西秦岭深部结构构造特征：对中-晚新生代壳—幔变形机制的启示*

邓赛科 程 斌 鲁如魁

（大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系 西安 710069）

秦岭造山带是中国大陆中部一条东西向展布的复合型造山带，位于华北板块与扬子板块的拼接部位，是中国大陆构造格架的脊梁。西秦岭隶属于秦岭造山带西段，向西与祁连、昆仑造山带相接，同时也是青藏高原东北缘的重要组成部分（图1）。自印支期秦岭全面碰撞造山之后，西秦岭进入了复杂的陆内构造演化阶段（张国伟等，2001，2004，2019；张国伟，2015；Dong and Santosh，2016；董云鹏等，2019）。尤其新生代以来，由于青藏高原隆升与扩展生长的叠加改造，西秦岭进入新的构造活动期，经历了多期次的快速隆升与变形，强烈的构造热活动及山脉的快速隆起主要发生于中-晚新生代（早中新世之后），最终形成现今的高大山脉（袁道阳等，2007；Clark et al.，2010；Duvall et al.， 2011，2013； 郑 文 俊 等 ， 2013；Wang et al.，2017a；Yang et al.， 2017；Tong et al.，2019）。由于在新生代早期受到印度—欧亚板块碰撞的远程效应，始新世西秦岭局部地区发生明显的断裂活动与地表隆升，如西秦岭断裂、临潭—宕昌断裂、玛曲—迭部断裂以及东昆仑断裂（图2；裴先治，2001；张国伟等，2004；张国伟，2015；Guo et al.，2009；Wang et al.，2016a；He et al.，2017；Chen and Lin，2019；Zattin and Wang，2019），并伴随有盆地的快速堆积，如临夏盆地、天水盆地、宕昌盆地和徽成盆地等（图 2；Clark et al.，2010；Duvall et al.，2011，2013；Wang et al.，2016a；史小辉等，2018；Hu et al.，2020a；张逸鹏等，2021）。构造热年代学与磁性地层学研究结果显示，西秦岭地区强烈的大规模构造热活动、山脉的快速隆升剥露和盆地快速堆积主要发生于中-晚新生代（图 2；Fang et al.，2003；Yan et al.，2006；Wang et al.，2012；俞晶星等，2012；Wang et al.，2013；张波等，2018；Chen and Lin，2019；Li et al.，2020）。GRACE 和GPS 观测结果表明这种隆升作用现今仍在进行（王双绪等，2017；Zhao et al.，2017；Li et al.，2018；Pan et al.，2018）。西秦岭地区中-晚新生代强烈的构造活动并非特有，其它研究结果表明青藏高原东北缘其它地区中-晚新生代也发生着强烈 的 构 造 隆 升 与 变 形（Zhang et al.， 2010； Lease et al.， 2011； Duvall et al.， 2013；Wang et al.，2016b；Zheng et al.，2016；Bao et al.，2017；Zheng et al.，2017；Lu et al.，2018；Fang et al.，2019；Liu et al.，2019；Peng et al.，2019；Meng et al.，2020；Wang et al.，2020；Liang et al.，2021），与西秦岭地区中-晚新生代大规模隆升和扩展变形在时间上具有很好的一致性。因此，可以认为西秦岭中-晚新生代强烈陆内构造活动是青藏高原向北东方向扩展变形的结果。此外，地震活动是浅表构造活动的一种特殊表现形式，西秦岭地区是青藏高原向北东方向扩展的前缘地带，显示较强的地震活动性，大地震频发（图3），研究区地震活动性研究结果表明，西秦岭的地震活动同样是青藏高原向北东方向扩展变形的一种结果（周民都等，1991，2012；Zhang et al.，2010；Zhao et al.，2012；詹艳等，2014；Sun et al.，2019）。

图1 秦岭造山带及邻区构造背景与地貌图Fig.1 Tectonic background and geomorphic map of Qinling orogenic belt and its adjacent areas

图2 西秦岭及邻区新生代浅表构造活动分布图Fig.2 Distribution map of Cenozoic shallow tectonic activities in the West Qinling and its adjacent areas

图3 西秦岭及邻区地震震中分布图（地震数据为1900 年至今；数据来源：中国地震台网中心）Fig.3 Epicenter distribution of earthquakes in the West Qinling and its adjacent areas（seismic data from 1900 to present；data from China Earthquake Networks Center）

上述浅表构造研究结果表明，西秦岭及邻区新生代陆内构造活动主要受控于印度—欧亚板块碰撞过程，是青藏高原隆升和北东向扩展变形的结果。然而青藏高原是以什么样的方式发生北东向扩展变形，即青藏高原东北缘扩展变形机制，目前仍存在较大争议；该问题对于探讨整个青藏高原的形成演化过程具有非常重要的意义。西秦岭地区作为青藏高原东北缘的重要组成部分，且发育强烈的与高原扩展有关的新生代（尤其中-晚新生代）构造活动，因此西秦岭中-晚新生代的壳—幔变形机制是青藏高原北东向扩展变形方式在西秦岭的具体体现，对于揭示青藏高原东北缘扩展变形机制至关重要。要深入探讨这一科学问题，除了该区已有的地表构造活动特征，更为关键的是该区中-下地壳和上地幔的详细三维结构构造特征，它主要反映了新生代（尤其中-晚新生代以来）的变形过程及其动力学，从而可以准确揭示中-晚新生代西秦岭地壳—上地幔不同深度层的变形样式，并进一步探讨其壳—幔变形机制。

1 西秦岭重、磁异常与电性结构特征

多尺度重力场研究结果表明，相比于周边表现为突出正异常的稳定块体（如四川盆地、鄂尔多斯盆地），西秦岭及邻区呈现明显的负异常，岩石圈显示十分复杂的相对塑性特征（孟小红等，2012；毕奔腾等，2016）。西秦岭布格重力异常变化总体由西向东阶梯状递增，大致以105°E 为界，西秦岭西部重力梯度等值线呈NWW 至SN 向展布，东部重力梯度等值线分布在34°N 以北呈NNW 至NW 向，以南呈NE 至NEE 向展布（袁惟正等，1996；Pavlis et al.，2012；杨文采等，2015）。小尺度重力异常图反映了西秦岭上地壳布格重力异常分布，正负相间的异常条带与区域内主要断裂（西秦岭断裂、东昆仑断裂、临潭宕昌断裂等）走向较为一致。西秦岭及松潘—甘孜地块中-下地壳存在部分重力低值区，主要分布在西秦岭北缘断裂、东昆仑断裂和松潘—甘孜东南部。西秦岭及邻区大尺度重力异常图显示，在西秦岭西部（105°E 西侧）、松潘—甘孜地块和南祁连部分地区存在大规模重力低速区，可能代表了青藏高原壳—幔物质的NE 向迁移（Gao et al.，2015；毕奔腾等，2016；Guo et al.，2016；Gao et al.，2021）。航磁异常研究结果显示，西秦岭出现一系列正负交替的磁异常条带，其走向与地表构造走向一致（石岚等，2017）。此外，通过布格重力异常反演地壳厚度结果显示，西秦岭平均地壳厚度为50 km 左右，呈向西台阶式增深特点。通过磁异常计算西秦岭居里面深度，结果显示西秦岭整体具有较浅的居里面（Gao et al.，2021）。

前人在西秦岭及其邻区开展了大量的大地电磁测深研究（图4），很好地揭示了该区断裂带及其两侧不同构造单元地壳—上地幔顶部的电性结构特征。研究表明，西秦岭上地壳总体显示为高低阻夹杂分布，其中低阻体可能代表结构较为松散的沉积盆地。除西秦岭西段中-下地壳显示较为完整的高阻异常结构，西秦岭主体中-下地壳存在分布广泛的低阻体，随着深度的增加，低阻体规模逐渐减小，呈现出东北及西南浅、中部深的倒“梯形”结构样式（李松林等，2002；汤吉等，2005；詹艳，2008；金胜等，2012；赵凌强，2014；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019）。西秦岭中-下地壳低阻体可能代表了青藏高原东北缘扩展挤压所导致的岩石部分熔融以及含盐流体的上涌（Unsworth et al.，2004， 2005；Bai et al.， 2010；Zhao et al.，2012； Sun et al.， 2013；Zhao et al.，2021a）。西秦岭北缘断裂带为西秦岭地块与祁连地块之间的一条明显电性梯度带，断裂北侧的祁连地块具中地壳高阻，下地壳低阻的电性结构（Xue et al.，2019；Xin et al.，2021）。勉略缝合带为西秦岭与碧口地块的界线，主体表现为中-下地壳低阻特征，南侧碧口地块除了上地壳夹杂部分零星低阻体，整体呈高阻特征（Zhao et al.，2012；Zhan et al.，2013；王海燕等，2014；Xue et al.，2019）（图 5）。松潘—甘孜地块与西秦岭以东昆仑断裂带为界，其西南侧的松潘—甘孜地块整体中-下地壳呈低阻异常，低阻层分布由西南向东北逐步变浅，可能代表了高原深部物质向北东方向延伸（詹艳等，2014；赵凌强等，2015，2020）。东昆仑断裂与白龙江断裂、光盖山—迭山断裂组成倾向SW 的叠瓦状断裂系，整体上地壳呈高阻特征，中-下地壳为低阻体，与松潘—甘孜下方中-下地壳低阻体相连（Bai et al.，2010；赵凌强等，2015；Sun et al.，2019）。

图4 西秦岭及邻区大地电磁测深剖面位置分布图Fig.4 Location distribution of magnetotelluric sounding profiles in the West Qinling and its adjacent areas

综合西秦岭及其邻区的重、磁异常以及电性结构特征研究，西秦岭、松潘—甘孜地块中-下地壳以及岩石圈地幔的大规模低重力异常、较浅的居里面以及广泛分布的低阻体表明西秦岭具有较热、较塑性的岩石圈。西秦岭中-下地壳的倒“梯形”电性结构显示西秦岭造山带受到松潘—甘孜地块向北挤压和祁连地块向南的阻挡—挤压作用中（图5）。以上研究结果说明，西秦岭及其邻区岩石圈受到了青藏高原北东向扩展的影响而发生弱化。

图5 陇中—四川盆地电磁测深剖面二维电性结构图（剖面位置见图4；据Xue et al.，2019 修改）Fig.5 Two-dimensional electrical structure of electromagnetic sounding profile in central Gansu-Sichuan Basin（profile in Fig.4；modified after Xue et al.，2019）

2 西秦岭岩石圈三维速度结构

前人通过人工地震探测剖面和宽频地震观测剖面对西秦岭及邻区开展了一系列深部结构探测研究（图6）。地震反射剖面与宽频地震探测剖面研究揭示了西秦岭及邻区岩石圈与地壳厚度的横向变化。岩石圈厚度总体呈现自SW 向NE 逐渐减薄的趋势，西秦岭与松潘—甘孜地块岩石圈厚度相对较薄（110～130 km），北侧祁连地块具有相对较厚的岩石圈（140～150 km）。结合西秦岭岩石圈下方分布的代表青藏高原东北缘软流圈组成部分的大规模低速异常（Tian et al.，2009；Jiang et al.，2013；Li et al.，2013；Bao et al.，2015；Lei and Zhao，2016；Guo and Chen，2017；Wang et al.，2017b；Fu et al.，2019），这种岩石圈厚度的横向变化被认为是西秦岭及松潘—甘孜地块岩石圈遭受其下方软流圈的底侵作用而发生了一定程度的减薄（Shen et al.，2015；Wang et al.，2018）。西秦岭及邻区地壳厚度变化的总体趋势为自SW 向NE 逐渐减薄，最厚处在松潘—甘孜地块（约60 km），最薄处在鄂尔多斯盆地西南部（约43 km）（Liu et al.，2006；Zhang et al.，2013；Li et al.，2015；张洪双等，2015；Li et al.，2017）。地壳平均厚度在松潘—甘孜地块和西秦岭分别为53 km 和49 km，向NE 逐渐减薄至祁连地块的45 km 和鄂尔多斯地块的43 km（Tian and Zhang，2013；刘启民等，2014）。地震反射剖面结果显示，西秦岭与松潘—甘孜中-下地壳均具有强烈的北倾反射特征，与西秦岭上地壳复杂的反射特征不尽相同，但主体的构造走向均为NWW 向（Gao et al.，2014），与该区地表总体构造走向一致（图2）。该特征表明松潘—甘孜与西秦岭均受到青藏高原北东向扩展强烈挤压作用，造成该区地壳从浅表至深部的显著NWW 向构造变形（Gao et al.，2014；Ye et al.，2015；Xu et al.，2018）。

图6 西秦岭及邻区地震探测剖面位置分布图Fig.6 Location distribution of seismic detection profiles in the West Qinling and its adjacent areas

层析成像与接收函数结果表明，西秦岭及邻区浅层地震波速度结构与地表构造有较好的对应关系，造山带基底隆起区表现为高速异常，松散堆积的沉积盆地表现为低速异常（Xu et al.，2013；Guo and Chen，2017）。西秦岭中-下地壳存在大范围低速异常（Zhang et al.，2011；Bao et al.，2013；Cheng et al.，2016；Guo and Chen，2017），这与地震探测剖面研究结果一致（图7），结合西秦岭中等地表热流值（Sun et al.，2013；Liu et al.，2016；Jiang et al.，2019）以及局部零星发育的新生代火成岩（喻学惠等，2009；Su et al.，2009；Lai et al.，2014），主体认为西秦岭地壳成分偏长英质，中-下地壳广泛存在的低速异常与低波速比异常是含盐流体导致（Liu et al.，2006；Zhang et al.，2013；Li et al.，2017），但也有学者发现在西秦岭存在较高的波速比和泊松比，认为西秦岭地壳成分可能为镁铁质，存在发生塑性流动的可能性（Li et al.，2015；Xu et al.，2018；Sun et al.，2021a）。西秦岭中-下地壳低速异常向北延伸至祁连地块下方，祁连地块中-下地壳低速异常区主体同样显示低速异常和低的波速比（Liu et al.，2006；Ding et al.，2017；Sun et al.，2021b），该区域存在中等热流值以及高导异常（Hu et al.，2000；Wang，2001；Zhao et al.，2005；Sun et al.，2013；Tao and Shen，2018）（图 5）；三维热结构研究估算祁连地块下地壳温度可能为700 ℃～800 ℃（Sun et al.，2013），但这样的温度并不足以达到部分熔融的程度，且流体的存在同样能够引发低速以及高导异常，因此这种低速异常以及低的波速比可能是流体作用造成的（Huang and Zhao，2004，2009；Cheng et al.，2016）。松潘—甘孜地块中-下地壳同样发育大规模低速异常（王椿镛等，2003），且该低速异常区表现为较高的Vp/Vs值，结合松潘—甘孜地块相对较高的地表热流值（Liu et al.，2016；Jiang et al.，2019），该低速异常与高波速比异常指示该区中-下地壳可能存在部分熔融（Wu et al.，2017；Wang et al.，2018）。层析成像与接收函数研究结果显示，西秦岭部分地区上地幔低速区（Lei and Zhao，2016；He and Zheng，2018；Zhang et al.，2018；Li et al.，2019；Wang et al.，2021b）（图 7），结合西秦岭地区新生代火山岩的存在（喻学惠等，2009；Su et al.，2009；Lai et al.，2014），其可能存在诱发的局部地幔上升流。祁连地块岩石圈地幔表现为中等速度，但在其下方发现了代表软流圈的低速带，可能代表青藏高原软流圈NE 向的延伸（Wei et al.，2017），四川盆地、鄂尔多斯盆地表现为稳定刚性块体，其岩石圈地幔表现为显著高速异常（Zhao et al.，2012；Shen et al.，2014）。

图7 西秦岭及邻区人工地震反射剖面二维P 波速度结构图（据Liu et al.，2006 修改）Fig.7 Two-dimensional P-wave velocity structure of deep wide-angle seismic refraction /reflection profile across the West Qinling and its adjacent areas（modified after Liu et al.，2006）

综合上述地壳和岩石圈厚度变化特征、速度结构、波速比与泊松比的三维变化，西秦岭及邻区总体为构造热活动区，青藏高原软流圈NE 向侧向运移受外围阿拉善、鄂尔多斯及四川刚性岩石圈阻挡，导致局部软流圈上涌及地壳横向挤压缩短，并最终造成西秦岭及邻区的岩石圈减薄与地壳增厚，且岩石圈减薄和地壳加厚的程度呈NE 向逐渐减弱。西秦岭、祁连地块和松潘—甘孜地块中-下地壳受软流圈上涌影响而发生弱化，具有低速特征，其中西秦岭与祁连地块中-下地壳低速层成因可能为中-下地壳的含盐流体，而松潘—甘孜地块具有较高的波速比和P 波速度，结合其较高的地表热流值，其低速层成因可能为部分熔融。松潘—甘孜地块与西秦岭具有较热岩石圈地幔的性质，反映其受到软流圈上涌的加热弱化，而祁连地块岩石圈地幔表现为中等速度，其下部发现代表软流圈的低速带，可能代表青藏高原软流圈NE 向扩展。

3 西秦岭地震波各向异性及壳—幔变形特征

地震波各向异性是地球内部（尤其是地壳和上地幔）物质层的一项基本特征（Silver and Chan，1991）。已有的理论研究表明，地震波各向异性能够很好地探测和反映地球内部不同深度范围（上地壳、中-下地壳和上地幔等）的变形特征，然而不同深度层的各向异性成因不尽相同（Silver and Chan，1991；Silver，1996）。上地壳各向异性主要是大量裂隙在应力作用下定向排列导致（Crampin and Peacock，2008），地表构造对上地壳各向异性影响较大；中-下地壳各向异性主要由各向异性矿物（如黑云母、斜长石和角闪石）的定向排列引起（Meissner et al.，2002）；上地幔的各向异性则主要与橄榄石等上地幔各向异性矿物的晶格优势取向有关（Karato et al.，2008）。

远震XKS（包括SKS、SKKS 和PKS 震相）波分裂方法能够有效地揭示台站下方各向异性特征，其反映的是台站下方地壳和上地幔各向异性叠加的综合结果。因此首先需要对不同地区XKS 波分裂结果进行各向异性来源的分析，以确定其主体反映的各向异性层深度范围（Hess，1964；常利军等，2021）。分裂结果显示，西秦岭主体快波偏振方向为NWW-SEE 或近EW 向，时间延迟为0.5～1.6 s，平均值为1.2 s（常利军等，2008，2016，2021；Li et al.，2011c；王琼等，2013；王椿镛等，2014；叶卓，2016；Ye et al.， 2016； Chang et al.， 2017； Huang et al.， 2017； 郭 桂 红 等 ， 2019； Liu et al.，2020）。近震S 波分裂得到的西秦岭地壳各向异性时间延迟为0.36±0.11 s，平均值为0.2 s（王琼等，2013；郭桂红等，2019；Zheng et al.，2021），该时间延迟远小于XKS 波分裂所得到的时间延迟，指示西秦岭远震S 波分裂结果主体反映该区上地幔的各向异性特征。在此基础上，除去地壳的0.2 s 各向异性贡献，上地幔各向异性层需提供1 s 的时间延迟。假定大陆岩石圈地幔各向异性度约为3.8%（Mainprice and Silver，1993），估算1.0 s 时间延迟对应的岩石圈地幔各向异性层厚度大约为110 km，超过了西秦岭岩石圈地幔平均70 km 的厚度（Tian and Zhang，2013；刘启民等，2014；Lei and Zhao，2016；Guo and Chen，2017）。上述结果表明，西秦岭远震S 分裂揭示的NWW-SEE 向各向异性主体反映的是岩石圈地幔的各向异性特征，部分地区各向异性有软流圈的贡献。同时，面波各向异性结果显示，西秦岭在长周期（67～85 s）整体具有较大的各向异性强度，快波方向主要表现为NWW-SEE 向，主体反映岩石圈地幔各向异性方向（Zhang et al.，2011；姚志祥，2014；Hao et al.，2021）。结合该区上地幔广泛分布的低速异常（Lei and Zhao， 2016； He and Zheng， 2018； Zhang et al.， 2018； Li et al.， 2019； Wang et al.，2021a），指示该NWW-SEE 向的各向异性方向是弱化的岩石圈地幔受NE 向挤压变形和软流圈NWW 向流动共同作用的结果（常利军等，2016；Chang et al.，2017；Liu et al.，2020）。

近震S 波（包括Ps、Pms 震相）分裂可以有效地反映地壳各向异性特征，分裂结果显示西秦岭地壳主体各向异性方向为NWW-SEE 向，平均时间延迟为0.2 s（郭桂红等，2015，2019；Kong et al.，2016；邵若潼等，2019；Zheng et al.，2021），其相邻的祁连地块和松潘—甘孜地块地壳主体各向异性方向为NW-SE 向（张辉等，2012；谢振新等，2017）。同时，近震直达S波分裂结果揭示出西秦岭上地壳各向异性延迟时间为2.8 ms/km，上地壳平均厚度为20 km，估算其平均延迟时间为0.056 s（郭桂红等，2015）。表明上述NWW-SWW 向各向异性方向整体反映的是西秦岭中-下地壳的各向异性特征（Kong et al.，2016；Xu et al.，2018；Hao et al.，2021；Zheng et al.，2021）。接收函数各向异性结果显示，西秦岭中-下地壳各向异性方向主体为NWW-SEE 向（Zheng et al.，2021）。面波各向异性研究同样揭示出，西秦岭在中短周期（25～67 s）整体各向异性强度较小，各向异性方向自西向东从NWW-SEE 向逐渐变为NNW-SSE 向，主要反映了中-下地壳的各向异性特征（苏伟等，2008；易桂喜等，2010）。同时，该区中-下地壳广泛发育低速高导层，代表中-下地壳发生了明显的弱化（Wang et al.，2017b；Fu et al.，2019；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019）（图5）。因此，前人认为西秦岭中-下地壳主体的NWW-SEE 向各向异性方向是其弱化的中-下地壳受青藏高原北东向扩展挤压变形的结果（Kong et al.，2016；Zheng et al.，2021）。然而，接收函数各向异性结果显示，西秦岭局部地区中-下地壳还存在明显的NE-SW 向各向异性，与主体NWW-SEE 向各向异性方向不一致（Huang et al.，2014；Ye et al.，2015；Xu et al.，2018；Sun and Zhao，2020；Zheng et al.，2021）。与此同时，近年来部分学者根据远震S 波分裂结果随地震方位角不同而变化的特征，在西秦岭局部地区得到了双层各向异性结果，表现为下层NW-SE 向和上层NE-SE 向的各向异性特征（Huang et al.，2017；Gao et al.，2019）。下层 NW-SE 向代表的是岩石圈地幔的各向异性方向，同样反映该区岩石圈地幔在北东向挤压作用下发生的NW 向 变 形 特 征（Li et al.， 2011b； Ye et al.， 2016； Huang et al.， 2017； Gao et al.，2019）。而上层NE-SW 向则代表中-下地壳的各向异性特征，时间延迟约为0.6 s，指示中-下地壳发生了强烈的NE 向变形（Li et al.，2011c；Huang et al.，2017）。结合该局部地区中-下地壳的明显低速、低阻及高泊松比异常（Wang et al.，2017b；Fu et al.，2019；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019），有学者认为该区可能存在与青藏高原东北缘扩展生长有关的中-下地壳塑性流动，且塑性流动方向为NE 向，造成中-下地壳各向异性矿物沿NE-SW 向定向排列，最终表现为NE-SW 向各向异性方向（Huang et al.，2017；Gao et al.，2019）。但也有学者考虑该上层各向异性层厚度较薄（15～20 km），将其归因于中-下地壳内拆离断层的作用（Li et al.，2011c；Ye et al.，2016）。尽管对于中-下地壳NE-SW 向各向异性成因认识有分歧，但是该各向异性特征表明西秦岭局部地区存在明显的NE-SW 向变形特征。西秦岭上地壳各向异性方向主体同样为NWW-SEE 方向，与地震反射剖面揭示的上地壳NWW 向主体构造走向（Gao et al.，2014）以及地表构造走向一致（图2），表明西秦岭上地壳受青藏高原北东向扩展强烈挤压主体发生NWW 向变形。

综上所述，在青藏高原东北缘扩展生长过程中产生的北东向挤压应力作用下，西秦岭岩石圈发生了明显的变形，但是不同深度的变形方式存在差异。西秦岭岩石圈不同深度主体的变形方向大致为NWW-SEE 向，而局部地区中-下地壳存在明显的NE 向变形。结合西秦岭岩石圈结构与状态的三维变化以及新生代浅表构造活动的时空分布，该变形特征对于理解西秦岭中-晚新生代壳—幔变形机制具有重要意义。

4 中-晚新生代壳—幔变形机制

西秦岭中-晚新生代强烈陆内构造活动是青藏高原向北东方向扩展变形的结果。西秦岭作为青藏高原东北缘重要组成部分，其壳—幔变形机制一定程度上可以反映青藏高原东北缘扩展变形机制。关于青藏高原东北缘扩展变形机制，目前学者提出了多种动力模型，具有代表性的3 个端元模型分别是：“垂直连贯变形”模型（England and Houseman， 1986， 1988； Dewey， 1988）、“ 块 体 挤 出 ” 模 型（Meyer et al.， 1998；Tapponnier et al.， 1982， 2001）， 以 及 Clark and Royden（2000）和 Royden et al.（1997，2008）提出的“下地壳（通道）流”模型。其中“垂直连贯变形”模型认为青藏高原东北缘岩石圈可视为连续介质，变形受到岩石圈流变性质控制；“块体挤出”模型认为高原变形主要沿深大断裂和内部块体间原有的俯冲带/断裂进行，且具有阶梯式隆升的特点；“下地壳流”模型认为青藏高原北东向扩展生长过程受中-下地壳塑性流动控制，由于印度板块的挤压，北面受柴达木地块阻挡，东面受鄂尔多斯块体和四川盆地的阻挡，在岩石圈强度较低的西秦岭地区构成了物质向东流出的通道。

“块体挤出”模型强调深大断裂对于扩展生长过程的影响。西秦岭及邻区地震活动强烈，震源主要沿着区内断裂带分布（图3），且主体位于上地壳高—低速过渡区，震源区下方中-下地壳中发育低速高导层，指示了流体的存在（Liu et al.，2006；Cheng et al.，2016；Sun et al.，2021a）。这些流体沿断裂带向上运移使上地壳孕震层发生一定程度弱化，同时大大降低了断裂带的摩擦系数，最终在区域应力的作用下使得沿先存断裂带发生破裂导致地震发生（Zhao，2015）。然而地震的发生仅是构造活动的一种特殊表现形式，已有地表地质研究显示，西秦岭中-晚新生代地表构造活动不仅沿深大断裂发育（如西秦岭北缘断裂和东昆仑断裂），其内部一系列弥散分布的次级断裂也发生着强烈的构造活动，造成断裂之间山脉的隆起与盆地的沉降和旋转（图2；Chen and Lin，2019；Zattin and Wang，2019；张逸鹏等，2021）。西秦岭广泛发育的中-晚新生代构造活动共同吸收了青藏高原东北缘NE 向扩展的构造应力，该特征总体与“块体挤出”模型强调的构造变形集中于深大断裂不相符，西秦岭及邻区中-晚新生代地表隆升也并非阶梯式（图2）。地震层析成像与人工地震剖面结果显示，西秦岭及邻区岩石圈不同深度存在明显的相对较低的地震波速度结构（Liu et al.，2006；嘉世旭等，2009；Guo et al.，2013；Xu et al.，2013；Zhang et al.，2013；Li et al.，2015；Ye et al.，2015；Li et al.，2017；Wu et al.，2017；Hu and Wang，2018，Li et al.，2019；Sun et al.，2021a，2021b）（图7），结合该区总体偏低的重力异常、较浅的居里面以及中-下地壳广泛分布的低阻异常（李松林等，2002；汤吉等，2005；詹艳，2008；金胜等，2012；孟小红等，2012；赵凌强，2014；Gao et al.，2015；毕奔腾等，2016；Guo et al.，2016；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019；Gao et al.，2021；Xin et al.，2021），上述特征均指示西秦岭及邻区具有较热、较塑性的岩石圈。因此，在青藏高原北东向扩展挤压作用下，弱化的岩石圈会发生整体变形响应，而应力应变集中于深大断裂可能难以实现。同时，S 波分裂研究揭示出，西秦岭及邻区岩石圈地幔与中-下地壳均广泛发育较强的地震波各向异性（常利军等，2008，2016，2021；Huang et al.，2008，2017；王琼等，2013；Cheng et al.，2014，2016；郭桂红等，2015，2019；王琼，2015；Chang et al.，2017；Gao et al.，2019）。该地震波各向异性是西秦岭及邻区受青藏高原北东向扩展过程中挤压应力作用，较塑性的岩石圈深部广泛发生变形所导致（Huang et al.，2017；Gao et al.，2019；Yang et al.，2019；Wei et al.，2020；Zheng et al.，2021）。该结果表明，西秦岭及邻区岩石圈深部在中-晚新生代同样发生着与高原北东向扩展有关的强烈变形，指示深部变形并非集中于深大断裂。上述西秦岭及邻区中-晚新生代浅表及深部变形特征表明，“块体挤出”模型可能并不能很好地解释该区中-晚新生代的壳—幔变形机制。西秦岭岩石圈在经过主造山期后，有着朝稳定克拉通演化的趋势（张国伟等，2004；Dong and Santosh，2016；董云鹏等，2019），新生代早期西秦岭及邻区岩石圈可能主体呈现较刚性特征，现今弱化的岩石圈结构主体形成于中-晚新生代（Clark et al.，2010；Duvall et al.，2011，2013）。构造热年代学与地表变形研究结果也显示，西秦岭新生代早期的构造热活动主要沿深大断裂发生，而其内部隆升与变形非常弱（图2），因此“块体挤出”模型可能更适用于解释西秦岭新生代早期（即高原扩展的早期阶段）的壳—幔变形机制。

“垂直连贯变形”模型倾向于将青藏高原东北缘岩石圈整体视为连续介质，认为岩石圈不同深度变形是耦合的。上地幔三维速度结构显示西秦岭及邻区岩石圈地幔受青藏高原软流圈侧向运移与底侵作用而发生弱化（Feng et al.，2011；Lei et al.，2014；Li et al.，2014；Pandey et al.，2014；Shen et al.，2014，2015，2017；Zhang et al.，2015；Lei and Zhao，2016）。S 波分裂与层析成像揭示出，该区岩石圈地幔各向异性方向与青藏高原东北缘主体的各向异性方向一致，为NWW-SEE 向，该各向异性特征主要是受青藏高原北东向扩展产生的NNE 向挤压应力作用，岩石圈地幔发生NWW 向变形导致（Cheng et al.， 2014， 2016； 郭 桂 红 等 ， 2015， 2019； Chang et al.， 2017； Li et al.，2017）。因此，地震波各向异性结果表明西秦岭及邻区岩石圈地幔在中-晚新生代发生了强烈的NWW-SEE 向构造变形。西秦岭及邻区中-下地壳广泛分布的低速、低阻异常（Unsworth et al.，2004，2005；Bai et al.，2010；Zhao et al.，2012；Sun et al.，2021a；Zhao et al.，2021b），指示该区中-下地壳在中-晚新生代发生了明显的弱化。同时，接收函数与P 波各向异性结果显示，西秦岭中-下地壳地震波各向异性主体为NWW-SEE或NW-SE 向，认为是该区弱化的中-下地壳在青藏高原东北缘北东向挤压作用下发生NW/NWW 向塑性变形所导致的结果（常利军等，2008，2016，2021；Huang et al.，2008，2017；王琼等，2013；Xu et al.，2020a）。此外，西秦岭上地壳主体各向异性方向同样为NWW-SEE 或NW-SE 向，指示了该区上地壳NWW/NW 向展布的断裂、裂隙以及剪切组构（Hu et al.，2020b），与中-晚新生代该区地表构造走向以及GPS 观测的地表位移方向一致，均是青藏高原北东向挤压变形所致。上述西秦岭地区中-晚新生代从浅表到岩石圈地幔较为一致的变形样式表明，西秦岭中-晚新生代壳—幔变形具有较好的耦合性。“垂直连贯变形”模型可以较好地解释西秦岭地区中-晚新生代的壳—幔变形机制（图8）。

图8 西秦岭及邻区壳—幔变形模式图（据Huang et al.，2017 修改）Fig.8 3-D block model explaining the crust-mantle deformations in the West Qinling and its adjacent areas（modified after Huang et al.，2017）

值得注意的是，在上述研究基础上，近几年有学者通过远震S 波分裂研究发现在西秦岭及邻区局部地区存在双层各向异性，代表岩石圈地幔的下层各向异性主体为NW-SE/NWW-SEE 向，同样揭示了西秦岭弱化的岩石圈地幔受NE 向挤压发生显著的NW/NWW 向变形，而代表中-下地壳的上层各向异性方向为NE-SW/NEE-SWW 向，与岩石圈地幔各向异性方向明显不同（Li et al.，2011；Huang et al.，2017；Gao et al.，2019）。高分辨率层析成像与人工地震剖面结果显示，西秦岭中-下地壳发育显著的低速异常区（Liu et al.，2006；嘉世旭等，2009；Guo et al.，2013；Zhang et al.，2013；Xu et al.，2013；Li et al.，2015；Ye et al.，2015；Li et al.，2017；Wu et al.，2017；Xu et al.，2018；Li et al.，2019；Sun et al.，2021b），同时该低速层也表现为低电阻率异常（汤吉等，2005；詹艳，2008；金胜等，2012；赵凌强，2014；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019）。结合西秦岭出露的新生代火成岩（Su et al.，2009；喻学惠，2009；Lai et al.，2014），前人认为该低速异常指示了西秦岭中-下地壳存在含有部分熔融体的塑性流动层，其形成与青藏高原软流圈侧向运移并在西秦岭发生上涌有关（Huang et al.，2017）。因此，西秦岭中-下地壳出现的NE-SW/NEE-SWW 向各向异性，被认为是中-下地壳发生NE 向塑性流动导致矿物定向排列造成（Li et al.，2011c；Ye et al.，2016；Huang et al.，2017；Gao et al.，2019）。上述双层各向异性结构表明，西秦岭局部地区中-晚新生代中-下地壳和岩石圈地幔变形是非耦合的，可能并不符合“垂直连贯变形”模型。与此同时，西秦岭及邻区中-下地壳存在塑性流动层以及双层各向异性特征指示，用“下地壳流”模型来解释该区中-晚新生代壳—幔变形机制似乎更合理（Silver and Savage，1994）（图8）。但是，对于这一解释仍存在几个需要注意和思考的问题。首先，由于人工地震剖面只能反映局部二维速度结构变化以及层析成像分辨率的问题，目前揭示的西秦岭及邻区中-下地壳广泛分布低速异常区是否存在误差，即塑性流动层在该区中-下地壳是广泛存在还是局部特征，这直接关系到“下地壳流”模型的适用性问题。其次，“下地壳流”模型认为中-下地壳是可以达到塑性流动的，而根据西秦岭中-下地壳低的泊松比与波速比（Xu et al.，2013；Li et al.，2015；Li et al.，2017；Sun et al.，2021a）、偶见的新生代火成岩（Su et al.，2009；喻学惠等，2009；Lai et al.，2014）以及中等的地表热流值（Sun et al.，2013；Liu et al.，2016；Jiang et al.，2019），前人认为该区中-下地壳低速异常主要是流体的存在造成的，流体的加入使得中-下地壳发生弱化，但是否能达到塑性流动的程度并不清楚。最后，代表中-下地壳存在塑性流动并形成不同变形样式的双层各向异性特征，目前只有部分学者在西秦岭及邻区局部地区得到可靠的结果（Li et al.，2011c；Ye et al.，2016；Huang et al.，2017；Gao et al.，2019），而该双层各向异性结构在西秦岭甚至整个青藏高原东北缘是否广泛发育仍待进一步研究和确认。因此，西秦岭及邻区中-晚新生代壳—幔变形机制到底用“垂直连贯变形”模型还是用“下地壳流”模型解释更合适，或者是两者共存，目前仍存在较大争议。

5 结论与展望

本论文收集总结了近几十年关于西秦岭及其邻区地表构造与深部结构构造的研究成果，并对西秦岭中-晚新生代壳—幔变形机制及动力学模型进行了分析探讨。总体而言，已有的任何一种模型所阐述的壳—幔变形机制，都不足以完全解释西秦岭新生代的地表构造活动以及现今的深部结构构造特征。西秦岭新生代地表构造活动的时空分布特征以及该区岩石圈不同深度的结构、状态与变形样式表明，“块体挤出”模型可能更适用于解释该区新生代早期的壳—幔变形机制，而“垂直连贯变形”和“下地壳流”模型在一定程度上都可以较好地解释该区中-晚新生代的变形机制，目前认识仍不统一。通过对西秦岭现今岩石圈三维速度结构与地震波各向异性的分析，发现造成这一争议的主要原因在于对该区中-下地壳结构、状态以及变形样式的认识不统一。因此，要确定现有的哪一种模型能更好地阐明西秦岭甚至整个青藏高原东北缘中-晚新生代的变形机制，或者建立一种全新的壳—幔变形机制，除了更加丰富的地表地质研究之外，关键且急需解决的是对该区中-下地壳以及岩石圈地幔三维结构构造的精细解剖，确定中-下地壳异常结构的规模及其分布状态，明确中-下地壳的变形样式及其详细的横向变化，进一步深化认识岩石圈地幔的变形样式。