郯廬斷裂帶江蘇段山左口?泗洪斷裂活動(dòng)特征變化及成因分析

張 浩，李 偉，李麗梅，晏云翔，蔣 新，王金艷，趙啟光，顧勤平，許漢剛

(1.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014；2.中國(guó)地震局 地質(zhì)研究所，北京 100029；3.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

郯廬斷裂帶是中國(guó)東部一條規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的活動(dòng)斷裂，其活動(dòng)方式具有明顯的分段性、多期性及復(fù)雜性，在不同區(qū)段及不同的分支斷裂上表現(xiàn)為不同的活動(dòng)特征[1-2]。有歷史紀(jì)錄以來(lái)，該斷裂帶上曾發(fā)生了多次 7 級(jí)以上大地震，如1668 年7 月25 日山東郯城8.5 級(jí)大地震，1888 年6 月13 日渤海7.5 級(jí)地震，1969 年7 月14 日渤海中部7.4 級(jí)地震，1975 年2 月24 日遼寧海城7.3 級(jí)地震[3]。張繼紅[4]、翁愛(ài)華[5]等通過(guò)大地電磁測(cè)深工作，表明郯城地震的震中可能位于昌邑?大店斷裂(江蘇段稱(chēng)為山左口?泗洪斷裂)和白芬子?浮來(lái)山斷裂的接觸部位，震源深度可能為15 km。因此，確定山左口?泗洪斷裂的活動(dòng)特征對(duì)分析未來(lái)郯廬斷裂帶的潛在震源位置具有重要意義。

郯廬斷裂帶是華北地塊與楊子地塊和蘇魯造山帶的邊界構(gòu)造帶，其形成機(jī)制與演化過(guò)程和華南板塊與華北板塊的碰撞造山作用有很大的關(guān)系[6-7]。郯廬斷裂帶是一個(gè)構(gòu)造面形態(tài)隨深度變化、斷層傾角近于直立、由多條斷裂組成的大型“花狀”構(gòu)造，且組成郯廬斷裂帶的各條主干斷裂表現(xiàn)出張性、壓性、扭性結(jié)構(gòu)面共存的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[8]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)郯廬斷裂帶及郯城8.5 級(jí)大地震開(kāi)展了大量的研究，研究重點(diǎn)主要集中在安丘?莒縣斷裂[9-10]，而對(duì)郯廬斷裂帶東邊界斷裂研究則相對(duì)較少。劉備等[11]通過(guò)天然露頭剖面認(rèn)為郯廬斷裂帶江蘇段山左口?泗洪斷裂(以下稱(chēng)為F1斷裂)為晚更新世活動(dòng)斷層。曹筠等[12]通過(guò)宿遷市淺層地震勘探及跨斷層鉆孔聯(lián)合剖面認(rèn)為F1斷裂為前第四紀(jì)斷層。徐建國(guó)等[13]在山東境內(nèi)采用地面調(diào)查、物探及鉆探工作認(rèn)為F1斷裂為晚更新世活動(dòng)斷層。顧勤平等[14]通過(guò)新沂市中深層地震勘探及淺層地震勘探認(rèn)為F1斷裂為早中更新世斷裂。綜合前人研究可知，F(xiàn)1斷裂最新活動(dòng)時(shí)代具有分段性，其活動(dòng)時(shí)代變化的位置及原因尚未深入研究?；诖?，針對(duì)F1斷裂開(kāi)展了野外地質(zhì)調(diào)查、淺層地震勘探以及鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面等系統(tǒng)工作，對(duì)該斷裂的活動(dòng)性及其變化原因進(jìn)行了深入分析和討論，以期為研究郯廬斷裂帶各分支斷裂活動(dòng)性變化提供重要參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

郯廬斷裂帶依據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)和活動(dòng)性自北向南可分為4 段(圖1a)，分別為Ⅰ鶴崗?鐵嶺段、Ⅱ下遼河?萊州灣段、Ⅲ濰坊?嘉山段和Ⅳ嘉山?廣濟(jì)段[15]。其中濰坊?嘉山段是郯廬斷裂帶活動(dòng)最為強(qiáng)烈的部分[16-18]。郯廬斷裂帶江蘇段主要由5 條分支斷裂組成(圖1b)，分別為山左口?泗洪斷裂(F1)、新沂?新店斷裂(F2)、墨河?凌城斷裂(F3)、紀(jì)集?王集斷裂(F4)和安丘?莒縣斷裂(F5)。其中F1? F4斷裂構(gòu)成“兩塹夾一壘”的構(gòu)造格局，F(xiàn)1斷裂為郯廬斷裂帶江蘇段的東邊界斷裂，斷裂東側(cè)基巖為太古?元古片麻巖，斷裂西側(cè)為白堊系砂巖。F1斷裂經(jīng)歷了郯廬斷裂帶整個(gè)演化過(guò)程，早白堊紀(jì)至古近紀(jì)，因中國(guó)東部大陸的伸展活動(dòng)，F(xiàn)1斷裂以左旋走滑兼具拉張活動(dòng)為主，沉積了巨厚的白堊系砂巖，古近紀(jì)末，中國(guó)東部發(fā)生了一次區(qū)域性擠壓事件，結(jié)束了郯廬斷裂帶上的伸展活動(dòng)。第四紀(jì)以來(lái)，郯廬斷裂帶整體以右旋走滑為主[11]。

圖1 山左口?泗洪斷裂構(gòu)造分布Fig.1 Distribution of the Shanzuokou-Sihong fault

F1斷裂自江蘇境內(nèi)的山左口一帶，向南西延伸，經(jīng)后皇城、新沂市區(qū)至宿遷一帶，總體走向北東10°～15°，傾角40°～60°，呈隱伏狀態(tài)，在北馬陵山東側(cè)出露地表。沿F1斷裂兩側(cè)第四系較薄，最厚約20 m，自上而下可分為：全新統(tǒng)(Q4)灰黑色黏土；上更新統(tǒng)(Q3)棕黃、青灰色黏土；中更新統(tǒng)(Q2)灰黃色黏土夾黑色鐵錳結(jié)核；下更新統(tǒng)(Q1)灰黃色中粗砂、中細(xì)砂。

2 研究方法

根據(jù)地形、地貌及第四系厚度等地質(zhì)條件，選擇在斷層出露區(qū)采用野外地質(zhì)調(diào)查，在斷層隱伏區(qū)采用淺層地震勘探結(jié)合鉆孔聯(lián)合剖面，確定斷裂的具體展布和活動(dòng)特征。

1)淺層地震勘探

淺層地震反射勘探是探測(cè)隱伏斷層最有效的地球物理探測(cè)方法之一，在各大城市的活斷層探測(cè)工作中得到了廣泛應(yīng)用[19]。依據(jù)前人對(duì)郯廬斷裂帶填圖成果，以及淺層地震勘探對(duì)場(chǎng)地條件的要求，在太平村山水大道布設(shè)XYL2 測(cè)線(圖1b)，揭露F1斷裂在新沂市的幾何結(jié)構(gòu)和斷層性質(zhì)。

數(shù)據(jù)采集。通過(guò)試驗(yàn)，選擇使用美國(guó)SI 公司生產(chǎn)的S-Land 地震儀，檢波器固有頻率為40 Hz，震源為18 噸縱波M-18 型可控震源，實(shí)際掃描頻率20～160 Hz。該測(cè)線采用縱波反射波施工，3 m 檢波點(diǎn)距，120 道接收，20 次覆蓋，采樣率0.5 ms，采樣長(zhǎng)度1 024 ms，中間激發(fā)、兩側(cè)對(duì)稱(chēng)接收。

數(shù)據(jù)處理。資料的分析處理主要包括預(yù)處理、濾波、靜校正、振幅補(bǔ)償、常速掃描、速度譜分析、動(dòng)校疊加、畸變切除、修飾性處理及剖面輸出等基本流程，處理順序及內(nèi)容則按任務(wù)的需求進(jìn)行合理選擇。

2) 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面

根據(jù)淺層地震勘探結(jié)果，在斷點(diǎn)兩側(cè)開(kāi)展鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測(cè)。鉆孔布設(shè)采用對(duì)折定位方法[20-21]，最小孔間距不大于10 m。探測(cè)結(jié)果主要是對(duì)淺層地震勘探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證及揭露F1斷裂活動(dòng)性質(zhì)及活動(dòng)時(shí)代。斷裂活動(dòng)性質(zhì)主要依據(jù)標(biāo)志地層的對(duì)比進(jìn)行分析，標(biāo)志層應(yīng)特征明顯，容易識(shí)別。斷裂活動(dòng)時(shí)代依據(jù)鉆孔聯(lián)合剖面揭露的斷層斷錯(cuò)地層和上覆地層的年代進(jìn)行限制。

3 結(jié)果

3.1 北馬陵山天然露頭

北馬陵山東側(cè)東海顏場(chǎng)可見(jiàn)F1斷裂(圖2a)，白堊系王氏組(K2w) 砂礫巖與東側(cè)花崗巖(燕山期)、片麻巖(Ar)的界線明顯，基巖出露地表。大解莊西露頭(圖2b)可見(jiàn)斷裂西側(cè)砂巖向東逆沖，傾向向西。后黃古城南天然露頭顯示F1斷裂上斷點(diǎn)進(jìn)入上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)，為晚更新世活動(dòng)斷層[11]。綜合北馬陵山東側(cè)F1斷裂沿線地貌及露頭特征可知，白堊紀(jì)郯廬斷裂帶屬于拉張沉積環(huán)境，F(xiàn)1斷裂西側(cè)沉積了巨厚的白堊紀(jì)砂礫巖，古近紀(jì)至第四紀(jì)早期以來(lái)，郯廬斷裂帶整體處于擠壓環(huán)境，F(xiàn)1斷裂西側(cè)砂礫巖向東逆沖(圖2b)。第四紀(jì)中晚期，F(xiàn)1斷裂以右旋走滑兼具正斷活動(dòng)為主(圖2c)。

圖2 F1 斷裂天然露頭剖面Fig.2 Sections of field outcrops of fault F1

3.2 淺層地震勘探

XYL2 測(cè)線在太平村山水大道揭露F1斷裂，上斷點(diǎn)位于樁號(hào)15 637 處(圖3)，斷層傾向W，視傾角較陡，基巖頂面反射波同相軸在樁號(hào)15 637 處有明顯的錯(cuò)斷、擠壓隆起，視斷距較小。沿該測(cè)線，高分辨率折射層析剖面顯示在樁號(hào)15 637 附近斷點(diǎn)西側(cè)基巖P 波速度約為2 500 m/s，結(jié)合鉆孔資料確定為王氏組砂巖，東側(cè)基巖P 波速度約為4 500 m/s，為太古界?元古界片麻巖(圖4)[14]。

圖3 XYL2 測(cè)線疊加時(shí)間剖面圖Fig.3 Seismic time-stacked section of survey line XYL2

圖4 XYL2 測(cè)線地震折射層析結(jié)果[14]Fig.4 Seismic refraction tomography results of survey line XYL2 [14]

3.3 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面

跨F1斷層鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面沿XYL2 測(cè)線15 637 樁號(hào)兩側(cè)布設(shè)(圖5)，該剖面西約1 km 為南馬陵山，東側(cè)1.2 km 為沭河，沉積地層受沭河河流作用與南馬陵山洪積作用影響。

圖5 XYL2 測(cè)線動(dòng)校疊加時(shí)間剖面和鉆孔布置Fig.5 Seismic time-stacked section time profile after normal moveout correction and borehole layout along survey line XYL2

根據(jù)新沂市城市活動(dòng)斷層探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鉆孔資料及鉆孔巖心可知(圖6)，全新統(tǒng)底界深度范圍為1.5～1.9 m，主要巖性為褐黃色、灰黑色黏土和粉砂質(zhì)黏土，偶夾黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，軟塑。中、上更新統(tǒng)底界深度范圍為5.9～7.3 m，主要巖性為灰黃色、黃灰色黏土，黑色鐵錳結(jié)核斑點(diǎn)密集分布。下更新統(tǒng)底界深度為12.3～14.6 m，主要巖性為灰黃色、黃色中粗砂，夾灰色黏土薄層。東側(cè)2 個(gè)鉆孔(ML1 和ML7)揭露的基巖為太古界?元古界片麻巖，西側(cè)1 個(gè)鉆孔(ML3)揭露的基巖為王氏組砂巖，中部4 個(gè)鉆孔揭露的地層為砂巖與片麻巖混合巖。根據(jù)基巖巖性分析，F(xiàn)1斷裂由2 條分支斷層組成，其中F1-1為主斷層，斷層?xùn)|側(cè)為太古界?元古界片麻巖。

圖6 跨F1 斷層鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面Fig.6 Cross-well stratigraphic correlation spanning across fault F1

由鉆孔聯(lián)合剖面可知(圖6)，F(xiàn)1-1斷層兩側(cè)下更新統(tǒng)中粗砂層底界斷錯(cuò)約1.3 m，斷層兩側(cè)ML4 和ML7鉆孔在5.0～6.2 m 黏土顏色明顯不同，ML4 鉆孔以青灰色為主，夾黑色鐵錳顆粒，ML7 鉆孔以灰黃色為主，不存在黑色鐵錳顆粒(圖7)；在6.2～8.0 m 深度范圍內(nèi)，ML7 鉆孔以中粗砂為主，ML4 鉆孔以中細(xì)砂為主。以青灰色黏土夾黑色鐵錳結(jié)核作為標(biāo)志地層①，結(jié)合斷層傾向，可以認(rèn)為，F(xiàn)1斷裂在早更新世末期以走滑兼具正斷活動(dòng)為主，上斷點(diǎn)距地表4～5 m，為中更新世斷裂。

圖7 F1-1 上斷點(diǎn)兩側(cè)地層對(duì)比Fig.7 Correlation of strata on both sides of the upper cutoff point on fault F1-1

3.4 嶂倉(cāng)村小學(xué)地質(zhì)剖面

本次野外地質(zhì)調(diào)查中，在嶂倉(cāng)村小學(xué)基坑新發(fā)現(xiàn)一條斷裂帶(本文中命名為F9嶂倉(cāng)村小學(xué)斷裂帶)，位于郯廬斷裂帶F1斷裂與安丘?莒縣斷裂(以下稱(chēng)為F5斷裂)之間。該斷裂帶由2 條分支斷層組成，斷裂總體走向NE70°(圖8a)，傾角80°。斷裂帶寬約3.4 m，帶內(nèi)為晚更新世灰黃色黏土，兩側(cè)為白堊系王氏組紫紅色砂巖，斷層附近砂巖呈破碎狀，在斷層上部覆蓋有厚約30 cm 的全新世灰黑色黏土層(圖8b)，該套黑灰色黏土層年齡為(3 920±30) a BP[22]。根據(jù)兩條分支斷層的產(chǎn)狀及地層特征，該條斷裂帶是在近東西向拉張條件下形成，最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世至全新世早期。

圖8 嶂倉(cāng)村小學(xué)地質(zhì)剖面Fig.8 Geological section at the Zhangcang Primary School

4 討論

朱艾斕等[23]根據(jù)震源機(jī)制解反應(yīng)的深部應(yīng)力環(huán)境表明，在郯城?新沂段深部應(yīng)力環(huán)境以走滑和正斷為主，主應(yīng)力方向在北東向，宿遷段主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向。正是在此區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景下，郯廬斷裂帶第四紀(jì)以來(lái)以右旋走滑運(yùn)動(dòng)為主，在斷裂帶內(nèi)部形成了系列的丘陵山體，在郯廬斷裂帶江蘇境內(nèi)主要包括北馬陵山、南馬陵山、嶂山及重崗山，其中北馬陵山東側(cè)為F1斷裂，西側(cè)為F5斷裂，東南側(cè)為F9斷裂。F5斷裂為全新世活動(dòng)斷層，在北馬陵山表現(xiàn)為走滑兼具逆沖活動(dòng)(圖9a、圖9c)，局部剖面可見(jiàn)王氏組砂巖近水平覆蓋于西側(cè)晚更新世黏土層上(圖9d)，可以認(rèn)為北馬陵山第四紀(jì)以來(lái)受構(gòu)造影響處于抬升中[24]。F9斷裂為晚更新世至全新世早期活動(dòng)斷層。

圖9 安丘?莒縣斷裂北馬陵山露頭Fig.9 Field outcrops of the Anqiu-Juxian fault at the North Maling Mountain

F1斷裂是郯廬斷裂帶的東邊界斷裂，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為分段活動(dòng)。該斷裂在山東至北馬陵山東為晚更新世活動(dòng)斷裂[11,13]，在新沂市和宿遷市為早?中更新世斷裂[12,14]。綜合分析北馬陵山周緣斷裂可知，F(xiàn)5斷裂東側(cè)、F9斷裂西北側(cè)與F1斷裂西側(cè)地塊處于向西逆沖活動(dòng)狀態(tài)，使北馬陵山第四紀(jì)以來(lái)持續(xù)抬升，同時(shí)在F9斷裂形成了近3.4 m的斷裂帶寬度。F9斷裂與F1斷裂交匯于嶂倉(cāng)村東北，F(xiàn)1斷裂以嶂倉(cāng)村東北分為南北兩段，北段為晚更新世活動(dòng)斷裂，南段為中更新世斷裂。結(jié)合北馬陵山的抬升及周緣斷裂的最新活動(dòng)時(shí)代，北段晚更新世以來(lái)活動(dòng)量可能調(diào)整至F9斷裂(圖10)。

圖10 北馬陵山抬升機(jī)制及F1 斷裂活動(dòng)分段Fig.10 Uplift mechanism of the North Maling Mountain and the activity segmentation of fault F1

5 結(jié)論

a.F1斷裂出露區(qū)西側(cè)白堊系王氏組(K2w)砂礫巖與東側(cè)花崗巖(燕山期)、片麻巖(Ar)的界線明顯，隱伏區(qū)F1斷裂由2 條分支斷層組成，傾向向西，傾角較陡，上斷點(diǎn)距地表4～5 m。斷裂白堊紀(jì)郯廬斷裂帶屬于拉張沉積環(huán)境，F(xiàn)1斷裂西側(cè)沉積了巨厚的白堊紀(jì)砂礫巖；古近紀(jì)至第四紀(jì)早期轉(zhuǎn)化為擠壓環(huán)境，F(xiàn)1斷裂西側(cè)砂礫巖向東逆沖；早更新世末期以來(lái)，F(xiàn)1斷裂以走滑兼具正斷活動(dòng)為主。

b.根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查、淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面結(jié)果，F(xiàn)1斷裂以嶂倉(cāng)村東北分為南北兩段，北段為晚更新世活動(dòng)斷裂，南段中更新世斷裂。結(jié)合北馬陵山的抬升及周緣斷裂的最新活動(dòng)時(shí)代，北段晚更新世以來(lái)活動(dòng)量可能調(diào)整至F9斷裂。

c.北馬陵山第四紀(jì)以來(lái)處于持續(xù)抬升狀態(tài)，其形成機(jī)制主要是，F(xiàn)5斷裂、F1斷裂和F9斷裂所圍限的地塊向西抬升。