韓曉飛　杜燕林　賈建喜　董斌　史雙雙

關鍵詞：田莊斷裂;沉積相;錯斷地層

中圖分類號：P66 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2022.01.016

0引言

山西斷陷盆地位于華北克拉通中部，介于秦嶺構造帶和陰山構造帶之間，區(qū)域上山西斷陷盆地東與淮河斷塊毗鄰，南依秦嶺地槽褶皺帶，西與鄂爾多斯斷塊相接，北領內(nèi)蒙古斷塊.太原盆地是在沁水復式向斜的基礎上斷陷成盆的新構造單元，北接五臺復背斜，與東西兩邊的太行復背斜和呂梁復背斜呈現(xiàn)兩山夾一盆的地質(zhì)現(xiàn)象，而田莊斷裂位于沁水復式向斜和五臺復背斜的連接區(qū)，又是盆地關聯(lián)東西兩個復背斜的重要斷裂.因而厘清田莊斷裂的活動習性，不僅有利于研究盆地北部晚更新世以來的活動構造特征，而且可以為山西省正在實施的國家資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗區(qū)和正在建設的武宿機場T3航站樓提供場地斷裂活動依據(jù)[1].

田莊斷裂西起太原市清徐縣清源鎮(zhèn)上固驛村，經(jīng)候家寨至田莊，全長約35km，最早是根據(jù)石油物探、地質(zhì)、遙感等資料證實其存在的，該斷裂走向由西向東呈近EW—NEE—NE向變化，為一高角度正斷層，傾向SE，其地質(zhì)構造背景見圖1.江娃利等[2]、李時毓等[3]的研究資料表明：斷裂兩側(cè)下更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)厚度存在明顯差異，全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)厚度基本相同，最新活動時代為第四紀中更新世，同時認為在晚更新世以前，交城斷裂帶不是從晉祠向北通過，而是呈NEE方向從太原市南側(cè)田莊通過.楊承先[4]認為該斷裂為盆地內(nèi)太原凹陷和晉中凹陷兩級構造單元的分界線.李自紅等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)：上新世以來該斷裂以南斷陷幅度為1200～3600m，以北斷陷幅度為200～1000m，上新統(tǒng)底界的斷距達1000～2500m.曾金艷等[7]認為：田莊斷裂與前人研究結(jié)果相比，北移了250～600m;東段（西溫莊—濱河東路）由一南一北兩條斷裂組成，北側(cè)斷裂傾向南東，為主斷層，南側(cè)斷裂傾向北西，為次級伴生斷裂，共軛成小型地塹，見圖1標注的F3主次兩條斷裂，田莊斷裂一帶震群活動突出，近50年來共有8次震群活動，且沿線小震密集（圖2），結(jié)合現(xiàn)今田莊斷裂附件地震震源機制解的認識，田莊斷裂深部還具有構造活動能力，應加強重視.韓曉飛等[8]通過西攢村剖面認為田莊斷裂錯斷上更新統(tǒng)上部地層，上斷點位于地表下58～60m處，活動時代為晚更新世.

前人雖然做了大量研究，但對田莊斷裂最新活動時代和上斷點埋深位置認識還不統(tǒng)一.本次綜合對比跨斷層鉆孔組揭露出的地層巖性、巖相、粒度，確定鉆孔剖面上的地層沉積特征，等時沉積地層的空間變化等，進而得出斷層兩盤之間的相對垂直活動特征[9]，最終確定斷裂活動時代和最新錯動地層.

1鉆孔布設

因淺勘測線TZ6（馬練營路）位于馬練營路中央，鉆孔在測線上布設施工影響太大，故將鉆孔在馬練營路中線西側(cè)約25m的空地上平行測線布設.探測場地及鉆孔位置見圖3、圖4.

2太原盆地第四紀沉積地層特征

早更新世初期，太原盆地為湖岸沉積環(huán)境，其邊緣接受了一套砂礫為主的粗粒沉積物，而盆地繼續(xù)在太原以南下沉，主要沉積了湖相的細粒粉質(zhì)黏土、黏土.總體來看，早更新世盆地沉積物的厚度盆地中心大于盆地邊緣，盆地北部與東部的局部地區(qū)此時相對上升，接受剝蝕.

中更新世初期，地殼抬升，盆地邊山形成洪積物，盆地中心為砂礫石層組成的汾河階的沖積物，此時盆地沉積環(huán)境為湖積或者洪積相.中更新世晚期，在邊界斷裂活動尤其右旋剪切作用的影響下，盆地湖水外泄加大，風積黃土開始在盆地外圍堆積[10].盆地中更新世沉積厚度為50～100m，盆地中東側(cè)沉積厚度小于盆地西側(cè)，盆地北部和東部則繼續(xù)接受剝蝕.

盆地晚更新世中心沉積物以淤泥、砂為主，可見黏土夾層，盆地中心沉積環(huán)境以河流相為主.盆地邊緣沉積了一套厚層黃土夾砂礫石[10]，沉積環(huán)境經(jīng)歷了風成黃土—河流相—風成黃土的變化.這一時期盆地內(nèi)沉積的松散地層厚度約幾十米.區(qū)域上沉積物厚度表現(xiàn)為西厚東薄，盆地東部、西南部和北部部分地區(qū)接受剝蝕.

盆地全新世廣泛沉積淤泥質(zhì)層和砂礫石層沉積，此時的沉積環(huán)境為沖洪積或沼澤相，形成了太原盆地現(xiàn)今的地貌形態(tài).盆地全新世沉積物厚度基本在50m以內(nèi)，北部、東部、西南部大面積抬升接受剝蝕[11].

2.1已有資料對場地晚第四紀地層的認識

現(xiàn)收集到資料中對場地晚第四紀地層研究的有兩個，場地位置見圖5.場地A為本次鉆孔場地，場地B為太原大學新校區(qū)西側(cè)唐槐公路附近開展的小店鉆孔聯(lián)合剖面，場地C為在西攢村開展的鉆孔場地.場地B和場地C晚第四紀地層概述如下.

（1）在太原大學新校區(qū)西側(cè)唐槐公路附近（場地B）開展的小店鉆孔聯(lián)合剖面揭示的晚第四紀地層特征如下：

①全新統(tǒng)（Qh） 中上部地層為黃褐色粉質(zhì)黏土、粉土;下部地層由黃褐色粉砂層組成，由上向下粒度逐漸變粗，形成一個完成的沉積旋回.該統(tǒng)厚為19.2～20.0m，底界埋深為19.2～20.0m.

②上更新統(tǒng)（Qp3） 為一套灰褐、褐黃色的細粒堆積，由3個次級旋回構成一個大的主沉積旋

回.上部巖性為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂，粒度向下逐漸變粗，形成一個次級旋回;中部巖性為粉質(zhì)黏土、粉土、粉細砂組成，粒度也逐漸變粗，此為第二個次級沉積旋回;下部沉積物為粉質(zhì)黏土、粉土、粉細砂、細砂組成，粒度變粗，構成第三個次級沉積旋回.該統(tǒng)厚為75.01～75.60m，底界埋深為94.80～95.2m.

（2）2016年5月在西攢村（場地C）橫跨田莊斷裂開展的鉆孔聯(lián)合剖面揭示的晚第四紀地層如下：

①全新統(tǒng)（Qh）上部為紫紅褐、黃褐色粉砂和灰褐色、黃褐色粉土，下部為一套褐色至淺灰褐色粉土、粉砂，厚度為35～38m.

②上更新統(tǒng)（Qp3） 由多套粉黏、粉土互層組成，多處夾粉砂或細砂薄層，終孔91.6m未揭穿.

2.2本次場地晚第四紀地層研究

本次鉆孔場地位置見圖5中場地A，揭示的晚第四紀沉積為河流相—沼澤相—湖相沉積;整個剖面以粉砂—粉質(zhì)黏土的細粒沉積為主，沒有卵石、礫石層沉積;巖性整體較為均質(zhì)，包含物較少;沉積物的顏色以褐色、褐黃、青灰色為主.

2.2.1沉積旋回地層劃分

沉積旋回是指沉積作用和沉積條件按相同的次序不斷重復沉積而組成的一個層序，而在砂泥互層的水平層理中由不同粒度、不同成分、不同顏色的單層在厚度較薄時（小于5mm）所形成的紋層狀互層，稱為韻律層理[12].

本場地地層巖性按沉積物粒徑由細到粗主要為褐色、青灰色粉質(zhì)黏土;褐色、淺紅褐色粉土;黃褐、褐黃、紅棕色粉砂、細砂及表層素填土.從上到下，按照沉積物粒徑變化次序，對本場地實施的7個鉆孔巖芯進行了沉積旋回劃分，劃分原則為巖芯粒徑由細變粗為正向沉積旋回，由粗變細為反向沉積旋回，劃分結(jié)果見表1.

沉積旋回的變化綜合反映了沉積物物源、氣候、水動力環(huán)境和構造運動等因素的變化.

本文所探討的地層厚度都在10cm以上，因此擬通過研究地層的沉積旋回規(guī)律，查找斷層兩側(cè)斷層的地層沉積旋回差異.如圖4所示，ZK7基本對應著淺層地震勘探所揭示的上斷點位置，通過表1可以看出在鉆孔揭示深度范圍內(nèi)各鉆孔巖芯沉積旋回數(shù)為25～29，各孔間變化幅度不大;在80m深度范圍內(nèi)，按沉積旋回數(shù)量變化趨勢可劃分為3段.

（1）80～60m段，沉積旋回數(shù)量整體由2→3呈上升趨勢，反映了沉積環(huán)境總體變化逐步頻繁，但從上斷點對應的上盤的ZK2、ZK3和下盤對應的ZK5、ZK1來看：下盤的沉積旋回規(guī)律不明顯，但上盤呈現(xiàn)出明顯的遞增型，上下兩盤差異明顯.

（2）60～30m段，沉積旋回數(shù)量由5→2→5呈U型，反映了沉積環(huán)境變化由頻繁趨于穩(wěn)定再到頻繁，并且此旋回過程還包含了類似的亞旋回，結(jié)合淺層地震數(shù)據(jù)推測位于上盤的ZK2、ZK3與整體規(guī)律基本一致，而ZK4、ZK7、ZK6、ZK5、ZK1之間的沉積旋回規(guī)律表現(xiàn)出不一致性，這可能意味著當時下盤所處的水位較淺，受到的外來擾動變化更大，使得沉積不穩(wěn)定所致.

（3）30～0m段，沉積旋回數(shù)量由4→3→2呈下降趨勢，反映了沉積環(huán)境逐步趨于穩(wěn)定.從各個鉆孔來看，整體符合統(tǒng)計規(guī)律，說明這個深度內(nèi)的地層基本未受到斷層錯段影響，由于此時主要為河流相沉積環(huán)境，沉積旋回各孔一致性不強.

2.2.2巖石地層劃分

本場地鉆孔揭示地層巖性為褐色、青灰色粉質(zhì)黏土;褐色、淺紅褐色粉土和黃褐、褐黃、紅棕色粉砂、細砂;巖性整體上較為均質(zhì)，包含物較少;其中褐色粉土、粉質(zhì)黏土出現(xiàn)較多;特征地層為青灰色粉質(zhì)黏土和粉砂、細砂.本沉積區(qū)，地層多處可見銹黃色，地層含鐵較普遍，推斷青灰色地層沉積深度大，屬于湖相靜水缺氧環(huán)境，沉積地層中Fe增多，所以地層顏色偏青色或綠色;褐色或者灰褐色地層為沼澤相富有機質(zhì)地層，碳含量高，可作為14C地層測年標志;黃褐、褐黃色粉砂—細砂粒度最粗，為河流相沉積，按由南至北的方向?qū)Ω縻@孔特征地層參數(shù)進行統(tǒng)計，見表2.

從表2可以看出：

（1）青灰色粉質(zhì)黏土在從南至北方向上，最小深度變深，終止深度變淺，在鉆孔巖芯中所占比例變小趨勢，在鉆孔ZK3←→ZK4←→ZK7間均出現(xiàn)量級的轉(zhuǎn)折變化.

（2）黃褐、褐黃色粉砂、細砂在從南至北方向上、整體上出現(xiàn)深度在20～30m，浮動不大，終止深度變深，在鉆孔巖芯中所占比例變大的趨勢.粉砂、細砂的規(guī)律變化出現(xiàn)波動，考慮與鉆探過程中砂層的取樣率有關.

綜上可知，場地第四紀地層在水平方向由北向南細粒沉積逐漸加厚，粗粒沉積變薄;在鉆孔ZK3←→ZK4←→ZK7間出現(xiàn)量級的轉(zhuǎn)折變化;在垂直方向的第一層粗顆粒沉積出現(xiàn)在20～30m、且浮動不大;沉積旋回數(shù)由深至淺大致成“M”分布，在30～40m、50～60m段沉積旋回數(shù)達到峰值.

結(jié)合斷裂周邊及太原市晚第四紀地層劃分情況，認為聯(lián)合鉆孔揭露的第一層砂層為場地全新統(tǒng)（Qh）地層底界，埋深平均深度為31.5m，與上部的細粒沉積構成一個大的沉積旋回;31.5m以下為上更新統(tǒng)（Qp3）地層，本次鉆探未揭穿，與周邊場地對比本場地全新統(tǒng)（Qh）埋藏較深，推測在沉積時期該處曾發(fā)育過有徑流補充的古湖泊，由于斷層作用場地南側(cè)較北側(cè)水位深，水動力條件產(chǎn)生差異，深水弱水動力條件多沉積富含有機質(zhì)的細顆粒，淺水強水動力條件多沉積徑流帶來的粗顆粒.

結(jié)合鉆探場地周邊第四紀地層對場地第四系進行對比劃分，各鉆孔均有出露的地層共有7套，其中全新世地層4套，晚更新世地層3套.部分典型地層特征見圖6.

層①為素填土或者回填土，埋深2.4～3.2m.

層②為褐色粉質(zhì)黏土、粉土，可見二者互層，偶見黑色斑或者炭屑，層厚4.4～6.0m，地層底界埋深6.8～8.9m，為沼澤相沉積.

層③頂部為淺青灰色、青灰色和灰褐色粉質(zhì)黏土、粉土，層厚1.1～3.0m，地層底界埋深8.1～10.9m，偶見褐色細紋，該地層整體可判斷為含炭的淤泥質(zhì)標志層，在整套地層可以做連續(xù)對比，而且也可以和黃土沉積里的古土壤層作對比，湖相沉積;該層中部、底部以深褐色、褐色粉質(zhì)黏土和粉土為主，可見大量繡黃斑，部分鉆孔為淺紅褐色粉質(zhì)黏土夾粉土，可見黑色炭屑及銹斑，層厚5.7～8.2m，地層底界埋深15.6～16.7m，主要為沼澤相沉積.

層④地層整體相變頻繁，整體以褐色粉土或粉質(zhì)黏土為主，偶見銹黃和鈣質(zhì)結(jié)核，層厚12.0～14.4m，地層底界埋深28.4～30.1m;頂部和底部分布有褐灰色、黑灰色、青灰色淤泥質(zhì)的粉土、粉質(zhì)黏土，也是該套地層的特色標志，主要為沼澤相沉積.

層⑤為全新統(tǒng)底部，為一套基本連續(xù)的褐黃色細砂，局部為棕紅色粉砂或者深褐色粉土，層厚1.8～3.9m，地層底界埋深31.1～32.6m，為河流相沉積.

層⑥整體以褐色粉質(zhì)黏土、粉土為主，局部夾褐黃色粉砂，可見銹黃色細紋和灰斑.上盤層厚5.0～6.1m，地層底界埋深37.0～38.2m.下盤層厚4.8～7.1m，地層底界埋深37.1～38.4m.上盤相對下盤落差0.4m，為沼澤相沉積.

層⑦表現(xiàn)為明顯的3套地層.上部地層為青灰色、灰青色、黑青色、灰褐色的淤泥質(zhì)標志層，以粉質(zhì)黏土為主，粉土為輔，見銹黃色團塊和細紋，偶見鈣質(zhì)結(jié)核，上盤地層層厚6.8～7.8m，地層底界埋深44.4～46.0m，下盤層厚3.6～4.8m，地層底界埋深41.7～42.5m，上盤相對下盤落差3.1m，主要為湖相沉積.中部為連續(xù)可追蹤的粉砂層，以淺紅棕色、褐黃色粉砂為主，局部可見褐黃色粉土，此層可以作為標志層，上盤地層層厚3.0～5.7m，地層底界埋深49.0～50.1m，下盤層厚2.4～3.4m，地層底界埋深44.1～45.7m，上盤相對下盤落差3.5m，主要為河流相沉積.下部地層上盤以褐色的粉質(zhì)黏土和粉土為主，局部見褐黃色粉砂，可見繡黃、鈣質(zhì)結(jié)核，上盤層厚4.3mm，地層底界埋深53.3～54.4m，下盤以青灰色粉質(zhì)黏土為主，局部為粉土，可見繡黃、鈣質(zhì)結(jié)核，層厚2.3～4.5m，地層底界埋深48.0～48.8m，上盤相對下盤落差3.4m，主要為沼澤相沉積.

層⑧也可區(qū)分為3套地層.上部地層以褐色、褐黃色的粉土、粉質(zhì)黏土為主，主要為沼澤相沉積.中部以連續(xù)可追蹤的褐黃色粉土、粉砂為主，此層亦可以作為標志層，為河流相沉積.下部地層均為褐色的粉質(zhì)黏土，該套地層上盤地層層厚9.3～10.1m，地層底界埋深62.6～64.5m，下盤層厚7.3～8.4m，地層底界埋深55.8～56.7m，上盤相對下盤落差7.2m，主要為沼澤相沉積.

層⑧以下地層上盤以褐灰色和青灰色粉土、粉質(zhì)黏土為主，局部夾有褐黃色粉砂透鏡體，下盤地層以褐色、黃褐色粉土、粉質(zhì)黏土為主，期間沉積有兩套黃褐色粉砂層，上下兩盤地層差異明顯，表現(xiàn)出顯著的地層錯斷特征，主要為湖泊相沉積.

3地層斷錯解釋

3.1場地斷錯地層解釋

從本次聯(lián)剖鉆孔探測揭示地層看（圖7），層⑤為全新統(tǒng)底部，為一套基本連續(xù)的褐黃色細砂，局部為棕紅色粉砂或者深褐色粉土，各鉆孔均有出露，深度上下浮動較小，為河流相沉積，考慮是各鉆孔砂層采樣率不一致所致，故認為田莊斷裂未斷錯全新世地層.

層⑥整體以褐色粉質(zhì)黏土、粉土為主，局部夾褐黃色粉砂，可見銹黃色細紋和灰斑，為沼澤相沉積，該套地層錯斷的依據(jù)首先是淺層地震勘探解譯剖面顯示反射波同相軸在深度30～40m處錯位明顯，聯(lián)合鉆孔剖面顯示在層⑥底部地層存在細微錯動，錯動量約為0.4m.

層⑦表現(xiàn)為明顯的3套地層，上部地層錯動3.1m，中部和下部錯動約3.5m.層⑦上部地層為青灰色、灰青色、黑青色、灰褐色的淤泥質(zhì)標志層，主要為湖相沉積，這一套地層在上下盤都可以追蹤識別，可以從巖性、粒度、色澤和沉積相進行對比，其中鉆孔ZK4對應的該段地層上部為褐色粉土，下部為青灰色粉土，與上下盤臨近地層表現(xiàn)出明顯的差異性，顯示了斷層活動對該段地層正常沉積環(huán)境的改變.層⑦中部為連續(xù)可追蹤的粉砂層，以淺紅棕色、褐黃色粉砂為主，局部可見褐黃色粉土，該套地層也可以作為標志層，主要為河流相沉積.層⑦下部地層上盤以褐色的粉質(zhì)黏土和粉土為主，局部見褐黃色粉砂，可見繡黃、鈣質(zhì)結(jié)核，下盤以青灰色粉質(zhì)黏土為主，局部為粉土，可見繡黃、鈣質(zhì)結(jié)核，層⑦下部斷層上下盤地層表現(xiàn)出明顯的沉積環(huán)境差異，上盤為河流相或沼澤相，表明上盤不能始終處于水下環(huán)境，且水位要淺，下盤為沼澤相，水位較深且基本保持水下沉積環(huán)境，兩種沉積環(huán)境提供了很好的斷層錯斷佐證.

層⑧也可區(qū)分為3套地層：上部地層以褐色、褐黃色的粉土、粉質(zhì)黏土為主，主要為沼澤相沉積;中部以連續(xù)可追蹤的褐黃色粉土、粉砂為主，此層亦可以作為標志層，為河流相沉積;下部地層均為褐色的粉質(zhì)黏土，上盤相對下盤落差7.2m，主要為沼澤相沉積.

依據(jù)本次聯(lián)合鉆孔剖面所揭示的錯斷特征，認為目標斷裂未斷錯Qp3-3（層⑥）地層中上部，能識別出斷裂錯斷Qp3-2（層⑦）、Qp3-2-1（層⑦中部）、Qp3-1地層（層⑧），見表3.

綜合聯(lián)合鉆孔剖面地層展現(xiàn)特征，總結(jié)認為：斷錯地層在下降盤的沉積厚度均大于同層在上升盤的厚度，符合正斷層斷錯盤的沉積特征;錯距在鉆孔所揭露深度內(nèi)有兩次3m左右的同震位移，可以判斷在該識別層內(nèi)發(fā)生兩次主錯動事件，這為分析田莊斷裂的地震危險性提供了可靠的地質(zhì)證據(jù);田莊斷裂在本場地未斷錯全新世地層，斷錯地層為3套晚更新世地層，從上到下，斷錯地層錯距逐漸加大，依次為0.4m、3.5m、7.2m.

3.2地層年代學對比

根據(jù)鉆孔地層巖芯對比結(jié)果（圖7），同時參考美國bata實驗室6個C和山東省地震工程勘察研究院的11個光釋光測年結(jié)果，考慮到不同測年方法的測年結(jié)果差異問題，最終本次用于標定地層年齡主要采用4個C測年結(jié)果（表4）.

ZK4鉆孔42.1m處巖芯和ZK7鉆孔39.4m處巖芯對應的C測年結(jié)果相差380年（本次測試C測年最大誤差為270年），對應取樣沉積深度相差2.7m，對應巖芯巖性分別為粉土和粉質(zhì)黏土.綜合排鉆巖芯特征對比，可以進一步輔助證明該處地層發(fā)生錯動.

綜合排鉆揭露的地層錯動特征，結(jié)合ZK1鉆孔38.4m處C測年結(jié)果，判定斷層初始錯斷地層年齡為（27620±110）BP，田莊斷裂主斷裂最新活動時代為晚更新世晚期.

4認識及討論

開展隱伏斷裂活動性研究，首先要把握地層的整體沉積環(huán)境及沉積韻律，重點把握旋回地層中的一些顯著標志層，便于地層追蹤和對比.本剖面中層③頂部的淤泥質(zhì)標志層，層④頂、底的沼澤相沉積層，層⑦頂部的淤泥質(zhì)標志層，層⑦中部的粉砂層標志層，層⑧中部的褐黃色粉砂標志層，都為斷層的位錯對比提供了很好的示蹤對比.

通過鉆孔揭示場地地層為河流相-沼澤相-湖相沉積.整個剖面以粉砂—粉質(zhì)黏土的細粒沉積為主，沒有卵石、礫石層沉積;巖性整體較為均質(zhì)，包含物較少.沉積物的顏色以褐色、褐黃、青灰色為主.場地地層在水平方向變化較為明顯，北側(cè)主要為河流相、沼澤相的粉砂—粉質(zhì)黏土細粒沉積，南側(cè)主要為湖相、沼澤相的粉土—粉質(zhì)黏土沉積，轉(zhuǎn)折變化明顯;垂直方向上在深度30～40m、50～60m段沉積旋回變化頻繁.

綜上，田莊斷裂未錯斷全新統(tǒng)地層，斷錯最新地層為上更新統(tǒng)，為晚更新世活動斷裂.目標斷裂在探測場地可識別的斷錯地層最淺埋深為37.6m，起始錯距0.4m;最大埋深60m，最大錯距7.2m.

（責任編輯：李萬會）