汾河裂谷晋中盆地内第四纪沉积序列与沉积环境恢复

秦帮策方维萱张建国贾润幸肖文进

1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南 昆明 650000;

2.有色金属矿产地质调查中心矿山生态环境资源创新实验室,北京 100012;

3.有色金属矿产地质调查中心西南地质调查所,云南 昆明 650000

0 引言

山西省晋中盆地是典型的“两山夹一盆”盆山镶嵌构造区,该构造区内的构造地貌、沉积演化与地质灾害易发性之间的相互关系一直是研究热点问题(武强和陈佩佩,2003;刘池洋等,2006;王应刚,2007;倪倩,2008;郭瑾,2015;李建星等,2015;李庶波等,2015;臧明东,2015;魏荣珠等,2017;周静静等,2019)。晋中盆地位于山西省汾渭地堑系中部,属新生代断裂控制的走滑拉分断陷型盆地。该盆地总体呈北东向“S”型展布,长约100 km,宽约40 km,总面积约6000 km2,地貌以“两山夹一盆”为特征,西侧为吕梁山系,东侧为太岳山系。晋中盆地内部地块分布自北向南依次为:太原凸起→东部断阶→交城凹陷→祁县凸起→西部断阶 (武强等,2003),盆地周边由北东和北北东向活动断裂所控制,西北缘控盆断裂为交城断裂(许桂林等,1998;马保起等,1999),南东缘控盆断裂为太谷断裂 (谢新生等,2004;江娃利和王焕贞,2004)。上新世初,盆地开始全面断陷下降接受沉积,整体呈北西深、南东浅的“箕状”断陷,西部沉积物厚度最深可达3800 m,为东部的10倍(中国地震局地壳应力研究所,2010)。

晋中陆内盆地典型断陷沉积和沉积演化独具特色(王乃樑,1996;胡小猛等,2002;闫小兵等,2014;王利康等,2017;王磊,2018;魏荣珠等,2020)。王乃樑(1996)研究揭示了从盆地内部到盆地外围第四系沉积序列及沉积环境。胡小猛等(2002)研究认为第四纪中晚期湖泊沉积经历了3次大幅度湖退过程。王利康等(2017)总结了晋中盆地第四纪以来巨厚的河湖相地层特征,认为盆地边缘中更新世以来在湖相地层上部覆盖了数十米厚的风成黄土。王磊(2018)研究认为晋中盆地上更新世和全新世沉积环境为河流沉积,经历了5次曲流河旋回演化。魏荣珠等(2020)采用晋中盆地东北部晚新生代标准孔ZK01岩芯的沉积学及磁性地层学研究划分了晋中盆地第四系地层,认为中更新世和全新世沉积环境为河流及湖泊沉积。通过对比已有研究成果,可知关于晋中盆地沉积环境的研究认识尚未得到统一,究其原因,是因缺乏盆地总体的构造岩相学格架研究,在局部研究成果上难以进行对比综合研究,制约了研究揭示沉积盆地尺度上沉积序列和沉积演化规律。

构造岩相学指“在一定时间-空间结构上,岩石组合类型及这些岩石特征代表的构造-地质环境和条件的综合反映” (方维萱,2012),其表达式为:构造岩相学={x,y,z,T,M-(t-p-T)},构造岩相学具有横断学科特征,其方法具有多尺度性及综合性(方维萱,2016)。在沉积盆地尺度上研究盆内沉积序列和沉积演化,需要采用遥感构造地貌学、沉积学、构造岩相学路线剖面和综合构造岩相修图等,进行沉积盆地内平面沉积序列建立,并采用钻孔勘查和地球物理探测,进行沉积盆地内垂向沉积序列建立,同时对重点地段进行地球化学岩相学和年代学解剖研究,进而实现五维空间-时间-物质域宏观总结研究。

文章采用构造岩相学创新研究方法,对晋中新生代陆内盆地进行沉积序列和沉积演化研究,揭示了沉积序列、沉积环境和物质组成(M)在山西晋中盆地地表和钻孔中(x-y-z空间域)的变化规律,建立了第四纪(时间域t)沉积序列结构,对晋中新生代陆内盆地的沉积演化规律和同沉积断裂的活动性进行了探讨,拟总结出晋中盆地沉积演化新的宏观认识,为区域环境气候演化、工程场址选择及区域防灾减灾工作提供参考作用。

1 区域背景

晋中盆地地貌格局为北东至南西走向的斜长形断陷盆地,地势北高南低,西高东低,四周为丘陵山区所环绕(图1a)。东侧太行山系太岳山脉,海拔高度在1300～1700 m,最高峰位于介休县茶山一带,海拔2120 m(图1a)。东部地貌类型从侵蚀性中-低山地向黄土丘陵、黄土塬、梁、峁等,再到盆地内部广阔倾斜冲积平原缓慢过渡(图1b)。西侧吕梁山系海拔高度为1500～1800 m,最高峰为关帝山,海拔2830.7 m(图1a)。受断裂活动影响,西部地貌类型从侵蚀性中-低山地急剧下降为盆地内部冲洪积平原,冲积扇群及黄土型台地分布在山前地区(图1b)。盆地南部为黄土丘陵地貌,北部主要为冲积扇裙地貌,河谷地貌在盆地内部的汾河、潇河及乌马河等河流地区分布(图1b)。

晋中盆地周围出露的地层岩性主要为奥陶系白云质灰岩、泥灰岩、灰岩;石炭系砂岩、页岩、砂页岩、煤层;二叠系砂质页岩、页岩、泥岩;三叠系长石砂岩夹砂质泥岩、长石砂岩与砂质泥岩互层;纪侏罗系石英砂岩、泥岩。该盆地自中新世后开始接受沉积,上新世初形成以德保组和静乐组为代表的陆相沉积岩系,呈角度不整合于侏罗纪地层之上。德保组的泥灰岩和黏土岩属于陆内浅湖相沉积,对应断陷成盆阶段;静乐组以砂、砂质黏土和黏土为主,钙质结核发育,为湖泊三角洲相沉积,指示盆内湖泊变浅过程。到第四纪,随着从盆山过渡带向盆地内部地貌的分带特征,盆山过渡带黄土堆积地貌区自下而上沉积了下更新统午城黄土、中更新统离石黄土及上更新统马兰黄土系列风成黄土陆相地层;盆山过渡带内的河流阶地地貌区、冲积扇群地貌区及倾斜平原地貌区,先后沉积了下更统统大沟组、木瓜组,中更新统匼河组,上更新统丁村组、峙峪组,全新统选仁组、沱阳组等多组河湖相沉积地层;在盆地内部广阔的冲积平原地貌区主要以泥河湾组湖相及汾河组河流相沉积地层为主,二者具有跨时性,其中泥河湾组主要沉积于下更新世(山西省地质矿产局,1997)。

2 第四系沉积序列与演化

在晋中盆地第四系沉积序列研究中,第四系地层划分方案沿用山西省地质矿产局于1997年在“全国地层多重划分对比研究”工作中对山西省岩石地层进行重新划分的方案,即:下更新统午城(黄土)组 (Qp1w);中更新统离石 (黄土)(Qp2l)组;上更新统马兰(黄土)组(Qp3m)、峙峪组(Qp3s^);全新统沱阳组(Qht);汾河组(Qf)。将晋中盆地清徐地区第四系沉积物划分为下更新统 (Qp1)、中更新统 (Qp2)、上更新统(Qp3)、马兰(黄土)组(Qp3m)、峙峪组(Qp3s^)、全新统 (Qh)、沱阳组 (Qht) 和汾河组(Qf),作为基本填图单位进行地质填图,进一步进行沉积环境调查和研究。

将汾河组进一步划分为汾河组冲积扇相砾石和砂质黏土,汾河组河漫滩下砂和粉砂质黏土;将沱阳组进一步划分为沱阳组河漫滩相砂、粉砂质黏土,沱阳组河床相砂和砂砾石,进行晋中新生代盆地垂向沉积序列和平面序列研究,以及沉积环境和沉积环境演化规律研究。

2.1 第四系地表分布特征

a—晋中盆地形态;b—晋中盆地水系、区县、断裂分布及地貌特征图1 晋中盆地地貌特征、断裂及地理要素分布图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

晋中盆地清徐地区出露的第四纪沉积物类型多样(图2)。按断陷盆地地貌分带特征,清徐地区西侧的盆地外围地貌类型为基岩山地,分布二叠系砂泥岩、页岩夹煤层(图2);盆山过渡带内活动断裂发育,地貌类型主要为二级河流阶地、三级河流阶地及冲积扇群,在河流阶地地区,阶地下部,主要分布上更新统峙峪组河流相沉积物,阶地上部分布有马兰组风积相沉积物,在冲积扇群地区主要分布汾河组冲积扇相沉积物(图2);盆地边缘地貌类型为倾斜平原,主要分布汾河组河流相沉积物(图2);盆地内部地貌类型为冲洪积平原和河谷地貌,主要分布全新统沱阳组,沉积相可分为河漫滩相和河床相两部分(图2)。如在黄楼村三级河流阶地的第三级阶地分布的上更新统马兰组(图3a、3b),为一套风积的淡黄色、灰黄色亚砂土,质地均一,结构疏松,垂直节理发育,开度大于2 mm,常有植物根遗留体,零星钙质结核,核径2～4 cm,靠顶部有一层棕红色,灰褐色古土壤层,厚1～1.5 m,取淡黄色亚砂土经过C14测定年龄为28550±340 a,介于全新统底界(11700 a)到上更新统底界(126000 a)之间(全国地层委员会,2017),表明该地层沉积于上更新世晚期。黄楼村三级河流阶地中的第一级阶地到第二级(中—下级)阶地分布的峙峪组(图3c、3d),上部由一套二元结构明显的河流相砂砾石层、砂层、亚砂土组成,为典型的河流阶地堆积物,厚度在10～20 m,下部为褐色砾石层与灰色含砾黏土、砂土互层,组成韵律层,层理向盆地内部方向小角度倾斜,下部韵律层中褐色砾石层厚2～40 cm,砾状构造,砾径5 cm左右,多为灰绿色和紫红色砂岩,灰褐色含砾砂土、黏土层厚1～25 cm,呈现河床相和河漫相交替现象。在黄楼村三级河流阶地的第二级阶地取峙峪组含砾黏土经C14测定年龄为39760±1030 a,第一级阶地取峙峪组黏土经C14测定年龄为38860±890 a,表明该峙峪组地层沉积于上更新世晚期。在新民村北西侧采坑中分布的汾河组,下部为黄灰色砂层与黄、紫红色泥、含砂泥层互层,砂泥层厚5～10 cm,向上泥质成分增多,上部为砂、砂砾石层,磨圆度、分选性差,砾径5～20 cm,具有冲积扇进积特征(图4a),取该采坑附近汾河组砂泥层中的样品经C14测定年龄为28990±440 a,表明该汾河组地层沉积于上更新统晚期(跨时性)。在盆地内部较大的汾河、潇河等河谷地区分布的沱阳组河床相地层由砂砾石组成(图4b),河谷两岸分布的沱阳组河漫滩相地层由粉砂质黏土夹砂、黏土组成(图4c),在盆地内部取沱阳组粉土测定年龄为5660±60 a,表明该沱阳组地层沉积于全新统中期。

图2 晋中盆地清徐地区第四纪地层分布图Fig.2 Distribution map of the Quaternary strata in the Qingxu area, Jinzhong Basin

2.2 钻孔剖面特征

上述为晋中盆地清徐地区地表空间尺度上的第四系沉积序列特征,为了进一步揭示晋中盆地清徐地区地下空间尺度上的第四系沉积序列特征,在清徐县刘家园村—西梁泉村布设了系列钻孔,自北向南包括刘家园村ZK003A孔,孔深90.06 m,地面标高为810 m;ZK001B孔,孔深90.09 m,地面标高为799 m;ZK001A孔,孔深137.97 m,地面标高为798 m;西凉泉村ZK005孔,孔深70.03 m,地面标高为773 m(图5,图6a)。以上4个钻孔总体位于晋中盆地西侧盆山过渡带,ZK003A孔靠近基岩山地,ZK005孔靠近盆地,地面自北向南高差37 m(图6a)。由上述4个钻孔建立的钻孔联合剖面方位为170°,总长375 m,最大孔间距为270 m(ZK003A孔—ZK001B孔),最小孔间距为25 m(ZK001A孔—ZK001B孔),平均孔间距为94 m(图5,图6a)。该钻孔剖面地层自下而上可划分为3套地层,分别为全新统(Qh)、上更新统(Qp3)沉积地层以及二叠系(P)基岩地层(图6a),由于刘家园村—西梁泉村钻孔联合剖面揭示的上更新统地层未见底,因此通过分析收集的资料及晋中盆地水文地质剖面来补充研究中更新统(Qp2)和下更新统(Qp1)沉积序列特征(图6b;山西省地质矿产局,1997;山西省地质调查院,2008),晋中盆地第四系全新统到下更新统及二叠系岩性分述如下:

a—马兰组淡黄色亚砂土;b—马兰组中发育的垂直节理;c —峙峪组褐色砾石层与灰色含砾黏土、砂土互层;d—峙峪组粗砂细砾层图3 黄楼村三级河流阶地上分布的马兰组及峙峪组地层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

图5 钻孔剖面位置图Fig.5 Location map of the drilling profile

全新统(Qh):岩性以浅红色、灰绿色、紫红色细砾、中砾为主,夹粗砂、中砂及少量的含砾砂质粉土,砾石原岩为灰绿色粗粒长石砂岩、紫红色细粒长石砂岩、灰白色细粒长石砂岩。沉积厚度在横向上存在差异分布,自北部刘家园村以南到靠近南部西梁泉村之间,平均厚度为22 m,而西梁泉村地区厚度为51.5 m(图6a)。

上更新统(Qp3):上部岩性以灰绿色、紫红色、灰白色中砾、中细砂为主,夹灰绿、棕紫色含砾中细砂砂质粉土、含砾粉质黏土。下部岩性以灰绿色、褐色含砾砂质粉土、褐红色的砂质粉土、细砂质粉土、粉砂质黏土夹少量细砂为主。较全新统(Qh)地层,Qp3上部的地层组成稳定,砾石明显减少。钻孔揭露未见底,由水文地质剖面可知其厚度约105 m(图6a、6b)。

中更新统(Qp2):岩性为浅灰色、浅黄色、浅灰色泥岩、粉砂质泥岩和浅灰、灰白色砂岩互层,局部可见灰色页岩及石膏晶体。厚度约120 m(图6b)。

下更新统(Qp1):岩性为灰、灰绿色褐色泥岩夹砂岩,灰、灰褐色泥岩、粉砂质泥岩夹砂岩、砾岩,含砾砂岩、砂砾岩互层。厚度约100 m(图6b)。

二叠系基岩地层(P):岩性为深灰色、灰黑色炭质泥岩、泥晶灰岩夹煤层、炭质长石砂岩,灰色长石砂岩、粉砂质泥岩,局部可见黄铁矿和石膏晶体。钻孔揭露未见底,揭露厚度为74 m(图6a)。

钻孔联合剖面中的全新统及上更新统底界位置通过C14测年方法确定,在ZK005孔52 m处取得的粉土经C14测定年龄为13140±120 a,由上文所述全新统底界年龄为11700 a,结合ZK005孔岩性特征,将ZK005孔处全新统底界定在ZK005孔孔深51.5 m处。在ZK001A孔133 m处取得的粉质黏土经C14测定年龄为26160±310 a,上更新统底界年龄为126000 a,取样位置以下5 m的灰绿色、褐色含砾粉质黏土与取样位置岩层属于同一岩性段,因此上更新统底界位置位于ZK001A孔下部。在ZK001B孔22 m处取得的粉土经C14测定年龄为17370±190 a,全新统底界年龄为11700 a,结合地层岩性,将全新统底界定在ZK001B孔孔深20.5 m处,临近的ZK001A孔全新统底界定在孔深27 m处。ZK003A孔16.5 m处全新统沉积物与二叠系基岩不整合面清晰,故将ZK003A孔处全新统底界定在ZK003A孔孔深16.5 m处。

晋中盆地清徐地区全新统地层沉积特征为冲积扇相沉积,并且具有漫流沉积和筛状沉积特征,上更新统地层上部具有冲积扇相沉积特征,下部以河床相和河漫相沉积为主,中更新统以浅湖相和河流相沉积为主,下更新统为浅湖相、滨湖相沉积,二叠系为浅海相沉积,局部海岛发育。第四系沉积物厚度从盆地外围向盆地内部大幅增加,从ZK003A孔到ZK001B孔,全新统下覆的二叠系浅海相沉积地层横向上直接变为更新统河湖相地层,从ZK001A孔到ZK005孔,全新统冲积扇相地层的厚度急剧增加,厚度差约25 m。总体而言,横向上,晋中盆地清徐地区沉积物沉积厚度具有差异分布特征;垂向上,沉积相自下而上由下更新统浅湖相、滨湖相向中更新统浅湖相、河流相到上更新统河床相、河漫相、冲积扇相再到全新统冲积扇相转变。

a—汾河组冲积扇进积现象;b—沱阳组河床相叠瓦状定向排列的砾石;c—沱阳组河漫滩相波状层理图4 冲积扇地区的汾河组及盆地内部的沱阳组地层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 钻孔ZK 001A中沉积序列结构特征

a—刘家园村—西梁泉村钻孔联合剖面;b—晋中盆地水文地质剖面(据山西省地质调查院,2008修改)图6 晋中盆地第四系剖面图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)

为提高第四纪沉积序列研究精度,在上述钻孔联合剖面以“统”为尺度进行的研究基础上,选择ZK001A孔作为代表性钻孔,对全新统和上更新统内沉积序列进行以 “层”为尺度的研究,ZK001A孔相较其余三孔(ZK003A孔、ZK001B孔、ZK005孔)揭示地层最深、钻探工艺更高、岩性更丰富,具有代表性特征。ZK001A孔位于西梁泉村北西侧,距西梁泉村约600 m处,孔深138 m,共计分29层(图7),该钻孔第四系分层可划分为全新统(Qh)和上更新统(Qp3)两部分,全新统(Qh)底界深度在27 m处,层厚27 m,上更新统揭露厚度为111 m,未见底。全新世沉积环境为冲积扇相沉积,上更新世沉积环境以河床相和河漫相沉积为主,自下而上可划分为7个反向沉积旋回,各反向沉积旋回内岩性粒度递减(图7)。

全新统(Qh):埋深为27 m,划分1个反向旋回。

第7旋回(Qh-7):沉积物由棕褐色粗砂砾石、褐色粉砂质砾石、少量粉土组成,砾石为浅红色、灰绿色长石砂岩,分选性、磨圆度差,砾石成熟度低。该旋回层为冲积扇相沉积,粒序为上粗下细的沉积序列结构,具有冲积扇进积现象,并且砾石中混杂的粉土指示了冲积扇筛状沉积的特征。

上更新统(Qp3):厚111 m,可划分出以下6个反向沉积旋回。

第6旋回(Qp3-6):埋深为27～36.5 m,上部沉积物为褐色含砾粉质粗砂,砾石含量为30%,粉土含量为20%,粗砂含量为50%,砾石成分以浅红色、灰绿色长石砂岩为主,分选性、磨圆度差,砾石成熟度低,长石含量＞50%。下部沉积物为褐红色砂质粉土,砾石含量仅5%,成分与上部砾石成分相同。该旋回层与第7旋回层呈不整合接触,沉积相下部为河漫滩相,上部为冲积扇相。

第5旋回(Qp3-5):埋深为36.5～60.9 m,沉积物由褐色含粉质黏土砾石、灰色粗砂夹砾石、褐色砾砂夹砾石、褐色中细砂及褐红色含砾粉质黏土组成,上部砾石含量为90%,下部砾石含量为5～10%,砾石成分主要为灰绿色、灰白色、浅红色长石砂岩,分选性及磨圆度差—中等,砾石成熟度低。该旋回层下部为河漫滩相沉积,上部为河床相沉积,其中砾石含量为90%的沉积层为河床滞留相沉积层,粗砂—细砂—砾砂层为边滩相沉积层。

第4旋回(Qp3-4):埋深为60.9～83.4 m,上部沉积物为浅灰色、灰绿色、紫红色砾石、褐色含砾粉土、砾石夹粉质砂土,砾石含量为65%,成分以灰白色、灰绿色长石砂岩为主,长石含量可达70%,成熟度低,分选性、磨圆度差—中等。下部沉积物为褐色含砾砂质粉土,含有少量细砂及砾石,砾石成分以浅灰色泥质灰岩为主。该旋回层沉积相下部为河漫滩相,上部为河床相。

第3旋回(Qp3-3):埋深为83.4～99.42 m,沉积物为紫红色、灰绿色、灰白色砾石、褐色砂质粉土、褐红色含砾粉质黏土,砾石成分以灰绿色长石砂岩为主,分选性、磨圆度中等,并且砾石层在该旋回层中以两个相对较薄的夹层出现,厚度分别为2.6 m和1.4 m。该旋回层沉积相自下而上为河漫湖泊相—河床相—河漫滩相—河床相。

第2旋回(Qp3-2):埋深为99.42～112.3 m,沉积物为灰绿色砾石、褐色粉砂质黏土、褐色含砾粉土、褐红色含砾砂质粉土,其中砾石呈角砾状,分选性、磨圆度差,其成分以灰绿色长石砂岩为主,长石含量可达80%,砾石成熟度低。该旋回层沉积相下部为河漫滩相,中部为河漫湖泊相,上部为河床相。

第1旋回(Qp3-1):埋深为112.3～138 m,沉积物为浅灰色、灰绿色砾石、褐红色、紫红色、灰绿色含砾砂质粉土、褐色砾石夹砂质粉土、褐色、灰绿色含砾粉质黏土、粉砂质黏土,砾石成分以灰绿色长石砂岩为主,呈次棱角状,分选性、磨圆度差,成熟度低,含量15%左右。该旋回层沉积相下部为河漫滩相,河漫滩相其间夹一期河漫湖泊相沉积,上部为河床相。

由上述7个反向沉积旋回分别反映的系列沉积相可知,晋中盆地清徐地区全新世以来沉积环境为冲积扇相沉积,上更新世晚期(ZK001A孔揭露的最晚地层时代约26160±310 a)沉积环境主要为河流相沉积,其中河床相沉积和河漫滩相沉积交互出现,其间夹杂河漫湖泊相沉积及冲积扇相沉积,并且钻孔揭示的沉积物粒度分布从下向上出现7组较为明显的二元结构(图7),指示了该地区在26160±310 a(上更新世晚期)以后,共经历了7次河流旋回演化。

图7 钻孔ZK001A沉积序列与钻孔柱状图Fig.7 Drilling histogram of the representative borehole ZK001A

3 讨论

3.1 汾河裂谷晋中盆地内第四纪沉积演化特征

根据对晋中盆地地表第四系分布特征、单孔第四系沉积序列特征以及钻孔联合剖面第四系地层划分的研究,结合晋中盆地水文地质剖面、第四系等深线及一系列已有成果资料,可对晋中盆地第四纪以来的沉积演化有了进一步的认识。

晋中盆地内第四系在清徐—交城地区埋深最深,深度可达500 m,向北东、南东及南西方向第四系埋深逐渐变浅,到南东部埋深降为100 m(图8),由此可知在第四纪期间盆地内部的沉积水体具有北西部深,向北东、南东、南西部变浅特征,水流向北西部地势较低处汇聚。

a—晋中盆地地块分布图(武强等,2003);b—晋中盆地主要断裂、地震、新生界和第四系沉积物厚度分布图(据中国地震局地壳应力研究所,2010修改)图8 晋中盆地构造、地震及沉积物厚度分布图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)

晋中盆地第四系的沉积序列垂向上总体具有下细上粗的特征,并且在横向上具有同时异相性;其中,下更新统主要为泥岩、粉砂质泥岩夹砂岩及砂砾石层的浅湖相、滨湖相地层,中更新统为泥岩、粉砂质泥岩和砂岩互层的浅湖相、河流相地层;上更新统顶部为以砾石为主的冲积扇相地层,顶部以下为粉质黏土、砂质粉土、砂及砾石为主的河床相和河漫相地层。盆山过渡带地区全新统为以汾河组砾石层为主的冲积扇相地层,盆地内部为沱阳组砂砾石及粉砂质黏土夹砂、黏土的河床相和河漫滩相地层,以及汾河组以黏土为主的湖相地层(魏荣珠,2020)。在盆地外围地势较高地区,下更新世吕梁山系地区沉积了午城组风成黄土(山西省地质矿产局,1997),中更新世沉积了离石组风成黄土(王乃樑,1996),上更新世地势较高处沉积了马兰组风成黄土。

综合晋中盆地第四系沉积序列及第四纪期间的沉积水体深度特征,可将晋中盆地第四纪期间的沉积演化划分为4个阶段。①早更新世断陷盆地阶段。主体分布为湖泊相,属下更新世泥河湾期泥灰岩-黏土岩组合,主体指示了陆相湖盆环境。在陆相湖盆边缘为滨湖相区,沉积水体相对较浅,岩石组合以含砾泥岩为主,同期在盆山过渡带地势较高地区,沉积了午城组风成黄土堆积而成的地层。水平相序结构为陆相湖盆相→滨湖相→湖岸山地风成黄土堆积相。②中更新世陆相湖泊萎缩阶段。在陆相湖盆内部沉积了中更新统泥岩及粉砂岩,整体以浅湖相沉积为主,沉积水体较深。盆地边缘地带以河流相粉砂岩、砂岩和细砾岩为主,沉积水体较浅。水平相序结构为陆相浅湖相→河流相。并且该时期沉积的部分粉砂质泥岩和砂岩互层地层指示了湖水进退现象,这与盆地南东部洪山地区中更新世的湖泛事件具有一定程度的对应(胡小猛等,2002)。③晚更新世湖泊消亡阶段。峙峪组以砾石、砂、粉砂等为主,夹少量黏土层,主体以河流相为主。河流相和河漫滩相交替演化,在丰水期河水溢出堤岸积累形成河漫湖泊。在晋中盆地外围开始接受上更新统马兰组风成黄土层沉积。水平相序结构为河流相+河漫滩相→河岸山地风成黄土堆积相。④全新世陆相湖盆再度沉降阶段。在晋中盆地持续沉降过程中,广泛沉积了全新统沱阳组和汾河组的砾石、粉砂及黏土等河流-湖泊相沉积物,盆地内部汾河、潇河等众多河流发育。在盆地边缘出山口地带形成山麓冲积扇相(群),沉积地层主要为全新统汾河组泥砂砾石。在周边中低山区,出露有前新生界寒武系到三叠系碳酸盐岩,灰岩和煤系,北部、东部及西部普遍缺失中更新统和全新统沉积。水平相序结构为河流-湖泊相→河流相→山麓冲积扇相→侵蚀山地,这种景观生态环境格局有利于人类生存发展,沱阳组粉土测定年龄为5660±60 a,暗示了该山间盆地与中华文明早期起源地(山西省地质矿产局,1997)具有一致性。

3.2 活动断层的沉积响应

晋中盆地位于华北地块西部北东向次级构造带内,该构造带北起阴山构造带,南抵秦岭造山带,西临鄂尔多斯地块,历经了燕山期和喜山期地壳隆升和陆内成山作用后,盆地大致成型。该盆地的形成和发展完全受断裂控制,周边继承并新生了系列控盆断裂,北西侧为交城断裂,南东侧为太谷断裂,北东侧为鸣谦-北田断裂,南西侧为三泉断裂,盆地内部隐伏断裂发育,主要为宜儿平寨断裂、胡兰-杨房断裂及东阳-祁县断裂。该盆地内部主要以4～5.9级的中—小震为主,6～6.9级较少,分别分布在清徐县东侧及介休市南西侧,并且发生在1900年以前的地震事件比发生在1900年后的相对较多,总体特征为小震密集,地震频度高,强度较低(图8)。

活动断裂是在最近地质时期持续活动,并且在未来仍将活动的断裂(吴中海,2019),活动断裂因与人类生存环境和生态资源环境有密切关系,一直是地震地质领域长期关注的焦点之一(周江林,2011;刘兴旺等,2015;马润勇等,2015;万佳戚,2015;卢杰,2016;吴中海,2018;房艳国等,2019;肖坤泽和童亨茂,2020)。断裂活动所导致的地质灾害主要包括地震、滑坡及地裂缝等一系列地质灾害(徐锡伟,2006;郭婷婷等,2017),对自然生态环境及人类工程场址造成重大危害。晋中盆地北西边缘的控盆断裂——交城断裂自北东向南西,穿过晋中盆地清徐地区(文中的钻孔布设区),断裂带宽数百米,动力学具有倾向南东、正滑兼走滑特征,推测为受基底断裂控制的继承性活动断裂,在全新世以来仍有新生性活动的断裂(山西省地质矿产局,1989;许桂林等,1998;马保起等,1999)。

根据从刘家园村到西梁泉村钻孔联合剖面中的上更新统顶界及二叠系顶界的埋深错位现象,圈定从刘家园村到西梁泉村之间存在3条断层,自北向南依次为F1、F2和F3(图6a,图9)。①F1断层位于刘家园村ZK003A孔到ZK001B孔之间,在ZK003A孔16.5 m处开始出现二叠系山西组炭质泥岩、长石砂岩、炭质泥晶灰岩等;然而,在ZK001B孔未见到二叠系山西组基岩,二叠系顶界的错位距离＞84 m。②F2断层位于ZK001B孔到ZK001A孔之间,ZK001A孔上更新统顶界埋深为27 m,ZK001B孔上更新统顶界埋深为20.5 m,上更新统顶界的错位距离为7.5 m(ZK001B孔与ZK001A孔高差为1 m)。③F3断层位于ZK001A孔到西梁泉村ZK005孔之间,ZK005孔上更新统埋深为51.5 m,上更新世顶界的错位距离为49.5 m(图9)。

图9 第四系对比及地层错断解译图Fig.9 Quaternary comparison and interpretation of stratigraphic faults

F1、F2和F3断层均为活动断层,同时也是同沉积断层。在上述地层错位的基础上,通过ZK003A孔、ZK001B孔、ZK001A孔和ZK005孔的全新统地层厚度计算F1、F2和F3断层的生长指数和断层落差,来探讨F1、F2和F3断层全新世以来的活动性(图9)。假设在理想条件下:断层两盘的沉积速率一致、断层两盘的剥蚀强度一致、不考虑沉积压实作用,计算结果为:F1断层在全新世的生长指数为1.24,断层落差为4 m;F2在全新世的断层的生长指数为1.32,断层落差为6.5 m;F3断层在全新世的生长指数为1.91,断层落差为24.5 m。F1、F2和F33条断层的生长指数均大于1,自北向南从F1断层向F3断层依次增大,并且从F1断层到F3断层的断层落差的增长趋势与生长指数具有良好的一致性,说明全新世以来,F3断层的活动性最强,F2断层的活动性次之,F1断层的活动性相对较弱(图10),这种运动学格局揭示了阶梯式断陷成盆的动力学机制,也揭示了晋中山间盆地具有半地堑式几何学结构。

图10 断层生长指数及断层落差增长趋势图Fig.10 Tendency chart showing the fault growth index and the increase of fault drop

4 结论

通过构造岩相学创新研究方法,分析了晋中盆地第四纪沉积物特征,揭示了晋中盆地第四纪平面和垂向上的沉积序列结构,进而探讨了晋中盆地第四纪期间的沉积环境、沉积演化特征及一系列同沉积断层的活动性,取得的结论如下:

(1)晋中盆地西侧基岩山区(盆地外围)分布二叠系浅海相沉积物,盆山过渡带地区的河流阶地的下部分布峙峪组河流相沉积物,阶地上部分布马兰组风成黄土沉积物,盆山过渡带内的其他地区以汾河组冲积扇相沉积物为主,盆地边缘分布汾河组河流相沉积物,盆地内部主要以河床相和河漫滩相的沱阳组沉积物为主。

(2)位于刘家园村到西凉泉村之间的钻孔联合剖面揭示的第四系自上而下可划分为全新统和上更新统两部分,全新统厚度自北部ZK003A孔向南部ZK005孔变厚,底界埋深变深。全新统及上更新统上部沉积相为冲积扇相,上更新统沉积相整体以河床相和河漫相为主。

(3)钻孔ZK001A孔自下而上可划分出7个反向沉积旋回,每个旋回内向上粒度变粗,全新世以来沉积相为冲积扇相,上更新世以来沉积相以河床相和河漫滩相交替为主,夹杂河漫湖泊相。上更新世晚期,共经历了7次河流旋回演化。

(4)晋中盆地在第四纪经历了4个演化阶段为早更新世断陷盆地阶段→中更新世陆相湖泊萎缩阶段→晚更新世湖泊消亡阶段→全新世陆相湖盆再度沉降阶段。第四纪沉积水平相序列总体结构为河漫湖泊相→河床相+河漫滩相→河流相+山麓冲积扇相→河湖岸地风成黄土堆积相→侵蚀山地(残积相),这种景观生态环境格局有利于人类生存发展,推测是中华文明早期(5660±60 a)起源地之一。

(5)在清徐地区刘家园村到西梁泉村之间自北向南的3条断层全新世期间的生长指数依次增大,断层落差增长趋势与生长指数保持一致性,全新世以来,F3断层活动性最强,F1断层活动性相对最弱。从3条活动断层形成的阶梯状断陷成盆动力学特征看,晋中山间盆地具有半地堑式几何学特征。