太原盆地田莊斷裂東段探測和活動性初步研究

曾金艷　李自紅　陳文　扈桂讓　劉艷春

摘要：田莊斷裂為太原盆地內(nèi)一條較大的隱伏斷裂，采用地質(zhì)調(diào)查、淺層地震勘探等方法對該斷裂東段（西溫莊一濱河?xùn)|路）開展研究。地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示：田莊斷裂對太原斷陷盆地的地貌形態(tài)有明顯的控制作用，并且控制著太原盆地的沉降；淺層地震勘探結(jié)果揭示：該斷裂空間位置比原來認(rèn)定的位置向北偏移了約250～600m，并且在其上盤發(fā)育有與主斷裂傾向相反的次級斷裂。結(jié)合TZ₂測線北側(cè)附近“太原市活斷層探測與地震危險性分析”項目中小店區(qū)鉆孔聯(lián)合剖面地層測年資料，認(rèn)為該斷裂錯斷了上更新統(tǒng)下部地層，并且上斷點埋深有向淺部延展的趨勢，初步認(rèn)為田莊斷裂的最新活動時代為晚更新世。

關(guān)鍵詞：田莊斷裂；地質(zhì)調(diào)查；淺層地震勘探；空間位置；斷裂活動性

中圖分類號：P315.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）02-0261-09

0 引言

太原市城區(qū)位于太原斷陷盆地的北端，盆地內(nèi)斷裂發(fā)育，其中田莊斷裂就是盆地內(nèi)一條規(guī)模較大的隱伏斷裂。2007年太原市完成了活斷層探測與地震危險性評價項目，由于經(jīng)費和當(dāng)時城市規(guī)劃等原因，未對該斷裂做詳細(xì)的研究，但隨著太原城市發(fā)展的加快以及主體城區(qū)的南移，田莊斷裂進(jìn)入了城區(qū)范圍，對其準(zhǔn)確的空間位置和活動特征研究將有利于城市規(guī)劃和重大工程項目選址。

國內(nèi)不少學(xué)者和單位針對田莊斷裂的形成、空間展布以及活動特征作過不同程度的研究，但缺乏系統(tǒng)性研究工作。田莊斷裂最早是根據(jù)石油物探、地質(zhì)、遙感等資料證實其存在的，研究認(rèn)為該斷裂西起太原市晉源區(qū)田村以西，經(jīng)候家寨至田莊，全長約35km。走向由西向東呈近EW-NEE-NE向變化，傾向SE，為一高角度正斷層。江娃利等（1993）的研究資料表明：田莊斷裂位于太原斷陷盆地的轉(zhuǎn)折部位，是交城斷裂向北東延伸的部分，斷裂兩側(cè)全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)厚度基本相同，下更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)厚度存在明顯差異，活動時代在上新世至第四紀(jì)中更新世；楊承先（1996）認(rèn)為該斷裂是盆地內(nèi)晉中凹陷和太原凹陷兩級構(gòu)造單元的分界線：李自紅等（2009，2014）研究認(rèn)為上新世以來，該斷裂以北斷陷幅度為200～1000m，以南斷陷幅度為1200～3600m，上新統(tǒng)底界的垂直差異（斷距）達(dá)1000～2500m。

2012年太原市擬建的軌道交通2號線橫跨田莊斷裂，為了查清田莊斷裂的空間位置和活動特征，圍繞該斷裂東段（西溫莊-濱河?xùn)|路）開展了一定程度的探測工作。通過淺層地震勘探確認(rèn)了該斷裂東段的空間位置。本文依托項目探測結(jié)果，結(jié)合“太原市活斷層探測與地震危險性評價”項目中鉆孔聯(lián)合剖面獲得的測年資料以及太原盆地地層沉積特征，對田莊斷裂的活動時代進(jìn)行了初步確定。研究結(jié)果表明，該斷裂的空間位置與前人的研究成果相比有較大的變化，活動時代由原來認(rèn)定的中更新世初步判定為晚更新世，這一結(jié)論為太原市小店區(qū)的規(guī)劃建設(shè)提供了重要的參考依據(jù)，也為太原市的地震危險性的重新確定提供了地震學(xué)參考。

1 田莊斷裂附近地質(zhì)地貌和地震活動性特征

1.1 地質(zhì)地貌特征

通過對田莊斷裂附近的地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)田莊斷裂對太原斷陷盆地地貌形態(tài)有著明顯的控制作用，太原盆地在斷裂以北相對較窄，寬度僅10～20km，在斷裂以南寬度達(dá)45km。該斷裂對汾河和瀟河也有明顯的控制作用：汾河由北向南流經(jīng)田莊斷裂附近時向西轉(zhuǎn)折，形成東西向的河灣，跨過斷層后又轉(zhuǎn)為南北向；瀟河由晉中市榆次區(qū)東山流出后與田莊斷裂近平行展布，于斷裂南部（上盤）4km，即在田莊斷裂和南堰斷裂的交會處流入汾河（圖1）。從田莊斷裂對河流的控制作用分析，田莊斷裂上盤相對低凹，表明其上盤仍在沉降接受沖洪積。

通過對田莊斷裂遙感圖像進(jìn)行主成分分析，斷層兩側(cè)地貌存在單元色調(diào)變化，斷層跡像清晰，呈藍(lán)色條帶狀，兩側(cè)含水性差異明顯（圖2）。

劉媛媛等（2014a、b）、張希等（2013）通過對PS-InSAR資料和GPS水平運動場資料的研究，認(rèn)為田莊斷裂兩側(cè)存在明顯的差異性形變，這再次證明太原市的沉降受田莊斷裂的控制。

1.2 地震活動性特征分析

田莊斷裂帶沿線小震密集，震群活動突出，自1970年以來，共有8次震群活動（圖3）。1973～1979年北格一帶共有5次震群活動，其中1976年北格M_L3.7震群的規(guī)模最大，從6月19日至10月20日，歷時115天，共記錄到地震683次，其中3.0≤M_L≤3.9地震10次，2.0≤M_L≤2.9地震70次，M_L≤2.0地震603次；1979年榆次M_L3.3震群和1991年榆次M_L3.4震群，各發(fā)生M_L≥3.0地震1次：1983年太原M_L4.4震群，歷時86天，共記錄到地震65次，其中M_L≥4.0地震1次，3.0≤M_L≤3.9地震2次。鄭鵠（1984）通過研究太原區(qū)域地震活動特征，認(rèn)為該區(qū)地震活動受北東向構(gòu)造的控制。

通過對田莊斷裂附近地質(zhì)地貌特征、地震活動特征的分析，表明該斷裂確實存在。斷裂呈NNE走向，大致位置始于西溫莊鄉(xiāng)，經(jīng)田莊、劉家堡、西柳林至姚村，與交城斷裂相交。

2 淺層地震測線布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

2.1 淺層地震勘探測線布設(shè)與觀測參數(shù)

為了探測田莊斷裂東段的確切位置和上斷點埋深，根據(jù)已有田莊斷裂的資料，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌特征，布設(shè)了5條淺層地震勘探測線，測線位置見圖1，測線參數(shù)見表1。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次研究數(shù)據(jù)采集儀器為德國SUMMIT遙測數(shù)字地震儀，地震波激發(fā)源使用美國Metrz公司生產(chǎn)的M18/612型可控震源，檢波器使用3個高頻檢波器組合。

3 地震剖面解釋及斷裂位置確定

3.1 地震剖面解釋

資料解譯中，對反射波組進(jìn)行地質(zhì)分層時，參考“太原市活斷層探測與地震危險性評價項目”控制性淺層地震勘探報告的資料。地層反射波組分別用T₀₁、T₀₂、T₀₃…、T_Q、T_N表示，T₀₁、T₀₂、T₀₃…表示第四系內(nèi)部地層，T_Q、T_N分別代表第四系底界和第三紀(jì)地層，剖面上的斷錯點用F_p1、F_p2…表示。

（1）TZ₁（流澗村）測線

該測線位于流澗村東，時間剖面從上到下解釋了11個可以連續(xù)追蹤的強(qiáng)反射波組，斷層信息清晰（圖4）。反射界面特征在總體上具有南深北淺的埋深形態(tài)。剖面南部T_Q界面向北不斷抬升，T₁₀和T₀₉界面隨著T_Q界面的抬升而相繼出現(xiàn)尖滅。剖面中部T_Q界面基本趨于水平層狀形態(tài)。在剖面樁號1200m兩側(cè)，T_Q界面存在明顯的深度差異，落差達(dá)700m左右；樁號1200m以北，T_Q界面呈清晰的水平層狀展布，界面連續(xù)。結(jié)合淺部其它界面的特征分析認(rèn)為，在剖面北段存在一個視傾向南的正斷層。剖面上解釋了2個斷點：

F_p1斷點：在剖面樁號783m左右、T₀₂及其以下各界面均出現(xiàn)波組同相軸不同程度的錯斷，從T₀₂以上界面存在微弱變形來看，該斷層有繼續(xù)向上延展的可能，上斷點可能更淺。剖面上可分辨的上斷點埋深約為105～115m，垂直斷距約為3～5m。

F02斷點：在剖面樁號1806m處，T₀₂～T₀₅界面也出現(xiàn)錯斷特征，斷點兩側(cè)T₀₄和T₀₅界面產(chǎn)狀也有差異，斷點南部界面呈近水平層狀，而斷點北部則視傾向南。分析認(rèn)為此處存在一視傾向北的正斷層，該斷層下部止于F_p1斷層，向上錯斷了T₀₂界面，與F_p1斷層呈Y字形展布特征?？煞直娴纳蠑帱c埋深為100～105m，垂直斷距為5～10m。

（2）TZ₁（太原大學(xué)）測線

該測線位于太原大學(xué)新校區(qū)西側(cè)唐槐公路，從剖面揭示的反射波組來看（圖5），T_Q以上界面均有不同程度的有規(guī)律的起伏變化。T_Q界面在剖面北部呈水平層狀展布，埋深約320m，南部則埋深約1200m，并有向南繼續(xù)加深的趨勢。在剖面上也有類似于“Y”字形斷層特征反映，解釋了2個斷點：

F_p3斷點：該斷點位于剖面樁號2115m，斷層錯斷至T₀₂界面，斷點北側(cè)界面呈水平層狀，而南側(cè)界面則視傾向南，該斷點為視傾向南的正斷層，剖面上可分辨的上斷點埋深約為93～98m，垂直斷距約為3～5m。

F_p4斷點：位于剖面約1050m處，該斷點與F_p3共同構(gòu)成似Y字形構(gòu)造，傾向與F_p3相向，為一視傾向北的正斷層。其下部在深度約1131m時，交于F_p3斷層?？煞直娴纳蠑帱c埋深為95～105m，垂直斷距為3～5m。

（3）TZ₃（宋環(huán)）測線

該測線布設(shè)于宋環(huán)村北部的水泥路上，是為控制F_p1斷點可能向北東方向的延伸而布設(shè)的。在時間剖面上，自上而下解釋了6個強(qiáng)的反射波組（圖6）。各波組所提示的反射界面基本呈水平層狀，西部埋深略大于東部，剖面上各界面橫向連續(xù)性好，沒有出現(xiàn)錯斷等斷層特征。分析認(rèn)為，該剖面沒有斷層存在。

（4）TZ₄（208國道）測線

該測線呈近南北向布設(shè)于208國道，目的是為了控制F_p1斷點向西的延伸位置。剖面上T_Q以上5個反射波組反射特征清晰（圖6），界面特征略呈南深北淺的層狀特征，橫向連續(xù)性好，無錯斷、突變等斷層特征。分析認(rèn)為，該剖面沒有斷層存在。

（5）TZ₅（2-4小店）測線

該測線布設(shè)于小店區(qū)的通達(dá)西街、通達(dá)街以及武洛街，為太原市活斷層探測與地震危險性評價布設(shè)的一條控制性淺層地震測線。在地震剖面上除了發(fā)現(xiàn)了新城一親賢斷裂（F_p19）和南畔東斷裂（F_p21）以外，還在樁號8015m處發(fā)現(xiàn)斷層F022（圖7），斷層?xùn)|西兩側(cè)的界面反射存在較大的差異：西側(cè)界面基本水平，東側(cè)明顯向西傾斜，存在一條視傾向向東的正斷層，可視上斷點埋深約125～130m。對比TZ₂、TZ₃測線的測試結(jié)果，該斷裂與F_p3、F_p1特征相似，應(yīng)為同一斷層的反映，即田莊斷裂北側(cè)斷裂（F_1-2）。由于該測線長度有限，在剖面上未揭示南側(cè)斷裂（F_1-1）。

3.2 田莊斷裂東段空間位置的確定

綜合5條淺層地震勘探測線的結(jié)果，本次除探測到田莊斷裂的主斷裂（F_1-2）外，還在淺部探測到田莊斷裂的次級斷裂（F_1-1），且兩條斷裂基本成平行走向。北部主斷裂（F_1-2）傾向南東，南部次級斷裂（F_1-1）傾向北西。田莊斷裂帶總體寬800～1000m，東起西溫莊鄉(xiāng)，沿NE走向至西攢村，走向產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，由NE向轉(zhuǎn)為近WE，經(jīng)宋環(huán)村、杜家寨后走向再次改變?yōu)镹EE，后又經(jīng)東蒲村北、西柳林村至本次研究的西邊界濱河?xùn)|路（圖8）。

對比本次研究結(jié)果與前人研究成果，對田莊斷裂帶的空間位置有了以下新的認(rèn)識：（1）走向發(fā)生改變：通過探測發(fā)現(xiàn)，田莊斷裂帶的走向由西往東并不是前人認(rèn)定的EW-NEE-NE向，在小店區(qū)內(nèi)斷裂帶的走向為NEE-WE-NNE。（2）空間位置發(fā)生改變：田莊主斷裂位置向北偏移約250～600m。（3）探測結(jié)果顯示，斷層錯斷的上斷點埋深為93～105m，并且有向上延展的趨勢。（4）除主斷裂外，田莊斷裂發(fā)育一條與主斷裂傾向相反的次級斷裂（F_1-1），這也符合大型鏟形正斷層的上盤為了消除沿彎曲斷層面位移所產(chǎn)生的反牽引作用，會形成與主斷裂斷面傾向相反的次級伴生斷層這一規(guī)律（方良好等，2015）。

4 最新活動時代初步確定

根據(jù)前人的研究成果，江娃利等（1993）、李白紅等（2009）認(rèn)為田莊斷裂的活動時代為上新世至第四紀(jì)中更新世，為非活動斷裂。本次研究在采用淺層地震勘探所確定斷裂上斷點埋深的基礎(chǔ)上，結(jié)合太原斷陷盆地的太原凹陷第四系地層的沉積特征和太原市活斷層探測與地震危險性評價項目中小店鉆孔聯(lián)合剖面中鉆孔揭示的地層資料，來初步確定田莊斷裂的活動時代。

太原斷陷盆地是疊加于中生代構(gòu)造背景上的新生代斷陷盆地。根據(jù)山西省地質(zhì)局石油普查勘探隊的資料和倪倩（2008）的研究成果，盆地第四系地層沉積在南北和東西方向上各有特征。東西方向上：受盆地兩側(cè)邊界斷裂活動強(qiáng)弱差異的影響，西側(cè)交城斷裂強(qiáng)烈活動造成盆地西側(cè)快速斷陷，沉降幅度大，沉積物厚度大；盆地東側(cè)的斷裂活動相對較弱，沉降幅度較小，沉積物厚度也遠(yuǎn)小于西部。南北方向上：以田莊斷裂為界，斷裂以北，第四系底板相對平緩，并且在南北方向上與第四系等深線基本保持一致（圖1）；斷裂以南第四系底板則明顯向西傾斜?？傮w來說，太原盆地第四系地層表現(xiàn)為西厚東薄的特征，探測區(qū)位于的太原凹陷屬太原斷陷盆地的中央，斷裂北面地層表現(xiàn)為南北方向地層界面平緩，東向方向西厚東薄的特點。又根據(jù)太原軌道交通2號線施工的呈南北走向的4個地鐵站（康寧街站、化章街站、人民南路站、小店站，位于TZ₁測線西約300m）的地震鉆孔揭示的地層顯示，該區(qū)段地層南北向全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層平緩，與第四系等深線反映的特征相吻合。

基于以上原因，可以選取位于TZ₂測線北側(cè)附近小店鉆孔聯(lián)合剖面中揭示的地層資料，來初步確定田莊斷裂第四紀(jì)以來的活動特征。小店鉆孔聯(lián)合剖面的第四紀(jì)地層沉積遵循從細(xì)到粗的沉積循環(huán)特征，對照年齡樣品的測試結(jié)果（表2）分析如下：①全新統(tǒng)（Q_h）：中上部地層為黃褐色粉土、粉質(zhì)粘土、粉土；下部地層為黃褐色粉砂層組成，粒度向下逐漸變粗，構(gòu)成一個完整的旋回。該統(tǒng)厚19.20～20.01m，底界埋深19.20～20.01m。②上更新統(tǒng)（Q_p³）：為一套灰褐、褐黃色的細(xì)粒堆積，構(gòu)成一個大的沉積旋回，由3個次級旋回組成。上部主要由粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂組成，粒度由上向下變粗，構(gòu)成一個次級旋回：中部主要有粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂組成，粒度由細(xì)變粗，呈現(xiàn)較為完整的次級沉積旋回：下部主要由粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、細(xì)砂組成，粒度由細(xì)變粗，構(gòu)成較為完整的次級沉積旋回。該統(tǒng)厚75.01～75.60m，底界埋深94.80～95.2m。

根據(jù)田莊斷裂東段淺層地震勘探的結(jié)果，斷層上斷點埋深最淺約93.0m，該深度對應(yīng)的地層為上更新統(tǒng)下部地層，因此初步判定田莊斷裂的最新活動時代為晚更新世。

5 結(jié)論與討論

綜合野外地質(zhì)地貌調(diào)查、淺層地震勘探以及地層分析對比，可以獲得以下結(jié)論：

（1）田莊斷裂確實存在，但其空間位置與前人的研究結(jié)果有所變化，最新勘探結(jié)果顯示該斷裂往北移動了250～600m。

（2）田莊斷裂東段（西溫莊-濱河?xùn)|路）由兩條斷裂組成，北側(cè)斷裂為主斷層，傾向南東，南側(cè)斷裂為次級伴生斷裂，傾向北西，形成小型地塹。斷裂經(jīng)西溫莊至西攢村后產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，斷裂走向由NE向變?yōu)榻麰W向，經(jīng)宋環(huán)村、杜家寨走向轉(zhuǎn)為NEE向，經(jīng)西柳林村至濱河?xùn)|路。

（3）初步判定田莊斷裂為一晚更新世活動斷裂。根據(jù)淺層地震勘探結(jié)果以及太原市活斷層探測和地震危險性鉆孔聯(lián)合剖面獲得的地層測年資料，認(rèn)為田莊斷裂錯斷了上更新統(tǒng)下部地層，初步判定該斷裂的活動時代為晚更新世。

（4）由于本次研究并沒有進(jìn)行跨田莊斷層鉆孔聯(lián)合剖面探測，斷裂的活動時代確定是以太原盆地第四系地層的沉積特征和附近鉆孔所揭示的地層時代為依據(jù)，并且錯斷的第四系地層僅在TZ2測線上有反映，綜合上述原因，本次研究對斷裂活動時代的判定僅為初步判別結(jié)果，其可靠程度相對稍低。根據(jù)現(xiàn)代小震活動特征和太原斷陷盆地沉降變形特征，并結(jié)合淺層地震勘探剖面上斷點有向淺部延展的趨勢，推斷田莊斷裂現(xiàn)今仍然處于弱活動狀態(tài)。確定田莊斷裂準(zhǔn)確的活動時代需進(jìn)行更深入的工作，如開展跨斷層鉆孔聯(lián)合剖面勘探等，以進(jìn)一步提供斷裂活動特征的地質(zhì)證據(jù)。