(jù)湯錫元等，1992），D河套盆地呼和浩特（據(jù)劉池洋，1992）轉(zhuǎn)引自文獻[7]；剖面B，E，F(xiàn)據(jù)文獻[9]

從以上的討論，可以得到以下基本認識。塊體的西南邊界——六盤山一帶，位于青藏高原的東北緣，新生代以來具有典型的逆沖左旋走滑的運動性質(zhì)，其構(gòu)造線為北西——北北西向，形成了一套擠壓應(yīng)力作用下的構(gòu)造形跡。塊體的南邊界和北邊界均具有左旋走滑的運動特征，而東、西邊界則具有右旋走滑的運動特征。從盆地分析的角度（詳見表1），可見周緣斷陷帶首先從其南邊界的渭河帶和西邊界的銀川——吉蘭泰帶開始破裂斷陷，自漸新世開始河套帶開始裂陷發(fā)育，作為東邊界的山西帶則活動最晚時限基本在上新世，比及最早活動的渭河帶及銀川——吉蘭泰帶要晚約40Ma。若將上述獨立的斷陷事件聯(lián)系起來看，地塊周緣斷陷帶具有向北東向發(fā)展的時空演化特征。

地塊及其周緣作為一個典型的新生代陸內(nèi)斷陷活動帶，其動力學(xué)必然服從于新生代以來中國大陸總體動力學(xué)背景。眾所周知，新生代以來中國大陸主要受印度板塊的俯沖、推擠和東部太平洋板塊的俯沖作用影響，但究竟是哪種作用主導(dǎo)了這一地區(qū)的構(gòu)造活動是一個值得討論的問題。從上述的地質(zhì)構(gòu)造特別是西南邊界六盤山新生代至今仍然強烈擠壓變形來看其主導(dǎo)因素應(yīng)屬于前者，這一看法從地震活動性研究分析上也得到了相應(yīng)的支持[8]。

2. 塊體周緣的新生代火山活動

火山巖及其攜帶的包體對于研究地球深部活動十分有益。新生代在塊體周緣存在兩個火山活動中心，一是位于山西斷陷帶北部的大同凹陷，另一個是位于西秦嶺的宕昌一帶。八十年代以來許多學(xué)者對上述兩處火山巖從巖石學(xué)、地球化學(xué)、年代學(xué)、流變學(xué)到地幔捕虜體相變及變形特征都進行了系統(tǒng)的研究?，F(xiàn)從以上特征分別對兩處新生代火山巖及其包體所涉及的問題綜合分析并歸納如下：

山西大同的新生代火山群，存在多期活動的特點：漸新世噴發(fā)限于大同東南的繁峙和陽原噴出時間分別為35.2Ma～25.8Ma及29.3Ma～23.92Ma；中新世晚期到上新世噴發(fā)中心向北大范圍噴發(fā)活動，時限為7.5Ma～4.3Ma；中晚更新世噴發(fā)位置主要在大同縣，其中0.4Ma為其噴發(fā)高潮期[9]。玄武巖類型主要為拉斑質(zhì)到堿性系列，且具有從老到新堿性有逐漸增強的趨勢。包體主要為尖晶石相的二輝橄欖巖。包體的顯微構(gòu)造特征主要以各種晶內(nèi)變形為主，屬于高溫位錯蠕變。由包體的化學(xué)成分計算得到的平衡溫度為900℃～1050℃，平衡壓力為1.1GPa～1.7GPa，其來源深度為40km～56km[10]。其構(gòu)造環(huán)境應(yīng)歸屬于地殼伸展的大陸裂谷，地質(zhì)學(xué)家認為，正是地幔上隆才導(dǎo)致了地殼減薄、拉張，從而形成地表的斷陷和凹陷構(gòu)造。火山活動所夾帶的變形幔源包體是活動上升地幔底辟的證據(jù)[11]。地震測深資料已經(jīng)證實，上述構(gòu)造區(qū)存在地幔上隆的跡象（如圖1）。

西秦嶺宕昌新生代火山巖的噴發(fā)時限主要集中在22Ma～23Ma之間，并認為可能還存在部分上新世和（或）更新世火山作用的產(chǎn)物[12]。熔巖類型為鉀霞橄黃長巖，是一種超鉀質(zhì)火山，可以產(chǎn)在大陸和太洋兩種構(gòu)造環(huán)境，尤以大陸裂谷最為常見[13]。包體有尖晶石相的二輝橄欖巖，并出現(xiàn)尖晶石一石榴石相二輝橄欖巖[14]。包體的顯微構(gòu)造特征除具有殘斑結(jié)構(gòu)外還具有板狀變晶結(jié)構(gòu)，主要礦物都成拉長的板狀，并有明顯的定向排列，可以構(gòu)成宏觀可見的葉理，而在中國東部包體板狀變晶和粒狀變晶結(jié)構(gòu)較為少見。上地幔的流變學(xué)剖面表明，該區(qū)上地幔流變特征與華北地區(qū)（或整個東部地區(qū)）有所不同，主要表現(xiàn)在該區(qū)雖然也存在軟流層的底辟上涌，但其規(guī)模明顯不如華北地區(qū)，因此，相應(yīng)的巖石圈減薄也沒有中國東部地區(qū)明顯。在該區(qū)巖石圈上地幔存在上地幔的剪切帶[15]。新生代以來青藏高原的快速隆升，使得受華北陸塊、揚子陸塊、青藏高原三面圍限的西秦嶺地區(qū)遭受強烈擠壓和剪切變形[16-18]。這種構(gòu)造作用可能波及深部的巖石圈地幔，使得地幔橄欖巖發(fā)生破碎、變形，形成具有很好定向排列的橄欖巖，并被火山巖所捕獲。因此，該時期的巖漿活動、捕虜體和捕虜晶是西秦嶺地區(qū)構(gòu)造運動事件的見證[19].

3. 塊體及周緣地殼結(jié)構(gòu)特征

據(jù)重力實測資料及反演結(jié)果表明，塊體內(nèi)部莫霍面變化平緩，埋深40km～42km，且東淺西深[20]，而沿著塊體周緣莫霍面埋深均相對變淺。地震資料反演結(jié)果表明，斷陷帶內(nèi)中下地殼出現(xiàn)低速體，且低速體異常發(fā)育的部位往往對應(yīng)于凹陷活動強烈的部位。

運用天然和人工地震資料許多學(xué)者對塊體西南緣及西緣的地殼結(jié)構(gòu)進行了反演，認識比較一致[21-24]。據(jù)圖2可見，地殼厚度從SW—NE及E方向地殼逐漸減薄。在銀川地塹莫霍面隆起，埋深38km～42km左右，盆地四周加深至44km～45km并在其西南部出現(xiàn)莫霍面的陡變帶。海原東部的陡變帶可能對應(yīng)于六盤山斷裂帶。另外，圖中表現(xiàn)出了兩個較明顯的反“S”的等深線的彎曲，總體上具有相似性。其一，是從圖中西北部的張掖、祁連、剛察向南東方向彎曲，自永登和蘭州向西陡拐，而自同仁及合作以后其方向調(diào)整為南—南東向。其二，則是起自阿拉善左旗沿南東向，在靈臺隴縣及天水一線方向轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼥|西向，自天水向南方向再次出現(xiàn)陡拐變?yōu)榻媳毕颉＿@兩個明顯的反“S”特征在整體上具有形似性，只是在其之間的定西武山一帶變化過渡平緩。這一點體現(xiàn)了該地區(qū)具有從西向東地殼減薄，地幔隆起的同時自西（同仁）向東（靈臺），可能與其東西向的斷裂相對應(yīng)。且地殼具有楔狀深入的特點。

在塊體的南部渭河斷陷帶及塊體東部的山西斷陷帶，據(jù)圖3可看出，現(xiàn)今所見的沉陷的中心都對應(yīng)于地殼減薄，莫霍面上隆的區(qū)域。渭河盆地莫霍面埋深33km較盆地兩側(cè)上隆6km。運城盆地莫霍面埋深35km，臨汾盆地莫霍面埋深37km，兩者的等深線在其北側(cè)和西側(cè)梯度較大。山西斷陷帶中部的太原和忻州盆地莫霍面埋深在38km～39km，比盆地兩側(cè)淺約2km，其東西兩側(cè)埋深線梯度變化均相對較大。山西帶北部的大同盆地莫霍面埋深40km比兩側(cè)僅淺1km。綜上，可以看出在塊體的南緣至其東緣中部的太原盆地再到北部的大同盆地莫霍面埋深有逐漸變深的特征，而山西帶相較于渭河帶莫霍面埋深總體深5km～7km。

從電性結(jié)構(gòu)剖面來看，塊體西部北段的銀川盆地具有上寬下窄、最深達約8 km低阻層，對應(yīng)盆地內(nèi)的巨厚新生代沉積，具有斷陷盆地特征.該盆地的中地殼10km～13km的深度存在低阻體。鄂爾多斯塊體西部的內(nèi)地殼成層性較明顯，在35km～42km的深度出現(xiàn)低阻體，向上至上地殼5km為穩(wěn)定的高阻體層位[25]。西緣南段跨過鄂爾多斯地塊的電磁探測結(jié)果[26-27] 。也揭示了同樣的深部電性結(jié)構(gòu)特征，說明鄂爾多斯地塊西緣在南部和北部具有相同的深部結(jié)構(gòu)特征[25]。

據(jù)天然地震資料反演結(jié)果顯示[28]，在渭河斷陷帶南北兩側(cè)，地殼速度結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在斷陷帶的南側(cè)靠近秦嶺北緣斷裂及華山山前斷裂一側(cè)的下地殼20km～30km，出現(xiàn)厚度約10km的低速體，甚至在西安南部的子午鎮(zhèn)下部100km處仍然維持著較低的速度水平。

山西斷陷帶臨汾盆地，地殼11km～13km發(fā)育低速體，厚約3km[29]，地殼在11km左右存在低速體，且相應(yīng)的低速體與凹陷帶均有較好的一致性，另外結(jié)果還顯示在40km左右莫霍面的深度上出現(xiàn)連續(xù)分布的低速體，而其連續(xù)性恰在臨汾盆地的下部被打破，在這個間斷部位的上方約6km的地方出現(xiàn)一個在尺寸上能于間斷部對應(yīng)的低速體。

對塊體北緣的河套斷陷帶東部的呼包盆地運用天然地震接受函數(shù)的方法反演殼幔結(jié)構(gòu)特征表明，盆地周緣地殼厚度變化不大，在43km～46km范圍變化。莫霍面面比較平坦，呼包盆地北部的陰山山脈地區(qū)稍淺于盆地南部的鄂爾多斯高原北緣[30]。其中地殼于18km深度上發(fā)育低阻體[31]。

4. GPS和SKS波分裂揭示青藏高原向鄂爾多斯塊體周緣的側(cè)向擠出

近二十年新出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用的GPS空間大地測量技術(shù)，從大尺度上為認識區(qū)域地殼水平形變和深入研究現(xiàn)今大陸動力學(xué)變形機理提供了重要依據(jù)。同時，地震SKS波分裂是研究巖石圈各向異性的重要手段。SKS波在傳播過程中遇到各向異性層，會分裂成一個沿各向異性對稱軸偏振的快波和一個與快波垂直偏振的慢波，通過分析可以得到的一對快波偏振方向西和快慢波到時差。目前普遍認為，快慢波到時差反映各向異性層厚度和強度[33]。對于快波偏振方向被解釋為地幔橄欖巖晶體在構(gòu)造應(yīng)力作用下晶格優(yōu)勢方向的反映[34]。在構(gòu)造活動區(qū)，各向異性反映了正在進行的構(gòu)造運動.利用區(qū)域?qū)掝l帶地震臺網(wǎng)和流動寬頻帶地震剖面所獲得的上地幔SKS快波方向（主要代表上地幔晶體的優(yōu)勢排列方向或上地幔流動方向）獲得了與GPS地殼水平運動（圖4）所揭示的沿塊體周緣側(cè)向繞流運動圖像相類似的結(jié)果[35]。在其東側(cè)的太行山區(qū)和華北平原區(qū)，SKS快波方向則表現(xiàn)為比較一致的NW—SE向展布[36]。

GPS地殼水平運動速度、上地幔SKS快波方向沿鄂爾多斯周緣具有相似的繞流運動圖像。這一發(fā)現(xiàn)為從新認識和研究鄂爾多斯周緣動力學(xué)成因機制給予了新的啟迪。

5. 塊體周緣斷陷帶動力學(xué)機制

塊體周緣斷陷帶的成因應(yīng)與青藏高原東北緣下地殼——上地幔塑性物質(zhì)沿秦嶺中央造山帶（印支期）、山西隆起造山帶（燕山期）和賀蘭山造山帶（燕山期）等巖石圈異常部位的橫向擠出流動密切相關(guān)。塊體周緣斷陷帶是上地幔塑性物質(zhì)沿擠出方向水平運動和沿構(gòu)造薄弱帶向上入侵、橫向擴張的綜合演化結(jié)果。這種成因模式可能既不同于傳統(tǒng)意義上的主動型裂谷（熱柱或地幔上隆引起拉張裂陷），也不同于傳統(tǒng)意義上的被動型裂谷（區(qū)域巖石圈張應(yīng)力引起破裂，然后地幔上涌）。

GPS和SKS波耦合機制的研究揭示了塊體周緣可能存在的下地殼——上地幔的垂向貫通的橫向運動模式。這種擠出流動的動力學(xué)模式必須回答一系列最基本的問題并能夠合理科學(xué)的解釋現(xiàn)存的觀測結(jié)果。為什么會在塊體西南緣會出現(xiàn)分叉擠出流動？首先新生代以來印度板塊與歐亞板塊的匯聚碰撞不僅導(dǎo)致了歐亞板塊的變形縮短繼而導(dǎo)致了青藏高原的隆升，并在高原的東南部川滇一帶和東部至東北部（四川盆地的西北緣和鄂爾多斯地塊周緣）呈現(xiàn)出明顯的側(cè)向擠出特征，在這些地區(qū)廣泛發(fā)育了與之相互配套的走滑斷裂。這樣的動力學(xué)背景為上述分叉擠出模式提供了“物源”和“力源”。還必須合理科學(xué)的解釋它為什么沿著這樣的路徑運動？首先地震層析成像揭示了鄂爾多斯地塊和四川地塊下部在200km以內(nèi)均可識別出明顯的圓塊狀高速體，這樣類似于“龍骨”一樣的高速體在下地殼——上地幔韌性流動過程中能起到阻擋——分流作用。

塊體周緣先存的秦嶺——中央造山帶、山西境內(nèi)的北東向展布的華北轉(zhuǎn)化造山帶以及賀蘭山造山帶特殊的巖石圈結(jié)構(gòu)滿足這種動力學(xué)模式所需的“通道”。對秦嶺帶與賀蘭山帶的研究顯示其下地殼——上地幔仍然應(yīng)有高熱流及較強塑性的特征，這樣滿足青藏高原東北緣在六盤山一帶的強烈擠壓后，下地殼—上地幔的物質(zhì)能夠沿著上述“熱”而“軟”的通道橫向“流動”[37-39]。同時秦嶺和賀蘭山都有復(fù)合造山帶的特征，那么主造山期形成的構(gòu)造薄弱帶為新生代以來下地殼——上地幔物質(zhì)的上涌提供了垂向通道，上涌的物質(zhì)擴展引張導(dǎo)致了斷陷帶的開裂[39]。

6. 討論

側(cè)向擠出流動模式是從現(xiàn)今地表附近GPS速度矢量和SKS波分裂（反映上地幔構(gòu)造活動的方向）之間的耦合關(guān)系而形成的。首先用這種模式很容易解釋塊體周緣斷陷帶首先從北部的銀川斷陷帶和南部的渭河斷陷帶開裂，并朝著北東向遷移發(fā)展的特征。其次下地殼——上地幔在流動過程中，可以導(dǎo)致局部熱流異常從而在中上不地殼造成局部的熔融，對應(yīng)于地球物理手段探測到的在周緣斷陷帶內(nèi)的殼內(nèi)低速體。同時在一些構(gòu)造裂隙發(fā)育的地方，流體的會不斷上涌和擴張導(dǎo)致莫霍面減薄與一些沉陷中心的形成。另外，模式當(dāng)然滿足現(xiàn)今研究區(qū)形變測量的相應(yīng)結(jié)果。

在大量GPS觀測事實表明青藏高原東北緣的東向擴展遷移。地震、大地電磁、航磁、重力等地球物理探測與研究表明青藏東北緣深部結(jié)構(gòu)特征是[40-42]，該區(qū)地殼由于存在一些低速體的擾動而使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜橫向和縱向變化較大。莫霍面埋深總體為西南深而東部、東北部較薄，局部地區(qū)差異變化較大，埋深較淺處往往與伸展斷陷帶對應(yīng)。與上地殼（20km以淺）的高阻性相反在中下部地殼主要表現(xiàn)為低阻性。殼幔之間（40km～69km）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為高速與低速體互層，電阻率有所增高。上地幔存在低速體的擾動和侵入，這種現(xiàn)象可能會導(dǎo)致殼幔邊界的物性變化。這些地球物理資料表明該區(qū)內(nèi)下地殼——上地幔存在橫向流動的可能。

塊體西南邊界的六盤山一帶在塊體周緣的研究中有著重要地位。新生代以來一直是一個擠壓逆沖的強烈變形區(qū)。另外還是GPS和SKS出現(xiàn)方向分叉的地方，最新的水準(zhǔn)測量結(jié)果也顯示該區(qū)仍然具有強烈的垂向隆升[43]。印度板塊的北東向推擠及其遠程作用是本區(qū)（塊體的南——東南緣和西緣）的主要動力源。

青藏高原新生代火山活動均有隨時空遷移演化的特征，其后碰撞（45Ma～50Ma）以來一個重要的遷移方向就是向著東部的西秦嶺遷移[44]。西秦嶺宕昌火山巖的研究表明其噴發(fā)時限為20Ma～23Ma，屬于碰撞后火山巖類型，是緊隨高原腹地之后火山作用在高原周邊地區(qū)的響應(yīng)[12]，推測很有可能是高原物質(zhì)橫向流動的產(chǎn)物，其熔巖所攜帶的地幔包體具有韌性剪切帶的組構(gòu)特征，也表明該區(qū)域地幔韌性流動的存在，雖然現(xiàn)在還無法回答具體是什么時間的構(gòu)造變形，但它極有可能是新生代以來至20Ma之間深部構(gòu)造橫向活動的產(chǎn)物，而且至少提供了啟示和思路。

前文已經(jīng)敘及，大同新生代火山巖在活動周期、巖石學(xué)及巖石學(xué)演化特征、包體的礦物組合及變形特征均與中國東部的新生代火山巖相同或相似，這些特點均與西秦嶺宕昌火山巖有較大的差別；從地震剖面（圖1）看，塊體周緣除大同外盆地均有不對稱發(fā)育的特點即均受到一些深大斷裂的控制，而大同盆地具有典型的地幔主動上隆對稱伸展沉陷的特征（主動裂谷）；GPS水平速度場和SKS分裂快波方位（圖4）也揭示了北西向展布的特征。這些來自不同側(cè)面的差異，都指向了大同盆地相對于塊體周緣其它沉陷盆地具有深刻的動力學(xué)背景差異。

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