燕山地区中新生代陆内造山作用的动力学机制，是东亚大陆地球动力学的前缘性研究课题，对发展大陆动力学理论、对深入认识燕山及邻区金-多金属矿床的成矿地质背景，均具有重要意义。前人已在这方面作过大量的研究工作，提出过多种不同的动力学模式（T.K.Huang,1945;J.S.Lee,1945;Ma Xingyuan et al.,1984;G.Kimura et al.,1990;Xu Zhonghuai et al.,1992;Cui Shengqin et al.,1997;Wu Zhenhan et al.,1997），但至今还没有一种模式能够良好地解释所发现的大部分地质构造现象。本文将在前述古构造研究与中新生代区域构造应力场剖析的基础上，结合地质历史时期全球岩石圈稳态绝对水平速度矢量场，追索导致燕山及邻区中新生代地壳运动与陆内造山作用的构造动力来源，力求建立更为完善的动力学模式。
一、中新生代区域构造应力场
1.主要研究方法简介
对构造应力的方向，分晚华力西期、印支期、早燕山期、晚燕山期与喜马拉雅期5个不同时期，在古构造鉴别、筛分与编绘燕山及邻区各期古构造图的基础上，对有代表性的区域性褶皱、压性-压扭性的逆冲-推覆构造、张性-张扭性断层、共轭剪节理、片理化带及韧性剪切带的产状分单元进行构造带产状的统计分析，在此基础上确定各单元内最大主压应力（σ1）、最小主压应力或最大主张应力（σ3）的主应力轴方向，并作出燕山及邻区不同造山阶段区域主应力迹线图。对燕山陆内造山带东南部的青龙金矿化集中区，在古应力方向分期统计分析的基础上，应用二维有限元反演方法，作进一步计算模拟研究，以期精确地确定该矿化集中区不同部位印支期与早燕山期平面主应力方向的空间分布。在统计分析喜马拉雅期区域主应力方向时，除应用构造资料外，还参考了已有的震源机制解与现场地应力测量资料。
对构造应力的大小，分别应用声发射法、位错密度法及现场地应力测量技术，测定各期构造应力值（最大主应力或最大差应力）。在此基础上，剖析构造应力大小与陆内造山作用强度的关系。
2.晚华力西期区域构造应力场
晚华力西期燕山北部处于古亚洲洋南侧活动陆缘环境，燕山北部及邻区发育陆缘造山作用；如以现今方位为准，其区域主要构造线方向以近东西向为主，反映区域最大主压应力方向以近南北向为主，最小主压应力方向以近东西向为主。中、东、西三段最大主应力方向略有不同；自西向东，区域最大主应力方向趋于发生规律性偏转，最大主压应力方向逐渐偏离南北向，而至辽东—吉南地区则变成北北西-南南东向；最小主压应力方向不断偏离东西向，而至辽东—吉南地区渐变成北东东—南西西向（图1-18）。古应力方向空间上的这种变化与区域主要构造线走向变化趋势呈良好对应关系。
图1-18 燕山及邻区晚华力西期区域主应力迹线图
Fig.1-18 Trajectory map of Late Variscan tectonic stresses of Yanshan and its adjacent areas
1—最大主压应力迹线；2—最小主压应力迹线
构造应力量值空间上的递变规律也比较明显。北部兴蒙与吉黑褶皱系，晚华力西期发育较强烈褶皱变形、断裂活动与韧性剪切形变，其造山期古应力值（σ1与σ1—σ3）应该接近或超过实验的极限强度，对应的构造应力量值应大于100MPa；中部包括燕山北部的内蒙古隆起带在内，华力西期属陆缘构造-岩浆活动带，韧性剪切变形与逆冲断裂活动均较为强烈，对应的古构造应力量值也应较大；南部包括燕山南部在内的华北克拉通主体，古生代处于稳定的盖层发育时期，晚华力西期古构造应力值经声发射法测定结果，小于10MPa（表1-5），这与其华力西期构造变形微弱呈良好对应关系。从上述分析、测定结果可看出，自北部兴蒙褶皱带→中部内蒙古隆起带→南部稳定的克拉通主体，华力西期古构造应力量值具有明显的自北向南急剧变小的趋势。
据晚古生代区域构造应力场的这些特点推断，燕山北部及邻区华力西期造山的动力来源与强大的南北向构造挤压动力作用存在成因联系。
3.中生代（印支期—燕山期）区域构造应力场
印支期，燕山地区的区域主应力方向与华力西期相比，存在比较明显的继承性关系。如以燕山陆内造山带中东段的冀东青龙金矿化集中区为例，印支期区内最大主压应力方向仍以近南北向为主，最小主压应力方向以近东西向为主（图1-19），类似于华力西期区域最大主应力方向，反映地块边界仍受到南北向继承性挤压力的作用。向东至辽西、辽东与吉南地区，印支期区域最大主压应力方向逐步由北北西—南南东向渐变为北西—南东向，导致辽东与吉南地区印支期北东东—北东向压性-压扭性构造活动的主导性；反映南北向边界挤压力的影响不断减弱，而北西向边界挤压力的影响不断增强，后者可能与太平洋板块早期北西向俯冲存在成因联系。印支期这种北西-南东向构造动力的影响范围主要限于东段辽、吉地区，而未波及燕山中西段及其以西地区。
表1-5 燕山陆内造山带及邻区不同时期构造应力值对比表
注：AE表示声发射法，DD表示位错密度法，ISM表示现场应力测量方法。
图1-19 冀东地区印支期区域最大主应力轴线平面分布图
Fig.1-19 Trajectory map of Indosinian tectonic stresses of east Hebei Province
早燕山期，区域构造活动的新生性增强并在燕山陆内造山带及其以东、以北的邻区居主导地位，新生的北东-南西向压性-压扭性构造形迹遍及大兴安岭-太行山以东的广大地区（图1-14）。其所对应的区域最大主应力方向也以新生性为主。以燕山陆内造山带中东段的冀东青龙金矿化集中区为例，早燕山期北东向褶皱变形与逆冲断裂活动非常强烈，区域最大主压应力方向以北西—南东向为主，最小主压应力方向以北东-南西向为主（图1-20）；所对应的边界力以北西—南东向挤压力为主，反映造山动力来源与太平洋板块在侏罗纪时期的北西向俯冲作用存在成因联系。早燕山期这种北西-南东向构造动力的影响范围已经波及太行山—大兴安岭部分地区及其以东包括燕山全区在内的广大地区。而在大兴安岭—太行山以西地段，主构造线方向仍以近东西—北东东向为主，所反映的区域最大主压应力方向以南北向—北北西向为主，最小主压应力方向以东西向—北东东向为主，所对应的边界力以近南北向的继承性挤压力为主。
图1-20 冀东地区早燕山期平面主应力迹线图
Fig.1-20 Trajectory map of Early Yanshanian tectonic stresses of east Hebei Province
σ1—最大主压应力；σ2—最小主压应力；F—断裂
晚燕山期，在燕山陆内造山带及其以北、以东的邻区（大兴安岭—太行山及其以东地区），新生的北北东向压性-压扭性构造的活动性居主导地位（图1-16）。所对应的区域最大主压应力方向以北西西-南东东向为主，最小主压应力方向以北北东-南南西向为主。在大兴安岭—太行山以西地区，晚燕山期区域最大主压应力方向以北北西—北西向为主，最小主压应力方向以北东东—北东向为主（图1-21）。
中生代陆内挤压造山的不同时期，区域古构造应力值也不相同（表1-5）。据在燕山及邻区的古应力值测定结果分析，印支期构造应力量值较小，仅为20～40MPa，平均为30MPa；而燕山期构造应力量值很大，为75～153MPa，平均为100MPa（详见表1-5）。古应力值的变化与中生代不同时期构造-岩浆活动性、挤压造山作用强度及变形深度均存在良好的对应性。
图1-21 燕山及邻区晚燕山期主应力迹线图
Fig.1-21 Trajectory map of Late Yanshanian tectonic stresses in Yanshan and its adjacent areas
1—区域最大主压应力迹线；2—区域最小主压应力迹线
4.喜马拉雅期（新生代）区域构造应力场
新生代（喜马拉雅期）燕山陆内造山带及邻区的区域最大主应力方向与燕山期相比发生了近90°的大转变。新生代区域最大主压应力方向以北东-南西向为主，最小主压应力（最大主张应力）的方向以北西-南东向为主，在东、西段地区最大主应力方向略有偏转（图1-22）。
图1-22 燕山及邻区喜马拉雅期主应力迹线图
Fig.1-22 Trajectory map of Himalayan tectonic stresses in Yanshan and its adjacent areas
1—区域最大主压应力迹线；2—区域最小主压应力迹线
据已有现今地应力测量结果分析，燕山陆内造山带新生代陆内伸展造山期间区域最大主应力值介于2～30MPa，平均约17MPa（表1-5）；远小于燕山期构造应力量值，略小于印支期最大主应力值，而大于华力西期华北克拉通盖层发育区最大主应力值。
二、构造动力来源与陆内造山的动力学模式
全球大部分的大陆克拉通地区，如俄罗斯地台、非洲地盾、澳大利亚地台、南美大陆克拉通等，它们都在结晶基底形成之后，便进入长期稳定的克拉通盖层发育时期，构造-岩浆活动性微弱，直至现在。为什么作为华北克拉通一部分的燕山及邻区自华力西期以来不断发生不同类型的造山作用与构造-岩浆活动？是什么动力导致燕山地区中、新生代不同时期不同特点的陆内（板内）造山作用？对这类问题，仅从燕山地区难以找出明确的答案；需要在更大尺度范围内，将燕山造山带及邻区作为全球岩石圈的一个组成部分，应用系统论的思维方法，从全球构造运动规律与燕山及邻区所处构造部位特殊性的角度出发，进行分析、研究，探索燕山地区不同时期造山作用的动力学机制。
已有充分的资料表明，地质历史时期全球岩石圈块体的运动不是杂乱无章的，而是受全球统一的水平速度矢量场所制约（吴珍汉，1997）。图1-23是在空间测量、海洋地质调查、海底磁条带、热点视运动及大陆古地磁等地质、地球物理资料的基础之上，通过一定的对比与统计分析方法，所得出的中新生代全球岩石圈稳态绝对水平速度矢量场。它良好地反映了中新生代这段地质历史时期全球岩石圈的水平运动规律，为分析燕山及邻区中新生代陆内造山作用的动力学机制提供了重要的依据。
在中新生代全球岩石圈稳态绝对水平速度矢量场中，燕山及邻区处于一个非常特殊的部位，即处于全球岩石圈唯一的一个快速北向流、快速北西向流与缓慢西向流的交汇部位（图1-25，燕山造山带位于太原的北东侧）。在这个特殊部位，中新生代不同时期不断受到来自不同方向的全球性构造动力的强烈作用，导致不同特点的造山作用。
1.晚华力西期（含印支早期）陆缘造山作用的动力学机制
据程国良等（1995）与马醒华等（1993）的古地磁资料，包括燕山地区在内的华北地块，在晚古生代—中生代早期这段地质历史时期内，向北快速运移，平均北向水平运动速度达到6.2～8.4cm/a。早二叠世，华北地块（以太原为参考点）位于北纬14°，正好处于全球岩石圈稳态绝对水平速度矢量场的快速（5～10cm/a）北向流区域，因此能够以较大的速度长期快速向北作水平运动；而位于北半球中高纬度地带的西伯利亚地块则以2～4cm/a的速度作较缓慢的西—北西西向水平运动。从而导致华北地块与西伯利亚地块之间距离的逐步缩小，直至晚三叠—早侏罗世两地块基本拼合，并最终形成兴蒙近东西向展布的陆缘俯冲-碰撞造山带（图1-24）。处于华北地块北缘的燕山及邻区，在二叠—三叠纪华北地块快速北向运移及其伴生的板块俯冲-碰撞过程中，受到近南北向强烈构造动力的挤压作用，由北向南逐步形成近东西向为主的韧性剪切带、逆冲-推覆构造与褶皱等构造带，并诱发出相关的岩浆侵入与火山喷发事件，形成图1-12所示的古构造格局与图1-18、1—19所示的区域古构造应力场。
2.印支—燕山期陆内挤压造山作用的动力学机制
华北地块与西伯利亚地块拼合以后，成为欧亚大陆板块的一部分，并与西伯利亚地块一起作缓慢西—北西西向水平运动；但在燕山期仍受到来自南部的、由于岩石圈快速北向流所导致的、近南北向强大构造动力的挤压作用，从而使燕山及邻区近东西向逆冲断裂产生继承性活动；然而这种近南北向的挤压作用自早燕山期至晚燕山期逐步减弱。
图1-23 中新生代全球岩石圈稳态绝对水平速度矢量场展布图（据吴珍汉，1997）
Fig.1-23 Sketch map showing the Meso-Cenozoic global absolute velocity field of lithosphere
1—中新生代岩石圈稳态绝对水平运动轨迹；2—现今岩石圈绝对水平速度矢量；3—大洋中脊与转换断层；4—热点视运动轨迹
约自印支期开始，东部作快速（8～11cm/a）西向运动的（古）太平洋板块开始向西俯冲；由于东亚岩石圈内部低速层与软流圈等软弱、润滑层的存在，使西向俯冲所致的近西向构造动力能够在岩石圈块体之间作长距离传送；所产生的强大北西—北西西向挤压力自印支期开始自东向西传播，并约在晚印支期逐步影响到中国东部包括燕山及邻区在内的广大地区。在燕山地区，这个北西—北西西向构造动力所导致的挤压作用自晚印支期→早燕山期→晚燕山期逐步增强，至中晚侏罗世—早白垩世达到高潮，形成遍及燕山及邻区的北东—北北东向压性-压扭性构造形迹，并诱发出多期强烈的岩浆侵入与火山喷发事件（图1-25a）。
中生代近南北向挤压力与北东—北北东向构造动力的联合作用，是导致中生代燕山地区多期地壳运动与陆内造山作用及相关构造-热事件与区域构造应力场的主要动力学原因；不同时期，不同构造动力对燕山地区的作用强度不同，从而产生不同的区域构造格局（图1-12、1—14、1—16）；两种构造动力所产生不同构造体系的复合，导致燕山陆内造山带中生代复杂的区域构造格局（图1-11）。
3.喜马拉雅期陆内伸展造山作用的动力学机制
至晚白垩世晚期，经过中生代长期近西向俯冲的太平洋板块，其前缘已俯冲至软流圈底部，并开始插入软流圈之下的下部地幔，现今已俯冲至650km左右的上、下地幔界面。
喜马拉雅期，太平洋板块已俯冲至软流圈以下的下部地幔内部。由于下部地幔刚性较大，以至于被称为“刚性地幔”，而且这个“刚性地幔”厚度巨大，内部尚缺乏像莫霍面、软流圈这样连续性较好的厚大软弱层；因此这一时期西太平洋板块俯冲只能产生向下的下插动力，而难以推动整个“刚性地幔圈层”向西运动，从而不能对东亚大陆岩石圈产生可以长距离传送的近西向构造推挤力。其结果是使俯冲带的水平位置相对于下部“刚性地幔”保持基本不动，即俯冲带在水平方向上被锁定。
图1-24 燕山及邻区晚华力西期陆缘造山作用的动力学模式
Fig.1-24 Sketch map showing the geody-namic model of Late Variscan marginal oro-genesis of Yanshan and its adjacent areas
图1-25 燕山及邻区中生代（a）与新生代（b）陆内造山作用的动力学模式
Fig.1-25 Sketch map showing the geodynamic models of intracontinental orogensis of the Mesozoic（a）and Cenozoic（b）in Yanshan and its adjacent area
然而，喜马拉雅期，在全球岩石圈稳态绝对水平速度矢量场的驱动下，包括燕山及邻区在内的东亚大陆仍然保持相对于下部“刚性地幔”2～4cm/a左右速度的西—北西西向缓慢水平运动。
在这样的动力学背景下，必然导致东亚大陆喜马拉雅期的伸展构造环境，形成自边缘海→陆缘→陆内广泛发育的裂谷系（图1-25b）；在燕山造山带周缘，产生北西—北西西向区域性张应力（图1-22），形成华北裂谷系、下辽河裂谷系、汾渭裂谷系等北东—北东东向裂谷带（图1-25b）；在这些盆地裂陷的同时，周缘的燕山、阴山、太行山等山脉快速隆升，形成燕山及邻区现今盆-山相间分布的构造-地貌格局（图1-17）。