夏縣段中條山北麓黃土地層的形成與變化

夏縣段中條山北麓黃土地層的形成與變化

山西省運(yùn)城盆地東側(cè)和南部的邊界斷裂。早期研究表明,中條山北麓斷裂東段(夏縣段)和西段在全新世無活動(dòng),中段可能為全新世活動(dòng)斷層。最近研究發(fā)現(xiàn),中條山北麓斷裂中段洪積扇上發(fā)育斷層陡坎,確定了在距今7000多年有一次活動(dòng)。近年來,通過在中條山北麓斷裂夏縣段開展的沖溝階地面變形測(cè)量與斷層探槽研究,發(fā)現(xiàn)中條山斷裂東段有全新世活動(dòng)的跡象。本文重點(diǎn)討論中條山斷裂夏縣段新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其地貌表現(xiàn)。1中條山東北部斷塊山帶山西地塹系分布于鄂爾多斯斷塊東緣南緣,由一系列NE或近NE向斷陷盆地構(gòu)成。運(yùn)城盆地在燕山運(yùn)動(dòng)后到第三紀(jì)初期以前一直處于相對(duì)穩(wěn)定的階段,在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響下,晚新生代以來發(fā)生了強(qiáng)烈的斷裂活動(dòng),盆地下陷并開始接受深厚沉積。地震勘探資料揭示盆地新生界厚度達(dá)5000m以上,鉆孔古地磁研究表明第四系厚度在400m以上,為南深北淺的半地塹式盆地?？拷袟l山的區(qū)域是盆地下沉最強(qiáng)烈的地區(qū),目前仍發(fā)育湖泊洼地。中條山出露太古界變質(zhì)巖系,上覆的寒武系到二疊系構(gòu)成了向南和向東掀斜的斷塊山地(圖1),高出運(yùn)城盆地1500m以上,山地北坡陡峻,斷層三角面發(fā)育。中條山北麓斷裂由東北向西南,斷層走向由北東向變?yōu)楸睎|東向再變?yōu)楸睎|向,主斷層面傾向北西和北北西,傾角為60°~80°,是正斷層性質(zhì)的斷裂帶,全長(zhǎng)約130km。以西姚溫和磨河村為界,中條山北麓斷裂可以被分為西段(韓陽段)、中段(解州段)和東段(夏縣段)(圖1)。其中西段走向?yàn)镹E,長(zhǎng)約20km;中段走向?yàn)镹EE,長(zhǎng)約80km;東段走向?yàn)镹E,長(zhǎng)約30km。山西地塹系有史以來發(fā)生了3次8級(jí)以上地震。運(yùn)城盆地歷史地震是公元793年永濟(jì)6級(jí)地震和1642年硝池一帶的6級(jí)地震。2斷裂帶的外觀表現(xiàn)2.1張店橋口添加型斷系中條山斷裂東段上升盤發(fā)育構(gòu)造臺(tái)地。臺(tái)地在南部較寬,寬度大于10km,向南穿過張店一帶的中條山埡口,與三門峽盆地的高臺(tái)地相連。向北寬度逐漸變小,至酒務(wù)頭以北消失。臺(tái)地受到流水作用強(qiáng)烈侵蝕,臺(tái)面破碎,有些地方呈高度相近的丘陵。從切過臺(tái)地的地形剖面線可見(圖2),臺(tái)面海拔高度1000~700m,向運(yùn)城盆地傾斜,臺(tái)地前緣高出運(yùn)城盆地約300m。高臺(tái)地由基巖及上覆的上新世礫石層構(gòu)成,在張店埡口臺(tái)地上覆蓋厚度大于80m的黃土(圖3)。由于強(qiáng)烈的侵蝕作用,多處見礫石僅保留于丘陵的頂部。地貌結(jié)構(gòu)反映臺(tái)地為中條山西北麓的山麓剝蝕面,后因中條山西北麓斷裂的活動(dòng),逐漸抬升至現(xiàn)有高度。臺(tái)地上礫石層中夾有桔紅色粘土層,性狀與鄰近地區(qū)三趾馬紅土相近。在平陸縣望原村,見石炭系砂巖上覆蓋2m厚礫石層,地貌部位相當(dāng)于上述古山麓剝蝕面,海拔高度674m。其上覆蓋100m厚的黃土古土壤沉積(圖4C)。古地磁研究表明,礫石層以上地層開始堆積于2.4MaBP,據(jù)此推斷臺(tái)地形成于新近紀(jì)晚期。鉆孔揭示,運(yùn)城鹽湖東端新近紀(jì)晚期以來的地層厚度大于600m,距今約2.4Ma的M/G界線位于地面以下400m處(圖4B)。根據(jù)臺(tái)地前緣高出盆地300m,得到中條山北麓斷裂第四紀(jì)以來的垂直斷距約700m。估算出中條山北麓斷裂距今2.4Ma以來的平均垂直活動(dòng)速率為0.29mm/a。2.2斷層錯(cuò)斷二級(jí)階地的垂直變化斷層切割臺(tái)地的沖溝,沖溝中發(fā)育的三級(jí)以上階地屬于上升盤,下降盤沖溝兩側(cè)發(fā)育兩級(jí)階地,與上升盤的兩級(jí)低階地對(duì)應(yīng)。中條山斷裂將二級(jí)以上階地錯(cuò)斷,形成了斷層陡坎。在下渰底溝口,用差分GPS測(cè)量了斷層錯(cuò)斷二級(jí)階地的地形剖面(圖5),得到陡坎的高度為7m。在該階地剖面礫石層頂部,采集到炭屑,其14C年齡為CalBP24870~24500(表1)。推測(cè)二級(jí)階地形成于末次冰期極盛期(MIS2階段),一般認(rèn)為與末次冰期極盛期對(duì)應(yīng)的氣候階地形成于距今約1.4萬年以后,由此推測(cè)斷層的活動(dòng)速率約為0.5mm/a。若以14C年齡為CalBP24870~24500估算,得到斷層的垂直活動(dòng)速率為0.28~0.29mm/a。3tf-q1斷層下降盤在夏縣下渰底溝口沖溝二級(jí)階地?cái)鄬佣缚蔡?通過切坡和向下挖掘,獲得了長(zhǎng)11m、深8m的探槽剖面,揭示了斷層和斷層兩側(cè)的地層單元。(1)黃色粉砂,中部夾一層厚5cm粗砂層。厚度2m不見底;(2)底部灰色礫石層,棱角狀,分選差,上部含礫石砂層,水平層理;厚1m;(3)黃色礫石層,底部礫石較小,個(gè)別礫石粒徑接近10cm,其他礫石粒徑小于3cm。中部礫石粗大,多數(shù)礫石粒徑大于10cm。頂部礫石粒徑多小于5cm,夾雜少量粒徑近10cm礫石,厚1m;(4)黃色粉砂,厚度0.8m;(9)黃色細(xì)砂礫層,厚度0.7m;(10)黃色粉砂,厚度2m,土層的頂部為地表土壤;(11)褐黃色粉砂層,厚1.7m不見底。該層頂部?jī)蓚€(gè)炭屑的14C年齡分別為CalBP30950~30400和CalBP24870~24500。(12)楔狀砂礫石堆積,靠近F1斷層厚度2m,離開斷層4m處尖滅。下部礫石粗大,上部礫石較小。該層被F2斷層錯(cuò)斷,斷距約60cm。(13)黃色粉砂層,厚度0.5m;該層被F2斷層錯(cuò)斷,斷距約60cm;(14)黃褐色粉砂,頂部顏色較深,向下顏色變淺。F2斷層下降盤厚度較大,約為2m。該層底部一個(gè)炭屑樣品的14C年齡為CalBP4820~4570、CalBP4540~4530;(15)黃色粉砂,厚30cm;(16)黃褐色粉砂,頂部顏色較深,向下顏色變淺,厚1m;(17)黃色砂礫石,礫石呈棱角裝,無分選,無層理,呈上大下小的楔形,寬1.2m,向下深1.8m處尖滅,東側(cè)為F1斷層面,靠近斷層有礫石平行斷層排列,西側(cè)為向東傾的不平整面;(18)淺黃色粉砂,厚1.5m;底部有墓穴,其中一墓穴中出土裝有五銖錢的陶罐;(20)早期墓穴內(nèi)堆積;(21)灰色灰燼層,14C年齡為CalBP690~660,為晚期墓穴底;(22)棕色泥土層,水平層理,為晚期墓穴內(nèi)進(jìn)水后的沉積物,厚約3cm。該層被F斷層錯(cuò)斷25cm;(23)淺黃色粉砂層,厚約2m。上述剖面中,F1斷層斷到地表,但兩盤的地層無法對(duì)比,表明斷層長(zhǎng)期以來有活動(dòng),但無法確定總斷距。斷層下降盤的12層為斷層崩積楔,代表一次斷層活動(dòng)事件。在該崩積楔下伏地層頂部,兩個(gè)炭屑的14C年齡分別為CalBP30950~30400和CalBP24870~24500,推斷這次斷層活動(dòng)事件發(fā)生在距今2萬年以后。該崩積楔被黃土及埋藏土壤覆蓋。若埋藏土形成于全新世大暖期,可以推斷這次事件發(fā)生在距今8000年以前。由崩塌楔厚度約2m,推斷斷層垂直斷距大于等于2m。F2斷層將上述崩積楔和上覆的黃土錯(cuò)斷,斷層終止于下部埋藏土(14)中。在層14中一個(gè)炭屑樣品的14C年齡為CalBP4820~4570、CalBP4540~4530。根據(jù)樣品位置與斷層終止點(diǎn)的位置判斷,斷層活動(dòng)時(shí)間在下部埋藏土堆積與發(fā)育過程中,接近CalBP4820~4530。這次斷層活動(dòng)垂直斷距為60cm。在上部埋藏土(16)形成以后,F1斷層又經(jīng)過一次活動(dòng),斷層上升盤的礫石塌落進(jìn)斷層頂部的拉張裂隙形成構(gòu)造充填楔(17)。雖然構(gòu)造充填楔頂部見墓穴堆積,說明構(gòu)造充填楔經(jīng)過人工改造,但根據(jù)斷層上升盤頂部礫石層(9)的高度應(yīng)高于充填楔頂?shù)母叨扰袛?斷層活動(dòng)早于第18層黃土的堆積。上部埋藏土(16)為剖面上最新的埋藏土,應(yīng)為全新世大暖期的產(chǎn)物,根據(jù)全新世氣候變化規(guī)律和前人研究成果,推斷這層埋藏土形成于距今310年前。據(jù)此,我們推斷這次斷層活動(dòng)的時(shí)間應(yīng)在距今3100年左右。F1斷層最新活動(dòng)造成了墓穴底和墓穴中靜水沉積層垂直錯(cuò)斷25cm。剖面揭示,有兩期墓穴,晚期的墓穴切割了早期的墓穴堆積,斷層活動(dòng)將晚期的墓穴錯(cuò)斷。晚期墓穴底部的灰燼14C年齡為CalBP690~660。指示在距今720年以后斷層有一次活動(dòng),垂直斷距為25cm。距今700年以來,運(yùn)城盆地在1642年發(fā)生過一次6級(jí)地震,根據(jù)文獻(xiàn)記載推斷震中可能在硝池一帶,斷層的活動(dòng)可能和這次地震有關(guān)。根據(jù)早期崩積楔(12)頂部與斷層上升盤頂部礫石層(9)頂面的垂直距離約為1.8m,減去最新活動(dòng)垂直斷距25cm,得到距今3100年左右的斷層活動(dòng)的垂直斷距為1.55m。斷層F2下降盤以層12為界分上下兩部分,下部為含有粗砂、礫石透鏡體的黃色粉砂,為沖積物,上部為質(zhì)地均一的粉砂,為風(fēng)成黃土,說明層12崩積楔為沖溝階地面上的堆積物。斷層F2下降盤崩積楔(層12)的底部與F1斷層上升盤最上部的礫石層頂面的垂直距離約為5m。因斷層上升盤可能受到剝蝕而降低,推測(cè)斷層的垂直斷距的最小值為5m。階地頂部年輕的14C年齡為CalBP30950~30400,估算斷層活動(dòng)速率的為0.162~0.164mm/a。4結(jié)論和討論4.1活動(dòng)斷層描述(1)中條山北麓夏縣段構(gòu)造臺(tái)地為古山麓面,上覆的黃土地層指示山麓面形成于新近紀(jì)末期,代表構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期。此后,斷裂強(qiáng)烈活動(dòng),山麓剝蝕面抬升,第四紀(jì)以來的抬升幅度約700m,抬升速率為0.29mm/a。(2)探槽揭示,距今2萬年以來,斷層有四次活動(dòng)。第一次活動(dòng)發(fā)生在在距今2萬年到距今8000年之間,垂直斷距大于等于2m;第二次活動(dòng)發(fā)生于大約CalBP4820~4530,垂直斷距為60cm;第三次活動(dòng)發(fā)生在距今3100年前,垂直斷距為1.55m;在距今720年以后斷層最后一次活動(dòng),垂直斷距為25cm。該段斷層為全新世活動(dòng)斷層。(3)根據(jù)河流階地錯(cuò)斷7m,估算得到斷層垂直活動(dòng)速率為0.28~0.5mm/a。根據(jù)探槽中古地震事件相伴的最小垂直總位移4.4m,估算得到斷層垂直活動(dòng)速率為0.22~0.55mm/a。4.2活動(dòng)速率估算中條山西北麓古山麓剝蝕面,反映上新世晚期新構(gòu)造活動(dòng)比較緩和。中條山抬升較弱,長(zhǎng)期的剝蝕作用造成山地后退,形成了寬度可達(dá)10km的山麓剝蝕面。這與鉆孔研究得到的運(yùn)城盆地在5.90-3.60MaBP盆地快速沉降期,在3.60-2.58MaBP收縮期的結(jié)論相符。中條山西北麓古山麓剝蝕面上覆黃土地層的古地磁研究指示古山麓剝蝕面在距今240萬年前開始抬升,反映構(gòu)造運(yùn)動(dòng)又進(jìn)入活躍期。中條山西北麓斷層的強(qiáng)烈活動(dòng),山麓剝蝕面相對(duì)運(yùn)程盆地抬升,至今相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅度達(dá)700m,平均垂直活動(dòng)速率為0.29mm/a。中條山北麓斷裂將發(fā)源于山地的沖溝的階地錯(cuò)斷,由于斷層下降盤只發(fā)育兩級(jí)最年輕的階地,本文只獲得了第二級(jí)階地上斷層陡坎的高度為7m。雖然陡坎為階地面上覆蓋風(fēng)成黃土后的陡坎,但在斷層附近,斷層兩盤上覆蓋的黃土厚度相近,由此認(rèn)為該高度接近斷層的垂直斷距。由階地沉積中的兩個(gè)炭屑樣品的14C年齡判斷,第二級(jí)階地堆積于末次冰期極盛期。若用年輕的14C年齡估算,得到斷層垂直活動(dòng)速率為0.28~0.29mm/a,這為最小活動(dòng)速率;若假設(shè)該階地下切于1.4萬年前,則估算得到斷層垂直活動(dòng)速率為0.5mm/a。距今2萬年以來,斷層有前述四次活動(dòng)。斷層活動(dòng)的時(shí)間間隔最小為近1400年,最大為大于2300年,間隔越大,前一次斷層活動(dòng)的斷距越大,符合時(shí)間可預(yù)測(cè)模型(Timepredicablemodel)。探槽剖面揭示四次活動(dòng)的總位移最小值為4.4m,若第一次活動(dòng)發(fā)生在距今2萬年左右,估算活動(dòng)速率約為0.22mm/a;若第一次活動(dòng)發(fā)生在距今8000年左右則估算活動(dòng)速率約為0.55