山西交城活動斷裂帶中段地裂縫的構造控制效應研究

張忠義，朱繼良，孫銀行，張建國，張普斌，肖文進，賈潤幸，秦幫策，杜杰

（1.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

0 引言

活動構造與環(huán)境災害密切相關，活動構造與環(huán)境災害的相關性研究，已成為現(xiàn)代構造地質(zhì)學和現(xiàn)代工程地質(zhì)學發(fā)展的新方向（彭建兵，2006）。晉中盆地為一新生代斷陷盆地，盆地活動斷裂發(fā)育，環(huán)境災害地質(zhì)問題嚴重。地裂縫是晉中盆地最主要的地質(zhì)災害之一，對當?shù)亟?jīng)濟建設和居民生命安全造成了嚴重影響，是當前晉中盆地環(huán)境災害研究關注的重點。研究表明，晉中盆地主要為構造地裂縫，活動構造是地裂縫形成的重要或主控因素（武強，2005；彭建兵和范文，2007；彭建斌等，2017；賀秀全等，2009；曹金亮等，2010；李軍等，2014；陳元明，2016；孫曉涵等，2016），活動構造與地裂縫的成因聯(lián)系，特別是活動斷裂的發(fā)生發(fā)展，在此過程中影響控制地裂縫的孕育、擴展、活動機理和分布機制等方面的研究認識仍不斷深入。

本文在前人工作基礎上，結合最新獲取的地表調(diào)研及物探、鉆探等資料，分析研究交城活動斷裂帶中段的構造活動對沿線地裂縫的形成、活動和分布的構造控制機制和效應，為區(qū)域地殼穩(wěn)定性、資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

晉中斷陷盆地是組成山西地塹系的大型新生代斷陷盆地之一，山西地塹系是上疊于早期隆起上的右旋斜列拉張斷陷活動帶。中新世，隨著印度板塊與歐亞板塊的碰撞相關的側(cè)向擠出作用增強，區(qū)域構造應力場由NW-SE 向擠壓轉(zhuǎn)向NNW-SSE 向拉張，是山西地塹系形成的重要構造背景之一。

交城斷裂與太古斷裂是晉中盆地最主要的控盆構造（劉光勛和肖振敏，1982；丁國瑜和盧演儔，1983；徐錫偉，1989），分別構成盆地的北西和南東邊界斷裂帶（圖1），也是重要的活動構造與地裂縫災害帶，一系列地裂縫分別沿斷裂帶集中分布發(fā)育，形成2 條寬約數(shù)千米的活動地裂縫帶（圖2），合理解釋這些地裂縫的時空分布與活動規(guī)律成為揭示其形成因機制的關鍵問題。

圖1 交城斷裂帶中段活動構造圖（盆地等厚線資料來自江娃利等，2012①）

交城斷裂帶北起陽曲縣泥屯鄉(xiāng)，向南經(jīng)清徐-交城-文水，南至汾陽市南峪，全長約180 km，總體走向為NE40°，傾向SE。構成西側(cè)基巖山地和東側(cè)山前洪積扇裙與沖積平原的界線，西側(cè)基巖山地出露古生界、少中生界巖系；東側(cè)盆地的新生界由第四系及上新統(tǒng)組成，斷裂明顯控制盆地新生界和第四系最大沉積，最大厚度位于清徐-交城一線，其中新生界厚達3800 m，第四系厚達600 m（圖1）。新生界沉積物特征表明斷裂至少從上新世已開始活動。

本文選擇交城斷裂帶的中段進行重點研究，它是新構造活動最強和最特征的區(qū)段，也是地裂縫最發(fā)育區(qū)段，其北起晉祠北，向南經(jīng)清徐-交城，南至文水南，全長約75 km（圖1）。

圖2 區(qū)域地裂縫分布及交城斷裂帶中段地裂縫形成機制圖（L1-L15 地裂縫下半球投影）

2 交城斷裂帶中段的活動構造特征

依斷裂的空間幾何展布，交城斷裂帶中段可進一步分為北部晉祠北-清徐北段（NE-NNE 段）、中部清徐北-開柵段（NEE 段）和南部開柵-文水南段（NE-NNE 段）等3 個自然段落（圖1）。

構造帶中段是由多條斷裂組成的斷裂帶，構成西部基巖山地向東部盆地平原的過渡帶，寬300～500 m，北西界斷裂（圖1b 中F1）構成山地基巖區(qū)與東部坡地平原的界線，東南界斷裂（圖1b 中F6）則往往形成山前臺地的前緣陡坎。除北西界邊山斷裂（圖1b 中F1）有地表露頭，向東其它則多為隱伏斷層。

北部晉祠北-清徐北段和南部開柵-文水南段的走向分別為NE-NNE40°左右，傾向SEE，傾角80°左右；北西界邊山斷裂的運動學矢量觀測（圖1a T1、T2、T6）指示為右行走滑運動，而地貌上主要表現(xiàn)為由高角度傾向SE 的傾斜式階梯狀斷層控制的多級構造臺地，綜合特征表明，斷裂帶在這兩段以右行張扭性活動為主。

中部清徐北-開柵段走向為NEE70°左右，傾向SSE，傾角80°左右；北界邊山斷裂的運動學矢量觀測（圖1a T3、T4、T5）表明以正滑運動為主，而劉家園村-西梁泉村一帶開展的物探及聯(lián)合鉆孔探測（圖1b）顯示，主要由7 條高角度正斷層組成壘-塹組合構造樣式。綜合特征表明，斷裂帶在該段以正滑張性活動為主。

前人曾分別在斷裂的三段的探槽采樣，均獲得距今（3.06～3.74）ka、接近5.69 ka、和（8.53～8.56）ka 的斷錯活動年齡（謝新生等，2007，2008；郭慧等，2016），表明三段在全新世具構造活動的同步性；因此推測，全新世，區(qū)域NNW-SSE 向拉張應力場使總體NE-NNE 向的交城斷裂帶受到右旋剪切作用，其中段北部和南部NE-NNE 段主要發(fā)生右行張扭活動，而中部NEE 段則因?qū)贅嬙灬寜簭澢课?，橫向拉張作用下發(fā)生強烈的正滑張性活動與構造凹陷，在斷裂上盤的清徐-交城一線形成沉降中心及沉降厚度向盆的陡變帶（圖1）；據(jù)交城斷裂中段三部分沉陷的第四系厚度分別為240 m、600 m 和350 m，推斷交城斷裂中段三部分的第四紀斷層下降盤沉降速率分別為0.093 mm/a、0.23mm/a 和0.14mm/a；以中部NEE 段的斷陷沉降速率最大、活動最強，次為南部NE-NNE 段，北部NE-NNE 段最小。

另據(jù)GPS 檢測資料和地震源機制解結果推演（彭建斌等，2017；李斌和李自紅，2018），現(xiàn)今晉中盆地主要受NNW-SSE 向拉張應力的控制；綜合表明晚更新世、特別是全新世以來，斷陷盆地的構造應力場與總體構造面貌變化不大。

3 交城斷裂活動帶中段的地裂縫控制效應

3.1 交城斷裂帶中段地裂縫的分布發(fā)育特征

沿交城斷裂帶中段分布的地裂縫主要出現(xiàn)在構造北西界斷裂上盤的斷裂帶內(nèi)，即基巖山地向山地平原過渡的地形陡變帶上。地裂縫多成寬l0～120 m 的帶狀發(fā)育，主體走向為NEE 向，次為NNE-NE向，少數(shù)NW-NNW 向，單條地裂縫的方向性更趨穩(wěn)定；總體走向在45°～80°，優(yōu)勢方位60°～75°，高角度傾向SE 或SSE（圖2 L1～5，L7～15）、少量傾向NNW（圖2 L6），且SE 或SSE 盤、少NNW 盤為下降盤（上盤）（圖2 L1～15），具典型的構造破裂活動特征；變形模式以NNW-SEE 向拉張為主（圖2L3～13），部分為NNE-NE 剪切變形（圖2 L1-1，L14～15）或兩種變形的組合。

另外，地裂縫具有明顯的區(qū)段差異性（圖1a；圖2）。中部NEE 向的正滑張性活動段的清徐-交城一線，地裂縫最發(fā)育，具規(guī)模大、范圍廣、活動強的特點，多為斷裂同向的張裂（地裂縫）（圖2 L3～13），形成長18.5 km，走向60°～75°的大型裂縫帶，與斷裂帶產(chǎn)狀（圖1a T3～T5）近一致，且相互平行發(fā)育（圖2 L3～13），表現(xiàn)為水平拉張，垂直位錯亦明顯，結構面不平整（圖3a、b），危害最嚴重（圖3d）。

北部和南部的NE-NNE 向的張扭區(qū)段則明顯不發(fā)育（圖2），出現(xiàn)的地裂縫規(guī)模也小，與斷裂同向或小角度相交，走向20°～45°，一般高角度傾向SE，常具一定的扭張?zhí)卣鳎▓D2 L1～5，L7～15），主裂縫上盤見次級地裂縫（羽裂狀、雁列狀），有時在結構面上見低角度擦痕線理（圖3c）。而不同方向斷裂的轉(zhuǎn)彎連接處，如清徐北、開柵、文水南等點，地裂縫則相對集中發(fā)育且產(chǎn)狀變化較大（圖2a）。構造中部的NEE 向的正滑活動段附近（如清徐馬峪鄉(xiāng)、仁義村等地）是因裂陷作用導致第四紀地層厚度由淺變深的突變帶（圖1a），也是地裂縫最發(fā)育區(qū)段（圖2），西梁泉村一帶，地裂縫在南部地塹中（圖1bF6與F7 之間；圖4）尤其發(fā)育，該處也是下降盤沉降速率最大，第四系厚度變化最大處（圖1b）。

3.2 交城斷裂帶中段地裂縫的構造成因

沿交城斷裂帶中段分布的地裂縫發(fā)育在基巖山地向山地平原過渡的地形陡變帶上。帶狀展布、排列有序、方向性強且與活動斷裂協(xié)調(diào)相伴，表明地裂縫可能是旁側(cè)或下伏斷層活動的地表或淺層效應；物探及前人槽探（陳元明，2016）工作揭示，部分地裂縫向下與斷層直接相連或重合，顯然部分裂縫就是活動斷層的一部分。因此，地裂縫具明顯的構造屬性特征。

新的調(diào)研資料表明，交城斷裂帶中段活動構造的災害（地裂縫）效應呈現(xiàn)明顯的區(qū)段差異性。

圖3 葡萄溝地裂縫平面特征（a）與剖面特征（b）、開化村地裂縫結構面上的擦痕（c）及西梁泉村地裂縫錯裂的建筑（d）

圖4 NEE 向的正滑活動段及地裂縫在西梁泉村一帶的分布發(fā)育

中部NEE 向構造段由相對密集的高角度正斷層組成壘-塹組合構造樣式（圖1b），NNW-SSE 拉伸強烈，第四紀裂陷沉積厚度大，發(fā)育同向的張裂（地裂縫），且多位于高級別地塹中，表明與正斷活動中因調(diào)節(jié)滑動塊體所導致的地殼失穩(wěn)在上覆的相對松散沉積層中產(chǎn)生的破裂效應有關。北部和南部的NE-NNE 向的張扭區(qū)段的地裂縫相對不發(fā)育，出現(xiàn)的與斷裂同向或小角度相交，具一定的扭張?zhí)卣鞯亓芽p，可能是張扭斷裂在其旁側(cè)或上覆的新生界沉積層中優(yōu)先生成的與斷裂小角度相交的里德爾R剪裂。不同方向斷裂的轉(zhuǎn)彎連接處，地裂縫較發(fā)育，且產(chǎn)狀變化較大，推測主要是與走滑斷裂在轉(zhuǎn)彎連接處的應力釋放效應有關的“T”型張裂和“R”型剪裂（圖2）。

交城斷裂帶中段活動構造特征及第四紀斷陷沉降速率均表明，構造中部NEE 向構造段的同構造NNW-SSE 向拉張最強烈，地裂縫最發(fā)育、規(guī)模最大；而北部和南部的NE-NNE 向的張扭區(qū)段的拉張弱，地裂縫不發(fā)育；不同方向斷裂的轉(zhuǎn)彎連接處則是應力集中釋放處，地裂縫較發(fā)育。綜合表明，斷裂活動是地裂縫沿交城斷裂帶中段分布發(fā)育的主控因素，大斷裂的活動與區(qū)域構造應力場密切相關，而大斷裂活動引起的局部應力場變化及相關構造則影響控制了地裂縫的孕育、擴展和活動。

4 討論

一系列地裂縫沿交城斷裂帶中段集中分布，形成寬約數(shù)公里的活動地裂縫災害帶，受災體包括房屋、道路、耕地及其它工程設施等；而交城活動斷裂帶是沿線地裂縫孕育、擴展和活動的主控因素。研究表明（武強等，2002），該類地裂縫災害帶的致災機理是由于下部斷層活動導致地表土體破裂，并通過應力傳遞、集中、釋放等活動方式，對土體、地下工程和地表建筑物施加以拉張應力和剪切應力，破裂一經(jīng)開始，建筑物的自重應力與構造應力聯(lián)合作用，導致建筑物變形和破壞而釀成災害。

5 結論

活動構造是交城斷裂帶中段沿線或附近地裂縫孕育、擴展和活動的重要或主控因素，且構造的災害（地裂縫）效應具明顯的區(qū)段差異性，沿NEE 向構造段以及其與NNE-NE 向構造段的結合部最發(fā)育，斷裂活動引起的局部應力場變化影響控制了相關地裂縫的發(fā)生發(fā)展；因此，為了將地裂縫災害損失降低到最小，可將構造災害（地裂縫）效應的區(qū)段差異性作為災害防治分區(qū)的重要依據(jù)與參考之一，提出并采取分區(qū)分段的防治對策。同時，區(qū)域資料顯示沿交城斷裂帶分布的地裂縫具多期活動、準周期性及間歇性活動特征，表明斷裂活動可形成地裂縫或?qū)е碌亓训幕罨?，甚至可能僅形成隱伏或潛在破裂面，而地下水超采和滲透、黃土濕陷、甚至抬升釋壓等能誘發(fā)或加劇地裂縫的開裂或復活。另外，區(qū)內(nèi)地裂縫是形成于斷裂帶的無震蠕滑活動，還是由歷史地震粘滑活動導致等仍不清，有待深入研究。

注釋

①江娃利，郭慧，謝新生，等.2012.山西交城斷裂帶活斷層填圖（1∶5 萬）報告［R］.中國地震局地殼應力研究所.