口泉斷裂郊城段斷裂展布特征及其活動(dòng)性研究

丁學(xué)文，霍 魁，馮凱宇，高樹義，李 申

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

口泉斷裂為大同盆地的西北邊界斷裂，其東南側(cè)為盆地區(qū)，西北側(cè)為口泉山地。斷裂南起山陰縣上神泉，向東北經(jīng)大峪口、鵝毛口、口泉、上皇莊，止于豐鎮(zhèn)市官屯堡，總長約108 km，總體走向NE35°～45°，傾向SE，傾角一般45°～70°，局部地段陡立。在中生代，該斷層為壓性逆斷層，新生代為張性右旋平移正斷層[1]。根據(jù)斷裂幾何結(jié)構(gòu)、地貌特征,將口泉斷裂從南西往北東劃分為三段(1)張世民,劉旭東.我國重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)活斷層地層危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目專題報(bào)告《口泉斷裂1:5萬地質(zhì)填圖》,2011.，即上神泉—大峪口南部弱活動(dòng)段、大峪口—上皇莊中部較強(qiáng)活動(dòng)段、上皇莊—官屯堡北部弱活動(dòng)段，活動(dòng)時(shí)代分別為第四紀(jì)晚更新世、全新世和晚更新世，研究區(qū)郊城段位于口泉斷裂中段的鵝毛口—口泉段(見第16頁圖1)。口泉斷裂新生代以來新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，在楊家窯—拖皮一帶形成沉降中心，研究區(qū)位于沉降中心部位，新生界、第四系沉積厚度分別達(dá)2 000 m、400 m，形成西北側(cè)陡深、東南側(cè)緩淺的箕狀掀斜構(gòu)造。眾多學(xué)者對(duì)口泉斷裂中段活動(dòng)性進(jìn)行過研究，王霞等[2]利用震源位置和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演方法，對(duì)1981—2013年山西北部地區(qū)的地震進(jìn)行重新定位，反演得到的三維速度結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，口泉斷裂中北段地震集中，南北兩端地震少，反映了中北段斷裂活動(dòng)強(qiáng)，南北兩端活動(dòng)弱，存在基底拆離帶，表明存在深部證據(jù)；王貞海[3]、齊浪[4]通過地質(zhì)調(diào)查、淺層地震及電阻率CT勘探、鉆孔勘察、探槽開挖分別對(duì)口泉斷裂中段上窩寨、口泉一帶斷裂展布特征及活動(dòng)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，斷層在上窩寨一帶位于山前100～200 m,斷層兩盤地層垂直落差大于380 m，在口泉一帶地層最大錯(cuò)距達(dá)70 m,近地表垂直斷距3 m,破碎帶寬1.2 m，皆表現(xiàn)單條斷層結(jié)構(gòu)，活動(dòng)時(shí)代為全新世；謝新生等[5]根據(jù)野外調(diào)查、探槽開挖及14C、釋光齡測定對(duì)口泉斷裂全新世地震活動(dòng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在距今1.23萬年以來斷裂曾發(fā)生過4次古地震事件，平均間隔約3.74 ka,各次事件的平均最小同震垂直位移為1.8 m,與此相應(yīng)的古地震震級(jí)在7級(jí)以上；徐偉等[6]對(duì)口泉斷裂上神泉—楊家窯段晚第四紀(jì)以來斷錯(cuò)地貌及活動(dòng)速率確定研究表明，禪房以北段斷層活動(dòng)呈現(xiàn)中間強(qiáng)、兩側(cè)弱的特點(diǎn)，最強(qiáng)段位于小峪口至樓子口段，T1階地?cái)噱e(cuò)不小于3 m，T2階地?cái)噱e(cuò)不小于17.5 m，T2階地形成以來滑動(dòng)速率不小于0.53 mm/a。大峪口T1階地?cái)噱e(cuò)0.5 m,大峪口—禪房段活動(dòng)速率為0.17 mm/a。石井—鵝毛口段T1階地?cái)噱e(cuò)0.25～0.3 m，活動(dòng)速率為0.4 mm/a。自歷史地震記載、記錄以來，地震主要集中發(fā)生在斷裂中北段，最大地震為1582年大同陽和坡一帶的5級(jí)地震[7-8]，地震分布與斷裂活動(dòng)性關(guān)系密切。

圖1 口泉斷裂及鄰區(qū)地震構(gòu)造圖Fig.1 Seismotectonic map of Kouquan fault and its adjacent area

野外采用聯(lián)合鉆孔勘察、斷層露頭剖面實(shí)測、光釋光年齡測試等綜合手段(見圖2)，對(duì)口泉斷裂中段郊城一帶斷裂展布特征及其活動(dòng)性進(jìn)行詳細(xì)研究(2)山西省地震工程勘察研究院.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司化工廠總倉庫庫房改造項(xiàng)目工程場地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告,2014.，確定斷裂位置、展布特征及其活動(dòng)性。

1 地質(zhì)調(diào)查

圖2 研究區(qū)工程布置及斷裂位置圖Fig.2 Engineering layout and fracture location map in research area

圖3 研究區(qū)東北沖溝ⅠⅠ＇線北東壁地層(鏡向SE)Fig.3 Stratum in the Northeast wall of the II′line of the Northeast gully in the study area (mirror SE)

通過野外實(shí)地地層、地貌調(diào)查及斷層追蹤對(duì)比，在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)兩處斷層露頭a1、a2。a1露頭點(diǎn)如第17頁圖4、圖5所示，位于研究區(qū)東堆煤渣場南壁，陡壁高約5 m，地層不連續(xù)，具牽引、拖曳現(xiàn)象，為正斷層。斷層清晰，斷面平直、光滑，上陡下緩，呈弧形，斷面中部產(chǎn)狀130°∠67°，垂直斷距1.4 m，斷層斷至近地表，上部呈花狀裂開，裂縫寬1～2 cm,裂縫面反傾，傾角60°～80°。從上至下地層依次劃分為：黃土，褐黃色，質(zhì)均勻，無層理，具孔隙，疏松，含零星小石塊，礫徑0.5～1 cm，頂部10～20 cm為褐色耕植土；砂礫，礫石呈次棱角狀，礫徑1～10 cm,片麻巖成分，具有微斜層理；粉土，褐黃色，質(zhì)均勻，具有蟲孔，疏松，無層理，夾碎石層；礫石，礫徑2～10 m，片麻巖成分，棱角狀，具水平層理。

圖4 斷層露頭a1點(diǎn)(鏡向NW)Fig.4 a1 point of fault outcrop (mirror NW)

圖5 斷層露頭a1點(diǎn)地質(zhì)剖面圖Fig.5 Geological profile of a1 point of fault outcrop

a2露頭點(diǎn)如圖6、7所示，溝谷內(nèi)路邊陡壁，陡壁高約5 m，出露一斷裂帶，由2條斷層f1(西北條，露頭a2-1)、f2(東南條，露頭a2-2)組成，間距30 m。斷層f1產(chǎn)狀下部150°∠66°，上部緩，傾角約為50°，傾斜滑距2.1 m,垂直斷距1.4 m；f2產(chǎn)狀158°∠77°，傾斜滑距2.2 m,垂直斷距1.9 m。斷層斷至地表，斷面平直，錯(cuò)斷第四系全新統(tǒng)地層。地層從上至下依次劃分為：耕植土，褐黃色，質(zhì)疏松，含草根，厚約0.2～0.5 m；含角石粉土，褐黃色，質(zhì)疏松，角石約占5%～10%，粒徑1～3 cm，棱角狀，片麻巖成分，層理不清；粉土，褐黃色，質(zhì)疏松，含角礫，片麻巖成分；碎石，由6層組成，每層厚0.1～0.3 m,層間距0.2～0.4 m,碎石粒徑1～5 cm,棱角狀，片麻巖成分，地層穩(wěn)定，呈近水平狀分布；粉砂土，褐黃色，質(zhì)疏松、均勻，具孔隙，無層理，含零星碎石，粒徑0.5～1 cm,棱角狀，片麻巖成分；碎石，厚度0.4～0.7 m，粒徑0.5～3 cm,大可見6 cm，棱角狀，片麻巖成分，水平狀分布；粉砂土，褐黃色，質(zhì)疏松，具孔隙，含零星角礫，粒徑0.2～0.5 cm，棱角狀，片麻巖成分。為確定斷層活動(dòng)時(shí)代及地層沉降速率，在a2露頭點(diǎn)陡坎下部f1、f2兩側(cè)近斷層處同一高度各取兩個(gè)光釋光樣，f1兩側(cè)樣編號(hào)為osl-3(上盤)、osl-4(下盤)；f2兩側(cè)樣編號(hào)為osl-1(上盤)、osl-2(下盤)。osl-1、osl-2、osl-3、osl-4光釋光年齡測試結(jié)果分別為(27.5±3.0) ka、(27.8±2.3) ka、(20.3±2.7) ka、(37.3±3.6) ka。樣品光釋光年齡測試由南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院完成。

圖6 斷層露頭a2點(diǎn)(鏡向N)Fig.6 a2 point of fault outcrop (mirror N)

圖7 斷層露頭a2點(diǎn)地質(zhì)剖面圖Fig.7 Geological profile of a2 point of fault outcrop

2 鉆孔勘察

在野外地質(zhì)調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，為了解場地地層結(jié)構(gòu)、查明斷裂位置、活動(dòng)性及斷裂展布特征，在研究區(qū)近南北向布置了5個(gè)鉆孔DZK1-DZK5,孔間距分別約240 m、143 m、190 m、225 m，孔深皆為65 m，基巖埋深分別為14.1 m、16.8 m、34.2 m、31.2 m、55.6 m。鉆孔涉及全新統(tǒng)—上更新統(tǒng)粉土、角礫及下伏太古界片麻巖地層，基巖山體剝蝕后退400～600 m。為對(duì)比地層，根據(jù)鉆孔編制了鉆孔地質(zhì)剖面AA′(見圖8)。

圖8 聯(lián)合鉆孔AA’線地質(zhì)剖面圖Fig.8 Geological profile of AA 'line of combined borehole

通過對(duì)研究區(qū)地質(zhì)調(diào)查、鉆孔勘察進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)基巖出露區(qū)邊線向東南至斷層線間地面呈緩狀向山前傾斜，地面坡角約介于4°～6°，平均坡降為95/1 000。DZK1-DZK5間基底似坡角介于1°～9°，平均傾角為5°，平均坡降為83/1 000，地面坡角和基底似坡角近于一致，基巖出露區(qū)與出露斷裂間范圍內(nèi)無隱伏活動(dòng)斷裂存在。

3 結(jié)論與討論

此次確定的斷點(diǎn)位于盆地側(cè)，地表無明顯陡坎，斷裂位置位于前人確定的位置東南約360～500 m處，與山體后退距離相近。這是由于斷層活動(dòng)形成斷層崖后，在外力長期剝蝕下，斷塊山地被侵蝕降低，斷層崖被侵蝕形成斷層三角面，斷層三角面形成緩緩的山坡，山邊線向山地方向后退并和斷層線有一定的距離[9]。

通過地質(zhì)調(diào)查、聯(lián)合鉆孔勘察、斷層露頭剖面實(shí)測、光釋光年齡測試等綜合手段對(duì)口泉斷裂郊城段準(zhǔn)確位置、斷裂展布特征和活動(dòng)性進(jìn)行詳細(xì)研究，可得到如下認(rèn)識(shí)：

(1) 口泉斷裂帶由2條斷層f1、f2組成。f1位于山區(qū)側(cè)，斷距1.4 m；f2位于盆地側(cè)，斷距1.9 m；呈階梯狀正斷層，間距30 m，斷裂帶具有階梯狀幾何結(jié)構(gòu)特征。斷層錯(cuò)斷第四系全新統(tǒng)—上更新統(tǒng)沖洪積層，為全新世活動(dòng)斷裂。兩斷層為同期黏滑形成，反映第四紀(jì)全新世以來斷裂有過明顯錯(cuò)動(dòng)。

(2) 斷裂出露處地貌上無明顯陡坎，山前地面、基底面呈緩傾斜下降，地面平均坡角約5°。斷層與山體區(qū)距離約400～600 m,其間都上覆第四系沖洪積松散層，為正斷層形成后基巖區(qū)抬升、盆地區(qū)下降，基巖剝蝕、后退，沖洪積、風(fēng)積堆積而成，20.3～27.8 ka期間沖洪積地層沉積速率約0.17 mm/a。

(3) 山前斷層位置確定應(yīng)根據(jù)出露巖性、地質(zhì)時(shí)代及斷裂形成年代、活動(dòng)強(qiáng)度等結(jié)合地貌、鉆孔巖性、斷層露頭等綜合確定。與前人在此段研究成果相比，此次研究中確定的斷裂活動(dòng)時(shí)代同為第四紀(jì)全新世，斷距與最近的鵝毛口探槽斷距1.8 m、發(fā)生于7.71～17.59 Ka的地震事件研究結(jié)果相近。

a1露頭出露1條斷層，斷距1.4m，發(fā)育崩積楔，為黏滑所致。由于陡坎未向東南延伸未出露另一條斷層；a2露頭出露兩條斷層，即a2-1露頭f1、a2-2露頭f2,兩斷層呈平行階梯狀，間距30 m，f1斷距1.4 m,f2斷距1.9 m,兩斷層最新錯(cuò)斷為第四系全新統(tǒng)同時(shí)代地層，上、下盤同期地層厚度近于一致，推測為黏滑所致。斷層錯(cuò)斷耕植土，為斷層蠕動(dòng)所致。a1、a2-1露頭斷距皆為1.4 m,為同一條斷層。根據(jù)a2露頭f1、f2兩斷層間同盤osl-2、osl-3樣年齡計(jì)算出20.3～27.8 ka期間，地層沉積速率約0.17 mm/a。

基巖為太古界五臺(tái)群片麻巖，中等變質(zhì)，變質(zhì)年齡為20.5億年[10]，形成后受多期構(gòu)造旋回的影響及風(fēng)化、剝蝕。喜山運(yùn)動(dòng)晚期晚第三紀(jì)時(shí)期，由于區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生改變，山西斷隆中部沿燕山期逆斷裂發(fā)生解體，轉(zhuǎn)為正傾滑運(yùn)動(dòng)為主的斷陷沉降，形成統(tǒng)一的汾渭斷陷帶[11]。晚第三紀(jì)后，由于基巖區(qū)抬升、盆地區(qū)下降，基巖剝蝕加劇，山體后退，且距離達(dá)到400～600 m，在交城斷裂晉源姚村段、交城縣城段[12]均顯示出斷裂形成后山體的后退現(xiàn)象。

感謝張世民研究員對(duì)文章提出的修改意見與建議！