劉愛榮，徐永婧，劉成林，龐爾成

(1.山西省地質(zhì)勘查局二一一地質(zhì)隊，山西 忻州 034000；2.山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊，山西 大同 037008)

0 引 言

大同盆地位于華北克拉通北部的斷陷盆地，一直深受廣大研究學(xué)者的關(guān)注。前人研究工作主要集中于大同火山活動、大同盆地的形成及演化[1-7]等方面，認(rèn)為大同盆地是一個經(jīng)歷多期構(gòu)造運動的新生代斷陷盆地[8-10]，發(fā)育于晚新生代，并在第四紀(jì)不斷發(fā)展演化[11-14]、控盆斷裂活動[15-16]。該區(qū)在古生界整體接受了寒武系、奧陶系和石炭系、二疊系沉積，在古生代處于相對的構(gòu)造平穩(wěn)期。中生代進(jìn)入強(qiáng)烈構(gòu)造活動階段，并發(fā)生了大規(guī)模的逆沖推覆、北東向逆斷層和北西向正斷層為主的構(gòu)造作用。新生代大同斷陷盆地總體是在拉張構(gòu)造環(huán)境下以繼承性斷裂活動為主，以中生代燕山期斷裂的復(fù)活與反向發(fā)展為特征[17]。也有學(xué)者將大同盆地的形成過程劃分為擠壓破裂階段，地幔上升、地殼剪切-拉張破裂斷陷階段[18-20]和斷陷的形成發(fā)展階段[21]。自晚更新世尤其全新世以來本區(qū)斷陷活動有增強(qiáng)趨勢，至今仍以年均0.5～1.2 mm速率下沉，這可能是該區(qū)地震活動強(qiáng)烈的主要原因。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合懷仁縣城北深部鉆孔(終孔層位為老變質(zhì)基底，并進(jìn)行全孔取心)資料，利用層序地層學(xué)及成因地層分析方法[22]，對大同盆地內(nèi)沉積地層的巖性、結(jié)構(gòu)、厚度等地質(zhì)特征及相應(yīng)的沉積環(huán)境和沉積相進(jìn)行研究，探討了大同盆地的形成及構(gòu)造演化，并得出新的認(rèn)識。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大同盆地位于華北板塊中央地帶的山西地臺背斜之上，處在山西右旋剪切拉張帶的尾端，北西以口泉斷裂與洪濤山凸起為界，南東以六棱山山前與渾源斷裂為界。斷裂均為正斷層性質(zhì)，控制了盆地內(nèi)地層沉積，并自西向東將整個盆地分割為朔州斷階、懷仁凹陷、黃花梁凸起、后所凹陷和渾源斷階5個次級構(gòu)造單元[25]。盆地四周為中低山環(huán)繞，除東面相連于河北陽原盆地外，四周均以斷層與山地相隔，盆地最寬處48 km，最窄處15 km，長約180 km。

區(qū)域斷裂分布于大同盆地的邊緣并控制了盆地的發(fā)育，包括盆地北西緣的口泉斷裂、盆地南東緣的渾源斷裂和六棱山山前斷裂等。除盆地周緣主控斷裂外，在盆地內(nèi)部還發(fā)育次一級的活動斷裂，這些斷裂影響了盆地內(nèi)部結(jié)構(gòu)及沉積特征，均埋藏在地下，主要有里八莊斷裂、閣老山斷裂和應(yīng)縣斷裂[25]。

大同地區(qū)地層發(fā)育較齊全，由老至新依次有太古宇集寧群，上元古界長城系、薊縣系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界侏羅系、白堊系，新生界古近系、新近系和第四系(圖1)。

圖1 大同盆地及周邊區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)黃汲清等[26]和龐爾成等[29]修改)Fig.1 Geologic map of Datong basin and its periphery (modified after Huang et al[26]and Pang et al[29])

太古宇集寧群主要由一套經(jīng)深度變質(zhì)作用及不同程度混合巖化的麻粒巖和片麻巖組成；上元古界長城系、薊縣系主要發(fā)育白云巖；古生界寒武系為一套海相碎屑巖-碳酸鹽巖沉積建造；奧陶系僅發(fā)育有下統(tǒng)和中統(tǒng)，缺失上統(tǒng)，為一套碳酸鹽巖建造；石炭系地層為海陸交互相的碎屑巖、泥質(zhì)巖、可燃有機(jī)巖(煤)和碳酸鹽巖等互層產(chǎn)出；二疊系地層總體為一套河湖相陸源碎屑巖建造；中生界侏羅系、白堊系地層局部地區(qū)出露，侏羅系地層主要是以沖-湖沉積為主的碎屑巖含煤建造及火山沉積巖序列兩種類型組成[27]，白堊系地層為一套以沖洪積為主的陸相碎屑巖建造；新生界古近系總體以剝蝕為主，僅保存繁峙玄武巖，新近系上新統(tǒng)及其以后的地層發(fā)育較為齊全，主要分布在斷陷盆地、山間盆地及邊山黃土丘陵地帶[28]。

研究區(qū)內(nèi)以新太古代五臺期巖漿活動最為強(qiáng)烈。新太古界五臺期火山巖以五臺巖群為代表，構(gòu)成以基性火山巖為主體的火山-沉積建造，并經(jīng)歷了多期變形變質(zhì)改造。元古宙巖漿活動的規(guī)模較小，呂梁期巖漿巖主要為脈狀變質(zhì)輝綠巖和變質(zhì)云煌巖、變質(zhì)花崗巖；中、新元古代巖漿巖主要為輝綠巖墻。中生代火山巖受北東向斷裂控制及后期北西向斷裂改造，為一套具旋回的基性—中酸性、偏堿性熔巖及各類火山碎屑巖。燕山期中酸性侵入巖劃分為兩個系列，即殼源型中深成花崗巖系列和殼幔過渡同熔型中淺成花崗巖系列，前者從早到晚由閃長巖-二長花崗巖-黑云母花崗巖組成；后者從早到晚一般為閃長巖-花崗閃長玢巖-花崗斑巖-石英斑巖[31]。新生代火山巖主要分布在新生代斷陷盆地中，可分為古近紀(jì)繁峙玄武巖、新近紀(jì)漢諾壩玄武巖和第四紀(jì)冊田玄武巖[32]。

2 大同盆地及周邊地區(qū)地層

早期的變質(zhì)巖、下古生界沉積巖與大同盆地的形成及演化關(guān)系不大，故本文從上古生界開始對大同盆地及周邊地層的地質(zhì)特征進(jìn)行討論。

2.1 上古生界

2.1.1 石炭系

石炭系以海陸交互相的碎屑巖、泥質(zhì)巖、可燃有機(jī)巖(煤)和碳酸鹽巖等互層產(chǎn)出，富含植物化石和煤、鋁土礦、黏土礦等沉積礦產(chǎn)，廣泛分布于大同煤田(跨大同市的云岡區(qū)、南郊區(qū)、左云及朔州市的右玉、懷仁、山陰等縣區(qū))、寧武煤田(包括朔州市的朔城區(qū)、平魯區(qū))，在渾源、靈丘亦有零星分布。太原組底部湖田段與下伏地層呈平行不整合接觸，在北部忻州窯至小站村呈平行不整合覆于張夏組之上，在口泉覆于三山子組之上，下伏層位呈現(xiàn)由北向南逐漸抬高的特點。該段巖性、巖相、厚度等變化受奧陶系古侵蝕面控制。

2.1.2 二疊系

二疊系地層主要分布于大同煤田、寧武煤田和渾源煤田。其中下二疊統(tǒng)山西組在研究區(qū)西部發(fā)育較為齊全，與上覆下石盒子組呈漸變整合接觸；東部除官王鋪—西王鋪一帶零星出露少量石盒子組外，大部分地段被中生界不同層位不整合覆蓋，由北西向南東具有上覆層位逐漸降低的特點。下石盒子組為二疊世的一套砂巖、頁巖、煤和含錳鐵質(zhì)巖石構(gòu)成的河流相沉積組合，主要分布于大同縣鵝毛口—懷仁縣吳家窯—神頭鎮(zhèn)下面高以西及西南角牛食窯地區(qū)，在東部唐河斷裂帶內(nèi)亦有零星分布。下石盒子組總體為一套河湖相陸源碎屑巖建造，但東、西兩側(cè)巖性存在明顯差異[33]。

總體來看，上古生界在本區(qū)以剝蝕殘留為特征，分布呈近東西向，并具有兩邊薄、中間厚的特點。

2.2 中生界

大同地區(qū)缺失中生界早期的三疊系，侏羅系、白堊系僅局部地區(qū)出露較全[33]。

2.2.1 侏羅系

本區(qū)侏羅系大致分為兩個類型：一是以沖-湖沉積為主的沉積碎屑巖含煤建造，局部有少量火山噴發(fā)巖；二是一套火山沉積巖序列，其中火山巖包括中性—基性、酸性等噴出巖[27]。下侏羅統(tǒng)永定莊組為一套不含煤的雜色河湖相碎屑巖系。中侏羅統(tǒng)大同組為一套河流—湖沼交互相含煤巖系；云崗組為一套河流沖積相碎屑巖，總體為一套成熟度較低的碎屑堆積；天池河組分布于云崗向斜的核部，其底界與云崗組整合接觸，天池河組最后一層以黃綠色砂巖、泥巖結(jié)束，全部出現(xiàn)為紫紅色泥巖、砂巖底劃界，未見頂；髫髻山組為火山沉積序列，分布于渾源縣紫眷、官王鋪、大磁窯等地，為一套以基性—中基性火山噴出巖為主，夾有角礫凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂礫巖等火山碎屑巖的火山—沉積地層，底部發(fā)育有15～30 m的灰—灰紫色砂質(zhì)礫巖，其下伏由南向北層位與山西組—石盒子組呈角度不整合接觸；土城子組為火山沉積序列，僅發(fā)育朋頭溝段，為一套酸性火山碎屑巖夾火山熔巖、以含膨潤土層為特征、底部具沖積礫巖的沉積-火山巖系，與下伏髫髻山組呈平行不整合接觸，官王鋪以南則直接角度不整合于山西組之上。上侏羅統(tǒng)張家口組為火山沉積序列，區(qū)內(nèi)分兩個巖性段：搶風(fēng)嶺段局限分布于渾源縣中莊鋪鄉(xiāng)搶風(fēng)嶺及麻地坪以東一帶，為一套以中基性火山噴出巖為主的火山-沉積地層；向陽村段分布于渾源縣中莊鋪鄉(xiāng)向陽村、打虎溝、店房臺一帶，為一套以酸性火山碎屑巖(英安質(zhì)流紋巖)、熔巖(流紋質(zhì)、石英粗面質(zhì))為主的火山-沉積地層；大北溝組為火山沉積序列，區(qū)內(nèi)分兩個巖性段：下部野西溝段由基性-中性火山噴發(fā)(熔)巖與同時形成或先后沉積的紫紅色、暗紫紅色、灰綠色和灰黑色等雜色砂質(zhì)泥巖組成；上部石墻子段分布于渾源縣南中莊鋪鄉(xiāng)石墻子村及縣城西北的西柏林一帶，主要由灰白色流紋質(zhì)角礫熔巖組成，底部具少量紫紅色、淺灰綠色砂質(zhì)泥巖及礫巖。與上覆地層義縣組羊投崖段呈不整合接觸。

2.2.2 白堊系

白堊系在本區(qū)發(fā)育較全，出露良好，分布于右玉、左云、大同、陽高、天鎮(zhèn)、渾源等縣(市)，為一套以沖洪積為主的陸相碎屑巖建造，下部夾含煤地層及火山噴發(fā)巖，含爬行類、介形類、雙殼類、腹足類、葉肢介和植物等多門類化石。

下白堊統(tǒng)義縣組為一套以河流沖洪積相粗碎屑巖夾煤層及雜色砂質(zhì)泥巖為主的沉積-火山巖系，根據(jù)其巖性和巖石組合特征可分為4個巖性段。其中上部王家溝段、曹虎庵段僅見于渾源縣中莊鋪一帶。下部羊投崖段、鐘樓坡段則分布較廣，在渾源縣城西北的西柏林及大同縣東莊、南莊、甕城口一帶尚有大面積出露。羊投崖段巖性為灰黑、黑色泥巖，質(zhì)純，較軟，松散、破碎中等，見少量礫石，粒徑3～10 mm，呈塊狀、棱角狀，見礫石面，分選差，泥質(zhì)膠結(jié)。通過對地層中的孢粉化石(圖2)的觀測，發(fā)現(xiàn)了眾多早白堊世典型蕨類植物孢子、裸子植物花粉化石，主要包括希指蕨孢屬、有突肋紋孢屬、無突肋紋孢屬、瘤面海金砂孢屬、膜環(huán)弱縫孢屬、徐氏孢屬、克拉梭粉種、環(huán)圈克拉梭粉、克拉梭克拉梭粉、蛟河粉屬等。其中以裸子植物花粉占絕對優(yōu)勢，主要為松科雙氣囊類花粉和掌鱗杉科環(huán)圈克拉梭花粉。通過與四川盆地北部、準(zhǔn)噶爾盆地清水河組以及海拉爾盆地大磨拐河組對比，筆者認(rèn)為義縣組屬于下白堊統(tǒng)。

圖2 大同盆地孢粉種類照片[45]Fig.2 Photographs of palynology in Datong basin[45](a1)—(a10).無突肋紋孢屬Cicatricosisporites；(b1)—(b2).光面單縫Laevigatosporites；(c1)—(c2).金毛狗孢屬Cibotiumspora；(d1)—(d4).云杉粉屬Piceaepollenites；(e1)—(e2).假云杉粉屬Pseudopicea；(f1)—(f2).紫萁孢屬Osmundacidites；(g1)—(g2).環(huán)圈克拉梭粉屬Classopollis annulatus；(h1)—(h2).瘤面海金砂孢屬Lygodioisporites；(i1)—(i2).古松柏粉屬Paleoconiferus

下白堊統(tǒng)左云組以左云縣城東南部發(fā)育最好，具代表性，故以此地為該組命名，為一套大陸沖積環(huán)境山前沖積扇及湖相沉積體系，具下部為紅色砂巖、上部為砂礫巖夾泥巖的3個反韻律旋回。底部旋回中泥巖夾砂礫巖段約占30%，砂礫巖夾泥巖段約占70%。其下部泥巖為棕色，局部見棕褐色、紫褐色、褐紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，其質(zhì)較純，局部略含粉砂，偶見少許礫石(礫徑2～12 mm)，多處見灰白色灰質(zhì)結(jié)核，性較軟。該旋回上部為砂礫巖及棕色泥巖，砂礫巖整體為淺灰色，局部為棕色。砂礫結(jié)構(gòu)，其中礫石含量55%～65%，分布不均，礫石成分以變質(zhì)巖礫為主，少量燧石，礫徑一般為2～15 mm，少量為25～30 mm，多呈次棱角狀—棱角狀，少量次圓狀，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖性疏松。中部旋回中泥巖夾砂礫巖段約占60%，砂礫巖夾泥巖段約占40%。其下部泥巖底部旋回顏色特征相似，為棕色，局部為棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，質(zhì)較純，局部略含粉砂和灰質(zhì)，分布不均勻，多處見淺灰、淺棕色灰質(zhì)團(tuán)塊結(jié)核分布。該旋回上部為砂礫巖及棕色泥巖，砂礫巖主要為灰白色，次為棕色、灰綠色等。砂礫結(jié)構(gòu)，礫石含量為35%～45%，成分主要為石英礫，少量火山巖礫，礫徑一般為2～4 mm，少量為10～15 mm，呈次棱角狀—次圓狀；砂質(zhì)碎屑占55%～65%，成分為石英(75%)、長石(20%)、巖屑(5%)；粒級以粗砂為主，次為中砂，呈次棱角狀—棱角狀，整體分選性差，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)為主，少量灰質(zhì)膠結(jié)，巖性致密。上部旋回中泥巖夾砂礫巖段約占50%，砂礫巖夾泥巖段約占50%。其下部泥巖與下部顏色特征相似，棕色為主，局部夾少量灰綠色斑塊，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，質(zhì)不純，普遍含少量粉砂，分布不均勻，部分含少量灰質(zhì)，性較硬，巖心整體較破碎。該旋回上部綠色含礫粗砂巖及棕色泥巖，灰綠色為主，外部表皮為灰白色。粗粒結(jié)構(gòu)，其中礫石含量10%～20%，下部含礫相對較高，主要為石英礫，少量變質(zhì)巖礫；礫徑為2～20 mm不等。砂質(zhì)成分以石英為主，少量長石及巖屑；顆粒呈次棱角—棱角狀，整體分選性中等—差。塊狀構(gòu)造，偶見滑動面構(gòu)造，泥質(zhì)(少量灰質(zhì))膠結(jié)，較致密。自下而上，左云組泥巖差異不大，砂巖相由雜色60%礫石含量的砂礫巖，至灰白色40%礫石含量的砂礫巖，再至灰綠色含礫粗砂巖，反映了水體增加、扇三角洲不斷后退的特征。

上白堊統(tǒng)助馬堡組主要分布在大同市新榮區(qū)助馬堡，與下伏左云組呈平行不整合接觸，多數(shù)地方與變質(zhì)巖呈角度不整合接觸，頂部被角度不整合的漢諾壩組玄武巖覆蓋，為一套河湖相中—細(xì)粒碎屑巖及泥質(zhì)巖沉積，具有兩個主要旋回。助馬堡組為河流相地層，具有普遍的二元結(jié)構(gòu)。二元結(jié)構(gòu)中的砂巖是以細(xì)砂巖為主，兼具粗砂巖及粉砂巖，以棕色、灰綠色為主，碎屑成分以石英為主，次為長石及巖屑，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，偶含細(xì)礫(1～3 mm)，顆粒呈次棱角—次圓狀，分選性中等—好，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)為主，含少量灰質(zhì)，見少量淺灰色、淺棕色灰質(zhì)大團(tuán)塊。二元結(jié)構(gòu)中的泥巖較疏松，其特征與左云組相似，夾礫石、砂巖非常少。泥巖以棕紅色為主，少量灰綠色。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，質(zhì)較純，含少量粉砂。對比左云組，上白堊統(tǒng)助馬堡組的砂巖粒度變細(xì)顯著，分選變好明顯，以灰色和灰綠色為主，正韻律結(jié)構(gòu)明顯，為典型河流相沉積體系。由左云組的湖泊相砂礫巖向助馬堡組的河流相砂巖轉(zhuǎn)換，反映了基準(zhǔn)面下降的特點。

綜上所述，本區(qū)中生界與上古生界展布形態(tài)近一致，均呈近東西向展布，其中中生界沉積中心有由南向北逐漸移動的趨勢。

2.3 新生界

新生界主要分布于桑干河上游谷地和大同盆地及邊山黃土丘陵地帶[33]，左云縣城以南低山丘陵區(qū)和基巖山區(qū)較大河谷兩側(cè)也有零星分布。由于構(gòu)造、沉積環(huán)境的差異，各地貌單元沉積物具有明顯的差別，地表除廣泛分布有新近系—第四系松散堆積物外，還發(fā)育有古近系、新近系和第四系基性火山巖。

2.3.1 古近系

古近系總體剝蝕強(qiáng)烈，僅保存繁峙玄武巖，主要分布于繁峙、代縣北山至應(yīng)縣跑馬梁一帶，最大厚度達(dá)850 m[33]。繁峙玄武巖產(chǎn)狀平緩，主要為灰色—灰黑色伊丁石化粗粒巖、橄欖粗粒巖夾中細(xì)粒橄欖玄武巖。具多韻律、多旋回的層狀構(gòu)造。玄武巖同位素年齡為63 Ma[32]，屬漸新世。

2.3.2 新近系

大同地區(qū)新近紀(jì)早期的中新統(tǒng)缺失；上新統(tǒng)及其以后的地層發(fā)育較為齊全，主要分布在斷陷盆地、山間盆地及邊山黃土丘陵地帶。

上新世早期，發(fā)育于黃土丘陵區(qū)的地層稱保德組，為亞熱帶濕熱氣候下河湖相沉積，富含魚類、軟體動物、微體古生物及植物化石，底部玄武巖與灰綠色粉砂巖和泥巖呈互層，中上部為大段的泥巖夾薄層的細(xì)砂巖和粉砂巖。根據(jù)泥巖的顏色能夠劃分為3個層段：底部泥巖為灰綠色，質(zhì)純，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，性較軟，斷口較平整，具滑動構(gòu)造，巖心多破碎成細(xì)塊或細(xì)粒狀，反映了盆地沉降強(qiáng)烈，水體較深，火山噴發(fā)；中部泥巖為棕黃色，見灰綠色斑塊，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，質(zhì)較純，略含粉砂，局部見淺灰色灰質(zhì)團(tuán)塊和黑色植物碎片，巖心多較完整，少部分較破碎，反映水體變淺，以濱湖相為主；上部泥巖為棕褐色，局部見灰綠色、深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，性軟，吸水性強(qiáng)，可塑性好，斷口較平整，部分巖心較破碎。同時，粉砂巖和細(xì)砂巖夾層明顯增加，反映了水體開始變淺、陸緣碎屑逐漸增加的過程。上新統(tǒng)保德組泥巖為湖擴(kuò)環(huán)境，其泥巖由棕色變綠色，再變?yōu)樽厣倪^程，反映了湖泊水體淺—深—淺的變化歷程。

上新世晚期，發(fā)育于黃土丘陵區(qū)的地層稱靜樂組，巖性相對單一，以黏性較大的深紅色黏土為特征，含大量鐵錳質(zhì)薄膜及結(jié)核，局部含零星鈣質(zhì)結(jié)核，風(fēng)化后呈粉末狀，厚度僅幾米到十幾米，呈巖被狀產(chǎn)出，構(gòu)成了表面平緩的溢流層狀橄欖玄武巖臺地或平頂山梁，頂面普遍存在古風(fēng)化面，在石炭—二疊系不同層位多呈角度不整合或呈平行不整合覆于漢諾壩玄武巖之上，其上被馬蘭組呈平行不整合覆蓋；發(fā)育于盆地區(qū)的地層稱南榆林組，埋深168～728 m。與下伏寇寨組相比，靜樂組中—粗砂巖層明顯增多，與上覆泥河灣組、下伏寇寨組均為連續(xù)沉積[35]。靜樂組主要為含礫砂巖和棕色泥巖互層。砂巖以灰白色為主，局部淺棕色，砂礫成分主要為石英，少量長石及巖屑。粗粒結(jié)構(gòu)，局部中砂富集成薄層，塊狀構(gòu)造。其中礫石含量5%～10%，分布不均，礫徑2～20 mm不等，呈次圓狀；砂質(zhì)呈次棱角狀—棱角狀。整體分選性中等—好，質(zhì)地疏松。泥巖為棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部見灰白色灰質(zhì)團(tuán)塊。靜樂組含礫砂巖的分選再次變好，礫石含量低，磨圓較好，以石英為主，與區(qū)域較為平緩的背景一致，結(jié)合砂泥巖組合的正韻律明顯，筆者認(rèn)為再次發(fā)育河流相沉積。

2.3.3 第四系

本區(qū)第四系發(fā)育齊全，分布范圍廣，黃土丘陵區(qū)和斷陷盆地內(nèi)均有發(fā)育，由泥河灣組、離石組、馬蘭組、峙峪組、方村組、選仁組和沱陽組7個正式巖石地層單位組成，此外冊田玄武巖作為非正式巖性段被單獨劃出，歸屬峙峪組。

下更新統(tǒng)泥河灣組，受壓實作用的影響，主要發(fā)育黏土(未成巖泥巖)，巖性純，局部含少量粉砂，分布較均勻，見少量鈣質(zhì)結(jié)核，性軟，吸水性強(qiáng)，可塑性好，斷口平整。泥河灣組為區(qū)域性的一次湖盆擴(kuò)張所形成，地層及巖性發(fā)育穩(wěn)定，自下而上呈褐色—灰綠色—褐色變化，反映了水體由淺—深—淺的旋回變化。

上更新統(tǒng)峙峪組，主要為細(xì)砂巖或未壓實的砂巖(亞沙土)，與泥巖或未壓實的泥巖(亞黏土)呈互層。細(xì)砂巖或未壓實的砂巖(亞沙土)為棕灰色，砂質(zhì)成分主要為石英，其次為云母，云母呈星點狀分布，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；部分泥質(zhì)膠結(jié)，局部鈣質(zhì)富集成團(tuán)塊；結(jié)構(gòu)松散。泥巖或未壓實的泥巖(亞黏土)為紅色，局部灰褐色，質(zhì)不純，含少量粉砂，白云母呈星點狀分布；局部含少量灰?guī)r礫，礫徑5～20 mm，偶見灰黑色炭質(zhì)碎屑條帶和粉砂質(zhì)紋層；上部見腹足類化石。峙峪組地層為砂泥巖互層，與現(xiàn)今地理環(huán)境相似，為河流相沉積。

3 構(gòu)造特征及演化過程

古生代華北區(qū)域處于穩(wěn)定克拉通階段，本區(qū)總體穩(wěn)定沉積，地層發(fā)育平穩(wěn)。寒武系和奧陶系主要由碳酸鹽巖和碎屑巖組成，無火山巖。至晚奧陶世，由于南北兩側(cè)洋殼擠壓，使得本區(qū)發(fā)生大規(guī)模整體隆升[35]，并有近130 Ma長期處于隆升剝蝕的狀態(tài)[36]，導(dǎo)致該區(qū)缺失上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)。中石炭世時期，研究區(qū)再次沉降，形成了中—晚石炭世和早二疊世時期的海陸交互相沉積，晚二疊世時期則再次緩慢上升，沉積了以河流相為主的陸相沉積，至晚二疊世晚期，研究區(qū)再次隆起成山。

晚古生代中期—中生代中期(燕山運動之前)，北部西伯利亞板塊與華北板塊俯沖以及南部揚子板塊與華北和華南板塊俯沖，使得本區(qū)長期處于南北擠壓的構(gòu)造背景，形成了EW向或NWW向的凹陷并接受沉積[38]。沉積中心在石炭紀(jì)—二疊紀(jì)—侏羅紀(jì)時期逐漸由南向北遷移，至云崗組時期構(gòu)造形跡明顯向NE向轉(zhuǎn)變[38](圖3、圖4)。在大同縣東莊村東西向展布的古生代地層發(fā)現(xiàn)有向斜構(gòu)造，向斜核部為石炭系上統(tǒng)太原組含煤巖系。在渾源縣以東的官王鋪—青磁窯一帶的地層分布亦顯示出了上述特點。

圖3 大同盆地石炭系—二疊系太原組(a)和山西組(b)地層等厚線圖[38]Fig.3 Isopach maps of Carboniferous-Permian Taiyuan Formation (a)and Shanxi Formation (b)in Datong basin [38]

圖4 大同盆地二疊系下石盒子組(a)和上石盒子組(b)地層等厚線圖[38]Fig.4 Isopach maps of the lower Shihezi Formation (a)and the upper Shihezi Formation (b)in Permian Datong basin [38]

中晚侏羅世開始，環(huán)太平洋構(gòu)造體系域活動開始活躍。自中侏羅世開始，由于太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖作用派生出強(qiáng)大的NW—NE向壓應(yīng)力[39]，同時存在板塊的旋轉(zhuǎn)及左旋剪切作用，至中侏羅世晚期進(jìn)入主擠壓階段(170～161 Ma)[40]。在此期間，本區(qū)開始發(fā)育一系列大型NE向褶皺，從斷陷向山區(qū)，由太古宇到侏羅系、白堊系形成了口泉背斜、黃花梁背斜、六棱山背斜、渾源向斜和大磁窯向斜[34](圖5(a))。隨著擠壓作用的增強(qiáng)，NE向褶皺進(jìn)一步發(fā)育，并形成北西翼倒轉(zhuǎn)的緊閉褶皺(圖5(b))。到晚侏羅世晚期本區(qū)西緣的口泉褶皺沿軸部斷裂，形成口泉—鵝毛口大型逆沖推覆構(gòu)造[42](圖5(c)、圖6和圖7)。擠壓作用形成推覆構(gòu)造的同時，本區(qū)以斷塊的形式差異上升，并遭受強(qiáng)烈侵蝕夷平，剝蝕作用一直延續(xù)到侏羅紀(jì)結(jié)束[42](圖5(d))。盡管此時期的剝蝕作用十分強(qiáng)烈，但是在近東西向和北東向兩組褶皺向斜核部的疊加部位，仍然殘留了晚古生代及中生代地層，由此推斷，在大同盆地內(nèi)部口泉一帶和佛堂寺—吉家莊一帶的構(gòu)造疊加部位亦有殘留晚古生代及中生代地層存在的可能。

圖5 大同地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化示意圖Fig.5 Schematic diagrams of geological and structural evolution in Datong area

圖6 大同盆地西緣構(gòu)造帶口泉一帶素描圖[32]Fig.6 Sketch map of the Kouquan segment in the western fault zone of Datong basin[32]O1y.冶里組；O1s.三山子組；C2t.太原組；P1s.山西組；J1y.永定莊組；J2d.大同組；J2y.云崗組

圖7 大同盆地鵝毛口一帶構(gòu)造特征Fig.7 Structural features in the Emaokou segment of Datong basin(a)奧陶系灰?guī)r中的反沖斷層；(b)疊瓦狀逆沖構(gòu)造；(c)早奧陶世灰?guī)r中具有明顯構(gòu)造運動指向的歪斜褶皺

白堊紀(jì)開始，本區(qū)擠壓斷塊上升運動逐漸減弱，拉張運動開始?？谌獢嗔延蓴D壓性質(zhì)轉(zhuǎn)向拉張性質(zhì)，并在地層薄弱地帶形成張性斷層，由于重力作用，懷仁凹陷和后所凹陷兩翼地層產(chǎn)狀逐漸變緩，并接受白堊系地層沉積。早白堊世早期，首先形成一山間盆地，沉積早白堊世義縣組羊頭崖段(圖5(e))；早白堊世晚期，沉積山前沖積扇河湖相泥巖的左云組，晚白堊世早期沉積河湖相的助馬堡組[31](圖5(f))。

在早白堊世，口泉斷裂轉(zhuǎn)換為正斷層，從其東部下降盤上看，在早白堊世，本區(qū)整體處于伸展階段，西部云崗盆地和大同斷陷盆地整體進(jìn)入沉降階段，大面積的接受沉積，能夠與區(qū)內(nèi)普遍出露的地層分布匹配(圖8)。助馬堡組沉積后，大同地區(qū)上升，不再接受沉積，燕山運動結(jié)束。至此研究區(qū)盆地雛形形成，而后進(jìn)入新生代，地質(zhì)構(gòu)造演化進(jìn)入以伸張作用為主的喜山運動階段。新生代整體的構(gòu)造演化認(rèn)識與前人成果基本一致?？傮w沉降的基礎(chǔ)上經(jīng)歷了多次震蕩[44]。新生代的強(qiáng)烈伸展斷陷作用，使得華北地區(qū)形成了以NNE向和NE向為主的“盆山”構(gòu)造體系[44]。對于大同斷陷盆地而言，表現(xiàn)為口泉山、黃花梁凸起，六棱山的形成及抬升加強(qiáng)，后所凹陷、懷仁凹陷、渾源斷階和朔州斷階形成與加深，總體形成與現(xiàn)今相似的“三隆二凹”構(gòu)造格局(圖9(a))。至第四紀(jì)，伸展作用開始減弱，隨著太平洋板塊與印度板塊對華北板塊的擠壓，形成具走滑性質(zhì)的伸展構(gòu)造背景，在大同斷陷盆地表現(xiàn)為，沉降減慢，盆地填平擴(kuò)張，同時走滑作用形成盆地構(gòu)造演化末期的花狀斷裂(圖9(b))。

圖8 大同盆地早白堊世構(gòu)造格局綱要圖Fig.8 Tectonic outline of the Early Cretaceous Datong basin

4 討 論

大同斷陷盆地自早白堊世形成以來，主要經(jīng)歷了燕山運動的中晚期運動，以及喜山的3期運動。每一期的構(gòu)造運動對大同斷陷盆地的影響截然不同，從而塑造出地層多旋回、斷層多期次以及多區(qū)帶性的盆地。

這些構(gòu)造運動形成的地質(zhì)事件可以概括為多期張性斷層活動事件、火山噴發(fā)形成玄武巖事件、后期走滑斷層活動事件和多期沉積間斷剝蝕事件。

多期張性斷層活動事件：區(qū)域兩期主要的構(gòu)造運動——早白堊世的燕山運動和新近紀(jì)的喜山二幕運動產(chǎn)生伸展應(yīng)力，引起口泉斷裂的沉降是斷陷盆地形成的原因。盆地地層厚度的差異表明白堊紀(jì)時期斷裂活動強(qiáng)度中等，沉降速率較為平緩，地層厚度變化小，至新近紀(jì)時期斷層活動強(qiáng)度大，沉積速度快，地層厚度變化巨大，形成典型半地塹的充填結(jié)構(gòu)。

火山噴發(fā)形成的玄武巖事件：在保德組地層的下部，鉆心表現(xiàn)為玄武巖和粉砂巖、泥巖互層。其中玄武巖的形成與保德組時期活動引起的中部大型斷裂DF5有關(guān)，該時期斷層活動強(qiáng)烈，向下貫穿基底，盆地底部的巖漿能夠沿著活動斷裂噴發(fā)，并在其周邊聚集。

后期走滑斷層活動事件：在中更新世晚期，受喜馬拉雅三幕活動的影響，華北地臺普遍具有走滑-伸展應(yīng)力的特征。大同盆地主要表現(xiàn)為在DF5斷層以及緩坡帶周邊形成類似“花狀”斷層，這些斷層一般斷距較小，主要發(fā)生在沉積地層的上部，能夠與下部斷層連通[45](圖10)。

圖10 大同盆地二維地震剖面構(gòu)造解釋及不整合特征(T0—T4為不整合位置,DF5為斷裂)[45]Fig.10 Structural interpretation and unconformity characteristics of two-dimensional seismic profile in Datong basin (T0—T4 showing unconformity position,DF5 denoting a fault)[45]

多期沉積間斷剝蝕事件：沉積地層中，出現(xiàn)多個明顯角度不整合現(xiàn)象，記錄了多次沉積間斷事件。比較典型的沉積間斷面有：基底面不整合，為變質(zhì)巖與沉積巖界面；白堊紀(jì)頂部不整合，其整體地層接觸平穩(wěn)，緩坡部位出現(xiàn)削截，形成角度不整合；保德組頂部不整合，其下部地層強(qiáng)烈掀斜，形成角度不整合，界面上部有上超現(xiàn)象；靜樂組不整合，其上下地層接觸平穩(wěn)，緩坡帶具有很小的角度不整合，西部地層具有上超現(xiàn)象?？偟膩碚f，該區(qū)能夠識別基底、白堊系頂、保德組頂、靜樂組頂和泥河灣組頂5個主要的沉積間斷事件。

總體來看，研究區(qū)白堊紀(jì)時期屬于口泉斷裂活動初期，沉降有限，恢復(fù)剝蝕量后可見地層厚度平穩(wěn)，由西向東略微減薄。在斷層發(fā)育方面，除控盆的口泉斷層外，斷層規(guī)模小，縱向上僅斷穿基底。該時期，沉積地層厚度約3 000 m。

白堊紀(jì)末至古近紀(jì)，受燕山運動末期和喜山一幕構(gòu)造活動影響，盆地地層整體抬升剝蝕，剝蝕厚度達(dá)1 900 m；至中新世中晚期，受喜山二幕構(gòu)造活動影響，鄂爾多斯東部小型盆地開始沉積地層[47]，至大同盆地約2.5 Ma開始沉積地層，與本區(qū)玄武巖年的K/Ar測年數(shù)據(jù)2.01 Ma相對應(yīng)。受伸展應(yīng)力的影響，口泉斷裂及中部斷裂活動強(qiáng)烈，形成一系列小型的正斷層。由于受到構(gòu)造控制，研究區(qū)進(jìn)入西斷東超的斷陷盆地發(fā)育階段。保德組沉積時期屬于強(qiáng)烈斷陷階段，主要斷層活動致使兩盤地層厚度差異巨大。中部構(gòu)造運動引起火山活動，周邊發(fā)育玄武巖，并且使盆地發(fā)生水平扭轉(zhuǎn)式掀斜，東部地層隨著掀斜剝蝕強(qiáng)烈，由西向東地層厚度變化明顯，且頂部出現(xiàn)明顯的角度不整合接觸現(xiàn)象[47]。至靜樂組沉積時期，斷陷活動明顯減弱，除了兩組大斷裂外，其他斷層不活動，盆地開始填平補(bǔ)齊，受古地貌高差較大的影響，靜樂組沉積時期地層西厚東薄的現(xiàn)象仍然明顯。

至第四紀(jì)，盆地開始擴(kuò)展，斷陷湖泊開始連接成大型的河湖沉積體系，地層由之前傾斜地層轉(zhuǎn)變?yōu)槠秸貙樱绺陆y(tǒng)泥河灣組接受沉積，之后受喜山運動三幕的影響，地層整體抬升并接受剝蝕，出現(xiàn)河谷下切的現(xiàn)象[13]。研究區(qū)域受到了伸展及伸展走滑運動的影響，形成類似花狀的正斷層，該時期發(fā)育的斷裂引起東部埋深較小的保德組時期斷裂復(fù)活連通，形成頂?shù)讛嗑啻?、中部斷距小的斷裂；而向盆地中部，由于保德組地層埋深變大，第四紀(jì)斷裂難以向下溝通下部斷裂而形成兩組斷裂。之后，沉積上更新統(tǒng)峙峪組河流相地層(圖11)。

圖11 大同盆地沉積層對比及地震測線構(gòu)造演化剖面圖Fig.11 Sedimentary stratigraphic correlation and tectonic evolution profile of seismic line in Datong basin

綜上所述，大同盆地的充填歷程復(fù)雜，可分為3個構(gòu)造層：白堊系，為初始沉降層；新近系，為快速斷陷層；第四系，為盆地擴(kuò)展坳陷層。3期斷裂發(fā)育期，分別為白堊紀(jì)早期、保德組沉積早期和泥河灣組沉積晚期，以及5個不整合面(圖12)。

圖12 大同盆地地層及構(gòu)造層劃分柱狀圖Fig.12 Stratigraphic and structural framework of Datong basin

5 結(jié) 論

(1)大同盆地發(fā)育地層自下而上包括白堊系義縣組羊投崖段、左云組、助馬堡組；新近系上新統(tǒng)保德組、上新統(tǒng)靜樂組；下更新統(tǒng)泥河灣組、上更新統(tǒng)峙峪組。

(2)大同盆地形成于中生代晚侏羅世末期—早白堊世早期，其構(gòu)造演化可分為白堊紀(jì)箕狀斷陷形成、新近紀(jì)典型箕狀斷陷發(fā)育和第四紀(jì)盆地定型3個階段。該區(qū)充填歷程復(fù)雜，包括：3個構(gòu)造層，分別為白堊紀(jì)初始沉降、新近紀(jì)快速斷陷、第四紀(jì)盆地擴(kuò)展坳陷；3期斷裂發(fā)育期，分別為白堊紀(jì)早期，保德組沉積早期及泥河灣組沉積晚期；五個不整合面。

(3)研究區(qū)在燕山運動以前存在EW向褶皺構(gòu)造，燕山運動后在前期構(gòu)造活動的基礎(chǔ)上繼續(xù)受到NW—SE向的擠壓作用。此后盡管遭受了十分強(qiáng)烈的剝蝕作用，但在近EW向和NE向兩組褶皺向斜核部的疊加部位，仍殘留晚古生代及中生代地層。