2. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026
2. College of Geoexploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
走向近东西的秦岭造山带横贯于中国大陆中部,是一条重要构造带,也是中国陆内一条天然的地学(地貌、地形、地质、地球物理场等)界线.研究秦岭的形成与演化对认识和探讨(研究)中国大陆构造的形成、演化,金属矿产资源的分布具有重要的作用.
几十年来,地球科学界已在秦岭地区进行过不同性质、不同规模的研究工作.根据相关文献记载,如张国伟,孟庆任、袁学诚、张先康、高锐等对秦岭东部[1-6, 8-13, 20-21, 24-25]和西部[1-3, 5, 7, 14-20, 24-25]的研究很多,但是针对秦岭中段(108°E~109°E)的相关研究却很少或未论及.然而中秦岭地带不仅为东、西秦岭的衔接过渡的界带,而且又为其西侧勉略缝合带向其东侧的转折变化地带.因此,从地球科学的角度,对秦岭造山带的中秦岭地带应给以十分重视和深细的探究.秦岭地区矿产资源丰富,已发现多种金属矿藏,因此研究中秦岭地区的深部结构与构造对秦岭的矿产资源的勘探与开发有十分重要的价值.
原地质矿产部在“七五”期间,曾制定过对秦岭地带的深部地球物理调查计划,并设想在秦岭造山带布署东、中、西三条综合地球物理断面探测.其中,中秦岭断面是由陕西西安至四川达县.在1985年仅完成了东秦岭断面的北段探测后,由于计划被推迟,此后一直未曾再进行[6].
26年后,中国科学院地质与地球物理研究所于2011年3月至10月完成了陕西榆林-重庆鱼泉综合地球物理大断面(简称大断面)探测.此大断面北起陕西榆林,经咸阳,跨越秦岭,到重庆东南鱼泉,全长1000 km.沿大断面进行了重力、地磁和人工源宽角反射/折射地震三种地球物理方法的探测和地形高程测量.此大断面中包含了原地质矿产部计划的陕西西安-四川达县的中秦岭断面,并在陕西户县至石泉跨越了中部秦岭(图 1).
在此大断面中,进行了全程的重力和地形高程测量.重力测量点距为1 km左右,共计取得有效测点1019个.全部重力测量点的观测数据经过固体潮改正、正常场改正、高度改正、中间层改正和地形改正(地改范围为0~166.7 km)等一系列改正,得到大断面全部布格重力异常分布数值.在此,我们重点对大断面的咸阳-中秦岭-石泉-镇巴(34.5°N~31.7°N)测段(见图 1)作探讨.
2 陕西咸阳跨中秦岭至镇巴测段(34.5°N~31.7°N)重力场的特征在此大断面的陕西咸阳跨中秦岭至镇巴测段(34.5°N~31.7°N测段),布格重力异常分布的特点(见图 2b)为:从陕西咸阳南部开始,重力异常一路向下降低,至中秦岭北侧降差达30余毫伽(10-5 m/s2);至秦岭北麓,突然近于陡直地上升,在短短几公里的狭窄范围内骤升40 mGal余,重力异常最高值达到-146 mGal(对此段特殊重力场异常,已另有专文[22]探讨).继续向南,进入秦岭山区,重力异常值呈有起伏地下降,至新场街地段,为-180 mGal,随后又以小起伏的近单斜形上升至宁陕附近为-138至-139 mGal,重力值仍继续单斜上升,最高值达到-122 mGal后再单斜下降,至石泉西南附近约为-127 mGal,向南到32.86°N测段重力值降到-140 mGal后又转为上升,到32.60°N测段最高为-111 mGal,往南总体为单斜型但有起伏地下降,到达31.7°N测段处降为-148 mGal左右.
据此,在大断面的34.5°N~31.7°N测段内,除北缘巨大重力异常低值区外,依次向南,有较明显的四个重力异常单斜上升段和五个重力异常单斜下降段.
针对该测段的几个重力异常升降起伏变化特征,在调研与查明该地区相关的地质构造和地层岩石物性资料基础上[1-8, 24-25],结合已有的大地构造、区域地质资料和本大断面的人工宽角反射/折射地震探测成果[28-29],进行其深部地壳结构和断裂构造的分析解释与研讨.
3 秦岭地区的区域地质构造及岩石性质根据张国伟、孟庆任等[1-3, 5, 8]对秦岭地带的地质构造研究表明,秦岭地带深部结构的基本格架是由华北地块(NC)、扬子地块(YZ)、秦岭块体(QL)三块镶嵌组成,但它们彼此之间的结构存在有差异,尤其南北两侧NC和YZ向QL之下呈壳幔型俯冲,QL却呈扇状抬升.并以108°E为界,分为东部秦岭和西部秦岭.为此,本文提出的中秦岭部分,则是界定在108°E和109°E之间的秦岭地域.
秦岭造山带的地层岩石物性,总体成分类似于花岗闪长质到石英闪长质,与世界陆壳平均组分相似[1].根据实测地震波速度与已有高温高压实验条件下岩石样本的Vp测定值作对比,秦岭地带虽然各构造单元地壳岩石组成模型有差异,却各具特色,其总体地壳岩石组成可概括为:下地壳主要由高角闪岩相-麻粒岩相的灰色片麻岩组成,底部有基性麻粒岩,Vp=6.49~6.81 km/s.中地壳主要是角闪岩相-绿片岩相的变质火山系,Vp=6.01~6.30 km/s,上地壳则主要是地表各种岩类所组成,Vp=5.6~6.09 km/s[1].
4 咸阳-中秦岭-石泉-镇巴测段地壳密度结构的解释剖面为了探讨地下介质的密度结构,选择适当的地震波速与地层岩石密度的相关关系,以能由地下介质的速度结构转换建立为相应的地下介质的密度结构.本文选用Brocher给出的符合Nafe-Drake曲线的地震波速Vp与地层岩石密度ρ的相关关系式[23]:应用该相关关系式,参考本大断面中由人工地震测深数据所得到的地壳与上地幔精细速度结构[28-29],构建地质-密度初始模型,以该地段经三点平滑处理后的布格重力异常数据,进行重力正反演计算处理,经多次调整模型方案及正演与反演计算后,选择计算重力场与实际重力场分布最佳拟合的模型,最后给出本地段相应的地壳结构与构造的分析解释结果.见图 3.
在图 3中,给出大断面在从咸阳、户县跨越中秦岭地带,经石泉至镇巴以南这一测段布格重力异常的分布和地壳结构与构造解释剖面.
5 咸阳-中秦岭-石泉-镇巴测段地壳密度结构解释剖面的分析对图 3的地壳结构与构造解释剖面分析可知:
5.1 解释剖面中的地壳结构与构造总体情况 5.1.1 中秦岭造山带(块体)的南北边缘秦岭造山带(块体)从东到西绵延千余公里,由于其多期多级次复杂的造山形成过程,使得在其不同地段的南北边界就很不相同.在本断面跨越的中秦岭造山带地段,其北麓有一条深大断裂应是该造山带与华北块体南缘的接触带界,南部以略勉缝合带东侧的安康断裂构造带[25, 27]暂定为中秦岭造山带在本断面此地段的南界;这样,就本断面而言,在这南、北两条断裂构造带之间为中秦岭块体(或称为中秦岭造山带).
5.1.2 中秦岭造山带(块体)的地壳结构与Moho面特征中秦岭造山带的地壳结构基本上为层状结构体系,大体可分为上、中、下地壳层,各层的厚度、埋藏深度分布不太均匀,上地壳厚度在16~19 km左右起伏变化;中地壳与下地壳约在28~29 km深度处分界;地壳底界面(Moho面)深度为40~46 km.
中秦岭块体南部的Moho面略有山根的显现或称其为“雏形山根”,中秦岭块体北部的Moho面就没有明显的山根迹象.
5.1.3 中秦岭造山带(块体)内部及周边的断裂构造根据重力场信息,中秦岭造山带的中间部位,尚可显现给出三个稍大的断裂构造;中秦岭造山带的南侧为宁陕断裂构造带;石泉西南附近有安康断裂构造带;芭蕉口(五里坝附近)断裂构造带;城口断裂构造带的北延段;镇巴断裂构造带;鱼渡断裂构造和铁溪断裂构造等穿过本重力剖面.
5.2 解释剖面中的断裂构造及其性质特征根据构造地质理论,由于地质构造运动,在一般情况下,实际的地质断裂构造两侧的地层,产生上下、左右、水平和垂向的相互错动,形成断裂构造两侧岩层性质和密度发生差异,也就是发生质量的差异.这样,在地表重力场就引起反映断裂构造的重力异常.据此,结合构造地质和人工地震资料,在本测段中秦岭中的33.86°N、33.71°N、33.55°N附近地带、33.27°N的宁陕附近地带、33.04°N的石泉茶镇附近地带、32.74°N的五里坝附近地带,32.56°N附近地带,32.42°N附近地带,32.,24°N附近地带和31.87°N附近地带的重力异常形态皆具近似的单斜曲线形状的重力异常带.在地壳结构与构造解释剖面上(图 3b)它们所反映的是与其相对应的断裂构造.再有,重力异常变化的幅度越大,表明断裂两侧岩层的密度差异越大,断裂构造的规模也越大,并可结合相应的地质、地球物理资料对其进行分析判定.
这样,根据图 3中的布格重力异常分布和与之相对应的地壳结构与构造解释剖面给以逐段的分析判榷:
秦岭北侧断裂构造带 在秦岭北侧段,即布格重力异常由-190 mGal突跃增至-146 mGal的地段是对应的秦岭北侧断裂构造带,也就是秦岭造山带与华北地块的接触带,已有专文论述[22].
宁陕断裂构造带 在秦岭南侧宁陕附近(在测线的33.27°N附近地段),在大断面的重力异常分布曲线上呈近单斜型的重力异常梯度带(南高约-130 mGal,北低约-145 mGal,重力梯度1.06 mGal/ km),它应该对应为一个较大的断裂构造带.
据地质文献[24-25],宁陕附近确实存在有较大的宁陕断裂构造带.从地理坐标位置上推定,此重力异常梯度带段对应的断裂构造带即为地质上确定的宁陕断裂构造带.在图 3中,该断裂构造分布形态是呈现出近于陡直略向北倾斜,倾角约为80余度左右或更大;仅在中部略呈垂直形态.
安康断裂构造带 在秦岭南侧宁陕断裂构造带以南的石泉西南茶镇附近(在测线的33.04°N附近地段),在大断面上显现为一南低(约-137 mGal)北高(约-124 mGal)的呈近单斜型分布的重力异常梯度带(重力梯度1.11 mGal/ km),它是一条断裂构造带在重力场的反映.据文献[24-25],石泉附近存在有被认为是秦岭造山带与扬子地块的缝合带的略勉缝合带,在其向东延伸并折转为南南东走向,为一较大的断裂构造带-安康断裂构造带.它就是图 3中该重力异常梯度带所反映的断裂构造带.该断裂构造带整体上呈现出近于陡直略向北倾斜,倾角约为80余度左右的分布形态与特点.
城口断裂构造带的北延段 在秦岭南侧五里坝附近(在测线的32.74°N附近地段),大断面上显现为一南高(约-120 mGal)北低(约-132 mGal)的呈近单斜型分布的重力异常梯度带(重力梯度1.20 mGal/ km),它是一条断裂构造带在重力场的反映.据对文献[24-25]研究分析,该测段附近应存在有一断裂构造-城口断裂构造带的北延段.它就是图 3中该重力异常梯度带所反映的断裂构造带.该断裂构造带整体上呈现出近于略向北倾斜.
芭蕉口断裂构造 在秦岭南侧,在测线的32.56°N附近地段,大断面上为一南低(约-127 mGal)北高(约-120 mGal)的呈近单斜型分布的重力异常梯度带(重力梯度0.73 mGal/ km),这是一条断裂构造在重力场的反映.据文献[24-25]分析,在该地段附近存在有一断裂构造-芭蕉口断裂构造.即图 3中该重力异常梯度带所反映的断裂构造.该断裂构造整体上呈现出近于陡直略向北倾斜.
镇巴断裂构造带 在秦岭南侧,在测线的32.42°N附近地段,大断面上为一南低(约-133 mGal)北高(约-124 mGal)的呈近单斜型分布的重力异常梯度带(重力梯度0.79 mGal/ km),为一条断裂构造带在重力场的反映.据文献[25, 27]分析,此即为在该地段附近存在的镇巴断裂构造带的北延端.该断裂构造带呈现出向北倾斜.即图 3中该重力异常梯度带所反映的断裂构造带.
鱼渡断裂构造与铁溪断裂构造 在镇巴断裂构造带南侧,在测线的32.24°N附近地段,为一南低(约-138 mGal)北高(约-130 mGal)的呈近单斜型重力异常梯度带(重力梯度0.76 mGal/ km),这也是一条断裂构造在重力场的反映.据文献[25, 27],即为在该地段存在的鱼渡断裂构造.在鱼渡断裂构造以南,在测线的31.87°N附近地段,亦有一南低(约-146 mGal)北高(约-137 mGal)的单斜型重力异常梯度带(重力梯度0.65 mGal/ km),亦为一断裂构造在重力场的反映.据文献[27],为在该地段存在的铁溪断裂构造.即图 3中各该重力异常梯度带所反映的断裂构造,皆为向北倾斜的断裂构造.
中秦岭中部的断裂构造 中秦岭中部在测线的33.86°N、33.71°N、33.55°N附近地段,在大断面上为近单斜型的重力异常带段,具有北高(约-160 mGal)南低(约-170 mGal)、北高(约-162 mGal)南低(约-175 mGal)和北低(约-170 mGal)南高(约-159 mGal)的重力变化形态,它们可能反映的是一组近东西走向的断裂构造.在图 3中,其分布形态是呈现为几近于陡直且稍稍南倾(F1,F2)与北倾(F3)的断裂构造.此组断裂构造,可能是对应文献[24-25]给出的中秦岭中部几个较大的断裂构造.
6 应用重力水平方向导数对咸阳-中秦岭-石泉-镇巴测段各断裂构造的再探榷为了进一步探榷中秦岭中、南侧断裂构造带的位置与分布形态,对上述近单斜型分布的异常梯度带求取其水平方向导数Vxz,得到与它们相对应的各自的水平方向导数Vxz的异常分布特征.见图 4(a-j).
根据重力学理论[26],呈近单斜型分布的重力异常梯度带段的水平方向导数Vxz的分布呈隆峰(或凹谷)型曲线分布,断裂带的位置与其水平方向导数Vxz极值所在位置一致.同时,倾斜断裂的倾向与峰谷曲线两翼呈现相对平缓的一侧相同.
6.1 宁陕断裂构造带的Vxz分布特征图 4a是宁陕断裂构造带呈凹谷型的Vxz分布曲线,它的凹谷最低值在大断面的33.27°N附近处;而在其Vxz凹谷曲线的北侧翼与南侧翼呈现出二者斜度几乎相同的分布形态.根据重力学理论[26],宁陕断裂构造带基本上是近于陡直略略北倾的断裂构造.这与图 3中的解释是基本一致的、吻合的.
6.2 安康断裂构造带的Vxz分布特征图 4b是安康断裂构造带呈凹谷型的Vxz分布曲线,它的凹谷最低值在大断面的33.04°N附近处;而在其Vxz凹谷曲线的北侧翼较南侧翼的倾斜度大的分布形态.这表明该断裂构造为基本上是向北倾的断裂构造.这与图 3中的解释是基本吻合一致的.
6.3 城口断裂构造带的北延段与芭蕉口断裂构造带的Vxz分布特征图 4c是城口断裂构造带的北延段呈隆峰型的Vxz分布曲线,它的隆峰最高值在大断面的32.74°N附近处;而在其Vxz隆峰型曲线的北侧翼较南侧翼的倾斜度大的分布形态.这表明该断裂构造为基本上是向北倾的断裂构造.这与图 3中的解释是基本吻合一致的.
图 4d是芭蕉口断裂构造带呈凹谷型的Vxz分布曲线,它的凹谷最低值在大断面的32.56°N附近处;而在其Vxz凹谷曲线的北侧翼较南侧翼的倾斜度稍大的分布形态.这表明芭蕉口断裂构造为略向北倾的断裂构造.这皆与图 3中的解释基本符合.
6.4 镇巴断裂构造带、鱼渡断裂构造与铁溪断裂构造的Vxz分布特征图 4h是镇巴断裂构造带呈凸峰型的Vxz分布曲线,它的最高值在大断面的32.42°N附近处;而在其Vxz凸峰曲线的北侧翼较南侧翼的倾斜度稍大的分布形态.这表明镇巴断裂构造为向北倾的.这基本符合图 3中的解释.
图 4i是鱼渡断裂构造呈凹谷型的Vxz分布曲线,它的最低值在大断面的32.24°N附近处;其Vxz凹谷曲线北侧翼的倾斜度较南侧翼稍大的分布形态,表明断裂构造为向北倾的.
图 4j是铁溪断裂构造凸峰型的Vxz分布曲线,其最高值在大断面的31.87°N附近处;它的Vxz凸峰曲线北侧翼的倾斜度较南侧翼稍大,表明断裂构造为向北倾的.这皆符合图 3中的解释.
6.5 中秦岭中部F1,F2,F3断裂Vxz分布特征图 4e和图 4g是中秦岭F1,F3断裂构造呈凸峰型曲线分布的Vxz分布曲线,它们的最高值分别在大断面的33.86°N测段与33.55°N附近处.这样,图 4e的Vxz曲线为南侧翼较北侧翼的倾斜度稍大的分布形态.这应解释为F1断裂为稍向南倾的断裂构造,而图 4g的Vxz曲线为北侧翼较南侧翼的倾斜度稍大,则F3断裂为稍向北倾的断裂构造.图 4f是中秦岭F2断裂构造呈凹谷型曲线分布的Vxz分布曲线,凹谷最低值在大断面的33.71°N测段附近处.其Vxz曲线为南侧翼较北侧翼的倾斜度稍大,即F2断裂为稍向南倾的断裂构造.这与图 3中给出的解释相同.
综观图 4(a-j)的10幅Vxz图可明显地显示出:图 4(a,b,h)三幅图的凸峰或凹谷曲线起伏幅度较大,表明它们所对应的宁陕、安康、镇巴断裂构造带为错动幅度与断裂延伸尺度均系规模较大的大型断裂构造带.图 4i,j两幅的凸峰或凹谷曲线起伏幅度次之,它们所对应的鱼渡、铁溪断裂构造属中等规模的断裂构造.图 4(c,d,e,f,g)五幅图的凸峰或凹谷起伏幅度相对较小,其所对应的城口断裂北末端、芭蕉口断裂北末端和中秦岭F1,F2,F3断裂构造无论是错动幅度还是断裂的垂向延伸尺度均为相对较小的断裂构造.
7 几点讨论(1) 中秦岭造山带的地壳结构可分为上、中、下地壳层,基本上是相互成层大体上平行的构造形态.中秦岭造山带的Moho面深度为40~46 km,这深度值是介于东秦岭造山带的Moho面深度平均为32 km和西秦岭造山带的Moho面深度平均为56 km之间.中秦岭造山带的Moho面的形态,在其偏南侧部分呈现出较明显的下凹,略有山根显现,而在其偏北侧部分则无明显山根现像.这又是与区域地质研究的东秦岭造山带的无山根,西秦岭造山带的有山根的特征[13, 15]呈现居其间的特点.因此,关于中秦岭造山带的解释结果与已有的对东、西秦岭造山带的研究认识[1-7, 10-21]是相当符合的,也充分体现出中秦岭造山带的居间衔接过渡的特征.
(2) 宁陕断裂构造带从其重力场特征上是一个重力异常梯度较大的重力梯度带,表明断裂构造带两侧岩层的岩性、层序有较大差异,这反映断裂构造的延深深度可能也较深.从地壳结构与构造解释剖面和它的Vxz分布曲线表明宁陕断裂构造带是位于大断面的33.27°N测段附近处的、基本上为一条近于陡直略北倾的断裂构造带.结合参考有关的区域地质构造和区域重力场资料,认为宁陕断裂构造带的走向为近东西向,在空间位置上、延伸展布规模走向上和地质构造分布上都显现为中秦岭南侧的一条明显的、长大的断裂构造带.至于该断裂构造的性质,仅从重力场角度尚不能给以提供确切的信息,还有待于地质学者研榷.
(3) 安康断裂构造带的重力场特征也是一个有较大重力异常梯度的重力梯度带,说明该断裂构造带两侧岩层的岩性、年代层序有所差异,这反映了断裂构造可能有相当的延深.从地壳结构与构造解释剖面和它的Vxz分布曲线表明安康断裂构造带是位于大断面的33.04°N测段附近处的、基本上为一条略向北倾的断裂构造带.综合有关的区域地质构造和区域重力场资料,认为安康断裂构造带在空间位置上从略勉缝合带由西往东延伸的部位,在石泉西侧转向为走向近南东向,随后又转回近东西走向继续东延的断裂构造.由于本断面仅经过石泉西侧地带,参考[25, 27],该断裂构造很可能是此段秦岭块体的南界.
(4) 城口断裂构造带北延段和芭蕉口断裂构造带的重力场特征皆为有较大重力异常梯度的重力梯度带,从地壳结构与构造解释剖面和其Vxz分布曲线表明它们是位于大断面的32.74°N和32.56°N测段附近处的、略向北倾的断裂构造带.尽管它们是城口断裂构造带和芭蕉口断裂向北延伸的近端段,仍具有相当的规模.因此,在本大断面的重力场特征和深部结构与构造上对其仍有较为明显的反映.
(5) 镇巴断裂构造、鱼渡断裂构造和铁溪断裂构造在本大断面的重力场特征上,皆呈现为重力梯度带,从地壳结构与构造解释剖面和Vxz分布曲线表明它们是位于大断面的32.42°N、32.24°N和31.87°N测段附近处的、稍向北倾的断裂构造.在本大断面通过的该断裂位置处其重力场特征和深部结构与构造都有相应的反映.
(6) 中秦岭的F1,F2,F3断裂构造的重力场特征在本大断面上皆为呈单斜型的重力异常梯度带.从地壳结构与构造解释剖面及其Vxz曲线表明F1,F2断裂构造是位于大断面的33.86°N和33.71°N附近地带,为向南倾的断裂构造.F3断裂构造位于大断面的33.55°N附近地带,为向北倾的断裂构造.
(7) 宁陕断裂构造带与安康断裂构造带之间地段为隆起状重力异常,在地壳结构与构造解释剖面上,显示该地段的地表是相对两侧为高度较低的地带,地下为背斜上隆型的地壳结构.在城口断裂构造带北延段与芭蕉口断裂构造带之间地段亦为一重力异常高,根据对区域地质构造[24-25]和区域重力场资料的分析,该地段为断裂挤推折皱隆升的地壳结构地带.
8 结语现今形成与存在的中秦岭造山带的地壳结构与断裂构造,是与地质历史时期中秦岭地区的多次复杂构造运动的叠加、特别是与华北与扬子板块的推挤、下插等地质动力作用的秦岭造山带多级次复合型造山运动具有极其密切的相关关系.因此,绵延千余公里的秦岭造山带,从东到西,在它各个区段的地壳结构、断裂构造、边界接触带等都会是不相同的、不划一的.在前面各节的研究分析和讨论表明:作为东秦岭、西秦岭造山带中间衔接过渡的中秦岭造山带,在其南北界带的推定、地壳结构的特征、断裂构造的分布诸方面与东秦岭、西秦岭造山带迥异,确有其自身独具的特色.再者,中秦岭造山带内部及其两侧邻近地域的断裂分布较多,且以秦岭腹地33.6°N为界,两侧的断裂倾向呈现出对冲的势态.这清晰地反映和记录了华南块体与华北块体在相对运动中形成挤压接触关系,并於此巨大的挤压力系之下,促使秦岭微块体被迫抬升而形成山脉的动力学隆升过程.
以上认识供探讨研榷.
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