吕梁隆起中段冲断构造解析*

石 婧

（中国地质大学（北京）能源学院 北京 100083）

吕梁—太行山隆起带是山西省的主体组成部分，包括有吕梁山、恒山、五台山、太行山之间的广大区域，构成一个以隆升作用为主的陆内造山带（山西省地质矿产局，1989）。吕梁山位于华北克拉通中部，西以离石大断裂与鄂尔多斯盆地沉降带为界，北为大同—灵丘火山沉积盆地，南为中条山隆升带，东与五台山—恒山穹状隆起、沁水盆地沉降带、太行山隆升带相邻（山西省地质矿产局，1989）。吕梁隆起带部位多为山脊，而晋西挠褶带、宁武向斜西翼及交城单斜主要分布在山腰处（李建星等，2015）。张北航等（2021）认为吕梁隆起的形成代表了华北克拉通在晚侏罗世—早白垩世的挤压变形事件；Zhao et al.（2016）则认为吕梁山脉地区中部和北部的隆起时间早于南部。本文研究区位于吕梁隆起南部，主要基于野外地质调查和1∶200 000 离石幅地质资料（山西省地质局，1972①山西省地质局.1972.1∶200 000 离石幅地质资料.），建立吕梁隆起中段核部东西向构造地质剖面，分析其地层特征和构造样式，运用2D-Move、FaultFold 软件进行构造演化的反演与正演模拟，结合区域地质背景，对吕梁隆起中段核部构造变形进行定量分析，为之后研究吕梁隆起的陆内构造变形，以及矿产资源勘探提供参考和新思路。

1 地质背景

吕梁隆起位于山西地块的西部，其山脉走势呈NNE-SSW 向展布（杨浩，2016），其西部与鄂尔多斯盆地的一级构造单元晋西挠褶带相呼应，东接汾渭地堑，南北向的离石大断裂贯穿整个吕梁隆起。离石大断裂在中生代的燕山运动处于剧烈活动期（贾维花，2005），构造变形多样、多期次发育。本次研究区位于吕梁隆起中段核部，具体位于离石市东南方向约12 km 的吴城镇白马仙洞一带（图1，图2）。

图1 吕梁隆起白马仙洞地区位置图（a）和白马仙洞地区地层综合柱状图（b）Fig.1 Location map of Baimaxiandong area of Lüliang Uplift（a）and stratigraphic column of the Baimaxiandong area（b）

图2 白马仙洞地区地质简图（a；据山西省地质局，2020②山西省地质局.2020.白马仙洞地区地质简图.）和白马仙洞地区东西向构造地质剖面图（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）

该区地层主要为太古代、元古代与古生代地层（图1b）。剖面AB 位置见图2a，方向为东西向，分析平面地质图以及地质剖面图（图2b）可以看出其构造样式为前展式断裂构造样式，即背驮式的叠瓦状构造，逆冲断层向东侧扩展。西侧地层逐渐水平，且大多被第四系覆盖，褶皱样式自西向东发育为背斜—向斜—背斜—向斜，均为不对称褶皱，最高海拔在1 250～1 500 m 之间，两个背斜中都发育有出露到地表的高陡逆断层F1、F2，断层角度大约为70°。背斜均具有西翼缓东翼陡的特点，中间向斜具西翼陡而东翼缓的特点，为典型的断层传播褶皱；东侧基底发育断层F3，上覆向斜一翼水平，另一翼较缓，形成断层转折褶皱。下文主要围绕吕梁隆起中段核部的白马仙洞的构造地质剖面进行分析。

2 卷入变形的地层特征

根据野外露头观察和地质图，研究区自下而上发育的地层有：太古界混合花岗岩，古元古界界河口群，中元古界霍山砂岩，寒武系徐庄组、张夏组、三山子组，奥陶系冶里组、亮甲山组、下马家沟组、上马家沟组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组以及新生代的第四系沉积物。

（1）古元古界

两个背斜核部均出露有古元古界界河口群变质岩，岩性为黑云角闪片麻岩、变质砾岩。界河口岩群是吕梁地区变质程度最深的岩石，经过多期复杂的变形、变质作用的强烈改造（杨崇辉等，2018）。

（2）中元古界

通过研究区野外地质观测，在吴城镇白马仙洞还发现有厚度较小的霍山砂岩（地质图中未填出），代表山西中部地区中元古代的强烈古地理变迁（肖恩照等，2017），岩性为紫红色、黄褐色石英砂岩（图3a），硬度大，产状为90°∠42°。研究区未见元古界野山鸡群、汉高山组以及下寒武统，中寒武统徐庄组直接覆盖在霍山砂岩之上，与下伏地层形成平行不整合面。

（3）寒武系

该区在寒武纪中晚期接受沉积（Meng et al.，1997），中寒武统徐庄组底界发育不整合面，以平行不整合或低角度不整合的形式覆盖于前寒武纪变质岩基底或中元古代霍山砂岩之上，其岩性为中薄层紫红色泥岩夹灰绿色泥岩（图3b）。中寒武统张夏组为深灰色薄层状的鲕粒灰岩（图3c），产状为75°∠50°，沉积于水体浅、干净，生物碎屑发育的低能环境，整合覆盖在徐庄组之上。上寒武统地质图上未细分，野外观测到三山子组的岩性为浅灰色、灰褐色薄层灰岩，夹薄层泥岩（图3d），产状为75°∠65°，整合覆盖在张夏组之上。

（4）奥陶系

下奥陶统整合覆盖在上寒武统三山子组之上，地质图中未细分，野外观测到有冶里组、亮甲山组。冶里组岩性为浅灰绿色泥岩、粉砂岩和紫褐色粉砂岩，可见紫褐色粉砂岩中含灰绿色砾石（图3e），产状为79°∠70°，可能为风暴浪沉积。亮甲山组岩性为块状灰黑色灰岩（图3f），产状为74°∠63°。野外观测到下奥陶统有构造楔发育（图3g），地层发生弯曲、直立、甚至倒转，其中断层发育，构造楔位于断层的下盘，沿着断层面向上进入地层，岩性为灰色薄层灰岩。中奥陶统下马家沟组岩性底部为灰绿色页岩，上部为深灰色中厚层灰岩（图3h），产状为267°∠35°。上马家沟组位于向斜核部，根据岩性将其分为一段、二段，一段岩性底部为泥质灰岩，上部为薄层—中厚层深灰色灰岩，二段岩性底部为泥灰岩，中部为浅灰色薄层灰岩夹泥灰岩，顶部为白云质灰岩（图3i），产状为81°∠12°和230°∠12°。研究区无志留系、泥盆系沉积，沉积的石炭系、二叠系由于构造隆升被剥蚀，在研究区西侧有零星出露。新生代的第四系灰黄色、黄褐色的砂砾石层和粘土沉积物直接覆盖在奥陶系、寒武系、石炭系和二叠系之上。

图3 白马仙洞地区野外露头照片Fig.3 Field photographs of outcrop in Baimaxiandong area

3 构造演化

图2b 剖面位于吕梁隆起核部，基底发育有滑脱面，之上发育两条呈叠瓦状的高陡逆冲断层，断层角度约为70°，背斜褶皱均具有前翼陡、后翼缓的特征，为典型的断层传播褶皱。现今剖面长度为20.59 km，西侧断层F1 上盘地层为古元古界界河口群、中-上寒武统、下-中奥陶统、中-上石炭统、下-上二叠统，中寒武统以角度不整合覆盖在界河口群之上，断层下盘地层为古元古界界河口群、中-上寒武统、下奥陶统；断层F2 上盘地层为古元古界界河口群、中-上寒武统、下奥陶统，中寒武统以角度不整合覆盖在界河口群之上，断层下盘地层为太古界混合花岗岩、中-上寒武统、下奥陶统，地层产状接近水平，大部分地层被第四系覆盖，中寒武统以角度不整合覆盖在太古界混合花岗岩之上；断层F3 为基底断层，与断层F2 共同控制上覆地层太古界混合花岗岩、中-上寒武统、下奥陶统，形成断坪—断坡—断坪式构造样式。

通过2D-move、FaultFold 软件对其进行反演和正演模拟，建立了如图4、图5 所示的构造反演与正演剖面。基于断层相关褶皱原理以及原始剖面，正演模拟设置了一条滑脱面以及3 条逆断层，具体参数设置如下：断层F1 有两段断坡，设置的角度为12°、70°，断层F2 也有两段断坡，设置的角度为22°、70°，断层F3 设置的角度为29°。设置的地层厚度均为30 m，三角剪切角度为45°，断层传播距离与滑移距离的比值即P/S 值设置为4，总滑移量设置为50 m，所得正演模拟结果如图5 所示，与原始剖面大致吻合。接下来将对其构造演化阶段进行探讨分析。

图4 白马仙洞东西向2-D Move 构造演化剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of E-W-trending 2-D Move structural evolution profile of Baimaxiandong area

图5 白马仙洞东西向FaultFold 正演模拟剖面示意图Fig.5 Schematic diagram of E-W-trending FaultFold forward modeling profile of Baimaxiandong area

3.1 燕山期之前构造阶段

新太古代—古元古代时期，华北克拉通先后发生了～2.5 Ga 和1.98～1.80 Ga 两次大规模的构造变质事件。其中，～2.5 Ga 的构造热事件在全球早前寒武纪地质历史上占据重要地位，期间发生了大规模的岩浆作用伴随强烈变质作用（肖玲玲等，2021）。研究区中部出露有古元古界的界河口群变质杂岩，在构造环境方面，一部分学者认为界河口群岩石主体形成于被动大陆边缘（李江海等，1999；万渝生等，2000），另有学者认为其形成于活动大陆边缘环境（刘树文等，2009），还有学者根据岩性认为其形成于活动大陆边缘的岛弧构造环境（肖玲玲等，2021）。研究区东侧有太古界混合花岗岩，与西侧界河口群呈不整合接触。中元古代研究区开始伸展，接受海相沉积，变质岩基底之上形成砂质海滩，在波浪的长期作用下，形成了分选性和磨圆度较好的霍山砂岩；其后的元古代时期处于无沉积作用期。早寒武世初期，吕梁地区位于构造高部位，处于古陆状态，因此研究区缺失早寒武世早中期的沉积。早寒武世晚期馒头组沉积期海侵进一步向北（东）发展（张抗，1981），华北克拉通整体下沉接受沉积。中寒武世，随着海平面的上升，海侵范围进一步扩大，之后持续沉积徐庄组、张夏组、三山子组，代表华北地台碳酸盐台地从发展阶段向成熟阶段的转变（梅冥相等，1997）。寒武纪，吕梁隆起区总体沉积的地层厚度相对较小。早奥陶世冶里组—亮甲山组沉积时期，由于轻微的海侵作用，吕梁隆起被淹没形成水下古隆起，沉积了较薄的冶里组以及亮甲山组。到了马家沟组沉积期海侵范围再次扩大，大规模的海侵让吕梁水下隆起持续接受沉积，沉积大套的碳酸盐岩。经历过加里东中期运动改造后，吕梁隆起核部缺失志留系、泥盆系沉积，晚石炭世—二叠纪再次接受沉积，石炭系直接覆盖在奥陶系之上，形成平行不整合接触，并且沉积的厚度较小。三叠系及之后的地层由于吕梁隆起的逐渐形成，被剥蚀殆尽，研究区未见保留。

3.2 燕山期早期

燕山期早期，研究区受到来自东侧应力的挤压作用，在基底中产生了一个滑脱面，其上的地层沿滑脱面向东滑动，与之后形成的断层F1、F2、F3 共同控制吕梁隆起核部的构造形成，这一作用一直持续到燕山期晚期。由于强烈的东西向挤压应力在滑脱面之上发育了两条倾向向西的逆断层，F1 断层比F2 断层更缓，此时断层F1 倾角约为12°，F2 倾角约为22°。受到基底断层F1、F2 的控制，上覆地层形成断层传播褶皱，基底发生滑脱使上覆地层卷入变形。在这期变形中地层缩短量约为1.09 km，缩短率为4.6%，处于快速隆升阶段。

3.3 燕山期中期

燕山期中期，F1、F2 逆断层持续活动，断层的倾角逐渐变陡，断层向上破裂到石炭系。其中断层两侧石炭系以及之下的地层沿断层面发生滑动。在这期变形中地层缩短量为0.59 km，缩短率为2.5%，此时处于慢速隆升阶段。

3.4 燕山期晚期

燕山期晚期，F1、F2 断层向上持续突破，断穿所有地层，后期由于剥蚀作用出露到地表。断层倾角变得更陡，约为70°。受到强挤压应力影响，地层持续抬升，在东侧产生一新的断层F3，上覆地层以及基底太古界花岗岩卷入受到抬升作用，形成断层转折褶皱，变形强烈。这期变形持续至今，地层缩短量为1.49 km，缩短率为6.3%，处于快速隆升阶段。

3.5 现今

自燕山期晚期以来，吕梁隆起一直处于挤压环境之下，逆冲断层持续活动，石炭系、二叠系由于构造抬升被剥蚀，仅在西侧有零星出露，三叠系也因隆升无沉积记录。最终吕梁隆起核部由于风化剥蚀作用，剥蚀、剥露形成现今构造格局，背斜核部界河口群逐渐出露。除背斜外，东西侧第四系沉积物覆盖在大部分地层之上。

从燕山期早期受到强烈挤压应力到现今，地层总缩短量为3.17 km，总缩短率为13.4%。

4 讨 论

对白马仙洞剖面的3 条主控逆断层分别进行2D-Move 与FaultFold 几何学反演与正演模拟，结果表明，白马仙洞的构造样式主要由3 条逆断层共同控制，3 条逆断层相交于基底界面以下同一滑脱面。最终形成的构造样式为两个断层传播褶皱和一个断层转折褶皱。断层传播褶皱形成于断层的端点，并且吸收了断层的滑移量，属于基底卷入型的断层传播褶皱，前后翼不对称，前翼陡，后翼缓，变形前后岩层厚度不变，并且断层突破到地表，截断所有地层。断层转折褶皱发育在断层斜坡上方，背斜轴面与向斜轴面平行。

结合区域地质背景，认为吕梁隆起中段核部构造发生在燕山期，即晚侏罗世—早白垩世。燕山运动为侏罗纪、白垩纪期间广泛发育于中国境内的重要构造运动，主要表现为褶皱、断裂活动、岩浆喷发侵入活动及部分地带的变质作用（地球科学大辞典编委会，2006）。燕山期华北克拉通受到强烈的北东向挤压应力，随后岩浆大规模侵入，对岩石圈造成破坏，燕山运动在研究区域内活动强烈，构造主要由逆冲断层组成，不仅对区内的地层分布具有一定的控制作用，而且对与岩体有关的以铁为主的矿床的形成与分布也有控制意义。

5 结 论

（1）吕梁隆起核部在燕山期受到强烈的东西向挤压应力发生3 期断裂活动与隆升作用。早期在基底产生一滑脱面，上覆地层沿滑脱面向东滑动，滑脱面之上发育了两条倾向向西的逆断层F1、F2，倾角较缓，受到基底断层F1、F2 的控制，上覆地层形成断层传播褶皱，基底发生滑脱卷入，此时处于快速隆升阶段。燕山期中期F1、F2 逆断层持续活动，断层的倾角变陡，向上破裂到石炭系，此时处于慢速隆升阶段。燕山期晚期F1、F2 断层持续向上突破所有地层，倾角变得更陡，约为70°，东侧新产生一断层F3，上覆地层以及基底太古界花岗岩卷入受到抬升作用，地层形成断层转折褶皱，处于快速隆升阶段。

（2）燕山期变形持续至今，地层总缩短量为3.17 km，总缩短率为13.4%。指示陆内强烈的挤压变形特征。

（3）现今吕梁隆起核部构造由于风化剥蚀作用，最终形成现今构造格局，背斜核部出露界河口群变质岩以及太古界混合花岗岩，除构造高部位之外，大部分地层被第四系沉积物覆盖。