虎新军，陈晓晶，李宁生，仵阳，陈涛涛

(宁夏回族自治区地球物理地球化学勘查院，宁夏 银川 750001)

0 引言

黄河断裂为银川盆地的东缘边界断层，是盆地内展布长，切割深的一条深大断裂[1-3]，在银川盆地的形成与演化过程中起着重要的作用。特殊的区域构造位置使银川盆地受到了鄂尔多斯地块EW向拉张应力与青藏高原东北缘NE向挤压应力的双重作用，造就了黄河断裂复杂的空间展布特征及特殊的地质构造作用。侯旭波、蔡利飘、黄兴富等在银川盆地形成演化研究中，明确了黄河断裂形成于渐新世，认为黄河断裂为银川盆地的东部边界断裂，与贺兰山东麓断裂控制了银川盆地的构造格局[4-7]；方盛明、酆少英、杨勇等通过对深地震反射资料与MT资料的分析，刻画了黄河断裂为地壳内较大的断裂，向下延深切穿下地壳并错断莫霍面，是一条超壳深大断裂[8-10]。以黄河断裂为对象开展的研究以局部非第四系覆盖区地表出露情况探讨了黄河断裂的分段性与活动性，包国栋等通过对黄河断裂的地貌特征、几何分布、构造变形序列和地震活动等方面的研究，发现黄河断裂可以划分为红崖子段、陶乐段、滨河段和灵武段，滨河段的最新活动是在4 000 a以前,而陶乐段的最新活动可能在BP(330±30)a之后[11]，虎新军等以1∶20万区域重力资料为基础，运用多种边界识别技术，发现黄河断裂由3条次级断裂组成[12-14]。可以看出，上述众多科研成果对黄河断裂的性质、演化特征及其对银川盆地构造格架的控制作用取得共识。

但是，对黄河断裂在覆盖区的具体展布形态及深部赋存特征的研究仍需进一步深入。本文以覆盖银川平原的区域重力资料、重点区段的MT剖面、深地震反射剖面、CSAMT剖面等地球物理资料，紧密结合地表出露迹象，全面、细致地分析了黄河断裂的空间展布形态及赋存特征，对研究银川平原地震活动及分析黄河断裂东部地热资源富集规律具有重要意义。

1 区域地质构造和地球物理概况

黄河断裂所在的银川盆地作为鄂尔多斯周缘一系列断陷盆地之一，形成于始新世。大地构造位置属柴达木—华北板块Ⅰ级构造单元、华北陆块Ⅱ级构造单元、鄂尔多斯地块Ⅲ级构造单元、鄂尔多斯西缘中元古界—早古生界裂陷带Ⅳ级构造单元。据最新的研究成果，银川盆地进一步划分为5个Ⅵ级构造单元，依次为是北部斜坡区、西部斜坡区、中央断陷区、东部斜坡区、南部斜坡区。盆地内一系列倾向相同的NNE向正断层,使地层逐级由两侧向中心错落,形成阶梯状地层结构(图1)。

图1 银川盆地构造单元划分(据文献[1]修编)Fig.1 Division map of structural units of Yinchuan basin(revised according to reference [1])

2 断裂展布特征

2.1 断裂平面“分段”特征

黄河断裂作为银川盆地的东边界，现有研究成果表明，断裂具有明显的分段性。“三段”分法根据断层的活动性和出露情况，将断裂分为北段(红崖子段)、中段(陶乐—滨河段)和南段(灵武段)，南段和北段裸露地表，中段为隐伏段。“四段”分法通过地貌特征、几何分布、构造变形序列和地震活动等方面，认为断裂可以划分为红崖子段、陶乐段、滨河段和灵武段。“三段”分法与“四段”分法，均以断裂的出露情况为基本依据。笔者以地质划定的4条断裂为基础，对覆盖银川盆地的1∶20万重力数据进行处理，在小波多尺度分解的基础上，运用边界识别技术对黄河断裂平面位置进行划定。

2.1.1 三种边界识别技术的方法原理

垂向二阶导数是利用零值线的位置来判断和确定异常体的边界位置，其常用的换算公式有多种，此次选择埃勒金斯第2公式进行处理，其计算表达式为：

(1)

总水平导数是利用其极大值位置来确定地质体的边缘位置，其计算公式为：

(2)

其中：f为重力场，x为观测平面的x方向，y为观测平面的y方向。

斜导数又称倾斜角，是垂向导数和总水平导数的比值，其能较好的平衡高幅值异常与低幅值异常，增强地质构造边缘效应，当斜导数为零值的时候，就能够识别出构造位置，其计算公式为[15]：

TA(x,y,0)=

(3)

除黄河断裂南段局部地区，黄河断裂基本处于隐伏状态，地表被厚层的第四系风积层、冲积层覆盖。与其他两种方法相比较，斜导数作为一种高阶导数，从原理上对厚层覆盖区的断裂展布特征具有较强的定位能力[16-17]。本次以斜导数解释结果为基础，结合其他两种方法对黄河断裂平面展布特征进行综合解释及精细分析。

2.1.2 综合划定结果分析

综合分析成果表明，黄河断裂表现为东部陶乐—横山堡陆缘褶断带条带状重力正异常与银川盆地片状、带状重力负异常的明显分界(图2)。

根据断裂平面细节特征显示，黄河断裂由4条断裂组合而成，南部灵武地区，断裂近SN向展布，至永宁县东部，断裂地球物理特征逐渐减弱、消失；中南部临河镇至通贵乡段，断裂转为NNE走向，延伸接近至月牙湖乡附近消失；中北段通伏乡、陶乐镇一线，断裂整体北移，走向NNE，北部至灵沙乡转为近SN向，经过礼和乡，于惠农区南部延出宁夏境。黄河断裂各段之间平面距离大，具有“雁行式”排列特征，此种错断的规模向盆地内部逐渐减弱，但痕迹依然存在。

a—重力小波1阶逼近场；b—重力小波2阶逼近场；c—重力小波3阶逼近场；d—重力小波4阶逼近场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图2 黄河断裂平面特征分析Fig.2 Interpretation of the plane characteristics of the Yellow River fault

MT剖面与深地震反射剖面探测结果从侧面印证了由区域重力资料解释划定的黄河断裂的平面展布位置。MT-TL剖面(20～50 km)于宝丰镇与渠口乡之间横跨黄河断裂北段，剖面清晰显示了断裂展布于黄河西岸，是陶乐褶断带高阻异常区与平罗北凹陷低阻异常区的分界；MT-YC剖面[18](80～110 km)部署于陶乐镇与月牙湖乡之间，横跨黄河断裂北段与中北段的结合部位，断裂北段于此处规模变小、近于消失，断裂中北段规模较大，展布于黄河东岸，显示出中高阻与低阻区的分界，说明该处为黄河主断裂位置；YC-1(5.25～35.25 km)是该地区重要的一条反映深部构造特征的深地震剖面，剖面证实黄河断裂中北段受NW向小规模断裂影响，消失于贺兰县西北地区，而断裂中南段已转移至月牙湖乡南；南段黄河断裂在临河镇南展布方向发生明显的改变，与中南段断裂形成“人”字形相交，L-D深地震剖面(22～38.5 km)明确断裂的位置，基本与灵武东山走向一致(图3)。

图3 黄河断裂平面展布Fig.3 Plane layout of the Yellow River fault

黄河断裂“雁行式”的平面展布特征清晰、明确，断裂4条亚段之间由NW向的小规模断裂联系、沟通。即：古近纪初期，银川地堑所在区为银川古隆起，直到始新世，区域构造应力场发生变化，由EW向的逆冲转为NW—SE向的拉伸，伴随着银川地堑的开始形成，黄河断裂开始发育[19-20]，局部发育特征开始显现，贺兰山裂变径迹结果显示时间约50 Ma[21]；进入渐新世，银川盆地进入裂陷扩张期，黄河断裂基本成型，表现为单一的线性展布特征，大致发生时间为10～12 Ma之间[22]；至更新世，青藏高原隆升导致NE向扩张影响至银川盆地[23]，使银川地堑断裂系在这两种动力背景下，构造形态更为复杂，黄河断裂经历一次较大活动后，展布形态发生变化，形成现今分段式的展布形态特征。由此可以推断，黄河断裂各亚段之间的NW向断裂应该形成于更新世—全新世，主要作用是调节与平衡各亚段断裂之间的应力差而使其达到“动态”平衡。

根据区域重力资料断裂解释结果，结合MT及深地震剖面资料，将断裂由南向北划分为灵武段(Ⅰ段)、临河段(Ⅱ段)、月牙湖段(Ⅲ段)与礼和段(Ⅳ段)4个亚段(图4)。

图4 黄河断裂地貌特征Fig.4 Geomorphological feature map of the Yellow River fault

1)灵武段(Ⅰ段)

断裂自南起始于杨马湖乡新田村附近，呈NNE向34°向北延伸至杜木桥乡杜家滩村，转为近SN向359°，过灵武市东达灵武火车站，开始逐渐转为NNW向348°，于临河镇下桥村处斜跨黄河，终止于河西滨河大道。灵武段断裂全长43.57 km，平面整体呈微弧形展布，为本区规模较大的断裂，控制着银川盆地南部坳陷区整体的构造形态及发育演化过程。

断裂重力场特征明显，表现为剩余重力高、低异常区带的分界梯度带，断裂东侧呈现明显的片状剩余重力高异常区，反映出横山堡陆缘褶断带整体受EW向挤压应力作用，高密度的基底隆升较高，浅部沉积的低密度地层厚度较小。断裂西侧则是典型的、近SN向分布剩余重力低异常条带，体现了银川盆地南端大厚度新生界地层的沉积、沉降特征。

断裂地貌特征具有明显的分段性，其中：新田村—杜家滩村段，断裂呈隐伏状，地表为农田、果园、村落等人文景观，基本难以见有明显的断裂出露迹象(SK02)；杜家滩村—灵武火车站—下桥村段，断裂出露地表迹象明显，SK04点处(灵武热电厂南)，断裂表现为西倾的低角度斜坡。SK06号点处(沟东村村道与银西高铁交叉处)，断裂上升盘为荒漠台地地貌，地势较高，浅表为沉积厚度较大的砾石层，根据砾石排列特征推断，为灵武东山西麓洪积层。断裂下降盘为农田人文地貌，地势较低，浅表为风积沙沉积层，偶见薄层砾石夹层(>40 cm)。

2)临河段(Ⅱ段)

临河段黄河断裂承接灵武段的发育规模及特征，但延伸方向发生了明显的改变。断裂自望远镇李家庄起始，以NE向43°，过掌政乡永南村、碱富桥村、强家庙村一线，至通贵乡马家桥庄，与马莲滩附近斜跨黄河， 消失于黄沙古渡原生态旅游区。临河段断裂总长34.15 km，整体呈NE向展布的直线，与盆地轴线走向一致。

重力异常场中，断裂为明显的正负异常的分界，但梯度较小，说明断裂上、下盘错动规模不大，引起两盘地层的差异性相对较小。断裂东侧(下盘)为NNW向展布的条带状剩余重力高异常，断裂为3条高异常带共同的西北边界；断裂西侧(上盘)为NE向展布的剩余重力低异常区，反映了掌政局部凹陷的分布范围，断裂是该局部凹陷的东南边界。

地貌长期受黄河向东侵蚀与改造，断裂展布区域已经被夷为黄河河滩、平原地貌，现被规划列入黄河河道洪泛区，地表沉积第四系河流相砂泥沉积层，据区域钻井揭示，厚度约为450 m。临河、通贵段地表已难以见有任何断裂出露痕迹(SK08、SK10)，过黄河后展布的黄沙古渡段，断层为明显的地貌分界，断裂东侧为风成砂丘，西侧为河流相冲积平原(SK11)。

3)月牙湖段(Ⅲ段)

月牙湖段黄河断裂与临河段基本平行，为NE走向42°，二者之间未直接相接，由一条NNW向次级断裂调谐，呈斜列关系，将临河段NE20°方向平移31.84 km即为月牙湖段展布位置(垂直距离9.3 km)。断裂起于立岗镇张家庙村，经通义乡胡家庄、永兴村，延伸斜跨黄河达高仁乡上八前村，继续沿东沙村至陶乐镇园艺村东终止。月牙湖段断裂长约36.31 km。

与临河段相比较，月牙湖段黄河断裂重力场特征比较弱，为西侧宽缓的剩余重力低异常区与东侧月牙湖低幅值长条状剩余重力高异常的分界，非线性裙带状的分界线反映出断裂两侧地层沉积特征差异不大，且断裂倾角可能较缓。

受黄河侵蚀改造作用，临河段断裂黄河以西，地表已被夷为平地，无任何地貌特征(SK12)，黄河以东地貌特征逐渐显露，SK13处断裂为明显的断层陡坎，为天然地貌分界线。SK14处继承了SK13处断裂地貌特征，断层陡坎高差更大。

4)礼和段(Ⅳ段)

根据断裂的走向，将礼和段黄河断裂细分为南半段与北半段。南半段起于通伏乡任家嘴子村，以大致平行于月牙湖段的NE向45°走向，沿河西滨河大道延伸至头闸镇红星村东。北半段承接南半段断裂的发育特征，走向转为SN向2°，经灵沙乡东灵村，过礼合乡红柳岗村、下寺村，延伸至园艺镇下庄子村NEE向72°、约3 km处斜穿黄河，后大致与黄河平行，延出本区。礼和段黄河断裂南北总长约66.91 km，整体呈“J”字型展布。

处于银川盆地北端，该段黄河断裂的重力场特征明显增强，表现为片状展布的平罗北剩余重力低异常区与条带状陶乐—礼和剩余异常高异常区的分界。断裂梯级带特征明显，反映了断裂规模较大，造成两盘地层差异性明显，位于平罗凹陷的银参4井钻遇新生界厚度为4 115 m，远远大于陶乐—礼和隆起区ZK301揭示的新生界厚度514 m。

礼和段黄河断裂均位于黄河以西，在黄河河道向东“跳跃式”的变迁过程中[24-25]，经历冲蚀、侵蚀、风蚀等多种改造作用下，断裂地貌地形特征几乎消失，后期随着银川盆地持续沉降，大规模第四系沉积物覆盖其上，抹掉了断裂地貌的所有迹象，SK15、SK17、SK19、SK21处均为河流相冲积平原地貌，未见断裂出露迹象。

2.2 断裂剖面“分级”特征

黄河断裂剖面发育特征明显，已有研究表明：断裂自深部(>30 km)发育，至中深部(约9 km)发育多条次级断裂[3]，向浅部(<9 km)呈束状发散延伸，将浅部地层切割形成逐级下掉的“阶梯状”(图5)。

图5 黄河断裂剖面结构Fig.5 Sectional structure diagram map of the Yellow River Fault

为了进一步理清各条次级断裂之间的转化、承接关系，笔者在重点区段部署了可控源音频大地电磁测量剖面，反演结果显示，黄河断裂及其次级断裂由EW呈逐级下掉的“阶梯状”，具有明显的“分级”特征(图6)。

a—剖面位置图；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图6 黄河断裂灵武段剖面特征Fig.6 Sectional characteristic map of the Lingwu Section in Yellow River fault

3 断裂分布差异分析与讨论

将笔者本次运用区域重力资料解释的黄河断裂(下称“物探推断断裂”)与前人利用地质露头实测的黄河断裂(下称“地质实测断裂”)进行对比，主要有3方面的差异(图7)。

图7 黄河断裂分布特征对比Fig.7 Comparison of the distribution characteristics of the Yellow River fault

1) 展布特征差异

2) 展布位置差异

3) 展布关系差异

4 结论

1) 受区域构造应力场变化的影响，黄河断裂经历了“初始发育(古近纪)—发展成型(渐新世)—调整转变(更新世)”3阶段，平面上“雁行式”展布特征明显，由南至北划分为灵武段、临河段、月牙湖段与礼和段。

2) 在多期次的活动中，黄河断裂形成了“一主多附”的剖面分级特征，次级附属断裂呈“扫帚”状，向浅部发散延伸，于深部收敛归并至主断裂，具有典型的断裂系特征。

3)对比地质实测的黄河断裂与物探推断的黄河断裂，二者的差异性体现在展布特征、展布位置及展布关系3个方面。地质实测的黄河断裂是数条主断裂及次级断裂共同组合而成，断裂南段走向转为SW向，与NW向展布的吴忠断裂相交，收敛封闭于银川断陷盆地的南端。黄河河道变迁、人文环境的改造破坏了黄河断裂原始的地表面貌，是造成二者差异的主要原因。