秦幫策方維萱張建國賈潤幸肖文進

1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650000;

2.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心礦山生態(tài)環(huán)境資源創(chuàng)新實驗室,北京 100012;

3.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心西南地質(zhì)調(diào)查所,云南 昆明 650000

0 引言

山西省晉中盆地是典型的“兩山夾一盆”盆山鑲嵌構(gòu)造區(qū),該構(gòu)造區(qū)內(nèi)的構(gòu)造地貌、沉積演化與地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性之間的相互關(guān)系一直是研究熱點問題(武強和陳佩佩,2003;劉池洋等,2006;王應(yīng)剛,2007;倪倩,2008;郭瑾,2015;李建星等,2015;李庶波等,2015;臧明東,2015;魏榮珠等,2017;周靜靜等,2019)。晉中盆地位于山西省汾渭地塹系中部,屬新生代斷裂控制的走滑拉分斷陷型盆地。該盆地總體呈北東向“S”型展布,長約100 km,寬約40 km,總面積約6000 km2,地貌以“兩山夾一盆”為特征,西側(cè)為呂梁山系,東側(cè)為太岳山系。晉中盆地內(nèi)部地塊分布自北向南依次為:太原凸起→東部斷階→交城凹陷→祁縣凸起→西部斷階 (武強等,2003),盆地周邊由北東和北北東向活動斷裂所控制,西北緣控盆斷裂為交城斷裂(許桂林等,1998;馬保起等,1999),南東緣控盆斷裂為太谷斷裂 (謝新生等,2004;江娃利和王煥貞,2004)。上新世初,盆地開始全面斷陷下降接受沉積,整體呈北西深、南東淺的“箕狀”斷陷,西部沉積物厚度最深可達3800 m,為東部的10倍(中國地震局地殼應(yīng)力研究所,2010)。

晉中陸內(nèi)盆地典型斷陷沉積和沉積演化獨具特色(王乃樑,1996;胡小猛等,2002;閆小兵等,2014;王利康等,2017;王磊,2018;魏榮珠等,2020)。王乃樑(1996)研究揭示了從盆地內(nèi)部到盆地外圍第四系沉積序列及沉積環(huán)境。胡小猛等(2002)研究認為第四紀(jì)中晚期湖泊沉積經(jīng)歷了3次大幅度湖退過程。王利康等(2017)總結(jié)了晉中盆地第四紀(jì)以來巨厚的河湖相地層特征,認為盆地邊緣中更新世以來在湖相地層上部覆蓋了數(shù)十米厚的風(fēng)成黃土。王磊(2018)研究認為晉中盆地上更新世和全新世沉積環(huán)境為河流沉積,經(jīng)歷了5次曲流河旋回演化。魏榮珠等(2020)采用晉中盆地東北部晚新生代標(biāo)準(zhǔn)孔ZK01巖芯的沉積學(xué)及磁性地層學(xué)研究劃分了晉中盆地第四系地層,認為中更新世和全新世沉積環(huán)境為河流及湖泊沉積。通過對比已有研究成果,可知關(guān)于晉中盆地沉積環(huán)境的研究認識尚未得到統(tǒng)一,究其原因,是因缺乏盆地總體的構(gòu)造巖相學(xué)格架研究,在局部研究成果上難以進行對比綜合研究,制約了研究揭示沉積盆地尺度上沉積序列和沉積演化規(guī)律。

構(gòu)造巖相學(xué)指“在一定時間-空間結(jié)構(gòu)上,巖石組合類型及這些巖石特征代表的構(gòu)造-地質(zhì)環(huán)境和條件的綜合反映” (方維萱,2012),其表達式為:構(gòu)造巖相學(xué)={x,y,z,T,M-(t-p-T)},構(gòu)造巖相學(xué)具有橫斷學(xué)科特征,其方法具有多尺度性及綜合性(方維萱,2016)。在沉積盆地尺度上研究盆內(nèi)沉積序列和沉積演化,需要采用遙感構(gòu)造地貌學(xué)、沉積學(xué)、構(gòu)造巖相學(xué)路線剖面和綜合構(gòu)造巖相修圖等,進行沉積盆地內(nèi)平面沉積序列建立,并采用鉆孔勘查和地球物理探測,進行沉積盆地內(nèi)垂向沉積序列建立,同時對重點地段進行地球化學(xué)巖相學(xué)和年代學(xué)解剖研究,進而實現(xiàn)五維空間-時間-物質(zhì)域宏觀總結(jié)研究。

文章采用構(gòu)造巖相學(xué)創(chuàng)新研究方法,對晉中新生代陸內(nèi)盆地進行沉積序列和沉積演化研究,揭示了沉積序列、沉積環(huán)境和物質(zhì)組成(M)在山西晉中盆地地表和鉆孔中(x-y-z空間域)的變化規(guī)律,建立了第四紀(jì)(時間域t)沉積序列結(jié)構(gòu),對晉中新生代陸內(nèi)盆地的沉積演化規(guī)律和同沉積斷裂的活動性進行了探討,擬總結(jié)出晉中盆地沉積演化新的宏觀認識,為區(qū)域環(huán)境氣候演化、工程場址選擇及區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考作用。

1 區(qū)域背景

晉中盆地地貌格局為北東至南西走向的斜長形斷陷盆地,地勢北高南低,西高東低,四周為丘陵山區(qū)所環(huán)繞(圖1a)。東側(cè)太行山系太岳山脈,海拔高度在1300～1700 m,最高峰位于介休縣茶山一帶,海拔2120 m(圖1a)。東部地貌類型從侵蝕性中-低山地向黃土丘陵、黃土塬、梁、峁等,再到盆地內(nèi)部廣闊傾斜沖積平原緩慢過渡(圖1b)。西側(cè)呂梁山系海拔高度為1500～1800 m,最高峰為關(guān)帝山,海拔2830.7 m(圖1a)。受斷裂活動影響,西部地貌類型從侵蝕性中-低山地急劇下降為盆地內(nèi)部沖洪積平原,沖積扇群及黃土型臺地分布在山前地區(qū)(圖1b)。盆地南部為黃土丘陵地貌,北部主要為沖積扇裙地貌,河谷地貌在盆地內(nèi)部的汾河、瀟河及烏馬河等河流地區(qū)分布(圖1b)。

晉中盆地周圍出露的地層巖性主要為奧陶系白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰?guī)r;石炭系砂巖、頁巖、砂頁巖、煤層;二疊系砂質(zhì)頁巖、頁巖、泥巖;三疊系長石砂巖夾砂質(zhì)泥巖、長石砂巖與砂質(zhì)泥巖互層;紀(jì)侏羅系石英砂巖、泥巖。該盆地自中新世后開始接受沉積,上新世初形成以德保組和靜樂組為代表的陸相沉積巖系,呈角度不整合于侏羅紀(jì)地層之上。德保組的泥灰?guī)r和黏土巖屬于陸內(nèi)淺湖相沉積,對應(yīng)斷陷成盆階段;靜樂組以砂、砂質(zhì)黏土和黏土為主,鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育,為湖泊三角洲相沉積,指示盆內(nèi)湖泊變淺過程。到第四紀(jì),隨著從盆山過渡帶向盆地內(nèi)部地貌的分帶特征,盆山過渡帶黃土堆積地貌區(qū)自下而上沉積了下更新統(tǒng)午城黃土、中更新統(tǒng)離石黃土及上更新統(tǒng)馬蘭黃土系列風(fēng)成黃土陸相地層;盆山過渡帶內(nèi)的河流階地地貌區(qū)、沖積扇群地貌區(qū)及傾斜平原地貌區(qū),先后沉積了下更統(tǒng)統(tǒng)大溝組、木瓜組,中更新統(tǒng)匼河組,上更新統(tǒng)丁村組、峙峪組,全新統(tǒng)選仁組、沱陽組等多組河湖相沉積地層;在盆地內(nèi)部廣闊的沖積平原地貌區(qū)主要以泥河灣組湖相及汾河組河流相沉積地層為主,二者具有跨時性,其中泥河灣組主要沉積于下更新世(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1997)。

2 第四系沉積序列與演化

在晉中盆地第四系沉積序列研究中,第四系地層劃分方案沿用山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局于1997年在“全國地層多重劃分對比研究”工作中對山西省巖石地層進行重新劃分的方案,即:下更新統(tǒng)午城(黃土)組 (Qp1w);中更新統(tǒng)離石 (黃土)(Qp2l)組;上更新統(tǒng)馬蘭(黃土)組(Qp3m)、峙峪組(Qp3s^);全新統(tǒng)沱陽組(Qht);汾河組(Qf)。將晉中盆地清徐地區(qū)第四系沉積物劃分為下更新統(tǒng) (Qp1)、中更新統(tǒng) (Qp2)、上更新統(tǒng)(Qp3)、馬蘭(黃土)組(Qp3m)、峙峪組(Qp3s^)、全新統(tǒng) (Qh)、沱陽組 (Qht) 和汾河組(Qf),作為基本填圖單位進行地質(zhì)填圖,進一步進行沉積環(huán)境調(diào)查和研究。

將汾河組進一步劃分為汾河組沖積扇相礫石和砂質(zhì)黏土,汾河組河漫灘下砂和粉砂質(zhì)黏土;將沱陽組進一步劃分為沱陽組河漫灘相砂、粉砂質(zhì)黏土,沱陽組河床相砂和砂礫石,進行晉中新生代盆地垂向沉積序列和平面序列研究,以及沉積環(huán)境和沉積環(huán)境演化規(guī)律研究。

2.1 第四系地表分布特征

a—晉中盆地形態(tài);b—晉中盆地水系、區(qū)縣、斷裂分布及地貌特征圖1 晉中盆地地貌特征、斷裂及地理要素分布圖Fig.1 Distribution map of geomorphology, faults, and geographical elements in the Jinzhong Basin(a) Shape of the Jinzhong Basin; (b) Distribution of rivers, counties and faults and geomorphological characteristics of Jinzhong Basin

晉中盆地清徐地區(qū)出露的第四紀(jì)沉積物類型多樣(圖2)。按斷陷盆地地貌分帶特征,清徐地區(qū)西側(cè)的盆地外圍地貌類型為基巖山地,分布二疊系砂泥巖、頁巖夾煤層(圖2);盆山過渡帶內(nèi)活動斷裂發(fā)育,地貌類型主要為二級河流階地、三級河流階地及沖積扇群,在河流階地地區(qū),階地下部,主要分布上更新統(tǒng)峙峪組河流相沉積物,階地上部分布有馬蘭組風(fēng)積相沉積物,在沖積扇群地區(qū)主要分布汾河組沖積扇相沉積物(圖2);盆地邊緣地貌類型為傾斜平原,主要分布汾河組河流相沉積物(圖2);盆地內(nèi)部地貌類型為沖洪積平原和河谷地貌,主要分布全新統(tǒng)沱陽組,沉積相可分為河漫灘相和河床相兩部分(圖2)。如在黃樓村三級河流階地的第三級階地分布的上更新統(tǒng)馬蘭組(圖3a、3b),為一套風(fēng)積的淡黃色、灰黃色亞砂土,質(zhì)地均一,結(jié)構(gòu)疏松,垂直節(jié)理發(fā)育,開度大于2 mm,常有植物根遺留體,零星鈣質(zhì)結(jié)核,核徑2～4 cm,靠頂部有一層棕紅色,灰褐色古土壤層,厚1～1.5 m,取淡黃色亞砂土經(jīng)過C14測定年齡為28550±340 a,介于全新統(tǒng)底界(11700 a)到上更新統(tǒng)底界(126000 a)之間(全國地層委員會,2017),表明該地層沉積于上更新世晚期。黃樓村三級河流階地中的第一級階地到第二級(中—下級)階地分布的峙峪組(圖3c、3d),上部由一套二元結(jié)構(gòu)明顯的河流相砂礫石層、砂層、亞砂土組成,為典型的河流階地堆積物,厚度在10～20 m,下部為褐色礫石層與灰色含礫黏土、砂土互層,組成韻律層,層理向盆地內(nèi)部方向小角度傾斜,下部韻律層中褐色礫石層厚2～40 cm,礫狀構(gòu)造,礫徑5 cm左右,多為灰綠色和紫紅色砂巖,灰褐色含礫砂土、黏土層厚1～25 cm,呈現(xiàn)河床相和河漫相交替現(xiàn)象。在黃樓村三級河流階地的第二級階地取峙峪組含礫黏土經(jīng)C14測定年齡為39760±1030 a,第一級階地取峙峪組黏土經(jīng)C14測定年齡為38860±890 a,表明該峙峪組地層沉積于上更新世晚期。在新民村北西側(cè)采坑中分布的汾河組,下部為黃灰色砂層與黃、紫紅色泥、含砂泥層互層,砂泥層厚5～10 cm,向上泥質(zhì)成分增多,上部為砂、砂礫石層,磨圓度、分選性差,礫徑5～20 cm,具有沖積扇進積特征(圖4a),取該采坑附近汾河組砂泥層中的樣品經(jīng)C14測定年齡為28990±440 a,表明該汾河組地層沉積于上更新統(tǒng)晚期(跨時性)。在盆地內(nèi)部較大的汾河、瀟河等河谷地區(qū)分布的沱陽組河床相地層由砂礫石組成(圖4b),河谷兩岸分布的沱陽組河漫灘相地層由粉砂質(zhì)黏土夾砂、黏土組成(圖4c),在盆地內(nèi)部取沱陽組粉土測定年齡為5660±60 a,表明該沱陽組地層沉積于全新統(tǒng)中期。

圖2 晉中盆地清徐地區(qū)第四紀(jì)地層分布圖Fig.2 Distribution map of the Quaternary strata in the Qingxu area, Jinzhong Basin

2.2 鉆孔剖面特征

上述為晉中盆地清徐地區(qū)地表空間尺度上的第四系沉積序列特征,為了進一步揭示晉中盆地清徐地區(qū)地下空間尺度上的第四系沉積序列特征,在清徐縣劉家園村—西梁泉村布設(shè)了系列鉆孔,自北向南包括劉家園村ZK003A孔,孔深90.06 m,地面標(biāo)高為810 m;ZK001B孔,孔深90.09 m,地面標(biāo)高為799 m;ZK001A孔,孔深137.97 m,地面標(biāo)高為798 m;西涼泉村ZK005孔,孔深70.03 m,地面標(biāo)高為773 m(圖5,圖6a)。以上4個鉆孔總體位于晉中盆地西側(cè)盆山過渡帶,ZK003A孔靠近基巖山地,ZK005孔靠近盆地,地面自北向南高差37 m(圖6a)。由上述4個鉆孔建立的鉆孔聯(lián)合剖面方位為170°,總長375 m,最大孔間距為270 m(ZK003A孔—ZK001B孔),最小孔間距為25 m(ZK001A孔—ZK001B孔),平均孔間距為94 m(圖5,圖6a)。該鉆孔剖面地層自下而上可劃分為3套地層,分別為全新統(tǒng)(Qh)、上更新統(tǒng)(Qp3)沉積地層以及二疊系(P)基巖地層(圖6a),由于劉家園村—西梁泉村鉆孔聯(lián)合剖面揭示的上更新統(tǒng)地層未見底,因此通過分析收集的資料及晉中盆地水文地質(zhì)剖面來補充研究中更新統(tǒng)(Qp2)和下更新統(tǒng)(Qp1)沉積序列特征(圖6b;山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1997;山西省地質(zhì)調(diào)查院,2008),晉中盆地第四系全新統(tǒng)到下更新統(tǒng)及二疊系巖性分述如下:

a—馬蘭組淡黃色亞砂土;b—馬蘭組中發(fā)育的垂直節(jié)理;c —峙峪組褐色礫石層與灰色含礫黏土、砂土互層;d—峙峪組粗砂細礫層圖3 黃樓村三級河流階地上分布的馬蘭組及峙峪組地層Fig.3 Malan Formation and Zhiyu Formation distributed on the third-level river terraces of Huanglou Village(a) Malan Formation pale yellow subsandy soil in the Malan Formation; (b) Vertical joints developed in the Malan Formation; (c)Brown gravel layer and gray gravel-bearing clay interbedded with sandy soil in the Shiyu Formation; (d) Coarse sand and fine gravel in the Shiyu Formation

圖5 鉆孔剖面位置圖Fig.5 Location map of the drilling profile

全新統(tǒng)(Qh):巖性以淺紅色、灰綠色、紫紅色細礫、中礫為主,夾粗砂、中砂及少量的含礫砂質(zhì)粉土,礫石原巖為灰綠色粗粒長石砂巖、紫紅色細粒長石砂巖、灰白色細粒長石砂巖。沉積厚度在橫向上存在差異分布,自北部劉家園村以南到靠近南部西梁泉村之間,平均厚度為22 m,而西梁泉村地區(qū)厚度為51.5 m(圖6a)。

上更新統(tǒng)(Qp3):上部巖性以灰綠色、紫紅色、灰白色中礫、中細砂為主,夾灰綠、棕紫色含礫中細砂砂質(zhì)粉土、含礫粉質(zhì)黏土。下部巖性以灰綠色、褐色含礫砂質(zhì)粉土、褐紅色的砂質(zhì)粉土、細砂質(zhì)粉土、粉砂質(zhì)黏土夾少量細砂為主。較全新統(tǒng)(Qh)地層,Qp3上部的地層組成穩(wěn)定,礫石明顯減少。鉆孔揭露未見底,由水文地質(zhì)剖面可知其厚度約105 m(圖6a、6b)。

中更新統(tǒng)(Qp2):巖性為淺灰色、淺黃色、淺灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和淺灰、灰白色砂巖互層,局部可見灰色頁巖及石膏晶體。厚度約120 m(圖6b)。

下更新統(tǒng)(Qp1):巖性為灰、灰綠色褐色泥巖夾砂巖,灰、灰褐色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖、礫巖,含礫砂巖、砂礫巖互層。厚度約100 m(圖6b)。

二疊系基巖地層(P):巖性為深灰色、灰黑色炭質(zhì)泥巖、泥晶灰?guī)r夾煤層、炭質(zhì)長石砂巖,灰色長石砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,局部可見黃鐵礦和石膏晶體。鉆孔揭露未見底,揭露厚度為74 m(圖6a)。

鉆孔聯(lián)合剖面中的全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)底界位置通過C14測年方法確定,在ZK005孔52 m處取得的粉土經(jīng)C14測定年齡為13140±120 a,由上文所述全新統(tǒng)底界年齡為11700 a,結(jié)合ZK005孔巖性特征,將ZK005孔處全新統(tǒng)底界定在ZK005孔孔深51.5 m處。在ZK001A孔133 m處取得的粉質(zhì)黏土經(jīng)C14測定年齡為26160±310 a,上更新統(tǒng)底界年齡為126000 a,取樣位置以下5 m的灰綠色、褐色含礫粉質(zhì)黏土與取樣位置巖層屬于同一巖性段,因此上更新統(tǒng)底界位置位于ZK001A孔下部。在ZK001B孔22 m處取得的粉土經(jīng)C14測定年齡為17370±190 a,全新統(tǒng)底界年齡為11700 a,結(jié)合地層巖性,將全新統(tǒng)底界定在ZK001B孔孔深20.5 m處,臨近的ZK001A孔全新統(tǒng)底界定在孔深27 m處。ZK003A孔16.5 m處全新統(tǒng)沉積物與二疊系基巖不整合面清晰,故將ZK003A孔處全新統(tǒng)底界定在ZK003A孔孔深16.5 m處。

晉中盆地清徐地區(qū)全新統(tǒng)地層沉積特征為沖積扇相沉積,并且具有漫流沉積和篩狀沉積特征,上更新統(tǒng)地層上部具有沖積扇相沉積特征,下部以河床相和河漫相沉積為主,中更新統(tǒng)以淺湖相和河流相沉積為主,下更新統(tǒng)為淺湖相、濱湖相沉積,二疊系為淺海相沉積,局部海島發(fā)育。第四系沉積物厚度從盆地外圍向盆地內(nèi)部大幅增加,從ZK003A孔到ZK001B孔,全新統(tǒng)下覆的二疊系淺海相沉積地層橫向上直接變?yōu)楦陆y(tǒng)河湖相地層,從ZK001A孔到ZK005孔,全新統(tǒng)沖積扇相地層的厚度急劇增加,厚度差約25 m。總體而言,橫向上,晉中盆地清徐地區(qū)沉積物沉積厚度具有差異分布特征;垂向上,沉積相自下而上由下更新統(tǒng)淺湖相、濱湖相向中更新統(tǒng)淺湖相、河流相到上更新統(tǒng)河床相、河漫相、沖積扇相再到全新統(tǒng)沖積扇相轉(zhuǎn)變。

a—汾河組沖積扇進積現(xiàn)象;b—沱陽組河床相疊瓦狀定向排列的礫石;c—沱陽組河漫灘相波狀層理圖4 沖積扇地區(qū)的汾河組及盆地內(nèi)部的沱陽組地層Fig.4 The Fenhe Formation in the alluvial fan area and the Tuoyang Formation in the basin(a) Advancement of the alluvial fan in the Fenhe Formation;(b) Stacked oriented gravel in the river bed facies of the Tuoyang Formation; (c) Wave-like bedding in the river floodplain facies in the Tuoyang Formation

2.3 鉆孔ZK 001A中沉積序列結(jié)構(gòu)特征

a—劉家園村—西梁泉村鉆孔聯(lián)合剖面;b—晉中盆地水文地質(zhì)剖面(據(jù)山西省地質(zhì)調(diào)查院,2008修改)圖6 晉中盆地第四系剖面圖Fig.6 Sectional view of the Quaternary in the Jinzhong Basin(a) Joint Section of boreholes in Liujiayuan-Xiliangquan; (b) Hydrogeological Section of the Jinzhong Basin (modified after Shanxi Geological Survey Institute, 2008)

為提高第四紀(jì)沉積序列研究精度,在上述鉆孔聯(lián)合剖面以“統(tǒng)”為尺度進行的研究基礎(chǔ)上,選擇ZK001A孔作為代表性鉆孔,對全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)內(nèi)沉積序列進行以 “層”為尺度的研究,ZK001A孔相較其余三孔(ZK003A孔、ZK001B孔、ZK005孔)揭示地層最深、鉆探工藝更高、巖性更豐富,具有代表性特征。ZK001A孔位于西梁泉村北西側(cè),距西梁泉村約600 m處,孔深138 m,共計分29層(圖7),該鉆孔第四系分層可劃分為全新統(tǒng)(Qh)和上更新統(tǒng)(Qp3)兩部分,全新統(tǒng)(Qh)底界深度在27 m處,層厚27 m,上更新統(tǒng)揭露厚度為111 m,未見底。全新世沉積環(huán)境為沖積扇相沉積,上更新世沉積環(huán)境以河床相和河漫相沉積為主,自下而上可劃分為7個反向沉積旋回,各反向沉積旋回內(nèi)巖性粒度遞減(圖7)。

全新統(tǒng)(Qh):埋深為27 m,劃分1個反向旋回。

第7旋回(Qh-7):沉積物由棕褐色粗砂礫石、褐色粉砂質(zhì)礫石、少量粉土組成,礫石為淺紅色、灰綠色長石砂巖,分選性、磨圓度差,礫石成熟度低。該旋回層為沖積扇相沉積,粒序為上粗下細的沉積序列結(jié)構(gòu),具有沖積扇進積現(xiàn)象,并且礫石中混雜的粉土指示了沖積扇篩狀沉積的特征。

上更新統(tǒng)(Qp3):厚111 m,可劃分出以下6個反向沉積旋回。

第6旋回(Qp3-6):埋深為27～36.5 m,上部沉積物為褐色含礫粉質(zhì)粗砂,礫石含量為30%,粉土含量為20%,粗砂含量為50%,礫石成分以淺紅色、灰綠色長石砂巖為主,分選性、磨圓度差,礫石成熟度低,長石含量＞50%。下部沉積物為褐紅色砂質(zhì)粉土,礫石含量僅5%,成分與上部礫石成分相同。該旋回層與第7旋回層呈不整合接觸,沉積相下部為河漫灘相,上部為沖積扇相。

第5旋回(Qp3-5):埋深為36.5～60.9 m,沉積物由褐色含粉質(zhì)黏土礫石、灰色粗砂夾礫石、褐色礫砂夾礫石、褐色中細砂及褐紅色含礫粉質(zhì)黏土組成,上部礫石含量為90%,下部礫石含量為5～10%,礫石成分主要為灰綠色、灰白色、淺紅色長石砂巖,分選性及磨圓度差—中等,礫石成熟度低。該旋回層下部為河漫灘相沉積,上部為河床相沉積,其中礫石含量為90%的沉積層為河床滯留相沉積層,粗砂—細砂—礫砂層為邊灘相沉積層。

第4旋回(Qp3-4):埋深為60.9～83.4 m,上部沉積物為淺灰色、灰綠色、紫紅色礫石、褐色含礫粉土、礫石夾粉質(zhì)砂土,礫石含量為65%,成分以灰白色、灰綠色長石砂巖為主,長石含量可達70%,成熟度低,分選性、磨圓度差—中等。下部沉積物為褐色含礫砂質(zhì)粉土,含有少量細砂及礫石,礫石成分以淺灰色泥質(zhì)灰?guī)r為主。該旋回層沉積相下部為河漫灘相,上部為河床相。

第3旋回(Qp3-3):埋深為83.4～99.42 m,沉積物為紫紅色、灰綠色、灰白色礫石、褐色砂質(zhì)粉土、褐紅色含礫粉質(zhì)黏土,礫石成分以灰綠色長石砂巖為主,分選性、磨圓度中等,并且礫石層在該旋回層中以兩個相對較薄的夾層出現(xiàn),厚度分別為2.6 m和1.4 m。該旋回層沉積相自下而上為河漫湖泊相—河床相—河漫灘相—河床相。

第2旋回(Qp3-2):埋深為99.42～112.3 m,沉積物為灰綠色礫石、褐色粉砂質(zhì)黏土、褐色含礫粉土、褐紅色含礫砂質(zhì)粉土,其中礫石呈角礫狀,分選性、磨圓度差,其成分以灰綠色長石砂巖為主,長石含量可達80%,礫石成熟度低。該旋回層沉積相下部為河漫灘相,中部為河漫湖泊相,上部為河床相。

第1旋回(Qp3-1):埋深為112.3～138 m,沉積物為淺灰色、灰綠色礫石、褐紅色、紫紅色、灰綠色含礫砂質(zhì)粉土、褐色礫石夾砂質(zhì)粉土、褐色、灰綠色含礫粉質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土,礫石成分以灰綠色長石砂巖為主,呈次棱角狀,分選性、磨圓度差,成熟度低,含量15%左右。該旋回層沉積相下部為河漫灘相,河漫灘相其間夾一期河漫湖泊相沉積,上部為河床相。

由上述7個反向沉積旋回分別反映的系列沉積相可知,晉中盆地清徐地區(qū)全新世以來沉積環(huán)境為沖積扇相沉積,上更新世晚期(ZK001A孔揭露的最晚地層時代約26160±310 a)沉積環(huán)境主要為河流相沉積,其中河床相沉積和河漫灘相沉積交互出現(xiàn),其間夾雜河漫湖泊相沉積及沖積扇相沉積,并且鉆孔揭示的沉積物粒度分布從下向上出現(xiàn)7組較為明顯的二元結(jié)構(gòu)(圖7),指示了該地區(qū)在26160±310 a(上更新世晚期)以后,共經(jīng)歷了7次河流旋回演化。

圖7 鉆孔ZK001A沉積序列與鉆孔柱狀圖Fig.7 Drilling histogram of the representative borehole ZK001A

3 討論

3.1 汾河裂谷晉中盆地內(nèi)第四紀(jì)沉積演化特征

根據(jù)對晉中盆地地表第四系分布特征、單孔第四系沉積序列特征以及鉆孔聯(lián)合剖面第四系地層劃分的研究,結(jié)合晉中盆地水文地質(zhì)剖面、第四系等深線及一系列已有成果資料,可對晉中盆地第四紀(jì)以來的沉積演化有了進一步的認識。

晉中盆地內(nèi)第四系在清徐—交城地區(qū)埋深最深,深度可達500 m,向北東、南東及南西方向第四系埋深逐漸變淺,到南東部埋深降為100 m(圖8),由此可知在第四紀(jì)期間盆地內(nèi)部的沉積水體具有北西部深,向北東、南東、南西部變淺特征,水流向北西部地勢較低處匯聚。

a—晉中盆地地塊分布圖(武強等,2003);b—晉中盆地主要斷裂、地震、新生界和第四系沉積物厚度分布圖(據(jù)中國地震局地殼應(yīng)力研究所,2010修改)圖8 晉中盆地構(gòu)造、地震及沉積物厚度分布圖Fig.8 Distribution map showing the structure, earthquake and sediment thickness in the Jinzhong Basin(a) Plot distribution map of the Jinzhong Basin (Wu et al., 2003). (b) Map showing the distribution of main faults, earthquakes,Cenozoic and Quaternary sediment thickness in the Jinzhong Basin (modified after Institute of Crustal Stress, China Earthquake Administration, 2010)

晉中盆地第四系的沉積序列垂向上總體具有下細上粗的特征,并且在橫向上具有同時異相性;其中,下更新統(tǒng)主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖及砂礫石層的淺湖相、濱湖相地層,中更新統(tǒng)為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和砂巖互層的淺湖相、河流相地層;上更新統(tǒng)頂部為以礫石為主的沖積扇相地層,頂部以下為粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、砂及礫石為主的河床相和河漫相地層。盆山過渡帶地區(qū)全新統(tǒng)為以汾河組礫石層為主的沖積扇相地層,盆地內(nèi)部為沱陽組砂礫石及粉砂質(zhì)黏土夾砂、黏土的河床相和河漫灘相地層,以及汾河組以黏土為主的湖相地層(魏榮珠,2020)。在盆地外圍地勢較高地區(qū),下更新世呂梁山系地區(qū)沉積了午城組風(fēng)成黃土(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1997),中更新世沉積了離石組風(fēng)成黃土(王乃樑,1996),上更新世地勢較高處沉積了馬蘭組風(fēng)成黃土。

綜合晉中盆地第四系沉積序列及第四紀(jì)期間的沉積水體深度特征,可將晉中盆地第四紀(jì)期間的沉積演化劃分為4個階段。①早更新世斷陷盆地階段。主體分布為湖泊相,屬下更新世泥河灣期泥灰?guī)r-黏土巖組合,主體指示了陸相湖盆環(huán)境。在陸相湖盆邊緣為濱湖相區(qū),沉積水體相對較淺,巖石組合以含礫泥巖為主,同期在盆山過渡帶地勢較高地區(qū),沉積了午城組風(fēng)成黃土堆積而成的地層。水平相序結(jié)構(gòu)為陸相湖盆相→濱湖相→湖岸山地風(fēng)成黃土堆積相。②中更新世陸相湖泊萎縮階段。在陸相湖盆內(nèi)部沉積了中更新統(tǒng)泥巖及粉砂巖,整體以淺湖相沉積為主,沉積水體較深。盆地邊緣地帶以河流相粉砂巖、砂巖和細礫巖為主,沉積水體較淺。水平相序結(jié)構(gòu)為陸相淺湖相→河流相。并且該時期沉積的部分粉砂質(zhì)泥巖和砂巖互層地層指示了湖水進退現(xiàn)象,這與盆地南東部洪山地區(qū)中更新世的湖泛事件具有一定程度的對應(yīng)(胡小猛等,2002)。③晚更新世湖泊消亡階段。峙峪組以礫石、砂、粉砂等為主,夾少量黏土層,主體以河流相為主。河流相和河漫灘相交替演化,在豐水期河水溢出堤岸積累形成河漫湖泊。在晉中盆地外圍開始接受上更新統(tǒng)馬蘭組風(fēng)成黃土層沉積。水平相序結(jié)構(gòu)為河流相+河漫灘相→河岸山地風(fēng)成黃土堆積相。④全新世陸相湖盆再度沉降階段。在晉中盆地持續(xù)沉降過程中,廣泛沉積了全新統(tǒng)沱陽組和汾河組的礫石、粉砂及黏土等河流-湖泊相沉積物,盆地內(nèi)部汾河、瀟河等眾多河流發(fā)育。在盆地邊緣出山口地帶形成山麓沖積扇相(群),沉積地層主要為全新統(tǒng)汾河組泥砂礫石。在周邊中低山區(qū),出露有前新生界寒武系到三疊系碳酸鹽巖,灰?guī)r和煤系,北部、東部及西部普遍缺失中更新統(tǒng)和全新統(tǒng)沉積。水平相序結(jié)構(gòu)為河流-湖泊相→河流相→山麓沖積扇相→侵蝕山地,這種景觀生態(tài)環(huán)境格局有利于人類生存發(fā)展,沱陽組粉土測定年齡為5660±60 a,暗示了該山間盆地與中華文明早期起源地(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1997)具有一致性。

3.2 活動斷層的沉積響應(yīng)

晉中盆地位于華北地塊西部北東向次級構(gòu)造帶內(nèi),該構(gòu)造帶北起陰山構(gòu)造帶,南抵秦嶺造山帶,西臨鄂爾多斯地塊,歷經(jīng)了燕山期和喜山期地殼隆升和陸內(nèi)成山作用后,盆地大致成型。該盆地的形成和發(fā)展完全受斷裂控制,周邊繼承并新生了系列控盆斷裂,北西側(cè)為交城斷裂,南東側(cè)為太谷斷裂,北東側(cè)為鳴謙-北田斷裂,南西側(cè)為三泉斷裂,盆地內(nèi)部隱伏斷裂發(fā)育,主要為宜兒平寨斷裂、胡蘭-楊房斷裂及東陽-祁縣斷裂。該盆地內(nèi)部主要以4～5.9級的中—小震為主,6～6.9級較少,分別分布在清徐縣東側(cè)及介休市南西側(cè),并且發(fā)生在1900年以前的地震事件比發(fā)生在1900年后的相對較多,總體特征為小震密集,地震頻度高,強度較低(圖8)。

活動斷裂是在最近地質(zhì)時期持續(xù)活動,并且在未來仍將活動的斷裂(吳中海,2019),活動斷裂因與人類生存環(huán)境和生態(tài)資源環(huán)境有密切關(guān)系,一直是地震地質(zhì)領(lǐng)域長期關(guān)注的焦點之一(周江林,2011;劉興旺等,2015;馬潤勇等,2015;萬佳戚,2015;盧杰,2016;吳中海,2018;房艷國等,2019;肖坤澤和童亨茂,2020)。斷裂活動所導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害主要包括地震、滑坡及地裂縫等一系列地質(zhì)災(zāi)害(徐錫偉,2006;郭婷婷等,2017),對自然生態(tài)環(huán)境及人類工程場址造成重大危害。晉中盆地北西邊緣的控盆斷裂——交城斷裂自北東向南西,穿過晉中盆地清徐地區(qū)(文中的鉆孔布設(shè)區(qū)),斷裂帶寬數(shù)百米,動力學(xué)具有傾向南東、正滑兼走滑特征,推測為受基底斷裂控制的繼承性活動斷裂,在全新世以來仍有新生性活動的斷裂(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989;許桂林等,1998;馬保起等,1999)。

根據(jù)從劉家園村到西梁泉村鉆孔聯(lián)合剖面中的上更新統(tǒng)頂界及二疊系頂界的埋深錯位現(xiàn)象,圈定從劉家園村到西梁泉村之間存在3條斷層,自北向南依次為F1、F2和F3(圖6a,圖9)。①F1斷層位于劉家園村ZK003A孔到ZK001B孔之間,在ZK003A孔16.5 m處開始出現(xiàn)二疊系山西組炭質(zhì)泥巖、長石砂巖、炭質(zhì)泥晶灰?guī)r等;然而,在ZK001B孔未見到二疊系山西組基巖,二疊系頂界的錯位距離＞84 m。②F2斷層位于ZK001B孔到ZK001A孔之間,ZK001A孔上更新統(tǒng)頂界埋深為27 m,ZK001B孔上更新統(tǒng)頂界埋深為20.5 m,上更新統(tǒng)頂界的錯位距離為7.5 m(ZK001B孔與ZK001A孔高差為1 m)。③F3斷層位于ZK001A孔到西梁泉村ZK005孔之間,ZK005孔上更新統(tǒng)埋深為51.5 m,上更新世頂界的錯位距離為49.5 m(圖9)。

圖9 第四系對比及地層錯斷解譯圖Fig.9 Quaternary comparison and interpretation of stratigraphic faults

F1、F2和F3斷層均為活動斷層,同時也是同沉積斷層。在上述地層錯位的基礎(chǔ)上,通過ZK003A孔、ZK001B孔、ZK001A孔和ZK005孔的全新統(tǒng)地層厚度計算F1、F2和F3斷層的生長指數(shù)和斷層落差,來探討F1、F2和F3斷層全新世以來的活動性(圖9)。假設(shè)在理想條件下:斷層兩盤的沉積速率一致、斷層兩盤的剝蝕強度一致、不考慮沉積壓實作用,計算結(jié)果為:F1斷層在全新世的生長指數(shù)為1.24,斷層落差為4 m;F2在全新世的斷層的生長指數(shù)為1.32,斷層落差為6.5 m;F3斷層在全新世的生長指數(shù)為1.91,斷層落差為24.5 m。F1、F2和F33條斷層的生長指數(shù)均大于1,自北向南從F1斷層向F3斷層依次增大,并且從F1斷層到F3斷層的斷層落差的增長趨勢與生長指數(shù)具有良好的一致性,說明全新世以來,F3斷層的活動性最強,F2斷層的活動性次之,F1斷層的活動性相對較弱(圖10),這種運動學(xué)格局揭示了階梯式斷陷成盆的動力學(xué)機制,也揭示了晉中山間盆地具有半地塹式幾何學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖10 斷層生長指數(shù)及斷層落差增長趨勢圖Fig.10 Tendency chart showing the fault growth index and the increase of fault drop

4 結(jié)論

通過構(gòu)造巖相學(xué)創(chuàng)新研究方法,分析了晉中盆地第四紀(jì)沉積物特征,揭示了晉中盆地第四紀(jì)平面和垂向上的沉積序列結(jié)構(gòu),進而探討了晉中盆地第四紀(jì)期間的沉積環(huán)境、沉積演化特征及一系列同沉積斷層的活動性,取得的結(jié)論如下:

(1)晉中盆地西側(cè)基巖山區(qū)(盆地外圍)分布二疊系淺海相沉積物,盆山過渡帶地區(qū)的河流階地的下部分布峙峪組河流相沉積物,階地上部分布馬蘭組風(fēng)成黃土沉積物,盆山過渡帶內(nèi)的其他地區(qū)以汾河組沖積扇相沉積物為主,盆地邊緣分布汾河組河流相沉積物,盆地內(nèi)部主要以河床相和河漫灘相的沱陽組沉積物為主。

(2)位于劉家園村到西涼泉村之間的鉆孔聯(lián)合剖面揭示的第四系自上而下可劃分為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)兩部分,全新統(tǒng)厚度自北部ZK003A孔向南部ZK005孔變厚,底界埋深變深。全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)上部沉積相為沖積扇相,上更新統(tǒng)沉積相整體以河床相和河漫相為主。

(3)鉆孔ZK001A孔自下而上可劃分出7個反向沉積旋回,每個旋回內(nèi)向上粒度變粗,全新世以來沉積相為沖積扇相,上更新世以來沉積相以河床相和河漫灘相交替為主,夾雜河漫湖泊相。上更新世晚期,共經(jīng)歷了7次河流旋回演化。

(4)晉中盆地在第四紀(jì)經(jīng)歷了4個演化階段為早更新世斷陷盆地階段→中更新世陸相湖泊萎縮階段→晚更新世湖泊消亡階段→全新世陸相湖盆再度沉降階段。第四紀(jì)沉積水平相序列總體結(jié)構(gòu)為河漫湖泊相→河床相+河漫灘相→河流相+山麓沖積扇相→河湖岸地風(fēng)成黃土堆積相→侵蝕山地(殘積相),這種景觀生態(tài)環(huán)境格局有利于人類生存發(fā)展,推測是中華文明早期(5660±60 a)起源地之一。

(5)在清徐地區(qū)劉家園村到西梁泉村之間自北向南的3條斷層全新世期間的生長指數(shù)依次增大,斷層落差增長趨勢與生長指數(shù)保持一致性,全新世以來,F3斷層活動性最強,F1斷層活動性相對最弱。從3條活動斷層形成的階梯狀斷陷成盆動力學(xué)特征看,晉中山間盆地具有半地塹式幾何學(xué)特征。