呂梁隆起中段沖斷構(gòu)造解析*

石 婧

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)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(gòu)成一個以隆升作用為主的陸內(nèi)造山帶（山西省地質(zhì)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(zhì)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(rèn)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(rèn)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(zhì)調(diào)查和1∶200 000 離石幅地質(zhì)資料（山西省地質(zhì)局，1972①山西省地質(zhì)局.1972.1∶200 000 離石幅地質(zhì)資料.），建立呂梁隆起中段核部東西向構(gòu)造地質(zhì)剖面，分析其地層特征和構(gòu)造樣式，運(yùn)用2D-Move、FaultFold 軟件進(jìn)行構(gòu)造演化的反演與正演模擬，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，對呂梁隆起中段核部構(gòu)造變形進(jìn)行定量分析，為之后研究呂梁隆起的陸內(nèi)構(gòu)造變形，以及礦產(chǎn)資源勘探提供參考和新思路。

1 地質(zhì)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(gòu)造單元晉西撓褶帶相呼應(yīng)，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(yùn)動處于劇烈活動期（賈維花，2005），構(gòu)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(zhì)簡圖（a；據(jù)山西省地質(zhì)局，2020②山西省地質(zhì)局.2020.白馬仙洞地區(qū)地質(zhì)簡圖.）和白馬仙洞地區(qū)東西向構(gòu)造地質(zhì)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(zhì)圖以及地質(zhì)剖面圖（圖2b）可以看出其構(gòu)造樣式為前展式斷裂構(gòu)造樣式，即背馱式的疊瓦狀構(gòu)造，逆沖斷層向東側(cè)擴(kuò)展。西側(cè)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(diǎn)，中間向斜具西翼陡而東翼緩的特點(diǎn)，為典型的斷層傳播褶皺；東側(cè)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(zhuǎn)折褶皺。下文主要圍繞呂梁隆起中段核部的白馬仙洞的構(gòu)造地質(zhì)剖面進(jìn)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(zhì)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(zhì)巖，巖性為黑云角閃片麻巖、變質(zhì)礫巖。界河口巖群是呂梁地區(qū)變質(zhì)程度最深的巖石，經(jīng)過多期復(fù)雜的變形、變質(zhì)作用的強(qiáng)烈改造（楊崇輝等，2018）。

（2）中元古界

通過研究區(qū)野外地質(zhì)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(zhì)圖中未填出），代表山西中部地區(qū)中元古代的強(qiáng)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(jì)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(jì)變質(zhì)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?；?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(zhì)圖上未細(xì)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(zhì)圖中未細(xì)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(fēng)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(gòu)造楔發(fā)育（圖3g），地層發(fā)生彎曲、直立、甚至倒轉(zhuǎn)，其中斷層發(fā)育，構(gòu)造楔位于斷層的下盤，沿著斷層面向上進(jìn)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(zhì)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(zhì)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(gòu)造隆升被剝蝕，在研究區(qū)西側(cè)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(gòu)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(cè)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(gòu)造樣式。

通過2D-move、FaultFold 軟件對其進(jìn)行反演和正演模擬，建立了如圖4、圖5 所示的構(gòu)造反演與正演剖面?；跀鄬酉嚓P(guān)褶皺原理以及原始剖面，正演模擬設(shè)置了一條滑脫面以及3 條逆斷層，具體參數(shù)設(shè)置如下：斷層F1 有兩段斷坡，設(shè)置的角度為12°、70°，斷層F2 也有兩段斷坡，設(shè)置的角度為22°、70°，斷層F3 設(shè)置的角度為29°。設(shè)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(shè)置為4，總滑移量設(shè)置為50 m，所得正演模擬結(jié)果如圖5 所示，與原始剖面大致吻合。接下來將對其構(gòu)造演化階段進(jìn)行探討分析。

圖4 白馬仙洞東西向2-D Move 構(gòu)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(gòu)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(gòu)造變質(zhì)事件。其中，～2.5 Ga 的構(gòu)造熱事件在全球早前寒武紀(jì)地質(zhì)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(qiáng)烈變質(zhì)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(zhì)雜巖，在構(gòu)造環(huán)境方面，一部分學(xué)者認(rèn)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(xué)者認(rèn)為其形成于活動大陸邊緣環(huán)境（劉樹文等，2009），還有學(xué)者根據(jù)巖性認(rèn)為其形成于活動大陸邊緣的島弧構(gòu)造環(huán)境（肖玲玲等，2021）。研究區(qū)東側(cè)有太古界混合花崗巖，與西側(cè)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(zhì)巖基底之上形成砂質(zhì)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(gòu)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(jìn)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(jìn)一步擴(kuò)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(zhuǎn)變（梅冥相等，1997）。寒武紀(jì)，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(kuò)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(yùn)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(jì)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(cè)應(yīng)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(gòu)造形成，這一作用一直持續(xù)到燕山期晚期。由于強(qiáng)烈的東西向擠壓應(yīng)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(cè)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(qiáng)擠壓應(yīng)力影響，地層持續(xù)抬升，在東側(cè)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(zhuǎn)折褶皺，變形強(qiáng)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(gòu)造抬升被剝蝕，僅在西側(cè)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(fēng)化剝蝕作用，剝蝕、剝露形成現(xiàn)今構(gòu)造格局，背斜核部界河口群逐漸出露。除背斜外，東西側(cè)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(qiáng)烈擠壓應(yīng)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(jìn)行2D-Move 與FaultFold 幾何學(xué)反演與正演模擬，結(jié)果表明，白馬仙洞的構(gòu)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(gòu)造樣式為兩個斷層傳播褶皺和一個斷層轉(zhuǎn)折褶皺。斷層傳播褶皺形成于斷層的端點(diǎn)，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(zhuǎn)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(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，認(rèn)為呂梁隆起中段核部構(gòu)造發(fā)生在燕山期，即晚侏羅世—早白堊世。燕山運(yùn)動為侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)期間廣泛發(fā)育于中國境內(nèi)的重要構(gòu)造運(yùn)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(zhì)作用（地球科學(xué)大辭典編委會，2006）。燕山期華北克拉通受到強(qiáng)烈的北東向擠壓應(yīng)力，隨后巖漿大規(guī)模侵入，對巖石圈造成破壞，燕山運(yùn)動在研究區(qū)域內(nèi)活動強(qiáng)烈，構(gòu)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(guān)的以鐵為主的礦床的形成與分布也有控制意義。

5 結(jié) 論

（1）呂梁隆起核部在燕山期受到強(qiáng)烈的東西向擠壓應(yīng)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(cè)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(zhuǎn)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(qiáng)烈的擠壓變形特征。

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