郯廬斷裂帶江蘇段東地塹邊界斷層第四紀活動性

曹筠 冉勇康 許漢剛 李彥寶馬興全 張鵬 李麗梅

1）河北省地震局，石家莊市槐中路262號 050021

2）中國地震局地質(zhì)研究所（活動構造與火山重點實驗室），北京市朝陽區(qū)華嚴里甲1號 100029

3）江蘇省地震局，南京 210014

0 引言

斷層第四紀活動性是斷層沿線區(qū)域地震危險性評價工作中最重要的參數(shù)之一，也是完整了解斷層演化過程的重要基礎。郯廬斷裂帶（以下簡稱郯廬帶）是中國東部重要的活動構造帶，其魯蘇段是華北平原地塊與膠遼地塊和蘇魯造山帶的邊界構造帶，也是1668年郯城級地震的發(fā)震構造（高維明等，1988；Deng et al，2003）（圖 1）。郯廬帶魯蘇段沿線地區(qū)是我國人口稠密、經(jīng)濟富裕地區(qū)，防震減災工作責任重大。因此，正確認識郯廬帶魯蘇段主邊界斷裂第四紀活動性既是回答郯廬帶的演化歷史和地震活動性等科學問題的基礎依據(jù)，也可為精準部署我國重點監(jiān)視防御區(qū)提供科學參考。

東地塹邊界斷層是組成郯廬帶魯蘇段“兩塹夾一壘”構造框架的重要邊界斷層，尤其是東地塹的東邊界斷層是郯廬帶與蘇魯造山帶的邊界斷層，因此有關東地塹邊界斷層的研究意義不容忽視。以往研究工作主要集中在有歷史地震記錄的山東段，而由于江蘇段東地塹的兩邊界斷層基本上處于隱伏狀態(tài)，長期以來有關這兩支斷層的第四紀活動性尚無明確定論（鄧起東等，2007）。隨著近年研究工作的不斷深入，Liu等（2015）依據(jù)野外露頭和光釋光測年技術認為，由于郯廬帶江蘇段除斷裂帶西邊界斷層（F4）未找到露頭，推測其為早第四紀斷層，其余主干斷層均為晚更新世-全新世活動斷層，并認為郯廬帶全新世活動斷層為東地塹的東邊界斷層，這與以往的認識有很大不同（晁洪太等，1994；李家靈等，1994；鄧起東等，2007），也與近年江蘇的詳細工作有所出入（曹筠，2015；張鵬等，2015；曹筠等，2017）。由于郯廬帶江蘇段沿線露頭剖面少，大部分地區(qū)斷層位于隱伏區(qū)，光釋光結果又得到一個很寬泛的年齡區(qū)間，所以可能還需更詳盡且確切的資料來約束江蘇段東地塹邊界斷層的第四紀活動性。

圖1 郯廬斷裂帶江蘇段構造略圖（a）及區(qū)域構造圖（b）（據(jù)鄧起東等（2007））

目前研究隱伏斷層活動性的有效方式之一是淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面相結合的方式（柴熾章等，2006；曹筠等，2015），本文利用這一綜合探測手段開展了郯廬帶江蘇段東地塹邊界斷層第四紀活動性研究。結合郯廬帶江蘇段斷層第四紀活動規(guī)律，探討郯廬帶江蘇段東地塹的活動特征和魯蘇沂沭斷裂帶斷層自第四紀以來的活動習性。

1 郯廬斷裂帶江蘇段地質(zhì)概述

依據(jù)郯廬帶新生代以來的構造特點、演化歷史和地震活動性等特點，將其分為東北鶴崗-鐵嶺段、下遼河-萊州灣段、魯蘇沂沭段和大別山-廣濟段（鄭朗蓀等，1988；李家靈等，1994）。白堊紀形成的四條NNE向主干斷層（F1-F4）控制魯蘇沂沭段形成“兩塹夾一壘”的構造樣式（萬天豐等，1996；張岳橋等，2008；Zhu et al，2010），即由昌邑-大店斷裂（F1）和白芬子-浮來山斷裂（F2）控制的東地塹以及沂水-湯頭斷裂（F3）和鄌郚-葛溝斷裂（F4）組成西地塹邊界斷層。第四紀以來，魯蘇沂沭帶的主要活動斷層是東地塹內(nèi)的NNE向的安丘-莒縣斷裂（F5）。

郯廬帶江蘇段的幾條主干斷層（F1-F5）近平行展布且被兩條主要的NW向斷層（F6、F7）所斷錯（圖1、2），東地塹東邊界斷層昌邑-大店斷裂（F1）經(jīng)北馬嶺山、南馬陵山、宿遷、泗洪至淮河岸邊，總體走向 N5°～10°E，傾向 NW；西邊界斷層白芬子-浮來山斷裂（F2）經(jīng)新沂祁園、新店、駱馬湖，至雙莊-龍河集一帶，總體走向 N5°～10°E，傾向 SE。這兩支邊界斷層在郯廬帶江蘇段均被第四系所覆蓋，極少有斷層露頭剖面。

圖2 郯廬斷裂帶江蘇段剖面（據(jù)李起彤（1994）、曹筠等（2017））

郯廬帶魯蘇沂沭段在白堊紀時期受伸展作用影響形成“兩塹夾一壘”的構造樣式，斷裂帶內(nèi)中生代碎屑巖沉積厚達數(shù)千米，而斷裂東側則缺失大部分古、中生代地層。白堊系在斷裂帶沿線發(fā)育較完整且不整合于侏羅系及以下地層之上，以陸相碎屑巖為主的青山組（K1q）和王氏組（K2w）在斷裂帶沿線的高處有所出露。青山組大致可分作兩段，上部以火山巖為主，主要是深灰色、紫紅色等安山玄武巖、角礫熔巖并夾集塊巖、火山角礫巖、凝灰質(zhì)礫巖，含礫凝灰?guī)r及泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)礫巖；下部以碎屑巖為主，主要是灰、深灰、灰綠色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及細粒砂巖、泥巖，局部夾頁巖、礫巖和玄武安山巖，常見緩波狀層理，常含鈣質(zhì)。王氏組是一套紅、棕紅色陸相砂、礫巖層。常呈韻律出現(xiàn)，部分礫巖呈透鏡狀，局部夾頁巖、粉細砂巖、泥巖。新生代以來東、西地塹中沉積了火山巖和陸相碎屑巖，古近紀時期受區(qū)域隆升作用控制，郯廬帶江蘇段形成平原中的島狀殘丘，地層抬升剝蝕。新近紀斷裂帶受太平洋板塊俯沖弧后拉張作用，江蘇南段沿線沉積下草灣組（N1x）、北段主要發(fā)育宿遷組（N2s）。下草灣組為一套淺綠、紅色泥巖。由于基底斷裂構造的升降差異，沉積厚度差異很大。宿遷組主要為灰白、灰綠色中粗砂，灰綠、棕黃色黏土，含礫亞黏土及灰黃、棕黃色粉細砂層。宿遷及其北部馬陵山沿線地區(qū)宿遷組厚50～80m。第四系下更新統(tǒng)豆沖組（Q1p）以黃灰、灰白色砂、砂礫為主，具有大型斜層理；厚度與埋深由丘、崗頂部向溝谷坳陷內(nèi)逐步增加。中更新統(tǒng)泊崗組（Q2p）以棕紅色粉砂質(zhì)黏土、棕紅色黏土為主，局部含礫姜結石。上更新統(tǒng)戚咀組（Q3p）以棕黃色、灰黃色粉砂質(zhì)黏土和中細砂為主，下部為黃棕色、桔黃色礫石層，鈣質(zhì)結核富集成層，偶含鐵錳結核。全新統(tǒng)（Qh）以灰黑色、灰色粉砂質(zhì)、質(zhì)軟黏土為主（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984）。更新統(tǒng)厚度與該時期水系分布及新構造活動密切相關。

2 郯廬斷裂帶江蘇段東地塹邊界斷層第四紀活動性

2.1 淺層地震反射剖面證據(jù)

為全面了解郯廬帶江蘇段東地塹內(nèi)斷層在淺部的構造特征，布設1條淺層地震長測線TL（圖1、3），測線顯示東地塹幾條斷層在淺部都表現(xiàn)為高傾角斷層且存在明顯的活動性差異，兩邊界斷層傾向相反，均表現(xiàn)為正斷性質(zhì)，形成斷裂帶的東地塹。反射界面T3－1和T4在CDP＃2966處不連續(xù)，東側相對抬升，兩側巖性的發(fā)射波信號存在差異，依據(jù)區(qū)域反射波波速與巖性對比特征（許漢剛等，2016），昌邑-大店斷裂（F1）斷錯太古代地層與白堊系青山組，但宿遷組頂部的反射界面T2只是受到擾動而無明顯斷錯，是否斷錯在淺層地震勘探范圍內(nèi)難以區(qū)分。白芬子-浮來山斷裂（F2）在CDP＃498處不連續(xù)，反射界面 T3－2兩側存在約 20ms的時差，向上幅度斷距減少，表現(xiàn)為西高東低的正斷層性質(zhì)，斷層斷錯第四系，但具體是否斷錯T1-2，晚更新世以來是否有過構造運動，則由于剖面頂部信號較差而難以區(qū)分。

圖3 郯廬斷裂帶江蘇段東地塹淺層地震反射時間剖面

郯廬帶江蘇段多條探測東地塹邊界斷層的淺層地震測線剖面均清晰顯示同相軸被斷錯特征，且斷點附近繞射波發(fā)育（圖4）。TL1剖面中反射界面 T3－1與 T4在樁號1458m處不連續(xù)，且在相接處同相軸呈分叉特征，顯示正斷性質(zhì)。剖面TL2中T3－1和T4反射界面相交處被斷錯，且兩側巖性反射波存在明顯差異，斷距較小，呈正斷性質(zhì)。剖面TL3中在樁號2100m處T3－1和T4反射界面不連續(xù)，西側同相軸呈傾狀，東側平坦，總體呈正斷性質(zhì)。TL4剖面中T3－1和T4反射界面在樁號4006m處不連續(xù)，兩側同相軸存在約10ms的時差，T2反射界面受到斷層擾動，呈正斷性質(zhì)。幾條剖面均顯示昌邑-大店斷裂（F1）斷錯太古代地層與白堊系，斷層西傾，為60°以上的高傾角斷層，斷距不大，呈正斷性質(zhì)。剖面中斷層向上延伸有可能擾動宿遷組頂面，但晚更新世以來地層連續(xù)，斷層最新活動時代不晚于第四紀早期。TL5剖面中T3－1反射界面在樁號1784m處被斷錯，兩側存在約10ms的時差，T2反射界面同樣被斷錯，只是斷距變小，上斷點終止于 T1－2和 T2之間，斷層東傾，呈正斷性質(zhì)。剖面 TL6中 T3－1和 T2反射界面在樁號386m處被斷錯，斷層東傾，呈正斷性質(zhì)。TL7剖面中 T3－1反射界面在樁號634m處被斷錯，斷點西側反射波呈明顯弧形下傾，斷層兩側斷距較小，斷層東傾，呈正斷性質(zhì)。物探剖面解釋白芬子-浮來山斷裂走向約N15°E，斷層東傾，約60°以上的高傾角斷層。在淺層地震剖面內(nèi)顯示斷層兩側地層呈明顯的整體斷錯，但T1-2反射界面較連續(xù)，因此斷層最新活動時代可能是第四紀早期。

圖4 郯廬斷裂帶江蘇段東地塹邊界斷層典型淺層地震勘探測線剖面及解釋圖

2.2 鉆孔聯(lián)合剖面證據(jù)

依據(jù)淺層地震勘探確定的東地塹兩邊界斷層的斷層形態(tài)和斷點位置，沿測線TL2和平行測線TL6布設了2排鉆孔聯(lián)合剖面來準確確定斷層第四紀活動性。

2.2.1 沿TL2測線的鉆孔聯(lián)合剖面

在測線TL2的樁號2020和3250處布設鉆孔Hh1＃和Hh2＃作為剖面的西端和東端，在兩孔間先后實施 Hh3＃、Hh4＃。剖面長 1230m（圖 5、6）。

圖5 沿測線TL2鉆孔聯(lián)合剖面位置

鉆孔聯(lián)合剖面揭示2＃和4＃的宿遷組不整合于基底片麻巖之上，符合郯廬帶江蘇段以東構造地層特點（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984），1＃揭示宿遷組不整合于青山組之上。物探TL2剖面解譯（圖4）斷層發(fā)育在青山組與太古界-元古界之間，判斷斷層位于鉆孔剖面中，1＃和4＃的基巖落差有7.5m，2＃和4＃間基巖落差接近1m，1＃與4＃間基巖落差斜率更大且符合物探剖面解譯斷層結果，因此斷層位于1＃和4＃之間。層（5）的底界在整個剖面中變化不大，因此可以作為限定斷層斷錯的上限。宿遷組頂面在1000多米范圍內(nèi)（1＃至2＃）沒有什么變化，測線TL2解譯成果也顯示并斷層未斷錯宿遷組頂面和第四系，因此昌邑-大店斷裂在第四紀以來沒有構造運動證據(jù)，為前第四紀斷層。

2.2.2 平行于TL6測線的鉆孔聯(lián)合剖面

綜合考慮測線TL6周圍場地情況，沿物探推測的斷層走向平移北約60m處布設鉆孔聯(lián)合剖面，在對應于樁號431m和341m處布設鉆孔GS1＃和GS2＃作為剖面的東端和西端。參考對折定位方法（雷啟云等，2011；曹筠等，2015），在兩孔之間先后實施孔 GS3＃、GS4＃、GS5＃、GS6＃，剖面長 90m（圖 7、8）。

圖6 沿TL2測線鉆孔聯(lián)合剖面

從鉆孔剖面揭露地層以及地層展布趨勢判斷，GS3＃以東鉆孔與GS5＃以西鉆孔在層（1）～（6）之間存在明顯的位錯，尤其是宿遷組頂面位錯，因此判斷斷層位于剖面中。比對宿遷組層位位錯與孔距的斜率，3＃和5＃之間為最大，判斷斷層位于3＃和5＃之間，層（7）的底界在除2＃以外的鉆孔均在62m，可以作為斷層上斷點的上限。層（1）～（6），隨深度增加斷距不斷變大，且3＃以東鉆孔的層（2）～（3）、層（4）～（5）是兩套從深水過渡至淺水的沉積旋回，同構造沉積的生長地層，而5＃以東的地層因處于正斷層下盤，僅存在淺水沉積物。結合物探TL6解譯結果（圖 4），白芬子-浮來山斷裂斷錯層（1）～（6）。

圖7 平行于TL6鉆孔聯(lián)合剖面鉆孔位置

2.2.3 地層年代和斷層活動性

依據(jù)該區(qū)域最新第四紀地層剖面研究結果①中國地質(zhì)大學（北京）等，2013，“宿遷市活動斷層探測與地震危險性評價”子專題3“標準鉆孔探測與第四紀地層剖面建立”成果報告以及區(qū)域地層研究成果（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984；安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987），以標準巖性地層對比鉆孔剖面中各地層單元。沿測線TL2鉆孔剖面中2＃為最新區(qū)域第四紀地層研究成果中的標準孔，平行于測線TL6的鉆孔剖面與區(qū)域最新第四紀地層研究成果中標準孔同緯度相距4000m。全新統(tǒng)以粉砂質(zhì)黏土、質(zhì)軟黏土為主。上更新統(tǒng)以富含鈣質(zhì)結核為典型地層特點，顏色以棕黃色、黃色為主，偶見中、細砂，巖性較全新統(tǒng)明顯質(zhì)硬。中更新統(tǒng)以紅棕色黏土為主，含鈣質(zhì)結核較少。下更新統(tǒng)以砂、砂礫層為主。

對比巖性地層特點和各鉆孔揭露巖性情況，沿測線TL2的剖面層（15）和平行于測線TL6的剖面層（15）～（17）主要是以粉砂質(zhì)黏土、黏土為主，質(zhì)軟，屬于全新統(tǒng)，且地層厚度與標準孔一致。沿測線TL2的剖面層（10）～（14）和平行于測線 TL6的剖面層（10）～（14）主要是鈣質(zhì)結核或姜結石富集為主，且向深部開始出現(xiàn)紅棕色黏土，屬于上更新統(tǒng)。沿測線TL2的剖面層（8）、（9）和平行于測線 TL6的剖面層（4）～（9）主要以棕紅色黏土為主，且沿TL2的剖面層（7）是典型宿遷組灰白色砂層，而平行于測線TL6的剖面層（2）、（3）是以砂、砂礫石為主，屬于中更新統(tǒng)；平行于測線 TL6的剖面層（2）、（3）是典型的河流相砂、含礫石砂層，屬于下更新統(tǒng)（圖9）。

綜合郯廬帶江蘇段東地塹淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面結果，判斷郯廬帶江蘇段東地塹昌邑-大店斷裂為前第四紀斷層，而白芬子-浮來山斷裂斷錯中更新統(tǒng)，屬于早第四紀斷層。

圖8 平行于測線TL6的鉆孔聯(lián)合剖面

圖9 鉆孔巖芯年代圖（以平行TL6測線剖面中5＃為例）

3 討論

有關魯蘇沂沭斷裂帶活動斷層的活動習性一直是地質(zhì)學家關注的焦點，斷裂帶主要框架斷層的活動時代、方式和成因是探討斷裂帶演化歷史、現(xiàn)今華北構造應力環(huán)境和地震危險性等問題必不可少的因素。早期地震地質(zhì)調(diào)查認為斷裂帶主要為晚更新世以來的活動斷層，尤其是1668年郯城地震的發(fā)震斷層展布于山東至江蘇宿遷的昌邑-大店斷裂（F1）和安丘-莒縣斷裂（也稱白芬子-浮來山斷裂）（F2）（方仲景等，1976；國家地震局地質(zhì)研究所，1987；鄧起東等，2007）。隨著研究工作的不斷深入和完善，完成了東地塹內(nèi)全新世活動斷層的精細填圖并將其命名為安丘-莒縣斷裂（F5）（李家靈等，1994；晁洪太等，1994）。近年在江蘇宿遷以南地區(qū)發(fā)現(xiàn)的安丘-莒縣斷裂全新世活動證據(jù)和古地震遺跡，完善了整個魯蘇沂沭斷裂帶安丘-莒縣斷裂全新世活動斷層范圍（曹筠，2015；曹筠等，2018）。山東段西地塹邊界斷層的沂水-湯頭斷裂（F3）存在晚更新世以來活動跡象（鄭朗蓀等，1988；黃偉師，1988；賈榮光等，2007；管延新等，2007；王華林等，2011），局部斷層的活動時代可能更新（江娃利等，1991）；而鄌郚-葛溝斷裂（F4）可能在早中更新世有過活動，到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)晚更新世以來活動的證據(jù)（國家地震局地質(zhì)研究所，1987；賈榮光等，2007；嚴樂佳等，2014）。江蘇段西地塹邊界斷層由于處于隱伏狀態(tài)，多年未發(fā)現(xiàn)活動斷層的明確證據(jù)（湯有標等，1990；鄧起東等，2007；姚大全等，2012），通過對斷層沿線的水系和斷層地貌的分析也認為斷層處于不活動狀態(tài)（林愛明等，2013）。近年利用物探和鉆孔相結合的方式確定沂水-湯頭斷裂（F3）為晚更新世活動斷層，而鄌郚-葛溝斷裂（F4）為早第四紀斷層（曹筠等，2017）。綜合魯蘇沂沭斷裂帶主要斷層活動習性，并結合東地塹斷層是1668年郯城地震的發(fā)震斷層而西地塹截至目前沒有發(fā)現(xiàn)全新世活動的證據(jù)，第四紀以來斷裂帶呈現(xiàn)東地塹斷層活動時代和活動強度都高于西地塹斷層，東地塹斷層活動強度和潛在地震危險性也高于西地塹。郯廬帶江蘇段東地塹第四紀以來的構造運動從邊界斷層逐步過渡到安丘-莒縣斷裂上。

4 結論

郯廬帶江蘇段東地塹邊界斷層作為斷裂帶重要的組成斷層，繼承了郯廬帶自白堊紀時期形成的“兩塹夾一壘”構造框架并在新生代時期依然存在構造運動，但第四紀時期的構造運動相對減弱。綜合物探和鉆孔聯(lián)合剖面結果認為，郯廬帶江蘇段東邊界昌邑-大店斷裂第四紀以來未見構造運動證據(jù)，應為前第四紀斷層；白芬子-浮來山斷裂斷錯了中更新統(tǒng)，晚更新統(tǒng)未見被斷錯跡象，屬于早第四紀斷層。晚第四紀以來，尚未發(fā)現(xiàn)東地塹兩邊界斷層構造運動的證據(jù)。

致謝：野外工作期間得到了宿遷市地震局單士敏工程師、朱紅高級工程師的多方協(xié)調(diào)和幫助，在此表示感謝。