郯廬斷裂帶江蘇段山左口?泗洪斷裂活動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.中國地震局 地質研究所，北京 100029；3.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

郯廬斷裂帶是中國東部一條規模巨大、結構復雜的活動斷裂，其活動方式具有明顯的分段性、多期性及復雜性，在不同區段及不同的分支斷裂上表現為不同的活動特征[1-2]。有歷史紀錄以來，該斷裂帶上曾發生了多次 7 級以上大地震，如1668 年7 月25 日山東郯城8.5 級大地震，1888 年6 月13 日渤海7.5 級地震，1969 年7 月14 日渤海中部7.4 級地震，1975 年2 月24 日遼寧海城7.3 級地震[3]。張繼紅[4]、翁愛華[5]等通過大地電磁測深工作，表明郯城地震的震中可能位于昌邑?大店斷裂(江蘇段稱為山左口?泗洪斷裂)和白芬子?浮來山斷裂的接觸部位，震源深度可能為15 km。因此，確定山左口?泗洪斷裂的活動特征對分析未來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造帶，其形成機制與演化過程和華南板塊與華北板塊的碰撞造山作用有很大的關系[6-7]。郯廬斷裂帶是一個構造面形態隨深度變化、斷層傾角近于直立、由多條斷裂組成的大型“花狀”構造，且組成郯廬斷裂帶的各條主干斷裂表現出張性、壓性、扭性結構面共存的復雜結構[8]。

近年來，國內外學者對郯廬斷裂帶及郯城8.5 級大地震開展了大量的研究，研究重點主要集中在安丘?莒縣斷裂[9-10]，而對郯廬斷裂帶東邊界斷裂研究則相對較少。劉備等[11]通過天然露頭剖面認為郯廬斷裂帶江蘇段山左口?泗洪斷裂(以下稱為F1斷裂)為晚更新世活動斷層。曹筠等[12]通過宿遷市淺層地震勘探及跨斷層鉆孔聯合剖面認為F1斷裂為前第四紀斷層。徐建國等[13]在山東境內采用地面調查、物探及鉆探工作認為F1斷裂為晚更新世活動斷層。顧勤平等[14]通過新沂市中深層地震勘探及淺層地震勘探認為F1斷裂為早中更新世斷裂。綜合前人研究可知，F1斷裂最新活動時代具有分段性，其活動時代變化的位置及原因尚未深入研究?；诖?，針對F1斷裂開展了野外地質調查、淺層地震勘探以及鉆孔聯合地質剖面等系統工作，對該斷裂的活動性及其變化原因進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性變化提供重要參考。

1 區域地質背景

郯廬斷裂帶依據其幾何結構和活動性自北向南可分為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?廣濟段[15]。其中濰坊?嘉山段是郯廬斷裂帶活動最為強烈的部分[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)、紀集?王集斷裂(F4)和安丘?莒縣斷裂(F5)。其中F1? F4斷裂構成“兩塹夾一壘”的構造格局，F1斷裂為郯廬斷裂帶江蘇段的東邊界斷裂，斷裂東側基巖為太古?元古片麻巖，斷裂西側為白堊系砂巖。F1斷裂經歷了郯廬斷裂帶整個演化過程，早白堊紀至古近紀，因中國東部大陸的伸展活動，F1斷裂以左旋走滑兼具拉張活動為主，沉積了巨厚的白堊系砂巖，古近紀末，中國東部發生了一次區域性擠壓事件，結束了郯廬斷裂帶上的伸展活動。第四紀以來，郯廬斷裂帶整體以右旋走滑為主[11]。

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

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

2 研究方法

根據地形、地貌及第四系厚度等地質條件，選擇在斷層出露區采用野外地質調查，在斷層隱伏區采用淺層地震勘探結合鉆孔聯合剖面，確定斷裂的具體展布和活動特征。

1)淺層地震勘探

淺層地震反射勘探是探測隱伏斷層最有效的地球物理探測方法之一，在各大城市的活斷層探測工作中得到了廣泛應用[19]。依據前人對郯廬斷裂帶填圖成果，以及淺層地震勘探對場地條件的要求，在太平村山水大道布設XYL2 測線(圖1b)，揭露F1斷裂在新沂市的幾何結構和斷層性質。

數據采集。通過試驗，選擇使用美國SI 公司生產的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，實際掃描頻率20～160 Hz。該測線采用縱波反射波施工，3 m 檢波點距，120 道接收，20 次覆蓋，采樣率0.5 ms，采樣長度1 024 ms，中間激發、兩側對稱接收。

數據處理。資料的分析處理主要包括預處理、濾波、靜校正、振幅補償、常速掃描、速度譜分析、動校疊加、畸變切除、修飾性處理及剖面輸出等基本流程，處理順序及內容則按任務的需求進行合理選擇。

2) 鉆孔聯合地質剖面

根據淺層地震勘探結果，在斷點兩側開展鉆孔聯合地質剖面探測。鉆孔布設采用對折定位方法[20-21]，最小孔間距不大于10 m。探測結果主要是對淺層地震勘探結果進行驗證及揭露F1斷裂活動性質及活動時代。斷裂活動性質主要依據標志地層的對比進行分析，標志層應特征明顯，容易識別。斷裂活動時代依據鉆孔聯合剖面揭露的斷層斷錯地層和上覆地層的年代進行限制。

3 結果

3.1 北馬陵山天然露頭

北馬陵山東側東海顏場可見F1斷裂(圖2a)，白堊系王氏組(K2w) 砂礫巖與東側花崗巖(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)可見斷裂西側砂巖向東逆沖，傾向向西。后黃古城南天然露頭顯示F1斷裂上斷點進入上更新統至全新統，為晚更新世活動斷層[11]。綜合北馬陵山東側F1斷裂沿線地貌及露頭特征可知，白堊紀郯廬斷裂帶屬于拉張沉積環境，F1斷裂西側沉積了巨厚的白堊紀砂礫巖，古近紀至第四紀早期以來，郯廬斷裂帶整體處于擠壓環境，F1斷裂西側砂礫巖向東逆沖(圖2b)。第四紀中晚期，F1斷裂以右旋走滑兼具正斷活動為主(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 測線在太平村山水大道揭露F1斷裂，上斷點位于樁號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15 637 處有明顯的錯斷、擠壓隆起，視斷距較小。沿該測線，高分辨率折射層析剖面顯示在樁號15 637 附近斷點西側基巖P 波速度約為2 500 m/s，結合鉆孔資料確定為王氏組砂巖，東側基巖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 測線疊加時間剖面圖Fig.3 Seismic time-stacked section of survey line XYL2

圖4 XYL2 測線地震折射層析結果[14]Fig.4 Seismic refraction tomography results of survey line XYL2 [14]

3.3 鉆孔聯合地質剖面

跨F1斷層鉆孔聯合地質剖面沿XYL2 測線15 637 樁號兩側布設(圖5)，該剖面西約1 km 為南馬陵山，東側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 測線動校疊加時間剖面和鉆孔布置Fig.5 Seismic time-stacked section time profile after normal moveout correction and borehole layout along survey line XYL2

根據新沂市城市活動斷層探測標準鉆孔資料及鉆孔巖心可知(圖6)，全新統底界深度范圍為1.5～1.9 m，主要巖性為褐黃色、灰黑色黏土和粉砂質黏土，偶夾黑色鐵錳質結核，軟塑。中、上更新統底界深度范圍為5.9～7.3 m，主要巖性為灰黃色、黃灰色黏土，黑色鐵錳結核斑點密集分布。下更新統底界深度為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2 個鉆孔(ML1 和ML7)揭露的基巖為太古界?元古界片麻巖，西側1 個鉆孔(ML3)揭露的基巖為王氏組砂巖，中部4 個鉆孔揭露的地層為砂巖與片麻巖混合巖。根據基巖巖性分析，F1斷裂由2 條分支斷層組成，其中F1-1為主斷層，斷層東側為太古界?元古界片麻巖。

圖6 跨F1 斷層鉆孔聯合地質剖面Fig.6 Cross-well stratigraphic correlation spanning across fault F1

由鉆孔聯合剖面可知(圖6)，F1-1斷層兩側下更新統中粗砂層底界斷錯約1.3 m，斷層兩側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，ML7 鉆孔以中粗砂為主，ML4 鉆孔以中細砂為主。以青灰色黏土夾黑色鐵錳結核作為標志地層①，結合斷層傾向，可以認為，F1斷裂在早更新世末期以走滑兼具正斷活動為主，上斷點距地表4～5 m，為中更新世斷裂。

圖7 F1-1 上斷點兩側地層對比Fig.7 Correlation of strata on both sides of the upper cutoff point on fault F1-1

3.4 嶂倉村小學地質剖面

本次野外地質調查中，在嶂倉村小學基坑新發現一條斷裂帶(本文中命名為F9嶂倉村小學斷裂帶)，位于郯廬斷裂帶F1斷裂與安丘?莒縣斷裂(以下稱為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，帶內為晚更新世灰黃色黏土，兩側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]。根據兩條分支斷層的產狀及地層特征，該條斷裂帶是在近東西向拉張條件下形成，最新活動時代為晚更新世至全新世早期。

圖8 嶂倉村小學地質剖面Fig.8 Geological section at the Zhangcang Primary School

4 討論

朱艾斕等[23]根據震源機制解反應的深部應力環境表明，在郯城?新沂段深部應力環境以走滑和正斷為主，主應力方向在北東向，宿遷段主應力方向為近東西向。正是在此區域動力學背景下，郯廬斷裂帶第四紀以來以右旋走滑運動為主，在斷裂帶內部形成了系列的丘陵山體，在郯廬斷裂帶江蘇境內主要包括北馬陵山、南馬陵山、嶂山及重崗山，其中北馬陵山東側為F1斷裂，西側為F5斷裂，東南側為F9斷裂。F5斷裂為全新世活動斷層，在北馬陵山表現為走滑兼具逆沖活動(圖9a、圖9c)，局部剖面可見王氏組砂巖近水平覆蓋于西側晚更新世黏土層上(圖9d)，可以認為北馬陵山第四紀以來受構造影響處于抬升中[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，經歷了長期的復雜運動，第四紀以來表現為分段活動。該斷裂在山東至北馬陵山東為晚更新世活動斷裂[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，F5斷裂東側、F9斷裂西北側與F1斷裂西側地塊處于向西逆沖活動狀態，使北馬陵山第四紀以來持續抬升，同時在F9斷裂形成了近3.4 m的斷裂帶寬度。F9斷裂與F1斷裂交匯于嶂倉村東北，F1斷裂以嶂倉村東北分為南北兩段，北段為晚更新世活動斷裂，南段為中更新世斷裂。結合北馬陵山的抬升及周緣斷裂的最新活動時代，北段晚更新世以來活動量可能調整至F9斷裂(圖10)。

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

5 結論

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

b.根據野外地質調查、淺層地震勘探和鉆孔聯合地質剖面結果，F1斷裂以嶂倉村東北分為南北兩段，北段為晚更新世活動斷裂，南段中更新世斷裂。結合北馬陵山的抬升及周緣斷裂的最新活動時代，北段晚更新世以來活動量可能調整至F9斷裂。

c.北馬陵山第四紀以來處于持續抬升狀態，其形成機制主要是，F5斷裂、F1斷裂和F9斷裂所圍限的地塊向西抬升。