山西太原盆地地裂縫群發(fā)機(jī)制與深部構(gòu)造關(guān)系

孟令超,彭建兵,盧全中,何紅前

(1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450046；2.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

地裂縫是地球表面平原或盆地區(qū)第四系地層中發(fā)育的破裂現(xiàn)象，其形成和發(fā)展受到多個因素的控制和制約。20世紀(jì)80年代至2012年8月，太原盆地共發(fā)現(xiàn)107條地裂縫(圖1)，主要由盆地南東部的太谷-祁縣-平遙地裂縫群發(fā)帶和盆地北西部的清徐-交城-文水地裂縫群發(fā)帶組成，盆地其它地區(qū)零星發(fā)育。清徐-交城-文水地裂縫群發(fā)帶連續(xù)長度達(dá)到46 km，總體走向北東，為山西省內(nèi)最長的地裂縫帶。太谷-祁縣-平遙地裂縫帶內(nèi)群發(fā)了51條規(guī)模不等的地裂縫，占盆地地裂縫總數(shù)的47.7%，走向以北東向為主，長度涵蓋數(shù)百米至數(shù)公里，最長超過20 km。20世紀(jì)80年代以來，這兩條地裂縫帶活動明顯加劇，造成鐵路、公路、房屋建筑、地下管線和河岸渠道等的嚴(yán)重破壞，人民經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失巨大。

圖1 太原盆地地裂縫分布及主要活動斷裂Fig.1 The distribution of ground fissures and main active faults in Taiyuan BasinF1—交城斷裂；F2—龍家營斷裂；F3—祁縣斷裂；F4—平遙-太谷斷裂；F5—洪山-范村斷裂；F6—榆次-北田斷裂；F7—三泉斷裂；F8—田莊斷裂。

陳元明[1]系統(tǒng)分析了山西斷陷盆地地裂縫的活動規(guī)律、分布規(guī)律、發(fā)展歷史和構(gòu)造屬性，討論了地裂縫與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件的關(guān)系。王宏軍等[2]分析了祁縣地裂縫與構(gòu)造、斷層、水文地質(zhì)和地層巖性等的關(guān)系。蘇宗正等[3]認(rèn)為交城斷裂控制了太原盆地西邊界地裂縫的延伸方向，超采地下水與強(qiáng)降雨誘發(fā)了地裂縫。門玉明等[4]實地調(diào)查了清徐縣北西側(cè)平泉村至武家坡村地裂縫的分布狀況，總結(jié)了地裂縫破壞特點(diǎn)，預(yù)測地裂縫持續(xù)活動。孫曉涵等[5]根據(jù)太原盆地地下水開采資料，認(rèn)為超采承壓水是導(dǎo)致太原盆地地裂縫發(fā)育的主要原因。雖然，上述學(xué)者從多個角度分析了山西斷陷盆地內(nèi)地裂縫形成原因和發(fā)育特征，但太原盆地地裂縫為何主要沿清徐-交城-文水和太谷-祁縣-平遙呈帶狀群發(fā)這一問題沒有給出明確的解答。

本文試圖通過分析地裂縫分布與太原盆地地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系，探討太原盆地深部構(gòu)造對地裂縫群發(fā)的影響。

1 地質(zhì)背景

太原盆地是山西陸臺上新生代斷陷帶中的大型斷陷盆地，其地貌格局完全受盆山活動斷層控制，盆地寬約40 km，長約105 km，面積約4 000 km2，走向北東，盆地周邊被丘陵和山區(qū)所圍繞，其中西邊界屬呂梁山系，東邊界屬太行山系(圖1)。

1.1 活動斷裂

活動斷裂控制了太原盆地的邊界，其中交城斷裂是太原盆地西邊界的主控斷裂，總體呈北東向展布，北起太原市西邊山，向南經(jīng)晉源、清徐、交城、文水至汾陽，全長約130 km，傾向南東，高角度正斷[6]；洪山-范村斷裂是太原盆地東邊界的主控斷裂，總體走向北東45°左右，傾向北西，長約100 km，高角度正斷[7]；榆次-北田斷裂，位于盆地北部邊界，走向北北西，傾向南西西，長約34 km；三泉斷裂是太原盆地西南邊界斷裂，走向北北西，傾向北東東[8]。太原盆地內(nèi)的隱伏斷裂主要有龍家營斷裂F2、祁縣斷裂F3、平遙-太谷斷裂F4和田莊斷裂F8，其中龍家營斷裂位于太原盆地中部，總體走向30°,傾向SE，傾角47°～75°，隱伏正斷裂，全長約60 km；祁縣斷裂，總體走向45°，傾向南東，傾角50°～60°，延伸長度約96 km，隱伏正斷裂；平遙-太谷斷裂走向北東，傾向北西，延伸長度約40 km；田莊斷裂走向北東，傾向南，全長約35 km，隱伏正斷裂[9]。由圖1可見，太谷-祁縣-平遙地裂縫帶主要分布在太原盆地東邊界的洪山-范村斷裂上盤的祁縣斷裂和平遙-太谷斷裂等兩條隱伏斷裂的兩盤；清徐-交城-文水地裂縫帶主要分布在交城斷裂帶的上盤。

1.2 地層巖性

太原盆地是新生代斷陷盆地，盆內(nèi)新生代地層沉積厚約1 000～2 000 m，最厚約3 800 m[8]。盆地基底所見大部分地區(qū)為二、三疊系砂頁巖，盆地周邊深埋和出露的地層主要為早古生代奧陶系、石炭系和二疊系，以及晚古生代三疊系(圖2)。

圖2 太原盆地剖面示意圖[10]Fig.2 A sketch profile of Taiyuan Basin[10]

1.3 水文地質(zhì)條件

太原盆地內(nèi)地下水的側(cè)向補(bǔ)給主要來源于太原盆地周邊地下水。邊山斷裂對盆地的形態(tài)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件有較大的控制作用。

太原盆地內(nèi)含水層根據(jù)含水介質(zhì)性質(zhì)、水力特性、空間分布和埋藏特征可大致分為四個含水巖組(圖3)，①第四系全新統(tǒng)潛水含水巖組(0～50 m)；②第四系中、上更新統(tǒng)承壓含水巖組(50～200 m)；③第四系下更新統(tǒng)湖積沖積層弱含水巖組(200～400 m)；④古近-新近系紅土夾薄層砂礫石湖積承壓弱含水巖組。淺層潛水含水層分布于全區(qū)，含水層巖性為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的沖、洪積砂礫石；中深層承壓含水層巖性為更新統(tǒng)湖積砂卵石和沖洪積砂層，細(xì)、中和粗砂均有，隔水層多為粉質(zhì)黏土，屬多層結(jié)構(gòu)的承壓含水系統(tǒng)，深50～200 m，含水層厚5～50 m不等[9]，為區(qū)內(nèi)地下水主要開采層位。

圖3 太原盆地水文地質(zhì)剖面示意圖Fig.3 A sketch profile of the hydrogeology in Taiyuan Basin

2 地裂縫群發(fā)規(guī)律

2.1 地裂縫與活動斷裂的關(guān)系

分析圖1我們得出以下信息：清徐-交城-文水地裂縫群發(fā)帶沿太原盆地西北邊界的交城斷裂分布，太谷-祁縣-平遙地裂縫群發(fā)帶沿盆地內(nèi)部的祁縣斷裂分布，兩個地裂縫群發(fā)帶延伸方向明顯受到活動斷裂控制。但是，我們也發(fā)現(xiàn)，除了沿榆次-北田斷裂有零星地裂縫發(fā)育外，太原盆地其它活動斷裂帶上并沒有發(fā)育地裂縫。

2.2 地裂縫分布與地下水位、第四系地層厚度關(guān)系

隨著社會工、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，太原盆地中深層地下水開采量不斷增加，伴隨近年來大氣降水量減少的趨勢，中深層地下水開采量一直處于超采狀態(tài)，盆地內(nèi)形成了大面積的降落漏斗[9]，并持續(xù)擴(kuò)大。分析圖4我們可以得出以下信息：太原盆地中深層地下水降落漏斗中心主要出現(xiàn)在太原、交城、文水、汾陽、介休和平遙，兩大地裂縫群發(fā)帶的延伸方向與中深層地下水的流向近似垂直，與中深層地下水降落漏斗的長軸方向一致。但是我們還發(fā)現(xiàn)，太原和介休市地下水沉降漏斗周邊沒有發(fā)育地裂縫。

圖4 地裂縫分布與第四系厚度等值線、地下水流場圖Fig.4 The distribution of the ground fissures, the thickness contour of the Quaternary, and the groundwater flow field in Taiyuan Basin

太原盆地的西北邊界的第四系地層沉積厚度超過了500 m，盆地南東邊界第四系地層沉積厚度小于200 m，從南東至北西盆地內(nèi)第四系沉積厚度逐漸變大。清徐-交城-文水地裂縫群發(fā)帶位于呂梁山前沖洪積扇與盆地第四系地層的交界帶上，太谷-祁縣-平遙地裂縫群發(fā)帶位于盆地第四系地層厚度由深變淺的過渡帶。

綜合以上分析，可以得出太原盆地地裂縫分布規(guī)律主要有兩條：一是地裂縫分布在既有地下水降落漏斗又有活動斷裂通過的區(qū)域，且地裂縫的主要延伸方向與活動斷裂的走向一致；二是地裂縫分布在第四紀(jì)地層厚度變化較大的區(qū)域。

3 太原盆地深部構(gòu)造特征

3.1 盆地莫霍面隆起

通過人工地震測深和重力資料反演得到山西地區(qū)地殼莫霍面深度等值線(圖5),從圖5中可以看出，莫霍面呈中部抬升，東西降低的格局，與山西地區(qū)從北向南依次出現(xiàn)大同盆地、忻定盆地、太原盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地相對應(yīng)。山西中部太原盆地莫霍面總體走向北東，盆地是莫霍面隆起帶，隆起幅度達(dá)到2～4 km，反映了太原盆地上地幔上隆，導(dǎo)致盆地新生代東西開裂的構(gòu)造格局[10-11]，為上覆第四系地層開裂變形提供了區(qū)域拉張環(huán)境。

圖5 太原盆地MOHO面深度圖[10]Fig.5 The depth of the Moho in Taiyuan Basin[10]

3.2 盆地基底構(gòu)造

太原盆地呈北東走向，被邊緣鏟式斷裂控制，其中盆地北西邊界的交城斷裂新生代以來的最大垂直斷距達(dá)4 200 m，盆地東南邊界的洪山-范村斷裂僅1 000 m[8]，這種巨大差異使得斷陷盆地基底斷折掀斜，新生界沉積厚度自北西向南東逐漸減小，剖面上呈楔形(圖2)。太原盆地內(nèi)部還存在一些與盆地邊緣活動斷裂平行的隱伏斷裂，如龍家營斷裂、祁縣斷裂和平遙-太古斷裂等，其中祁縣斷裂將基底塊體切割為祁縣突起和交城凹陷兩個二級構(gòu)造單元，祁縣突起又可劃分為平遙-侯城斷凹和太谷斷凸兩個三級構(gòu)造單元[9](圖6)。太原盆地第四系地層厚度分布(圖4)反映交城凹陷掀斜最為劇烈，清徐-交城-文水地裂縫群發(fā)帶位于交城凹陷的下降端，太谷-祁縣-平遙地裂縫群發(fā)帶位于交城凹陷的翹起端(圖6)。

圖6 太原斷陷盆地構(gòu)造分區(qū)示意圖[9]Fig.6 The tectonic divisions of Taiyuan Basin[9]

3.3 地裂縫的深部特征及其組合關(guān)系

為了查清地裂縫與深部構(gòu)造的關(guān)系，垂直太谷-祁縣-平遙地裂縫群和清徐-交城-文水地裂縫群分別布置了一條地震勘探線，編號DZ1-DZ1′和DZ2-DZ2′(圖1)。

DZ1-DZ1′地震勘探線布置于祁縣東觀鎮(zhèn)東側(cè)，橫穿四條巨型地裂縫(地裂縫從北向南編號f1、f2、f3和f4，位置見圖1)。淺層地震折射CT解釋剖面(圖7A)顯示四條地裂縫異常明顯。水平疊加時間剖面(圖7B)顯示f1地裂縫下伏有斷層DF2，地裂縫位于淺部，傾向南南東，下伏的斷層呈隱伏狀態(tài)，傾向北北西，主裂縫與下伏斷層組成“Y”型結(jié)構(gòu)。f2地裂縫下伏有斷層DF5，地裂縫位于淺部，傾向北，下伏的斷層呈隱伏狀態(tài)，也傾向北，地裂縫與隱伏斷層以重接形式復(fù)合在一起。f3地裂縫下伏有斷層DF8，地裂縫位于淺部，傾向南，下伏的斷層呈隱伏狀態(tài)，傾向北，主裂縫與下伏斷層組成“Y”型結(jié)構(gòu)。f4地裂縫下伏有斷層DF11，地裂縫與隱伏斷層以重接形式復(fù)合在一起。水平疊加時間剖面顯示，地裂縫f2與f3之間有兩條隱伏斷層DF6和DF7，其中DF7傾向南，地層錯斷明顯，判斷為祁縣斷裂。

圖7 DZ1-DZ1′地震勘探剖面Fig.7 The DZ1-DZ1′profile of seismic explorationA—淺層地震折射CT反演解釋剖面;B—淺層地震水平疊加時間剖面。

DZ2-DZ2′地震勘探線布置于清徐縣北側(cè)，盆山交界地區(qū)，近垂直穿過太原盆地最長的地裂縫。淺層地震折射CT解釋剖面(圖8A)顯示地裂縫異常明顯。水平疊加時間剖面(圖8B)顯示地裂縫下伏有斷層DF13，下伏的斷層呈隱伏狀態(tài)，傾向南東，地裂縫與隱伏斷層以重接形式復(fù)合在一起。地震勘探剖面還揭示了隱伏斷層DF12和DF14，推斷DF12、DF13和DF14構(gòu)成了交城斷裂帶。

圖8 DZ2-DZ2′地震勘探剖面Fig. 8 The DZ2-DZ2′ profile of seismic explorationA—淺層地震折射CT反演解釋剖面；B—淺層地震水平疊加時間剖面。

兩條地震勘探剖面揭示第四系地層中發(fā)育的巨型地裂縫均與深部基巖活動斷層相連接，因此，我們認(rèn)為地裂縫是第四系地層中的活斷層，是活動斷裂的最新組成部分，地裂縫自下而上發(fā)育。

現(xiàn)代高密度、高精度的GPS站點(diǎn)監(jiān)測證實，太原盆地處于北西-南東向的拉張應(yīng)力環(huán)境[12]。這與太原盆地內(nèi)上地幔的隆起，導(dǎo)致中地殼低速-高導(dǎo)層的水平流展，誘發(fā)上地殼伸展的推斷相一致[11]。上地殼伸展的結(jié)果是拉張開裂，形成了盆地邊緣鏟式正斷裂，盆地接受沉積。由于盆地內(nèi)上地幔隆起的差異性，交城斷裂上盤正斷沉降速率超過洪山-范村斷裂，致使盆地斷塊掀斜，并沿太谷-祁縣-平遙斷折，形成交城凹陷和祁縣凸起兩個二級構(gòu)造單元(圖6)。由于基底斷塊的掀斜，交城凹陷沉積第四系地層較厚，祁縣斷凸沉積較薄(圖4)。太谷-祁縣-平遙地裂縫群發(fā)帶恰好位于交城凹陷與祁縣斷凸的交界地帶，也是第四系厚度由厚轉(zhuǎn)薄的過渡帶。同理，清徐-交城-文水地裂縫群發(fā)帶也位于呂梁山與交城凹陷的交界帶，也是由山前較薄的沖洪積層向較厚的第四系地層的過渡帶(圖4)。

4 討論

現(xiàn)代研究資料表明，中更新世以來交城斷裂在清徐-交城-文水的活動速率是0.29～0.38 mm/a，祁縣斷裂為0.07 mm/a，洪山-范村斷裂中南段活動速率南段為0.25～0.31 mm/a[8]，而太原盆地地裂縫垂直活動速率最高達(dá)3 cm/a[13]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過活動斷裂的活動速率。由此可見，僅用斷層活動不能很好的解釋地裂縫的現(xiàn)今活動速率問題。

限于生產(chǎn)技術(shù)，古代主要利用地表水和淺層地下水灌溉農(nóng)田。進(jìn)入現(xiàn)代社會，除了農(nóng)業(yè)和生活用水外，還有巨量的工業(yè)用水需求，地表水和淺層地下水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。由于太原盆地沒有外來水源補(bǔ)充，利用現(xiàn)代技術(shù)抽取中深層地下水成為唯一的選擇，過量抽取中深層地下水造成太原盆地出現(xiàn)沉降漏斗[14]，并持續(xù)擴(kuò)大(圖4)，最終引起地面沉降。但單純抽取地下水引起地面沉降導(dǎo)致的地裂縫規(guī)模較小，一般延伸長度不超過1 000 m，且走向不定[15]，而太原盆地兩大地裂縫群發(fā)帶的長度均超過了20 km，且延伸方向與下伏斷層走向一致(圖1)。我們認(rèn)為，太原盆地地裂縫群發(fā)應(yīng)該是深部構(gòu)造運(yùn)動與現(xiàn)今超采中深層地下水共同作用的結(jié)果，其機(jī)理是上地幔隆起造成太原盆地交城凹陷掀斜，凹陷邊緣交城斷裂和祁縣斷裂上盤正斷下降，牽引第四系地層自下而上破裂，由于第四系土體的碎散性、非均質(zhì)性和各向異性特征，破裂呈帶狀延伸至地表淺層，形成隱伏地裂縫，當(dāng)超采中深層地下水時，鑒于地裂縫的相對隔水性[13]，地裂縫兩側(cè)含水層壓縮量出現(xiàn)差異，這將牽動隱伏地裂縫繼續(xù)向上發(fā)展出露地表，形成與交城凹陷邊緣活動斷裂走向一致的地裂縫群發(fā)帶，其成因機(jī)制見圖9。

圖9 太原盆地地裂縫深部構(gòu)造成因機(jī)制Fig.9 The deep tectonic formation mechanism of the ground fissures in Taiyuan Basin

5 結(jié)論

(1)太原盆地地裂縫群發(fā)地區(qū)具有兩個特征，一是活動斷裂通過；二是超采中深層地下水。

(2)太原盆地上地幔上涌，莫霍面隆起，地殼均衡調(diào)整，盆地基底斷折掀斜，掀斜斷塊邊界活動斷裂上盤正斷下降，牽引上覆第四系地層自下而上破裂至地表淺層，當(dāng)代人類超采中深層承壓水牽動破裂出露地表，形成地裂縫群發(fā)帶。

(3)深部基底斷折掀斜控制了太原盆地地裂縫的發(fā)育地區(qū)和發(fā)育規(guī)模，但現(xiàn)今地裂縫活動是超采中深層地下水誘發(fā)的。