河神廟區(qū)構(gòu)造發(fā)育成因及應(yīng)力場分析

魏書宏，趙學(xué)兵，段秋梁

（1.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西晉中030600；2.北京世恒達(dá)科技有限公司,北京100096）

1 研究區(qū)概況

山西在構(gòu)造單元上稱山西塊體，總體呈一個大致南北向的斜長穹窿塊體，自西向東逐漸昂起，中央局部陷落。山西塊體的范圍為東連河淮（活動）塊體，西接鄂爾多斯（穩(wěn)定）塊體，北至內(nèi)蒙古陰山板緣帶，南至豫西秦嶺板緣帶，而呂梁—太行斷塊則構(gòu)成了山西塊體的主體。在此主體構(gòu)造上，自北向南依次為偏關(guān)—神池塊坪、云崗塊坳、呂梁山塊隆、寧武—靜樂塊坳、五臺山塊隆、沁水塊坳和太行山塊隆，以及桑干河新裂陷、滹沱河新裂陷、晉中新裂陷、運(yùn)城—臨汾新裂陷、芮城新裂陷和長治新裂陷等一系列斷陷盆地。研究區(qū)位于沁水塊坳的西南部，與太岳隆起交接的邊緣處。該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，以褶曲、斷層構(gòu)造為主，近南北向褶皺構(gòu)造發(fā)育。

2 構(gòu)造發(fā)育特征

研究區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為一走向NNE、傾向NWW的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育了一系列近南北向的寬緩褶曲，形成了研究區(qū)內(nèi)地層的波狀起伏。研究區(qū)面積約310km2，采用地質(zhì)測量、鉆探和二維地震等多種方法綜合進(jìn)行勘查，發(fā)現(xiàn)斷層15條，落差最大200m，褶曲23條，陷落柱18個，詳見圖1。該區(qū)地層傾角一般5°～20°，構(gòu)造以褶曲為主，斷裂構(gòu)造為輔。

2.1 斷層發(fā)育特征

研究區(qū)斷層總體走向?yàn)榻麼E向，其次有近EW向和NE向。中北部和南部主要為NE向斷層，北部和中部有近EW向斷層，詳見表1。落差大于（含）100m的斷層走向?yàn)镹E向和近EW向，由地震勘探、地質(zhì)測量和鉆孔綜合確定。北部近東西向斷層地表顯示出斷層破碎帶較寬，多見有透鏡狀巖塊和巖片，還可見斷層角礫巖，有擦痕。在地震時間剖面上顯示其斷層帶寬、上盤斷層帶附近目的波的連續(xù)性差。

表1 斷層統(tǒng)計表

2.2 褶曲發(fā)育特征

褶曲主要分布在西部和中東部、南部。西部褶曲幅度較大，延伸長度長，褶曲軸延伸平直；中東部、南部褶曲軸延伸較短，褶曲軸彎曲且呈放射狀組合展布。詳見表2。

3 構(gòu)造成因分析

根據(jù)以上褶曲和斷層的特征（見圖1）可知，研究區(qū)褶曲、斷層大部分顯示出壓性應(yīng)力的作用結(jié)果，如：較大規(guī)模褶曲S2、S3、S4、S5和斷層F1、F2、F5、F6、F7、F8、F11等構(gòu)造，而S6、S7、S8、S9、S10和S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23及F12、F15等構(gòu)造顯示出扭性應(yīng)力的作用結(jié)果。由此可以得知研究區(qū)是由二期不同方向、不同性質(zhì)的構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的應(yīng)力作用疊加后最終形成的現(xiàn)在的構(gòu)造格架。

研究區(qū)主干褶曲S2背斜、S3向斜、S4背斜、S5向斜4條褶曲軸線均呈南北向展布且平行呈直線狀延伸，另有F5逆斷層和該褶曲軸平行展布，以及張性正斷層F6、F7、F8、F11與主干褶曲S2、S3、S4、S5近于垂直伴生，這些特征表明該構(gòu)造形態(tài)是在東西向擠壓力作用下形成的。

表2 褶曲統(tǒng)計表

研究區(qū)中東部和南部的S6、S7、S8、S9、S10和S19、S20、S21、S22、S23背、向斜組成的2組褶曲平面展布形態(tài)呈現(xiàn)一端收斂，另一端撒開，且褶曲軸線大多呈弧形，這些特征充分表明該區(qū)中、南部經(jīng)歷了壓扭性的力矩作用。

研究區(qū)中，陷落柱X2、X4、X5分別分布在斷層F10、F3、F4附近，X17、X10、X18沿斷層F11展布，同樣X3、X1、X11、X12、X13和X14、X15分別沿F12、F15斷層分布，且是在斷層帶附近基本沿北東向、近東西向延展，由此可以看出陷落柱的形成與北東向、近東西向正斷層的發(fā)育關(guān)系較為密切；而X6、X7與F5或S2向斜、X8、X9與S5向斜的空間關(guān)系上關(guān)系較為密切，由此可以認(rèn)為陷落柱的形成主要受控于晚期（喜馬拉雅期）形成的北西向、近東西向正斷層，早期（燕山期）形成的近南北向向斜也有一定的控制作用，為此本文認(rèn)為，雖然向斜軸部巖層底面受拉張比背斜軸部更易于陷落柱的發(fā)育，但張性斷層的發(fā)育更加有效地溝通了地下水的水力聯(lián)系，是陷落柱形成的主控因素。

4 構(gòu)造應(yīng)力場分析

中生代印支運(yùn)動末期，山西塊體由以前的東沉西翹變?yōu)闁|翹西沉。到燕山運(yùn)動時期，東西向擠壓力逐漸增強(qiáng)，東部的太行山和西部的呂梁山開始隆起上升，沁水區(qū)塊即隨之發(fā)生相對的下沉，隨著擠壓力的進(jìn)一步加強(qiáng)，沁水區(qū)塊隨之沉降幅度也增大。晉獲斷裂復(fù)活，或者說在古老斷裂的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的斷裂活動。

正是由于自中三疊世開始的東翹西沉的地殼運(yùn)動，加上燕山運(yùn)動時期晉獲大斷裂西盤向東盤逆沖的斷裂活動特點(diǎn)，造成了包括研究區(qū)在內(nèi)的沁水區(qū)塊東高西低的幾何形態(tài)（賦存石炭—二疊系及下三疊統(tǒng)）。使得沁水區(qū)塊東部三疊系地層的保存厚度小于西部，甚至缺失上三疊統(tǒng)。到喜馬拉雅運(yùn)動期，該區(qū)應(yīng)力方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，由東西向壓應(yīng)力變?yōu)闁|西向張應(yīng)力。在喜馬拉雅運(yùn)動發(fā)展演化期間，由于有前期的燕山運(yùn)動時期形成的構(gòu)造邊界條件的影響變化，改造區(qū)域性構(gòu)造應(yīng)力場，形成被邊界條件圍限的“小地塊”構(gòu)造應(yīng)力場。

綜上所述，究區(qū)構(gòu)造特征首先是在燕山期晉獲大斷裂西盤向東盤逆沖的斷裂活動作用下形成的，這個古應(yīng)力場的最大主應(yīng)力（σ1）方向?yàn)樗綎|西方向，最小主應(yīng)力（σ3）方向?yàn)樗侥媳狈较?，在該?yīng)力狀態(tài)作用下，形成了研究區(qū)的近南北向的褶曲和近東西向的正斷層，如圖2所示。隨后在喜馬拉雅運(yùn)動演化過程中，由東西向的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西向張應(yīng)力，即維持最大主應(yīng)力（σ1）方向?yàn)樗綎|西方向，最小主應(yīng)力（σ3）方向?yàn)樨Q直方向。但東西向張應(yīng)力傳導(dǎo)到研究區(qū)后，在已有的燕山期構(gòu)造格架下由于被構(gòu)造邊界條件圍限的“小地塊”影響變化，轉(zhuǎn)變?yōu)閴号?yīng)力，形成2個方向的作用力，即：南北向的擠壓應(yīng)力和北東向的剪切應(yīng)力，在此二力的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生一系列的北東向呈“S”狀的拉張斷裂，如F12、F15等及中東部和南部的呈扇形分布的小褶曲。

圖2 應(yīng)力分析圖解

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)的構(gòu)造分別是燕山期和喜山期兩期形成的，近南北向構(gòu)造先形成，扇狀褶曲和北東向呈波狀展布的斷層等構(gòu)造后形成。

（2）由于研究區(qū)先后受到2個不同方向的作用力，構(gòu)造方向較為復(fù)雜。但主要構(gòu)造方向?yàn)榻贜S向和NE向。

（3）在下一階段的勘查工作中，重點(diǎn)放在研究區(qū)的中部和中北部，勘查方向?yàn)镹EE向。

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