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郯庐断裂带中段嶂山东侧断裂的活动特征

2016-11-02杨源源郑海刚姚大全沈小七

地震地质 2016年3期
关键词:断裂带黏土剖面

杨源源 郑海刚 姚大全* 疏 鹏 赵 朋 沈小七

1)安徽省地震局,合肥 230031 2)中国地震局第一监测中心,天津 300180



郯庐断裂带中段嶂山东侧断裂的活动特征

杨源源1)郑海刚1)姚大全1)*疏鹏1)赵朋1)沈小七2)

1)安徽省地震局,合肥230031 2)中国地震局第一监测中心,天津300180

目前对于郯庐断裂带新沂—泗洪段的研究相对薄弱,通过对该段北侧构造地貌条件较好的嶂山段开展研究,充实了该段的晚第四纪活动证据与古地震事件序列。嶂山段总体位于宿迁市晓店镇至井头乡一带,长约7km。构造地貌研究显示嶂山段晚第四纪活动具有逆冲右旋的运动性质。古地震探槽研究揭示: 1)郯庐断裂在该段具有分期活动特征,上新世期间为拉张正断,第四纪以来表现为逆冲;2)1次古地震发生在15.12~11.82kaBP;3)断裂最新活动年代可能为3,500aBP左右。综合前人的研究成果,目前郯庐断裂带新沂—泗洪段已揭露的古地震事件年代序列可归纳为: 9.6×104a 以前,晚更新世早、中期,15.12~11.82kaBP,(11.76±0.05)~(10.53±0.05)kaBP,(10.15±0.05)~(8.16±0.05)kaBP,4,960~3,510aBP。

郯庐断裂带古地震新沂泗洪嶂山

0 引言

图1 郯庐断裂带中段构造略图Fig. 1 Structure sketch of the middle section of the Tanlu fault zone.

新沂—泗洪段主体位于江苏境内,又称大贤庄-桥北镇断裂或马陵山-重岗山断裂(谢瑞征等,1991a;张鹏等,2011)。该段由山东郯城窑上村沭河拐折处向南经北马陵山、桥北镇南马陵山、宿迁嶂山延伸到泗洪重岗山、大红山及峰山一带,总长约130km,地貌上表现为NNE向断续延伸的岛状残丘(图1b)。据郯庐活动断裂带地质填图课题组(2013)研究,该段中部以走滑运动为主,两端表现为逆走滑或逆冲性质。

前人对于新沂—泗洪段的系统研究集中于宿迁晓店以北段,讨论了断裂最新活动时代与全新世最大位移问题(李家灵等,1991;李起彤,1994)。 古地震事件主要通过零星分布的埋藏地裂缝分析与多个断层剖面断错年代限定进行探讨,发现了全新世以来的2次古地震事件(彭贵等,1990;李家灵等,1991)。晓店以南的研究主要在泗洪重岗山与孙牌坊等地,侧重于通过零星剖面讨论郯庐断裂全新世活动性的南延问题(谢瑞征等,1991a,b;翟炳松等,1992;李起彤,1994)。总体来看,前人对于新沂—泗洪段的研究不够深入,多数研究集中于晓店以北段,晓店以南段研究相对较少,从而难以窥视断裂活动性的走向变化特征。本文对晓店以南的郯庐嶂山段晚第四纪活动特征进行了专题研究,结合2个新开挖古地震探槽及前人相关成果,丰富了新沂—泗洪段的全新世活动证据,充实了该段晚更新世以来的古地震事件序列,为后续深入研究提供了重要资料。

1 嶂山段地质概况

郯庐断裂带在晚白垩世至古近纪期间表现为巨型伸展构造,控制了断陷盆地发育,在郯庐带内沉积了巨厚的中生代地层;新近纪晚期以来,构造应力场发生变化,郯庐断裂带以挤压逆冲为主,断陷盆地发生构造反转,郯庐东地堑内中生代地层受挤压褶皱隆起,形成马陵山等SN向展布的线性山体;这些隆起山体两侧的断层均倾向山中,呈反冲断层,部分具有新生性(晁洪太等,1994;胡望水等,2003;朱光等,2004)。嶂山属于马陵山余脉,总体为SN向的丘陵岗地,最高峰三台山海拔73.4m。本文所研究的嶂山段北起宿迁晓店镇胡庄村,往南经陆庄、梁庄、前花园村、袁庄至井头乡一带,长约7km,总体走向N10°E,倾角60°~80°(图2a)。该段为郯庐断裂带F5断层通过地段,以梁庄为界断层可分为南、北2段,北段沿着嶂山东麓发育,构成山体与平原的分界断层,由于人工改造较大,嶂山东麓的冲沟、陡坎等地貌已面目全非,表现为白垩系青山组逆冲于上更新统之上;南段发育于嶂山南侧的平原地带,地貌上表现为断续延伸的NE向线性陡坎与凹槽。本次研究集中于南段,北段资料参考前人的相关研究。

图2 嶂山段google影像图(a)及地层分布图(b)Fig. 2 The Google image(a)and stratigraphic distribution map(b)of the Zhangshan section.1 马窑1号探槽;2 马窑2号探槽;3 晓店水库溢洪道冲沟剖面(谢瑞征等,1991a);4 晓店东菜田探槽剖面(谢瑞征等,1991b);5 嶂山东麓剖面(李起彤,1990);6 塘湖农机站剖面(谢瑞征等,1990)

郯庐断裂嶂山段近侧出露的地层主要有白垩系青山组、白垩系王氏组、上新统宿迁组、中更新统泊岗组、上更新统戚咀组及全新统连云港组(表1;改自江苏地质矿产局,1984),地层分布情况见图2b(据公开版 1︰20万地质图I5017幅数据,http: ∥www.ngac.org.cn/)。断裂段北部主要出露于白垩系青山组与上更新统之间;断裂段南部主要出露于上新统宿迁组与上更新统之间。

表1 研究区地层简表

Table1 Stratigraphic profiles in the study area

地质年代地层单位代号主 要 岩 性全新世连云港组Qlh灰黑、黑色黏土、亚黏土、淤泥晚更新世戚咀组Q3qp棕黄色粉砂质亚黏土,含钙质结核、铁锰结核中更新世泊岗组Q2bp褐黄色黏土、亚黏土,粉、细砂互层,偶夹砾石上新世宿迁组Ns2灰白中细砂,含细砾,具有韵律层理,夹灰绿色泥岩透镜体晚白垩世王氏组Kw2上部,砖红、暗红等颜色的砂岩、砾岩,呈韵律出现;下部,紫红、深砖红色砾岩、砂砾岩,局部夹粉、细砂、泥岩早白垩世青山组Kq1安山岩及泥质粉砂岩,含砾沉凝灰岩

2 嶂山段断错地貌及马窑探槽

2.1断错地貌

据吴少武等(1988)研究,嶂山东麓的冲沟在近断层处表现为显著的反 “S”牵引现象,右旋走滑位移达9.6m。 流经郯庐断裂带的废黄河、六塘河、濉河等河流流向不自然转折向S突出,说明郯庐带东侧块体相对于西侧向S运动,反映了断层的右旋走滑运动特征(图1b)。晁洪太等(1994)也指出嶂山段断层线平直,冲沟位错明显。现今随着城市发展,嶂山周边人工改造较大,地表已见不到明显的冲沟,仅从遥感影像上能识别出残留的冲沟痕迹。

目前只有断层活动形成的陡坎地貌保留相对完好。断层陡坎在平原地带发育较好,表现为黄土陡坎,断续发育,高度稳定,目前可见2条。2条断层陡坎总体延伸方向N5°~15°E,呈右阶斜列式排列;1条分布在宿迁市合欢路与彩塑路交口西北侧的沙坑内,长300m,现场实地测量高度为3m,本次在陡坎下方开挖探槽;另1条分布在井头乡至袁庄,长600m(图3a)。 上述断层陡坎是断裂多次逆冲活动形成的,结合前人对冲沟位错的研究表明,断裂晚第四纪活动具有逆冲右旋的运动性质。

图3 断层陡坎google影像图(a)及野外照片(b)Fig. 3 The Google image(a)and field photo(b)of the fault scarp.

图4 马窑1号探槽南壁照片(a)与剖面图(b)Fig. 4 The south wall photos(a)and section(b)of Mayao trench 1.1 人工堆积;2 沟槽堆积;3 黑色黏土;4 棕黄色—灰黑色亚黏土;5 黄色细砂;6 灰白色砂岩;7 泥岩;8 古地震堆积;9 14C取样点;10 断层;11 地层编号

2.2探槽剖面

本次在南段陡坎1下方垂直陡坎方向开挖2个古地震探槽,北侧探槽为马窑1号探槽(34°00′52.336″N,118°18′24.318″E),南侧探槽为马窑2号探槽(34°00′52.240″N,118°18′23.522″E)(图3b)。2探槽相距37m,揭露的断层剖面清晰、断错现象丰富,均发现全新世连云港组黑色黏土发生错断,反映了断层最新活动为逆冲性质。

2.2.1马窑1号探槽

马窑1号探槽长13m,宽3.5m,深3m,分南壁和北壁,主要工作集中在南壁。

探槽南壁共揭露了6套地层单元(图4),从上往下依次为: ①顶部灰黑色耕植土,厚10cm,底部灰白色粗砂,人工堆积,厚20~30cm;②沟槽堆积,顶部、底部以灰色粗砂为主,中部为黄绿色细砂团与黄褐色粗砂团的混杂体,局部含细小砾石,发育水平层理;③黑色黏土,厚0.8~1m,铁锰质含量高,局部夹小砾石;④棕黄—灰黑色亚黏土,局部含灰白色钙质结核,团块状,粒径1~3cm;⑤黄色细砂,局部含少量铁锰结核,夹黄绿色钙质泥团;⑥灰白色中细砂,局部夹灰绿色泥岩透镜体。

南壁共揭露2条断层。 F1断层倾向E,平直,倾角相对较缓;F2断层呈弧形弯曲,近直立。从地层错断情况看,断裂具有分期活动特征,即断裂在早期表现为F1断层活动,阶梯状错断了层⑥上新统宿迁组砂岩,结构上表现为东、西2条次级断层,活动方式为正断;断裂在晚期发生了构造反转,活动方式由正断变为逆冲,F1、F2断层所挟持的断夹块整体受挤压隆升,这种逆冲运动主要发生在早期F1断层的东侧次级断面上(F2位置),西侧的次级断层(F1位置)也承担了一定的逆冲分量。 F2断层相对于F1断层具有继承性与新生性,2条断层在底部可能合并为1条。剖面中,层⑥上新统宿迁组砂岩直接被层⑤中更新统泊岗组覆盖,而层⑤发生了逆断,表明断裂的正断运动至少在中更新世之前。剖面及研究区缺失下更新统,可能由于在早更新世时期断裂已经由正断变为逆冲,在此期间逆冲运动较强,导致了马陵山的急剧隆升及区域下更新统的沉积间断。由此得出以下认识,即郯庐断裂嶂山段在上新世期间仍然持续进行着自晚中生代以来的拉张正断运动,第四纪伊始发生了构造反转,断裂活动方式变为逆冲。

在层③底部取土样测得14C年龄为(12.10~11.82)ka,可视为全新世早期,表明层③为全新世地层。F2错断层③,由于层③顶部缺乏年代控制,层①为人工堆积层,未能获得断层最新活动的准确年代,根据地层厚度保守判断其最新活动时代为全新世早、中期。在F1断层顶部见古地震遗迹,表现为灰黑色黏土堆积,夹黏土团块与砾石,取土样测得14C年龄为(15.12~14.80)ka,与层④顶部年龄(15.12~14.70)ka 接近,表明其物质来源于层④,判断该次古地震事件发生在层④堆积之后层③堆积之前,即(15.12~11.82)ka,BP。上述古地震堆积形成之后断层又发生逆冲运动,F2错断层③,F1错断古地震堆积物,并在F1顶部形成了沟槽堆积层②。由于层①底部为人工堆积,层②无年代控制,无法确定具体的事件次数及年代。

图5 为探槽北壁照片及素描图,地层代号及岩性与南壁对应。该剖面未能揭示全新统连云港组错断与古地震堆积现象,但揭示了断裂的2期活动特征。与南壁不同的是,断裂晚期的逆冲运动表现在2条次级断层上,具多重逆冲特征,并形成了层⑤与层④复杂的接触关系。可能由于逆冲分量被2条断层分解,断裂迹线在上述2套地层中发育不明显。

图5 马窑1号探槽北壁照片(a)与剖面图(b)Fig. 5 The north wall photos(a)and section(b)of Mayao trench 1.1 人工堆积;2 沟槽堆积;3 棕黄色—灰黑色亚黏土;4 黄色细砂;5 灰白色砂岩;6 断层;7 地层编号

图6 马窑2号探槽北壁照片(a)与剖面图(b)Fig. 6 The north wall photos(a)and section(b)of Mayao trench 2.1 耕植土;2 黄色亚砂土;3 黑色黏土;4 灰黄色亚黏土;5 黄色中细砂;6 灰白色砂岩;7 古地震堆积;8 14C取样点;9 断层;10 地层编号

图7 马窑2号探槽南壁照片(a)与剖面图(b)Fig. 7 The south wall photos (a) and section (b) of Mayao trench 2.1 耕植土;2 黄色亚砂土;3 黑色黏土;4 灰黄色亚黏土;5 黄色中细砂;6 灰白色砂岩;7 古地震堆积;8 断层;9 地层编号

2.2.2马窑2号探槽

马窑2号探槽长7m,宽3m,深3m,分南壁和北壁,主要工作集中在北壁。

探槽北壁共揭露了6套地层单元(图6),从上往下依次为: ①灰黑色耕植土,厚30cm;②黄色亚砂土,厚40cm;③黑色黏土,底部不平,含较多锰质结核;④灰黄色亚黏土,底部含少量细砾石,厚0.5~1m;⑤顶部黄色细砾石,底部为黄色中细砂,局部夹灰黄色黏土条带;⑥灰白色中细砂,局部夹灰绿色泥岩透镜体。

探槽南壁(图7)揭示现象与北壁基本对应。以北壁为例,本探槽与马窑1号探槽能较好地对比,揭露2条断层: F1断层表现为正断性质,F2断层表现为逆冲性质;断裂早期活动表现为F1断错层⑥上新统宿迁组砂岩,为正断性质;晚期表现为F2断错层⑤中更新统泊岗组及以上地层,为逆断性质;F2相对于F1具有继承性与新生性,往深部合并为1条断裂。断裂晚期活动期间,逆冲运动表现在F2断层上,其西盘地层包括F1断层作为整体往上逆冲。剖面中揭露了1处古地震堆积,与1号探槽古地震堆积特征一致,两者为同期地震活动的产物。在层③底部取土样测得14C年龄为(11.40~11.2)ka,显示为全新世早期,表明断层错断了全新统连云港组黑色黏土。

2.3分段特征

前面论述了嶂山段南段在地貌与断层结构上的特征,即地貌上表现为右阶斜列的黄土陡坎,结构上表现为多条断层形式,往往在老断面东侧新生出1条断层,断层之间具有继承性与新生性关系。北段不仅在地貌上与南段不同,在结构上也有较大差异。据前人资料(李起彤,1990;谢瑞征等,1991a,b),嶂山东麓断层发育于白垩系青山组与上更新统之间,结构上表现为单条断层形式,发育较厚的断层泥带(图8a,b,c)。

山麓地带断层剖面中白垩系之上缺失上新统,未能保留断裂早期的正断运动特征,直接显示断裂晚期的逆冲性质。山麓地带由于处于隆起剥蚀状态,全新世地层不发育,部分剖面显示断裂错断的最新地层为上更新统。根据图8b判断断裂最新活动年代在(3,291±91)aBP前。出现以上断裂在结构上差异的原因,可能与第四纪以来嶂山段存在不均匀挤压或横向构造有关。

图8 郯庐断裂嶂山段断层剖面图Fig. 8 Fault sections of the Zhangshan section on the Tanlu Fault.a 晓店水库溢洪道冲沟剖面(谢瑞征等,1991a);b 晓店东菜田探槽剖面(谢瑞征等,1991b);c 嶂山东麓剖面(李起彤,1990);d 塘湖农机站剖面(谢瑞征等,1990);e 嶂山闸地裂缝剖面(彭贵等,1990)

3 新沂—泗洪段古地震事件讨论

目前关于新沂—泗洪段的古地震事件序列未见系统研究,本文将结合前人成果与本次研究对其做初步的总结。谢瑞征等(1990)在井头乡袁庄附近的砂坑中发现了大型的古地震断层剖面,保存了中更新世后期至晚更新世初期的地震活动遗迹(图8d)。断层活动形成了大型的构造楔,根据楔子上覆黄土热释光年龄为(9.6×104±600)a左右认为,1次古地震发生在9.6×104a以前;根据楔子上覆黄土发生断错认为,另1次古地震发生在9.6×104a之后,推测为晚更新世早、中期。彭贵等(1990)对新沂嶂山闸地裂缝沉积物的14C年龄进行了系统的测定(图8e)。李家灵等(1991)根据其测试结果认为该地裂缝沉积物代表的古地震事件发生在8,230~5,250a BP,很可能更接近8,230a BP。他还通过对郯城麦坡、何庄2地断层之上覆盖层的年代和桥北镇、重岗山地区已错断的土层年代分析,将断层最新1次古地震事件年代定在距今3,510~4,960a。本文结合图8b中给出的年代,认为断裂最新活动年代为距今3,500a左右。

图9 郯庐断裂新沂—泗洪段古地震时空分布图Fig. 9 Sketch map of the temporal and spatial distributions of paleoearthquakes on Xinyi-Sihong segment of the Tanlu Fault.1 古地震下限年代;2 古地震上限年代;3 古地震年代及附近;4 古地震事件年代区间;5 推测的古地震事件年代区间

根据笔者近来所参与的郯庐断裂重岗山段研究工作,该段发现的2次古地震事件年代区间分别为(11.76±0.05)~(10.53±0.05)kaBP、(10.15±0.05)~(8.16±0.05)kaBP(沈小七等,2015);其中年代区间为(10.15±0.05)~(8.16±0.05)kaBP 的古地震事件应该与李家灵等(1991)所得出的距今8,230a的古地震事件对应。本文得到了嶂山段的1次古地震事件发生于15.12~11.82kaBP。综合以上情况,目前郯庐断裂新沂—泗洪段揭露的古地震事件序列为: 9.6×104a以前,晚更新世早、中期,15.12~11.82kaBP,(11.76±0.05)~(10.53±0.05)kaBP,(10.15±0.05)~(8.16±0.05)kaBP,4,960~3,510aBP。图9 绘制了新沂—泗洪段古地震事件的时空分布图,可以看到距今4,960~3,510a 的最新事件虽然没有完整剖面的连续记录,但可以通过多个剖面联合限定,可能代表了1次全段的破裂事件;距今(10.15±0.05)~(8.16±0.05)ka的事件同时出露于嶂山闸及重岗山等地,代表了1次较大范围的破裂事件;其余更早的古地震事件仅在单个地点揭露,是否为全段破裂事件还有待更多资料的支持。

4 结论

郯庐断裂嶂山段上新世期间仍然持续进行着自晚中生代以来的拉张正断运动,第四纪初区域发生挤压,断裂活动方式变为逆冲。断裂第四纪活动形成的最显著地貌为马陵山山体的隆起,冲沟位错等微地貌显示断裂具有右旋走滑的运动特征。断裂在山麓地带为单条断层结构,发育断层泥带;在平原地带为多条断层结构,新、老断层之间具有继承性与新生性关系,往底部可能合并为1条断层。该段发现断层错断了全新统连云港组黑色黏土,最新活动时代可能距今3,500a左右。

马窑1号探槽揭示嶂山段在15.12~11.82kaBP期间发生1次古地震事件。目前郯庐断裂新沂—泗洪段已揭露的古地震事件年代序列可归纳为: 9.6×104a以前,晚更新世早、中期,15.12~11.82kaBP,(11.76±0.05)~(10.53±0.05)kaBP,(10.15±0.05)~(8.16±0.05)kaBP,4,960~3,510aBP。其中距今4,960~3,510a的事件是通过多个剖面联合限定的,尚缺乏完整剖面的连续记录,有待深入研究;距今(10.15±0.05)~(8.16±0.05)ka 的事件已在多个地点揭露,代表了1次较大范围的破裂事件;其余更早的古地震事件仅在单个地点揭露,是否为全段破裂事件还有待更多资料的支持。

致谢审稿专家对论文提出了宝贵意见,炭样年代由美国BETA年代实验室测试完成,在此一并表示感谢。

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ACTIVITY FEATURES OF FAULTS AT THE EAST OF ZHANGSHAN ON THE MIDDLE SEGMENT OF TANLU FAULT ZONE

YANG Yuan-yuan1)ZHENG Hai-gang1)YAO Da-quan1)SHU Peng1)ZHAO Peng1)SHENG Xiao-qi2)

1)AnhuiEarthquakeAdministration,Heifei230031,China2)FirstCrustMonitoringandApplicationCenter,ChinaEarthquakeAdiministration,Tianjin300180,China

Given the scarcity of research on the activity of Xinyi-Sihong segment of the Tanlu Fault zone,this paper focuses on the Zhangshan segment where there are quite evident geomorphic features to complement the shortage of the research on the northern part of Xinyi-Sihong segment. This study enriches evidences for the late Quaternary activity and paleoseismological events on the Xinyi-Sihong segment. The Zhangshan segment is located at Xiaodian Town to Jintou Village of Suqian City,stretching towards NE for 7 kilometers with a dip angle of 60~80. Research of tectonic geomorphology shows that gullies in northern part of Zhangshan segment were evidently displaced,while in the southern,two NE-trending right-stepped fault scarps are developed,with an average height of 3 meters,which generally suggests that the fault was dominated by thrust and dextral motion. Two trenches were excavated in the southern part of Zhangshan segment,numbered Mayao trench 1 and Mayao trench 2. Both trenches reveal that: (1)within this segment,Tanlu Fault shows periodic fault activity,that is,normal faulting during Pliocene epoch while thrust faulting in Quaternary period; (2)an event occurred between 15.12kaBP to 11.82 BP; (3)the latest event possibly took place around 3,500 aBP. Based on integrated results of previous studies,we identify the dates of paleoseismic events on the Xinyi-Sihong segment as follows: more than 960 thousands years ago,early to middle period of late Pleistocene,(15.12~11.82)kaBP,(11.76±0.05)ka~(10.53±0.05)kaBP,(10.15±0.05)ka~(8.16±0.05)kaBP and 4,960~3,510aBP.

Tanlu Fault zone,paleoseismic events,Xinyi-Sihong segment,Zhangshan segment

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.03.006

2015-05-08收稿,2016-07-28改回。

中国地震局地震行业科研专项(201308012)、安徽省公益性地质工作项目(2015025)与安徽省地震科研基金青年项目(20160605)共同资助。

姚大全,男,研究员,E-mail: daquany@aheq.gov.cn。

P315.2

A

0253-4967(2016)03-0582-14

杨源源,男,1988年生,2013年于中国地震局地震预测研究所获硕士学位,研究方向为地震地质和地震综合分析预报,E-mail: yuanyuanyang_1988@126.com。

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