口泉断裂郊城段断裂展布特征及其活动性研究

丁学文，霍 魁，冯凯宇，高树义，李 申

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

口泉断裂为大同盆地的西北边界断裂，其东南侧为盆地区，西北侧为口泉山地。断裂南起山阴县上神泉，向东北经大峪口、鹅毛口、口泉、上皇庄，止于丰镇市官屯堡，总长约108 km，总体走向NE35°～45°，倾向SE，倾角一般45°～70°，局部地段陡立。在中生代，该断层为压性逆断层，新生代为张性右旋平移正断层[1]。根据断裂几何结构、地貌特征,将口泉断裂从南西往北东划分为三段(1)张世民,刘旭东.我国重点监视防御区活断层地层危险性评价项目专题报告《口泉断裂1:5万地质填图》,2011.，即上神泉—大峪口南部弱活动段、大峪口—上皇庄中部较强活动段、上皇庄—官屯堡北部弱活动段，活动时代分别为第四纪晚更新世、全新世和晚更新世，研究区郊城段位于口泉断裂中段的鹅毛口—口泉段(见第16页图1)。口泉断裂新生代以来新构造活动强烈，在杨家窑—拖皮一带形成沉降中心，研究区位于沉降中心部位，新生界、第四系沉积厚度分别达2 000 m、400 m，形成西北侧陡深、东南侧缓浅的箕状掀斜构造。众多学者对口泉断裂中段活动性进行过研究，王霞等[2]利用震源位置和速度结构联合反演方法，对1981—2013年山西北部地区的地震进行重新定位，反演得到的三维速度结构结果显示，口泉断裂中北段地震集中，南北两端地震少，反映了中北段断裂活动强，南北两端活动弱，存在基底拆离带，表明存在深部证据；王贞海[3]、齐浪[4]通过地质调查、浅层地震及电阻率CT勘探、钻孔勘察、探槽开挖分别对口泉断裂中段上窝寨、口泉一带断裂展布特征及活动性进行研究，结果表明，断层在上窝寨一带位于山前100～200 m,断层两盘地层垂直落差大于380 m，在口泉一带地层最大错距达70 m,近地表垂直断距3 m,破碎带宽1.2 m，皆表现单条断层结构，活动时代为全新世；谢新生等[5]根据野外调查、探槽开挖及14C、释光龄测定对口泉断裂全新世地震活动进行研究，发现在距今1.23万年以来断裂曾发生过4次古地震事件，平均间隔约3.74 ka,各次事件的平均最小同震垂直位移为1.8 m,与此相应的古地震震级在7级以上；徐伟等[6]对口泉断裂上神泉—杨家窑段晚第四纪以来断错地貌及活动速率确定研究表明，禅房以北段断层活动呈现中间强、两侧弱的特点，最强段位于小峪口至楼子口段，T1阶地断错不小于3 m，T2阶地断错不小于17.5 m，T2阶地形成以来滑动速率不小于0.53 mm/a。大峪口T1阶地断错0.5 m,大峪口—禅房段活动速率为0.17 mm/a。石井—鹅毛口段T1阶地断错0.25～0.3 m，活动速率为0.4 mm/a。自历史地震记载、记录以来，地震主要集中发生在断裂中北段，最大地震为1582年大同阳和坡一带的5级地震[7-8]，地震分布与断裂活动性关系密切。

图1 口泉断裂及邻区地震构造图Fig.1 Seismotectonic map of Kouquan fault and its adjacent area

野外采用联合钻孔勘察、断层露头剖面实测、光释光年龄测试等综合手段(见图2)，对口泉断裂中段郊城一带断裂展布特征及其活动性进行详细研究(2)山西省地震工程勘察研究院.大同煤矿集团有限责任公司化工厂总仓库库房改造项目工程场地地震安全性评价报告,2014.，确定断裂位置、展布特征及其活动性。

1 地质调查

图2 研究区工程布置及断裂位置图Fig.2 Engineering layout and fracture location map in research area

图3 研究区东北冲沟ⅠⅠ＇线北东壁地层(镜向SE)Fig.3 Stratum in the Northeast wall of the II′line of the Northeast gully in the study area (mirror SE)

通过野外实地地层、地貌调查及断层追踪对比，在研究区发现两处断层露头a1、a2。a1露头点如第17页图4、图5所示，位于研究区东堆煤渣场南壁，陡壁高约5 m，地层不连续，具牵引、拖曳现象，为正断层。断层清晰，断面平直、光滑，上陡下缓，呈弧形，断面中部产状130°∠67°，垂直断距1.4 m，断层断至近地表，上部呈花状裂开，裂缝宽1～2 cm,裂缝面反倾，倾角60°～80°。从上至下地层依次划分为：黄土，褐黄色，质均匀，无层理，具孔隙，疏松，含零星小石块，砾径0.5～1 cm，顶部10～20 cm为褐色耕植土；砂砾，砾石呈次棱角状，砾径1～10 cm,片麻岩成分，具有微斜层理；粉土，褐黄色，质均匀，具有虫孔，疏松，无层理，夹碎石层；砾石，砾径2～10 m，片麻岩成分，棱角状，具水平层理。

图4 断层露头a1点(镜向NW)Fig.4 a1 point of fault outcrop (mirror NW)

图5 断层露头a1点地质剖面图Fig.5 Geological profile of a1 point of fault outcrop

a2露头点如图6、7所示，沟谷内路边陡壁，陡壁高约5 m，出露一断裂带，由2条断层f1(西北条，露头a2-1)、f2(东南条，露头a2-2)组成，间距30 m。断层f1产状下部150°∠66°，上部缓，倾角约为50°，倾斜滑距2.1 m,垂直断距1.4 m；f2产状158°∠77°，倾斜滑距2.2 m,垂直断距1.9 m。断层断至地表，断面平直，错断第四系全新统地层。地层从上至下依次划分为：耕植土，褐黄色，质疏松，含草根，厚约0.2～0.5 m；含角石粉土，褐黄色，质疏松，角石约占5%～10%，粒径1～3 cm，棱角状，片麻岩成分，层理不清；粉土，褐黄色，质疏松，含角砾，片麻岩成分；碎石，由6层组成，每层厚0.1～0.3 m,层间距0.2～0.4 m,碎石粒径1～5 cm,棱角状，片麻岩成分，地层稳定，呈近水平状分布；粉砂土，褐黄色，质疏松、均匀，具孔隙，无层理，含零星碎石，粒径0.5～1 cm,棱角状，片麻岩成分；碎石，厚度0.4～0.7 m，粒径0.5～3 cm,大可见6 cm，棱角状，片麻岩成分，水平状分布；粉砂土，褐黄色，质疏松，具孔隙，含零星角砾，粒径0.2～0.5 cm，棱角状，片麻岩成分。为确定断层活动时代及地层沉降速率，在a2露头点陡坎下部f1、f2两侧近断层处同一高度各取两个光释光样，f1两侧样编号为osl-3(上盘)、osl-4(下盘)；f2两侧样编号为osl-1(上盘)、osl-2(下盘)。osl-1、osl-2、osl-3、osl-4光释光年龄测试结果分别为(27.5±3.0) ka、(27.8±2.3) ka、(20.3±2.7) ka、(37.3±3.6) ka。样品光释光年龄测试由南京师范大学地理科学学院完成。

图6 断层露头a2点(镜向N)Fig.6 a2 point of fault outcrop (mirror N)

图7 断层露头a2点地质剖面图Fig.7 Geological profile of a2 point of fault outcrop

2 钻孔勘察

在野外地质调查工作的基础上，为了解场地地层结构、查明断裂位置、活动性及断裂展布特征，在研究区近南北向布置了5个钻孔DZK1-DZK5,孔间距分别约240 m、143 m、190 m、225 m，孔深皆为65 m，基岩埋深分别为14.1 m、16.8 m、34.2 m、31.2 m、55.6 m。钻孔涉及全新统—上更新统粉土、角砾及下伏太古界片麻岩地层，基岩山体剥蚀后退400～600 m。为对比地层，根据钻孔编制了钻孔地质剖面AA′(见图8)。

图8 联合钻孔AA’线地质剖面图Fig.8 Geological profile of AA 'line of combined borehole

通过对研究区地质调查、钻孔勘察进行综合分析，发现基岩出露区边线向东南至断层线间地面呈缓状向山前倾斜，地面坡角约介于4°～6°，平均坡降为95/1 000。DZK1-DZK5间基底似坡角介于1°～9°，平均倾角为5°，平均坡降为83/1 000，地面坡角和基底似坡角近于一致，基岩出露区与出露断裂间范围内无隐伏活动断裂存在。

3 结论与讨论

此次确定的断点位于盆地侧，地表无明显陡坎，断裂位置位于前人确定的位置东南约360～500 m处，与山体后退距离相近。这是由于断层活动形成断层崖后，在外力长期剥蚀下，断块山地被侵蚀降低，断层崖被侵蚀形成断层三角面，断层三角面形成缓缓的山坡，山边线向山地方向后退并和断层线有一定的距离[9]。

通过地质调查、联合钻孔勘察、断层露头剖面实测、光释光年龄测试等综合手段对口泉断裂郊城段准确位置、断裂展布特征和活动性进行详细研究，可得到如下认识：

(1) 口泉断裂带由2条断层f1、f2组成。f1位于山区侧，断距1.4 m；f2位于盆地侧，断距1.9 m；呈阶梯状正断层，间距30 m，断裂带具有阶梯状几何结构特征。断层错断第四系全新统—上更新统冲洪积层，为全新世活动断裂。两断层为同期黏滑形成，反映第四纪全新世以来断裂有过明显错动。

(2) 断裂出露处地貌上无明显陡坎，山前地面、基底面呈缓倾斜下降，地面平均坡角约5°。断层与山体区距离约400～600 m,其间都上覆第四系冲洪积松散层，为正断层形成后基岩区抬升、盆地区下降，基岩剥蚀、后退，冲洪积、风积堆积而成，20.3～27.8 ka期间冲洪积地层沉积速率约0.17 mm/a。

(3) 山前断层位置确定应根据出露岩性、地质时代及断裂形成年代、活动强度等结合地貌、钻孔岩性、断层露头等综合确定。与前人在此段研究成果相比，此次研究中确定的断裂活动时代同为第四纪全新世，断距与最近的鹅毛口探槽断距1.8 m、发生于7.71～17.59 Ka的地震事件研究结果相近。

a1露头出露1条断层，断距1.4m，发育崩积楔，为黏滑所致。由于陡坎未向东南延伸未出露另一条断层；a2露头出露两条断层，即a2-1露头f1、a2-2露头f2,两断层呈平行阶梯状，间距30 m，f1断距1.4 m,f2断距1.9 m,两断层最新错断为第四系全新统同时代地层，上、下盘同期地层厚度近于一致，推测为黏滑所致。断层错断耕植土，为断层蠕动所致。a1、a2-1露头断距皆为1.4 m,为同一条断层。根据a2露头f1、f2两断层间同盘osl-2、osl-3样年龄计算出20.3～27.8 ka期间，地层沉积速率约0.17 mm/a。

基岩为太古界五台群片麻岩，中等变质，变质年龄为20.5亿年[10]，形成后受多期构造旋回的影响及风化、剥蚀。喜山运动晚期晚第三纪时期，由于区域应力场发生改变，山西断隆中部沿燕山期逆断裂发生解体，转为正倾滑运动为主的断陷沉降，形成统一的汾渭断陷带[11]。晚第三纪后，由于基岩区抬升、盆地区下降，基岩剥蚀加剧，山体后退，且距离达到400～600 m，在交城断裂晋源姚村段、交城县城段[12]均显示出断裂形成后山体的后退现象。

感谢张世民研究员对文章提出的修改意见与建议！