泥河湾裂谷盆地形成机制及环境特征
裂谷(Rift)或裂谷(rift valley)指的是地壳上一条长而深的拉伸断裂带。裂谷的规模非常大，水平延伸数百甚至数千千米，垂直运动可以切割整个岩石圈。裂谷处于伸展环境，因此不同于转换断层、缝合带等大型岩石圈断层。大陆地壳上发育的裂谷称为大陆裂谷，以垂向长的凹陷盆地或峡谷为特征(金星春，1984)。
魏奋裂谷是中国北方重要的大陆裂谷系，泥河湾盆地位于魏奋裂谷的东北端，是中国北方已发现哺乳动物化石和旧石器工具最集中的地区之一，反映了当时的自然环境适宜早期古人类和各种动植物生存。泥河湾盆地具有早期古人类生存和进化的自然条件，这与裂谷盆地湖泊环境的长期存在密切相关。重建古生物学和古生物学活动期间的环境特征，对探讨东亚古生物学的发展和演化具有重要意义。同时，泥河湾盆地丰富的古生物化石和旧石器遗址也是研究古生物和旧石器埋藏规律的有利条件。从这个角度出发，本章简要论述了泥河湾裂谷盆地的形成机制和化石、旧石器时代埋藏的一般特征以及早期古人类的生活环境。
华北板块是中国最古老陆块，早前寒武纪地壳和地幔发生了分异和包覆，形成了古老的结晶基底。经过复杂的逆冲推覆、褶皱变形和岩浆侵入，它演化成中国大陆最古老的大陆核。太古代-元古代基底变质岩系现已广泛出露。古生代沉积盖层为寒武-奥陶系碳酸盐岩地层和石炭-二叠纪含煤地层，中生代为陆相砂岩和泥岩沉积。侏罗纪末燕山运动期间，魏奋地区地幔物质上涌，导致地壳抬升、减薄和破裂(王景明，1986)。118 ~ 116ma前进入广泛伸展变形期(Divis等，1998)，至晚白垩世，大部分地区处于长期稳定的剥蚀夷平状态，形成北部地台期的准平原面。魏奋裂谷和渤海裂谷盆地是新生代喜马拉雅构造时期形成华北板块的大陆裂谷构造体系，66 Ma前开始快速裂谷作用(吴珍汉等，2001)。魏奋裂谷是一个沿渭河-汾河-桑干河流域的S型裂谷系，位于华北板块的中心，是华北裂谷系的重要组成部分。一般称为魏奋裂谷(王景明，1986；闫新民等人，1991；邢作云等，2005)，又称韦偃裂谷(明初，1993)。
魏奋裂谷从西南部的渭河断陷盆地开始，依次是运城断陷盆地、临汾断陷盆地、晋中断陷盆地、滹沱河断陷盆地、桑干河断陷盆地(大同-阳原断陷盆地)到东北部的延淮断陷盆地，延伸1200 km。大同-阳原断陷盆地位于魏奋裂谷系的东北端(图5-1)。这里不仅有火山活动和玄武岩喷发，还有厚厚的第四纪河流和湖泊沉积，其中发现了丰富的泥河湾动物群化石和许多古人类遗址，是中国北方最具特色的第四纪断陷盆地，命名为“泥河湾盆地”。随着我国板块构造研究的深入，发现华北板块下地幔物质运动导致了这一盆地的形成和演化，盆地的环境特征具有典型裂谷盆地的特征，从板块构造的角度可以称之为“泥河湾裂谷盆地”。
图5-1魏奋裂谷系示意图(根据杨景春等，2005)
大陆裂谷是由地幔上涌和岩石圈拉伸产生的地堑式山谷，通常被一系列正断层复杂化。形成裂谷的巨型断层的活动是与盆地沉积同时进行的，即同生沉积断层。魏奋裂谷的形成经历了一个长期的构造演化过程:始新世至渐新世太平洋板块第一次向西俯冲，华北地区发生近SN-向的伸展，形成NEE向的渭河-运城断陷盆地和桑干河断陷盆地，此时泥河湾盆地的雏形已经开始出现。上新世至早更新世，印度板块和菲律宾板块向北移动挤压，造成华北东西向伸展，形成北北东向滹沱河断陷盆地、晋中断陷盆地和临汾断陷盆地(邢作云等，2005；纪少成等，2008；万天峰，2004)。研究表明，始新世中晚期，渐新世至中新世，约40 Ma期间，裂谷系两端首先出现断陷，但沉降速率很小，约60 ~65 m/Ma。上新世裂谷系中部北北东向断陷开始出现，上新世晚期是裂谷的主要发育时期，最大沉降速率为2000 m/Ma(表5-1)。第四纪期间，早更新世裂谷系南部的沉降速率低于中、晚更新世。相反，在北段，桑干河盆地早更新世的沉降速率明显高于中晚更新世，早更新世达到433 m/Ma，中晚更新世仅为154 m/Ma(邢作云等，2005)。
表5-1魏奋裂谷新生代地层沉积厚度和沉降速度表
(根据邢作云等，2005)
泥河湾盆地具有典型的大陆裂谷特征，它的出现与上地幔物质运动密切相关。地球物理研究表明，恒山-大同及其以北地区深部存在软流圈上涌柱。柱头直径约100km，柱头深50 ~ 70 km，厚20 ~ 25 km，面积为4×104km2(图5-2)。在衡山-大同及其以北地区，莫霍面深度约40km，表明软流圈上涌柱的柱头离地壳底部很近。柱头岩浆直接渗入岩石圈和地壳上部，沿裂隙喷出玄武岩(邢作云等，2005)。
图5-2大同软流圈上升柱地震层析图像(根据邢作云等，2005)
泥河湾盆地位于魏奋裂谷的东北端，其发育历史受恒山-大同软流圈上涌柱的活动过程控制。研究表明，地幔柱从始新世开始向渐新世移动，渐新世发生火山喷发。阳原地区的喷发期为29。古近纪中晚期沉积厚度达65 438+0 300 m，中新世至上新世火山喷发中心北移，喷发期为7。5毫安(N1)和4。3 Ma(N2)，主要在上新世。盆地沉降速率增加，沉积厚度达到1300 m，第四纪期间泥河湾盆地沉降速率在早更新世略有减缓，沉积厚度达到780 m..中晚更新世进一步减缓，最大沉积厚度可达120 m，第四纪时地幔柱玄武岩喷发位置收缩至柱头中心，位于大通县附近，喷发期为0.8 ~ 0.1 mAb p，其中0.4Ma(Q2)为顶极，喷发类型以拉斑玄武岩为主，少量碱性玄武岩和少量幔源包裹体。上述特征表明，这些玄武岩完全符合大陆裂谷上地幔的特征，由裂谷内上地幔底辟引起，其喷发过程完全受软流圈上涌柱活动控制(邢作云等，2005)。
上述地质构造和地球物理资料表明，泥河湾盆地是一个大陆裂谷盆地。软流圈地幔柱上涌始于始新世至渐新世，上新世是其主要发展时期，晚更新世是其稳定收缩时期。
泥河湾裂谷盆地北界为熊耳山南麓断裂，西起大同冯仁南麓，东至阳原南口，长90km。这条断层穿过汉诺坝玄武岩，这是一条控制盆地北部边界的正断层。盆地南侧是小五台山北麓断裂，西起广灵至白坪，东至蔚县上寺，长100km，是控制盆地南界的正断层。在两条大断裂之间，东北-西南走向的九黄坨、双条岭和凤凰山形成泥河湾盆地中部的地垒。桑干河断裂(马峪口-油坊断裂)发育于地垒北侧，长140km。在断裂的东部，沿小渡口-油坊线形成了一个高达100米的断崖，盆地内河流沉积形成了湖泊台地。在出露地段发现了许多化石遗址和旧石器时代遗址。
阳原县以北吴家山-崔家山地区残留夷平面上的渐新统汉诺坝玄武岩是该地区最早喷发的玄武岩，表明恒山-大同软流圈上涌柱柱头向东延伸至阳原地区，但当时的准平原平面较为完整，盆地尚未出现。由于软流圈的不对称上升流，软流圈顶部岩石圈上方的脆性岩石首先开裂，形成边缘铲状断层(邢作云等，2005)。铲式断层下盘上升成山，即所谓的伸展造山，熊耳山就是上升盘伸展造山形成的山。下降板块出现箕状断陷，不断下沉成盆地，原有的准平原解体。这一过程发生在渐新世晚期和中新世早期，距今24 ~ 25ma(吴珍汉等，2001)。
造山带的隆升和盆地的沉降造成山体侵蚀，大量剥蚀物质填充断陷盆地，物质迁移破坏上地壳的动态平衡。铲断层上盘滑动导致断陷盆地地壳缩短，形成一套后挤压压力，将地表高度较小的地台推出。后推压力形成的台地与盆地有一定的高度差，并受到侵蚀，不断有碎屑充填到盆地中部(邢作云等，2005)。上述盆山耦合响应模式在魏奋裂谷系中非常典型，泥河湾盆地也是典型模式之一(图5-3)。熊耳山南麓断裂是恒山-大同软流圈地幔柱不均匀上涌形成的铲状断裂，泥河湾盆地是地壳相应沉降形成的箕状断陷盆地。泥河湾盆地底部基岩因盆地沉降而缩短，产生向南的后推挤压力。蔚县盆地南部小五台山前断裂的形成机制与熊耳山南部断裂的形成机制相同。在伸展造山运动期间，它形成了一个边缘铲状断层。盂县盆地底部的基岩因沉降而缩短，造成向北的后推压力，在九黄坨和双条岭山脉南部形成一个由泥河湾层湖相沉积组成的台地。其地貌结构与泥河湾盆地基本相同。两股相反的挤压力使九黄坨、双条岭、凤凰山上升为地垒山，山前湖相沉积跟进成为湖相台地或湖相侵蚀台地。此外，山麓的早期湖洞和湖崖被抬高到最高，保存完好。向上推挤的构造力还在地表诱发地堑式正断层系，表现为小渡口-油室地区的油室断层和小长梁断层。在小长梁断裂上，泥河湾层的湖相沉积没有变形，说明是同生断裂，而凤凰山是地垒型山。因此，阳原盆地形成了典型的伸展造山-断陷-回台的构造运动模式(图5-4)。
以熊耳山南麓断裂为界，山体隆起和盆地沉降是差异运动最大的区域，但对山体造成了强烈的侵蚀，大量碎屑物质进入盆地。熊耳山附近的泥河湾古湖一侧主要是浅水湖滨区，山川河流输入的沉积物能迅速掩埋动物骨骼，使其变成化石，这也是泥河湾村附近保存哺乳动物化石最多的原因。
图5-3泥河湾盆地耦合响应理论模型(根据邢作云等，2005修改)
图5-4泥河湾裂谷盆地形成模式
由于山体的剥蚀，大量的碎屑物质进入泥河湾湖北侧的湖盆，使得古湖泊的边缘南移，湖泊几乎没有到达山麓。受台地抬升影响，基岩出露，其上湖相沉积厚度小于100 m，目前台地高出桑干河水面约150 m，后期剥蚀出露湖相沉积剖面，也是哺乳动物化石和旧石器遗址最集中的地区。因此，湖泊的沉积中心始终稳定在盆地中线，如东井集，基岩埋深640 m，化稍营达523 m(王乃a等，1996)。
火山活动是裂谷盆地的重要特征之一。阳原县北部汉诺坝玄武岩喷发，标志着裂谷活动开始，准平原解体，盆山分化已经出现。中更新世大同盆地火山喷发仍然激烈，阳原县以北山麓和侯家窑地区也有第四纪火山喷发。
总之，泥河湾盆地是一个典型的裂谷盆地，软流圈柱不均匀上涌造成铲状断层，熊耳山伸展造山，阳原-化稍营地区相应断陷，大田洼地区被推回地台。这种构造模式形成的裂谷盆地地貌类型复杂，盆地中央的水形成湖泊，四周是上升的山脉，湖山之间发育了宽阔的湖滨带。除了裂谷盆地的地貌特征为生物多样性提供了适宜的环境条件外，地幔柱上涌导致火山喷发，火山灰将丰富的矿物质带到地表。它们是植物生长所需的营养物质，盆地及其周边植被丰富，使得各种动物能够在这里活动和繁衍。早期的古人类能够在这里获得生存和发展所必需的食物和水。