山西太原田庄断裂晚更新世活动的证据

韩晓飞　杜燕林　贾建喜　董斌　史双双

关键词：田庄断裂;沉积相;错断地层

中图分类号：P66 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2022.01.016

0引言

山西断陷盆地位于华北克拉通中部，介于秦岭构造带和阴山构造带之间，区域上山西断陷盆地东与淮河断块毗邻，南依秦岭地槽褶皱带，西与鄂尔多斯断块相接，北领内蒙古断块.太原盆地是在沁水复式向斜的基础上断陷成盆的新构造单元，北接五台复背斜，与东西两边的太行复背斜和吕梁复背斜呈现两山夹一盆的地质现象，而田庄断裂位于沁水复式向斜和五台复背斜的连接区，又是盆地关联东西两个复背斜的重要断裂.因而厘清田庄断裂的活动习性，不仅有利于研究盆地北部晚更新世以来的活动构造特征，而且可以为山西省正在实施的国家资源型经济转型综合配套改革试验区和正在建设的武宿机场T3航站楼提供场地断裂活动依据[1].

田庄断裂西起太原市清徐县清源镇上固驿村，经候家寨至田庄，全长约35km，最早是根据石油物探、地质、遥感等资料证实其存在的，该断裂走向由西向东呈近EW—NEE—NE向变化，为一高角度正断层，倾向SE，其地质构造背景见图1.江娃利等[2]、李时毓等[3]的研究资料表明：断裂两侧下更新统和中更新统厚度存在明显差异，全新统和上更新统厚度基本相同，最新活动时代为第四纪中更新世，同时认为在晚更新世以前，交城断裂带不是从晋祠向北通过，而是呈NEE方向从太原市南侧田庄通过.杨承先[4]认为该断裂为盆地内太原凹陷和晋中凹陷两级构造单元的分界线.李自红等[5-6]研究发现：上新世以来该断裂以南断陷幅度为1200～3600m，以北断陷幅度为200～1000m，上新统底界的断距达1000～2500m.曾金艳等[7]认为：田庄断裂与前人研究结果相比，北移了250～600m;东段（西温庄—滨河东路）由一南一北两条断裂组成，北侧断裂倾向南东，为主断层，南侧断裂倾向北西，为次级伴生断裂，共轭成小型地堑，见图1标注的F3主次两条断裂，田庄断裂一带震群活动突出，近50年来共有8次震群活动，且沿线小震密集（图2），结合现今田庄断裂附件地震震源机制解的认识，田庄断裂深部还具有构造活动能力，应加强重视.韩晓飞等[8]通过西攒村剖面认为田庄断裂错断上更新统上部地层，上断点位于地表下58～60m处，活动时代为晚更新世.

前人虽然做了大量研究，但对田庄断裂最新活动时代和上断点埋深位置认识还不统一.本次综合对比跨断层钻孔组揭露出的地层岩性、岩相、粒度，确定钻孔剖面上的地层沉积特征，等时沉积地层的空间变化等，进而得出断层两盘之间的相对垂直活动特征[9]，最终确定断裂活动时代和最新错动地层.

1钻孔布设

因浅勘测线TZ6（马练营路）位于马练营路中央，钻孔在测线上布设施工影响太大，故将钻孔在马练营路中线西侧约25m的空地上平行测线布设.探测场地及钻孔位置见图3、图4.

2太原盆地第四纪沉积地层特征

早更新世初期，太原盆地为湖岸沉积环境，其边缘接受了一套砂砾为主的粗粒沉积物，而盆地继续在太原以南下沉，主要沉积了湖相的细粒粉质黏土、黏土.总体来看，早更新世盆地沉积物的厚度盆地中心大于盆地边缘，盆地北部与东部的局部地区此时相对上升，接受剥蚀.

中更新世初期，地壳抬升，盆地边山形成洪积物，盆地中心为砂砾石层组成的汾河阶的冲积物，此时盆地沉积环境为湖积或者洪积相.中更新世晚期，在边界断裂活动尤其右旋剪切作用的影响下，盆地湖水外泄加大，风积黄土开始在盆地外围堆积[10].盆地中更新世沉积厚度为50～100m，盆地中东侧沉积厚度小于盆地西侧，盆地北部和东部则继续接受剥蚀.

盆地晚更新世中心沉积物以淤泥、砂为主，可见黏土夹层，盆地中心沉积环境以河流相为主.盆地边缘沉积了一套厚层黄土夹砂砾石[10]，沉积环境经历了风成黄土—河流相—风成黄土的变化.这一时期盆地内沉积的松散地层厚度约几十米.区域上沉积物厚度表现为西厚东薄，盆地东部、西南部和北部部分地区接受剥蚀.

盆地全新世廣泛沉积淤泥质层和砂砾石层沉积，此时的沉积环境为冲洪积或沼泽相，形成了太原盆地现今的地貌形态.盆地全新世沉积物厚度基本在50m以内，北部、东部、西南部大面积抬升接受剥蚀[11].

2.1已有资料对场地晚第四纪地层的认识

现收集到资料中对场地晚第四纪地层研究的有两个，场地位置见图5.场地A为本次钻孔场地，场地B为太原大学新校区西侧唐槐公路附近开展的小店钻孔联合剖面，场地C为在西攒村开展的钻孔场地.场地B和场地C晚第四纪地层概述如下.

（1）在太原大学新校区西侧唐槐公路附近（场地B）开展的小店钻孔联合剖面揭示的晚第四纪地层特征如下：

①全新统（Qh） 中上部地层为黄褐色粉质黏土、粉土;下部地层由黄褐色粉砂层组成，由上向下粒度逐渐变粗，形成一个完成的沉积旋回.该统厚为19.2～20.0m，底界埋深为19.2～20.0m.

②上更新统（Qp3） 为一套灰褐、褐黄色的细粒堆积，由3个次级旋回构成一个大的主沉积旋

回.上部岩性为粉质黏土、粉土、粉砂，粒度向下逐渐变粗，形成一个次级旋回;中部岩性为粉质黏土、粉土、粉细砂组成，粒度也逐渐变粗，此为第二个次级沉积旋回;下部沉积物为粉质黏土、粉土、粉细砂、细砂组成，粒度变粗，构成第三个次级沉积旋回.该统厚为75.01～75.60m，底界埋深为94.80～95.2m.

（2）2016年5月在西攒村（场地C）横跨田庄断裂开展的钻孔联合剖面揭示的晚第四纪地层如下：

①全新统（Qh）上部为紫红褐、黄褐色粉砂和灰褐色、黄褐色粉土，下部为一套褐色至浅灰褐色粉土、粉砂，厚度为35～38m.

②上更新统（Qp3） 由多套粉黏、粉土互层组成，多处夹粉砂或细砂薄层，终孔91.6m未揭穿.

2.2本次场地晚第四纪地层研究

本次钻孔场地位置见图5中场地A，揭示的晚第四纪沉积为河流相—沼泽相—湖相沉积;整个剖面以粉砂—粉质黏土的细粒沉积为主，没有卵石、砾石层沉积;岩性整体较为均质，包含物较少;沉积物的颜色以褐色、褐黄、青灰色为主.

2.2.1沉积旋回地层划分

沉积旋回是指沉积作用和沉积条件按相同的次序不断重复沉积而组成的一个层序，而在砂泥互层的水平层理中由不同粒度、不同成分、不同颜色的单层在厚度较薄时（小于5mm）所形成的纹层状互层，称为韵律层理[12].

本场地地层岩性按沉积物粒径由细到粗主要为褐色、青灰色粉质黏土;褐色、浅红褐色粉土;黄褐、褐黄、红棕色粉砂、细砂及表层素填土.从上到下，按照沉积物粒径变化次序，对本场地实施的7个钻孔岩芯进行了沉积旋回划分，划分原则为岩芯粒径由细变粗为正向沉积旋回，由粗变细为反向沉积旋回，划分结果见表1.

沉积旋回的变化综合反映了沉积物物源、气候、水动力环境和构造运动等因素的变化.

本文所探讨的地层厚度都在10cm以上，因此拟通过研究地层的沉积旋回规律，查找断层两侧断层的地层沉积旋回差异.如图4所示，ZK7基本对应着浅层地震勘探所揭示的上断点位置，通过表1可以看出在钻孔揭示深度范围内各钻孔岩芯沉积旋回数为25～29，各孔间变化幅度不大;在80m深度范围内，按沉积旋回数量变化趋势可划分为3段.

（1）80～60m段，沉积旋回数量整体由2→3呈上升趋势，反映了沉积环境总体变化逐步频繁，但从上断点对应的上盘的ZK2、ZK3和下盘对应的ZK5、ZK1来看：下盘的沉积旋回规律不明显，但上盘呈现出明显的递增型，上下两盘差异明显.

（2）60～30m段，沉积旋回数量由5→2→5呈U型，反映了沉积环境变化由频繁趋于稳定再到频繁，并且此旋回过程还包含了类似的亚旋回，结合浅层地震数据推测位于上盘的ZK2、ZK3与整体规律基本一致，而ZK4、ZK7、ZK6、ZK5、ZK1之间的沉积旋回规律表现出不一致性，这可能意味着当时下盘所处的水位较浅，受到的外来扰动变化更大，使得沉积不稳定所致.

（3）30～0m段，沉积旋回数量由4→3→2呈下降趋势，反映了沉积环境逐步趋于稳定.从各个钻孔来看，整体符合统计规律，说明这个深度内的地层基本未受到断层错段影响，由于此时主要为河流相沉积环境，沉积旋回各孔一致性不强.

2.2.2岩石地层划分

本场地钻孔揭示地层岩性为褐色、青灰色粉质黏土;褐色、浅红褐色粉土和黄褐、褐黄、红棕色粉砂、细砂;岩性整体上较为均质，包含物较少;其中褐色粉土、粉质黏土出现较多;特征地层为青灰色粉质黏土和粉砂、细砂.本沉积区，地层多处可见锈黄色，地层含铁较普遍，推断青灰色地层沉积深度大，属于湖相静水缺氧环境，沉积地层中Fe增多，所以地层颜色偏青色或绿色;褐色或者灰褐色地层为沼泽相富有机质地层，碳含量高，可作为14C地层测年标志;黄褐、褐黄色粉砂—细砂粒度最粗，为河流相沉积，按由南至北的方向对各钻孔特征地层参数进行统计，见表2.

从表2可以看出：

（1）青灰色粉质黏土在从南至北方向上，最小深度变深，终止深度变浅，在钻孔岩芯中所占比例变小趋势，在钻孔ZK3←→ZK4←→ZK7间均出现量级的转折变化.

（2）黄褐、褐黄色粉砂、细砂在从南至北方向上、整体上出现深度在20～30m，浮动不大，终止深度变深，在钻孔岩芯中所占比例变大的趋势.粉砂、细砂的规律变化出现波动，考虑与钻探过程中砂层的取样率有关.

综上可知，场地第四纪地层在水平方向由北向南细粒沉积逐渐加厚，粗粒沉积变薄;在钻孔ZK3←→ZK4←→ZK7间出现量级的转折变化;在垂直方向的第一层粗颗粒沉积出现在20～30m、且浮动不大;沉积旋回数由深至浅大致成“M”分布，在30～40m、50～60m段沉积旋回数达到峰值.

结合断裂周边及太原市晚第四纪地层划分情况，认为联合钻孔揭露的第一层砂层为場地全新统（Qh）地层底界，埋深平均深度为31.5m，与上部的细粒沉积构成一个大的沉积旋回;31.5m以下为上更新统（Qp3）地层，本次钻探未揭穿，与周边场地对比本场地全新统（Qh）埋藏较深，推测在沉积时期该处曾发育过有径流补充的古湖泊，由于断层作用场地南侧较北侧水位深，水动力条件产生差异，深水弱水动力条件多沉积富含有机质的细颗粒，浅水强水动力条件多沉积径流带来的粗颗粒.

结合钻探场地周边第四纪地层对场地第四系进行对比划分，各钻孔均有出露的地层共有7套，其中全新世地层4套，晚更新世地层3套.部分典型地层特征见图6.

层①为素填土或者回填土，埋深2.4～3.2m.

层②为褐色粉质黏土、粉土，可见二者互层，偶见黑色斑或者炭屑，层厚4.4～6.0m，地层底界埋深6.8～8.9m，为沼泽相沉积.

层③顶部为浅青灰色、青灰色和灰褐色粉质黏土、粉土，层厚1.1～3.0m，地层底界埋深8.1～10.9m，偶见褐色细纹，该地层整体可判断为含炭的淤泥质标志层，在整套地层可以做连续对比，而且也可以和黄土沉积里的古土壤层作对比，湖相沉积;该层中部、底部以深褐色、褐色粉质黏土和粉土为主，可见大量绣黄斑，部分钻孔为浅红褐色粉质黏土夹粉土，可见黑色炭屑及锈斑，层厚5.7～8.2m，地层底界埋深15.6～16.7m，主要为沼泽相沉积.

层④地层整体相变频繁，整体以褐色粉土或粉质黏土为主，偶见锈黄和钙质结核，层厚12.0～14.4m，地层底界埋深28.4～30.1m;顶部和底部分布有褐灰色、黑灰色、青灰色淤泥质的粉土、粉质黏土，也是该套地层的特色标志，主要为沼泽相沉积.

层⑤为全新统底部，为一套基本连续的褐黄色细砂，局部为棕红色粉砂或者深褐色粉土，层厚1.8～3.9m，地层底界埋深31.1～32.6m，为河流相沉积.

层⑥整体以褐色粉质黏土、粉土为主，局部夹褐黄色粉砂，可见锈黄色细纹和灰斑.上盘层厚5.0～6.1m，地层底界埋深37.0～38.2m.下盘层厚4.8～7.1m，地层底界埋深37.1～38.4m.上盘相对下盘落差0.4m，为沼泽相沉积.

层⑦表现为明显的3套地层.上部地层为青灰色、灰青色、黑青色、灰褐色的淤泥质标志层，以粉质黏土为主，粉土为辅，见锈黄色团块和细纹，偶见钙质结核，上盘地层层厚6.8～7.8m，地层底界埋深44.4～46.0m，下盘层厚3.6～4.8m，地层底界埋深41.7～42.5m，上盘相对下盘落差3.1m，主要为湖相沉积.中部为连续可追踪的粉砂层，以浅红棕色、褐黄色粉砂为主，局部可见褐黄色粉土，此层可以作为标志层，上盘地层层厚3.0～5.7m，地层底界埋深49.0～50.1m，下盘层厚2.4～3.4m，地层底界埋深44.1～45.7m，上盘相对下盘落差3.5m，主要为河流相沉积.下部地层上盘以褐色的粉质黏土和粉土为主，局部见褐黄色粉砂，可见绣黄、钙质结核，上盘层厚4.3mm，地层底界埋深53.3～54.4m，下盘以青灰色粉质黏土为主，局部为粉土，可见绣黄、钙质结核，层厚2.3～4.5m，地层底界埋深48.0～48.8m，上盘相对下盘落差3.4m，主要为沼泽相沉积.

层⑧也可区分为3套地层.上部地层以褐色、褐黄色的粉土、粉质黏土为主，主要为沼泽相沉积.中部以连续可追踪的褐黄色粉土、粉砂为主，此层亦可以作为标志层，为河流相沉积.下部地层均为褐色的粉质黏土，该套地层上盘地层层厚9.3～10.1m，地层底界埋深62.6～64.5m，下盘层厚7.3～8.4m，地层底界埋深55.8～56.7m，上盘相对下盘落差7.2m，主要为沼泽相沉积.

层⑧以下地层上盘以褐灰色和青灰色粉土、粉质黏土为主，局部夹有褐黄色粉砂透镜体，下盘地层以褐色、黄褐色粉土、粉质黏土为主，期间沉积有两套黄褐色粉砂层，上下两盘地层差异明显，表现出显著的地层错断特征，主要为湖泊相沉积.

3地层断错解释

3.1场地断错地层解释

从本次联剖钻孔探测揭示地层看（图7），层⑤为全新统底部，为一套基本连续的褐黄色细砂，局部为棕红色粉砂或者深褐色粉土，各钻孔均有出露，深度上下浮动较小，为河流相沉积，考虑是各钻孔砂层采样率不一致所致，故认为田庄断裂未断错全新世地层.

层⑥整体以褐色粉质黏土、粉土为主，局部夹褐黄色粉砂，可见锈黄色细纹和灰斑，为沼泽相沉积，该套地层错断的依据首先是浅层地震勘探解译剖面显示反射波同相轴在深度30～40m处错位明显，联合钻孔剖面显示在层⑥底部地层存在细微错动，错动量约为0.4m.

层⑦表现为明显的3套地层，上部地层错动3.1m，中部和下部错动约3.5m.层⑦上部地层为青灰色、灰青色、黑青色、灰褐色的淤泥质标志层，主要为湖相沉积，这一套地层在上下盘都可以追踪识别，可以从岩性、粒度、色泽和沉积相进行对比，其中钻孔ZK4对应的该段地层上部为褐色粉土，下部为青灰色粉土，与上下盘临近地层表现出明显的差异性，显示了断层活动对该段地层正常沉积环境的改变.层⑦中部为连续可追踪的粉砂层，以浅红棕色、褐黄色粉砂为主，局部可见褐黄色粉土，该套地层也可以作为标志层，主要为河流相沉积.层⑦下部地层上盘以褐色的粉质黏土和粉土為主，局部见褐黄色粉砂，可见绣黄、钙质结核，下盘以青灰色粉质黏土为主，局部为粉土，可见绣黄、钙质结核，层⑦下部断层上下盘地层表现出明显的沉积环境差异，上盘为河流相或沼泽相，表明上盘不能始终处于水下环境，且水位要浅，下盘为沼泽相，水位较深且基本保持水下沉积环境，两种沉积环境提供了很好的断层错断佐证.

层⑧也可区分为3套地层：上部地层以褐色、褐黄色的粉土、粉质黏土为主，主要为沼泽相沉积;中部以连续可追踪的褐黄色粉土、粉砂为主，此层亦可以作为标志层，为河流相沉积;下部地层均为褐色的粉质黏土，上盘相对下盘落差7.2m，主要为沼泽相沉积.

依据本次联合钻孔剖面所揭示的错断特征，认为目标断裂未断错Qp3-3（层⑥）地层中上部，能识别出断裂错断Qp3-2（层⑦）、Qp3-2-1（层⑦中部）、Qp3-1地层（层⑧），见表3.

综合联合钻孔剖面地层展现特征，总结认为：断错地层在下降盘的沉积厚度均大于同层在上升盘的厚度，符合正断层断错盘的沉积特征;错距在钻孔所揭露深度内有两次3m左右的同震位移，可以判断在该识别层内发生两次主错动事件，这为分析田庄断裂的地震危险性提供了可靠的地质证据;田庄断裂在本场地未断错全新世地层，断错地层为3套晚更新世地层，从上到下，断错地层错距逐渐加大，依次为0.4m、3.5m、7.2m.

3.2地层年代学对比

根据钻孔地层岩芯对比结果（图7），同时参考美国bata实验室6个C和山东省地震工程勘察研究院的11个光释光测年结果，考虑到不同测年方法的测年结果差异问题，最终本次用于标定地层年龄主要采用4个C测年结果（表4）.

ZK4钻孔42.1m处岩芯和ZK7钻孔39.4m处岩芯对应的C测年结果相差380年（本次测试C测年最大误差为270年），对应取样沉积深度相差2.7m，对应岩芯岩性分别为粉土和粉质黏土.综合排钻岩芯特征对比，可以进一步辅助证明该处地层发生错动.

综合排钻揭露的地层错动特征，结合ZK1钻孔38.4m处C测年结果，判定断层初始错断地层年龄为（27620±110）BP，田庄断裂主断裂最新活动时代为晚更新世晚期.

4认识及讨论

开展隐伏断裂活动性研究，首先要把握地层的整体沉积环境及沉积韵律，重点把握旋回地层中的一些显著标志层，便于地层追踪和对比.本剖面中层③顶部的淤泥质标志层，层④顶、底的沼泽相沉积层，层⑦顶部的淤泥质标志层，层⑦中部的粉砂层标志层，层⑧中部的褐黄色粉砂标志层，都为断层的位错对比提供了很好的示踪对比.

通过钻孔揭示场地地层为河流相-沼泽相-湖相沉积.整个剖面以粉砂—粉质黏土的细粒沉积为主，没有卵石、砾石层沉积;岩性整体较为均质，包含物较少.沉积物的颜色以褐色、褐黄、青灰色为主.场地地层在水平方向变化较为明显，北侧主要为河流相、沼泽相的粉砂—粉质黏土细粒沉积，南侧主要为湖相、沼泽相的粉土—粉质黏土沉积，转折变化明显;垂直方向上在深度30～40m、50～60m段沉积旋回变化频繁.

综上，田庄断裂未错断全新统地层，断错最新地层为上更新统，为晚更新世活动断裂.目标断裂在探测场地可识别的断错地层最浅埋深为37.6m，起始错距0.4m;最大埋深60m，最大错距7.2m.

（责任编辑：李万会）