蘇南溧陽?南渡斷裂活動性研究

張 碩，張 平，陳火根，許書剛，龔緒龍,2，許漢剛，李麗梅，馮文立，何宗南

(1.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇 南京 210049；3.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014；4.中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

溧陽?南渡斷裂是中國東部長三角地區一條重要的近EW 向隱伏斷裂構造。斷裂處于蘇南現代化建設示范區中部，受長江經濟帶、寧杭生態經濟帶和滬寧經濟帶的交叉輻射，是中國人口、經濟和城鎮密度最高區域之一。在構造地貌上，斷裂北側為現代沖積平原，地勢低洼，湖泊發育；南側為丘陵、崗地，地勢高亢。斷裂控制區域第四紀地層分區，北側為太湖平原沉積區，南側為丘陵崗地沉積區。由此可見，該斷裂為一條重要的地貌和新構造分區界線，其控制了侏羅紀、白堊紀地層的沉積及新生代火山活動，新生代玄武巖受該斷裂控制多發育在斷裂北側[1-4]。

溧陽?南渡斷裂走向近EW 向，自東向西沿溧陽市、南渡鎮、東塘村至上沛一帶分布。前人對區域斷裂活動性研究多針對NNE、NE、NW 向規模較大斷裂[5-7]，近年來，長三角地區一些近EW 向斷裂研究結果顯示活動時代較新[8-9]。目前該斷裂西段的研究[10-12]顯示，斷面傾向北，陡傾角，全長約50 km，斷裂大部分為第四紀地層所覆蓋，屬隱伏斷裂。1974 和1979 年，在溧陽?南渡斷裂西段先后發生了震級M(Magnitude)5.5 級和6.0 級地震，在中國東部的板內地震中，5 年內在同一地方連續2 次發生破壞性地震的情況非常少見，該斷裂是否為活動斷裂、未來是否存在較大的地震危險性成為目前關注焦點。對該斷裂的活動性質、最新活動時代進行研究，對于區域防震減災具有重大意義。

前人研究認為：這2 次地震的發生與茅東斷裂或金壇?南渡斷裂的活動有關[1,11]。但也有學者認為近東西向的溧陽?南渡斷裂是發震斷裂[13]。目前對溧陽?南渡斷裂尚未有系統研究，對該斷裂最新活動時間目前也仍存爭議，其最新活動時代尚不明確。筆者基于“蘇南現代化建設示范區綜合地質調查項目”首次對溧陽?南渡斷裂中東段開展了縱橫波聯合地震勘探工作，并在此基礎上選擇代表性斷點開展鉆孔聯合地質剖面探測，確定斷裂的最新活動時間，并對其地震活動性及構造動力學背景進行探討，以期為蘇南乃至長三角地區防震減災、重大工程建設、城市規劃及土地利用等提供科學依據。

1 地震地質背景和重力場特征

1.1 地震地質背景

研究區位于揚子板塊下揚子陸塊東部(圖1)，屬于長江下游?南黃海地震帶內，該地震帶具有明顯的海強陸弱特點和成團成片分布的叢集性特征。

圖1 蘇南地區中新生代沉積盆地與活動構造圖(據文獻[14-19]綜合編制)Fig.1 Map showing the Meso-Cenozoic sedimentary basins and active tectonic in southern Jiangsu (after references [14-19])

研究區主要斷裂為NNE 向的茅東斷裂和金壇?南渡斷裂，NW 向的南京?湖熟斷裂，以及近EW 向的溧陽?南渡斷裂。近年來，新的調查研究資料發現，NNE 向斷裂形成時代早，構成了區域內的主要斷裂構造格架[11]。但自第四紀中、晚期以來，由于構造應力場的變化，其活動性已明顯減弱。而NW 向和近EW向的斷裂自第四紀中、晚期以來，其活動性比較明顯，具有明顯的控、發震構造作用。研究區中部為直溪橋?亞溪港凹陷，北西部為茅山推覆體，南東部為中生代溧陽火山盆地。NNE 向的茅東斷裂和近EW 溧陽?南渡斷裂控制了研究區基本構造格局，兩者分別為直溪橋?亞溪港凹陷北西部和南東部的邊界斷裂，斷裂面均傾向凹陷，斷裂活動對直溪橋?亞溪港凹陷的形成和演化具有重要的控制作用。溧陽1974 和1979 年的地震均發生在直溪橋?亞溪港凹陷內，該凹陷主要由晚白堊世和古近紀地層組成(圖1、圖2)。

圖2 研究區基巖構造圖Fig.2 Map showing the bedrock structures in the study area

1.2 區域重力場特征

利用布格重力異常資料可很好地揭示溧陽?南渡斷裂的空間延伸情況(圖1c、圖3)。在斷裂東段，斷裂北部別橋一帶為重力高值區，南部為重力低值區，重力等值線從10×10?5m/s2降低到?22×10?5m/s2左右，梯度變化大，為區內最高異常和最低異常之間的梯度帶；在斷裂中段，斷裂從北部別橋重力高值區和南部社渚重力高值區之間的重力低值區穿過，斷裂北側重力等值線從北向南由10×10?5m/s2降低到?2×10?5m/s2左右，斷裂南側重力等值線從南向北由4×10?5m/s2降低到?2×10?5m/s2左右。總體上，在斷裂中段，斷裂北側重力值較南側高；在斷裂西段，斷裂從直溪橋?亞溪港凹陷穿過，斷裂走向由近東西向轉為北西西向，與中東段不同，相對重力低值區位于斷裂北側，最低重力值小于?18×10?5m/s2。以上說明，溧陽?南渡斷裂為明顯的區域差異升降運動中的邊界斷裂，斷裂中東段和西段在布格重力異常方面有明顯區別。

圖3 研究區布格重力異常平面等值線及溧陽?南渡斷裂空間展布Fig.3 Contour plane showing Bouguer gravity anomalies in the study area and the spatial distribution of Liyang-Nandu fault

2 淺層地震探測和鉆探

先以縱波反射法為主，在溧陽地區垂直溧陽?南渡斷裂走向布設LYZB1、LYZB2 兩條跨斷裂的淺層縱波反射地震勘探測線(圖2)，線距約8 km，以查明斷裂在測線處所處的位置及其錯斷地層情況；然后針對縱波反射法發現的斷點異常，采用橫波反射法，在LYZB2測線斷點附近布置了1 條長1 013 m 的橫波反射地震測線LYHB2(圖2)，進一步查明上斷點埋深及錯斷地層層位；進而在斷點附近布置鉆探聯合剖面，共計布置了LY01、LY02、LY03、LY04、LY05、LY06 這6 個鉆孔(圖2)，重點揭示斷裂深部位置、上斷點深度，并明確錯斷地層層位和特征；最終結合地質、地球物理和鉆探等資料對溧陽?南渡斷裂幾何特征、運動性和活動性進行綜合分析。

2.1 淺層地震探測

2.1.1 數據采集和處理

本次地震勘探工作采用了縱波勘探和橫波勘探兩種方法。地震儀選用G3i 數字地震儀，接收選用兩串兩并60 Hz 組合縱波檢波器，震源選用KZ-28 型可控震源車；橫波選用Summit Ⅱ數字地震儀，接收選用28 Hz橫波檢波器，選用錘扣板方式激發。

本次淺層地震勘探采用多道接收、多次覆蓋方式進行施工。經現場試驗，采用的技術參數如下：縱波反射法，道間距2 m，288 道接收，36 次覆蓋，采樣率0.25 ms，采用1 000 ms 記錄長度，炮間距8 m；橫波反射法，道間距2 m，48 道接收，8 次覆蓋，采樣率1 ms，記錄長度1 024 ms，炮間距6 m。

本次地震數據處理采用Promax 地震數據處理軟件。數據處理流程和方法主要包括數據加載、定義觀測系統、靜校正、疊前濾波、振幅補償、反卷積、速度分析、剩余靜校正、疊后濾波等。最終獲得的地震時間剖面有效波信噪較高，能量較強，頻帶寬度20～120 Hz。

2.1.2 層位標定

通過分析對比地震時間剖面反射波組的振幅、連續性等特征，識別有效反射相位及其明顯錯斷、缺失等異常，結合區域地質、鉆孔等資料，明確各地質層位的地震反射特征，將地震剖面轉換為地質剖面，更好地了解各時期的地層結構、構造形態及其巖性的橫向變化，從而進行層位標定及斷點判定。

本次淺層地震勘查層位標定工作主要是依據區域地質資料、本次地震時間剖面的波組特征及LYZB2測線上斷點附近的LY05 孔測井數據(圖4)。

圖4 LYZB2 測線與LY05 孔井震標定Fig.4 Survey line LYZB2 and well-to-seismic calibration of borehole LY05

結合區域地質、鉆孔、測井等資料，經對比分析，在地震反射剖面中共識別出4 組有效反射波組(T1、Tg 及Tg'、Tg")，將各測線處地層劃分為5 個物性層，各地震層序與地層結構對應關系列于表1。

表1 研究區地震層序?地層結構對應關系Table 1 Correspondence between seismic sequences and stratigraphic structures of the study area

經標定后淺部地震地質層位由上而下分別是：(1) T1反射波組發育在40～60 ms，起伏不大，振幅能量稍弱，同相軸基本可連續追蹤；(2) Tg 反射波組發育在60～80 ms，宏觀上，振幅強，呈雙相位，可連續追蹤；(3) Tg'反射波組發育在60～200 ms，起伏大，振幅明顯強于覆蓋層內反射波組，同相軸連續性較好，局部出現錯斷、扭曲及跌落等現象，反映了受斷裂影響，基巖內部結構變化情況；(4) Tg''反射波組發育在120～330 ms，起伏大，振幅強，呈雙相位，可連續追蹤，局部出現錯斷及跌落等現象，反映了受斷裂影響，基巖內部結構變化情況。

2.1.3 剖面解釋

1) LYZB1 測線

經對LYZB1 測線縱波反射地震時間剖面圖(圖5)分析可知，在有效探測范圍內，可識別出基巖面及覆蓋層內信噪比較高、連續性較好的反射波組2組(T1、Tg)，該測線淺部地質結構有3 個物性層，覆蓋層呈南厚北薄特征，結合區域地質及鉆孔資料，覆蓋層由第四紀中更新世、晚更新世及全新世地層構成，缺失新近紀、早更新世地層。

圖5 溧陽LYZB1 測線斷點附近縱波反射地震時間剖面圖Fig.5 P-wave seismic reflection time profile near the fault contact of survey line LYZB1 in Liyang

LYZB1 測線發現斷點異常1 個，該斷點位于LYZB1 測線的3 076 m 即地震時間剖面CDP3077 附近(圖5)。基巖面反射波組(Tg)出現錯斷現象，呈南低北高特征，兩側基巖面反射波組出現約15 ms 即約12 m的落差，傾向南，具正斷性質，視傾角約73°，斷裂錯斷了中更新世地層底部，上斷點埋深71 m 左右，位于中更新世地層中部，推測其最新活動時間在中更新世中期。

2) LYZB2 測線

經對LYZB2 測線縱波反射地震時間剖面圖(圖6)分析，在有效探測范圍內可識別出基巖及覆蓋層內信噪比較高、連續較好的反射波組4 組(T1、Tg及Tg'、Tg'')，由此將該測線淺部地質結構劃分為5 個物性層。由剖面圖(圖6)可知，覆蓋層內南北向厚度變化不大，結合區域地質及鉆孔資料，認為覆蓋層由第四紀中更新世、晚更新世及全新世地層構成，缺失新近紀、早更新世地層。

圖6 LYZB2 測線斷點附近縱波反射地震時間剖面圖Fig.6 P-wave seismic reflection time profile near the fault contact of survey line LYZB2

LYZB2 測線發現斷點異常2 個，該斷點位于LYZB2 測線的1 952 m 與2 082 m，即地震時間剖面CDP1 951 及CDP2 081 附近(圖6)。斷裂傾向向南，視傾角為64°～84°，呈花式構造特征，整體南低北高，具正斷性質。基巖內部一系列有效反射波組出現13～19 m不同程度的落差，斷距由深到淺逐漸減小。斷裂向上明顯切錯地表以下約70 m 層位，再向上表現為地層擾動和上盤地層的正斷牽引現象，垂直差異活動影響至地表以下約45 m 處附近。

3) LYHB2 測線

為進一步查明LYZB2 測線上斷點位置及錯斷地層情況，在斷點附近布置了1 條長1 013 m 的橫波反射地震測線LYHB2(對應LYZB2 測線的1 613～2 626 m即地震時間剖面CDP 1 614?CDP2 627)，經處理所得地震時間剖面圖(圖7)更清楚地反映了上斷點的異常特征。斷點處基巖內部反射波組(Tg')出現明顯錯斷現象。斷點南側，因埋深較大，橫波反射法未探測到異常。其上覆蓋層內200～350 ms、CDP430?CDP490 之間，有一組明顯擾動的反射波組，綜合縱、橫波資料對比分析，認為該擾動部位對應縱波推斷的花式斷裂的北支，傾向南，具正斷性質，視傾角約75°，解譯顯示地層最上部受擾動影響埋深約在36 m 左右，位于中更新世地層中部。

圖7 LYHB2 測線橫波反射地震時間剖面及地質解釋剖面圖Fig.7 S-wave seismic reflection time profile of survey line LYHB2 and its geological interpretation

2.2 鉆 探

為進一步驗證LYZB2 測線和LYHB2 測線上的斷點，在地震測線斷點附近沿測線方向布置了鉆探聯合剖面，從南至北依次施工LY06、LY01、LY05、LY04、LY03、LY02 共施工6 個鉆孔，相鄰孔距18～71 m，綜合區域第四紀多重地層劃分成果結合本次部分地層測年結果，建立了鉆孔聯合地質剖面圖(圖8)。地層由下至上依次發育為：(1)晚白堊世赤山組(K2c)，深度44～45 m，巖性為紫紅色粉細砂巖、含礫粉細砂巖、砂礫巖；(2)中更新世啟東組(Q2q)，深度28～45 m，巖性為棕色黏土、粉砂質黏土，局部夾含礫黏土質粗砂，取該組中深度分別為30.4、34.7 和36.7 m 的3 個樣品開展ESR 測年，結果依次為距今(263±30) ka、距今(281±28) ka 和距今(310±54) ka；(3)晚更新世昆山組(Q3k)，深度24～29 m，巖性為棕黃色黏土質粉砂夾黏土；(4)晚更新世滆湖組(Q3g)，深度0～26 m，巖性以棕黃色、棕紅色黏土為主。

鉆孔資料顯示(圖7、圖8)，斷點南側LY05 孔孔深47 m，其下伏含礫粉細砂巖埋深44.44 m，LY04 孔孔深55 m，其下伏砂巖、粉細砂巖埋深45.33 m，LY03 孔孔深47 m，其下伏砂巖、粉細砂巖埋深44.5 m，可見LY04 孔與LY05 孔及LY03 孔相比，基巖面出現近1 m 左右落差。在其第四紀地層內，LY03 孔、LY02 孔以及LY04 孔在39.0～44.5 m，礫石含量較多，第四紀地層底部出現一層較破碎的礫石層，與橫波時間剖面上出現的波組擾動特征相對應，推斷該擾動是由斷裂引起，與本次橫波反射法所探測出的200～350 ms、CDP430?CDP490 之間所出現的明顯擾動的反射波組應為該斷裂活動進一步的反映。根據上述斷裂控制地層擾動錯斷特征，判斷溧陽?南渡斷裂的最新活動時代為第四紀早?中更新世。根據ESR 測年結果判斷其最新活動時間為距今(310±54) ka 之后，晚更新世之前。

3 結果與討論

3.1 斷裂活動性

前人研究[11]顯示，在斷裂西段上沛西南竹林水庫一帶，斷裂切截了晚更新世地層形成的Ⅱ級階地，造成了同級階地兩端性質和高程的差異，推測該斷裂晚更新世可能存在活動，但未有具體的剖面調查及測年工作佐證。江蘇省地震工程勘查院曾針對溧陽?南渡斷裂在溧陽袁家大隊附近布設了兩條近南北方向的淺層人工地震勘探測線[20]，調查顯示斷裂的基巖面斷距為2 m 左右，推測其最新活動時代為第四紀早?中更新世。

斷裂西段傾向北，在布格重力異常上，表現為斷裂南部為相對重力高值區，斷裂北部為相對重力低值區；斷裂中東段傾向南，在布格重力異常上，表現為斷裂南部為重力低值區，斷裂北部為重力高值區。溧陽?南渡斷裂西段和中東段的傾向差異應主要與地貌及直溪橋?亞溪港斷陷盆地分割有關。

淺層地震勘探和鉆孔聯合地質剖面探測結果表明溧陽?南渡斷裂錯斷了基巖面，說明斷裂第四紀早期以來活動明顯；鉆孔聯合地質剖面探測中顯示溧陽?南渡斷裂影響至中更新世啟東組(Q2q)。

綜合本次研究和前人研究成果[11,20]，認為溧陽?南渡斷裂是最新差異活動到中更新世中期的隱伏斷裂，應屬第四紀早?中更新世斷裂。

3.2 斷裂多期活動與構造意義

作為蘇南地區重要的地理和構造單元邊界，溧陽?南渡斷裂至少從印支期至今多期次活動[1-3]，對長三角地區構造演化及區域近東西向斷裂活動特征研究等具有指示意義。

印支期到燕山早期，在太平洋板塊的推擠作用下，揚子板塊沿NW 向碰撞并俯沖至華北板塊之下，形成秦嶺?大別?蘇魯造山帶，同時觸發下揚子板塊陸內造山運動，形成一系列區域性斷裂構造[9,21]。此時，溧陽?南渡斷裂與宜興?溧陽褶皺帶伴生，為近東西向逆斷裂，主要表現為老地層逆沖至新地層之上。

燕山早期，在古太平洋板塊北向俯沖作用下[22]，蘇南地區整體以北東向和北西向走滑、斷陷構造為主，在南北擠壓構造應力場背景下，區域上出現侏羅紀地層逆沖至白堊紀地層之上，溧陽?南渡斷裂仍然表現為逆斷裂。

本次淺層地震勘探和鉆孔聯合地質剖面中顯示溧陽?南渡斷裂明顯錯斷晚白堊世的地層，表現為正斷裂；揭示燕山晚期到喜馬拉雅早期，在太平洋板塊西向俯沖作用下，構造體制轉換，溧陽?南渡斷裂由逆斷裂轉換為正斷裂，并控制溧陽火山巖盆地的發育。

中國東部現代構造應力場的格局明顯受制于印度板塊、太平洋板塊、菲律賓板塊的共同作用影響，而不同塊體因受不同板塊的影響存在差異[23-26]。鉆孔聯合地質剖面中(圖8)顯示第四紀以來溧陽?南渡斷裂仍表現為正斷裂；這與蘇南地區新近紀以來應力場主要呈NWW 向相吻合。

3.3 斷裂與地震活動關系

區域地震活動空間分布表明：區內強震多數沿NNE 向、NW 向和近 EW 向斷裂分布或叢集在它們與另一組斷裂的交會區內，反映了這3 個方向的斷裂屬區域內的主要控、發震斷裂構造。

溧陽?南渡斷裂作為溧陽火山巖盆地的邊界斷裂，活動性相對較新，是蘇南乃至長三角地區一條地震危險性較強的主要斷裂。尤其該斷裂與NNE 向斷裂交界部位，具備破壞性地震的孕震環境，歷史上也曾發生過多次破壞性地震。自1970 年以來(1970 年1 月至2021 年12 月)蘇南及鄰區共記錄到M3.0 以上地震93 次，其中包括1974 年溧陽5.5 級和1979 年溧陽6.0 級地震。雖然溧陽兩次中強地震的發震斷裂目前尚存在一定爭議，但主震和余震主體均發生在斷裂交匯處(圖9)。未來須高度重視相關區域的震害防御工作。

圖9 M≥3.0 地震空間分布Fig.9 Spatial distribution of earthquakes with M≥3.0

本次基于蘇南綜合地質調查項目對溧陽?南渡斷裂的研究主要針對其第四紀以來的活動性調查，因此，前期鉆孔部署中以鉆至基巖為準。同時，該地區早更新世地層缺失，中更新世地層部分缺失或較薄，而地層落差主要發育在基巖及第四紀地層底部，造成了斷裂識別最新錯斷裂位的不確定性。此外，斷裂西段和東段的延伸情況以及西段隱伏段的幾何學、運動學特征等尚缺少可靠資料加以限定。以上問題尚有待進一步調查研究。

4 結論

a.溧陽?南渡斷裂走向近EW 向，中東段傾向向南，傾角為64°～84°。呈花式構造特征，整體南低北高，具正斷性質。斷裂向上明顯切錯地表以下約70 m 層位，再向上表現為地層擾動和上盤地層的正斷牽引現象，垂直差異活動影響至地表以下36～45 m。

b.溧陽?南渡斷裂錯斷了基巖面，為第四紀早期以來明顯活動、最新差異活動影響到中更新世中期的隱伏斷裂，應屬第四紀早?中更新世斷裂。最新ESR測年結果顯示，其最新活動時間在距今(310±54) ka 之后，即晚更新世之前。

c.溧陽?南渡斷裂具有多期活動性，總體表現為印支期到燕山早期為逆斷裂，燕山晚期以來為正斷裂控制新生代盆地和火山巖發育。該斷裂與NNE 向斷裂交界部位，具備破壞性地震的孕震環境，未來須高度重視相關區域的震害防御工作。