中国中部渭河地堑的新近纪伸展机制：基于类比模型的研究结果

《Journal of Asian Earth Sciences》：Cenozoic extension mechanism of the Weihe Graben, central China: constraints from analog modeling

渭河盆地纯剪切机制与模拟实验揭示基底异质性和拉伸速率对断层与盆地几何的控制作用，对比简单剪切模型验证了基底边界约束下对称隆起与断陷结构的形成。

　　Weihe Graben位于东亚的鄂尔多斯地块与秦岭造山带交界处，是一个新生代的裂谷系统。该区域的构造演化机制一直存在争议，主要围绕三种模型展开：一种是通过拆离断层的简单剪切模型，另一种是通过地壳分布性变薄的纯剪切模型，第三种则是早期纯剪切与晚期简单剪切的过渡模型。为了解决这一争议，研究人员进行了11组缩尺模拟实验，以测试纯剪切和简单剪切两种极端模式下的变量，包括伸展速率、伸展方向、基底异质性和同步构造沉积等。通过这些实验，科学家们希望进一步明确Weihe Graben的伸展模式，并识别控制其形成的关键因素。

纯剪切系统中，基底结构是盆地形成的主要控制因素。在纯剪切条件下，基底的变形主要表现为均匀的拉伸，形成的盆地边界通常由预先存在的基底结构界定，这些结构不受断层的影响。在基底均匀的情况下，会形成一系列相互连接的断层，如多米诺断层或共轭断层，而在基底异质性的条件下，可能会形成半地堑-地垒-半地堑的复杂构造。这种构造模式的形成与基底的性质和伸展方向密切相关。例如，当伸展方向为斜向时，盆地会呈现出一系列排列整齐的凹陷，而较慢的伸展速率则会导致盆地沉降厚度的减少。

相比之下，简单剪切系统则表现出不同的构造特征。在简单剪切条件下，盆地的构造演化可以划分为三个主要的运动域：第一是滚动背斜，第二是次级地堑，第三是水平平移区。这种模式下，盆地的几何形态对基底的变化或伸展方向并不敏感，而是主要由断层的活动所控制。同步构造沉积和砂-泥比的增加对盆地的演化有一定程度的促进作用，但这种影响并不是决定性的。此外，简单剪切模式下的构造演化更倾向于形成局部化的变形，而非广泛性的地壳变薄。

通过比较自然构造，研究发现Weihe Graben中的半地堑结构主要受控于断层，而西安和古寺凹陷的斜列分布则源于纯剪切机制下的斜向伸展。这种斜向伸展模式在盆地的北部边缘形成了斜列断层，同时伴随着两个斜列凹陷的发育。这些凹陷的分布与基底的相对冷硬性质有关，特别是在骊山地区，断层的发育尤为明显。较慢的伸展速率进一步增强了变形的局部化，使得构造演化更加集中。

Weihe Graben的构造背景复杂，其地质特征和演化历史与区域的远场效应密切相关。该盆地位于中国北方，从宝鸡向西延伸，向东终止于潼关，长度约为400公里，宽度在30至80公里之间。其北部邻近鄂尔多斯地块，南部靠近秦岭造山带，西部与六盘山相邻，东部则与山西地堑接壤。地质勘探和钻井数据显示，该盆地的基底在新生代之前经历了断裂作用，形成了多个断块结构。在渭河断裂以南，基底的变形和演化表现出明显的特征，这与该区域的构造背景和地质历史密切相关。

在实验设计方面，研究人员基于已有研究，构建了两种类型的模拟模型：一种模拟简单剪切（由拆离断层驱动），另一种模拟纯剪切（由地壳分布性变薄驱动）。此外，已有研究表明，伸展速率对地壳变形的影响主要体现在地壳与地幔之间的耦合关系上。较慢的伸展速率会减少这种耦合，从而促进局部变形的形成。而斜向伸展则可能导致构造系统的复杂性增加，形成一系列相互关联的构造特征。

通过这些实验，研究人员发现纯剪切模式下的盆地形态和内部结构主要由基底边界控制，而断层的活动则对盆地的形成起着关键作用。纯剪切模式下，伸展方向、基底异质性和伸展速率都会对盆地的几何形态产生显著影响。例如，伸展方向决定了盆地的水平结构和断层的排列方式，而基底异质性则可能形成半地堑-地垒-半地堑的复杂构造。同时，伸展速率的变化也会影响盆地的沉降厚度和构造演化的方式。

在模拟实验中，研究人员还探讨了同步构造沉积和砂-泥比对盆地演化的影响。同步构造沉积指的是在构造活动期间，沉积物的堆积方式与构造演化过程相协调，这种沉积方式可能对盆地的形成和演化起到促进作用。而砂-泥比的增加则可能影响盆地的沉积物分布和构造特征，从而对盆地的形成产生一定的影响。这些实验结果表明，基底的性质和构造活动的类型对盆地的演化具有重要的控制作用。

通过将模拟实验结果与地质结构相结合，研究人员得出了关于Weihe Graben构造演化机制的主要结论。首先，纯剪切模型下的盆地范围主要由基底边界控制，而断层的活动则对盆地的形成起到关键作用。其次，伸展方向、基底异质性和伸展速率都会对盆地的几何形态产生显著影响。例如，伸展方向决定了盆地的水平结构和断层的排列方式，而基底异质性则可能形成半地堑-地垒-半地堑的复杂构造。同时，伸展速率的变化也会影响盆地的沉降厚度和构造演化的方式。

此外，研究人员还发现，简单剪切模式下的盆地演化表现出不同的构造特征。在简单剪切条件下，盆地的构造可以划分为三个主要的运动域：滚动背斜、次级地堑和平移区。这些构造特征表明，简单剪切模式下的盆地演化更倾向于形成局部化的变形，而非广泛性的地壳变薄。同步构造沉积和砂-泥比的增加对盆地的形成和演化有一定的促进作用，但这种影响并不是决定性的。这些实验结果表明，基底的性质和构造活动的类型对盆地的演化具有重要的控制作用。

研究还指出，自然构造的变形过程比模拟实验更为复杂。尽管模拟实验能够有效地再现自然构造的某些特征，如半地堑的几何形态和斜列凹陷的分布，但在实际地质过程中，构造演化受到更多因素的影响，包括地壳的性质、构造活动的类型以及外部环境的变化。因此，模拟实验的结果虽然提供了重要的见解，但仍需结合实际地质数据进行进一步的验证和补充。

综上所述，Weihe Graben的构造演化机制是一个复杂而多变的过程，涉及多种因素的相互作用。通过模拟实验，研究人员能够更直观地理解构造演化的过程，并验证不同的构造模型。这些实验结果表明，纯剪切和简单剪切模式在不同条件下可能对盆地的形成和演化产生不同的影响，而基底的性质和构造活动的类型则是控制这些影响的关键因素。未来的研究需要进一步结合实际地质数据，以更全面地揭示Weihe Graben的构造演化机制及其对区域地质和资源分布的影响。