虎新軍，陳曉晶，李寧生，仵陽，陳濤濤

(寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學(xué)勘查院，寧夏 銀川 750001)

0 引言

黃河斷裂為銀川盆地的東緣邊界斷層，是盆地內(nèi)展布長(zhǎng)，切割深的一條深大斷裂[1-3]，在銀川盆地的形成與演化過程中起著重要的作用。特殊的區(qū)域構(gòu)造位置使銀川盆地受到了鄂爾多斯地塊EW向拉張應(yīng)力與青藏高原東北緣NE向擠壓應(yīng)力的雙重作用，造就了黃河斷裂復(fù)雜的空間展布特征及特殊的地質(zhì)構(gòu)造作用。侯旭波、蔡利飄、黃興富等在銀川盆地形成演化研究中，明確了黃河斷裂形成于漸新世，認(rèn)為黃河斷裂為銀川盆地的東部邊界斷裂，與賀蘭山東麓斷裂控制了銀川盆地的構(gòu)造格局[4-7]；方盛明、酆少英、楊勇等通過對(duì)深地震反射資料與MT資料的分析，刻畫了黃河斷裂為地殼內(nèi)較大的斷裂，向下延深切穿下地殼并錯(cuò)斷莫霍面，是一條超殼深大斷裂[8-10]。以黃河斷裂為對(duì)象開展的研究以局部非第四系覆蓋區(qū)地表出露情況探討了黃河斷裂的分段性與活動(dòng)性，包國棟等通過對(duì)黃河斷裂的地貌特征、幾何分布、構(gòu)造變形序列和地震活動(dòng)等方面的研究，發(fā)現(xiàn)黃河斷裂可以劃分為紅崖子段、陶樂段、濱河段和靈武段，濱河段的最新活動(dòng)是在4 000 a以前,而陶樂段的最新活動(dòng)可能在BP(330±30)a之后[11]，虎新軍等以1∶20萬區(qū)域重力資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用多種邊界識(shí)別技術(shù)，發(fā)現(xiàn)黃河斷裂由3條次級(jí)斷裂組成[12-14]?？梢钥闯觯鲜霰姸嗫蒲谐晒麑?duì)黃河斷裂的性質(zhì)、演化特征及其對(duì)銀川盆地構(gòu)造格架的控制作用取得共識(shí)。

但是，對(duì)黃河斷裂在覆蓋區(qū)的具體展布形態(tài)及深部賦存特征的研究仍需進(jìn)一步深入。本文以覆蓋銀川平原的區(qū)域重力資料、重點(diǎn)區(qū)段的MT剖面、深地震反射剖面、CSAMT剖面等地球物理資料，緊密結(jié)合地表出露跡象，全面、細(xì)致地分析了黃河斷裂的空間展布形態(tài)及賦存特征，對(duì)研究銀川平原地震活動(dòng)及分析黃河斷裂東部地?zé)豳Y源富集規(guī)律具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地球物理概況

黃河斷裂所在的銀川盆地作為鄂爾多斯周緣一系列斷陷盆地之一，形成于始新世。大地構(gòu)造位置屬柴達(dá)木—華北板塊Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元、華北陸塊Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元、鄂爾多斯地塊Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元、鄂爾多斯西緣中元古界—早古生界裂陷帶Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元。據(jù)最新的研究成果，銀川盆地進(jìn)一步劃分為5個(gè)Ⅵ級(jí)構(gòu)造單元，依次為是北部斜坡區(qū)、西部斜坡區(qū)、中央斷陷區(qū)、東部斜坡區(qū)、南部斜坡區(qū)。盆地內(nèi)一系列傾向相同的NNE向正斷層,使地層逐級(jí)由兩側(cè)向中心錯(cuò)落,形成階梯狀地層結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 銀川盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐?據(jù)文獻(xiàn)[1]修編)Fig.1 Division map of structural units of Yinchuan basin(revised according to reference [1])

2 斷裂展布特征

2.1 斷裂平面“分段”特征

黃河斷裂作為銀川盆地的東邊界，現(xiàn)有研究成果表明，斷裂具有明顯的分段性。“三段”分法根據(jù)斷層的活動(dòng)性和出露情況，將斷裂分為北段(紅崖子段)、中段(陶樂—濱河段)和南段(靈武段)，南段和北段裸露地表，中段為隱伏段?！八亩巍狈址ㄍㄟ^地貌特征、幾何分布、構(gòu)造變形序列和地震活動(dòng)等方面，認(rèn)為斷裂可以劃分為紅崖子段、陶樂段、濱河段和靈武段?！叭巍狈址ㄅc“四段”分法，均以斷裂的出露情況為基本依據(jù)。筆者以地質(zhì)劃定的4條斷裂為基礎(chǔ)，對(duì)覆蓋銀川盆地的1∶20萬重力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在小波多尺度分解的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邊界識(shí)別技術(shù)對(duì)黃河斷裂平面位置進(jìn)行劃定。

2.1.1 三種邊界識(shí)別技術(shù)的方法原理

垂向二階導(dǎo)數(shù)是利用零值線的位置來判斷和確定異常體的邊界位置，其常用的換算公式有多種，此次選擇埃勒金斯第2公式進(jìn)行處理，其計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

總水平導(dǎo)數(shù)是利用其極大值位置來確定地質(zhì)體的邊緣位置，其計(jì)算公式為：

(2)

其中：f為重力場(chǎng)，x為觀測(cè)平面的x方向，y為觀測(cè)平面的y方向。

斜導(dǎo)數(shù)又稱傾斜角，是垂向?qū)?shù)和總水平導(dǎo)數(shù)的比值，其能較好的平衡高幅值異常與低幅值異常，增強(qiáng)地質(zhì)構(gòu)造邊緣效應(yīng)，當(dāng)斜導(dǎo)數(shù)為零值的時(shí)候，就能夠識(shí)別出構(gòu)造位置，其計(jì)算公式為[15]：

TA(x,y,0)=

(3)

除黃河斷裂南段局部地區(qū)，黃河斷裂基本處于隱伏狀態(tài)，地表被厚層的第四系風(fēng)積層、沖積層覆蓋。與其他兩種方法相比較，斜導(dǎo)數(shù)作為一種高階導(dǎo)數(shù)，從原理上對(duì)厚層覆蓋區(qū)的斷裂展布特征具有較強(qiáng)的定位能力[16-17]。本次以斜導(dǎo)數(shù)解釋結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合其他兩種方法對(duì)黃河斷裂平面展布特征進(jìn)行綜合解釋及精細(xì)分析。

2.1.2 綜合劃定結(jié)果分析

綜合分析成果表明，黃河斷裂表現(xiàn)為東部陶樂—橫山堡陸緣褶斷帶條帶狀重力正異常與銀川盆地片狀、帶狀重力負(fù)異常的明顯分界(圖2)。

根據(jù)斷裂平面細(xì)節(jié)特征顯示，黃河斷裂由4條斷裂組合而成，南部靈武地區(qū)，斷裂近SN向展布，至永寧縣東部，斷裂地球物理特征逐漸減弱、消失；中南部臨河鎮(zhèn)至通貴鄉(xiāng)段，斷裂轉(zhuǎn)為NNE走向，延伸接近至月牙湖鄉(xiāng)附近消失；中北段通伏鄉(xiāng)、陶樂鎮(zhèn)一線，斷裂整體北移，走向NNE，北部至靈沙鄉(xiāng)轉(zhuǎn)為近SN向，經(jīng)過禮和鄉(xiāng)，于惠農(nóng)區(qū)南部延出寧夏境。黃河斷裂各段之間平面距離大，具有“雁行式”排列特征，此種錯(cuò)斷的規(guī)模向盆地內(nèi)部逐漸減弱，但痕跡依然存在。

a—重力小波1階逼近場(chǎng)；b—重力小波2階逼近場(chǎng)；c—重力小波3階逼近場(chǎng)；d—重力小波4階逼近場(chǎng)a—first-level approximation of discrete gravity wavelet transform；b—second-level approximation of discrete gravity wavelet transform；c—third-level approximation of discrete gravity wavelet transform；d—fourth-level approximation of discrete gravity wavelet transform圖2 黃河斷裂平面特征分析Fig.2 Interpretation of the plane characteristics of the Yellow River fault

MT剖面與深地震反射剖面探測(cè)結(jié)果從側(cè)面印證了由區(qū)域重力資料解釋劃定的黃河斷裂的平面展布位置。MT-TL剖面(20～50 km)于寶豐鎮(zhèn)與渠口鄉(xiāng)之間橫跨黃河斷裂北段，剖面清晰顯示了斷裂展布于黃河西岸，是陶樂褶斷帶高阻異常區(qū)與平羅北凹陷低阻異常區(qū)的分界；MT-YC剖面[18](80～110 km)部署于陶樂鎮(zhèn)與月牙湖鄉(xiāng)之間，橫跨黃河斷裂北段與中北段的結(jié)合部位，斷裂北段于此處規(guī)模變小、近于消失，斷裂中北段規(guī)模較大，展布于黃河?xùn)|岸，顯示出中高阻與低阻區(qū)的分界，說明該處為黃河主斷裂位置；YC-1(5.25～35.25 km)是該地區(qū)重要的一條反映深部構(gòu)造特征的深地震剖面，剖面證實(shí)黃河斷裂中北段受NW向小規(guī)模斷裂影響，消失于賀蘭縣西北地區(qū)，而斷裂中南段已轉(zhuǎn)移至月牙湖鄉(xiāng)南；南段黃河斷裂在臨河鎮(zhèn)南展布方向發(fā)生明顯的改變，與中南段斷裂形成“人”字形相交，L-D深地震剖面(22～38.5 km)明確斷裂的位置，基本與靈武東山走向一致(圖3)。

圖3 黃河斷裂平面展布Fig.3 Plane layout of the Yellow River fault

黃河斷裂“雁行式”的平面展布特征清晰、明確，斷裂4條亞段之間由NW向的小規(guī)模斷裂聯(lián)系、溝通。即：古近紀(jì)初期，銀川地塹所在區(qū)為銀川古隆起，直到始新世，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，由EW向的逆沖轉(zhuǎn)為NW—SE向的拉伸，伴隨著銀川地塹的開始形成，黃河斷裂開始發(fā)育[19-20]，局部發(fā)育特征開始顯現(xiàn)，賀蘭山裂變徑跡結(jié)果顯示時(shí)間約50 Ma[21]；進(jìn)入漸新世，銀川盆地進(jìn)入裂陷擴(kuò)張期，黃河斷裂基本成型，表現(xiàn)為單一的線性展布特征，大致發(fā)生時(shí)間為10～12 Ma之間[22]；至更新世，青藏高原隆升導(dǎo)致NE向擴(kuò)張影響至銀川盆地[23]，使銀川地塹斷裂系在這兩種動(dòng)力背景下，構(gòu)造形態(tài)更為復(fù)雜，黃河斷裂經(jīng)歷一次較大活動(dòng)后，展布形態(tài)發(fā)生變化，形成現(xiàn)今分段式的展布形態(tài)特征。由此可以推斷，黃河斷裂各亞段之間的NW向斷裂應(yīng)該形成于更新世—全新世，主要作用是調(diào)節(jié)與平衡各亞段斷裂之間的應(yīng)力差而使其達(dá)到“動(dòng)態(tài)”平衡。

根據(jù)區(qū)域重力資料斷裂解釋結(jié)果，結(jié)合MT及深地震剖面資料，將斷裂由南向北劃分為靈武段(Ⅰ段)、臨河段(Ⅱ段)、月牙湖段(Ⅲ段)與禮和段(Ⅳ段)4個(gè)亞段(圖4)。

圖4 黃河斷裂地貌特征Fig.4 Geomorphological feature map of the Yellow River fault

1)靈武段(Ⅰ段)

斷裂自南起始于楊馬湖鄉(xiāng)新田村附近，呈NNE向34°向北延伸至杜木橋鄉(xiāng)杜家灘村，轉(zhuǎn)為近SN向359°，過靈武市東達(dá)靈武火車站，開始逐漸轉(zhuǎn)為NNW向348°，于臨河鎮(zhèn)下橋村處斜跨黃河，終止于河西濱河大道。靈武段斷裂全長(zhǎng)43.57 km，平面整體呈微弧形展布，為本區(qū)規(guī)模較大的斷裂，控制著銀川盆地南部坳陷區(qū)整體的構(gòu)造形態(tài)及發(fā)育演化過程。

斷裂重力場(chǎng)特征明顯，表現(xiàn)為剩余重力高、低異常區(qū)帶的分界梯度帶，斷裂東側(cè)呈現(xiàn)明顯的片狀剩余重力高異常區(qū)，反映出橫山堡陸緣褶斷帶整體受EW向擠壓應(yīng)力作用，高密度的基底隆升較高，淺部沉積的低密度地層厚度較小。斷裂西側(cè)則是典型的、近SN向分布剩余重力低異常條帶，體現(xiàn)了銀川盆地南端大厚度新生界地層的沉積、沉降特征。

斷裂地貌特征具有明顯的分段性，其中：新田村—杜家灘村段，斷裂呈隱伏狀，地表為農(nóng)田、果園、村落等人文景觀，基本難以見有明顯的斷裂出露跡象(SK02)；杜家灘村—靈武火車站—下橋村段，斷裂出露地表跡象明顯，SK04點(diǎn)處(靈武熱電廠南)，斷裂表現(xiàn)為西傾的低角度斜坡。SK06號(hào)點(diǎn)處(溝東村村道與銀西高鐵交叉處)，斷裂上升盤為荒漠臺(tái)地地貌，地勢(shì)較高，淺表為沉積厚度較大的礫石層，根據(jù)礫石排列特征推斷，為靈武東山西麓洪積層。斷裂下降盤為農(nóng)田人文地貌，地勢(shì)較低，淺表為風(fēng)積沙沉積層，偶見薄層礫石夾層(>40 cm)。

2)臨河段(Ⅱ段)

臨河段黃河斷裂承接靈武段的發(fā)育規(guī)模及特征，但延伸方向發(fā)生了明顯的改變。斷裂自望遠(yuǎn)鎮(zhèn)李家莊起始，以NE向43°，過掌政鄉(xiāng)永南村、堿富橋村、強(qiáng)家廟村一線，至通貴鄉(xiāng)馬家橋莊，與馬蓮灘附近斜跨黃河， 消失于黃沙古渡原生態(tài)旅游區(qū)。臨河段斷裂總長(zhǎng)34.15 km，整體呈NE向展布的直線，與盆地軸線走向一致。

重力異常場(chǎng)中，斷裂為明顯的正負(fù)異常的分界，但梯度較小，說明斷裂上、下盤錯(cuò)動(dòng)規(guī)模不大，引起兩盤地層的差異性相對(duì)較小。斷裂東側(cè)(下盤)為NNW向展布的條帶狀剩余重力高異常，斷裂為3條高異常帶共同的西北邊界；斷裂西側(cè)(上盤)為NE向展布的剩余重力低異常區(qū)，反映了掌政局部凹陷的分布范圍，斷裂是該局部凹陷的東南邊界。

地貌長(zhǎng)期受黃河向東侵蝕與改造，斷裂展布區(qū)域已經(jīng)被夷為黃河河灘、平原地貌，現(xiàn)被規(guī)劃列入黃河河道洪泛區(qū)，地表沉積第四系河流相砂泥沉積層，據(jù)區(qū)域鉆井揭示，厚度約為450 m。臨河、通貴段地表已難以見有任何斷裂出露痕跡(SK08、SK10)，過黃河后展布的黃沙古渡段，斷層為明顯的地貌分界，斷裂東側(cè)為風(fēng)成砂丘，西側(cè)為河流相沖積平原(SK11)。

3)月牙湖段(Ⅲ段)

月牙湖段黃河斷裂與臨河段基本平行，為NE走向42°，二者之間未直接相接，由一條NNW向次級(jí)斷裂調(diào)諧，呈斜列關(guān)系，將臨河段NE20°方向平移31.84 km即為月牙湖段展布位置(垂直距離9.3 km)。斷裂起于立崗鎮(zhèn)張家廟村，經(jīng)通義鄉(xiāng)胡家莊、永興村，延伸斜跨黃河達(dá)高仁鄉(xiāng)上八前村，繼續(xù)沿東沙村至陶樂鎮(zhèn)園藝村東終止。月牙湖段斷裂長(zhǎng)約36.31 km。

與臨河段相比較，月牙湖段黃河斷裂重力場(chǎng)特征比較弱，為西側(cè)寬緩的剩余重力低異常區(qū)與東側(cè)月牙湖低幅值長(zhǎng)條狀剩余重力高異常的分界，非線性裙帶狀的分界線反映出斷裂兩側(cè)地層沉積特征差異不大，且斷裂傾角可能較緩。

受黃河侵蝕改造作用，臨河段斷裂黃河以西，地表已被夷為平地，無任何地貌特征(SK12)，黃河以東地貌特征逐漸顯露，SK13處斷裂為明顯的斷層陡坎，為天然地貌分界線。SK14處繼承了SK13處斷裂地貌特征，斷層陡坎高差更大。

4)禮和段(Ⅳ段)

根據(jù)斷裂的走向，將禮和段黃河斷裂細(xì)分為南半段與北半段。南半段起于通伏鄉(xiāng)任家嘴子村，以大致平行于月牙湖段的NE向45°走向，沿河西濱河大道延伸至頭閘鎮(zhèn)紅星村東。北半段承接南半段斷裂的發(fā)育特征，走向轉(zhuǎn)為SN向2°，經(jīng)靈沙鄉(xiāng)東靈村，過禮合鄉(xiāng)紅柳崗村、下寺村，延伸至園藝鎮(zhèn)下莊子村NEE向72°、約3 km處斜穿黃河，后大致與黃河平行，延出本區(qū)。禮和段黃河斷裂南北總長(zhǎng)約66.91 km，整體呈“J”字型展布。

處于銀川盆地北端，該段黃河斷裂的重力場(chǎng)特征明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)為片狀展布的平羅北剩余重力低異常區(qū)與條帶狀陶樂—禮和剩余異常高異常區(qū)的分界。斷裂梯級(jí)帶特征明顯，反映了斷裂規(guī)模較大，造成兩盤地層差異性明顯，位于平羅凹陷的銀參4井鉆遇新生界厚度為4 115 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陶樂—禮和隆起區(qū)ZK301揭示的新生界厚度514 m。

禮和段黃河斷裂均位于黃河以西，在黃河河道向東“跳躍式”的變遷過程中[24-25]，經(jīng)歷沖蝕、侵蝕、風(fēng)蝕等多種改造作用下，斷裂地貌地形特征幾乎消失，后期隨著銀川盆地持續(xù)沉降，大規(guī)模第四系沉積物覆蓋其上，抹掉了斷裂地貌的所有跡象，SK15、SK17、SK19、SK21處均為河流相沖積平原地貌，未見斷裂出露跡象。

2.2 斷裂剖面“分級(jí)”特征

黃河斷裂剖面發(fā)育特征明顯，已有研究表明：斷裂自深部(>30 km)發(fā)育，至中深部(約9 km)發(fā)育多條次級(jí)斷裂[3]，向淺部(<9 km)呈束狀發(fā)散延伸，將淺部地層切割形成逐級(jí)下掉的“階梯狀”(圖5)。

圖5 黃河斷裂剖面結(jié)構(gòu)Fig.5 Sectional structure diagram map of the Yellow River Fault

為了進(jìn)一步理清各條次級(jí)斷裂之間的轉(zhuǎn)化、承接關(guān)系，筆者在重點(diǎn)區(qū)段部署了可控源音頻大地電磁測(cè)量剖面，反演結(jié)果顯示，黃河斷裂及其次級(jí)斷裂由EW呈逐級(jí)下掉的“階梯狀”，具有明顯的“分級(jí)”特征(圖6)。

a—剖面位置圖；b—L1剖面；c—L2剖面；d—L3剖面a—sectional location map；b—L1 section；c—L2 section；d—L3 section圖6 黃河斷裂靈武段剖面特征Fig.6 Sectional characteristic map of the Lingwu Section in Yellow River fault

3 斷裂分布差異分析與討論

將筆者本次運(yùn)用區(qū)域重力資料解釋的黃河斷裂(下稱“物探推斷斷裂”)與前人利用地質(zhì)露頭實(shí)測(cè)的黃河斷裂(下稱“地質(zhì)實(shí)測(cè)斷裂”)進(jìn)行對(duì)比，主要有3方面的差異(圖7)。

圖7 黃河斷裂分布特征對(duì)比Fig.7 Comparison of the distribution characteristics of the Yellow River fault

1) 展布特征差異

2) 展布位置差異

3) 展布關(guān)系差異

4 結(jié)論

1) 受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化的影響，黃河斷裂經(jīng)歷了“初始發(fā)育(古近紀(jì))—發(fā)展成型(漸新世)—調(diào)整轉(zhuǎn)變(更新世)”3階段，平面上“雁行式”展布特征明顯，由南至北劃分為靈武段、臨河段、月牙湖段與禮和段。

2) 在多期次的活動(dòng)中，黃河斷裂形成了“一主多附”的剖面分級(jí)特征，次級(jí)附屬斷裂呈“掃帚”狀，向淺部發(fā)散延伸，于深部收斂歸并至主斷裂，具有典型的斷裂系特征。

3)對(duì)比地質(zhì)實(shí)測(cè)的黃河斷裂與物探推斷的黃河斷裂，二者的差異性體現(xiàn)在展布特征、展布位置及展布關(guān)系3個(gè)方面。地質(zhì)實(shí)測(cè)的黃河斷裂是數(shù)條主斷裂及次級(jí)斷裂共同組合而成，斷裂南段走向轉(zhuǎn)為SW向，與NW向展布的吳忠斷裂相交，收斂封閉于銀川斷陷盆地的南端。黃河河道變遷、人文環(huán)境的改造破壞了黃河斷裂原始的地表面貌，是造成二者差異的主要原因。