鄧賽科 程 斌 魯如魁

（大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 西安 710069）

秦嶺造山帶是中國(guó)大陸中部一條東西向展布的復(fù)合型造山帶，位于華北板塊與揚(yáng)子板塊的拼接部位，是中國(guó)大陸構(gòu)造格架的脊梁。西秦嶺隸屬于秦嶺造山帶西段，向西與祁連、昆侖造山帶相接，同時(shí)也是青藏高原東北緣的重要組成部分（圖1）。自印支期秦嶺全面碰撞造山之后，西秦嶺進(jìn)入了復(fù)雜的陸內(nèi)構(gòu)造演化階段（張國(guó)偉等，2001，2004，2019；張國(guó)偉，2015；Dong and Santosh，2016；董云鵬等，2019）。尤其新生代以來(lái)，由于青藏高原隆升與擴(kuò)展生長(zhǎng)的疊加改造，西秦嶺進(jìn)入新的構(gòu)造活動(dòng)期，經(jīng)歷了多期次的快速隆升與變形，強(qiáng)烈的構(gòu)造熱活動(dòng)及山脈的快速隆起主要發(fā)生于中-晚新生代（早中新世之后），最終形成現(xiàn)今的高大山脈（袁道陽(yáng)等，2007；Clark et al.，2010；Duvall et al.， 2011，2013； 鄭 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—?dú)W亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)，始新世西秦嶺局部地區(qū)發(fā)生明顯的斷裂活動(dòng)與地表隆升，如西秦嶺斷裂、臨潭—宕昌斷裂、瑪曲—迭部斷裂以及東昆侖斷裂（圖2；裴先治，2001；張國(guó)偉等，2004；張國(guó)偉，2015；Guo et al.，2009；Wang et al.，2016a；He et al.，2017；Chen and Lin，2019；Zattin and Wang，2019），并伴隨有盆地的快速堆積，如臨夏盆地、天水盆地、宕昌盆地和徽成盆地等（圖 2；Clark et al.，2010；Duvall et al.，2011，2013；Wang et al.，2016a；史小輝等，2018；Hu et al.，2020a；張逸鵬等，2021）。構(gòu)造熱年代學(xué)與磁性地層學(xué)研究結(jié)果顯示，西秦嶺地區(qū)強(qiáng)烈的大規(guī)模構(gòu)造熱活動(dòng)、山脈的快速隆升剝露和盆地快速堆積主要發(fā)生于中-晚新生代（圖 2；Fang et al.，2003；Yan et al.，2006；Wang et al.，2012；俞晶星等，2012；Wang et al.，2013；張波等，2018；Chen and Lin，2019；Li et al.，2020）。GRACE 和GPS 觀測(cè)結(jié)果表明這種隆升作用現(xiàn)今仍在進(jìn)行（王雙緒等，2017；Zhao et al.，2017；Li et al.，2018；Pan et al.，2018）。西秦嶺地區(qū)中-晚新生代強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)并非特有，其它研究結(jié)果表明青藏高原東北緣其它地區(qū)中-晚新生代也發(fā)生著強(qiáng)烈 的 構(gòu) 造 隆 升 與 變 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），與西秦嶺地區(qū)中-晚新生代大規(guī)模隆升和擴(kuò)展變形在時(shí)間上具有很好的一致性。因此，可以認(rèn)為西秦嶺中-晚新生代強(qiáng)烈陸內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)是青藏高原向北東方向擴(kuò)展變形的結(jié)果。此外，地震活動(dòng)是淺表構(gòu)造活動(dòng)的一種特殊表現(xiàn)形式，西秦嶺地區(qū)是青藏高原向北東方向擴(kuò)展的前緣地帶，顯示較強(qiáng)的地震活動(dòng)性，大地震頻發(fā)（圖3），研究區(qū)地震活動(dòng)性研究結(jié)果表明，西秦嶺的地震活動(dòng)同樣是青藏高原向北東方向擴(kuò)展變形的一種結(jié)果（周民都等，1991，2012；Zhang et al.，2010；Zhao et al.，2012；詹艷等，2014；Sun et al.，2019）。

圖1 秦嶺造山帶及鄰區(qū)構(gòu)造背景與地貌圖Fig.1 Tectonic background and geomorphic map of Qinling orogenic belt and its adjacent areas

圖2 西秦嶺及鄰區(qū)新生代淺表構(gòu)造活動(dòng)分布圖Fig.2 Distribution map of Cenozoic shallow tectonic activities in the West Qinling and its adjacent areas

圖3 西秦嶺及鄰區(qū)地震震中分布圖（地震數(shù)據(jù)為1900 年至今；數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)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）

上述淺表構(gòu)造研究結(jié)果表明，西秦嶺及鄰區(qū)新生代陸內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)主要受控于印度—?dú)W亞板塊碰撞過(guò)程，是青藏高原隆升和北東向擴(kuò)展變形的結(jié)果。然而青藏高原是以什么樣的方式發(fā)生北東向擴(kuò)展變形，即青藏高原東北緣擴(kuò)展變形機(jī)制，目前仍存在較大爭(zhēng)議；該問(wèn)題對(duì)于探討整個(gè)青藏高原的形成演化過(guò)程具有非常重要的意義。西秦嶺地區(qū)作為青藏高原東北緣的重要組成部分，且發(fā)育強(qiáng)烈的與高原擴(kuò)展有關(guān)的新生代（尤其中-晚新生代）構(gòu)造活動(dòng)，因此西秦嶺中-晚新生代的殼—幔變形機(jī)制是青藏高原北東向擴(kuò)展變形方式在西秦嶺的具體體現(xiàn)，對(duì)于揭示青藏高原東北緣擴(kuò)展變形機(jī)制至關(guān)重要。要深入探討這一科學(xué)問(wèn)題，除了該區(qū)已有的地表構(gòu)造活動(dòng)特征，更為關(guān)鍵的是該區(qū)中-下地殼和上地幔的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，它主要反映了新生代（尤其中-晚新生代以來(lái)）的變形過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)，從而可以準(zhǔn)確揭示中-晚新生代西秦嶺地殼—上地幔不同深度層的變形樣式，并進(jìn)一步探討其殼—幔變形機(jī)制。

1 西秦嶺重、磁異常與電性結(jié)構(gòu)特征

多尺度重力場(chǎng)研究結(jié)果表明，相比于周邊表現(xiàn)為突出正異常的穩(wěn)定塊體（如四川盆地、鄂爾多斯盆地），西秦嶺及鄰區(qū)呈現(xiàn)明顯的負(fù)異常，巖石圈顯示十分復(fù)雜的相對(duì)塑性特征（孟小紅等，2012；畢奔騰等，2016）。西秦嶺布格重力異常變化總體由西向東階梯狀遞增，大致以105°E 為界，西秦嶺西部重力梯度等值線呈NWW 至SN 向展布，東部重力梯度等值線分布在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；楊文采等，2015）。小尺度重力異常圖反映了西秦嶺上地殼布格重力異常分布，正負(fù)相間的異常條帶與區(qū)域內(nèi)主要斷裂（西秦嶺斷裂、東昆侖斷裂、臨潭宕昌斷裂等）走向較為一致。西秦嶺及松潘—甘孜地塊中-下地殼存在部分重力低值區(qū)，主要分布在西秦嶺北緣斷裂、東昆侖斷裂和松潘—甘孜東南部。西秦嶺及鄰區(qū)大尺度重力異常圖顯示，在西秦嶺西部（105°E 西側(cè)）、松潘—甘孜地塊和南祁連部分地區(qū)存在大規(guī)模重力低速區(qū)，可能代表了青藏高原殼—幔物質(zhì)的NE 向遷移（Gao et al.，2015；畢奔騰等，2016；Guo et al.，2016；Gao et al.，2021）。航磁異常研究結(jié)果顯示，西秦嶺出現(xiàn)一系列正負(fù)交替的磁異常條帶，其走向與地表構(gòu)造走向一致（石嵐等，2017）。此外，通過(guò)布格重力異常反演地殼厚度結(jié)果顯示，西秦嶺平均地殼厚度為50 km 左右，呈向西臺(tái)階式增深特點(diǎn)。通過(guò)磁異常計(jì)算西秦嶺居里面深度，結(jié)果顯示西秦嶺整體具有較淺的居里面（Gao et al.，2021）。

前人在西秦嶺及其鄰區(qū)開展了大量的大地電磁測(cè)深研究（圖4），很好地揭示了該區(qū)斷裂帶及其兩側(cè)不同構(gòu)造單元地殼—上地幔頂部的電性結(jié)構(gòu)特征。研究表明，西秦嶺上地殼總體顯示為高低阻夾雜分布，其中低阻體可能代表結(jié)構(gòu)較為松散的沉積盆地。除西秦嶺西段中-下地殼顯示較為完整的高阻異常結(jié)構(gòu)，西秦嶺主體中-下地殼存在分布廣泛的低阻體，隨著深度的增加，低阻體規(guī)模逐漸減小，呈現(xiàn)出東北及西南淺、中部深的倒“梯形”結(jié)構(gòu)樣式（李松林等，2002；湯吉等，2005；詹艷，2008；金勝等，2012；趙凌強(qiáng)，2014；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019）。西秦嶺中-下地殼低阻體可能代表了青藏高原東北緣擴(kuò)展擠壓所導(dǎo)致的巖石部分熔融以及含鹽流體的上涌（Unsworth et al.，2004， 2005；Bai et al.， 2010；Zhao et al.，2012； Sun et al.， 2013；Zhao et al.，2021a）。西秦嶺北緣斷裂帶為西秦嶺地塊與祁連地塊之間的一條明顯電性梯度帶，斷裂北側(cè)的祁連地塊具中地殼高阻，下地殼低阻的電性結(jié)構(gòu)（Xue et al.，2019；Xin et al.，2021）。勉略縫合帶為西秦嶺與碧口地塊的界線，主體表現(xiàn)為中-下地殼低阻特征，南側(cè)碧口地塊除了上地殼夾雜部分零星低阻體，整體呈高阻特征（Zhao et al.，2012；Zhan et al.，2013；王海燕等，2014；Xue et al.，2019）（圖 5）。松潘—甘孜地塊與西秦嶺以東昆侖斷裂帶為界，其西南側(cè)的松潘—甘孜地塊整體中-下地殼呈低阻異常，低阻層分布由西南向東北逐步變淺，可能代表了高原深部物質(zhì)向北東方向延伸（詹艷等，2014；趙凌強(qiáng)等，2015，2020）。東昆侖斷裂與白龍江斷裂、光蓋山—迭山斷裂組成傾向SW 的疊瓦狀斷裂系，整體上地殼呈高阻特征，中-下地殼為低阻體，與松潘—甘孜下方中-下地殼低阻體相連（Bai et al.，2010；趙凌強(qiáng)等，2015；Sun et al.，2019）。

圖4 西秦嶺及鄰區(qū)大地電磁測(cè)深剖面位置分布圖Fig.4 Location distribution of magnetotelluric sounding profiles in the West Qinling and its adjacent areas

綜合西秦嶺及其鄰區(qū)的重、磁異常以及電性結(jié)構(gòu)特征研究，西秦嶺、松潘—甘孜地塊中-下地殼以及巖石圈地幔的大規(guī)模低重力異常、較淺的居里面以及廣泛分布的低阻體表明西秦嶺具有較熱、較塑性的巖石圈。西秦嶺中-下地殼的倒“梯形”電性結(jié)構(gòu)顯示西秦嶺造山帶受到松潘—甘孜地塊向北擠壓和祁連地塊向南的阻擋—擠壓作用中（圖5）。以上研究結(jié)果說(shuō)明，西秦嶺及其鄰區(qū)巖石圈受到了青藏高原北東向擴(kuò)展的影響而發(fā)生弱化。

圖5 隴中—四川盆地電磁測(cè)深剖面二維電性結(jié)構(gòu)圖（剖面位置見圖4；據(jù)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 西秦嶺巖石圈三維速度結(jié)構(gòu)

前人通過(guò)人工地震探測(cè)剖面和寬頻地震觀測(cè)剖面對(duì)西秦嶺及鄰區(qū)開展了一系列深部結(jié)構(gòu)探測(cè)研究（圖6）。地震反射剖面與寬頻地震探測(cè)剖面研究揭示了西秦嶺及鄰區(qū)巖石圈與地殼厚度的橫向變化。巖石圈厚度總體呈現(xiàn)自SW 向NE 逐漸減薄的趨勢(shì)，西秦嶺與松潘—甘孜地塊巖石圈厚度相對(duì)較?。?10～130 km），北側(cè)祁連地塊具有相對(duì)較厚的巖石圈（140～150 km）。結(jié)合西秦嶺巖石圈下方分布的代表青藏高原東北緣軟流圈組成部分的大規(guī)模低速異常（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），這種巖石圈厚度的橫向變化被認(rèn)為是西秦嶺及松潘—甘孜地塊巖石圈遭受其下方軟流圈的底侵作用而發(fā)生了一定程度的減?。⊿hen et al.，2015；Wang et al.，2018）。西秦嶺及鄰區(qū)地殼厚度變化的總體趨勢(shì)為自SW 向NE 逐漸減薄，最厚處在松潘—甘孜地塊（約60 km），最薄處在鄂爾多斯盆地西南部（約43 km）（Liu et al.，2006；Zhang et al.，2013；Li et al.，2015；張洪雙等，2015；Li et al.，2017）。地殼平均厚度在松潘—甘孜地塊和西秦嶺分別為53 km 和49 km，向NE 逐漸減薄至祁連地塊的45 km 和鄂爾多斯地塊的43 km（Tian and Zhang，2013；劉啟民等，2014）。地震反射剖面結(jié)果顯示，西秦嶺與松潘—甘孜中-下地殼均具有強(qiáng)烈的北傾反射特征，與西秦嶺上地殼復(fù)雜的反射特征不盡相同，但主體的構(gòu)造走向均為NWW 向（Gao et al.，2014），與該區(qū)地表總體構(gòu)造走向一致（圖2）。該特征表明松潘—甘孜與西秦嶺均受到青藏高原北東向擴(kuò)展強(qiáng)烈擠壓作用，造成該區(qū)地殼從淺表至深部的顯著NWW 向構(gòu)造變形（Gao et al.，2014；Ye et al.，2015；Xu et al.，2018）。

圖6 西秦嶺及鄰區(qū)地震探測(cè)剖面位置分布圖Fig.6 Location distribution of seismic detection profiles in the West Qinling and its adjacent areas

層析成像與接收函數(shù)結(jié)果表明，西秦嶺及鄰區(qū)淺層地震波速度結(jié)構(gòu)與地表構(gòu)造有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，造山帶基底隆起區(qū)表現(xiàn)為高速異常，松散堆積的沉積盆地表現(xiàn)為低速異常（Xu et al.，2013；Guo and Chen，2017）。西秦嶺中-下地殼存在大范圍低速異常（Zhang et al.，2011；Bao et al.，2013；Cheng et al.，2016；Guo and Chen，2017），這與地震探測(cè)剖面研究結(jié)果一致（圖7），結(jié)合西秦嶺中等地表熱流值（Sun et al.，2013；Liu et al.，2016；Jiang et al.，2019）以及局部零星發(fā)育的新生代火成巖（喻學(xué)惠等，2009；Su et al.，2009；Lai et al.，2014），主體認(rèn)為西秦嶺地殼成分偏長(zhǎng)英質(zhì)，中-下地殼廣泛存在的低速異常與低波速比異常是含鹽流體導(dǎo)致（Liu et al.，2006；Zhang et al.，2013；Li et al.，2017），但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在西秦嶺存在較高的波速比和泊松比，認(rèn)為西秦嶺地殼成分可能為鎂鐵質(zhì)，存在發(fā)生塑性流動(dòng)的可能性（Li et al.，2015；Xu et al.，2018；Sun et al.，2021a）。西秦嶺中-下地殼低速異常向北延伸至祁連地塊下方，祁連地塊中-下地殼低速異常區(qū)主體同樣顯示低速異常和低的波速比（Liu et al.，2006；Ding et al.，2017；Sun et al.，2021b），該區(qū)域存在中等熱流值以及高導(dǎo)異常（Hu et al.，2000；Wang，2001；Zhao et al.，2005；Sun et al.，2013；Tao and Shen，2018）（圖 5）；三維熱結(jié)構(gòu)研究估算祁連地塊下地殼溫度可能為700 ℃～800 ℃（Sun et al.，2013），但這樣的溫度并不足以達(dá)到部分熔融的程度，且流體的存在同樣能夠引發(fā)低速以及高導(dǎo)異常，因此這種低速異常以及低的波速比可能是流體作用造成的（Huang and Zhao，2004，2009；Cheng et al.，2016）。松潘—甘孜地塊中-下地殼同樣發(fā)育大規(guī)模低速異常（王椿鏞等，2003），且該低速異常區(qū)表現(xiàn)為較高的Vp/Vs值，結(jié)合松潘—甘孜地塊相對(duì)較高的地表熱流值（Liu et al.，2016；Jiang et al.，2019），該低速異常與高波速比異常指示該區(qū)中-下地殼可能存在部分熔融（Wu et al.，2017；Wang et al.，2018）。層析成像與接收函數(shù)研究結(jié)果顯示，西秦嶺部分地區(qū)上地幔低速區(qū)（Lei and Zhao，2016；He and Zheng，2018；Zhang et al.，2018；Li et al.，2019；Wang et al.，2021b）（圖 7），結(jié)合西秦嶺地區(qū)新生代火山巖的存在（喻學(xué)惠等，2009；Su et al.，2009；Lai et al.，2014），其可能存在誘發(fā)的局部地幔上升流。祁連地塊巖石圈地幔表現(xiàn)為中等速度，但在其下方發(fā)現(xiàn)了代表軟流圈的低速帶，可能代表青藏高原軟流圈NE 向的延伸（Wei et al.，2017），四川盆地、鄂爾多斯盆地表現(xiàn)為穩(wěn)定剛性塊體，其巖石圈地幔表現(xiàn)為顯著高速異常（Zhao et al.，2012；Shen et al.，2014）。

圖7 西秦嶺及鄰區(qū)人工地震反射剖面二維P 波速度結(jié)構(gòu)圖（據(jù)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）

綜合上述地殼和巖石圈厚度變化特征、速度結(jié)構(gòu)、波速比與泊松比的三維變化，西秦嶺及鄰區(qū)總體為構(gòu)造熱活動(dòng)區(qū)，青藏高原軟流圈NE 向側(cè)向運(yùn)移受外圍阿拉善、鄂爾多斯及四川剛性巖石圈阻擋，導(dǎo)致局部軟流圈上涌及地殼橫向擠壓縮短，并最終造成西秦嶺及鄰區(qū)的巖石圈減薄與地殼增厚，且?guī)r石圈減薄和地殼加厚的程度呈NE 向逐漸減弱。西秦嶺、祁連地塊和松潘—甘孜地塊中-下地殼受軟流圈上涌影響而發(fā)生弱化，具有低速特征，其中西秦嶺與祁連地塊中-下地殼低速層成因可能為中-下地殼的含鹽流體，而松潘—甘孜地塊具有較高的波速比和P 波速度，結(jié)合其較高的地表熱流值，其低速層成因可能為部分熔融。松潘—甘孜地塊與西秦嶺具有較熱巖石圈地幔的性質(zhì)，反映其受到軟流圈上涌的加熱弱化，而祁連地塊巖石圈地幔表現(xiàn)為中等速度，其下部發(fā)現(xiàn)代表軟流圈的低速帶，可能代表青藏高原軟流圈NE 向擴(kuò)展。

3 西秦嶺地震波各向異性及殼—幔變形特征

地震波各向異性是地球內(nèi)部（尤其是地殼和上地幔）物質(zhì)層的一項(xiàng)基本特征（Silver and Chan，1991）。已有的理論研究表明，地震波各向異性能夠很好地探測(cè)和反映地球內(nèi)部不同深度范圍（上地殼、中-下地殼和上地幔等）的變形特征，然而不同深度層的各向異性成因不盡相同（Silver and Chan，1991；Silver，1996）。上地殼各向異性主要是大量裂隙在應(yīng)力作用下定向排列導(dǎo)致（Crampin and Peacock，2008），地表構(gòu)造對(duì)上地殼各向異性影響較大；中-下地殼各向異性主要由各向異性礦物（如黑云母、斜長(zhǎng)石和角閃石）的定向排列引起（Meissner et al.，2002）；上地幔的各向異性則主要與橄欖石等上地幔各向異性礦物的晶格優(yōu)勢(shì)取向有關(guān)（Karato et al.，2008）。

遠(yuǎn)震XKS（包括SKS、SKKS 和PKS 震相）波分裂方法能夠有效地揭示臺(tái)站下方各向異性特征，其反映的是臺(tái)站下方地殼和上地幔各向異性疊加的綜合結(jié)果。因此首先需要對(duì)不同地區(qū)XKS 波分裂結(jié)果進(jìn)行各向異性來(lái)源的分析，以確定其主體反映的各向異性層深度范圍（Hess，1964；常利軍等，2021）。分裂結(jié)果顯示，西秦嶺主體快波偏振方向?yàn)镹WW-SEE 或近EW 向，時(shí)間延遲為0.5～1.6 s，平均值為1.2 s（常利軍等，2008，2016，2021；Li et al.，2011c；王瓊等，2013；王椿鏞等，2014；葉卓，2016；Ye et al.， 2016； Chang et al.， 2017； Huang et al.， 2017； 郭 桂 紅 等 ， 2019； Liu et al.，2020）。近震S 波分裂得到的西秦嶺地殼各向異性時(shí)間延遲為0.36±0.11 s，平均值為0.2 s（王瓊等，2013；郭桂紅等，2019；Zheng et al.，2021），該時(shí)間延遲遠(yuǎn)小于XKS 波分裂所得到的時(shí)間延遲，指示西秦嶺遠(yuǎn)震S 波分裂結(jié)果主體反映該區(qū)上地幔的各向異性特征。在此基礎(chǔ)上，除去地殼的0.2 s 各向異性貢獻(xiàn)，上地幔各向異性層需提供1 s 的時(shí)間延遲。假定大陸巖石圈地幔各向異性度約為3.8%（Mainprice and Silver，1993），估算1.0 s 時(shí)間延遲對(duì)應(yīng)的巖石圈地幔各向異性層厚度大約為110 km，超過(guò)了西秦嶺巖石圈地幔平均70 km 的厚度（Tian and Zhang，2013；劉啟民等，2014；Lei and Zhao，2016；Guo and Chen，2017）。上述結(jié)果表明，西秦嶺遠(yuǎn)震S 分裂揭示的NWW-SEE 向各向異性主體反映的是巖石圈地幔的各向異性特征，部分地區(qū)各向異性有軟流圈的貢獻(xiàn)。同時(shí)，面波各向異性結(jié)果顯示，西秦嶺在長(zhǎng)周期（67～85 s）整體具有較大的各向異性強(qiáng)度，快波方向主要表現(xiàn)為NWW-SEE 向，主體反映巖石圈地幔各向異性方向（Zhang et al.，2011；姚志祥，2014；Hao et al.，2021）。結(jié)合該區(qū)上地幔廣泛分布的低速異常（Lei and Zhao， 2016； He and Zheng， 2018； Zhang et al.， 2018； Li et al.， 2019； Wang et al.，2021a），指示該NWW-SEE 向的各向異性方向是弱化的巖石圈地幔受NE 向擠壓變形和軟流圈NWW 向流動(dòng)共同作用的結(jié)果（常利軍等，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殼各向異性特征，分裂結(jié)果顯示西秦嶺地殼主體各向異性方向?yàn)镹WW-SEE 向，平均時(shí)間延遲為0.2 s（郭桂紅等，2015，2019；Kong et al.，2016；邵若潼等，2019；Zheng et al.，2021），其相鄰的祁連地塊和松潘—甘孜地塊地殼主體各向異性方向?yàn)镹W-SE 向（張輝等，2012；謝振新等，2017）。同時(shí)，近震直達(dá)S波分裂結(jié)果揭示出西秦嶺上地殼各向異性延遲時(shí)間為2.8 ms/km，上地殼平均厚度為20 km，估算其平均延遲時(shí)間為0.056 s（郭桂紅等，2015）。表明上述NWW-SWW 向各向異性方向整體反映的是西秦嶺中-下地殼的各向異性特征（Kong et al.，2016；Xu et al.，2018；Hao et al.，2021；Zheng et al.，2021）。接收函數(shù)各向異性結(jié)果顯示，西秦嶺中-下地殼各向異性方向主體為NWW-SEE 向（Zheng et al.，2021）。面波各向異性研究同樣揭示出，西秦嶺在中短周期（25～67 s）整體各向異性強(qiáng)度較小，各向異性方向自西向東從NWW-SEE 向逐漸變?yōu)镹NW-SSE 向，主要反映了中-下地殼的各向異性特征（蘇偉等，2008；易桂喜等，2010）。同時(shí)，該區(qū)中-下地殼廣泛發(fā)育低速高導(dǎo)層，代表中-下地殼發(fā)生了明顯的弱化（Wang et al.，2017b；Fu et al.，2019；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019）（圖5）。因此，前人認(rèn)為西秦嶺中-下地殼主體的NWW-SEE 向各向異性方向是其弱化的中-下地殼受青藏高原北東向擴(kuò)展擠壓變形的結(jié)果（Kong et al.，2016；Zheng et al.，2021）。然而，接收函數(shù)各向異性結(jié)果顯示，西秦嶺局部地區(qū)中-下地殼還存在明顯的NE-SW 向各向異性，與主體NWW-SEE 向各向異性方向不一致（Huang et al.，2014；Ye et al.，2015；Xu et al.，2018；Sun and Zhao，2020；Zheng et al.，2021）。與此同時(shí)，近年來(lái)部分學(xué)者根據(jù)遠(yuǎn)震S 波分裂結(jié)果隨地震方位角不同而變化的特征，在西秦嶺局部地區(qū)得到了雙層各向異性結(jié)果，表現(xiàn)為下層NW-SE 向和上層NE-SE 向的各向異性特征（Huang et al.，2017；Gao et al.，2019）。下層 NW-SE 向代表的是巖石圈地幔的各向異性方向，同樣反映該區(qū)巖石圈地幔在北東向擠壓作用下發(fā)生的NW 向 變 形 特 征（Li et al.， 2011b； Ye et al.， 2016； Huang et al.， 2017； Gao et al.，2019）。而上層NE-SW 向則代表中-下地殼的各向異性特征，時(shí)間延遲約為0.6 s，指示中-下地殼發(fā)生了強(qiáng)烈的NE 向變形（Li et al.，2011c；Huang et al.，2017）。結(jié)合該局部地區(qū)中-下地殼的明顯低速、低阻及高泊松比異常（Wang et al.，2017b；Fu et al.，2019；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019），有學(xué)者認(rèn)為該區(qū)可能存在與青藏高原東北緣擴(kuò)展生長(zhǎng)有關(guān)的中-下地殼塑性流動(dòng)，且塑性流動(dòng)方向?yàn)镹E 向，造成中-下地殼各向異性礦物沿NE-SW 向定向排列，最終表現(xiàn)為NE-SW 向各向異性方向（Huang et al.，2017；Gao et al.，2019）。但也有學(xué)者考慮該上層各向異性層厚度較薄（15～20 km），將其歸因于中-下地殼內(nèi)拆離斷層的作用（Li et al.，2011c；Ye et al.，2016）。盡管對(duì)于中-下地殼NE-SW 向各向異性成因認(rèn)識(shí)有分歧，但是該各向異性特征表明西秦嶺局部地區(qū)存在明顯的NE-SW 向變形特征。西秦嶺上地殼各向異性方向主體同樣為NWW-SEE 方向，與地震反射剖面揭示的上地殼NWW 向主體構(gòu)造走向（Gao et al.，2014）以及地表構(gòu)造走向一致（圖2），表明西秦嶺上地殼受青藏高原北東向擴(kuò)展強(qiáng)烈擠壓主體發(fā)生NWW 向變形。

綜上所述，在青藏高原東北緣擴(kuò)展生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的北東向擠壓應(yīng)力作用下，西秦嶺巖石圈發(fā)生了明顯的變形，但是不同深度的變形方式存在差異。西秦嶺巖石圈不同深度主體的變形方向大致為NWW-SEE 向，而局部地區(qū)中-下地殼存在明顯的NE 向變形。結(jié)合西秦嶺巖石圈結(jié)構(gòu)與狀態(tài)的三維變化以及新生代淺表構(gòu)造活動(dòng)的時(shí)空分布，該變形特征對(duì)于理解西秦嶺中-晚新生代殼—幔變形機(jī)制具有重要意義。

4 中-晚新生代殼—幔變形機(jī)制

西秦嶺中-晚新生代強(qiáng)烈陸內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)是青藏高原向北東方向擴(kuò)展變形的結(jié)果。西秦嶺作為青藏高原東北緣重要組成部分，其殼—幔變形機(jī)制一定程度上可以反映青藏高原東北緣擴(kuò)展變形機(jī)制。關(guān)于青藏高原東北緣擴(kuò)展變形機(jī)制，目前學(xué)者提出了多種動(dòng)力模型，具有代表性的3 個(gè)端元模型分別是：“垂直連貫變形”模型（England and Houseman， 1986， 1988； Dewey， 1988）、“ 塊 體 擠 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“下地殼（通道）流”模型。其中“垂直連貫變形”模型認(rèn)為青藏高原東北緣巖石圈可視為連續(xù)介質(zhì)，變形受到巖石圈流變性質(zhì)控制；“塊體擠出”模型認(rèn)為高原變形主要沿深大斷裂和內(nèi)部塊體間原有的俯沖帶/斷裂進(jìn)行，且具有階梯式隆升的特點(diǎn)；“下地殼流”模型認(rèn)為青藏高原北東向擴(kuò)展生長(zhǎng)過(guò)程受中-下地殼塑性流動(dòng)控制，由于印度板塊的擠壓，北面受柴達(dá)木地塊阻擋，東面受鄂爾多斯塊體和四川盆地的阻擋，在巖石圈強(qiáng)度較低的西秦嶺地區(qū)構(gòu)成了物質(zhì)向東流出的通道。

“塊體擠出”模型強(qiáng)調(diào)深大斷裂對(duì)于擴(kuò)展生長(zhǎng)過(guò)程的影響。西秦嶺及鄰區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)烈，震源主要沿著區(qū)內(nèi)斷裂帶分布（圖3），且主體位于上地殼高—低速過(guò)渡區(qū)，震源區(qū)下方中-下地殼中發(fā)育低速高導(dǎo)層，指示了流體的存在（Liu et al.，2006；Cheng et al.，2016；Sun et al.，2021a）。這些流體沿?cái)嗔褞蛏线\(yùn)移使上地殼孕震層發(fā)生一定程度弱化，同時(shí)大大降低了斷裂帶的摩擦系數(shù)，最終在區(qū)域應(yīng)力的作用下使得沿先存斷裂帶發(fā)生破裂導(dǎo)致地震發(fā)生（Zhao，2015）。然而地震的發(fā)生僅是構(gòu)造活動(dòng)的一種特殊表現(xiàn)形式，已有地表地質(zhì)研究顯示，西秦嶺中-晚新生代地表構(gòu)造活動(dòng)不僅沿深大斷裂發(fā)育（如西秦嶺北緣斷裂和東昆侖斷裂），其內(nèi)部一系列彌散分布的次級(jí)斷裂也發(fā)生著強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)，造成斷裂之間山脈的隆起與盆地的沉降和旋轉(zhuǎn)（圖2；Chen and Lin，2019；Zattin and Wang，2019；張逸鵬等，2021）。西秦嶺廣泛發(fā)育的中-晚新生代構(gòu)造活動(dòng)共同吸收了青藏高原東北緣NE 向擴(kuò)展的構(gòu)造應(yīng)力，該特征總體與“塊體擠出”模型強(qiáng)調(diào)的構(gòu)造變形集中于深大斷裂不相符，西秦嶺及鄰區(qū)中-晚新生代地表隆升也并非階梯式（圖2）。地震層析成像與人工地震剖面結(jié)果顯示，西秦嶺及鄰區(qū)巖石圈不同深度存在明顯的相對(duì)較低的地震波速度結(jié)構(gòu)（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）（圖7），結(jié)合該區(qū)總體偏低的重力異常、較淺的居里面以及中-下地殼廣泛分布的低阻異常（李松林等，2002；湯吉等，2005；詹艷，2008；金勝等，2012；孟小紅等，2012；趙凌強(qiáng)，2014；Gao et al.，2015；畢奔騰等，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嶺及鄰區(qū)具有較熱、較塑性的巖石圈。因此，在青藏高原北東向擴(kuò)展擠壓作用下，弱化的巖石圈會(huì)發(fā)生整體變形響應(yīng)，而應(yīng)力應(yīng)變集中于深大斷裂可能難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，S 波分裂研究揭示出，西秦嶺及鄰區(qū)巖石圈地幔與中-下地殼均廣泛發(fā)育較強(qiáng)的地震波各向異性（常利軍等，2008，2016，2021；Huang et al.，2008，2017；王瓊等，2013；Cheng et al.，2014，2016；郭桂紅等，2015，2019；王瓊，2015；Chang et al.，2017；Gao et al.，2019）。該地震波各向異性是西秦嶺及鄰區(qū)受青藏高原北東向擴(kuò)展過(guò)程中擠壓應(yīng)力作用，較塑性的巖石圈深部廣泛發(fā)生變形所導(dǎo)致（Huang et al.，2017；Gao et al.，2019；Yang et al.，2019；Wei et al.，2020；Zheng et al.，2021）。該結(jié)果表明，西秦嶺及鄰區(qū)巖石圈深部在中-晚新生代同樣發(fā)生著與高原北東向擴(kuò)展有關(guān)的強(qiáng)烈變形，指示深部變形并非集中于深大斷裂。上述西秦嶺及鄰區(qū)中-晚新生代淺表及深部變形特征表明，“塊體擠出”模型可能并不能很好地解釋該區(qū)中-晚新生代的殼—幔變形機(jī)制。西秦嶺巖石圈在經(jīng)過(guò)主造山期后，有著朝穩(wěn)定克拉通演化的趨勢(shì)（張國(guó)偉等，2004；Dong and Santosh，2016；董云鵬等，2019），新生代早期西秦嶺及鄰區(qū)巖石圈可能主體呈現(xiàn)較剛性特征，現(xiàn)今弱化的巖石圈結(jié)構(gòu)主體形成于中-晚新生代（Clark et al.，2010；Duvall et al.，2011，2013）。構(gòu)造熱年代學(xué)與地表變形研究結(jié)果也顯示，西秦嶺新生代早期的構(gòu)造熱活動(dòng)主要沿深大斷裂發(fā)生，而其內(nèi)部隆升與變形非常弱（圖2），因此“塊體擠出”模型可能更適用于解釋西秦嶺新生代早期（即高原擴(kuò)展的早期階段）的殼—幔變形機(jī)制。

“垂直連貫變形”模型傾向于將青藏高原東北緣巖石圈整體視為連續(xù)介質(zhì)，認(rèn)為巖石圈不同深度變形是耦合的。上地幔三維速度結(jié)構(gòu)顯示西秦嶺及鄰區(qū)巖石圈地幔受青藏高原軟流圈側(cè)向運(yùn)移與底侵作用而發(fā)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 波分裂與層析成像揭示出，該區(qū)巖石圈地幔各向異性方向與青藏高原東北緣主體的各向異性方向一致，為NWW-SEE 向，該各向異性特征主要是受青藏高原北東向擴(kuò)展產(chǎn)生的NNE 向擠壓應(yīng)力作用，巖石圈地幔發(fā)生NWW 向變形導(dǎo)致（Cheng et al.， 2014， 2016； 郭 桂 紅 等 ， 2015， 2019； Chang et al.， 2017； Li et al.，2017）。因此，地震波各向異性結(jié)果表明西秦嶺及鄰區(qū)巖石圈地幔在中-晚新生代發(fā)生了強(qiáng)烈的NWW-SEE 向構(gòu)造變形。西秦嶺及鄰區(qū)中-下地殼廣泛分布的低速、低阻異常（Unsworth et al.，2004，2005；Bai et al.，2010；Zhao et al.，2012；Sun et al.，2021a；Zhao et al.，2021b），指示該區(qū)中-下地殼在中-晚新生代發(fā)生了明顯的弱化。同時(shí)，接收函數(shù)與P 波各向異性結(jié)果顯示，西秦嶺中-下地殼地震波各向異性主體為NWW-SEE或NW-SE 向，認(rèn)為是該區(qū)弱化的中-下地殼在青藏高原東北緣北東向擠壓作用下發(fā)生NW/NWW 向塑性變形所導(dǎo)致的結(jié)果（常利軍等，2008，2016，2021；Huang et al.，2008，2017；王瓊等，2013；Xu et al.，2020a）。此外，西秦嶺上地殼主體各向異性方向同樣為NWW-SEE 或NW-SE 向，指示了該區(qū)上地殼NWW/NW 向展布的斷裂、裂隙以及剪切組構(gòu)（Hu et al.，2020b），與中-晚新生代該區(qū)地表構(gòu)造走向以及GPS 觀測(cè)的地表位移方向一致，均是青藏高原北東向擠壓變形所致。上述西秦嶺地區(qū)中-晚新生代從淺表到巖石圈地幔較為一致的變形樣式表明，西秦嶺中-晚新生代殼—幔變形具有較好的耦合性?！按怪边B貫變形”模型可以較好地解釋西秦嶺地區(qū)中-晚新生代的殼—幔變形機(jī)制（圖8）。

圖8 西秦嶺及鄰區(qū)殼—幔變形模式圖（據(jù)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，在上述研究基礎(chǔ)上，近幾年有學(xué)者通過(guò)遠(yuǎn)震S 波分裂研究發(fā)現(xiàn)在西秦嶺及鄰區(qū)局部地區(qū)存在雙層各向異性，代表巖石圈地幔的下層各向異性主體為NW-SE/NWW-SEE 向，同樣揭示了西秦嶺弱化的巖石圈地幔受NE 向擠壓發(fā)生顯著的NW/NWW 向變形，而代表中-下地殼的上層各向異性方向?yàn)镹E-SW/NEE-SWW 向，與巖石圈地幔各向異性方向明顯不同（Li et al.，2011；Huang et al.，2017；Gao et al.，2019）。高分辨率層析成像與人工地震剖面結(jié)果顯示，西秦嶺中-下地殼發(fā)育顯著的低速異常區(qū)（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），同時(shí)該低速層也表現(xiàn)為低電阻率異常（湯吉等，2005；詹艷，2008；金勝等，2012；趙凌強(qiáng)，2014；Sun et al.，2019；Xue et al.，2019）。結(jié)合西秦嶺出露的新生代火成巖（Su et al.，2009；喻學(xué)惠，2009；Lai et al.，2014），前人認(rèn)為該低速異常指示了西秦嶺中-下地殼存在含有部分熔融體的塑性流動(dòng)層，其形成與青藏高原軟流圈側(cè)向運(yùn)移并在西秦嶺發(fā)生上涌有關(guān)（Huang et al.，2017）。因此，西秦嶺中-下地殼出現(xiàn)的NE-SW/NEE-SWW 向各向異性，被認(rèn)為是中-下地殼發(fā)生NE 向塑性流動(dòng)導(dǎo)致礦物定向排列造成（Li et al.，2011c；Ye et al.，2016；Huang et al.，2017；Gao et al.，2019）。上述雙層各向異性結(jié)構(gòu)表明，西秦嶺局部地區(qū)中-晚新生代中-下地殼和巖石圈地幔變形是非耦合的，可能并不符合“垂直連貫變形”模型。與此同時(shí)，西秦嶺及鄰區(qū)中-下地殼存在塑性流動(dòng)層以及雙層各向異性特征指示，用“下地殼流”模型來(lái)解釋該區(qū)中-晚新生代殼—幔變形機(jī)制似乎更合理（Silver and Savage，1994）（圖8）。但是，對(duì)于這一解釋仍存在幾個(gè)需要注意和思考的問(wèn)題。首先，由于人工地震剖面只能反映局部二維速度結(jié)構(gòu)變化以及層析成像分辨率的問(wèn)題，目前揭示的西秦嶺及鄰區(qū)中-下地殼廣泛分布低速異常區(qū)是否存在誤差，即塑性流動(dòng)層在該區(qū)中-下地殼是廣泛存在還是局部特征，這直接關(guān)系到“下地殼流”模型的適用性問(wèn)題。其次，“下地殼流”模型認(rèn)為中-下地殼是可以達(dá)到塑性流動(dòng)的，而根據(jù)西秦嶺中-下地殼低的泊松比與波速比（Xu et al.，2013；Li et al.，2015；Li et al.，2017；Sun et al.，2021a）、偶見的新生代火成巖（Su et al.，2009；喻學(xué)惠等，2009；Lai et al.，2014）以及中等的地表熱流值（Sun et al.，2013；Liu et al.，2016；Jiang et al.，2019），前人認(rèn)為該區(qū)中-下地殼低速異常主要是流體的存在造成的，流體的加入使得中-下地殼發(fā)生弱化，但是否能達(dá)到塑性流動(dòng)的程度并不清楚。最后，代表中-下地殼存在塑性流動(dòng)并形成不同變形樣式的雙層各向異性特征，目前只有部分學(xué)者在西秦嶺及鄰區(qū)局部地區(qū)得到可靠的結(jié)果（Li et al.，2011c；Ye et al.，2016；Huang et al.，2017；Gao et al.，2019），而該雙層各向異性結(jié)構(gòu)在西秦嶺甚至整個(gè)青藏高原東北緣是否廣泛發(fā)育仍待進(jìn)一步研究和確認(rèn)。因此，西秦嶺及鄰區(qū)中-晚新生代殼—幔變形機(jī)制到底用“垂直連貫變形”模型還是用“下地殼流”模型解釋更合適，或者是兩者共存，目前仍存在較大爭(zhēng)議。

5 結(jié)論與展望

本論文收集總結(jié)了近幾十年關(guān)于西秦嶺及其鄰區(qū)地表構(gòu)造與深部結(jié)構(gòu)構(gòu)造的研究成果，并對(duì)西秦嶺中-晚新生代殼—幔變形機(jī)制及動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了分析探討?？傮w而言，已有的任何一種模型所闡述的殼—幔變形機(jī)制，都不足以完全解釋西秦嶺新生代的地表構(gòu)造活動(dòng)以及現(xiàn)今的深部結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。西秦嶺新生代地表構(gòu)造活動(dòng)的時(shí)空分布特征以及該區(qū)巖石圈不同深度的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)與變形樣式表明，“塊體擠出”模型可能更適用于解釋該區(qū)新生代早期的殼—幔變形機(jī)制，而“垂直連貫變形”和“下地殼流”模型在一定程度上都可以較好地解釋該區(qū)中-晚新生代的變形機(jī)制，目前認(rèn)識(shí)仍不統(tǒng)一。通過(guò)對(duì)西秦嶺現(xiàn)今巖石圈三維速度結(jié)構(gòu)與地震波各向異性的分析，發(fā)現(xiàn)造成這一爭(zhēng)議的主要原因在于對(duì)該區(qū)中-下地殼結(jié)構(gòu)、狀態(tài)以及變形樣式的認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一。因此，要確定現(xiàn)有的哪一種模型能更好地闡明西秦嶺甚至整個(gè)青藏高原東北緣中-晚新生代的變形機(jī)制，或者建立一種全新的殼—幔變形機(jī)制，除了更加豐富的地表地質(zhì)研究之外，關(guān)鍵且急需解決的是對(duì)該區(qū)中-下地殼以及巖石圈地幔三維結(jié)構(gòu)構(gòu)造的精細(xì)解剖，確定中-下地殼異常結(jié)構(gòu)的規(guī)模及其分布狀態(tài)，明確中-下地殼的變形樣式及其詳細(xì)的橫向變化，進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)巖石圈地幔的變形樣式。