石 婧

（中國地質大學（北京）能源學院 北京 100083）

呂梁—太行山隆起帶是山西省的主體組成部分，包括有呂梁山、恒山、五臺山、太行山之間的廣大區(qū)域，構成一個以隆升作用為主的陸內(nèi)造山帶（山西省地質礦產(chǎn)局，1989）。呂梁山位于華北克拉通中部，西以離石大斷裂與鄂爾多斯盆地沉降帶為界，北為大同—靈丘火山沉積盆地，南為中條山隆升帶，東與五臺山—恒山穹狀隆起、沁水盆地沉降帶、太行山隆升帶相鄰（山西省地質礦產(chǎn)局，1989）。呂梁隆起帶部位多為山脊，而晉西撓褶帶、寧武向斜西翼及交城單斜主要分布在山腰處（李建星等，2015）。張北航等（2021）認為呂梁隆起的形成代表了華北克拉通在晚侏羅世—早白堊世的擠壓變形事件；Zhao et al.（2016）則認為呂梁山脈地區(qū)中部和北部的隆起時間早于南部。本文研究區(qū)位于呂梁隆起南部，主要基于野外地質調查和1∶200 000 離石幅地質資料（山西省地質局，1972①山西省地質局.1972.1∶200 000 離石幅地質資料.），建立呂梁隆起中段核部東西向構造地質剖面，分析其地層特征和構造樣式，運用2D-Move、FaultFold 軟件進行構造演化的反演與正演模擬，結合區(qū)域地質背景，對呂梁隆起中段核部構造變形進行定量分析，為之后研究呂梁隆起的陸內(nèi)構造變形，以及礦產(chǎn)資源勘探提供參考和新思路。

1 地質背景

呂梁隆起位于山西地塊的西部，其山脈走勢呈NNE-SSW 向展布（楊浩，2016），其西部與鄂爾多斯盆地的一級構造單元晉西撓褶帶相呼應，東接汾渭地塹，南北向的離石大斷裂貫穿整個呂梁隆起。離石大斷裂在中生代的燕山運動處于劇烈活動期（賈維花，2005），構造變形多樣、多期次發(fā)育。本次研究區(qū)位于呂梁隆起中段核部，具體位于離石市東南方向約12 km 的吳城鎮(zhèn)白馬仙洞一帶（圖1，圖2）。

圖1 呂梁隆起白馬仙洞地區(qū)位置圖（a）和白馬仙洞地區(qū)地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Location map of Baimaxiandong area of Lüliang Uplift（a）and stratigraphic column of the Baimaxiandong area（b）

圖2 白馬仙洞地區(qū)地質簡圖（a；據(jù)山西省地質局，2020②山西省地質局.2020.白馬仙洞地區(qū)地質簡圖.）和白馬仙洞地區(qū)東西向構造地質剖面圖（b）Fig.2 Geological sketch map of the Baimaxiandong area（a.Bureau of Geological Survey of Shanxi Province，2020）and E-W trending structural cross-section profile of Baimaxiandong area（b）

該區(qū)地層主要為太古代、元古代與古生代地層（圖1b）。剖面AB 位置見圖2a，方向為東西向，分析平面地質圖以及地質剖面圖（圖2b）可以看出其構造樣式為前展式斷裂構造樣式，即背馱式的疊瓦狀構造，逆沖斷層向東側擴展。西側地層逐漸水平，且大多被第四系覆蓋，褶皺樣式自西向東發(fā)育為背斜—向斜—背斜—向斜，均為不對稱褶皺，最高海拔在1 250～1 500 m 之間，兩個背斜中都發(fā)育有出露到地表的高陡逆斷層F1、F2，斷層角度大約為70°。背斜均具有西翼緩東翼陡的特點，中間向斜具西翼陡而東翼緩的特點，為典型的斷層傳播褶皺；東側基底發(fā)育斷層F3，上覆向斜一翼水平，另一翼較緩，形成斷層轉折褶皺。下文主要圍繞呂梁隆起中段核部的白馬仙洞的構造地質剖面進行分析。

2 卷入變形的地層特征

根據(jù)野外露頭觀察和地質圖，研究區(qū)自下而上發(fā)育的地層有：太古界混合花崗巖，古元古界界河口群，中元古界霍山砂巖，寒武系徐莊組、張夏組、三山子組，奧陶系冶里組、亮甲山組、下馬家溝組、上馬家溝組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組以及新生代的第四系沉積物。

（1）古元古界

兩個背斜核部均出露有古元古界界河口群變質巖，巖性為黑云角閃片麻巖、變質礫巖。界河口巖群是呂梁地區(qū)變質程度最深的巖石，經(jīng)過多期復雜的變形、變質作用的強烈改造（楊崇輝等，2018）。

（2）中元古界

通過研究區(qū)野外地質觀測，在吳城鎮(zhèn)白馬仙洞還發(fā)現(xiàn)有厚度較小的霍山砂巖（地質圖中未填出），代表山西中部地區(qū)中元古代的強烈古地理變遷（肖恩照等，2017），巖性為紫紅色、黃褐色石英砂巖（圖3a），硬度大，產(chǎn)狀為90°∠42°。研究區(qū)未見元古界野山雞群、漢高山組以及下寒武統(tǒng)，中寒武統(tǒng)徐莊組直接覆蓋在霍山砂巖之上，與下伏地層形成平行不整合面。

（3）寒武系

該區(qū)在寒武紀中晚期接受沉積（Meng et al.，1997），中寒武統(tǒng)徐莊組底界發(fā)育不整合面，以平行不整合或低角度不整合的形式覆蓋于前寒武紀變質巖基底或中元古代霍山砂巖之上，其巖性為中薄層紫紅色泥巖夾灰綠色泥巖（圖3b）。中寒武統(tǒng)張夏組為深灰色薄層狀的鮞粒灰?guī)r（圖3c），產(chǎn)狀為75°∠50°，沉積于水體淺、干凈，生物碎屑發(fā)育的低能環(huán)境，整合覆蓋在徐莊組之上。上寒武統(tǒng)地質圖上未細分，野外觀測到三山子組的巖性為淺灰色、灰褐色薄層灰?guī)r，夾薄層泥巖（圖3d），產(chǎn)狀為75°∠65°，整合覆蓋在張夏組之上。

（4）奧陶系

下奧陶統(tǒng)整合覆蓋在上寒武統(tǒng)三山子組之上，地質圖中未細分，野外觀測到有冶里組、亮甲山組。冶里組巖性為淺灰綠色泥巖、粉砂巖和紫褐色粉砂巖，可見紫褐色粉砂巖中含灰綠色礫石（圖3e），產(chǎn)狀為79°∠70°，可能為風暴浪沉積。亮甲山組巖性為塊狀灰黑色灰?guī)r（圖3f），產(chǎn)狀為74°∠63°。野外觀測到下奧陶統(tǒng)有構造楔發(fā)育（圖3g），地層發(fā)生彎曲、直立、甚至倒轉，其中斷層發(fā)育，構造楔位于斷層的下盤，沿著斷層面向上進入地層，巖性為灰色薄層灰?guī)r。中奧陶統(tǒng)下馬家溝組巖性底部為灰綠色頁巖，上部為深灰色中厚層灰?guī)r（圖3h），產(chǎn)狀為267°∠35°。上馬家溝組位于向斜核部，根據(jù)巖性將其分為一段、二段，一段巖性底部為泥質灰?guī)r，上部為薄層—中厚層深灰色灰?guī)r，二段巖性底部為泥灰?guī)r，中部為淺灰色薄層灰?guī)r夾泥灰?guī)r，頂部為白云質灰?guī)r（圖3i），產(chǎn)狀為81°∠12°和230°∠12°。研究區(qū)無志留系、泥盆系沉積，沉積的石炭系、二疊系由于構造隆升被剝蝕，在研究區(qū)西側有零星出露。新生代的第四系灰黃色、黃褐色的砂礫石層和粘土沉積物直接覆蓋在奧陶系、寒武系、石炭系和二疊系之上。

圖3 白馬仙洞地區(qū)野外露頭照片F(xiàn)ig.3 Field photographs of outcrop in Baimaxiandong area

3 構造演化

圖2b 剖面位于呂梁隆起核部，基底發(fā)育有滑脫面，之上發(fā)育兩條呈疊瓦狀的高陡逆沖斷層，斷層角度約為70°，背斜褶皺均具有前翼陡、后翼緩的特征，為典型的斷層傳播褶皺?，F(xiàn)今剖面長度為20.59 km，西側斷層F1 上盤地層為古元古界界河口群、中-上寒武統(tǒng)、下-中奧陶統(tǒng)、中-上石炭統(tǒng)、下-上二疊統(tǒng)，中寒武統(tǒng)以角度不整合覆蓋在界河口群之上，斷層下盤地層為古元古界界河口群、中-上寒武統(tǒng)、下奧陶統(tǒng)；斷層F2 上盤地層為古元古界界河口群、中-上寒武統(tǒng)、下奧陶統(tǒng)，中寒武統(tǒng)以角度不整合覆蓋在界河口群之上，斷層下盤地層為太古界混合花崗巖、中-上寒武統(tǒng)、下奧陶統(tǒng)，地層產(chǎn)狀接近水平，大部分地層被第四系覆蓋，中寒武統(tǒng)以角度不整合覆蓋在太古界混合花崗巖之上；斷層F3 為基底斷層，與斷層F2 共同控制上覆地層太古界混合花崗巖、中-上寒武統(tǒng)、下奧陶統(tǒng)，形成斷坪—斷坡—斷坪式構造樣式。

通過2D-move、FaultFold 軟件對其進行反演和正演模擬，建立了如圖4、圖5 所示的構造反演與正演剖面?；跀鄬酉嚓P褶皺原理以及原始剖面，正演模擬設置了一條滑脫面以及3 條逆斷層，具體參數(shù)設置如下：斷層F1 有兩段斷坡，設置的角度為12°、70°，斷層F2 也有兩段斷坡，設置的角度為22°、70°，斷層F3 設置的角度為29°。設置的地層厚度均為30 m，三角剪切角度為45°，斷層傳播距離與滑移距離的比值即P/S 值設置為4，總滑移量設置為50 m，所得正演模擬結果如圖5 所示，與原始剖面大致吻合。接下來將對其構造演化階段進行探討分析。

圖4 白馬仙洞東西向2-D Move 構造演化剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of E-W-trending 2-D Move structural evolution profile of Baimaxiandong area

圖5 白馬仙洞東西向FaultFold 正演模擬剖面示意圖Fig.5 Schematic diagram of E-W-trending FaultFold forward modeling profile of Baimaxiandong area

3.1 燕山期之前構造階段

新太古代—古元古代時期，華北克拉通先后發(fā)生了～2.5 Ga 和1.98～1.80 Ga 兩次大規(guī)模的構造變質事件。其中，～2.5 Ga 的構造熱事件在全球早前寒武紀地質歷史上占據(jù)重要地位，期間發(fā)生了大規(guī)模的巖漿作用伴隨強烈變質作用（肖玲玲等，2021）。研究區(qū)中部出露有古元古界的界河口群變質雜巖，在構造環(huán)境方面，一部分學者認為界河口群巖石主體形成于被動大陸邊緣（李江海等，1999；萬渝生等，2000），另有學者認為其形成于活動大陸邊緣環(huán)境（劉樹文等，2009），還有學者根據(jù)巖性認為其形成于活動大陸邊緣的島弧構造環(huán)境（肖玲玲等，2021）。研究區(qū)東側有太古界混合花崗巖，與西側界河口群呈不整合接觸。中元古代研究區(qū)開始伸展，接受海相沉積，變質巖基底之上形成砂質海灘，在波浪的長期作用下，形成了分選性和磨圓度較好的霍山砂巖；其后的元古代時期處于無沉積作用期。早寒武世初期，呂梁地區(qū)位于構造高部位，處于古陸狀態(tài)，因此研究區(qū)缺失早寒武世早中期的沉積。早寒武世晚期饅頭組沉積期海侵進一步向北（東）發(fā)展（張抗，1981），華北克拉通整體下沉接受沉積。中寒武世，隨著海平面的上升，海侵范圍進一步擴大，之后持續(xù)沉積徐莊組、張夏組、三山子組，代表華北地臺碳酸鹽臺地從發(fā)展階段向成熟階段的轉變（梅冥相等，1997）。寒武紀，呂梁隆起區(qū)總體沉積的地層厚度相對較小。早奧陶世冶里組—亮甲山組沉積時期，由于輕微的海侵作用，呂梁隆起被淹沒形成水下古隆起，沉積了較薄的冶里組以及亮甲山組。到了馬家溝組沉積期海侵范圍再次擴大，大規(guī)模的海侵讓呂梁水下隆起持續(xù)接受沉積，沉積大套的碳酸鹽巖。經(jīng)歷過加里東中期運動改造后，呂梁隆起核部缺失志留系、泥盆系沉積，晚石炭世—二疊紀再次接受沉積，石炭系直接覆蓋在奧陶系之上，形成平行不整合接觸，并且沉積的厚度較小。三疊系及之后的地層由于呂梁隆起的逐漸形成，被剝蝕殆盡，研究區(qū)未見保留。

3.2 燕山期早期

燕山期早期，研究區(qū)受到來自東側應力的擠壓作用，在基底中產(chǎn)生了一個滑脫面，其上的地層沿滑脫面向東滑動，與之后形成的斷層F1、F2、F3 共同控制呂梁隆起核部的構造形成，這一作用一直持續(xù)到燕山期晚期。由于強烈的東西向擠壓應力在滑脫面之上發(fā)育了兩條傾向向西的逆斷層，F(xiàn)1 斷層比F2 斷層更緩，此時斷層F1 傾角約為12°，F(xiàn)2 傾角約為22°。受到基底斷層F1、F2 的控制，上覆地層形成斷層傳播褶皺，基底發(fā)生滑脫使上覆地層卷入變形。在這期變形中地層縮短量約為1.09 km，縮短率為4.6%，處于快速隆升階段。

3.3 燕山期中期

燕山期中期，F(xiàn)1、F2 逆斷層持續(xù)活動，斷層的傾角逐漸變陡，斷層向上破裂到石炭系。其中斷層兩側石炭系以及之下的地層沿斷層面發(fā)生滑動。在這期變形中地層縮短量為0.59 km，縮短率為2.5%，此時處于慢速隆升階段。

3.4 燕山期晚期

燕山期晚期，F(xiàn)1、F2 斷層向上持續(xù)突破，斷穿所有地層，后期由于剝蝕作用出露到地表。斷層傾角變得更陡，約為70°。受到強擠壓應力影響，地層持續(xù)抬升，在東側產(chǎn)生一新的斷層F3，上覆地層以及基底太古界花崗巖卷入受到抬升作用，形成斷層轉折褶皺，變形強烈。這期變形持續(xù)至今，地層縮短量為1.49 km，縮短率為6.3%，處于快速隆升階段。

3.5 現(xiàn)今

自燕山期晚期以來，呂梁隆起一直處于擠壓環(huán)境之下，逆沖斷層持續(xù)活動，石炭系、二疊系由于構造抬升被剝蝕，僅在西側有零星出露，三疊系也因隆升無沉積記錄。最終呂梁隆起核部由于風化剝蝕作用，剝蝕、剝露形成現(xiàn)今構造格局，背斜核部界河口群逐漸出露。除背斜外，東西側第四系沉積物覆蓋在大部分地層之上。

從燕山期早期受到強烈擠壓應力到現(xiàn)今，地層總縮短量為3.17 km，總縮短率為13.4%。

4 討 論

對白馬仙洞剖面的3 條主控逆斷層分別進行2D-Move 與FaultFold 幾何學反演與正演模擬，結果表明，白馬仙洞的構造樣式主要由3 條逆斷層共同控制，3 條逆斷層相交于基底界面以下同一滑脫面。最終形成的構造樣式為兩個斷層傳播褶皺和一個斷層轉折褶皺。斷層傳播褶皺形成于斷層的端點，并且吸收了斷層的滑移量，屬于基底卷入型的斷層傳播褶皺，前后翼不對稱，前翼陡，后翼緩，變形前后巖層厚度不變，并且斷層突破到地表，截斷所有地層。斷層轉折褶皺發(fā)育在斷層斜坡上方，背斜軸面與向斜軸面平行。

結合區(qū)域地質背景，認為呂梁隆起中段核部構造發(fā)生在燕山期，即晚侏羅世—早白堊世。燕山運動為侏羅紀、白堊紀期間廣泛發(fā)育于中國境內(nèi)的重要構造運動，主要表現(xiàn)為褶皺、斷裂活動、巖漿噴發(fā)侵入活動及部分地帶的變質作用（地球科學大辭典編委會，2006）。燕山期華北克拉通受到強烈的北東向擠壓應力，隨后巖漿大規(guī)模侵入，對巖石圈造成破壞，燕山運動在研究區(qū)域內(nèi)活動強烈，構造主要由逆沖斷層組成，不僅對區(qū)內(nèi)的地層分布具有一定的控制作用，而且對與巖體有關的以鐵為主的礦床的形成與分布也有控制意義。

5 結 論

（1）呂梁隆起核部在燕山期受到強烈的東西向擠壓應力發(fā)生3 期斷裂活動與隆升作用。早期在基底產(chǎn)生一滑脫面，上覆地層沿滑脫面向東滑動，滑脫面之上發(fā)育了兩條傾向向西的逆斷層F1、F2，傾角較緩，受到基底斷層F1、F2 的控制，上覆地層形成斷層傳播褶皺，基底發(fā)生滑脫卷入，此時處于快速隆升階段。燕山期中期F1、F2 逆斷層持續(xù)活動，斷層的傾角變陡，向上破裂到石炭系，此時處于慢速隆升階段。燕山期晚期F1、F2 斷層持續(xù)向上突破所有地層，傾角變得更陡，約為70°，東側新產(chǎn)生一斷層F3，上覆地層以及基底太古界花崗巖卷入受到抬升作用，地層形成斷層轉折褶皺，處于快速隆升階段。

（2）燕山期變形持續(xù)至今，地層總縮短量為3.17 km，總縮短率為13.4%。指示陸內(nèi)強烈的擠壓變形特征。

（3）現(xiàn)今呂梁隆起核部構造由于風化剝蝕作用，最終形成現(xiàn)今構造格局，背斜核部出露界河口群變質巖以及太古界混合花崗巖，除構造高部位之外，大部分地層被第四系沉積物覆蓋。