渭河盆地口镇-关山断裂活动性成因

李煜航　王庆良　崔笃信　郝　明

1　中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054　2　中国地震局地质研究所，北京市华严里甲1号，100029



渭河盆地口镇-关山断裂活动性成因

李煜航1, 2王庆良1崔笃信1郝明1

1中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，7100542中国地震局地质研究所，北京市华严里甲1号，100029

摘要：分析了渭河盆地新生代构造及演化特征。结合秦岭北缘断裂的断层分段性研究发现，口镇-关山断裂与秦岭北缘断裂强烈活动的断层段具有很好的空间对应关系。利用有限元模拟研究作为渭河盆地主控断裂的秦岭北缘断裂和华山山前断裂在伸展作用下对口镇-关山断裂和渭河盆地北缘断裂带其他断层的影响。结果显示，口镇-关山断裂的断层活动是秦岭北缘断裂东段作为秦岭北缘断裂中活动性较强的断层段伸展作用的构造响应，同时口镇-关山断裂作为先存构造加剧了上述影响，使其成为渭河北缘断裂带中活动强烈的断层。

关键词：渭河盆地；口镇-关山断裂；断层活动性；有限元模拟

渭河盆地位于鄂尔多斯块体南缘、秦岭构造带北侧，自始新世在区域构造水平伸展作用和深部物质运动产生的垂直力联合作用下逐渐形成正断层活动的断陷格局[1-3]。作为典型的半地堑型盆地，沿渭河盆地南缘近东西向展布的周至-户县断裂、秦岭北缘断裂和华山山前断裂(图1(a))是盆地内新生代以来正倾滑活动最为强烈的断裂[4-6]。上述断裂除产生强烈的垂直差异运动外，还由盆边向盆内扩展，并导致盆地带另一侧向北扩张，进而在渭河盆地北缘形成一系列由南向北、形成年代逐渐变新的阶梯状正断层，习惯上将其称为渭河盆地北缘断裂带(图1(c)，图1(d))[7-8]。

1.全新世活动断裂；2.晚更新世活动断裂；3.第四纪活动断裂；4.走滑断裂；5.隐伏断裂；6.断裂编号F1秦岭北缘断裂；F2华山山前断裂；F3户县断裂；F4渭河断裂；F5骊山山前断裂；F6渭南塬前断裂；F7口镇-关山断裂；F8礼泉断裂；F9岐山-店头断裂；F10龙岩寺-乾县断裂；F11杨庄镇-口镇断裂；F12临潼-长安断裂；F13双泉-临猗断裂；F14长坳断裂；F15新兴-马额断裂；F16白水断裂；F17韩城断裂；F18岐山-马召断裂；F19泾河断裂图1　渭河盆地主要断裂构造及地震剖面图[1,4-5,9]Fig.1　The main active faults and topic seismic profiles in Weihe basin

渭河盆地北缘断裂带中，走向近E-W的口镇-关山断裂DEM线性影像特征十分醒目，与带内其他NEE-NE走向的断裂差异明显(图1(a))。进一步研究表明，口镇-关山断裂为全新世活动断裂，而渭河盆地北缘断裂带其他断层均为晚更新世活动断裂(图1(a))。此外，该断裂新生代断层活动强度也明显高于带内其他断层[7,9-10]；跨断层形变监测显示，口镇-关山断裂现今仍以0.75 mm/a的速率正倾滑，并沿断裂走向有张性地裂缝发育[11-12]。口镇-关山断裂的断层活动性和断层活动强度明显高于渭河盆地北缘断裂带内其他断层的原因及其与盆地内其他断层活动性的关联，是一个值得思考的科学问题。

本文拟从渭河盆地新生代断裂构造活动与演化关系出发，结合有限元模拟研究上述问题。这将有助于加深对渭河盆地北缘新生代断层活动强度、地裂缝灾害和地震活动性的认识[7,10,13-14]。

1　地质构造背景

渭河盆地自始新世开始从盆地中部向南、北扩展[1,3-6]，渐新世晚期以后进入半地堑型盆地发展阶段。秦岭北缘断裂成为盆地的主控断裂，随着渭河盆地的扩展，逐渐在其北缘形成一系列由南向北逐渐变新的NEE-NE向正断层(图1)[7,15]。

渭河北缘断裂带活动强度总体上具有东强西弱(以口镇为界)、南(靠盆地中心一侧)强北弱的变化规律。研究表明，口镇-关山断裂上新世、中更新世和全新世以来的平均滑动速率分别为大于0.18 mm/a[7]、0.53 mm/a[7]和0～1 mm/a，现今仍有0.75 mm/a的正倾滑活动速率[10]，是渭河北缘断裂带中活动性最强的断层[16]。

渭河盆地南缘断裂带(包括秦岭北缘断裂和华山山前断裂)的断层活动性也有东强西弱的特点[4,17]。秦岭北缘断裂东段(岐山-马召断裂以东)作为全新世活动断层段，晚更新世末期及全新世早期平均正倾滑速率达0.47～0.69mm/a[4]，明显高于西段的0.23～0.38 mm/a[4]，而全新世晚期其东强西弱的活动差异更加明显[4,18]。

渭河盆地南、北缘断裂带在断层活动性方面均具有东强西弱的变化规律。而秦岭北缘断裂东段作为该断裂活动性最强的断层段，向北恰与渭河北缘断裂中活动性最强的口镇-关山断裂具有极好的空间对应关系(图1(a))。

渭河盆地具典型的半地堑特征(图1(c),图1(d))，其南缘断裂作为盆地主控断裂，应对渭河北缘断裂带反向正断层的形成和活动起控制作用[5-6]，据此推断秦岭北缘断裂在分段活动性上的差异导致口镇-关山断裂成为渭河盆地北缘断裂带中活动性最强的断层，但这种作用对渭河北缘断裂带特别是口镇-关山断裂是否会产生影响和产生多大影响，则需要进一步研究。

2　有限元数值模拟

2.1有限元模型的建立

选取秦岭构造带、渭河盆地和鄂尔多斯地块为模拟范围，重点研究第四纪以来渭河盆地南缘断裂(秦岭北缘断裂和华山山前断裂)的伸展作用对渭河盆地北缘断裂带，特别是口镇-关山断裂断层活动的影响。基于地质研究结果，对地质模型作了适度简化。总体隐伏的渭河断裂第四纪以来断层活动十分微弱，即使在该断裂活动性较强的咸阳一带，晚更新世古土壤层的错动量也只有1～2 m，因此本模型不涉及该断裂[19]。对于一些规模较小、活动性弱、处于从属地位的小断裂也不纳入本次模拟研究。

渭河盆地南、北缘各断裂的位置及产状均按实际野外调查结果给出[4-5]，其中秦岭北缘断裂及华山山前断裂产状360°∠75°，宽度3 km；口镇-关山断裂产状180°∠70°，宽度1 km；其他渭河盆地北缘断裂走向均按相应地质资料给出，断层倾角设置为70°(图1)，宽度1 km。考虑到渭河盆地新生界沉积厚度的不均匀性及不确定性，纵向上不作分层，模型深度5 km(图2)，采用brick8nodeSolid185单元建立有限元模型并分网，共生成节点38 970个，单元99 170个。

本次模拟地壳浅部在构造伸展作用下的瞬态响应，因此模型设置为弹性介质。考虑到地壳已达均衡状态，不考虑重力作用。各构造单元的力学参数参考相关研究给出(表1)[20-21]。

表1　各构造单元力学参数

1.渭河盆地南缘断裂；2.渭河盆地北缘断裂3.断裂分段编号F1-1秦岭北缘断裂西段；F1-2秦岭北缘断裂东段；F2-1华山山前断裂西段(蓝田-华县)；F2-2华山山前断裂东段(华县以东)图2　渭河盆地主要断裂几何模型Fig.2　The geometric model of main faults in Weihe basin

2.2边界条件及计算过程

渭河盆地相对于稳定的鄂尔多斯地块总体具有5～6 mm/a的近南北向伸展作用[22]，因此固定模型的北侧水平方向运动，对模型的南边界施加水平向南的位移约束。由于秦岭北缘断裂和华山山前断裂断层活动具有明显的分段性(图2)[4,17]，故对不同断层段施加不同的伸展速率约束。秦岭北缘断裂东段(F1-2)和华山山前断裂东段(F2-2)断层活动强烈，与该段对应的南边界施加水平向南5 mm/a的速率约束；秦岭北缘断裂西段(F1-1)活动性较弱，对其对应的南边界施加2 mm/a的水平向南的速率约束。华山山前断裂西段(F2-1)新近纪以来断层活动微弱，厚度仅有20多m的全新统直接与第三系不整合接触，同时断层活动具有向盆地内部迁移的特点[23]，对该段仅施加1 mm/a水平向南的速率约束(图2)。

2.3结果及分析

在上述边界条件下，分别在无口镇-关山断裂(模型1)和有口镇-关山断裂(模型2)时探讨渭河盆地南缘断裂作为主控断裂，其差异伸展运动对渭河盆地及其北缘的影响和变化规律(模型1)，以及口镇-关山断裂作为长期先存断裂构造存在时，渭河盆地伸展作用的变化(模型2)。模型1的结果表明，在渭河盆地中与秦岭北缘断裂东段和华山山前断裂东段对应的部位，S-N向的伸展作用明显强于其他区段，且由南向北逐渐减弱并影响到了渭河盆地北缘一带(图3(a))。S-N向的应变率场更加清晰地揭示了上述差异特征，沿秦岭北缘断裂东段和华山山前断裂东段向北出现规则的应变率大值区，并延伸到渭河盆地北缘(图3(b))。

口镇-关山断裂的存在(模型2)使得在其南、北两侧伸展速率差异增大，量值在0.25 mm/a左右(图4(a))。同时该断裂S-N向的伸展作用自西向东逐渐减弱，与地质结果吻合[9-10]。

通过剖面对比(如图3和图4虚线所示)可见，口镇-关山断裂的存在，使得渭河盆地在口镇-关山断裂和秦岭北缘断裂东段之间，S-N向的伸展速率要高于没有该断裂(模型1)的结果(图5)。同时图6显示，在口镇-关山断裂两侧S-N向应变率明显大于没有考虑该断裂时渭河盆地北缘断裂(模型1)的结果。

图3　研究区南北向伸展速率及应变率(模型1)Fig.3　The S-N direction extension velocity and strain contour map of research area (model 1)

图4　研究区南北向伸展速率及应变率(模型2)Fig.4　The S-N direction extension velocity and strain contour map of research area(model 2)

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

图6　模型S-N向应变率剖面图Fig.6　The S-N direction strain profiles

3　讨　论

3.1断裂活动的长期性

模型1的结果显示,秦岭北缘断裂东段以北和华山山前断裂东段以北是渭河盆地内受伸展作用影响强烈的两个区域，但秦岭北缘断裂以北的区域接受区域水平伸展作用的时间要长于后者。秦岭北缘断裂以北区域遭受的伸展作用时间能追溯到渐新世(约30 Ma BP)，而华山山前断裂作为渭河盆地东部主控断裂的起始时间明显较晚[4-5]。可见，渭河盆地中部秦岭北缘断裂东段以北区域是渭河盆地内遭受伸展作用影响时间最长的区段，长期的伸展作用很可能使该段地壳介质更趋“薄弱”，更易“感知”秦岭北缘断裂的构造活动。

3.2先存构造的影响

口镇-关山断裂形成于前新生代，其作为正断层活动的历史始于始新世。可见，即使相对于新生代，它也是一条先存的构造薄弱带，因此在模型2中加入该断裂来研究其存在对渭河盆地北缘及渭河盆地相关区段的影响。结果显示，口镇-关山断裂的存在使得渭河盆地北缘及渭河盆地中部伸展变形作用更加强烈。与此形成对比，渭河盆地东部由于没有先存断裂的加入，其伸展变形作用没有明显的变化。

3.3渭河盆地北缘构造活动

本文以渭河盆地南缘断裂带(秦岭北缘断裂和华山山前断裂)为主控断裂，模拟了伸展作用对渭河盆地北缘及其相关断裂的影响，揭示的伸展作用大体以口镇为界，明显具有东强西弱的特点。这一结果与渭河盆地北缘新生代断层活动强度、地裂缝发育和地震活动性方面呈东强西弱的变化规律极为吻合[7,10,13-14]，上述构造活动的成因很有可能统一于渭河盆地南缘断裂的伸展断陷活动。结果还显示，在渭河盆地中部和东部存在两个伸展作用强烈的区域，且靠近渭河盆地南缘断裂带伸展作用更加强烈，与渭河盆地第四系沉陷中心非常吻合。通过上述分析可见，渭河盆地南缘断裂带在渭河盆地新生代构造活动中起到了主导和控制作用，但从渭河盆地南缘断裂带活动到渭河盆地新生代构造演化的动力学背景，目前仍有争议[24-26]。

4　结　语

1)口镇-关山断裂的断层活动是秦岭北缘断裂东段作为秦岭北缘断裂中活动性较强的断层段伸展作用的构造响应，同时口镇-关山断裂作为先存构造加剧了上述响应，使其成为渭河北缘断裂带中活动强烈的断层。

2)口镇-关山断裂所受伸展作用具有西强东弱和渭河盆地北缘断裂断层活动强度南强北弱的特点，与地质研究结果吻合。

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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

第一作者简介：李煜航,工程师,博士生,主要从事地壳形变及地球动力学研究，E-mail：liyuhangdz@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.08.003

文章编号：1671-5942(2016)08-0669-05

中图分类号：P315

文献标识码：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

项目来源：国家自然科学基金(41174083)；陕西省青年科技新星计划(2015KJXX-74)；中国地震局地震行业科研专项(201208009)。