贝加尔湖和汾渭裂谷成因之谜

梁光河

中国科学院

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一、问题的提出

欧亚板块内部新生代发育了两个著名的裂谷，分别是位于俄罗斯的贝加尔湖裂谷和位于中国的汾渭裂谷（图1），它们是怎样形成的？为什么在一个完整的大陆板块内部会产生这两个巨大的裂谷？在地质界一直存在争议。这两个裂谷也是地震高发带，这些地震是怎样形成的？

这两个裂谷系具有鲜明的特色，都有一个世界之最：

贝加尔湖是世界第一深湖、欧亚大陆最大的淡水湖，最深处达1637米（2015年），湖长636千米，平均宽48千米，面积为3.15万平方千米，平均水深730米。

汾渭裂谷历史上也是一个巨大的湖泊，直到第四纪晚期才萎缩成一个现代盐湖，那就是位于山西省运城市的著名盐湖（中国死海）。汾渭裂谷中曾发生一次世界上死亡人数最多的地震，1556年中国陕西省南部秦岭以北的渭河流域发生的8级特大地震，死亡人数83万。据史书记载，以陕西渭南、华县、华阴和山西永济四县的震灾最重，故称为华县地震。

图1 贝加尔裂谷和汾渭裂谷地形地貌图（据NOAA修编）

二、地质背景

贝加尔裂谷和汾渭裂谷都是新生代裂谷系，由一系列地堑盆地组成，比如，汾渭裂谷系由南往北依次为：渭河盆地、运城盆地、临汾盆地、太原盆地、忻县-定襄盆地、大同盆地和怀来盆地等（杨森楠，杨巍然等，1982）。较大盆地中常有次级隆起，将盆地再加分隔。盆地的空间分布总体被限制在一个NNE向缓弯曲的“S”型地带内，全长约1000公里。各个盆地在组合形式上表现为雁行排列。

这两个地堑系虽然空间上相距1300多公里，但处于相近的经度带内，具有几乎完全一样的地质特征和构造演化史（图2）。吴珍汉（1997）从七个方面对这两个裂谷系进行了定量对比研究，分别是几何形态、地震活动性、裂谷形成时间、断裂活动性、现今热状态、沉积速率、莫霍面形态。发现两个裂谷系在这七个方面显著相似，推测它们具有相同的成因机制和形成背景。

这两个裂谷系新生代沉积主要都是陆相沉积，且沉积中心都在南部，裂谷也都是从南向北发展。火山活动和温泉在裂谷内广泛分布，近代仍有活动。

图2 汾渭与贝加尔裂谷系地质构造略图（吴珍汉，1997）

三、成因机制

前人对这两个裂谷系的成因机制主要有三种解释，第一种解释是传统的板块构造假说，认为太平板块向西俯冲洋壳脱水升温，发生熔融喷发形成火山岛弧，在弧后区域地幔上涌形成弧后盆地（Karig,1971;Eiichi,1995），这里也是弧后区域。但这个说法显然欠妥，洋壳俯冲上千公里难以置信，也没有确凿的证据支持这个说法。第二种解释认为是地幔柱成因，认为这两个地区都存在地幔热点，地幔上涌形成裂谷。这种说法也难以置信，因为地幔热点为什么偏偏在这两个地方出现，而没有在其他地方出现。这个说法也没有得到火山测年数据横向变化的支持。第三种解释认为是板块运动速度差异造成的，认为裂谷两侧的地块存在相对速度差，西伯利亚岩石圈较快速向北西方向运动，运动速率每年5.5-6.0厘米，其南侧的中国南部岩石圈块体仅以每年3.0-3.7厘米的速率西向运动（吴珍汉，1997），这个说法与最近的GPS测量不符，而且也难以解释汾渭地堑系的形成机制。但第三个解释思路是正确的，那就是不同的地块在大陆漂移过程中存在速度差，这是造成裂谷的根本原因。

裂谷是拉分盆地形成的初期，图3给出了剪切拉扭环境下拉分盆地成因4维模拟（Jonathan et al，2009），左侧是立体图，说明在剪切走滑和向外拉扭5度的情况下，一个裂谷盆地的形成物理模拟。右侧是不同部位的剖面及断层形态，显示走滑拉分盆地内的典型负花状断裂构造特征。

图3 剪切拉扭环境下拉分盆地的形成过程（Jonathan et al，2009）

俄罗斯地质学家Sherman给出了贝加尔裂谷的形成机制（Sherman，2013），如图4所示。图中西伯利亚板块是一个克拉通陆核，相对于右侧的贝加尔板块存在左旋走滑活动，由此形成了贝加尔裂谷，产生了贝加尔湖。汾渭地堑系也具有类似成因。

图4 贝加尔裂谷形成机制（Sherman，2013）

为什么会在欧亚板块内部出现左旋走滑断裂系统，这个左旋走滑力是谁施加上去的？

基于新大陆漂移模型（梁光河，2013，2018），宏观背景上，新生代欧亚大陆东缘发生了大规模微陆块裂解和北漂，这些裂解和北漂的微陆块主要包括堪察加陆块、锡霍特陆块、库页岛和北海道陆块、日本三岛和朝鲜半岛等。这些北漂的微陆块在欧亚东缘产生了巨大的宏观左行走滑剪切力，由于这些微陆块的漂移速度存在巨大差异，因此对欧亚东缘形成了地壳剪切力（图5）。比如日本新生代从中国东南部裂解漂移了约2300公里，而伴随着朝鲜半岛的裂解和黄海的形成，郯庐断裂东侧相对于西侧大约错开了760公里，再往西走滑距离进一步减小。因此欧亚东部和中部新生代总体是左旋走滑剪切环境。也就是说这个左旋走滑力是多个微陆块的漂移产生的。归根结底仍是大陆漂移产生的拖拽力。

图5 新大陆漂移世界观和欧亚东缘新生代受力状态图（底图据NOAA）

把这些受力状态画在地质图上（图6），可以看出无论贝加尔裂谷还是汾渭裂谷，都有一个共同特点，那就是它们西侧都有一个克拉通陆核，同步受到左行走滑和东西向拉张作用，由此形成了这两个巨大的新生代裂谷系。归纳起来，这两个裂谷系形成的原因主要有三条：

（1）    先存断裂：它们都是中生代挤压构造背景下产生的逆断层，作为先存断裂。新生代受到欧亚东缘巨大的左旋剪切力和东西向拉张力的综合影响，在坚硬的陆核边部发育形成裂谷系。

（2）    走滑拉分：受到欧亚东缘左旋走滑拉分力的影响，在陆核边缘应力集中，产生裂谷系，地幔上涌，两侧陆块继续相对运动，进一步扩大裂谷。

（3）    靠近陆核：陆核与周边地块强度存在巨大差异，在西伯利亚陆核和贝加尔板块之间岩石物性存在巨大差异，在鄂尔多斯陆核和华北中部地块之间物性和强度也存在巨大差异。当受到剪切作用力时候，在它们的交界处发生断裂。

图6欧亚东缘新生代受力状态图和主要裂谷系构造略图（底图据任纪舜等，2013；杨承先，1981）

事实上，地球物理和地质观测给出了更直接的证据，杨文采（2014）基于地震勘探P波速度，给出了贝加尔裂谷的形成机制，那就是贝加尔裂谷东侧陆块相对于西伯利亚板块在中地壳区域向北东方向滑脱，从而形成裂谷和地震（图7）。

图7 贝加尔湖剖面和裂谷成因简图（杨文采，2014）

四、地震成因

大地震主要能量是由断裂运动激发引起的地下超临界流体的相变爆炸（梁光河，2018），大地震形成必须具备两个充要条件，一是要有高温高压的超临界流体（包括热流体和岩浆），二是要有活动的深断裂。

裂谷系中包括许多破碎的地块，它们中间形成盆地、凹陷和凸起，这些破碎的地块漂移速度也有差异。强震多发生在因漂移速度差而造成地块追尾碰撞的区域。在走滑拉分作用下，深部软塑物质和高温高压流体沿深大断裂上涌，因上覆岩层覆盖形成圈闭，流体上涌到地壳中部，主要聚集在前面有地块阻碍的区域的圈闭中，因为这些阻碍地块厚度大、根基深，运动速度相对较慢，后面运动速度较快的地块前部推动上涌的地壳流在这里发生聚集，当聚集到临界状态，随着板块的继续运动和上部脆性断裂活动的开启，相对封闭的地壳中高温高压流体冲破断裂，瞬间降压产生超临界流体的隐爆，发生浅源强震。

Sherman（2013）给出了贝加尔裂谷地震成因示意图（图8），图中随着深部塑性物质的上涌，在准塑性流动区域聚集，随着板块运动和断裂活动，在准脆性断裂和脆性断裂区域发生地震。

图8 贝加尔湖深度剖面和地震成因示意图（Sherman，2013）

五、结论

贝加尔裂谷和汾渭裂谷的成因机制与欧亚东缘新生代大规模微陆块裂解漂移密切相关，它们都是欧亚东缘大陆地壳差异走滑作用的产物。用新大陆漂移模型可以合理解释其成因机制。伴随着这两个裂谷系的形成，由于深活动断裂的存在和深部地壳流的综合影响，从而产生地震。

参考文献：

1)   Eiichi. Spreading mode of backarc basins in the western Pacific[J]. Tectonophysics, 1995, 251:139-152.

2)   Jonathan E. Wu, Ken McClay, et al. 4D analogue modelling of transtensional pull-apart basins. Marine and Petroleum Geology,2009,26:1608-1623.

3)   Karig D E. Origin and development of marginal basins in the western Pacific. J. Geophy. Res,1971,76:2542-2561,

4)   Sherman S L.贝加尔裂谷及邻区的断层活动性研究[M].//张家声，高祥林，马宗晋主编.亚洲中部地震构造图集，北京：地震出版社，2013,81-84.

5)   梁光河. 郯庐断裂带的几个关键问题探讨[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(5): 543-558.

6)   梁光河.大陆漂移的源动力-板块自驱动模式[J]. 地球科学前沿, 2013,3:86-96.

7)   梁光河.新大陆漂移模型与地震成因关系研究[J]. 科学技术与工程, 2018, 18(28): 47-57.

8)   任纪舜,牛宝贵,王军,等. 1:500万国际亚洲地质图[J]. 地球学报, 2013, 34(1): 24-30.

9)   吴珍汉. 旋转地球动力学[M].北京:地质出版社,1997,148-157.

10)  杨承先.华北新生代裂谷系的凝块结构及重力滑动构造[J].地震，1981,6:14-18.

11)  杨森楠,杨巍然等.中国区域大地构造学[M]. 武汉：武汉地质学院出版社, 1982.

12)  杨文采.从地壳上地幔构造看大陆岩石圈伸展与裂解[J].地质论评  2014, 60(5): 945-961.