口泉斷裂郊城段斷裂展布特征及其活動性研究

丁學文，霍 魁，馮凱宇，高樹義，李 申

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

口泉斷裂為大同盆地的西北邊界斷裂，其東南側為盆地區，西北側為口泉山地。斷裂南起山陰縣上神泉，向東北經大峪口、鵝毛口、口泉、上皇莊，止于豐鎮市官屯堡，總長約108 km，總體走向NE35°～45°，傾向SE，傾角一般45°～70°，局部地段陡立。在中生代，該斷層為壓性逆斷層，新生代為張性右旋平移正斷層[1]。根據斷裂幾何結構、地貌特征,將口泉斷裂從南西往北東劃分為三段(1)張世民,劉旭東.我國重點監視防御區活斷層地層危險性評價項目專題報告《口泉斷裂1:5萬地質填圖》,2011.，即上神泉—大峪口南部弱活動段、大峪口—上皇莊中部較強活動段、上皇莊—官屯堡北部弱活動段，活動時代分別為第四紀晚更新世、全新世和晚更新世，研究區郊城段位于口泉斷裂中段的鵝毛口—口泉段(見第16頁圖1)。口泉斷裂新生代以來新構造活動強烈，在楊家窯—拖皮一帶形成沉降中心，研究區位于沉降中心部位，新生界、第四系沉積厚度分別達2 000 m、400 m，形成西北側陡深、東南側緩淺的箕狀掀斜構造。眾多學者對口泉斷裂中段活動性進行過研究，王霞等[2]利用震源位置和速度結構聯合反演方法，對1981—2013年山西北部地區的地震進行重新定位，反演得到的三維速度結構結果顯示，口泉斷裂中北段地震集中，南北兩端地震少，反映了中北段斷裂活動強，南北兩端活動弱，存在基底拆離帶，表明存在深部證據；王貞海[3]、齊浪[4]通過地質調查、淺層地震及電阻率CT勘探、鉆孔勘察、探槽開挖分別對口泉斷裂中段上窩寨、口泉一帶斷裂展布特征及活動性進行研究，結果表明，斷層在上窩寨一帶位于山前100～200 m,斷層兩盤地層垂直落差大于380 m，在口泉一帶地層最大錯距達70 m,近地表垂直斷距3 m,破碎帶寬1.2 m，皆表現單條斷層結構，活動時代為全新世；謝新生等[5]根據野外調查、探槽開挖及14C、釋光齡測定對口泉斷裂全新世地震活動進行研究，發現在距今1.23萬年以來斷裂曾發生過4次古地震事件，平均間隔約3.74 ka,各次事件的平均最小同震垂直位移為1.8 m,與此相應的古地震震級在7級以上；徐偉等[6]對口泉斷裂上神泉—楊家窯段晚第四紀以來斷錯地貌及活動速率確定研究表明，禪房以北段斷層活動呈現中間強、兩側弱的特點，最強段位于小峪口至樓子口段，T1階地斷錯不小于3 m，T2階地斷錯不小于17.5 m，T2階地形成以來滑動速率不小于0.53 mm/a。大峪口T1階地斷錯0.5 m,大峪口—禪房段活動速率為0.17 mm/a。石井—鵝毛口段T1階地斷錯0.25～0.3 m，活動速率為0.4 mm/a。自歷史地震記載、記錄以來，地震主要集中發生在斷裂中北段，最大地震為1582年大同陽和坡一帶的5級地震[7-8]，地震分布與斷裂活動性關系密切。

圖1 口泉斷裂及鄰區地震構造圖Fig.1 Seismotectonic map of Kouquan fault and its adjacent area

野外采用聯合鉆孔勘察、斷層露頭剖面實測、光釋光年齡測試等綜合手段(見圖2)，對口泉斷裂中段郊城一帶斷裂展布特征及其活動性進行詳細研究(2)山西省地震工程勘察研究院.大同煤礦集團有限責任公司化工廠總倉庫庫房改造項目工程場地地震安全性評價報告,2014.，確定斷裂位置、展布特征及其活動性。

1 地質調查

圖2 研究區工程布置及斷裂位置圖Fig.2 Engineering layout and fracture location map in research area

圖3 研究區東北沖溝ⅠⅠ＇線北東壁地層(鏡向SE)Fig.3 Stratum in the Northeast wall of the II′line of the Northeast gully in the study area (mirror SE)

通過野外實地地層、地貌調查及斷層追蹤對比，在研究區發現兩處斷層露頭a1、a2。a1露頭點如第17頁圖4、圖5所示，位于研究區東堆煤渣場南壁，陡壁高約5 m，地層不連續，具牽引、拖曳現象，為正斷層。斷層清晰，斷面平直、光滑，上陡下緩，呈弧形，斷面中部產狀130°∠67°，垂直斷距1.4 m，斷層斷至近地表，上部呈花狀裂開，裂縫寬1～2 cm,裂縫面反傾，傾角60°～80°。從上至下地層依次劃分為：黃土，褐黃色，質均勻，無層理，具孔隙，疏松，含零星小石塊，礫徑0.5～1 cm，頂部10～20 cm為褐色耕植土；砂礫，礫石呈次棱角狀，礫徑1～10 cm,片麻巖成分，具有微斜層理；粉土，褐黃色，質均勻，具有蟲孔，疏松，無層理，夾碎石層；礫石，礫徑2～10 m，片麻巖成分，棱角狀，具水平層理。

圖4 斷層露頭a1點(鏡向NW)Fig.4 a1 point of fault outcrop (mirror NW)

圖5 斷層露頭a1點地質剖面圖Fig.5 Geological profile of a1 point of fault outcrop

a2露頭點如圖6、7所示，溝谷內路邊陡壁，陡壁高約5 m，出露一斷裂帶，由2條斷層f1(西北條，露頭a2-1)、f2(東南條，露頭a2-2)組成，間距30 m。斷層f1產狀下部150°∠66°，上部緩，傾角約為50°，傾斜滑距2.1 m,垂直斷距1.4 m；f2產狀158°∠77°，傾斜滑距2.2 m,垂直斷距1.9 m。斷層斷至地表，斷面平直，錯斷第四系全新統地層。地層從上至下依次劃分為：耕植土，褐黃色，質疏松，含草根，厚約0.2～0.5 m；含角石粉土，褐黃色，質疏松，角石約占5%～10%，粒徑1～3 cm，棱角狀，片麻巖成分，層理不清；粉土，褐黃色，質疏松，含角礫，片麻巖成分；碎石，由6層組成，每層厚0.1～0.3 m,層間距0.2～0.4 m,碎石粒徑1～5 cm,棱角狀，片麻巖成分，地層穩定，呈近水平狀分布；粉砂土，褐黃色，質疏松、均勻，具孔隙，無層理，含零星碎石，粒徑0.5～1 cm,棱角狀，片麻巖成分；碎石，厚度0.4～0.7 m，粒徑0.5～3 cm,大可見6 cm，棱角狀，片麻巖成分，水平狀分布；粉砂土，褐黃色，質疏松，具孔隙，含零星角礫，粒徑0.2～0.5 cm，棱角狀，片麻巖成分。為確定斷層活動時代及地層沉降速率，在a2露頭點陡坎下部f1、f2兩側近斷層處同一高度各取兩個光釋光樣，f1兩側樣編號為osl-3(上盤)、osl-4(下盤)；f2兩側樣編號為osl-1(上盤)、osl-2(下盤)。osl-1、osl-2、osl-3、osl-4光釋光年齡測試結果分別為(27.5±3.0) ka、(27.8±2.3) ka、(20.3±2.7) ka、(37.3±3.6) ka。樣品光釋光年齡測試由南京師范大學地理科學學院完成。

圖6 斷層露頭a2點(鏡向N)Fig.6 a2 point of fault outcrop (mirror N)

圖7 斷層露頭a2點地質剖面圖Fig.7 Geological profile of a2 point of fault outcrop

2 鉆孔勘察

在野外地質調查工作的基礎上，為了解場地地層結構、查明斷裂位置、活動性及斷裂展布特征，在研究區近南北向布置了5個鉆孔DZK1-DZK5,孔間距分別約240 m、143 m、190 m、225 m，孔深皆為65 m，基巖埋深分別為14.1 m、16.8 m、34.2 m、31.2 m、55.6 m。鉆孔涉及全新統—上更新統粉土、角礫及下伏太古界片麻巖地層，基巖山體剝蝕后退400～600 m。為對比地層，根據鉆孔編制了鉆孔地質剖面AA′(見圖8)。

圖8 聯合鉆孔AA’線地質剖面圖Fig.8 Geological profile of AA 'line of combined borehole

通過對研究區地質調查、鉆孔勘察進行綜合分析，發現基巖出露區邊線向東南至斷層線間地面呈緩狀向山前傾斜，地面坡角約介于4°～6°，平均坡降為95/1 000。DZK1-DZK5間基底似坡角介于1°～9°，平均傾角為5°，平均坡降為83/1 000，地面坡角和基底似坡角近于一致，基巖出露區與出露斷裂間范圍內無隱伏活動斷裂存在。

3 結論與討論

此次確定的斷點位于盆地側，地表無明顯陡坎，斷裂位置位于前人確定的位置東南約360～500 m處，與山體后退距離相近。這是由于斷層活動形成斷層崖后，在外力長期剝蝕下，斷塊山地被侵蝕降低，斷層崖被侵蝕形成斷層三角面，斷層三角面形成緩緩的山坡，山邊線向山地方向后退并和斷層線有一定的距離[9]。

通過地質調查、聯合鉆孔勘察、斷層露頭剖面實測、光釋光年齡測試等綜合手段對口泉斷裂郊城段準確位置、斷裂展布特征和活動性進行詳細研究，可得到如下認識：

(1) 口泉斷裂帶由2條斷層f1、f2組成。f1位于山區側，斷距1.4 m；f2位于盆地側，斷距1.9 m；呈階梯狀正斷層，間距30 m，斷裂帶具有階梯狀幾何結構特征。斷層錯斷第四系全新統—上更新統沖洪積層，為全新世活動斷裂。兩斷層為同期黏滑形成，反映第四紀全新世以來斷裂有過明顯錯動。

(2) 斷裂出露處地貌上無明顯陡坎，山前地面、基底面呈緩傾斜下降，地面平均坡角約5°。斷層與山體區距離約400～600 m,其間都上覆第四系沖洪積松散層，為正斷層形成后基巖區抬升、盆地區下降，基巖剝蝕、后退，沖洪積、風積堆積而成，20.3～27.8 ka期間沖洪積地層沉積速率約0.17 mm/a。

(3) 山前斷層位置確定應根據出露巖性、地質時代及斷裂形成年代、活動強度等結合地貌、鉆孔巖性、斷層露頭等綜合確定。與前人在此段研究成果相比，此次研究中確定的斷裂活動時代同為第四紀全新世，斷距與最近的鵝毛口探槽斷距1.8 m、發生于7.71～17.59 Ka的地震事件研究結果相近。

a1露頭出露1條斷層，斷距1.4m，發育崩積楔，為黏滑所致。由于陡坎未向東南延伸未出露另一條斷層；a2露頭出露兩條斷層，即a2-1露頭f1、a2-2露頭f2,兩斷層呈平行階梯狀，間距30 m，f1斷距1.4 m,f2斷距1.9 m,兩斷層最新錯斷為第四系全新統同時代地層，上、下盤同期地層厚度近于一致，推測為黏滑所致。斷層錯斷耕植土，為斷層蠕動所致。a1、a2-1露頭斷距皆為1.4 m,為同一條斷層。根據a2露頭f1、f2兩斷層間同盤osl-2、osl-3樣年齡計算出20.3～27.8 ka期間，地層沉積速率約0.17 mm/a。

基巖為太古界五臺群片麻巖，中等變質，變質年齡為20.5億年[10]，形成后受多期構造旋回的影響及風化、剝蝕。喜山運動晚期晚第三紀時期，由于區域應力場發生改變，山西斷隆中部沿燕山期逆斷裂發生解體，轉為正傾滑運動為主的斷陷沉降，形成統一的汾渭斷陷帶[11]。晚第三紀后，由于基巖區抬升、盆地區下降，基巖剝蝕加劇，山體后退，且距離達到400～600 m，在交城斷裂晉源姚村段、交城縣城段[12]均顯示出斷裂形成后山體的后退現象。

感謝張世民研究員對文章提出的修改意見與建議！