2013, Vol. 56
2. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081
2. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
走向近东西的秦岭造山带横贯于中国大陆中部，是中国大陆的一条重要构造带，是中国陆内的一条天然的地学（地貌、地形、地质、地球物理场等）界线.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.如张国伟、袁学诚、高锐、张先康等对秦岭东部[1-12]和西部[1-3, 5, 13-19]的研究很多，但是针对秦岭中段（l08°E -109°E)的相关研究却很少或未论及.秦岭地区资源丰富，已发现多种金属矿藏，因此研究中秦岭地区的深部结构与其盆山稱合的深层响应对矿产资源的勘探与开发有十分重要的关系.
在“七五”期间，原地质矿产部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三条综合地球物理断面：1)河南伊川一湖北秭归（东秦岭断面）（2)陕西西安一四川达县（中秦岭断面）；（3)宁夏同心一四川阿坝（西秦岭断面）. 1985年完成了东秦岭断面的北段.由于另有任务，中秦岭断面和西秦岭断面的计划被推迟，此后一直未曾再进行[6].
事隔26年，中国科学院地质与地球物理研究所于2011年3月至10月分两期完成了陕西榆林一重庆综合地球物理大断面探测，且包含了原地质矿产部曾计划的陕西西安一四川达县的中秦岭断面探测.其中在陕西户县至宁陕测段跨越了秦岭造山带的中段(图 1).
|
图 1 剖面地理位置（咸阳、户县、秦岭北侧测段）图 图中红色线为剖面位置，棕色直线为计算投影剖面 Fig. 1 Location of theprofile (part section from Xianyang、Huxian to Middle Qinling Mt.) Red rodes are the profile. Brown line is the projection profile for calculation |
本文仅就中秦岭地带重力场的特殊异常场特征做一些相关的分析与探讨.
2 陕西榆林一重庆综合地球物理大断面概况此综合地球物理大断面探测北起陕西榆林，经咸阳，跨越秦岭，到重庆东南涪陵，全长1000 km.沿大断面进行了重力、地磁和人工源地震等地球物理方法的探测.重力测量点距为1km左右，共计取得1076点.
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.
3 中秦岭北侧至陕西咸阳测段重力场的特殊异常特征沿此大断面的布格重力异常分布中，在陕西咸阳至中秦岭北侧测段重力场表现出极为明显的特殊异常特征，即由陕西咸阳南部开始重力异常一路向下降低，降差达30余毫伽；直到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却骤升达40余毫伽，此后向南又为较平缓地降低.为此，对于这令人注目的重力场的特殊异常，本文给予了较为深细的探讨.
针对该测段的区域地质构造和重力场特殊异常特征，将从两个方面进行研讨：
(1) 秦岭北侧断裂(或秦岭块体与华北地块的接触带）的位置、性质和状态；
(2) 秦岭北麓户县南至咸阳测段巨大幅度(44 mGal)重力异常落差的性质和原由.
3.1 秦岭北侧断裂的位置、性质和状态许多的地质与地球物理研究给出了华北地块南部向秦岭做巨大俯冲，在秦岭北侧形成一条大断裂带(或接触带)[1-2, 4-5, 13, 20-21]的结论.这样，在中秦岭的北侧，同样应该呈现出秦岭北断裂在该综合地球物理大断面上引起的异常地球物理场信息.根据大断面的布格重力异常分布数据，在34°N附近地带，即户县以南至秦岭的北麓地段（即542 km处到548 km地段），布格重力异常由-190 mGal急剧跃增至-146 mGal，但是这一地段的地表水平距离却仅有4. 85 km; 其局部重力异常梯度竟可高达9 mGal/km.这是一般山前缓坡地带重力异常梯度的3~4倍.而此地段的地表地貌则相当平坦，即为1. 5°的平坡.因此，实属极为罕见的重力异常特异现象.见图 2.
|
图 2 剖面高程与布格重力异常分布特征 （a）高程；（b）自由空气异常；（c）布格重力异常. Fig. 2 Elevation and Bouguer gravity anomaly along the profile (a)Elevation; (b)Free air gravity anomaly; (c)Bouguer gravity anomaly. |
对此罕见的重力异常特异现象，极需进行地质-地球物理的分析、研究和给出相应的科学解释.为此，首先必须调研与查明该地区相关的地质构造和地层岩石物性资料[1, 7-20].
根据张国伟、孟庆任等[1-3, 5, 20]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[1-2, 4-5, 20].本文提出的中秦岭部分则是界定在108°E和109°E之间的地域.
秦岭造山带的地层岩石物性，总体的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测定值做对比，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=6.49~6.81km/s.中地壳主要是角闪岩相-绿片岩相的变质火山系，Vp=5. 70~6. 01km/s，上地壳则主要是地表各种岩类所组成，Vp=5. 4~6.08km/s[1].
至此，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，进而探求对重力异常在地壳结构与构造方面的分析与解释.
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[22]:
|
在此基础上，参考该大断面人工地震测深的数据，构建地质-密度模型，应用该地段经三点平滑处理后的布格重力异常，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给出本地段相应的地壳结构与构造的分析解释结果（图 3).
|
图 3 剖面密度结构拟合图 （a）计算布格异常与实测布格异常拟合图；（b）拟合密度结构模型.图中的数字为岩层密度，单位：g/cm3；M为Moho面 Fig. 3 Fitting of the measured and calculated data and the density structure of the profile (a)Comparation between the measured data and calculated data; (b)Density structure. (Values in Fig.3b is the density value of each layer with units of g/cm3, M is Moho) |
在图 3中，给出大断面在跨越中秦岭地带，即咸阳、户县至秦岭的北麓这一地段布格重力异常的分布和地壳结构与构造解释剖面.
在图 3中A-B段，显示了布格重力异常由-190 mGal突跃增至一146 mGal; 以及与此重力异常突跃响应相对应的秦岭北侧断裂构造带（或秦岭造山带与华北地块的接触带）的位置和形态特征.
在地壳结构与构造解释剖面中，秦岭北侧断裂构造的位置处在该重力异常突跃段内.其分布形态与特点是在断裂构造的上部呈现出近于陡直略向北的倾斜，倾角约为70°~80°; 断裂构造的中部，则基本上为垂直形态；在断裂构造的下半部，却转为近于陡直而略向南倾斜，南向倾角亦在70余度左右.秦岭北侧断裂带的上、中、下部的构造形态变化可能是造山带与华北地块南缘俯冲的多期次深层构造活动与长期演化的响应所致.
为了进一步探榷秦岭北侧断裂构造带（或秦岭造山带与华北地块的接触带）的位置与分布形态，对该异常突跃段及其两侧的重力异常进行水平方向导数Vxz的求取，得到该重力异常突跃段的水平方向导数Vxz的异常分布特征(见图 4b).
|
图 4 重力异常的水平方向导数Vxz Fig. 4 Lateral directional derivative of the gravity anomaly(Vxz) |
由图 4b显示的重力异常水平方向导数Vxz分布特征可以得到以下认识：
水平方向导数Vxz的分布在重力异常突跃段为负值，Vxz曲线呈尖锐凹谷型分布，Vxz的凹谷最低值(-130E左右)在大断面的1411号测点（541 km处）以北距离很近的1409-1407号测点（542~544 km)处；而在Vxz凹谷的北侧翼较南侧翼呈现出相对平缓的分布形态.根据重力学理论[23]，倾斜断裂的位置应与其水平方向导数Vxz最低值所在位置一致，同时倾斜断裂的倾向与呈现相对平缓的一侧相同.因此由图 4表明，水平方向导数Vxz的最低值与凹谷侧翼形态皆与解释剖面图 3b给出的秦岭北侧翼断裂构造的位置及断裂上部分布倾向形态特征是吻合的.
为进一步证明，根据重力学理论[23]又建立一个理论倾斜断裂模型，按倾斜断裂Vxz的理论计算公式得到其理论水平方向导数Vxz，其分布曲线亦为尖锐凹谷型分布，和北侧翼较南侧翼呈相对平缓的分布形态（图 5).
|
图 5 倾斜台阶的重力水平方向导数Vxz理论曲线图 （a）蓝线-水平方向导数Vxz，红线-重力异常；（b）倾斜台阶模型. Fig. 5 Theoretical curve of the gravity lateral directional derivative(Vxz)of tilted step (a)Blue line:Vxz, red line:gravity anomaly; (b)Tilted step model. |
通过图 4和图 5的分析，清晰地指出，秦岭北侧断裂构造带在上部地壳，为相当陡直且略向北倾的断裂构造.
3.2 秦岭北麓户县南至咸阳测段巨大幅度(44mGal)重力异常落差的性质和原由由于华北地块南部向秦岭俯冲，在秦岭北侧形成巨型断裂带，在综合地球物理大断面上已显现出它所引起的重力异常场变化特征，即从秦岭的北麓经户县南至咸阳一带，呈现出一个落差幅度大到44 mGal、延伸宽度近40 km (图 2的A-B-C点段的部位）的重力异常低值区.
与前一问题相同，对图 2中对应重力异常大幅度落差的A-B-C段的地壳结构与构造剖面进行了分析与解释.由图 3b的解释剖面图十分明显的显示出在A-B-C段的上部地壳存在一个巨厚的新生代沉积岩层和沉积物（密度在2.2~2. 45 g/cm3)的沉积地区.在沉积地区南侧，靠秦岭北断裂一带沉积最厚，可达6 km; 向北逐渐变薄，在户县附近，厚度减为4 km左右，到咸阳南部，厚度仅1~2 km.基于此，该重力异常低值区主要是由中秦岭北麓上部地壳巨厚的新生代沉积地层引起的.
至于此巨厚的、规模不小的沉积区的形成与存在的缘由，是与地质历史时期多次复杂的构造运动、特别是华北板块下插、多级次的秦岭造山运动及其复杂叠加效应密切相关[1-2, 4-5, 12, 20].
由于中秦岭地区地球物理工作开展不多，特别是该地带的高精度重力探测更为稀少，故致使上述两个问题一直未见诸研讨.
4 几点认识和讨论(1) 中秦岭地区在秦岭北麓户县南至咸阳测段存在一个巨大幅度（4 mGal)落差的特异重力场异常地区.
(2) 秦岭北麓在地表距离仅仅4. 85 km的地段，布格重力异常却由一190 mGal急剧增至-146 mGal！其局部重力异常梯度高达9 mGal/km，研究结果表明，这是秦岭北侧断裂构造带在重力场中引起的重力异常反应; 该断裂构造带在上部地壳呈70°~80°倾角向北倾斜; 在中部地壳为陡直状态; 在下部地壳则转呈70余度倾角向南倾斜.
(3) 在秦岭北侧断裂带以北，即从秦岭的北麓经户县南至咸阳一带，在综合地球物理大断面上呈现出一个落差幅度大到44 mGal、延伸规模达40 km的重力异常低谷区.这主要是在上部地壳中存在一个厚达6 km延伸近40 km的新生代沉积岩层和沉积物的沉积地层所引起的巨大重力异常低值区.
(4) 如此陡峭的秦岭北侧断裂构造带和如此巨厚的、规模不小的沉积区的形成与存在，乃是与地质历史时期多次复杂的构造运动、特别是华北板块下插、多级次秦岭造山运动叠加响应有着极其密切的相关关系.
(5) 对于中秦岭地区的北侧断裂构造带和巨厚的沉积地层的分析研究，对中秦岭地区北侧特异重力场的特征给出了一个较为合理的探榷.这对探究中秦岭地区板块下插、造山隆升等大地构造格局与动力学研究提供了深部的重要依据.
(6) 中秦岭地区北侧断裂构造带和沉积建造的研究对该地区矿产资源探查、灾害预防、环境保护等皆有重要的参考价值.
| [1] | 张国伟, 董云鹏, 姚安平. 秦岭造山带基本组成与结构及其构造演化. 陕西地质 , 1997, 15(2): 1–13. Zhang G W, Dong Y P, Yao A P. The crustal compositions, structures and its tectonic evolution of the Qinling orogenic belt. Geology of Shaanxi (in Chinese) , 1997, 15(2): 1-13. |
| [2] | 张国伟, 孟庆任, 赖绍聪. 秦岭造山带的结构与构造. 中国科学(B辑) , 1995, 38(11): 1379–1394. Zhang G W, Meng Q R, Lai S C. Tectonics and structure of Qinling orogenic belt. Science in China (Series B) (in Chinese) , 1995, 38(11): 1379-1394. |
| [3] | 张国伟, 张宗清, 董云鹏. 秦岭造山带主要构造岩石地层单元的构造性质及其大地构造意义. 岩石学报 , 1995, 11(2): 101–114. Zhang G W, Zhang Z Q, Dong Y P. Nature of main tectono-lithostratigraphic units of the Qinling orogen:Implications for the tectonic evolution. Acta Petrologica Sinica (in Chinese) , 1995, 11(2): 101-114. |
| [4] | 张国伟, 孟庆任, 刘少峰, 等. 华北地块南部巨型陆内俯冲带与秦岭造山带岩石圈现今三维结构. 高校地质学报 , 1997, 3(2): 129–143. Zhang G W, Meng Q R, Liu S F, et al. Huge intracontinental subduction zone at south margin of North China Block and present 3D lithospheric framework of the Qinling orogenic belt. Geological Journal of China Universities (in Chinese) , 1997, 3(2): 129-143. |
| [5] | 张国伟, 郭安林, 刘福田, 等. 秦岭造山带三维结构及其动力学分析. 中国科学(D辑) , 1996, 26(Sup.): 1–6. Zhang G W, Guo A L, Liu F T, et al. The 3D structure of Qinling orogenic belt and its dynamics. Science in China (Series D) (in Chinese) , 1996, 26(Sup.): 1-6. |
| [6] | 袁学诚.秦岭造山带的深部构造与构造演化.//秦岭造山带论文集. 1994:174-187. Yuan X C. The deep structure and tectonic evolution of Qinling orogen, 1994:174-187.(请补充本条文献信息) |
| [7] | 滕志宏, 王晓红. 秦岭造山带新生代构造隆升与区域环境效应研究. 陕西地质 , 1996, 14(2): 33–42. Teng Z H, Wang X H. Studies of the tectonic uplift at the Cenozoic era and the regionally environmental effects in the Qinling orogenic belt. Geology of Shaanxi (in Chinese) , 1996, 14(2): 33-42. |
| [8] | 袁学诚, 徐明才, 唐文榜, 等. 东秦岭陆壳反射地震剖面. 地球物理学报 , 1994, 37(6): 749–758. Yuan X C, Xu M C, Tang W B, et al. Eastern Qinling Seismic reflection profiling. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 1994, 37(6): 749-758. |
| [9] | 李立, 杨辟元, 段波, 等. 东秦岭岩石层的地电模型. 地球物理学报 , 1998, 41(2): 189–195. Li L, Yang P Y, Duan B, et al. The Lithospheric geoelectric model of East Qinling. Chinese J. Geophys. (Acta Geophysica Sinica) (in Chinese) , 1998, 41(2): 189-195. |
| [10] | 徐明才, 高景华, 刘建勋. 东秦岭深地震剖面上莫霍基本特征的研究. 地质与勘探 , 2000, 36(1): 40–43. Xu M C, Gao J H, Liu J X. Research of Moho basic features on eastern Qinling deep seismic profile. Geology and Prospecting (in Chinese) , 2000, 36(1): 40-43. |
| [11] | 袁学诚, 任纪瞬, 徐明才, 等. 东秦岭邓县-南漳反射地震剖面及其构造意义. 中国地质 , 2002, 29(1): 14–19. Yuan X C, Ren J S, Xu M C, et al. Reflection seismic profile from Dengxian to Nanzhang, eastern Qinling, and its tectonic implication. Geology in China (in Chinese) , 2002, 29(1): 14-19. |
| [12] | 任隽, 彭建兵, 王夫运, 等. 渭河盆地及邻区地壳深部结构特征研究. 地球物理学报 , 2012, 55(9): 2939–2947. Ren J, Peng J B, Wang F Y, et al. The research of deep structural features of Weihe basin and adjacent areas. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2012, 55(9): 2939-2947. |
| [13] | 董治平, 雷芳, 申秀荣, 等. 西秦岭北缘断裂带的深部构造特征及其与地震活动的关系. 内陆地震 , 1996, 10(3): 224–234. Dong Z P, Lei F, Shen X R, et al. The deep structure features of the fault zone along Northern edge of west Qinling and its relation with seismic activity. Inland Earthquake (in Chinese) , 1996, 10(3): 224-234. |
| [14] | 李百祥. 西秦岭地球物理场的地质解释. 甘肃地质学报 , 1997, 6(2): 82–91. Li B X. Explanation of the geophysical field of the west Qinling. Acta Geologica Gansu (in Chinese) , 1997, 6(2): 82-91. |
| [15] | 张先康, 嘉世旭, 赵金仁, 等. 西秦岭-东昆仑及邻近地区地壳结构--深地震宽角反射/折射剖面结果. 地球物理学报 , 2008, 51(2): 439–450. Zhang X K, Jia S X, Zhao J R, et al. Crustal structures beneath west Qinling-east Kunlun orogen and its adjacent area--results of wide-angle seismic reflection and refraction experiment. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2008, 51(2): 439-450. |
| [16] | 张国伟, 郭安林, 姚安平. 中国大陆构造中的西秦岭-松潘大陆构造结. 地学前缘 , 2004, 11(3): 23–32. Zhang G W, Guo A L, Yao A P. Western Qinling-Songpan continental tectonic node in China's continental tectonics. Earth Science Frontiers (in Chinese) , 2004, 11(3): 23-32. |
| [17] | 高锐, 马永生, 李秋生, 等. 松潘地块与西秦岭造山带下地壳的性质和关系--深地震反射剖面的揭露. 地质通报 , 2006, 25(12): 1361–1367. Gao R, Ma Y S, Li Q S, et al. Structure of the lower crust beneath the Songpan block and west Qinling orogen and their relation as revealed by deep seismic reflection profiling. Geological Bulletin of China (in Chinese) , 2006, 25(12): 1361-1367. |
| [18] | 张季生, 高锐, 李秋生, 等. 松潘-甘孜和西秦岭造山带地球物理特征及基底构造研究. 地质评论 , 2007, 53(2): 261–266. Zhang J S, Gao R, Li Q S, et al. A study on geophysical characteristic and basement in the Songpen-Garze and western Qinling orogenic belt. Geological Review (in Chinese) , 2007, 53(2): 261-266. |
| [19] | 王海燕, 高锐, 马永生, 等. 若尔盖与西秦岭地震反射岩石圈结构和盆山耦合. 地球物理学报 , 2007, 50(2): 472–481. Wang H Y, Gao R, Ma Y S, et al. Basin-range coupling and lithosphere structure between the Zoigê and the west Qinling. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2007, 50(2): 472-481. |
| [20] | 袁学诚. 秦岭岩石圈速度结构与蘑菇云构造模型. 中国科学(D辑) , 1996, 39(3): 235–244. Yuan X C. Velocity structure of the Qinling lithosphere and mushroom cloud model. Science in China (Series D) (in Chinese) , 1996, 39(3): 235-244. |
| [21] | 程顺有, 张国伟, 李立. 秦岭造山带岩石圈电性结构及其地球动力学意义. 地球物理学报 , 2003, 46(3): 390–397. Cheng S Y, Zhang G W, Li L. Lithospheric electrical structure of the qinling orogen and its geodynamic implication. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2003, 46(3): 390-397. |
| [22] | Brocher T M. Empirical relations between elastic wavespeeds and density in the Earth's crust. Bull. Seism. Soc. Am. , 2005, 95(6): 2081-2092. DOI:10.1785/0120050077 |
| [23] | 王谦身, 安玉林, 张赤军, 等. 重力学. 北京: 地震出版社, 2003 . Wang Q S, An Y L, Zhang C J, et al. Gravitology (in Chinese). Beijing: Seismological Press, 2003 . |