山西应县木塔周围的自然环境概况

山西应县木塔周围的自然环境概况 ( )山 西 地 震第 3 —4期 总第9 4 —9 5期 13 —4 No EAR T HQUA KE R ESEARCH IN SHAN XI Oct1 1998 年 10 月 1)山西应县木塔周围的自然环境概况 ))23陈国顺 蕾 贾 摘 要 介绍了山西应县木塔周围的地理位臵 、交通 、地形 、地貌 、水文 、气象等概况 ,综述 了大同盆地的地质与构造 、新构造活动 、深部构造等特点 ,了它们的活动对木塔 可能造成的影响 。 主词 :新构造环境 深部构造 大同盆地 中国图书资料分类号 : X144 1 应县木塔概况 山西应县佛宫寺释迦塔 ,俗称应县木塔 ,是我国现存最古 、最高的一座木构塔式建筑 。规 模宏伟 、建筑奇巧 ,举世罕见 。1961 年国务院将其确定为全国重点文物保护单位 。 应县木塔始建于辽代 ,距今已有 900 多 a 的历史 。塔高 67131 m ,底层直径 30127 m ,呈平 面八角形 。塔身为楼阁式 ,全部用木料构成 。这座高大的木塔 ,无论造型 、建筑艺术 、历史价值 等 ,堪称世界之最 。 应县木塔在 900 多 a 的风风雨雨中 ,经历了大同盆地发生的 7 次中强地震 ,而未受严重破 坏 ,木塔至今巍然屹立 ,创造了建筑抗震史上的奇迹 。然而 ,由于地震 、战火 、风雨雷电以及本 身结构 、材料等多种原因 ,实际上木塔已严重损坏 、倾斜 ,尤其是近 10 多年来木塔变形 、倾斜加 剧 。1989 年 10 月和 1991 年 3 月 26 日大同 —阳高地震时 ,远离震中区的木塔 ,虽处在低烈度 ( ) ?度区内 ,但震后几个月内木塔裂缝不断加大 ,梁柱脱榫 ,塔木开裂脱落 。这说明 ,应县木塔 已经到了非维护修理不可的时候了 。 2 应县地理位置与交通 应县位于山西朔州市辖区的东北部 ,东邻浑源 ,西连山阴 ,北毗怀仁 ,南接繁峙 、代县 。应 ( ) 县县城位于县境中部偏北 ,应县木塔位于应县县城西北隅 见第 43 页图 1,是五台山 、恒山旅 游网中的著名景点之一 ,每逢夏季 ,观光旅游者颇多 。 3 应县地形与地貌 应县位于大同盆地南部 ,呈 WN , ES 向的平行四边形 ,地势南高北低 ,并由南向北倾斜 ,境 内相对高差 1 350 m ,全县可分 4 大地貌单元 ,即 :高大的基岩山区 、黄土丘陵区 、倾斜平原 、冲 洪积平原 。 ) 1国家文物局研究课题 。 ) 2陈国顺作者简介见本期第 39 页 。 ) 3贾 蕾作者简介见本期第 39 页 。 图 1 应县地理位置图 311 高大基岩山区 高大基岩山 系 指 应 县 南 部 山 区 , 以 石 山 为 主 , 东 接 浑 源 , 南 与 繁 峙 、代 县 相 邻 , 东 西 长 38 km ,南北宽 24 km ,相对高差 1 135 m 。整个山区沟壑纵横 、山高坡陡 、植被稀疏 ,平均坡度30?左右 。北部陡峭 ,谷窄而深 ,土层松薄 ,南部稍平缓 ,沟谷开阔 ,缓坡上有较厚的黄土堆积 全区共有 2 332 条沟壑 ,其中 1 km 以上的沟壑 295 条 ,5 km 以上的沟壑 7 条 ,汇集成 9 条较大 的山谷 ,向北延伸至本县平川的有 5 条 。 312 黄土丘陵区 应县的黄土丘陵区 ,包括龙首山 、黄花梁两部分 。龙首山 ,俗称边耀山 ,系龙山山脉 。全山 属黄土丘陵地貌 。最高峰大头顶 ,海拔 1 65019 m 。该区中下部呈黄土沟涧和黄土沟谷形态 南部地段起伏不平 ,与浑河阶地相连 。西部地段倾斜平坦 ,土体干燥疏松 ,山间有 4 条大沟汇 成边耀峪 ,南部和西部又有 4 条大沟 ,水土流失较为严重 。 黄花梁 ,在县境西北部 ,孤耸于应县 、山阴 、怀仁 3 县之间 。全梁属黄土丘陵地貌 ,梁坡黄 土覆盖 ,梁顶玄武岩裸露 ,起伏不平 ,从西北向东南缓慢下降 ,平均坡度 1?,2?,海拔 1 153 m 313 倾斜平原 倾斜平原主要分布在南部山区以下 ,南部山区 42 条沟谷冲出峪口 ,在山前形成数十个大 大小小的洪积扇 ,形成一高一低的波状地形 。洪积扇向山下延伸逐渐过渡为平原 。应县县城 就座落在山前倾斜平原与中部冲洪积平原间的过渡带上 。 314 冲洪积平原 冲洪积平 原 主 要 分 布 在 桑 干 河 、浑 河 流 域 一 带 , 是 一 片 广 阔 的 平 原 。海 拔 983 m , 1 015 m 。在冲洪积平原的低洼地区盐碱化严重 。 4 应县水文与气象 411 水文 应县水文地质分山区基岩裂隙水 、山前洪积冲积扇裙孔隙潜水 、山前倾斜平原孔隙潜水与 承压水 、冲积湖积平原中的孔隙潜水与自流水及半自流水 4 个区 。 412 气象 应县属温带大陆性气候 ,受季风影响 ,四季分明 ,冬季较长 ,春 、夏 、秋相等 。由于地形南高 北低 ,故气候差异显著 。以绝对无霜期可分山 、川两个气候区 : 山区无霜期 90 d,100 d ,平川 ) ) ((区无霜期 130 d,141 d 。近年 ,无霜期最长为 179 d 1978 年,最短为 122 d 1976 年。 应县受太阳照射时间较长 ,日照资源丰富 ,全年累加日照平均时数为 2 84317 h ,其中 5 月 ,9 月为 1 29716 h ,占全年日照时间的 46 % 。 应县气温 ,平均一般在 3 ?,8 ?之间 ,山区平均气温变化在 317 ?,513 ?之间 ,平川地 区 711 ?左 右 。年 平 均 最 高 气 温 1414 ?, 极 端 最 高 气 温 3614 ?。年 平 均 最 低 气 温 - 1018 ?,极端最低气温 - 30 ?。 年平均降雨量为 36019 mm ,年均蒸发量 1 91618 mm ,相当于降雨量的 4 倍至 5 倍 。绝对 () 湿度 ,每平方米年均水气压为 017 k Pa ,相对湿度年均为 53 % 。最高湿度 8 月为 71 % ,最低 1) () 湿度 5 月为 37 %。 5 大同盆地的地质与构造 511 大同盆地概况 大同盆地位于山西断陷带北部 ,由 4 个凹陷和 3 个凸起 7 个次级构造单元组成 ,总体走向() N E 见图 2。 1 —隆起 ; 2 —轻微隆起 ; 3 —凸起 ; 4 —活动断裂 ; 5 —隐伏活动断裂 ; 6 —新生代玄武岩 ; 7 —火山 ; 8 —新生界等厚线( 单位 :m) ; 9 —盆地边界 S—马营庄凹陷 ; S—怀仁凹陷 ; S—阳原凹陷 ; S—阳高凹陷1 2 3 4 L—黄花梁凸起 ;L—丰稔山凸起 ;L —沙板梁凸起 1 2 3 图 2 大同盆地新构造单元图 马营庄凹陷位于大同盆地南部的恒山北麓 , 走向 N E , 新生代断陷深 315 km ,第四纪厚 ) 1应县县志编委会 1 应县县志 11987 年 。 900 m ,是大同盆地断陷最深的部位 。怀仁凹陷位于大同盆地西部 ,走向 N N E ,新生代断陷深 度 212 km ,第四纪厚 600 m ; 阳原凹陷位于盆地东北部 ,走向 N EE ,新生代断陷深度 110 km 黄花梁凸起走向 N EE ,分隔马营庄凹陷和怀仁凹陷 ; 沙板梁凸起走向 N E ,位于怀仁凹陷和阳 原凹陷间 ;丰稔山凸起位于阳原凹陷和阳高凹陷间 ,走向 N E 。 大同盆地是山西断陷带新生代火山活动最主要的地区 ,著名的大同火山群就分布在大同 县东部一带 ,活动时代约为上新世至晚更新世 。 大同盆地的活动断裂主要是 N E ,N EE 和 N W 三组 。N E 和 N EE 向断裂是构成盆地边界 的主要断裂 。它们控制着盆地的形成 、发展 、新构造格局及地震活动 ,此外还有一些隐伏断裂 如 :恒山北麓断裂 ,走向 N50?E,N70?E ,长 116 km ,它控制着马营庄凹陷的形成与发展 ,是盆 地的南界断裂 。口泉断裂 ,走向 N30?E 左右 ,长 71 km ,控制怀仁凹陷 ,是盆地的西界断裂 。阳 高断裂 ,走向 N EE ,控制阳高凹陷 ,是盆地的北界断裂 ,长 70 km 。六棱山断裂 ,自西往东 ,走向 由 N45?E 转向 N EE ,其东段控制阳原凹陷 ,全长 120 km 。 1 512 大同盆地的形成与发展 图 3 是大同盆地钻孔柱状图 。从图中可以看出 ,盆地中间隆起区为古老变质岩 ,两侧如朔 州薛家店和大同县马坊一带为奥陶 、石炭 、二迭等岩层 ,说明盆地形成前盆区是古老背斜 。燕 山运动时 ,背斜因受强烈挤压 ,使其轴部产生许多平行轴向的高角度正断层 。 约在中新世的 中期前 ,可能因盆区东南部的边界断裂及盆内部分断裂所受压力降低 ,首先 在恒山断裂后所至马营庄段开始陷落 ,充填了 1 500 m 厚的河流相物质 。后来 ,沉积面积扩大 , 使其东达北曹山 —义井 ,西至芦家坝 —马邑 ,形成了 N EE 向之条带状分布 ;盆区西北部边界断 裂走向呈 N15?E,N30?E ,由于压力松弛 ,断裂上盘受重力影响下滑 ,在口泉 —鹅毛口一带堆 积约 400 m 的河流相物质 。 中新世晚期或上新世初 ,盆区东南部沉积结束 ,原来物质受到剥蚀 ;西北部沉积继续 ,但速 率转慢 。后来 ,盆区全面受挤盆壳上升 ,沉积间断 ,老的沉积物也受剥蚀出现风化壳 。 上新世时 ,由于区域应力场的改变 ,山西陆台总体下降 ,沉积遍布山西各盆地 。此时盆地 ( )据 217 队钻孔资料编 图 3 大同盆地钻孔柱状图 () ( ) 东南 、西北两区积水成湖 ,沉积了浅灰 、灰绿色 东南部和棕红 、浅褐色 西北部的碎屑物质 , 但该期盆地无明显分异 。 上新世晚期 ,盆区受挤抬升 ,老沉积物又受剥蚀 ,从而进入第四纪 。 第四纪时 ,区域应力场发生周期变化 ,盆地压力也随之改变 ,盆区地壳升降周而复始 ,使 早 、中 、晚更新世和全新世下部出现侵蚀面 ,呈不整合或假整合接触 。地层缺失变薄并形成了 周期性韵律层等 。 513 大同盆地的新构造活动 过去 ,由于历史地震记载较粗 ,对盆地研究程度较浅 ,因此 ,一般认为大同盆地构造活动相 对较弱 ,地震活动水平较低 。近年来 ,由于大同盆地新构造活动和古地震研究的不断深入开 展 ,发现大同盆地新构造活动强烈 ,地震活动水平较高 。这些新研究成果主要集中在下述断裂 带上 。 51311 口泉断裂带 自 1989 年以来 ,山西省地震局曾多次组织科技人员对口泉断裂进行研究 ,1993 年国家地 震局地壳应力研究所阎凤忠同山西省地震局陈国顺 、侯廷爱等 ,对口泉断裂又进行了研究 ,发 现口泉断裂现今活动非常强烈 。在该断裂带上不少地段留有地震断层陡坎 、地震楔 、黄土断层 崖以及地层液化等古地震痕迹 。并且该断裂还错断了二级以上阶地和一些现代小水系 。这 明口泉断裂带是伴随强烈地震现今快速活动的大断裂 。该断裂带总体走向 N N E 、倾向 SE 、倾 角 65?,78?,断层的最新断距达 3100 m 以上 。古地震研究表明 ,在山西地震带中 ,根据这样大 的断层位移量 ,推算古地震的震级大于 7 级 。在口泉断裂带中 ,大于 7 级以上的强烈地震至少 发生过 3 次 ,与沙板梁断裂带的古地震事件一致 。根据口泉断裂带错断的河流阶地所含文化 年代 ,最后一次强震事件发生的时间大约距今 4 000 a 。由于口泉断裂带错断的河流阶地所含 文化年代偏老 ,参照沙板梁一带古地震事件的年代 ,推测口泉断裂带最后一次强震事件发生的 时间 ,可能小于 4 000 a 。 51312 泉寺头与水峪断裂带 泉寺头与水峪断裂带是发育在大同盆地中部的一组现今活动强 烈的断裂带 。该断裂带北 起马铺山 ,向南延伸至黄花梁一带与 N E 向的沙板梁 —黄花梁断裂带相交 。断裂带倾向 N W , 倾角 65?,75?。 该断裂带是在古老背斜轴部形成的一组断裂带 ,泉寺头断裂在西 ,水峪断裂在东 ,中间形 成地垒 。这组断裂在大同市以北出露较多 ,尤其马铺山南部 。从出露的断层剖面看 ,泉寺头断 裂以正断层方式活动 ,水峪断裂以逆断层方式活动 。在马铺山的南延部分见断裂带切断了 Q3 地层 ,断裂带上盘集宁群片麻岩直接逆冲在 Q黄土及砂砾石层物质上 ,使该断裂带呈挤压2 —3 2状 。 由断裂带形成的地垒 ,从马铺山向南若断若续 ,一直延伸至大同市南 。在 60 年代该地垒在大同市南关外还清晰可见 。由大同市向南地垒由高变低 ,并逐渐消失 。 该断裂带南部与沙板梁 —黄花梁断裂带和桑干河大断裂带的交汇部位 ,曾于 1305 年 5 月3 日发生怀仁 615 级地震 。近几年大同市出现的破坏性地裂缝带 ,就是由口泉断裂带与泉寺 头断裂带间的次级 N E 向周村与房子断裂蠕动性活动引起的 。这说明 ,大同市地裂缝带的出 现与大同 —阳高地震一样 ,表明大同盆地的新构造现今仍在活动 ,它必将牵动应县木塔西北部 次级 N E 向断裂的活动 ,因而造成对木塔的不利影响 。 51313 沙板梁 —黄花梁 N E 向断裂带 ( )据山西省地震局地质构造图 、地矿局卫片解释图 、石油地质资料编 图 4 大同盆地第四纪活动构造图 沙板梁是纵贯大同盆地的 N E 向 新隆 起 , 总 体 走 向 N50?E , 全 长 约 60 km 。它北起西坪东北的马蹄山一 带 ,向南西延伸至西坪南被 N W 向现 代活动断裂切割 ,使沙板梁南段开始 降低 ,之后向南西延伸至黄花梁一带 () 与马铺山断裂带相交 见图 4。 沙板 梁 —黄 花 梁 断 裂 带 , 就 发 育 ( )据侯建军等 () 在沙板梁的两侧 见图 5,多年的研究 图 5 大同盆地和浑源盆地横剖面示意图发现 ,沙板梁 —黄花梁断裂带 是 现 今 大同盆地中活动强烈的断裂带之一 。 据侯建军 、陈国顺等研究 ,沙板梁断裂带有下列活动现象 。 5131311 断裂面的滑移错动 这种现象主要见于沙板梁北部西北侧 。断层上盘为太古界桑干群片麻岩 ,下盘为上第三 系红土 。断面光滑 ,倾角 70?,擦痕清晰 。断层面附近见平行的片理现象 。断层两盘的位错主 要是通过沿断层面的滑移实现的 。由于断层两盘的差异运动 ,使断层下降盘的上第三系红土 层发生倾斜 。 5131312 砾石旋转位移 砾石的旋转使断层两盘发生位移 。这种类型的变形位移见于沙板梁南部的西北侧 ,它往 往发生在砾石层中或断层一侧的砾石层内 。断层附近的砾石往往定向排列 。 5131313 砂层中砂粒旋转和粒间位移 在沙板梁南部西北侧的砂层中 ,尤其细砂层中 ,发现许多时隐时现的形变带 。当形变带处 含水较高时 ,则显示出一条清晰的断层线 ;若含水较低时 ,则很难发现这种类型的形变位移带 5131314 粘土层中的柔性变形 在沙板梁南部西北侧砂砾石层下的粘土层中 , 断层面逐渐消失 , 代之以粘土层的“细颈 化”。该粘土层在断层两盘厚度 1 m,2 m ,但在断层作用带内仅 20 cm,30 cm 。这是粘土含 水较高时的一种破裂现象 ;当粘土含水量较低时 ,粘土则表现为脆性破裂 。 沙板梁东侧的断裂活动更新且强烈 ,这条断裂断开了现代坡积物 、全新世黄土和含现代文 化的新堆积物 ,并有地震喷砂 、地震楔 、断层陡坎等地震遗迹 。 514 大同盆地深部地球物理特征 大同盆地的形成 、发展和它的现今构造形态 ,与汾渭地堑系其它断陷盆地一样 ,都是在中 生代末期构造的基础上发展而来的 ,因此 ,大同盆地新构造格架和深部构造及其特征 ,基本上 延续了中生代末期的构造格局 ,并且有了新的发展 。 据前人大量人工地震测深 、航磁 、大地电磁测深 、大地热流测量和布格重力测量等物探工 作及邢集善 、周永娴等的研究成果 ,该区深部构造地球物理特征如表 1 、第 49 页图 6 。 表 1 桑干新断陷区深部构造地球物理特征表 地 球 物 理 特 征 深部构造 人工地震 航磁 、大地 大地热流重力测量 备 注 测 深 电磁测深 测 量 浅部新生界断陷埋 深 0185 由 中 下 太 古 界 集 宁 区为重力低值区 km , 1120 群变 质岩系组成 ,盆地中2 基 底 ( km ; 波 速 大 - 120 m/ s, - 140 部为 N E 向相对隆起带- 5 2 于 5100 km/ s )×10 m/ s 平 均 波 速 5150 km/ s, 6150 km/ s , 上地壳 厚 15100 km 居 里 等 温 低 速 —高 导 层 属 高 上 部 有 5100 , 8100 km km 面 —航 磁 下 界 波速 6130 温塑性软弱带 ,是断陷盆 消 磁 面 埋 深 km/ s , 6140 地边 部 大 断 层 下 部 的 滑 厚的 壳 内 高 导 ( 16100 km , km/ s 低 速 脱面 ,其顶界与居里等温 ( Ω层 2 m , 5 ) 20100 km ,叵以 层 厚 8100 面 —航磁 下 界 消 磁 面 基 中地壳 Ω) m, 它向两侧 本一 致 , 为 相 对 隆 起 带 , km , 10100 570 ?计断陷区 山区 变 薄 至 消 热流 值 高 于 周 km 较周围山区埋深浅 9 km ) 1失,10 km 2)围山区 波速 6170 N E 向隆起 , 隆起霍面呈 反 映 上 地 幔 顶 界 之 莫 下地壳 km/ s , 厚 km/ s , 7150 幅度 3 km , 4 km , 两 侧 斜坡东陡西缓 15100 km , 18100 km 深部为相对重力高值 - 5 2)- 100 ×10m/ s 25 2 ( 40100 km 区 - 90 莫霍面 ×10m/ s, 断陷盆地布格重 2- 5 s, - 140 ×10 m/ 25 力值 - 120 ×10m/ 边部断裂位臵一致 - 5 2 2 重 力 梯 级 带 与 断 陷 10 m/ s, - 120 × s,周围 山 区 : - 90 × 深部断裂 盆地 - 5 2 为重力梯度带 10 m/ s, 二 者 之 间 ) 1国家地震局地质研究所 ,山阴盆地大地电磁测深结果 ,1986 年 。 ) 2邢集善等 1 从地球物理资料论山西地堑系的构造特征 ,1989 年 。 ) 3囿于版面 ,部分符号未按《》要求排印 ,特致歉意 。 图 6 大同盆地构造剖面图 51411 与地表断陷盆地地理位臵相同 ,构造形态相反 ,断陷盆地之下的莫霍面为走向 N E — N EE 的长条状隆起带 ,其埋深 40 km 左右 ,隆起幅度 2 km,4 km ,两侧斜坡东陡西缓 。该新 断陷为深部重力高值区 ,反应上地幔相对隆起与莫霍面一致 。 51412 桑干断陷的居里等温面 —航磁下界消磁面埋深 16 km,20 km ,较两侧山区浅 9 km,10 km ,是地热资源集中分布区 。位于新断陷之下 ,中地壳上部有厚约 5 km,6 km 的低速高 导层 ,该层向 N W ,SE 两侧山区逐渐变薄 ,并渐渐消失 。其他山区仅为低速层 。低速高导 、高 温层为相对隆起带 。 51413 大同断陷盆地为磁高重低区 ,云岗 —平鲁为磁低重高区 。磁高重低反映了断陷盆地基 底为太古界强磁层和盆地中较厚的松散堆积 。 51414 大同断陷盆地的莫霍面及中壳层上部的低速 、高导 、高温层的隆起 ,是断陷盆地形成 发展的构造背景 。 上述大同盆地深部构造地球物理特征 ,对盆地新构造活动具有重要作用 。 6 大同盆地的地震活动性 根据山西省地震局分析预报中心资料 ,自公元 1000 年以来 ,大同盆地共发生 M ?510 地 S 震 13 次 ,其中 615 级地震 3 次 ,6 级地震 1 次 。这些 6 级以上地震全部发生在断陷盆地的凹陷 () 区 2 次 615 级地震发生在怀仁凹陷内 ,1 次发生在阳高凹陷内 ,另一次发生在阳原凹陷内,同时怀仁凹陷还发生 4 次 510 级,518 级地震 。马营庄凹陷沉积最深 ,但无地震记载 。 黄花梁 凸起 、沙板梁凸起 ,恒山隆起区无 5 级以上地震 ,而盆地西缘管芩山隆起区却发生 1 3 了 5 级,5 级地震 2 次 。 2 4 1987 年至 1991 年 ,大同盆地共发生 M ?215 地震 270 次 ,其中 M ?5 地震 5 次 ,即丰镇 L S 1 次 ,大同 —阳高 4 次 ,最大震级 611 级 。它可能说明华北地区应力场和山西地震带的地震活 动已进一步增强 、大同盆地新构造活动的趋势在增大 、应县木塔西侧次级 N E 向断裂可能在继 续活动 。 参 考 文 献 () 1 陈国顺 1 对大同盆地形成过程的几点认识 1 华北地震科学 ,1983 2:24,32 2 刘玉梅 ,孟瑞发 ,胡俊杰等 1 大同机车厂邻区地裂缝研究 1 西安 :陕西科技出版社 ,1991146,59 ( )收稿日期 :1997211223 ,修回日期 :1998205220 ;英文摘要见第 91 页