山西交城活动断裂带中段地裂缝的构造控制效应研究

张忠义，朱继良，孙银行，张建国，张普斌，肖文进，贾润幸，秦帮策，杜杰

（1.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051）

0 引言

活动构造与环境灾害密切相关，活动构造与环境灾害的相关性研究，已成为现代构造地质学和现代工程地质学发展的新方向（彭建兵，2006）。晋中盆地为一新生代断陷盆地，盆地活动断裂发育，环境灾害地质问题严重。地裂缝是晋中盆地最主要的地质灾害之一，对当地经济建设和居民生命安全造成了严重影响，是当前晋中盆地环境灾害研究关注的重点。研究表明，晋中盆地主要为构造地裂缝，活动构造是地裂缝形成的重要或主控因素（武强，2005；彭建兵和范文，2007；彭建斌等，2017；贺秀全等，2009；曹金亮等，2010；李军等，2014；陈元明，2016；孙晓涵等，2016），活动构造与地裂缝的成因联系，特别是活动断裂的发生发展，在此过程中影响控制地裂缝的孕育、扩展、活动机理和分布机制等方面的研究认识仍不断深入。

本文在前人工作基础上，结合最新获取的地表调研及物探、钻探等资料，分析研究交城活动断裂带中段的构造活动对沿线地裂缝的形成、活动和分布的构造控制机制和效应，为区域地壳稳定性、资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价提供依据。

1 地质概况

晋中断陷盆地是组成山西地堑系的大型新生代断陷盆地之一，山西地堑系是上叠于早期隆起上的右旋斜列拉张断陷活动带。中新世，随着印度板块与欧亚板块的碰撞相关的侧向挤出作用增强，区域构造应力场由NW-SE 向挤压转向NNW-SSE 向拉张，是山西地堑系形成的重要构造背景之一。

交城断裂与太古断裂是晋中盆地最主要的控盆构造（刘光勋和肖振敏，1982；丁国瑜和卢演俦，1983；徐锡伟，1989），分别构成盆地的北西和南东边界断裂带（图1），也是重要的活动构造与地裂缝灾害带，一系列地裂缝分别沿断裂带集中分布发育，形成2 条宽约数千米的活动地裂缝带（图2），合理解释这些地裂缝的时空分布与活动规律成为揭示其形成因机制的关键问题。

图1 交城断裂带中段活动构造图（盆地等厚线资料来自江娃利等，2012①）

交城断裂带北起阳曲县泥屯乡，向南经清徐-交城-文水，南至汾阳市南峪，全长约180 km，总体走向为NE40°，倾向SE。构成西侧基岩山地和东侧山前洪积扇裙与冲积平原的界线，西侧基岩山地出露古生界、少中生界岩系；东侧盆地的新生界由第四系及上新统组成，断裂明显控制盆地新生界和第四系最大沉积，最大厚度位于清徐-交城一线，其中新生界厚达3800 m，第四系厚达600 m（图1）。新生界沉积物特征表明断裂至少从上新世已开始活动。

本文选择交城断裂带的中段进行重点研究，它是新构造活动最强和最特征的区段，也是地裂缝最发育区段，其北起晋祠北，向南经清徐-交城，南至文水南，全长约75 km（图1）。

图2 区域地裂缝分布及交城断裂带中段地裂缝形成机制图（L1-L15 地裂缝下半球投影）

2 交城断裂带中段的活动构造特征

依断裂的空间几何展布，交城断裂带中段可进一步分为北部晋祠北-清徐北段（NE-NNE 段）、中部清徐北-开栅段（NEE 段）和南部开栅-文水南段（NE-NNE 段）等3 个自然段落（图1）。

构造带中段是由多条断裂组成的断裂带，构成西部基岩山地向东部盆地平原的过渡带，宽300～500 m，北西界断裂（图1b 中F1）构成山地基岩区与东部坡地平原的界线，东南界断裂（图1b 中F6）则往往形成山前台地的前缘陡坎。除北西界边山断裂（图1b 中F1）有地表露头，向东其它则多为隐伏断层。

北部晋祠北-清徐北段和南部开栅-文水南段的走向分别为NE-NNE40°左右，倾向SEE，倾角80°左右；北西界边山断裂的运动学矢量观测（图1a T1、T2、T6）指示为右行走滑运动，而地貌上主要表现为由高角度倾向SE 的倾斜式阶梯状断层控制的多级构造台地，综合特征表明，断裂带在这两段以右行张扭性活动为主。

中部清徐北-开栅段走向为NEE70°左右，倾向SSE，倾角80°左右；北界边山断裂的运动学矢量观测（图1a T3、T4、T5）表明以正滑运动为主，而刘家园村-西梁泉村一带开展的物探及联合钻孔探测（图1b）显示，主要由7 条高角度正断层组成垒-堑组合构造样式。综合特征表明，断裂带在该段以正滑张性活动为主。

前人曾分别在断裂的三段的探槽采样，均获得距今（3.06～3.74）ka、接近5.69 ka、和（8.53～8.56）ka 的断错活动年龄（谢新生等，2007，2008；郭慧等，2016），表明三段在全新世具构造活动的同步性；因此推测，全新世，区域NNW-SSE 向拉张应力场使总体NE-NNE 向的交城断裂带受到右旋剪切作用，其中段北部和南部NE-NNE 段主要发生右行张扭活动，而中部NEE 段则因属构造释压弯曲部位，横向拉张作用下发生强烈的正滑张性活动与构造凹陷，在断裂上盘的清徐-交城一线形成沉降中心及沉降厚度向盆的陡变带（图1）；据交城断裂中段三部分沉陷的第四系厚度分别为240 m、600 m 和350 m，推断交城断裂中段三部分的第四纪断层下降盘沉降速率分别为0.093 mm/a、0.23mm/a 和0.14mm/a；以中部NEE 段的断陷沉降速率最大、活动最强，次为南部NE-NNE 段，北部NE-NNE 段最小。

另据GPS 检测资料和地震源机制解结果推演（彭建斌等，2017；李斌和李自红，2018），现今晋中盆地主要受NNW-SSE 向拉张应力的控制；综合表明晚更新世、特别是全新世以来，断陷盆地的构造应力场与总体构造面貌变化不大。

3 交城断裂活动带中段的地裂缝控制效应

3.1 交城断裂带中段地裂缝的分布发育特征

沿交城断裂带中段分布的地裂缝主要出现在构造北西界断裂上盘的断裂带内，即基岩山地向山地平原过渡的地形陡变带上。地裂缝多成宽l0～120 m 的带状发育，主体走向为NEE 向，次为NNE-NE向，少数NW-NNW 向，单条地裂缝的方向性更趋稳定；总体走向在45°～80°，优势方位60°～75°，高角度倾向SE 或SSE（图2 L1～5，L7～15）、少量倾向NNW（图2 L6），且SE 或SSE 盘、少NNW 盘为下降盘（上盘）（图2 L1～15），具典型的构造破裂活动特征；变形模式以NNW-SEE 向拉张为主（图2L3～13），部分为NNE-NE 剪切变形（图2 L1-1，L14～15）或两种变形的组合。

另外，地裂缝具有明显的区段差异性（图1a；图2）。中部NEE 向的正滑张性活动段的清徐-交城一线，地裂缝最发育，具规模大、范围广、活动强的特点，多为断裂同向的张裂（地裂缝）（图2 L3～13），形成长18.5 km，走向60°～75°的大型裂缝带，与断裂带产状（图1a T3～T5）近一致，且相互平行发育（图2 L3～13），表现为水平拉张，垂直位错亦明显，结构面不平整（图3a、b），危害最严重（图3d）。

北部和南部的NE-NNE 向的张扭区段则明显不发育（图2），出现的地裂缝规模也小，与断裂同向或小角度相交，走向20°～45°，一般高角度倾向SE，常具一定的扭张特征（图2 L1～5，L7～15），主裂缝上盘见次级地裂缝（羽裂状、雁列状），有时在结构面上见低角度擦痕线理（图3c）。而不同方向断裂的转弯连接处，如清徐北、开栅、文水南等点，地裂缝则相对集中发育且产状变化较大（图2a）。构造中部的NEE 向的正滑活动段附近（如清徐马峪乡、仁义村等地）是因裂陷作用导致第四纪地层厚度由浅变深的突变带（图1a），也是地裂缝最发育区段（图2），西梁泉村一带，地裂缝在南部地堑中（图1bF6与F7 之间；图4）尤其发育，该处也是下降盘沉降速率最大，第四系厚度变化最大处（图1b）。

3.2 交城断裂带中段地裂缝的构造成因

沿交城断裂带中段分布的地裂缝发育在基岩山地向山地平原过渡的地形陡变带上。带状展布、排列有序、方向性强且与活动断裂协调相伴，表明地裂缝可能是旁侧或下伏断层活动的地表或浅层效应；物探及前人槽探（陈元明，2016）工作揭示，部分地裂缝向下与断层直接相连或重合，显然部分裂缝就是活动断层的一部分。因此，地裂缝具明显的构造属性特征。

新的调研资料表明，交城断裂带中段活动构造的灾害（地裂缝）效应呈现明显的区段差异性。

图3 葡萄沟地裂缝平面特征（a）与剖面特征（b）、开化村地裂缝结构面上的擦痕（c）及西梁泉村地裂缝错裂的建筑（d）

图4 NEE 向的正滑活动段及地裂缝在西梁泉村一带的分布发育

中部NEE 向构造段由相对密集的高角度正断层组成垒-堑组合构造样式（图1b），NNW-SSE 拉伸强烈，第四纪裂陷沉积厚度大，发育同向的张裂（地裂缝），且多位于高级别地堑中，表明与正断活动中因调节滑动块体所导致的地壳失稳在上覆的相对松散沉积层中产生的破裂效应有关。北部和南部的NE-NNE 向的张扭区段的地裂缝相对不发育，出现的与断裂同向或小角度相交，具一定的扭张特征地裂缝，可能是张扭断裂在其旁侧或上覆的新生界沉积层中优先生成的与断裂小角度相交的里德尔R剪裂。不同方向断裂的转弯连接处，地裂缝较发育，且产状变化较大，推测主要是与走滑断裂在转弯连接处的应力释放效应有关的“T”型张裂和“R”型剪裂（图2）。

交城断裂带中段活动构造特征及第四纪断陷沉降速率均表明，构造中部NEE 向构造段的同构造NNW-SSE 向拉张最强烈，地裂缝最发育、规模最大；而北部和南部的NE-NNE 向的张扭区段的拉张弱，地裂缝不发育；不同方向断裂的转弯连接处则是应力集中释放处，地裂缝较发育。综合表明，断裂活动是地裂缝沿交城断裂带中段分布发育的主控因素，大断裂的活动与区域构造应力场密切相关，而大断裂活动引起的局部应力场变化及相关构造则影响控制了地裂缝的孕育、扩展和活动。

4 讨论

一系列地裂缝沿交城断裂带中段集中分布，形成宽约数公里的活动地裂缝灾害带，受灾体包括房屋、道路、耕地及其它工程设施等；而交城活动断裂带是沿线地裂缝孕育、扩展和活动的主控因素。研究表明（武强等，2002），该类地裂缝灾害带的致灾机理是由于下部断层活动导致地表土体破裂，并通过应力传递、集中、释放等活动方式，对土体、地下工程和地表建筑物施加以拉张应力和剪切应力，破裂一经开始，建筑物的自重应力与构造应力联合作用，导致建筑物变形和破坏而酿成灾害。

5 结论

活动构造是交城断裂带中段沿线或附近地裂缝孕育、扩展和活动的重要或主控因素，且构造的灾害（地裂缝）效应具明显的区段差异性，沿NEE 向构造段以及其与NNE-NE 向构造段的结合部最发育，断裂活动引起的局部应力场变化影响控制了相关地裂缝的发生发展；因此，为了将地裂缝灾害损失降低到最小，可将构造灾害（地裂缝）效应的区段差异性作为灾害防治分区的重要依据与参考之一，提出并采取分区分段的防治对策。同时，区域资料显示沿交城断裂带分布的地裂缝具多期活动、准周期性及间歇性活动特征，表明断裂活动可形成地裂缝或导致地裂的活化，甚至可能仅形成隐伏或潜在破裂面，而地下水超采和渗透、黄土湿陷、甚至抬升释压等能诱发或加剧地裂缝的开裂或复活。另外，区内地裂缝是形成于断裂带的无震蠕滑活动，还是由历史地震粘滑活动导致等仍不清，有待深入研究。

注释

①江娃利，郭慧，谢新生，等.2012.山西交城断裂带活断层填图（1∶5 万）报告［R］.中国地震局地壳应力研究所.