河神廟區(qū)構(gòu)造發(fā)育成因及應(yīng)力場(chǎng)分析

魏書宏，趙學(xué)兵，段秋梁

（1.山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)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(gè)大致南北向的斜長(zhǎng)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(dòng)）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(lè)塊坳、五臺(tái)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(zhǎng)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(cè)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(gè)，詳見(jiàn)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(jiàn)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(cè)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(jiàn)有透鏡狀巖塊和巖片，還可見(jiàn)斷層角礫巖，有擦痕。在地震時(shí)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(jì)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(zhǎng)度長(zhǎng)，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(jiàn)表2。

3 構(gòu)造成因分析

根據(jù)以上褶曲和斷層的特征（見(jiàn)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(dòng)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(jì)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(kāi)，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?cái)鄬覨11展布，同樣X(jué)3、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(chǎng)分析

中生代印支運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)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(kāi)始隆起上升，沁水區(qū)塊即隨之發(fā)生相對(duì)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(shuō)在古老斷裂的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的斷裂活動(dòng)。

正是由于自中三疊世開(kāi)始的東翹西沉的地殼運(yùn)動(dòng)，加上燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期晉獲大斷裂西盤向東盤逆沖的斷裂活動(dòng)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(dòng)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(dòng)發(fā)展演化期間，由于有前期的燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)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(chǎng)，形成被邊界條件圍限的“小地塊”構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

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(dòng)作用下形成的，這個(gè)古應(yīng)力場(chǎng)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(dòng)演化過(guò)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(gè)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(gè)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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