黎城盆地形成及斷裂特征、第四紀(jì)活動性探討

趙志偉

（山西省地質(zhì)勘查局212地質(zhì)隊，山西長治046000）

1 前言

1.1 概述

廣義的長治盆地位于華北地塊中部，沁水塊坳東南部，太行山塊隆西南部，地貌上屬于高原盆地，平均海拔900～970m，分布向北至襄垣、向西至屯留、向東至黎城、向南至長治縣。長治盆地整體為濁漳河的沖積平原區(qū)，區(qū)內(nèi)第四紀(jì)黃土沖溝及河谷較發(fā)育，地形切割強(qiáng)烈。長治盆地可細(xì)分為南部長治盆地（狹義）、西北部襄垣盆地、東北部黎城盆地。本次以黎城盆地作為研究對象，和狹義上的長治盆地進(jìn)行對比分析。

根據(jù)野外調(diào)查分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，筆者本次將徐順強(qiáng)等認(rèn)為黎城盆地北緣黎城斷裂[1]歸為李莊斷裂，將位于黎城盆地南緣的斷裂定名為黎城斷裂。近幾年，對于長治盆地形成及長治斷裂第四紀(jì)構(gòu)造活動性等方面的研究已經(jīng)取得了不錯進(jìn)展，但對黎城盆地的形成及黎城斷裂第四紀(jì)構(gòu)造活動性的研究接近于無，本次筆者依托在黎城盆地取得的煤炭勘查資料，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對黎城盆地的形成、黎城斷裂的基本構(gòu)造特征和第四紀(jì)活動性進(jìn)行初步分析和探討。

1.2 區(qū)域地質(zhì)背景

受古亞洲洋構(gòu)造域、太平洋構(gòu)造域和特提斯構(gòu)造域的影響[2]，中生代華北克拉克通開始活化，燕山期古太平洋板塊向亞洲板塊下俯沖，同期華北地塊內(nèi)部開始發(fā)生強(qiáng)烈的陸內(nèi)北北東—北東向褶皺和逆沖變形[3]。于長治盆地表現(xiàn)為盆地東晉獲褶斷帶重新活動，區(qū)域上南東東—北西西向擠壓應(yīng)力主應(yīng)力軸方向為294°∠1°[4]，在其作用下形成了北北東向壓性構(gòu)造及北西向、北東東向剪性構(gòu)造（見圖1、圖2）。北北東向壓性構(gòu)造本區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為隔擋式背斜和逆沖變形，如老頂山復(fù)式背斜、微子鎮(zhèn)—賈掌向斜、烏集頭—集店向斜及孟家莊斷裂；北西向、北東東向剪性構(gòu)造則表現(xiàn)為壺口斷裂、潞城斷裂、西川斷裂、黎城斷裂及李莊斷裂。

新生代時期，華北地塊相對運(yùn)動，中新世北西西向剪切應(yīng)力場和北北東向剪切應(yīng)力場影響加強(qiáng)，在華北地塊形成運(yùn)城盆地和大同盆地雛形；上新世隨著印度板塊與歐亞板塊的進(jìn)一步碰撞，華北地塊北西西向左旋剪切應(yīng)力及北東向右旋剪切應(yīng)力均得到加強(qiáng)，在兩種應(yīng)力的共同作用下，斷陷活動由南北兩端向內(nèi)部發(fā)展，于上新世形成忻定、太原、臨汾盆地等。于長治盆地表現(xiàn)為晉獲褶斷帶上新世開始繼續(xù)復(fù)活，上新世構(gòu)造應(yīng)力場擠壓方向為北北東—南南西向，主應(yīng)力軸方向為201°∠5°，北北東向晉獲褶斷帶與最大主應(yīng)力跡線近乎平行，褶斷帶北西西向發(fā)生應(yīng)力松弛，前期擠壓構(gòu)造開始出現(xiàn)負(fù)反轉(zhuǎn)[5]，黎城斷裂南部早期逆斷層正斷層運(yùn)動形成長治正斷層（見圖1、圖2）。同時在北西西向左旋剪切應(yīng)力及北東向右旋剪切應(yīng)力影響下，形成長治盆地。而黎城盆地西側(cè)孟家山斷裂因與李莊斷裂、黎城斷裂均有交匯節(jié)點，而節(jié)點部位應(yīng)力容易集中，促使原有逆沖斷層沿北北東方向繼續(xù)逆沖變形。此期應(yīng)力場進(jìn)一步塑造了黎城盆地西側(cè)輪廓。

第四紀(jì)以來，華北地塊各塊體之間的相對運(yùn)動發(fā)生了一定變化，北西西向左旋剪切應(yīng)力及北東向右旋剪切應(yīng)力均在加強(qiáng)，但是北東向右旋剪切應(yīng)力增強(qiáng)幅度明顯大于北西西向左旋剪切應(yīng)力，其合力方向由北西向拉張逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸北蔽飨蚶瓘?。這也導(dǎo)致了北東向斷裂垂向活動性質(zhì)加大，北北東向斷裂右旋性質(zhì)加強(qiáng)。于黎城盆地表現(xiàn)為隨著北北東—南南西向主應(yīng)力開始向北東東—南西西向主應(yīng)力轉(zhuǎn)變，最終主應(yīng)力軸方向變?yōu)?4°∠4°，最小主應(yīng)力方向為343°∠3°，與早期形成的壓剪性質(zhì)的北東東—南西西斷層近乎垂直，在北西西向左旋剪切應(yīng)力及北東向右旋剪切應(yīng)力合力—北北西向拉張力作用下，黎城盆地南北端早期形成的壓剪性質(zhì)斷層—李莊斷裂、黎城斷裂開始發(fā)生正斷層構(gòu)造活動，最終于更新世晚期形成黎城盆地（見圖1、圖2）。

1.3 區(qū)域構(gòu)造部位

依據(jù)晉獲褶斷帶斷層性質(zhì)和地貌特征，晉獲褶斷帶分為獲鹿—黎城段、黎城段、黎城長治段、長治—晉城段[6]，而黎城盆地就位于黎城段。晉獲褶斷帶黎城段即孟家莊斷裂受李莊斷裂、黎城斷裂控制，在黎城盆地北緣、南緣發(fā)生斷錯，李莊斷裂兩端斷層習(xí)性存在較大差異，集中表現(xiàn)為黎城斷裂南端長治正斷層的負(fù)反轉(zhuǎn)，李莊斷裂北端鹿獲—黎城段的右旋走滑，黎城段自身的逆沖變形。黎城盆地位于晉獲褶斷帶黎城段東側(cè)，受李莊斷裂和黎城斷裂控制，呈似三角形狀形態(tài)。

2 斷裂的基本特征

2.1 構(gòu)造演化

孟家莊斷裂、李莊斷裂及黎城斷裂均為晉獲褶斷帶的重要組成部分，三者構(gòu)成了黎城盆地與其南北、東西側(cè)的地質(zhì)—地貌分界線，控制了黎城盆地的新構(gòu)造運(yùn)動。黎城盆地地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)明顯，孟家莊斷裂以西為沁水塊坳的組成部分娘子關(guān)—坪頭坳緣翹起帶，由奧陶系及寒武系碳酸鹽巖組成，地貌表現(xiàn)為中低山。李莊斷裂北部為贊皇塊凹，由寒武奧陶系碳酸鹽巖及長城紀(jì)砂泥巖組成，地貌表現(xiàn)為中低山區(qū)。黎城斷裂東部為太行山塊隆，由寒武奧陶紀(jì)碳酸鹽巖組成，地質(zhì)上為北北東向復(fù)背斜，地貌表現(xiàn)為中低山。

黎城盆地為小型斷陷盆地，形成之前位處微子鎮(zhèn)—賈掌向斜的北段，向斜因晉獲褶斷帶東側(cè)主逆沖斷層牽引而形成[7]，向斜表現(xiàn)寬緩，軸部局部保留石炭—二疊紀(jì)含煤地層，產(chǎn)狀近水平，傾角4°～8°，僅在靠近西部背斜的地段地層傾角陡然變大，最大可達(dá)18°。含煤地層上部堆積200m左右厚的松散沉積物。

上述地質(zhì)地貌特征表明黎城盆地所在區(qū)域在經(jīng)過早期升降作用后，于中生代燕山運(yùn)動時再次大范圍持續(xù)上升，遭受剝蝕并發(fā)生強(qiáng)烈的褶皺逆沖構(gòu)造運(yùn)動，同時發(fā)生壓剪斷裂作用，形成黎城盆地的基本構(gòu)造框架。喜馬拉雅運(yùn)動中期，盆地西側(cè)再次小范圍持續(xù)上升，遭受剝蝕并發(fā)生較為強(qiáng)烈的褶皺逆沖構(gòu)造，并于黎城盆地一側(cè)開始剝蝕堆積物沉積，直至上新世末，完成盆地西側(cè)輪廓的塑造。喜馬拉雅運(yùn)動晚期，隨著區(qū)域主構(gòu)造應(yīng)力方向的轉(zhuǎn)移，繼長治盆地之后，本區(qū)也開始發(fā)生垂直差異性構(gòu)造運(yùn)動，進(jìn)而形成群山環(huán)繞構(gòu)造洼地，奠定現(xiàn)今地形地貌基本格局。上更新世以來，構(gòu)造活動趨于平穩(wěn)，盆地開始萎縮，地表的侵蝕—堆積作用在原有地貌基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行夷平面改造。

2.2 地貌分異

黎城盆地地貌分異明顯，總體呈現(xiàn)了東部南高北低，西部南低北高的四象限地形分布特征[8]，黎城盆地最高海拔925m，最低海拔677m，平均海拔800m，受構(gòu)造控制，山地和洼地的走向均為北北東向，分別對應(yīng)老頂山復(fù)式背斜和微子鎮(zhèn)—賈掌向斜。

2.3 構(gòu)造應(yīng)力場分析

黎城盆地現(xiàn)今的構(gòu)造格局是在三期構(gòu)造應(yīng)力場下形成。

第一期：中生代北北東—北東向擠壓應(yīng)力場，在此期間，黎城盆地所在區(qū)域進(jìn)行逆沖褶皺及斷裂活動，形成老頂山復(fù)式背斜、微子鎮(zhèn)—賈掌向斜及孟家莊斷裂，微子鎮(zhèn)—賈掌向斜為魏家莊—北仙泉向斜向北延伸部分。同時區(qū)域上形成文王山斷裂在內(nèi)的一系列北西向、北東東向剪性構(gòu)造。李廣紅通過分析衛(wèi)片認(rèn)為李莊斷裂很可能是文王山斷裂的東段延伸部分[9]，筆者通過分析襄垣五陽礦區(qū)勘探資料發(fā)現(xiàn)，文王山斷裂向東延伸至襄垣縣城東南原莊村，與晉獲斷裂相交，走向北東向80°，傾向北西，傾角75°，于五陽礦區(qū)最大斷距500m[10]。本次筆者認(rèn)為文王山斷裂與李莊斷裂同期形成，呈共軛產(chǎn)出，但不應(yīng)為同一條斷裂。

第二期：新近紀(jì)北北東—南南西向擠壓應(yīng)力場，在此期間，黎城盆地所在區(qū)域相較長治盆地，構(gòu)造運(yùn)動明顯不同，長治盆地此期開始垂直升降運(yùn)動并接受松散物沉積，而黎城盆地繼續(xù)逆沖褶皺活動，并于逆斷層下盤接受剝蝕堆積物沉積。

第三期：第四紀(jì)北北西向擠壓應(yīng)力場，在此期間，黎城斷裂、李莊斷裂開始復(fù)活，形成黎城正斷層和李莊正斷層，最終具地塹構(gòu)造的黎城盆地。

通過對比長治盆地第四紀(jì)沉積厚度筆者發(fā)現(xiàn)，長治盆地早更新統(tǒng)沉積49m，中更新統(tǒng)沉積30m，晚更新統(tǒng)沉積3m；與此同時黎城盆地早更新統(tǒng)沉積72m，中更新統(tǒng)沉積40m，晚更新統(tǒng)沉積10m，這說明發(fā)現(xiàn)第三期應(yīng)力場作用下發(fā)生的垂直升降作用相較第二期明顯減弱，其應(yīng)力場強(qiáng)度明顯較小。結(jié)合第三期構(gòu)造應(yīng)力場與之配套的共軛剪節(jié)理不甚發(fā)育，筆者認(rèn)為該期應(yīng)力場或為第二期應(yīng)力場的主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)連續(xù)過渡形成，這也解釋了長治盆地第四紀(jì)沉積的連續(xù)減薄和黎城盆地的相對較厚的原因。并以此推測第二期應(yīng)力場的主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)發(fā)生在新近紀(jì)晚期或早更新統(tǒng)早期。

在第三期主應(yīng)力的作用下，早期剪性構(gòu)造發(fā)生正斷層運(yùn)動，并有右旋走滑表現(xiàn)，區(qū)域上表現(xiàn)為潞城斷裂和壺口斷裂將長治大斷層錯斷為三截。

2.4 第四紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動特征

黎城盆地四象限地形及地貌分異是黎城斷裂、孟家莊斷裂及李莊斷裂水平活動的產(chǎn)物，這也與華北地臺擠壓盆山耦合體制轉(zhuǎn)為引張盆地耦合體制[11]相對應(yīng)，本區(qū)應(yīng)力場東西—南東方向具有右旋走滑特征與沁水塊坳的應(yīng)力場特征基本一致。

區(qū)內(nèi)第四系松散沉積物可見顯著的大面積整體抬升，在黎城盆地北側(cè)山皇垴一帶，可見高出盆地海拔標(biāo)高200m的剝夷面，說明黎城盆地垂直升降活動始發(fā)于第四紀(jì)早更新世。

對比長治盆地第四紀(jì)期間堆積的松散沉積物，可以發(fā)現(xiàn)長治盆地上新世任家垴組地層厚240m，而黎城盆地僅70m。長治盆地任家垴組巖性底部存在殘坡積紅土風(fēng)化殼，向上巖性為灰黃、灰紫色卵礫石層、灰綠色—灰黃色亞砂土、亞粘土、粘土，以湖泊相湖積物為主，夾洪積物薄層，為還原—氧化環(huán)境沉積物；大墻組主要為紅色氧化相沖洪積物，含礫巖石無分選，礫石棱角狀，均表明沉積物搬運(yùn)距離較近；離石組以紅色氧化相沖洪積物；黎城盆地巖性任家垴組為河流相深棕紅色粘土、粉質(zhì)粘土及卵礫石層，卵礫石多呈半膠結(jié)狀態(tài)，以沖洪積物為主，為氧化環(huán)境沉積物；大墻組巖性由深紅色—灰綠色粘土、粉質(zhì)粘土及卵礫石層組成，土層中含鐵錳質(zhì)結(jié)核，為湖泊、河流沉積環(huán)境；離石組巖性主要為棕紅、黃紅色粉質(zhì)粘土，夾鈣質(zhì)結(jié)核層，盆地北部夾多層卵礫石層，盆地南部土質(zhì)較均勻，為洪積、風(fēng)積沉積環(huán)境。

筆者認(rèn)為長治盆地和黎城盆地不僅在上新世沉積物巖性上存在差異，而且垂直升降運(yùn)動開始發(fā)生時期也不同，同時不同時期不同地段的差異升降幅度也有所不同。據(jù)此也說明了第二期以長治斷裂為主要代表的主體構(gòu)造活動主要發(fā)生在新近紀(jì)到早更新世，中更新世以來開始減弱，逐漸過渡到第三期以黎城斷裂為代表的構(gòu)造活動，第三期構(gòu)造應(yīng)力明顯弱于第二期，表現(xiàn)為黎城盆地第三期第四紀(jì)沉積物厚度遠(yuǎn)小于長治盆地第二期上新世沉積物厚度。筆者認(rèn)為第三期應(yīng)力場或為第二期應(yīng)力場的主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)連續(xù)過渡形成，這也解釋了黎城盆地的沉降作用持續(xù)到較晚時期的原因。

3 黎城盆地斷裂構(gòu)造

3.1 孟家莊斷裂

孟家莊斷裂展布于黎城盆地的西緣，控制了黎城盆地的形成和演化，孟家莊斷裂表現(xiàn)逆沖斷層的地質(zhì)地貌特征。孟家莊斷裂于黎城盆地西緣延伸長度6km，走向北北東，斷距250m，斷層傾向北西，傾角70°。斷層斷距向南變小，下降盤主要巖性為石炭系本溪組、奧陶系峰峰組地層，上覆為任家垴組河流相砂礫石層、張村組湖相粘土—砂層，小常村組河湖相雜色粘土—砂層。上升盤主要巖性為奧陶系馬家溝組灰?guī)r為主[12]。整體上來說，孟家莊斷裂在黎城盆地西緣表現(xiàn)為走向北北東的高角度逆斷層。

3.2 李莊斷裂

李莊斷裂展布于黎城盆地的北緣，李莊斷裂自洪井鄉(xiāng)土地垴起，沿黎城盆地北側(cè)山前向東延伸至東陽關(guān)鎮(zhèn)辛村，斷裂長12km，走向北東東75°～南東東95°，斷距200～270m，斷層傾向南，傾角73°～83°。斷層下降盤主要巖性為石炭系二疊系含煤地層，上升盤主要巖性為奧陶系上馬家溝組地層。整體上來說，李莊斷裂在黎城盆地北緣表現(xiàn)為走向近東西向的高角度正斷層。

3.3 黎城斷裂

黎城斷裂展布于黎城盆地的南緣，李莊斷裂自西仵鄉(xiāng)幸福莊村起，沿黎城盆地南側(cè)山前向東延伸至東陽關(guān)鎮(zhèn)東南，斷裂長13km，走向北東東62°～83°，斷距15～100m，斷層傾向北，傾角83°。斷層下降盤主要巖性為石炭系本溪組地層，上升盤主要巖性為奧陶系上馬家溝組地層。整體上來說，黎城斷裂在黎城盆地北緣表現(xiàn)為走向北東東向、北東向的高角度正斷層。

4 斷裂活動性研究

據(jù)1988年國家地震局《鄂爾多斯周緣活動斷裂系》專題研究，長治盆地的下陷速率為3mm/a，長治斷裂以東太行山區(qū)垂直上升速率為5mm/a，且長治斷裂帶還發(fā)生過3級地震，說明斷裂至今仍在活動，但活動性較弱。長治盆地自 1970 年以來，共發(fā)生 2 次 ML≥3.0 地震，分別為1981年ML3.0和1982年ML3.3地震，說明長治盆地地震活動也相對較弱[13]。

黎城斷裂及李莊斷裂根據(jù)高密度電法解釋成果，確定其均錯斷中更新統(tǒng)地層，以此推斷兩斷裂均為第四系活動斷裂，這與區(qū)域應(yīng)力場是一致的。根據(jù)黎城歷年的地震記錄，縣境內(nèi)發(fā)生過有感地震三次，最大一次震級4.1級。最近一次有感地震發(fā)生在2004年，震級1.7級。根據(jù)山西省地震局公布的山西及鄰近地區(qū)地震目錄及震中分布圖數(shù)據(jù)，黎城無感地震時有發(fā)生。僅2020 年1～3 月就發(fā)生3 次無感地震。黎城盆地位于晉獲褶斷帶中北部交界處，晉獲褶斷帶歷史記錄中最大震級為5.5級，多數(shù)地震發(fā)生在晉獲褶斷帶的中部和北部。又因孟家莊斷裂、黎城斷裂及李莊斷裂是晉獲褶斷帶的關(guān)鍵節(jié)點，易造成應(yīng)力集中，同時晉獲褶斷帶本身又受多個地震帶影響，故黎城盆地地震環(huán)境比較復(fù)雜。

5 結(jié)論

（1）黎城盆地形成、構(gòu)造演化和地貌發(fā)育受孟家莊斷裂、黎城斷裂、李莊斷裂控制，孟家莊斷裂為高角度逆沖斷層，黎城斷裂、李莊斷裂為高角度正斷層，上述斷層后期均表現(xiàn)了右旋走滑性質(zhì)。

（2）黎城盆地形成于華北地塊三期構(gòu)造應(yīng)力場作用之下，中生代第一期構(gòu)造應(yīng)力場奠定黎城盆地基本框架，新近紀(jì)第二期應(yīng)力場完成了盆地西側(cè)輪廓的塑造，第四紀(jì)早中期第三期應(yīng)力場完成了黎城盆地的形成并構(gòu)建了黎城盆地現(xiàn)今的地形地貌格局。

（3）結(jié)合高密度電法資料，確定黎城斷裂和李莊斷裂為第四紀(jì)活動斷裂。且因孟家莊斷裂、黎城斷裂及李莊斷裂位于晉獲褶斷帶的關(guān)鍵節(jié)點，同時晉獲褶斷帶本身又受多個地震帶影響，黎城盆地地震環(huán)境比較復(fù)雜。