渭河盆地口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂活動(dòng)性成因

李煜航　王慶良　崔篤信　郝　明

1　中國地震局第二監(jiān)測中心，西安市西影路316號(hào)，710054　2　中國地震局地質(zhì)研究所，北京市華嚴(yán)里甲1號(hào)，100029

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渭河盆地口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂活動(dòng)性成因

李煜航1, 2王慶良1崔篤信1郝明1

1中國地震局第二監(jiān)測中心，西安市西影路316號(hào)，7100542中國地震局地質(zhì)研究所，北京市華嚴(yán)里甲1號(hào)，100029

摘要：分析了渭河盆地新生代構(gòu)造及演化特征。結(jié)合秦嶺北緣斷裂的斷層分段性研究發(fā)現(xiàn)，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂與秦嶺北緣斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)的斷層段具有很好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用有限元模擬研究作為渭河盆地主控?cái)嗔训那貛X北緣斷裂和華山山前斷裂在伸展作用下對(duì)口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂和渭河盆地北緣斷裂帶其他斷層的影響。結(jié)果顯示，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂的斷層活動(dòng)是秦嶺北緣斷裂東段作為秦嶺北緣斷裂中活動(dòng)性較強(qiáng)的斷層段伸展作用的構(gòu)造響應(yīng)，同時(shí)口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂作為先存構(gòu)造加劇了上述影響，使其成為渭河北緣斷裂帶中活動(dòng)強(qiáng)烈的斷層。

關(guān)鍵詞：渭河盆地；口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂；斷層活動(dòng)性；有限元模擬

渭河盆地位于鄂爾多斯塊體南緣、秦嶺構(gòu)造帶北側(cè)，自始新世在區(qū)域構(gòu)造水平伸展作用和深部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的垂直力聯(lián)合作用下逐漸形成正斷層活動(dòng)的斷陷格局[1-3]。作為典型的半地塹型盆地，沿渭河盆地南緣近東西向展布的周至-戶縣斷裂、秦嶺北緣斷裂和華山山前斷裂(圖1(a))是盆地內(nèi)新生代以來正傾滑活動(dòng)最為強(qiáng)烈的斷裂[4-6]。上述斷裂除產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直差異運(yùn)動(dòng)外，還由盆邊向盆內(nèi)擴(kuò)展，并導(dǎo)致盆地帶另一側(cè)向北擴(kuò)張，進(jìn)而在渭河盆地北緣形成一系列由南向北、形成年代逐漸變新的階梯狀正斷層，習(xí)慣上將其稱為渭河盆地北緣斷裂帶(圖1(c)，圖1(d))[7-8]。

1.全新世活動(dòng)斷裂；2.晚更新世活動(dòng)斷裂；3.第四紀(jì)活動(dòng)斷裂；4.走滑斷裂；5.隱伏斷裂；6.斷裂編號(hào)F1秦嶺北緣斷裂；F2華山山前斷裂；F3戶縣斷裂；F4渭河斷裂；F5驪山山前斷裂；F6渭南塬前斷裂；F7口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂；F8禮泉斷裂；F9岐山-店頭斷裂；F10龍巖寺-乾縣斷裂；F11楊莊鎮(zhèn)-口鎮(zhèn)斷裂；F12臨潼-長安斷裂；F13雙泉-臨猗斷裂；F14長坳斷裂；F15新興-馬額斷裂；F16白水?dāng)嗔眩籉17韓城斷裂；F18岐山-馬召斷裂；F19涇河斷裂圖1　渭河盆地主要斷裂構(gòu)造及地震剖面圖[1,4-5,9]Fig.1　The main active faults and topic seismic profiles in Weihe basin

渭河盆地北緣斷裂帶中，走向近E-W的口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂DEM線性影像特征十分醒目，與帶內(nèi)其他NEE-NE走向的斷裂差異明顯(圖1(a))。進(jìn)一步研究表明，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，而渭河盆地北緣斷裂帶其他斷層均為晚更新世活動(dòng)斷裂(圖1(a))。此外，該斷裂新生代斷層活動(dòng)強(qiáng)度也明顯高于帶內(nèi)其他斷層[7,9-10]；跨斷層形變監(jiān)測顯示，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂現(xiàn)今仍以0.75 mm/a的速率正傾滑，并沿?cái)嗔炎呦蛴袕埿缘亓芽p發(fā)育[11-12]?？阪?zhèn)-關(guān)山斷裂的斷層活動(dòng)性和斷層活動(dòng)強(qiáng)度明顯高于渭河盆地北緣斷裂帶內(nèi)其他斷層的原因及其與盆地內(nèi)其他斷層活動(dòng)性的關(guān)聯(lián)，是一個(gè)值得思考的科學(xué)問題。

本文擬從渭河盆地新生代斷裂構(gòu)造活動(dòng)與演化關(guān)系出發(fā)，結(jié)合有限元模擬研究上述問題。這將有助于加深對(duì)渭河盆地北緣新生代斷層活動(dòng)強(qiáng)度、地裂縫災(zāi)害和地震活動(dòng)性的認(rèn)識(shí)[7,10,13-14]。

1　地質(zhì)構(gòu)造背景

渭河盆地自始新世開始從盆地中部向南、北擴(kuò)展[1,3-6]，漸新世晚期以后進(jìn)入半地塹型盆地發(fā)展階段。秦嶺北緣斷裂成為盆地的主控?cái)嗔?，隨著渭河盆地的擴(kuò)展，逐漸在其北緣形成一系列由南向北逐漸變新的NEE-NE向正斷層(圖1)[7,15]。

渭河北緣斷裂帶活動(dòng)強(qiáng)度總體上具有東強(qiáng)西弱(以口鎮(zhèn)為界)、南(靠盆地中心一側(cè))強(qiáng)北弱的變化規(guī)律。研究表明，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂上新世、中更新世和全新世以來的平均滑動(dòng)速率分別為大于0.18 mm/a[7]、0.53 mm/a[7]和0～1 mm/a，現(xiàn)今仍有0.75 mm/a的正傾滑活動(dòng)速率[10]，是渭河北緣斷裂帶中活動(dòng)性最強(qiáng)的斷層[16]。

渭河盆地南緣斷裂帶(包括秦嶺北緣斷裂和華山山前斷裂)的斷層活動(dòng)性也有東強(qiáng)西弱的特點(diǎn)[4,17]。秦嶺北緣斷裂東段(岐山-馬召斷裂以東)作為全新世活動(dòng)斷層段，晚更新世末期及全新世早期平均正傾滑速率達(dá)0.47～0.69mm/a[4]，明顯高于西段的0.23～0.38 mm/a[4]，而全新世晚期其東強(qiáng)西弱的活動(dòng)差異更加明顯[4,18]。

渭河盆地南、北緣斷裂帶在斷層活動(dòng)性方面均具有東強(qiáng)西弱的變化規(guī)律。而秦嶺北緣斷裂東段作為該斷裂活動(dòng)性最強(qiáng)的斷層段，向北恰與渭河北緣斷裂中活動(dòng)性最強(qiáng)的口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂具有極好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖1(a))。

渭河盆地具典型的半地塹特征(圖1(c),圖1(d))，其南緣斷裂作為盆地主控?cái)嗔?，?yīng)對(duì)渭河北緣斷裂帶反向正斷層的形成和活動(dòng)起控制作用[5-6]，據(jù)此推斷秦嶺北緣斷裂在分段活動(dòng)性上的差異導(dǎo)致口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂成為渭河盆地北緣斷裂帶中活動(dòng)性最強(qiáng)的斷層，但這種作用對(duì)渭河北緣斷裂帶特別是口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂是否會(huì)產(chǎn)生影響和產(chǎn)生多大影響，則需要進(jìn)一步研究。

2　有限元數(shù)值模擬

2.1有限元模型的建立

選取秦嶺構(gòu)造帶、渭河盆地和鄂爾多斯地塊為模擬范圍，重點(diǎn)研究第四紀(jì)以來渭河盆地南緣斷裂(秦嶺北緣斷裂和華山山前斷裂)的伸展作用對(duì)渭河盆地北緣斷裂帶，特別是口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂斷層活動(dòng)的影響?；诘刭|(zhì)研究結(jié)果，對(duì)地質(zhì)模型作了適度簡化?？傮w隱伏的渭河斷裂第四紀(jì)以來斷層活動(dòng)十分微弱，即使在該斷裂活動(dòng)性較強(qiáng)的咸陽一帶，晚更新世古土壤層的錯(cuò)動(dòng)量也只有1～2 m，因此本模型不涉及該斷裂[19]。對(duì)于一些規(guī)模較小、活動(dòng)性弱、處于從屬地位的小斷裂也不納入本次模擬研究。

渭河盆地南、北緣各斷裂的位置及產(chǎn)狀均按實(shí)際野外調(diào)查結(jié)果給出[4-5]，其中秦嶺北緣斷裂及華山山前斷裂產(chǎn)狀360°∠75°，寬度3 km；口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂產(chǎn)狀180°∠70°，寬度1 km；其他渭河盆地北緣斷裂走向均按相應(yīng)地質(zhì)資料給出，斷層傾角設(shè)置為70°(圖1)，寬度1 km?？紤]到渭河盆地新生界沉積厚度的不均勻性及不確定性，縱向上不作分層，模型深度5 km(圖2)，采用brick8nodeSolid185單元建立有限元模型并分網(wǎng)，共生成節(jié)點(diǎn)38 970個(gè)，單元99 170個(gè)。

本次模擬地殼淺部在構(gòu)造伸展作用下的瞬態(tài)響應(yīng)，因此模型設(shè)置為彈性介質(zhì)?？紤]到地殼已達(dá)均衡狀態(tài)，不考慮重力作用。各構(gòu)造單元的力學(xué)參數(shù)參考相關(guān)研究給出(表1)[20-21]。

表1　各構(gòu)造單元力學(xué)參數(shù)

1.渭河盆地南緣斷裂；2.渭河盆地北緣斷裂3.斷裂分段編號(hào)F1-1秦嶺北緣斷裂西段；F1-2秦嶺北緣斷裂東段；F2-1華山山前斷裂西段(藍(lán)田-華縣)；F2-2華山山前斷裂東段(華縣以東)圖2　渭河盆地主要斷裂幾何模型Fig.2　The geometric model of main faults in Weihe basin

2.2邊界條件及計(jì)算過程

渭河盆地相對(duì)于穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊總體具有5～6 mm/a的近南北向伸展作用[22]，因此固定模型的北側(cè)水平方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)模型的南邊界施加水平向南的位移約束。由于秦嶺北緣斷裂和華山山前斷裂斷層活動(dòng)具有明顯的分段性(圖2)[4,17]，故對(duì)不同斷層段施加不同的伸展速率約束。秦嶺北緣斷裂東段(F1-2)和華山山前斷裂東段(F2-2)斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，與該段對(duì)應(yīng)的南邊界施加水平向南5 mm/a的速率約束；秦嶺北緣斷裂西段(F1-1)活動(dòng)性較弱，對(duì)其對(duì)應(yīng)的南邊界施加2 mm/a的水平向南的速率約束。華山山前斷裂西段(F2-1)新近紀(jì)以來斷層活動(dòng)微弱，厚度僅有20多m的全新統(tǒng)直接與第三系不整合接觸，同時(shí)斷層活動(dòng)具有向盆地內(nèi)部遷移的特點(diǎn)[23]，對(duì)該段僅施加1 mm/a水平向南的速率約束(圖2)。

2.3結(jié)果及分析

在上述邊界條件下，分別在無口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(模型1)和有口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂(模型2)時(shí)探討渭河盆地南緣斷裂作為主控?cái)嗔眩洳町惿煺惯\(yùn)動(dòng)對(duì)渭河盆地及其北緣的影響和變化規(guī)律(模型1)，以及口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂作為長期先存斷裂構(gòu)造存在時(shí)，渭河盆地伸展作用的變化(模型2)。模型1的結(jié)果表明，在渭河盆地中與秦嶺北緣斷裂東段和華山山前斷裂東段對(duì)應(yīng)的部位，S-N向的伸展作用明顯強(qiáng)于其他區(qū)段，且由南向北逐漸減弱并影響到了渭河盆地北緣一帶(圖3(a))。S-N向的應(yīng)變率場更加清晰地揭示了上述差異特征，沿秦嶺北緣斷裂東段和華山山前斷裂東段向北出現(xiàn)規(guī)則的應(yīng)變率大值區(qū)，并延伸到渭河盆地北緣(圖3(b))。

口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂的存在(模型2)使得在其南、北兩側(cè)伸展速率差異增大，量值在0.25 mm/a左右(圖4(a))。同時(shí)該斷裂S-N向的伸展作用自西向東逐漸減弱，與地質(zhì)結(jié)果吻合[9-10]。

通過剖面對(duì)比(如圖3和圖4虛線所示)可見，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂的存在，使得渭河盆地在口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂和秦嶺北緣斷裂東段之間，S-N向的伸展速率要高于沒有該斷裂(模型1)的結(jié)果(圖5)。同時(shí)圖6顯示，在口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂兩側(cè)S-N向應(yīng)變率明顯大于沒有考慮該斷裂時(shí)渭河盆地北緣斷裂(模型1)的結(jié)果。

圖3　研究區(qū)南北向伸展速率及應(yīng)變率(模型1)Fig.3　The S-N direction extension velocity and strain contour map of research area (model 1)

圖4　研究區(qū)南北向伸展速率及應(yīng)變率(模型2)Fig.4　The S-N direction extension velocity and strain contour map of research area(model 2)

圖5　模型S-N向伸展速率剖面圖Fig.5　The S-N direction extension velocity profiles

圖6　模型S-N向應(yīng)變率剖面圖Fig.6　The S-N direction strain profiles

3　討　論

3.1斷裂活動(dòng)的長期性

模型1的結(jié)果顯示,秦嶺北緣斷裂東段以北和華山山前斷裂東段以北是渭河盆地內(nèi)受伸展作用影響強(qiáng)烈的兩個(gè)區(qū)域，但秦嶺北緣斷裂以北的區(qū)域接受區(qū)域水平伸展作用的時(shí)間要長于后者。秦嶺北緣斷裂以北區(qū)域遭受的伸展作用時(shí)間能追溯到漸新世(約30 Ma BP)，而華山山前斷裂作為渭河盆地東部主控?cái)嗔训钠鹗紩r(shí)間明顯較晚[4-5]?？梢?，渭河盆地中部秦嶺北緣斷裂東段以北區(qū)域是渭河盆地內(nèi)遭受伸展作用影響時(shí)間最長的區(qū)段，長期的伸展作用很可能使該段地殼介質(zhì)更趨“薄弱”，更易“感知”秦嶺北緣斷裂的構(gòu)造活動(dòng)。

3.2先存構(gòu)造的影響

口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂形成于前新生代，其作為正斷層活動(dòng)的歷史始于始新世?？梢?，即使相對(duì)于新生代，它也是一條先存的構(gòu)造薄弱帶，因此在模型2中加入該斷裂來研究其存在對(duì)渭河盆地北緣及渭河盆地相關(guān)區(qū)段的影響。結(jié)果顯示，口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂的存在使得渭河盆地北緣及渭河盆地中部伸展變形作用更加強(qiáng)烈。與此形成對(duì)比，渭河盆地東部由于沒有先存斷裂的加入，其伸展變形作用沒有明顯的變化。

3.3渭河盆地北緣構(gòu)造活動(dòng)

本文以渭河盆地南緣斷裂帶(秦嶺北緣斷裂和華山山前斷裂)為主控?cái)嗔眩M了伸展作用對(duì)渭河盆地北緣及其相關(guān)斷裂的影響，揭示的伸展作用大體以口鎮(zhèn)為界，明顯具有東強(qiáng)西弱的特點(diǎn)。這一結(jié)果與渭河盆地北緣新生代斷層活動(dòng)強(qiáng)度、地裂縫發(fā)育和地震活動(dòng)性方面呈東強(qiáng)西弱的變化規(guī)律極為吻合[7,10,13-14]，上述構(gòu)造活動(dòng)的成因很有可能統(tǒng)一于渭河盆地南緣斷裂的伸展斷陷活動(dòng)。結(jié)果還顯示，在渭河盆地中部和東部存在兩個(gè)伸展作用強(qiáng)烈的區(qū)域，且靠近渭河盆地南緣斷裂帶伸展作用更加強(qiáng)烈，與渭河盆地第四系沉陷中心非常吻合。通過上述分析可見，渭河盆地南緣斷裂帶在渭河盆地新生代構(gòu)造活動(dòng)中起到了主導(dǎo)和控制作用，但從渭河盆地南緣斷裂帶活動(dòng)到渭河盆地新生代構(gòu)造演化的動(dòng)力學(xué)背景，目前仍有爭議[24-26]。

4　結(jié)　語

1)口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂的斷層活動(dòng)是秦嶺北緣斷裂東段作為秦嶺北緣斷裂中活動(dòng)性較強(qiáng)的斷層段伸展作用的構(gòu)造響應(yīng)，同時(shí)口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂作為先存構(gòu)造加劇了上述響應(yīng)，使其成為渭河北緣斷裂帶中活動(dòng)強(qiáng)烈的斷層。

2)口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂所受伸展作用具有西強(qiáng)東弱和渭河盆地北緣斷裂斷層活動(dòng)強(qiáng)度南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)，與地質(zhì)研究結(jié)果吻合。

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China，No.41174083； Project of Science and Technology New Star of Shaanxi Province, No.2015KJXX-74；Special Fund for Eathquake Research of CEA，No.201208009.

About the first author:LI Yuhang, engineer, PhD candidate, majors in crustal deformation and geodynamics, E-mail：liyuhangdz@163.com.

收稿日期：2015-08-30

第一作者簡介：李煜航,工程師,博士生,主要從事地殼形變及地球動(dòng)力學(xué)研究，E-mail：liyuhangdz@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.08.003

文章編號(hào)：1671-5942(2016)08-0669-05

中圖分類號(hào)：P315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis on the Faulting Origin of Kouzhen-Guanshan Fault in Weihe Basin

LIYuhang1, 2WANGQingliang1CUIDuxin1HAOMing1

1Second Monitoring and Application Center, CEA,316 Xiying Road, Xi’an 710054, China2Institute of Geology, CEA, A1 Huayanli, Beijing 100029, China

Abstract:We analyze the neo-tectonic characteristics and their evolution in the Weihe basin. Based on the faulting segment study of the north Qinling fault, the faulting activity of the Kouzhen-Guanshan fault may correspond to the segment of the north Qinling fault, which has the strongest faulting activity. Then the influence of the Kouzhen-Guanshan fault, including other north margin faults of the Weihe basin, are modelled by FEM, under the condition that the north Qinling and the Huashan front faults are the main and controlling active faults in the Weihe basin. The results show that the faulting activity of the Kouzhen-Guanshan fault corresponds to the east segment of the north Qinling fault. Furthermore, as a preexisting and unsubstantial tectonic belt fault, the Kouzhen-Guanshan fault is easier to aggravate the above-mentioned effect and has stronger faulting activity than other north margin faults of the Weihe basin.

Key words:Weihe basin; Kouzhen-Guanshan fault; faulting activity; numerical modeling

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金(41174083)；陜西省青年科技新星計(jì)劃(2015KJXX-74)；中國地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201208009)。