河神庙区构造发育成因及应力场分析

2018-03-02魏书宏赵学兵段秋梁

西部探矿工程 2018年2期

魏书宏，赵学兵，段秋梁

（1.山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中030600；2.北京世恒达科技有限公司,北京100096）

1 研究区概况

山西在构造单元上称山西块体，总体呈一个大致南北向的斜长穹窿块体，自西向东逐渐昂起，中央局部陷落。山西块体的范围为东连河淮（活动）块体，西接鄂尔多斯（稳定）块体，北至内蒙古阴山板缘带，南至豫西秦岭板缘带，而吕梁—太行断块则构成了山西块体的主体。在此主体构造上，自北向南依次为偏关—神池块坪、云岗块坳、吕梁山块隆、宁武—静乐块坳、五台山块隆、沁水块坳和太行山块隆，以及桑干河新裂陷、滹沱河新裂陷、晋中新裂陷、运城—临汾新裂陷、芮城新裂陷和长治新裂陷等一系列断陷盆地。研究区位于沁水块坳的西南部，与太岳隆起交接的边缘处。该区构造复杂，以褶曲、断层构造为主，近南北向褶皱构造发育。

2 构造发育特征

研究区总体构造形态为一走向NNE、倾向NWW的单斜构造，在此基础上发育了一系列近南北向的宽缓褶曲，形成了研究区内地层的波状起伏。研究区面积约310km2，采用地质测量、钻探和二维地震等多种方法综合进行勘查，发现断层15条，落差最大200m，褶曲23条，陷落柱18个，详见图1。该区地层倾角一般5°～20°，构造以褶曲为主，断裂构造为辅。

2.1 断层发育特征

研究区断层总体走向为近NE向，其次有近EW向和NE向。中北部和南部主要为NE向断层，北部和中部有近EW向断层，详见表1。落差大于（含）100m的断层走向为NE向和近EW向，由地震勘探、地质测量和钻孔综合确定。北部近东西向断层地表显示出断层破碎带较宽，多见有透镜状岩块和岩片，还可见断层角砾岩，有擦痕。在地震时间剖面上显示其断层带宽、上盘断层带附近目的波的连续性差。

表1 断层统计表

2.2 褶曲发育特征

褶曲主要分布在西部和中东部、南部。西部褶曲幅度较大，延伸长度长，褶曲轴延伸平直；中东部、南部褶曲轴延伸较短，褶曲轴弯曲且呈放射状组合展布。详见表2。

3 构造成因分析

根据以上褶曲和断层的特征（见图1）可知，研究区褶曲、断层大部分显示出压性应力的作用结果，如：较大规模褶曲S2、S3、S4、S5和断层F1、F2、F5、F6、F7、F8、F11等构造，而S6、S7、S8、S9、S10和S17、S18、S19、S20、S21、S22、S23及F12、F15等构造显示出扭性应力的作用结果。由此可以得知研究区是由二期不同方向、不同性质的构造运动产生的应力作用叠加后最终形成的现在的构造格架。

研究区主干褶曲S2背斜、S3向斜、S4背斜、S5向斜4条褶曲轴线均呈南北向展布且平行呈直线状延伸，另有F5逆断层和该褶曲轴平行展布，以及张性正断层F6、F7、F8、F11与主干褶曲S2、S3、S4、S5近于垂直伴生，这些特征表明该构造形态是在东西向挤压力作用下形成的。

表2 褶曲统计表

研究区中东部和南部的S6、S7、S8、S9、S10和S19、S20、S21、S22、S23背、向斜组成的2组褶曲平面展布形态呈现一端收敛，另一端撒开，且褶曲轴线大多呈弧形，这些特征充分表明该区中、南部经历了压扭性的力矩作用。

研究区中，陷落柱X2、X4、X5分别分布在断层F10、F3、F4附近，X17、X10、X18沿断层F11展布，同样X3、X1、X11、X12、X13和X14、X15分别沿F12、F15断层分布，且是在断层带附近基本沿北东向、近东西向延展，由此可以看出陷落柱的形成与北东向、近东西向正断层的发育关系较为密切；而X6、X7与F5或S2向斜、X8、X9与S5向斜的空间关系上关系较为密切，由此可以认为陷落柱的形成主要受控于晚期（喜马拉雅期）形成的北西向、近东西向正断层，早期（燕山期）形成的近南北向向斜也有一定的控制作用，为此本文认为，虽然向斜轴部岩层底面受拉张比背斜轴部更易于陷落柱的发育，但张性断层的发育更加有效地沟通了地下水的水力联系，是陷落柱形成的主控因素。

4 构造应力场分析

中生代印支运动末期，山西块体由以前的东沉西翘变为东翘西沉。到燕山运动时期，东西向挤压力逐渐增强，东部的太行山和西部的吕梁山开始隆起上升，沁水区块即随之发生相对的下沉，随着挤压力的进一步加强，沁水区块随之沉降幅度也增大。晋获断裂复活，或者说在古老断裂的基础上产生了新的断裂活动。

正是由于自中三叠世开始的东翘西沉的地壳运动，加上燕山运动时期晋获大断裂西盘向东盘逆冲的断裂活动特点，造成了包括研究区在内的沁水区块东高西低的几何形态（赋存石炭—二叠系及下三叠统）。使得沁水区块东部三叠系地层的保存厚度小于西部，甚至缺失上三叠统。到喜马拉雅运动期，该区应力方向发生转变，由东西向压应力变为东西向张应力。在喜马拉雅运动发展演化期间，由于有前期的燕山运动时期形成的构造边界条件的影响变化，改造区域性构造应力场，形成被边界条件围限的“小地块”构造应力场。

综上所述，究区构造特征首先是在燕山期晋获大断裂西盘向东盘逆冲的断裂活动作用下形成的，这个古应力场的最大主应力（σ1）方向为水平东西方向，最小主应力（σ3）方向为水平南北方向，在该应力状态作用下，形成了研究区的近南北向的褶曲和近东西向的正断层，如图2所示。随后在喜马拉雅运动演化过程中，由东西向的压应力转变为东西向张应力，即维持最大主应力（σ1）方向为水平东西方向，最小主应力（σ3）方向为竖直方向。但东西向张应力传导到研究区后，在已有的燕山期构造格架下由于被构造边界条件围限的“小地块”影响变化，转变为压扭应力，形成2个方向的作用力，即：南北向的挤压应力和北东向的剪切应力，在此二力的联合作用下，产生一系列的北东向呈“S”状的拉张断裂，如F12、F15等及中东部和南部的呈扇形分布的小褶曲。