王聰明 山西省太原市水源勘測隊 030002

太原盆地地?zé)針?gòu)造研究

王聰明 山西省太原市水源勘測隊 030002

1、太原盆地地質(zhì)構(gòu)造概況

1．1 地形地貌

太原市位于太原盆地北端，其北、西、東三面為丘陵和山地環(huán)繞。東部罕山屬太行山系，山勢海拔1350～1600米，相對高差在500～800米。西部為呂梁山系，最高峰為石千峰，海拔1760米，山巒起伏，地勢陡峻，森林以落葉松為主，植被覆蓋率較高。北部地勢較低，為陽曲構(gòu)造盆地，其分水嶺為棋子山，海拔高1400米。太原盆地總的地勢是北高南低，東西高中間低，自兩側(cè)邊山向盆地中心呈階梯狀下降。汾河流經(jīng)市區(qū)中部，形成地勢較平坦的汾河沖積平原，標(biāo)高一般為771～810米。盆地東西寬10～15公里，向南擴(kuò)展20～30公里。西側(cè)丘陵山區(qū)與盆地邊緣直接相連，山前洪積扇裙發(fā)育短小。東山與盆地邊緣相接平緩，之間分布寬窄不等的黃土丘陵和黃土臺地。山區(qū)河流進(jìn)入盆地形成較明顯的洪積扇和扇間洼地，構(gòu)成寬闊平緩的洪積傾斜平原。

區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)自燕山運動中期形成雛形，自老第三紀(jì)末期喜山期新構(gòu)造運動以來，在漫長的地質(zhì)歷史時期中，受內(nèi)外應(yīng)力的作用，繼承和進(jìn)一步發(fā)展太原斷陷盆地的地貌形態(tài)。其特點是石灰?guī)r山區(qū)地勢陡峭，屬侵蝕溶蝕構(gòu)造中低山，而砂頁巖地層組成剝蝕構(gòu)造中低山區(qū)，盆地平原兩側(cè)為黃土丘陵和洪積扇裙；中間沖積平原呈帶狀分布。

綜觀本區(qū)地貌形態(tài)，兩側(cè)山區(qū)強烈隆起遭受剝蝕，中間盆地劇烈下沉接受堆積，喜山運動以來，邊山區(qū)與盆地多接受新第三紀(jì)與第四紀(jì)紅土、黃土堆積，反映新構(gòu)造運動的控制作用。

1．2 地質(zhì)構(gòu)造

以褶皺為主的燕山期造山運動，奠定了整個山西地勢的展布格局，東西兩側(cè)高、中間低，地形起伏不平，并造就了山西中部諸多盆地。老第三系末期以垂直運動為主的喜馬拉雅運動使山西陸臺進(jìn)一步分化，由南向北形成一系列北東—南西向雁行式排列的五大斷陷盆地，太原盆地就是其中之一。其余為運城、臨汾、忻定、大同構(gòu)造盆地。

太原盆地主要受西部晉祠—交城大斷裂和東部太谷—祁縣大斷裂控制和演化。

盆地邊緣輪廓清晰，北部有石嶺關(guān)隆起與忻定盆地相隔，南部以靈石隆起與臨汾盆地隔開，使盆地成為獨立的沉積區(qū)。由于新構(gòu)造運動的北東、南西向擠壓應(yīng)力作用，使盆地基底形成許多與盆地邊緣相平行、垂直或斜交的隱伏斷裂，將基底切割成許多斷塊，由于不均勻沉降，形成一系列凹陷和隆起。

太原盆地自北向南排列為城北凹陷、三給地壘、太原凹陷、親賢地壘、晉源凹陷及西溫莊隆起等。可見，太原盆地基底構(gòu)造極為復(fù)雜。在地表最明顯的構(gòu)造為北部棋子山地壘，分成東側(cè)陽曲盆地，西側(cè)泥屯盆地。由于新構(gòu)造運動仍在活動，致使山地不斷上升，盆地相對下降，山區(qū)分布有各種方向的構(gòu)造斷裂和褶皺帶。

1．2．1 地壘和凹陷

三給地壘：由兩條走向北東東近似平行的正斷層構(gòu)成，長8公里，寬約1500～2000米，據(jù)鉆孔資料，約130米見基巖，巖性為二迭系砂頁巖，地壘頂面較平坦，但自西向東埋深逐漸加大。

三給地壘以南為城區(qū)凹陷（即太原凹陷），據(jù)物探資料，凹陷區(qū)迎澤大橋處基巖埋深達(dá)700米以上。

親賢地壘、西溫莊隆起：是太原盆地初步探明存在地?zé)岙惓?gòu)造帶，是地?zé)針?gòu)造研究重點。

晉源凹陷：平面呈西寬東窄的楔形，基底埋深700～800米，巖性為三迭系砂頁巖。

西溫莊隆起：總體呈北東向延伸，東北端與親賢地壘相連，基底埋深300～500米，巖性為三迭系砂頁巖。

1．2．2 斷裂

1）晉祠大斷裂：為太原西部邊界，也稱山前大斷裂，由一系列北北東和北東東向的壓性、壓扭性斷裂組成，構(gòu)成該斷裂帶的斷裂至少有三級，向盆地呈階梯狀分布，一般斷距200～300米。斷裂東側(cè)與盆地第四系松散層接觸，西側(cè)與二迭系、石炭系、奧陶系地層相接。斷裂帶巖石破碎，為地下水匯集、運移創(chuàng)造了條件，成為西山巖溶水排泄邊界。自喜山運動以來，晉祠斷裂一直處在活動狀態(tài)，還曾發(fā)生過巖漿巖侵入。交城奈林村一眼深井中揭露到燕山期的侵入巖。

2）東山山前弧形斷裂：為走向北北東向壓扭性斷裂。該斷裂帶有兩條斷層，近山一條斷距較小，長度短，西側(cè)一條長約30公里，斷距300米左右。斷裂西側(cè)為石炭二迭系砂頁巖和第三系紅粘土與東側(cè)奧陶系灰?guī)r相接。因此，東山巖溶水與盆地孔隙水聯(lián)系微弱，但與深部巖溶水有一定聯(lián)系。

3）汾河大斷裂和南堰—展覽館斷裂是研究區(qū)兩條重要斷裂。

1．3 新構(gòu)造運動及地震

1．3．1 新構(gòu)造運動

新構(gòu)造運動即以垂直升降為特征的喜山運動，距今約6000萬年，它直接影響地貌的發(fā)育過程和形態(tài)變化，影響現(xiàn)代地殼的穩(wěn)定性和活動性。特別是垂直運動的差異活動，造成盆地強烈下陷，基底凹凸不平，形成較厚的湖相沉積，表現(xiàn)為盆地兩側(cè)山地不斷上升，盆地相對下降，而西山上升比東山強烈，盆地基底的沉降幅度又西部強于東部，尤其在清徐西谷凹陷基底埋深達(dá)3800米，可見早更新世以來，新構(gòu)造運動強烈，盆地下降速度快，據(jù)晉祠地震站監(jiān)測資料，晉祠斷裂兩側(cè)垂直位移速率約1.5mm/年。

1．3．2 地震

太原斷陷盆地是山西地震帶上的一個主要構(gòu)造盆地，它的總體走向為北東，由周邊山前斷裂所控制。沿汾河南北向展布的汾河斷裂是區(qū)內(nèi)主要活動斷裂。另外，東西向斷裂在盆地內(nèi)也非常發(fā)育，往往構(gòu)成凹陷和地壘的南北邊界。盆地的地震活動集中在兩個地區(qū)，一個是盆地南端平遙、介休一帶，另一個是盆地北端的太原地區(qū)，北格、晉源、徐溝一帶尤為突出。太原盆地是有臺網(wǎng)記錄以來山西強震活動頻繁度較高的一個地段，僅1957年就發(fā)生過兩次5級地震。

研究地震活動是為從一個重要側(cè)面認(rèn)識基底構(gòu)造的穩(wěn)定性與地?zé)崮芰康钠胶怅P(guān)系，了解地震與活動斷裂的關(guān)系，進(jìn)而查明活動構(gòu)造對熱水賦存的意義，當(dāng)?shù)責(zé)崮芰糠e聚到一定程度，超過地質(zhì)構(gòu)造的相對穩(wěn)定性，必然引發(fā)斷裂的復(fù)活——地震，因而開發(fā)地?zé)崮茉床皇闇p震的重要途徑。

2、構(gòu)成地?zé)崽锘緱l件

2.1 盆地區(qū)親賢地壘的空間展布

親賢地壘鉆孔資料表明，其南北邊界由兩條東西向近于平行的正斷層圈定，兩斷層內(nèi)側(cè)的地層均為上升盤。地壘北邊界在南內(nèi)環(huán)北雙塔西街至大王村，南邊界在大馬村至吳家堡之間，地壘的西邊界為晉祠斷裂帶，東部邊界基本平行于南同蒲鐵路，即荻村至許西村，該地壘東西長約12公里，南北寬約6公里，地壘的空間展布面積約72平方公里。

地壘區(qū)基巖埋深較淺，最深在300米左右，而沿南北向的地壘區(qū)外側(cè)基巖埋深較大，基巖面南北向形成梯級斷裂，東西向越近盆地中心基底面越深，構(gòu)成東西兩端高中間低的馬鞍形，東西兩端基巖埋深120～180米，中部基巖巖面在300～360米間，展示了太原盆地內(nèi)地壘與凹陷相間的斷陷構(gòu)造特征。

2.2 親賢地壘構(gòu)成地?zé)崽锏幕緱l件

親賢地壘具有儲熱構(gòu)造的觀點形成于1998年，2003年實施了鉆勘勘測，2004年7月成功地驗證了該區(qū)地?zé)豳Y源的客觀存在，對這樣一個雖面積不大（約70平方公里），但地處太原城市中心區(qū)域的地?zé)崽镞M(jìn)行總體勘查評價，決非幾個分散的勘探開采井所能解決的?，F(xiàn)只對親賢地壘形成地?zé)崽锏幕緱l件進(jìn)行簡要闡述。

2.2.1 地壘深部構(gòu)造熱源的存在

太原盆地地下莫霍面以上地殼可分為上、中、下三層。中地殼主要由花崗巖巖熔體組成，具低速高導(dǎo)層的特征，厚度4～5公里，埋深14公里左右。根據(jù)物理特征推斷，該低速高導(dǎo)層具600℃以上的高溫，在此深度形成熔融的相對軟弱層構(gòu)成深部熱源。

上述推測可能存在的熱源，從山西居里等溫面埋深等值線及山西大地?zé)崃髦嫡f明。太原盆地居里等溫面埋深20公里，僅次于臨汾、忻定盆地，其兩側(cè)山區(qū)均大于30公里。太原盆地內(nèi)大地?zé)崃髦灯毡楦哂?.7HFU（71mW/m2），也僅次于臨汾。而山區(qū)大地?zé)崃髦狄话憔∮?.3HFU（54mW/m2）。這些數(shù)據(jù)說明地處太原盆地的親賢地壘地殼薄、高溫高導(dǎo)層埋藏較淺。

2.2.2 地壘周邊及地壘區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，構(gòu)成深部熱水的上循環(huán)的通道

太原盆地的形成和演化，受盆地西部邊緣的晉祠—交城大斷裂及東部的太谷—祁縣大斷裂控制。由于北東、南西向擠壓應(yīng)力作用，盆地基底形成許多與盆地邊緣斷裂相平行、垂直以及斜交的隱伏斷裂。親賢地壘的周邊，幾乎完全由斷裂所控制，地壘區(qū)內(nèi)已得到證實的斷裂就有展覽館—南堰斷裂和汾河斷裂。這些斷裂形成的破碎帶，均具有導(dǎo)水作用，它們縱橫交錯，彼此連通，將地下熱水經(jīng)深循環(huán)對流作用，沿構(gòu)造通道將深部熱能攜帶到表層。

2.2.3 地壘之下深埋奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲層

本區(qū)實探資料記錄，孔深1232米揭露奧灰峰峰組頂板，孔深1380揭露上馬家溝組頂板，孔深1650米揭穿上馬家溝組見下馬家溝組頂板，終孔深度1690米尚未穿透下馬家溝組（僅40米）。揭穿的峰峰組、上馬家溝組地層厚度分別為148米和270米，下馬家溝組為熱儲層下部，地溫更高，全組厚180米，全部揭穿至1800米是理想的孔深。據(jù)簡易水文地質(zhì)觀測資料，鉆進(jìn)奧灰地層采用中等粘稠度泥漿，從揭露峰峰組地層至下馬家溝組地層，均有循環(huán)液輕度滲失，其中在孔深1360米至1380米、1470米孔段，循環(huán)液滲失明顯，孔壁掉塊坍塌十分嚴(yán)重。經(jīng)多次貫入水泥才護(hù)住孔壁止住滲漏?？咨钸_(dá)到1480米，進(jìn)尺8米之余泥漿漏失超過20m3；孔深1670米，進(jìn)尺10余米泥漿漏失近30m3?？梢妸W灰?guī)r地層不但厚度可觀，裂隙巖溶也很發(fā)育。

在區(qū)域水位以下的巖層，只要有裂隙和孔隙，即會被水充填。上述可觀厚度的奧灰層同時裂隙巖溶發(fā)育，必然是蘊藏豐富地下水的儲水層，這一點可由省展覽館地?zé)峋樗囼炠Y料中得到證實；此井成井深度1690米，孔深1360米以上全部下實管和固井，日出水量達(dá)到3000m3，雖有承壓因素也足以證明含水層的水量相當(dāng)豐富。

地壘之下的奧灰?guī)r地下水，深埋于千米之下，導(dǎo)熱率達(dá)1.7～3.3w/（mk），吸收和匯集的熱能難以散失，而且既有深部中地殼熱源條件，又有熱水對流循環(huán)的通道密布，是十分理想的熱儲層。

2.2.4 熱儲層之上是千余米厚的蓋層

構(gòu)成地?zé)崽锏纳w層厚度及隔熱功能是至關(guān)重要的。如果蓋層薄或者透水性強、導(dǎo)熱功能好就會使熱儲層儲存的熱能散失。據(jù)省展覽館井資料，熱儲層（奧灰?guī)r）頂板之上的蓋層厚度達(dá)1240米。本蓋層上部是300米厚的第四系、第三系砂質(zhì)粘土及粘質(zhì)土層，導(dǎo)熱率僅為0.8w/（mk），基巖主要為三迭系、二迭系、石炭系泥質(zhì)砂巖、頁巖組成，導(dǎo)熱率0.8～2.1w/（mk），巨厚蓋層構(gòu)成隔熱層，基本阻止了深部熱量向地表層的散失，而且還對下部熱儲形成高壓。

2.2.5 東西山前深大斷裂帶地下水構(gòu)成深循環(huán)熱儲層的補給水源

太原盆地的地下水都來自于盆地本身及山區(qū)的大氣降水。補給盆地深層的（包括親賢地壘）地下水來自于東山、西山巖溶區(qū)，因盆地松散層地下水自北向南逕流，親賢地壘東西兩端及地壘內(nèi)發(fā)育的斷裂破碎帶既是地下熱水循環(huán)通道，也是地壘接受東西側(cè)向補給的通道，從而使親賢地壘成為具有補給通道和深循環(huán)增溫的地?zé)崽铩?/p>

地下熱水屬于礦產(chǎn)資源，但又與其它礦產(chǎn)資源有區(qū)別，其它礦產(chǎn)資源是不能再生的，有固定的評價量和可供開采量，地下熱水是以合理開發(fā)利用的服務(wù)年限確定其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的。至于如何評價親賢地壘可供利用的資源量和服務(wù)年限，需要進(jìn)一步勘查、試驗與動態(tài)觀測。必須指明，目前“親賢地壘地?zé)崽铩眱H僅是發(fā)現(xiàn)證實階段。親賢地壘地下熱水的勘查與開發(fā)也僅僅是剛剛開始，對于開發(fā)利用價值的過高估計和剛剛起步就憂慮重重，都是沒有科學(xué)依據(jù)的，需要長期投入實物工作量，才能做出科學(xué)評價。

3、結(jié)論

親賢地壘及西溫莊隆起在2003年以來完成6眼1600米～1800米地?zé)崴?，水溫?6度左右，東西邊山在03年之前已有幾眼不同溫度的地?zé)岙惓＞ǔ墒褂?。因此太原盆地地?zé)針?gòu)造是客觀存在，但僅僅是太原盆地區(qū)諸多儲熱構(gòu)造的一部分，全面研究太原盆地區(qū)地?zé)崽飪Σ亓考霸u價開發(fā)利用價值，尚需進(jìn)一步勘探試驗。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.001