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徐州废黄河断裂带的空间展布与活动性研究

2011-12-06张景发姜文亮路晓翠刘建达李丽梅

地震地质 2011年1期
关键词:郯庐断裂带徐州

陈 丁 张景发 朱 鲁 姜文亮路晓翠 刘建达 李丽梅 张 鹏

1)中国地震局地壳应力研究所,北京 100085

2)山东科技大学,青岛 266510

3)江苏省地震局地震工程研究院,南京 210014

徐州废黄河断裂带的空间展布与活动性研究

陈 丁1,2)张景发1)朱 鲁2)姜文亮1)路晓翠1,2)刘建达3)李丽梅3)张 鹏3)

1)中国地震局地壳应力研究所,北京 100085

2)山东科技大学,青岛 266510

3)江苏省地震局地震工程研究院,南京 210014

文中利用遥感影像分析了徐州废黄河断裂带的空间展布及与邵楼断裂的交切关系,利用重磁资料研究了废黄河断裂带的深部几何结构及与郯庐断裂带西边界的交切关系。二阶布格重力异常小波变换细节图反映出徐州废黄河断裂带的深度为7~8km,而三阶和四阶重力异常细节图反映的深度分别为9~11km和15~18km。研究结果表明,废黄河断裂带向SE延伸至九顶附近,向下的切割深度约为8~9km。NW向的废黄河断裂带截切邵楼断裂致使邵楼断裂构造线自东北向西南由N60°E转至N45°E。废黄河断裂带与郯庐断裂带不相交。废黄河断裂带属于前第四纪断裂,活动性较弱。

废黄河断裂带 遥感 重磁 历史地震 徐州

0 引言

徐州地区(116°45'~117°45'E,33°50'~34°35'N),即本文的目标区属于黄淮冲积平原,从徐州丘陵区向东、向西第四纪厚度增加,最大厚度达200m以上。随着徐州市新城区、开发区的不断建设与发展,地震危险性评价工作变得非常紧迫。查明活动构造的展布情况,对于防御和减轻地震灾害有着非常重要的意义。利用遥感方法研究活动断裂前人已做过较多的工作(张景发等,2004;姜文亮等,2007;张微等,2007;洪顺英等,2007)。前人在徐州地区所做的工作主要集中在徐宿弧形构造(马公伟,1991;刘建光,1992;舒良树等,1994;王桂梁等,1998)及废黄河断裂带对岩溶水和岩溶地面塌陷的影响(贾晓娟等,1996;徐智敏等,2006)上,而对废黄河断裂带的空间展布及与邵楼断裂、郯庐断裂带的交切关系的研究几乎无人涉及。

本文利用遥感和重磁资料综合研究废黄河断裂带的几何结构及与几条相关断裂的交切关系。并在此基础上,结合历史地震分析断层的活动性,从而为本区的地震危险性评价工作提供依据。

1 区域构造概况

徐州地区位于中国东部新华夏系第2个隆起带的西侧与秦岭-昆仑纬向构造带的交会处,属于徐蚌褶皱束,为华北准地台的次级构造单元。主要经历了4期构造变动:1)太古代末的强烈构造运动奠定了区内的基底构造;2)二叠纪—侏罗纪末的构造运动表现为盖层的强烈褶皱、逆冲断层;3)早白垩世末的构造分异明显;4)古近纪的构造运动使“官庄组”褶皱、断裂上隆,并伴有基性岩浆活动(江苏省区域地质调查队,1978)。

徐州地区最主要的构造当属徐宿弧形构造。前人已对该构造做过详细的研究,总的认识为它是一个薄皮型逆冲系统(刘建光,1992;舒良树等,1994;王桂梁等,1998);徐州市及邻区的区域性断裂构造按其展布方向可分为NE向、NW向、NNE向和近EW向4组,其中以NNE—NE向断裂最为发育,NW向次之。本区东部NNE走向的郯庐断裂带总体以右旋走滑为主兼有逆冲活动,是紧邻本区重要的具有发生强震条件的发震断裂(图1)。NW向的废黄河断裂带是在早期徐宿弧形构造的基础上于燕山中晚期形成的张性断裂带。

2 徐州地区的断裂遥感影像解译

遥感影像具有多时相、多光谱、高分辨率、动态监测、获取成果迅速、信息丰富直观等特点及优势,这使得遥感技术成为地质构造研究中的重要工具。本文选用早期的陆地卫星影像MSS和TM,成像时间分别为1979年5月和1987年8月至9月。20世纪70年代处于大规模的城市建设以前,原始地貌得以保存,能够反映真实的构造现象,故本文选用了MSS影像。对MSS影像采用假彩色合成技术,而对TM则将其与ASAR做了融合,以突出与地质有关的纹理、色调,并建立断层的遥感影像解译标志,解译构造的几何特征。

综合分析得出该地区废黄河断裂等的解译标志有:1)色调差异,2)断裂引起的地貌形态变化,3)串珠状湖泊,4)水系展布变化,5)地层、山体的断错标志。

废黄河断裂带为徐州地区最大的断裂带,由4条大致平行的断裂组成(贾晓娟等,1996;徐智敏等,2006),斜穿徐州市区,总体走向约N65°W,倾向SW,宽2km左右,断裂延伸方向基本与废黄河方向一致。

在MSS影像中(图2),可以看到废黄河断裂中段(赵圩至范湖)表现为NW向延伸的色调差异带,线性影像非常平直。废黄河断裂带两侧的地貌反差亦很大。断裂北段斜穿基岩区,NE向的弧形构造线在经过废黄河断裂带时明显收缩(图3)。

总体走向NE的徐宿弧形构造体在徐州市区附近被废黄河断裂截切,在地表形成1条走向NWW、宽约2km的地形错断带,断裂两侧山体普遍出现断头现象;褚兰、梁堂两地的地层不同,走向相抵,明显反映出梁堂相对于褚兰向NW位移。沿断裂形成一系列串珠状展布的湖泊,湖泊数量达8个,延伸至张庄东南地区该现象逐渐消失。这些小湖泊虽经过人工改造,但仍然受先期构造的控制,能间接反映断裂的存在及断裂的张性特点。关于废黄河断裂带在地表的延伸长度,依据遥感影像分析认为它的西北端始于徐宿弧形构造的西边界即夹河镇,地表构造地貌止于张圩地区,并且在张圩地区次级断裂相当发育,属断层的末端效应,由此推断其东南端位于张圩地区,所以废黄河断裂带在地表的延伸长度为60km左右。据实地考察和钻孔资料分析发现,断裂破碎带中以断层角砾岩、压碎岩等粗大碎块物质为主;构造带中溶蚀作用强烈,废黄河断裂带东北盘多处出现断头山和较平直的断层崖线。

邵楼断裂位于徐州地区的中南部,东北端自大庙镇向SE延伸,经大湖、柳集、邵楼到达黄桥附近,长约25km,自北向南,走向由N55°E过渡到N30°E,呈向NW凸出的弧形,控制着邵楼盆地的西北边界,为1条区域性正断裂。断裂西北侧大部分为古生界地层,东南侧堆积甚厚的青山组、官庄组地层。

图1 徐州地区的地震构造背景图Fig.1 Seismotectonic background map of the Xuzhou region.

图2 废黄河断裂带的MSS影像Fig.2 Images of MSS along the Fei Huanghe Fault zone.

早期的陆地卫星影像MSS的2波段能较好地反映出岩石、构造、植被等的分布情况,第3波段对水体、隐伏构造及构造细节有较好的反映,而4波段对构造细节较为敏感。故本文选用MSS传感器的3,4,2波段做假彩色合成(图2)。在合成影像中,邵楼断裂全段总体表现为NE向的色调差异带,断裂东南侧为白亮色调,西北侧为蓝黑色调。在虎庄岗子村,大规模建设以前,断裂以北为可见的隆起基岩区,以南为盆地,断裂破碎带宽约15m,NEE向展布,大致平行于310国道。

3 徐州地区布格重力异常小波细节及航磁异常分析

小波变换是重磁异常分解的有效工具,利用小波多尺度分析方法,可以将重磁异常分解到不同尺度的空间中,尺度的大小决定了重磁异常所反映的地质体规模和埋深的大小。本文所利用的重力数据为中国地质调查局发布的区域重力数据库元数据,比例尺为1:20万,重力等值线间距为 0.2mGal,重力数据范围是:32.5°~35.7°N,115.5°~118.7°E,相邻点距为 2km。针对这些数据,本文主要做了2~4阶小波多尺度分解,进行场的分离,得到2~4阶小波变换细节图。小波变换细节图是对局部场布格重力异常信息的反映,主要体现了浅部场源体引起的较小规模的高频异常信息。功率谱是20世纪70年代发展起来的一种重磁场解释处理方法,即假定许多长宽高及水平位置不同的场源体异常频谱的统计平均与单个异常体产生的异常频谱值等效,然后借助重磁异常的径向对数功率谱分析,来定量地确定重磁异常的场源深度,该方法建立在统计集块模型基础之上,不需要重磁异常体界面的任何物性资料就可方便地反演重磁异常体的界面深度(李成立等,1998;眭素文等,2007)。通过对各变换图像功率谱的分析,可以得出2~4阶小波变换细节图所对应的场源深度(表1)。

表1 各阶小波变换所反映的场源深度Table 1 Depth reflected by each of wavelet transform

3.1 重力场特征

二阶小波细节图 (图4)所揭示的场源深度大约位于上地壳7~8km处。徐州地区的布格重力异常表现为重力高值区与重力低值区皆有出现,以重力高值区为主。重力异常基本成条带状展布,长轴轴向总体为NEE—NE方向。图中东北角和西北角的重力高值区为EW向的丰沛隆起在本区的反映,在四户和五段的重力低值区分别构成了四户凹陷和五段凹陷,从重力高值区到重力低值区形成1个梯级带,它反映了河口铁佛沟断裂的展布情况。从邳县到九顶断续形成NE向的重力高值带,最大值在邳县附近,为4mGal。与该高值带相对应,在王楼和桃园的重力低值区形成了王楼-桃园凹陷,最低值<-4mGal,二者之间的陡梯级带反映了郯庐断裂带的西边界——纪集-王集断裂。徐州、赵圩地区的NE向重力高值区在经过废黄河时变窄收敛,形成哑铃状;张圩、九顶地区的重力高值区在过废黄河断裂带时变得异常平直,这些现象反映了废黄河断裂带的存在。而遥感影像上解译出废黄河断裂带的南端在地表九顶附近现象不明显。在徐州至淮北形成了近NE向的重力高值条带,最高异常值为3mGal;而在邵楼地区的重力低值区反映了邵楼盆地的存在,最低重力值<-2mGal。从重力高值区到重力低值区形成了梯级带,反映了邵楼断裂的存在。并且邵楼断裂的西南端延伸到程庄附近即终止。在永安镇地区形成了NEE向的重力高值带,最高值为4mGal;而在时村地区形成了向SE凸出的弧形坳陷,从永安镇到时村地区的陡梯级带反映了永安镇-下楼镇断裂的存在。

图3 TM+ASAR融合影像Fig.3 Fusion images of TM and ASAR.

图4 2阶布格重力异常小波细节图Fig.4 The second order-wavelet transform detail of the Bouguer gravity anomalies.

三阶小波细节图(图5)所揭示的场源深度大约为9~11km。对比二阶与三阶小波变换细节图(图4,5)可以发现,三阶小波细节图中的重力异常圈闭进一步扩大,布格重力异常特征更为明显,对上地壳结构特征的反映也更加直观,尤其是对坳陷及隆起构造单元的揭示意义更大。布格重力异常总体表现为条带状或串珠状圈闭。在二阶小波细节图中提到的邳县-九顶、徐州重力高值区及五段、时村、四户凹陷、王楼-桃园等重力低值区特征更加清晰,圈闭相对扩大,轴向也更加突出。其中永安镇重力高值区由原二阶图中的NEE重力高值区变为向SE突出的弧形。纪集-王集断裂的重力梯级带现象增强。

三阶布格重力异常小波细节图还能反映出废黄河断裂带向下延伸的情况,即对应于三阶小波细节图的场源深度的顶界面与二阶细节图所对应的场源深度的底界面之间的深度能大体反映出废黄河断裂带的切割深度。通过对二阶和三阶布格重力异常小波细节图做功率谱分析,估算得出废黄河断裂带对应的场源深度为8~9km。

四阶小波细节图(图6)所揭示的场源深度大约为15~18km。布格重力异常圈闭现象进一步增强,圈闭空间亦逐步扩大,图像更清晰。其中,赵圩-永安镇重力高值区和徐州重力高值区有连成一片的趋势,赵圩-永安镇重力高值区的宽度比二阶和三阶更宽,并且该重力高值区的东南边界向NW位移,时村重力低值区向NW侵蚀加大,这反映出永安镇-下楼镇断裂的断面倾向为NW。原四户凹陷消失,而塔山和胜利重力低值区初具规模。桃园凹陷和王楼凹陷有消失的趋势。在四阶重力布格异常图中,原NE向的徐州与赵圩重力高值区不再出现收敛现象,而是平缓地过渡到塔山坳陷;原九顶地区重力高值区异常平直的现象消失,原张圩地区重力高值区NW向异常平直的现象已不明显,而是平缓地过渡至重力低值区。

3.2 航磁场特征

徐州地区的磁异常区属于南华北磁异常区里的徐州-淮南磁异常分区,是被周边强磁异常带包围的平缓变化的低正磁异常区,东界是著名的郯庐断裂带(杨明慧等,2009)。据航磁ΔT划分断裂的原则包括:1)线性和串珠状磁异常,2)不同磁异常的分区界限或线性梯度带,3)不同磁异常的错动线(熊盛青等,2001)。

在徐州地区的航磁ΔT图上 (图7),异常幅值范围大约为-200~350nT左右。区内古生代、元古宙地层一般无磁性。区域正磁场是由基底变质岩引起的,反映了基底的隆起,局部地区的正磁场反映了青山组火山岩的堆积。

在航磁ΔT图中,邵楼断裂的解译标志为NW-SE向的航磁异常同步扭曲或收敛。断裂西南段东南侧为航磁正异常,反映的是青山组火山岩的堆积,而西北侧的低异常说明古生界无磁性,表明断层在早白垩世形成,古近纪继续活动。而在航磁异常ΔT图中,废黄河断裂带表现为断裂南侧航磁异常低缓,北侧高强,并在邵楼和房村北面附近出现局部的尖峰,NE向的航磁正异常至此终止或变窄。据钻孔资料,废黄河断裂带西北端的西南侧有青山组火山岩堆积,这和航磁异常ΔT图像上该区的正磁异常相吻合。废黄河断裂带在遥感和重磁图中的解译特征如表2所示。

4 废黄河断裂带与邵楼断裂以及与郯庐断裂带之间的关系

4.1 废黄河断裂带与邵楼断裂之间的交切关系

图5 3阶布格重力异常小波细节图Fig.5 The third order-wavelet tansform detail of the Bouguer gravity anomalies.

图6 4阶布格重力异常小波细节图Fig.6 The forth order-wavelet transform detail of the Bouguer gravity anomalies.

图7 徐州航磁异常ΔT图Fig.7 ΔT images of aeromagnetic anomalies of Xuzhou.

徐宿弧形推覆构造被后期几条NW向断层切割(王桂梁等,1998)。在时间上,邵楼断裂的主要活动时代在K1—E1,而废黄河断裂带的主要活动时代在E(江苏省区域地质调查队,1978)。这说明NW向的废黄河断裂带切割较早时期的NE向的邵楼断裂。在空间上,从遥感影像中可以看出在废黄河断裂带西南侧,邵楼断裂的构造线走向约为N45°E,而东北侧邵楼断裂的构造线走向约为N60°E,这反映了废黄河断裂带切割了邵楼断裂并使其左旋位移。

表2 废黄河断裂带的解译特征Table 2 Interpreting characteristics of Fei Huanghe Fault zone

4.2 废黄河断裂带与郯庐断裂带之间的关系

位于废黄河断裂带东南段上的张圩地区距离郯庐断裂带的西边界仅有15km左右,故废黄河断裂带向SE延伸且有与郯庐断裂带相交的趋势。这2条断裂是否相交了呢?首先,NW向的串珠状湖泊向SE延伸至双沟,过双沟后,湖泊消失;废黄河断裂北侧的断头山地貌现象向SE延伸至张圩地区,过张圩后,断头现象消失。这说明废黄河断裂带形成的构造地貌现象并未延伸至郯庐断裂带的西边界,即地表上二者并未相交。其次,从2阶布格重力异常小波细节图(图3)中可以看到废黄河断裂带的东南端被一NE向的重力高值区隔断。故废黄河断裂带和郯庐断裂带是不相交的。但是郯庐断裂带的强活动性(施纬等,2003;姚大全等,2003;张鹏等,2007)会对徐州地区造成远场影响。

5 徐州地区的断裂活动性分析

郯庐断裂带江苏段中的F5断裂在晓店水库和井头附近的地质探槽中取样进行TL测年,最新活动应在2.14万a前,即Q3p晚期F5断裂有活动(宋文荣,1999)。但Qh早期除见有古地裂缝外,尚未见到Qh地层被直接错动或扰动的证据。若将古地裂缝当作断裂活动的产物,或视为古地震事件,则表明Qh早期郯庐断裂带江苏段也有过强烈的活动(谢瑞征等,1991)。

NW向的邵楼断裂形成于燕山晚期,并且沿邵楼断裂的历史地震震级都在3以下,故推测其活动性较弱。据其地质剖面图(图8)可以看出邵楼断裂切割了古近纪“官庄组“地层。从中推断出邵楼断裂的最新活动时代应为E2—E3。

图8 邵楼断裂地质构造剖面简图(江苏省地质局区域地质调查队,1978)Fig.8 Geologic section of Shaolou Fault.

自有文史记载以来,沿废黄河断裂带没有中强地震发生的记录,仅在废黄河断裂带西北端与幕集-刘集断裂交会的部位发生过震级<3的地震,说明废黄河断裂带活动性较弱。据图9可以看出,废黄河断裂带的活动时代为C2—Q,另据废黄河断裂带切割了邵楼断裂,推断废黄河断裂带的活动时代晚于邵楼断裂,本文推测废黄河断裂带的活动时代为E3—N。

图9 废黄河断裂带地质构造剖面简图①江苏省地质局第五地质大队,1985,江苏省徐州南部基岩地质图。Fig.9 Geologic section of Feihuanghe Fault zone.

6 结论

通过遥感影像解译结合重磁资料分析得出:

(1)废黄河断裂带的解译标志为该断裂带的北段引起了地貌形态的变化——徐宿弧的收敛;中段在MSS影像中表现为NW向延伸的色调差异带;一系列的湖泊呈NW向的串珠状发育,说明废黄河断裂带具有张性断裂的性质。

(2)废黄河断裂带的东南端向SE延伸至九顶附近。邵楼断裂的西南端在地下向N收缩至程庄附近。NW向的废黄河断裂带切割NE向的邵楼断裂。废黄河断裂带并未与郯庐断裂带的西边界相交。

(3)推测出废黄河断裂带向下的切割深度约为8~9km。

(4)通过遥感、重磁及历史地震资料综合分析得出废黄河断裂带的活动性较弱,属前第四纪断裂。

总之,骨伤患者大量输血后由于血小板减少、凝血因子水平降低、凝血功能下降等,需对血小板及凝血因子等进行及时进行检测,补充凝血因子及血小板,以降低凝血功能障碍的发生率。

对徐州及邻区的历史地震分析得出,目标区迄今为止未发生5级以上的地震,但邻区的破坏性地震会波及徐州地区。

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quake,Xuzhou

SPATIAL DISTRIBUTION AND ACTIVITY OF XUZHOU FEIHUANGHE FAULT ZONE

CHEN Ding1,2)ZHANG Jing-fa1)ZHU Lu2)JIANGWen-liang1)LU Xiao-cui1,2)LIU Jian-da3)LILi-mei3)ZHANG Peng3)
1)Institute of Crustal Dynamics,China Earthquake Administration,Beijing 100085,China
2)Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,China
3)Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing 210014,China

Based on the remote sensing images interpretation,the spatial distribution of the Fei Huanghe(the ancient Yellow River)fault zone in Xuzhou area was studied and the intersection relationships between Fei Huanghe Fault and Shaolou Fault,and Tan-lu Fault were discussed in the paper.Besides,we researched the deep-seated geometric structure of Fei Huanghe Faultby studying the gravity-magnetic data,and discussed the intersection relationships with the west boundary of Tan-lu Fault.The cutting depth of Fei Huanghe Fault reflected by second order-wavelet transform detail of the Bouguer gravity anomalies is up to 7~8km.The depth reflected by the third order-wavelet and fourth order-wavelet transform detail of the Bouguer gravity anomalies is up to 9~11km and 15~18km,respectively.The results show that the Fei Huanghe Fault extends to Jiuding in southeast direction.The cutting depth is up to 8~9km.The NW-trending FeiHuanghe Fault cut the NE-trending Shaolou Fault,resulting in the change of the tectonic line of the latter from striking N 60°E to N 45°E.Moreover,the Fei Huanghe Fault didn't cut the Tanlu Fault.It is a pre-Quaternary Faultwith weak activity.

Fei Huanghe Fault zone,remote sensing,gravity and magnetic anomaly,historical earth

P315.2

A

0253-4967(2011)01-0067-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.007

2010-11-08收稿,2011-01-28改回。

中国地震局地壳应力研究所基本科研业务专项(ZDJ20071)与“徐州市新城区开发区活断层探测与地震危险性评价”项目共同资助。

陈丁,男,1984年生,2008年毕业于山东科技大学地质工程专业,获学士学位,目前在中国地震局地壳应力研究所攻读硕士学位,主要从事遥感地质解译、重磁解译学习与研究,电话:15210958910,E-mail:chending 224@163.com。

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