太行山新生代构造隆升的地质学证据——来自沁水盆地沁参1井的磷灰石裂变径迹证据

孟元库，汪新文，陈 杰

(1.中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室，北京 100037;2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083)

太行山的隆起是华北地区新生代以来非常重要的地质构造事件，它的隆起与中国东部地区的气候、环境变化以及矿产资源分布息息相关。因此，较为准确的厘定太行山隆起的时间，以及探究其隆起的原因无疑对气候和环境变化都具有非常重要的意义。目前关于太行山造山机制的研究、新生代隆升时间等具体问题，仍然具有很多争论[1-10]。探其原因，除了研究对象、研究范围和研究程度等因素外，主要是因为太行山属于陆内造山[2，11]，不像典型的碰撞造山，不发育蛇绿岩套和深熔岩浆活动，因此在其研究方法、研究手段上不是很成熟[12-15]。特别是对太行山新生代的隆起时间以及隆起方式，前人并未进行厘定和系统的研究与论述。本文以太行山西侧的沁水盆地为研究对象，结合前人在太行山东麓石家庄-邢台地区(黄寺-龙泉寺)的研究工作以及这两个地区与太行山之间密切的构造演化关系，并通过比对沁水盆地构造演化和石家庄-邢台地区(黄寺-龙泉寺)地质构造演化来约束新生代太行山的隆升剥蚀史。

1 研究区及邻区地质背景

1.1 沁水地区区域地层及其分布特征

沁水盆地位于山西省东南部，面积3 200 km2。构造上介于太行山隆起带和吕梁山隆起带之间，并与两个隆起带之间的次级负向构造单元相连通。盆地内部主要出露中生代地层，其中三叠系在盆地中大面积出露，古生代地层主要出露在盆地的外围。由于受到后期强烈构造抬升剥蚀，区内新生界地层相对较薄。

沁水盆地地层发育较为齐全(表1)，由老到新主要发育有太古界(阜平群和五台系)、下元古界(滹沱群)、中上元古界(长城系、蓟县系、青白口系和震旦系)、古生界(寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系)、中生界(三叠系、侏罗系)以及新生界(新近系和第四系)，全面缺失志留系和泥盆系。

表1 山西沁水盆地区域地层简表Table 1 Stratigraphic column of Qinshui Basin in Shanxi

1.2 太行山地区地层分布特征

太行山地区地层主要发育有太古界(阜平群和五台系)、下元古界(滹沱群)、中上元古界(长城系、蓟县系、青白口系和震旦系)、古生界(寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系)、中生界(仅发育三叠系)以及新近系和古近系沟谷沉积。缺失侏罗纪和白垩纪沉积，沉积间断较大。

1.3 太行山东麓地区地层分布特征

东麓地区地层从太古界到新生界发育较为齐全，由老到新主要发育有太古界(阜平群和五台系)、下元古界(滹沱群)、中上元古界 (长城系、蓟县系、青白口系和震旦系)、古生界(寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系)、中生界(中下三叠统、中下侏罗统、白垩系)以及新生界(新近系、古近系和第四系)。

1.4 地层对比

太行山地区、沁水盆地在中三叠世时和东麓华北地区具有统一的大地构造环境，以及相同的沉积相(二马营组);到了中三叠世晚期时，由于太行山东麓大断裂开始形成，并逐渐活动，以东麓大断裂为界，西边的太行山地区和沁水盆地仍然具有相一致的沉降相，沉积了长石砂岩夹砂质泥页岩(铜川组);而大断裂东侧的广大华北地区沉积相开始发生变化，沉积岩性以长石砂岩与灰绿色、紫红色粘土岩呈不等厚互层为主(油房庄组)。到了晚三叠世时，东麓地区整体抬升遭受剥蚀，而太行山以西地区(包括沁水盆地-鄂尔多斯地区)仍然接受沉积(延长组)，即以太行山东麓大断裂为界，表现为东高西低的古地理格局。侏罗纪时，古太行山早侏罗世时开始隆起，遭受剥蚀，缺乏沉积;沁水盆地也抬升遭受剥蚀，东麓地区直到中侏罗世时才开始接受沉积 (坊子组);即从侏罗纪中-晚期开始3 个地区进入了不同的构造演化格局，直到晚白垩世末期(95 ～65 Ma)，研究区及邻区全面进入准平原化阶段，遭受过强烈剥蚀夷平，最后形成广泛分布的北台期准平原，内部相对高差最大仅为200 m 左右。

晚白垩世末时，古太行山被剥蚀夷平，东麓地区和沁水盆地也遭受了相同的构造运动，在区域上可以进行对比(图1)。此后，进入新生代，裂陷作用使准平原裂离解体，东麓地区下沉为盆地，断块隆升成山区，从而开始了东麓及太行山地区现代构造地貌发育历史。可见，白垩纪末期华北地区大规模的剥蚀夷平是一个区域性地质事件，从太行山东麓地区到鄂尔多斯地区，都经历了准平原化过程。这些地质构造事件都可以在区域上进行对比。在准平原化基础上，新生代太行山的隆起、东麓盆地的大规模坳陷以及沁水盆地的快速隆升在时间上具有很好的一致性，特别是东麓盆地的拆离下陷和沁水盆地的快速抬升都是对新生代太行山的隆起构造事件的回应。它们之间在地质时间上的巧合绝不是偶然，而是一种内在的动力学联系。沁水盆地作为紧挨太行山西侧沉积盆地，和太行山具有十分密切的关系;在构造演化上表现为，沁水盆地在新生代两次地温梯度的快速降低都和太行山在新生代的阶段性隆升具有耦合意义，特别是新近纪以来，沁水盆地地热的迅速下降以及快速抬升剥蚀无不是对太行山新近纪快速隆升的构造响应。而太行山东麓沉积盆地，形成于新生代，其中古近纪的断陷和新近纪断坳与太行山在新生代的两次快速抬升具有不可分割的关系，其中，东麓盆地作为太行山剥蚀物质的主要载体，因此，东麓盆地的拆离下陷正好是太行山快速抬升回返的最佳印证。另外，东麓盆地孔店组和馆陶组发育的两套较为稳定的砾岩层，都是对太行山在古近纪初和新近纪初快速抬升剥蚀的沉积响应。

图1 研究区及邻区柱状图对比Fig.1 Column chart of study area and adjacent region

1.5 沁水盆地构造演化特征

沁水盆地作为华北地台基底的一部分，和整个华北地台基底都具有很大相似性;从中小尺度上，沁水盆地的演化与山西高原的演化密切相关，并且作为山西高原的一部分，中新生代以来具有十分相似的性质;从小尺度上，沁水盆地的演化具有其内在的独特性和规律性，特别是新生代以来的构造演化特征。因此，可根据一般原则和划分方法将沁水盆地划分为9 个次级构造单元(图2)。原则为:(1)印支期后活动的边界断层;(2)构造断块性质、差异及活动时间;(3)中新生代沉积建造差异，特别是新生代以来断块隆升过程中的沉积差异;(4)基底构造特别是基底面构造形态的反映。

图2 沁水盆地构造单元划分图Fig.2 Division of structural units of Qinshui basin

本文重点是将沁水盆地构造演化和华北地台区的构造演化相对比，重点研究沁水盆地新生代以来的构造运动与构造演化，并与太行山地区进行比较。沁水盆地的构造演化可以分为以下几个阶段:

古元古代的中条运动后，沁水盆地及其邻区逐渐联合并固结为稳定、广泛的统一陆壳，局部地区克拉通化仍在进行。中—新元古代时期，研究区及邻区主要表现为坳拉槽特征，其盆地的南北两侧分别为古秦祁海和古兴蒙海，沁水盆地及其华北地区的构造演化与两个洋壳对华北古陆的俯冲密切相关。由于向华北陆块持续的俯冲作用，导致沁水盆地及其邻区在晚元古代末期(Pt3)抬升为陆地，遭受剥蚀。到了古生代末期(P3)沁水盆地的演化仍和华北板块具有统一的构造演化历史。

中生代时，由于扬子和华北板块的碰撞以及受到古太平洋板块的俯冲影响，华北板块开始产生差异分化，沁水盆地开始了独立的地质构造演化过程。

沁水盆地三叠纪构造运动相对薄弱。整体上继承了晚古生代(P3)的沉积构造格局，西北高、东南低的格局一直保持到晚三叠世。其中中三叠世末到晚三叠世印支I期运动较弱，而且表现范围局限;但是到晚三叠世末的印支运动II 幕是区内构造发展史上的转折，此时导致盆地逐渐萎缩消亡。这期的构造运动性质以挤压、抬升剥蚀为主，从盆地整体上看，表现为西强东弱的特点。

侏罗纪早期，受印支运动II 幕和燕山运动I幕的影响，研究区及邻区遭受到强烈的抬升，构造地貌也转变为东高西低，沉积中心逐渐向西迁移(鄂尔多斯地区)，区内形成了一系列NE 到NNE 向为主的构造。到了侏罗纪晚期，华北地区地壳进入强烈活动期，形成NE、NNE 向的伸展拉张构造，沁水盆地及邻区抬升遭受剥蚀，此时区内古太行山和吕梁山已经形成。

进入白垩纪以后，挤压块断作用逐渐减弱，地壳日趋稳定。晚侏罗世到早白垩世初，区内发生燕山运动Ⅲ幕，这在本区以北的晋北表现强烈，造成了白垩系下统与侏罗系上统间的大角度不整合接触关系，本区内则主要继承了晚侏罗世以来的持续隆升势头，这表明燕山运动中晚期大体继承了早期的构造活动特点，具有东强西弱的性质。早白垩世末发生燕山运动Ⅳ幕，区内仍主要表现出区域隆升的特点，但在鄂尔多斯盆地则结束了大型坳陷盆地发育的历史。晚白垩世时，沁水盆地仍以挤压、抬升剥蚀为主，逐步形成了现今的复式向斜的构造格局。可见，沁水盆地白垩纪时期以整体隆升为特点。

新生代时期与燕山运动时期相比，其地质构造格局发生了深刻的变化。在白垩纪末到古近纪初期的剥蚀夷平基础上，研究区主要在鄂尔多斯东缘北北东向和近东西向构造基础上，发生断块破裂与沉降陷落。由于早期沁水盆地抬升较高，缺乏古近纪沉积;新近纪到第四纪以来，沁水盆地以及周缘地区以快速抬升为主，仅在晋中断陷和山间盆地中沉积有新近系和第四系;此外，由于新近纪以来的快速挤压抬升，先前在区内形成的褶皱被广泛改造，逐渐形成了现今的构造地貌。

2 太行山隆升机制研究进展及存在问题

通过对涉及太行山及其邻区的众多文献进行筛选、归纳和总结，现列出部分学者的观点。

罗照华等(1996)对太行山500 多个样品的K -Ar 同位素测年分析后认为[1]，太行山岩浆构造带的活动高峰期为中—晚侏罗世，岩浆侵位具有同造山运动的性质，深部热流以及物质的脉动式上涌是太行山地区岩浆活动的特点及其主要原因。通过计算得出了研究区岩浆在中生代隆升的速率为0.421 ～0.253 mm/a，隆升的总高度为8 799 ～5 288 m。此外罗照华等(2006)还得出[16]，太行山为板内造山带，可以划分4 个主要期次:(1)早期伸展阶段;(2)主期挤压造山;(3)晚期均衡调整;(4)造山带垮塌和区域伸展。

吴忱等(1999)通过对太行山地区部分深切河谷进行了详细的分析研究[3，17]，即上新世时太行山地区普遍发育宽缓的丘陵- 平原宽谷地貌，便由此得出了现今巍峨挺拔的太行山主要是上新世以后(2.6 Ma)即第四纪以来隆升的，并且计算出隆升幅度为1 100 ～1 500 m，隆升速率为0.44 ～0.60 mm/a。

徐杰等(2000)重点研究了太行山和其东麓盆地的盆-山关系[4]，认为太行山与东麓的盆地具有统一的动力学条件，太行山是伴随着东麓盆地的形成和发展相应隆升的。

张家声等(2002)主要通过构造年代学的方法对太行山东侧的石家庄邢台- 地区进行了研究[6]，得出了如下结论:(1)太行山和华北平原区的巨大地貌差异是白垩纪末期至古近纪初期以来形成的。(2)太行山东麓断裂带的伸展滑脱主要起于古近纪早期，并且经历了68 ～65 Ma 和23～18 Ma 两个快速的隆升变动期;此外，计算了太行山东麓断裂的最大水平滑脱量为17 km，垂向上升降为5 ～6 km。 (3)华北地区陆壳的加厚作用可能发生于白垩纪中期(94 ±4 Ma)。

牛树银等主要研究了裂陷盆地与其周围造山带的耦合关系[18-23]，指出东麓盆地与其西边的太行山断隆均和华北亚地幔热柱即幔枝构造有密切关系。

吴智平等(2007)重点研究了华北东部地区中生代盆地格局及演化过程[24]，认为东部地区中生代盆地受控于欧亚构造域的板块挤压及滨太平洋构造域的洋- 陆俯冲、碰撞两大动力学背景，与研究区太行山隆起及其邻区深大断裂发育、深部动力学等因素具有密切的联系。

张长厚等(2011)对太行山北段进行了研究工作[25]，认为中生代太行山地区收缩变形导致了华北克拉通东部岩石圈浅层稳定性的破坏，但却为深部拆离创造了条件，经历了稳定克拉通阶段、收缩变形导致的克拉通破裂、伸展变形及强烈岩浆活动，最后失稳致克拉通破坏。

可见，在太行山新生代隆升的模式、时间以及方式上前人没有进行详细的研究和论述。罗照华等主要是对太行山中生代隆升的模式机制进行了探讨，对新生代以来太行山的隆升机制和模式缺乏研究。虽然，吴忱等对太行山隆起的时间以及隆起速率加以限定，但研究方法仅仅限于对太行山区几条河流的深切河谷进行研究，根据上新世时深切河谷发育较为平缓，就得出了太行山主要隆起于第四纪的结论;没有结合太行山及其邻区的地质演化，缺乏半定量-定量的基础地质研究作为证据，因此所得结论有待进一步研究。徐杰等虽然对太行山隆起的模式进行了讨论，但是没有对隆起的时间进行限定，并且隆起的模式图缺乏更多的地质证据进行支持。此外，他们的研究工作缺乏对沁水盆地等与太行山演化具有密切关系的邻区进行对比研究，只从其东麓的渤海湾盆地单方面提出盆-山耦合模式，因此所取得的结论值得商榷。

针对以上科学问题，本文在前人研究的基础之上，结合磷灰石裂变径迹数据，通过区域比对的方法，对太行山主体部位的隆升时间和隆升模式进行了初步探讨并提出些许见解，为进一步研究太行山的造山机制提供新的研究思路和方法。

3 裂变径迹分析

磷灰石广泛分布于三大类岩石中[26]，其矿物中含有微量的铀，在地质历史中，裂变径迹不断产生，又在地质热事件中受热而发生不同程度的退火，这样裂变径迹便记录下了岩石所经历的地质热事件。因此，对裂变径迹的分析，不仅能提供岩石的有关年龄数据，而且能有效地揭示样品所在地层在地史演化中经历的热历史信息[27-31]，因而在地球科学研究中应用广泛[32-33];其次，磷灰石裂变径迹在沉积物源[31]、大地构造演化[34-35]、造山带[36-37]、断裂[38-39]及成矿作用等方面具有重要的应用[40-42]，目前已成为地质学界研究较热的一个领域。磷灰石裂变径迹的起始退火温度为65 ～110 ℃ (Partial Annealing Zone)[43]，具有相对较低的退火温度，能较为敏感的记录研究区所经历的热-剥蚀事件，特别是对新生代以来的构造抬升事件具有较好的记录和反映。

本文样品主要来自太行山西侧的沁水盆地沁参1 井及其东麓的石家庄-邢台地区(黄寺-龙泉寺)(图3)。对沁水盆地沁参1 井进行了详细的地质采样，共测试沁参1 井及邻区露头样品12 块(表2)，涵盖了上古生界的二叠系、石炭系以及中生界的三叠系以及侏罗系。石家庄-邢台地区的样品数据主要依据张家声等[6]。

图3 研究区及邻区地质构造图Fig.3 Structural geological map of study area and adjacent areas

表2 磷灰石裂变径迹分析结果(沁水盆地沁参1 井)Table 2 Analytic results of apatite fission track from Well Qincan 1

结合裂变径迹模拟结果(图4)，可以发现，在23 Ma 以后(新近纪初)，沁水地区发生了快速抬升剥蚀，地温迅速降低，在图上表现为一段很陡的直线。根据区域不整合面的发育、周边地层对比以及沁水地区含煤层系的Ro值编制埋藏剥蚀史曲线，也可以很明显地发现在N -Q 段(图5)，曲线斜率也十分陡直，斜率近70°，表现为一个快速抬升、剥蚀的过程。此外，结合苏现波等[44-45]在沁水盆地南部晋试1 井的埋藏剥蚀史曲线上也可以明显的发现沁水盆地南部在新生代以后也表现为一个抬升剥蚀的过程，特别是上新世以来为一个快速抬升的过程(图6)。可见，沁水盆地在新近纪以来的抬升在全盆地为一个区域性的地质事件。

图4 沁水盆地沁参1 井QC－1(a)、QC－2(b)及QC－3(c);QC－4(d)、QC－5(e)及QC－6(f);Q5B1(g)、二马营组Q2B2(h)和延长组样品D3B1(i)磷灰石封闭径迹长度分布与地热模拟结果Fig.4 Histogram o f apatite fission track lengths and the modeling results of thermal history in Well Qincan 1

此外，从沁水盆地沁参1 井及地表露头采样分析后得出:所有样品的磷灰石裂变径迹年龄介于19.61 ～27.7 Ma，远远小于其所在地层的地质年龄，这说明样品发生过很强的退火作用，相应地层应经受过120 ℃以上的古地温，使早期形成的裂变径迹全部退火消失，而现今样品中的裂变径迹是后期(新生代以来)重新形成的。样品裂变径迹表观年龄随井深的加大而逐渐减小(表2)，与地层时代的增加呈相反的变化，说明它们是在完全退火之后，地层由浅部到深部依次上升、降温进入到记录裂变径迹的温度线之内而逐渐形成的。但总体来看，样品表观年龄值随井深及地层时代的增加而降低得很少，说明相应地层在新生代时期有一个古地温迅速降低的过程，这反映了地热流迅速下降和地层抬升剥蚀降温的共同作用。

图5 沁水盆地沁参1 井埋藏－剥蚀史曲线Fig.5 Curve of burial-denudation history of Well Qincan 1

图6 晋试1 井埋藏－剥蚀史曲线Fig.6 Curve of burial-denudation history of Well Jinshi 1

新近纪以来(中新世)所有样品所在地层地温逐渐降低至今天的地温，降温幅度达到了30 ～40 ℃，根据地温梯度每3.0 ℃/100 m 以及埋藏剥蚀史曲线可以计算出沁水盆地[46](沁参1 井)剥蚀量达到了2 000 m 以上，说明了新近纪以来沁水盆地至少抬升剥蚀了2 000 m[46]。

太行山东麓地区(石家庄-邢台)在晚白垩纪末期—古近纪初期，太行山及其东部的盆-岭构造发育基本结束[3，47]，古太行山也被剥蚀夷平，华北东部完成了准平原化，此时形成了北台面[48](图7)，表现为区域性的下白垩统与古近系的角度不整合(图1)。从图4中不难发现，裂变径迹模拟曲线在古近纪末期(25 Ma 附近)出现了一个较为短暂的间断(表现为斜率变小，多数样品均有显示)，之后地层继续冷却。这很可能为快速冷却之后的一个短暂热稳定表现[46]，表明此时样品的古地温变化幅度较小，在该时期降温作用和隆升剥蚀作用有所减缓。这短暂的停留和太行山东麓地区古近纪末的东营运动(准平原化过程)具有很好的对应性，表现为东麓地区和沁水地区在古近纪末具有相同的构造运动[49]，在区域上形成了广泛的角度不整合，形成了甸子梁面。

据张家声等[6]对太行山北段易县地区和南段皇寺-龙泉寺地区卷入拆离滑脱带的基底岩石锆石、磷灰石裂变径迹年龄的测定，9 组样品分别采自太行山东麓的北段易县地区(Y2k -3、Y2k -34、Y2k-6、Y2k-7)和南段皇寺-龙泉寺地区(Y2k -21、Y2k-18、Y2k-19、Y2k-23、Y2k-30)(图3)，太行山北段的4 个样品的锆石、磷灰石裂变径迹年龄集中在68 ～52 Ma;太行山南段的5 个样品裂变径迹的年龄比较集中，在23 ～18 Ma，因此根据锆石、磷灰石裂变径迹年龄以及研究区发育的夷平面(图7)，可以认为:太行山早期的隆升、伸展滑脱主要发生在68 ～52 Ma，即白垩纪末期到古近纪初的快速抬升阶段。其原因主要是北段为东营期末准平原化过程中残留的未被剥蚀殆尽的太行山(小五台山，现今太行山海拔最高处，保留有北台面夷平面)，因而只记录了第一期的滑脱时间。而太行山主体(中-南部)准平原化程度相对较高，古近纪隆起的太行山几乎被剥蚀殆尽，因而缺乏第一期伸展滑脱的裂变径迹时间记录，只记录了古近纪末期快速滑脱抬升的裂变径迹时间，即23～18 Ma，因而该时间也是太行山的主体部分即中—南段主要的隆升时间。这与来自沁水盆地的裂变径迹具有一致的时间，都表现出自中新世以来一个快速抬升剥蚀的过程。

图7 太行山地夷平面与渤海湾盆地堆积面分布对比示意图[18]Fig.7 Comparison between the distribution of planation surfaces in Taihang Mountain and sedimentary surfaces in Bohaiwan basin

经过全面总结分析可以得出:太行山的东西两侧在新近纪以来具有相似的裂变径迹年龄，大规模抬升都发生于23 ～18 Ma，即太行山的主体是新近纪以来隆升的，根据太行山东西两侧的磷灰石裂变径迹模拟结果可以计算隆升剥蚀史。

新近纪初期太行山地区地温梯度为3 ℃/100 m[46]，样品(以QC -4 为例)来自沁水盆地沁参1井位，取样深度为-10 m(即地表取样);磷灰石裂变径迹年龄值23.09 ±1.68 Ma(表1)，记录了新近纪以来的地质年龄，说明了在新近纪以前样品处于退火温度(或Partial Annealing Zone)(大于65 ℃)，裂变径迹长度远小于QC -4 的平均径迹长度15 μm。到了新近纪后开始记录年龄，即当时采样位置的埋深温度小于65 ℃，根据3 ℃/100 m 计算可以得出[46]:当时样品埋深至少为2 000 m，这很好的表明太行山西侧的沁水盆地至少从新近纪以来抬升剥蚀量为2 000 m 左右[50]。而太行山东麓的山腰面即甸子良面在东营期末接近海平面[51-52]，在23 ～18 Ma 以来也经历快速的抬升剥蚀[6];此外，根据赞皇穹窿上(张安北、崇水峪、明水村)的太古宇、古元古界变质岩系的样品，其磷灰石裂变径迹表观年龄为6.6 ±0.7、6.2 ±1.5、5.5 ±0.8 Ma[53]，即介于5.5 ～6.6 Ma (表3)，表明太行山中段的隆升、剥蚀作用主要发生于中新世以来，尤其是上新世以来的隆升、剥蚀速率更快，其剥蚀量达到了2 000 m。根据现今太行山主体的平均海拔高程为1 800 ～2 000 m，可以充分的证明自新近纪以来太行山的隆升量达到4 000 m，即新近纪以来太行山的主体平均隆升速率为0.18 mm/a，不同地段，隆升速率略有不同。

4 太行山新生代隆升的成因探讨

关于新近纪以来太行山的快速隆升，本文通过归纳总结认为主要有如下原因:

(1)欧亚板块碰撞的远程效应。由于欧亚板块和印度板块的碰撞，导致中国的青藏高原大规模隆升，碰撞的时间大约在古近纪的始新世到渐新世初期[54-56]。大概十几个百万年后，由于远程效应[11，57-58]，到了新近纪中新世时在华北地区应力作用才有所表现[59-60]。特别是鄂尔多斯地区的抬升都是欧亚板块远程效应碰撞的响应，研究区及邻区新生代的构造抬升也与远程效应有关[60-62]。太行山属于克拉通陆内造山，由于板块碰撞的远程应力，在陆内构造软弱带(古克拉通、缝合带以及古断裂缝合带等)发生增生造山作用。由于太行山一方面发育有古断裂——太行山东麓断裂带(壳断裂)，另一方面太行山又是华北克拉通中东部的重要地质界线，因此板块碰撞的远程应力在研究区表现较为显著，是促使新生代太行山大规模隆升的重要内因。

(2)热冷却。新生代古近纪时伸展减薄作用在研究区及邻区达到了高峰[63-64]，地壳厚度减薄，在整个华北东部地区拉张陷落形成许多裂陷盆地，此时具有较高的热流值和地温梯度[65-66]。这很可能和当时发生的强烈的裂陷作用有关[67-68]。裂陷作用一方面使得地壳大幅度伸展减薄，地幔热流上侵，同时还引起了不同程度的火山活动。古近纪以后由于研究区由断陷转向拗陷，地温梯度也随之降低导致等温线下降，盆地和以前相比进入热冷却阶段，相对下沉[66];而太行山地区地温梯度则相对上升，致使华北东部表现为热冷却地壳下沉，而太行山则相对上升[69-71](图8)。

表3 太行山赞皇穹窿变质核杂岩磷灰石裂变径迹分析结果Table 3 Analytic results of apatite fission track from Zanhuang dome metamorphic core complex in Taihang Mountains

此外，胡圣标[72-73]、王良书[74-75]等根据渤海湾盆地9 口井61 块样品的磷灰石裂变径迹数据和镜质体反射率(Ro)，结合埋藏史曲线进行了盆地的热史分析，用古热流的方法反演了新生代渤海湾盆地的热演化过程(图9)。从图中可以发现，25 Ma 以后，太行山东侧的东麓盆地(渤海湾盆地)热流值有所下降。可见，这与太行山新近纪的快速隆升具有很好的呼应性。

图8 研究区及邻区中、新生代地幔热流与地表热流比值[71]Fig.8 Ration of the mantle heat flow and surface heat flow from the study area in Meszoic-Cenozoic geologic periods

图9 渤海湾盆地钻井热流史[72]Fig.9 Heat flow history for boreholes in Bohai Basin

(3)构造负荷。新生代晚期区域水平拉张应力基本消失，断陷也随之停止。根据东麓临清地区LQ88 -421 平衡剖面恢复结果表明，新近纪剖面较古近纪拉伸率仅为0.14%[76]，表现为轻微的伸展拉张[76-77]。太行山东麓地区新近纪以来经历了大面积缓慢沉降，深部以均衡调整为主，为拗陷作用阶段[78-80]。在沉积负荷和区域均衡调节作用下断陷转化为坳陷，在古近纪彼此分割的断陷之上，广泛接受巨厚的新近系和第四系沉积，形成了统一的华北盆地[81-82]。

随着新近纪以来太行山的大规模隆升，这时由于来自西边的剥蚀物大量充填进来，导致短时间内沉积物负荷过量，引起重力上的不均衡，致使地壳发生弯曲、翘倾来适应短时间的负荷充填，包括鲁西南的地区也一起隆起，太行山和泰山地区的隆起时间基本相一致[83](图10)。

图10 负荷重力模式(a 为负荷半宽度，h 为负荷高度)Fig.10 Schematic diagram of flexural downbending of the lithosphere (result of a two-dimensional load of half-width a，height h)

构造负荷引起的隆升幅度计算[84]

式中:P(x)水平位移距离x 的函数;g 为重力加速度;ρm为软流圈的密度;ρw为上覆沉积物的密度;ρs为中下地壳的密度;z 为垂直位移距离;D 是弯曲强度系数，其表达式为D = ETe3/(12(1－σ2))，E为杨氏模量，σ 为泊松比，Te为地壳弹性层的厚度。

通过数学推算可以得出

减去2 000 m 的剥蚀量，构造负荷引起太行山隆升的理论高度为783 m。而现在太行山中段、南段的平均海拔高度为1 800 ～2 000 m，说明了构造负荷是引起太行山隆起的一个重要因素，它也是导致岩石圈挠曲引起东麓盆地快速沉降的一个重要条件[84]。

5 讨 论

古太行山在白垩纪末已经剥蚀夷平，现今的太行山主要是新生代以来快速隆升的。白垩纪末期到古近纪初(95 ～65 Ma)的区域剥蚀，形成第一期夷平面为东麓地区到鄂尔多斯盆地一次区域性事件，而非研究区独立的构造事件[86]。由此可见，在白垩纪结束时(65 Ma)整个研究区及邻区已经形成了统一的夷平面，古地表几近夷平，最大高差仅200 m[3，86]。第1 次大规模抬升发生于古近纪的始新世，形成了新生代太行山的主体。到了东营期末，华北地区经历了大规模的构造运动，古近纪形成的太行山主体被剥蚀夷平，只在太行山最北部保留有部分夷平面——北台面。第2 次快速抬升即新近纪中新世以来，23 Ma 以来为快速抬升期，通过计算得出其隆升的平均速率为0.18 mm/a。可以说，尽管太行山地区出露的岩石非常古老，但现在看到的太行山主体却是新近纪以来隆升的，其年龄只有23 ～18 Ma。

新近纪太行山的抬升绝不是一个偶然的事件，它与其东侧的渤海湾盆地、西侧的沁水盆、鄂尔多斯盆地以及周缘的泰山、燕山、吕梁山、系舟山等都具有密切的关系[3，6，82-85]。即在渐新世末—中新世(23 Ma)初期，随着太行山的大规模隆起，鄂尔多斯地块及邻近地区也表现为普遍抬升遭受剥蚀，形成第2期夷平面[86];其中盆地中的渭河、河套以及银川等地堑盆地缩小，曾出现沉积间断，前期地层遭受剥蚀;形成中新统与下伏地层之间的区域性不整合，随后周缘盆地接收了广泛的沉积;于此同时，鄂尔多斯盆地发生强烈隆升，盆地抬升表现为靠近太行山的东侧抬升较为强烈，而西侧相对较弱;这一时期的磷灰石裂变径迹年龄为29 ～16.8 Ma[86]。因此可以看出，太行山的隆起和鄂尔多斯盆地及其邻区的隆起几乎是同时的;而吕梁山的隆起和沁水盆地、太行山的快速抬升也具有很好的一致性，其中吕梁山和太行山一样，在新生代也经历了多次抬升，最后一次大规模抬升(吕梁山的整体隆起)发生于26 Ma 左右，这次大规模的隆起奠定了吕梁山的主体格局。可从吕梁山分布的山间砾石与基岩之间的耦合关系可以得出，吕梁山最后一次大规模的隆起是新生代渐新世末到中新世以来抬升造成的。吕梁山和太行山以及沁水盆地隆升幅度的差异主要是因为:沁水盆地为华北晚古生代成煤期形成的独立断块，其具有统一的结晶基地，在新生代后又一次遭受到活化，导致沁水盆地和太行山、吕梁山具有不同的动力学背景，因此在隆升幅度和规模上不尽相同。此外，在远程应力和其他作用力综合作用下，引起华北岩石圈和软流圈向西的流变，而沁水盆地相对刚性，在其周缘形成了众多的构造隆起带，如太行、吕梁山、系舟山。因此，通过沁水盆地的构造演化能很好的制约太行山演化历史，为其提供更多的地质基础资料。

此外，太行山新生代的整体差异隆升和区域剥蚀，为东麓盆地的大规模拗陷沉降提供了丰富的物源，沉降了巨厚的馆陶组和明化镇组，为新近纪的油气勘探奠定了基础[53，80，87-88]。

综上所述，太行山在新生代的抬升是不均衡的，经历了前新生界的剥蚀夷平-准平原化过程，到古近纪的抬升-剥蚀夷平，最后新近纪中新世以来的快速隆升。现今太行山的主体是新近纪以来隆升的，隆升的原因主要为远程应力、热冷却和构造沉积负荷。

6 结 论

(1)根据构造地貌和磷灰石-锆石裂变径迹等综合分析后认为，现今的太行山主要是新近纪中新世以来隆升的，隆升平均速率为0.18 mm/a。

(2)新近纪以来太行山的隆起主要来自于3个因素:①热冷却;②构造沉积负荷;③欧亚板块碰撞的远程效力等综合作用。

致谢:导师许志琴院士、中国地质科学院地质研究所何碧竹研究员、中国矿业大学(徐州)王瑞瑞博士以及陈希节博士等在论文行文过程中给予指导，在此表示感谢。此外，两位匿名评审专家以及中国地质科学院地质力学研究所王伟博士在论文修改中提出建设性意见，使笔者受益匪浅，深表谢意。

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