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1地质构造概况
太原西山向斜是山西重要疾煤基地之一。西靠吕梁复式背斜,东临晋中盆地,南北长约75km,东西宽约40km,总体形态是一个轴向近南北,向南倾伏的簸萁状向斜。其核部为三叠系中统二马营组。两翼依次出露三叠系下统刘家沟组、和尚沟组;二叠系上统的石千峰组、上石盒子组;二叠系下统的下石盒子组、山西组;石炭系上统太原组、中统本溪组及其下伏的中、下奥陶统。向斜西翼地层倾角较陡,东翼较缓,为一不对称向斜。
向斜西部,发育着一系列次一级褶皱构造,其规模有大有小,轴线总体沿北北西向延伸。与主向斜轴斜交,较大者呈“S”型左行斜列。如马兰向斜(Z1),水峪贯鲁沿向斜(Z3),柏崖头向斜(Z2),泉泉寺向斜(Z4)等。上述向斜两翼倾角都不相等,皆为不对称褶皱,如水峪贯鲁沿向斜,南西冀地层产状为NE55°∠19°到NE30°∠15°,北东翼为SE175°∠25°至SE178°∠27°,局部地层倾角可达75°。在陈台村以北,该向斜呈南南东延伸,至陈台村以南转向东南,经水峪贯至鲁沿村附近又向南南东转弯,呈“S”型,延伸总长达30余公里。马兰向斜,在马兰村以北,呈南南东延伸,在马兰村以南转向南东,经常安村至相原村附近又转向南南东,也呈“S”型,总长30公里。除上述大型次一级向斜以外,向斜西部还有一系列小型褶皱其排列格局与上述大型向斜基本一致而在西山向斜东部的白石沟、石千峰一带,有呈南北向和北东向延伸的次一级褶铍,但数量较少,如石千峰向斜等。此外在向斜东南边缘云梦山一带,有一个向南东收剑、向北西撒开的压扭性小型帚状构造,称云梦山帚状构造。
位于向斜西部边缘的陈台西社断层(F24)走向北北西,呈“S”延伸,与西部的次一级褶皱方向基本一致总长40余公里,在文水县神堂附近,被清交断层截切,断层面向南西倾斜(至少在西社以北是向南西倾斜),倾角60°左右,据其下盘派生的分支小断层分析,属一逆断层。
西山向斜的东部以北东东向延伸的断裂构造发育为主要特征。这些断裂构造均系高角度正断层,倾角变化在65°至80°之间,且有等间距成带颁的特征。自北而南大体可以分为四个断裂带〔1〕。梭峪断裂带:该带宽约43km、长12km,总体走向北东65°左右,包括安庄断层(F1),九龙塔断层(F2),红崖断层(F8);李家庄王封断裂带“该带宽达75km,长30km,总体走向北东60°-70°,包括古交断层(F9),南头峁断层(F10),李家庄断层(F11),羊圈港(F12)王封断层(F13)、随老母断层(F14、F15);杜儿坪断裂带:此带宽约3km,长30km,总体走向北东60°-65°,包括杜儿坪断层(F16),鸦崖底断层(F17)、陈家社断层(F18);碾底-平地窑断裂带:该带宽约4-8km,长25km,总体走向北东65°左右,主要由清交断层(F19)、碾底断层(F20)、平地窑断层(F21)组成。前述四断层相互组合成为地垒或地堑。
晋祠断层和清交断层展布在本向斜的东与东南边缘,为晉中断陷盆地的边界。晋祠断层以北东20°°至25°延伸,向南东倾斜,据其西盘(下盘)派生的拖拉褶皱轴面和次一级正断层与其相交之锐角分析,该断层具有右行扭动特征;清交断层以北东65°方向延伸,与向斜东部的正断层延伸方向一致向南南东倾斜,倾角75°左右,据西北盘的派生构造分析,该断层亦具右行扭动特征。
经多次在向斜西部和南部观测,本区的节理多属早期平面“X”节理,发育在二叠系下统的石盒子组,上统的石千峰组及三叠系下统的刘家沟组的砂岩中,按节理走向,可分为四组,属两个节理系,即走向大约北西290°和北北东20°的两组为一个节理系;北东东70°和南东135°的两组为一个节理系,据野外观测,后者限制前者,或者是前者切割后者。
2 向斜内部各种地质构造的组合关系与力学成因
向斜西部北北西向的次一级褶皱与东部北东东向的断裂(包括清交断层)几乎近于垂直,前者属于压性结构面(包括陈台西社逆断层),呈:S“型左行斜列,后者属张性结构面,呈右行斜列,这一展布规律清楚地反映了它们属同一个应力场的产物,是南北向顺时针扭动形成的多字型构造组合关系。只不过向斜西部以褶皱形式表现为主,而东部以断层形式表现为主。在本区西部和南部测得的北西290°和北北东20°的两组节理为与上述压性结构面和张性结构面配套的两组扭性结构面。发育在向斜东南边缘清交断层下盘的云梦山帚状构造及发育在晋祠断层西北盘的平泉向斜,牛家口附近的小型褶皱等,都表明这些断层具有右旋扭动特征,进一步证明了本区的地应力的顺时针扭动的特性。
3向斜内地质构造的形成及演变历史
西山向斜地处山西台背斜中部,因此其形成及演变与台背斜的发展演变有着密切联系,古生代至中生代三叠纪中期,是台背斜盖层形成的主要时期。燕山运动是台背斜盖层发生构造变动的主要时期,同时也是西山向斜面形成时期。向斜东侧的晋中盆地的断陷始于上新世早期,第四纪盆地继续发展。西山向斜与晋中盆地近邻,其发展演变自然存在着密切关系。
从全省范围看,侏罗-白垩纪期间的燕山运动,以近南北的逆时针扭动为主要特征,从而形成全省范围内分布的一系列北北东向斜列的褶皱群,及与褶皱平行的逆断层,在北北东向斜列褶皱的首尾交替部位,则以近南北的褶皱相连,太原西山向斜就是这个部位上的一个褶曲。石千峰向斜及其它北东向延伸的小型褶曲,就是当时在西山向斜内部形成的次一级的褶皱。同时在西山向斜西部狐偃山一带,因岩浆活动,形成多个二长岩侵入体。
中生代末及新生代初期,山西台背斜的地应力场发生了根本的变化。发育在山西台背斜上的断续的北北东向的地堑连线,正相当于一条大型的剪切带,其两侧地块沿这一剪切带发生顺时针扭动。因此除沿剪切带发生断续的北北东向扭性破裂外,还必然沿此带产生一系列的北东向右行斜列的张性破裂。
太原西山向斜东部北东东向的张裂,正是这一组右行斜列的张性破裂,而西部呈“S”型左行斜列次一级褶皱,则属同一应力场作用下产生的压性结构面。由于西部靠近吕梁隆起,塑性变形显著,故褶皱发育;而东部则以脆性变形为主,故张性断裂发育。
太原西山向斜是山西重要疾煤基地之一。西靠吕梁复式背斜,东临晋中盆地,南北长约75km,东西宽约40km,总体形态是一个轴向近南北,向南倾伏的簸萁状向斜。其核部为三叠系中统二马营组。两翼依次出露三叠系下统刘家沟组、和尚沟组;二叠系上统的石千峰组、上石盒子组;二叠系下统的下石盒子组、山西组;石炭系上统太原组、中统本溪组及其下伏的中、下奥陶统。向斜西翼地层倾角较陡,东翼较缓,为一不对称向斜。
向斜西部,发育着一系列次一级褶皱构造,其规模有大有小,轴线总体沿北北西向延伸。与主向斜轴斜交,较大者呈“S”型左行斜列。如马兰向斜(Z1),水峪贯鲁沿向斜(Z3),柏崖头向斜(Z2),泉泉寺向斜(Z4)等。上述向斜两翼倾角都不相等,皆为不对称褶皱,如水峪贯鲁沿向斜,南西冀地层产状为NE55°∠19°到NE30°∠15°,北东翼为SE175°∠25°至SE178°∠27°,局部地层倾角可达75°。在陈台村以北,该向斜呈南南东延伸,至陈台村以南转向东南,经水峪贯至鲁沿村附近又向南南东转弯,呈“S”型,延伸总长达30余公里。马兰向斜,在马兰村以北,呈南南东延伸,在马兰村以南转向南东,经常安村至相原村附近又转向南南东,也呈“S”型,总长30公里。除上述大型次一级向斜以外,向斜西部还有一系列小型褶皱其排列格局与上述大型向斜基本一致而在西山向斜东部的白石沟、石千峰一带,有呈南北向和北东向延伸的次一级褶铍,但数量较少,如石千峰向斜等。此外在向斜东南边缘云梦山一带,有一个向南东收剑、向北西撒开的压扭性小型帚状构造,称云梦山帚状构造。
位于向斜西部边缘的陈台西社断层(F24)走向北北西,呈“S”延伸,与西部的次一级褶皱方向基本一致总长40余公里,在文水县神堂附近,被清交断层截切,断层面向南西倾斜(至少在西社以北是向南西倾斜),倾角60°左右,据其下盘派生的分支小断层分析,属一逆断层。
西山向斜的东部以北东东向延伸的断裂构造发育为主要特征。这些断裂构造均系高角度正断层,倾角变化在65°至80°之间,且有等间距成带颁的特征。自北而南大体可以分为四个断裂带〔1〕。梭峪断裂带:该带宽约43km、长12km,总体走向北东65°左右,包括安庄断层(F1),九龙塔断层(F2),红崖断层(F8);李家庄王封断裂带“该带宽达75km,长30km,总体走向北东60°-70°,包括古交断层(F9),南头峁断层(F10),李家庄断层(F11),羊圈港(F12)王封断层(F13)、随老母断层(F14、F15);杜儿坪断裂带:此带宽约3km,长30km,总体走向北东60°-65°,包括杜儿坪断层(F16),鸦崖底断层(F17)、陈家社断层(F18);碾底-平地窑断裂带:该带宽约4-8km,长25km,总体走向北东65°左右,主要由清交断层(F19)、碾底断层(F20)、平地窑断层(F21)组成。前述四断层相互组合成为地垒或地堑。
晋祠断层和清交断层展布在本向斜的东与东南边缘,为晉中断陷盆地的边界。晋祠断层以北东20°°至25°延伸,向南东倾斜,据其西盘(下盘)派生的拖拉褶皱轴面和次一级正断层与其相交之锐角分析,该断层具有右行扭动特征;清交断层以北东65°方向延伸,与向斜东部的正断层延伸方向一致向南南东倾斜,倾角75°左右,据西北盘的派生构造分析,该断层亦具右行扭动特征。
经多次在向斜西部和南部观测,本区的节理多属早期平面“X”节理,发育在二叠系下统的石盒子组,上统的石千峰组及三叠系下统的刘家沟组的砂岩中,按节理走向,可分为四组,属两个节理系,即走向大约北西290°和北北东20°的两组为一个节理系;北东东70°和南东135°的两组为一个节理系,据野外观测,后者限制前者,或者是前者切割后者。
2 向斜内部各种地质构造的组合关系与力学成因
向斜西部北北西向的次一级褶皱与东部北东东向的断裂(包括清交断层)几乎近于垂直,前者属于压性结构面(包括陈台西社逆断层),呈:S“型左行斜列,后者属张性结构面,呈右行斜列,这一展布规律清楚地反映了它们属同一个应力场的产物,是南北向顺时针扭动形成的多字型构造组合关系。只不过向斜西部以褶皱形式表现为主,而东部以断层形式表现为主。在本区西部和南部测得的北西290°和北北东20°的两组节理为与上述压性结构面和张性结构面配套的两组扭性结构面。发育在向斜东南边缘清交断层下盘的云梦山帚状构造及发育在晋祠断层西北盘的平泉向斜,牛家口附近的小型褶皱等,都表明这些断层具有右旋扭动特征,进一步证明了本区的地应力的顺时针扭动的特性。
3向斜内地质构造的形成及演变历史
西山向斜地处山西台背斜中部,因此其形成及演变与台背斜的发展演变有着密切联系,古生代至中生代三叠纪中期,是台背斜盖层形成的主要时期。燕山运动是台背斜盖层发生构造变动的主要时期,同时也是西山向斜面形成时期。向斜东侧的晋中盆地的断陷始于上新世早期,第四纪盆地继续发展。西山向斜与晋中盆地近邻,其发展演变自然存在着密切关系。
从全省范围看,侏罗-白垩纪期间的燕山运动,以近南北的逆时针扭动为主要特征,从而形成全省范围内分布的一系列北北东向斜列的褶皱群,及与褶皱平行的逆断层,在北北东向斜列褶皱的首尾交替部位,则以近南北的褶皱相连,太原西山向斜就是这个部位上的一个褶曲。石千峰向斜及其它北东向延伸的小型褶曲,就是当时在西山向斜内部形成的次一级的褶皱。同时在西山向斜西部狐偃山一带,因岩浆活动,形成多个二长岩侵入体。
中生代末及新生代初期,山西台背斜的地应力场发生了根本的变化。发育在山西台背斜上的断续的北北东向的地堑连线,正相当于一条大型的剪切带,其两侧地块沿这一剪切带发生顺时针扭动。因此除沿剪切带发生断续的北北东向扭性破裂外,还必然沿此带产生一系列的北东向右行斜列的张性破裂。
太原西山向斜东部北东东向的张裂,正是这一组右行斜列的张性破裂,而西部呈“S”型左行斜列次一级褶皱,则属同一应力场作用下产生的压性结构面。由于西部靠近吕梁隆起,塑性变形显著,故褶皱发育;而东部则以脆性变形为主,故张性断裂发育。