郯庐断裂带泗洪段晚中生代以来地层特征及其沉积构造响应

蒋仁 曾剑威 刘凯

摘要： 江苏泗洪及周边地区晚中生代以来的沉积盆地演化及现今地形地貌的形成，主要受控于郯庐断裂带泗洪段多期构造活动。新近纪—第四纪松散沉积物完整记录了新构造运动控制下的沉积基底起伏特征和沉积物堆积过程。文章以泗洪段SHJ02钻孔为例，在钻孔岩心特征分析及地层序列划分的基础上，探讨了该区古地理环境及构造演化特征。SHJ02钻孔孔深24600 m，自上而下揭示的地层包括：第四系（埋深0～4743 m）、新近系（埋深4743～23952 m）、晚白垩世红层（埋深23952～24270 m）及早白垩世火山岩（埋深>24270 m）。该区晚中生代—新生代地层序列和沉积格架特征，揭示了郯庐断裂带泗洪段晚白垩世断陷沉积、古近纪隆升剥蚀、新近纪伸展环境下河湖相沉积，以及第四纪晚期挤压背景下快速隆升的构造演化过程。新近纪—第四纪河道演化变迁、河湖相频繁交替等沉积体系的快速转换是对郯庐断裂带泗洪段新构造运动的响应。

关键词： 新近系;第四系;地层序列;新构造运动;郯庐断裂带泗洪段;江苏

中图分类号：P546;P532;P5346

文献标识码：A

文章编号：20961871（2020）029711

郯庐断裂带是亚洲大陆东部一条大型岩石圈断裂，在中国境内延伸约 2 400 km，最早形成于印支期碰撞造山阶段，具有长期、多阶段演化历史[15]。新生代以来，郯庐断裂带强烈活化，控制了渤海湾盆地及苏北盆地的形成演化、沉积发育及油气成藏等，也是我国东部地区一条重要的地震构造带[68]，对研究中国大陆东部新生代构造演化、动力学背景及地壳稳定性具有重要意义。江苏泗洪地区是新生代世界生物进化和人类起源中心之一，泗洪县双沟镇发现的下草湾动物群被古生物学家称为“中新世生物化石的宝库”，体现了新生代中新世该地区地质、环境及生物的多样性，对研究新生代植物、软体动物、脊椎动物及灵长目动物的演化具有重要意义[911]。20世纪以来，前人开展了大量基础地质和地球物理工作，如航磁、重力、大地电磁测深等[1215]，发现郯庐断裂带具有明显的航磁和重力异常特征，具有深切岩石圈并造成莫霍面异常及软流圈隆起的特点。随着年代学测试技术的发展，围绕郯庐断裂带变形历史陆续开展系列研究工作[1623]。第四纪以来，郯庐断裂带进入新的构造活动期，控制和影响了泗洪地区第四纪沉积建造的形成和分布。因此，研究该断裂新生代以来，特别是第四纪断裂的活动性，对理解中国东部新生代动力学过程和地震活动规律具有重要意义。泗洪地区被第四系广泛覆盖，泗洪县重岗山一带是研究区出露最好的剖面，剖面完整、断层盘岩石出露新鲜，研究发现重岗山—王迁段曾发生的两次古地震，其年代依次为（11 755±45）～（10 525±45） a B.P. 和（10 135±50） a B.P.[2425]。宿迁段则为全新世活动断层，距今5 900年发生过一次地震地表破裂事件[26]。以往研究主要为区域地球物理解译和露头尺度解析，缺少系统的地层学证据。本文以SHJ02钻孔地层研究为依据，较全面地揭示了郯庐断裂带泗洪段晚白垩世断陷沉积、古近纪隆升剥蚀、新近纪伸展环境下河湖相沉积及第四纪晚期挤压背景下快速隆升的构造演化过程，为泗洪地区晚中生代以来的沉积特征及古地理环境演化、构造活动研究提供可靠的地层学证据。

1地质概况

研究区位于华北板块与扬子板块结合部位，郯庐断裂带呈近SN向贯穿全区。郯庐断裂带泗洪段位于苏北平原西北部，东侧为苏鲁造山带，西侧为华北板块徐淮隆起。该段宽20～30 km，由5条主干断裂组成（图1），由东向西分别为山左口—泗洪断层（F1）、桥北镇—宿迁断层（F5）、新沂—新店断层（F2）、墨河—凌城断层（F3）和纪集—王集断层（F4）。根据活断层规模、断距及对第四纪沉积和地貌的影响程度，判断晚更新世以来F2与F5活断层的活动性最强[27]。

郯庐断裂带主干断层差异性活动控制了区域晚中生代尤其是新近纪以来的沉积过程，形成了隆、凹相间的古地貌，自西向东分别为华北板块新元古代地层剥蚀区、中—新生代凹陷沉积区、中部重岗山晚白垩世红色砂岩剥蚀区和东部凹陷区，其中西部与中部剥蚀区之间的凹陷区沉积最厚，新近系与第四系厚度达200 m以上[28]。

2钻孔岩心特征

SHJ02钻孔位于江苏省泗洪县西北部、安徽省泗县刘圩镇小学东侧，由安徽省地矿局第一水文工程地质勘查院于2016年施工完成，孔深246 m，测井深245 m。钻孔自上而下揭穿了第四系、新近系和上白垩统，底部见早白垩世火山岩（未穿）。根据钻孔揭露的地层岩性组合特征，共分为20层，具体特征如下。

（20）0～120 m。顶部约40 cm为回填土;中、下部为灰褐色粉砂质粘土，上部含黑色有机质，偶见细小螺壳。与下伏地层呈平行不整合接触。

（19）120～2413 m。主要为黄褐色、棕红色和青灰色粘土、粉砂质粘土，局部夹薄层粉砂，铁质浸染强烈。含钙质结核，中部富集成层，偶见螺壳。

（18）2413～2663 m。主要为灰黑色粉砂质粘土夹粘土质粉砂。弱水平层理，含大量蚌壳、螺壳碎块，AMS14C年龄为（55 330±2 270）a B.P.。含少量钙质结核，底部为灰白色粗砂。与下伏地层呈平行不整合接触。

（17）2663～3207 m。主要為黄褐色中细砂、粗砂、含砾粗砂，局部夹粉砂质粘土团块，顶部为铁锰富集层（古风化壳）。自上而下粒度逐渐变细，总体呈反粒序沉积层序。

（16）3207～4026 m。上部为黑色含粉砂粘土;下部为灰黄色粘土质粉砂、中粗砂、粗砂，含少量石英细砾、泥砾，近底部砂层铁质浸染强烈。与下伏地层呈平行不整合接触。

（15）4026～4313 m。上部为灰黑色、灰黄色含粉砂粘土夹深灰色中细砂层;下部为棕黄色、灰黄色粗砂，含少量石英细砾且底部较富集。

（14）4313～4743 m。主要为灰绿色、灰黄色粉砂质粘土，不显层理。上部铁质浸染较强;下部较弱;中部4520～4525 m钙质结核富集。与下伏地层呈平行不整合接触。

（13）4743～5886 m。主要为灰白色、浅肉红色半固结状钙质泥岩，顶部约50 cm为灰黑色富铁锰质层。

（12）5886～6486 m。顶部为深褐色含铁锰结核钙质粘土;中部和下部为灰绿色、灰白色钙质粘土夹灰绿色、灰黄色含粘土中砂。含大量钙质结核，总体固結性较强。

（11）6486～7962 m。主要为浅灰绿色中细砂、粗砂，夹灰绿色粉砂质粘土层，底部为灰白色、灰黄色石英砾。

（10）7962～9453 m。上部为灰绿色、黄褐色粉砂质粘土;中部为浅灰绿色、灰绿色粘土质粉砂，局部固结成粉砂岩;下部为灰绿色、黄褐色中粗砂、含砾粗砂，含较多粘土质及半固结状砂岩团块，铁质浸染强烈。与下伏地层呈平行不整合接触。

（9）9453～10954 m。上部为黄褐色粉砂质粘土、粘土质粉砂，发育水平层理和交错层理，含钙质、铁锰质结核及铁质浸染斑块;下部为黄褐色、浅灰绿色粉砂，局部夹粘土质团块泥砾。

（8）10954～13728 m。主要为黄褐色、灰绿色粉砂质粘土、粘土，其中黄褐色粘土中见大量灰绿色条带。

（7）13728～14393 m。主要为棕黄色粗砂、灰绿色细砂，中部夹浅灰绿色、黄褐色粉砂质粘土，含大量细小钙质颗粒，顶部含少量泥砾，底部发育冲刷面。

（6）14393～16368 m。上部为黄褐色、浅灰绿色粉砂质粘土，铁质浸染强烈，含较多钙质团块;中部为黄褐色、浅灰色含粘土粉砂，含较多钙质团块及石英细砾;下部为浅黄绿色中粗砂、含砾粗砂，砾石以石英细砾及泥砾为主，偶见沉凝灰岩砾石。

（5）16368～17656 m。上部为浅灰绿色、灰白色粉砂质粘土，含大量钙质结核团块;中部为棕色粘土质粉砂，含较多粘土质及少量钙质团块;下部为半固结状砾岩，砾石成分混杂，以石英砾为主，其次为方解石，偶见沉凝灰岩碎块。

（4）17656～20011 m。上部为黄褐色、棕褐色、灰白色粉砂质粘土，含较多钙质及铁锰质结核;下部为黄褐色含粘土粉砂、细砂、中粗砂，含少量泥质、石英质细砾;底部见少量浅肉红色沉凝灰岩砾石。自上而下，粒度变粗。

（3）20011～23952 m。主要为坡积物，混杂堆积，含铁锰质结核、灰白色钙质团块。砾石成分主要为灰岩，分选差，大小混杂，次棱角—次圆，胶结物主要为下伏红色砂岩层风化物及少量粘土质。

（2）23952～24270 m。主要为砖红色含砾砂岩。砾石以石英砾为主，其次为凝灰岩碎块，砾石分选差，磨圆差，含较多火山物质及粘土质，火山物质多为灰白色细小颗粒，分布均匀。

（1）24270～24600 m。主要为土黄色、黄褐色熔结凝灰岩。上部岩石较破碎，风化强烈;下部见较多绿泥石，块状构造，未见底。

3地层时代及划分

31材料与方法

所有测试样品均采自钻孔岩心。锆石UPb同位素测年样品采自底部火山岩，在武汉上谱分析科技有限责任公司完成测试。采用常规方法分选出锆石，将锆石颗粒及标样制成环氧树脂靶后进行透射光和反射光照相、锆石阴极发光图像（CL）分析，选择适宜的测试点位进行测试。14C同位素样品主要采集沉积物中螺（贝）壳等生物碎屑，在中国科学院地球环境研究所西安加速器质谱中心14C加速器测年实验室完成测试。AMS 14C 测定值以5 568 a为半衰期计年，使用国际14C委员会提供的CALIB44校正程序对测试数据进行校正。古地磁样品均采用直径254 cm的无磁性塑料圆盒装载，标注顶、底方向，单件样品平均重约10 g。粘土采样间隔20 cm，砂层采样间隔50 cm，在中国地质调查局南京地质调查中心古地磁实验室完成测试。剩磁测量采用美国Schonstedt 仪器公司生产的“DSM2”型数字旋转磁力仪，磁化率采用“HKB1”高精度磁化率仪测试，测试精度为2×10-7SI，交变退磁采用“GSD5”交变退磁仪，退磁峰值场最高值可达100 mT，所有样品均进行了5～90 mT交变磁场的逐步退磁。

32地层时代

前新近纪地层时代通过锆石UPb年龄标定。SHJ02钻孔底部揭露的青山组熔结凝灰岩锆石 UPb年龄为1290±20 Ma（图3），属于早白垩世。

新近纪地层时代主要依据研究区发现的古生物化石进行区域对比，第四纪地层主要依据古地磁和14C同位素年龄标定。

泗洪县下草湾、峰山等地区下草湾组（N1x）先后发现Dionysopithecus shuangouensis[29]，Stephanocemas sp.，Anchitherium sp.[30]，Platodontopithecus jianghuaiensis[31]、Youngofiber sinensis[32]、Cricetus[33]等古脊椎动物化石，均属中新世中、晚期。所含植物孢粉Podogonium oehningense、Quercus sinomiocenicum、Castanea miomollisima[30]，时代也为中新世。钻孔以东的重岗山人工采砂坑广泛分布的宿迁组（N2s）砂砾层剖面中曾发现Ctenopharyngodon sp.、Mylopharyngodon sp.、Pelteobagrus sp.等鱼类及瓣鳃类化石[30]，其时代为新近纪上新世。

SHJ02钻孔古地磁极性显示，埋深4026 m以浅以正极性为主，属于布容正极性世;4026～4743 m段为负极性，属于松山负极性世。4026 m处为正、负极性的分界，即早、中更新世地层的分界线。其他段正、负极性变化受地层缺失、沉积物岩性及固结程度等因素影响，仅作为地层划分的参考。

钻孔上部地层绝对年龄标定采用AMS 14C测年。SHJ02钻孔缺少稳定的碳屑层，仅零星见少量蚌壳等生物碎屑。对测试结果进行了必要筛选，若下部年龄值较上部年龄值小，则可能为搬运再沉积碳，取下部较小年龄值而舍弃上部较大年龄值（表1）。

33地层划分

根据钻孔揭露的地层岩性特征，结合古地磁极特征，自下而上划分为白垩系、新近系和第四系。

（1）白垩系。分为早白垩世青山组（K1q）和晚白垩世王氏组（K2w）。

青山组埋深2460～2427 m，主要为火山岩，岩性为熔结凝灰岩，风化较强。研究区南部毛山、柳山出露青山组，以凝灰质火山角砾岩为主。王氏组埋深2427～23952 m，主要为红色粉砂岩、泥质粉砂岩，出露在钻孔东侧重岗山地区，底部为含片麻岩砾石的红色砂砾岩。

（2）新近系。分为中新世下草湾组（N1x）和上新世宿迁组（N2s）。

下草湾组沉积物岩性组合及沉积旋回可分为下段、中段和上段。下段（N1x1）埋深23952～20011 m，主要为砾石层和半固结状砾岩，顶部为棕黄色含砾粘土，局部夹红色泥质粉砂岩风化残积层。砾石以灰岩为主，分选差，大小混杂，大者直径>11 cm，呈棱角、次棱角状，胶结物为红色泥质粉砂岩风化后残留的粉砂质粘土和灰岩溶解淋滤再沉积的方解石。钻孔以西见大量新元古代灰岩出露。因此，该段地层为构造作用下的山前崩积物，属近源堆积。中段（N1x2）埋深20011～16368 m，主要为棕黄色和棕红色砂、粘土组合。包括2个沉积旋回，自下而上分别为：第1旋回埋深20011～17656 m，下部为浅黄色、灰黄色中粗砂、细砂，厚约813 m;上部为灰紫色、褐黄色粘土、粉砂质粘土，含大量钙质、铁锰质结核，厚约1542 m。第2旋回埋深17656～16368 m，下部为浅棕红色砂层，向上粒度逐渐变细，粗砂含少量细砾、细砂、粉砂，厚732 m;上部为灰绿色粉砂质粘土，含大量灰白色钙质结核，厚556 m，总体以河流沉积为主。上段（N1x3）埋深16368～9453 m，正粒序沉积，下部为灰绿色中细砂层，厚1184 m;上部为灰绿色、棕褐色、棕黄色粘土、粉砂质粘土，厚5731 m。沉积物以灰绿色、灰蓝色为主，属于河湖相沉积。

宿迁组下段埋深9453～5886 m，由2个正粒序沉积旋回组成。第1旋回埋深9453～7962 m，下部为浅灰绿色、灰白色含砾粗砂、中砂、粉砂，向上粒度逐渐变细，厚1453 m。该套地层出露在钻孔以东重岗山地区，为灰白色玻璃质石英砂组，局部夹灰绿色粘土薄层或透镜体，结构松散，具厚层状水平层理。区域上，该石英砂组地层沿F2断裂近SN向呈带状分布。上部灰绿色粘土，后期氧化后呈黄褐色，顶部夹铁锰结核层，为暴露氧化面，厚338 m。第2旋回埋深7962～5886 m，下部为浅灰绿色中砂，局部夹灰绿色粘土，厚1476 m;上部为灰白色含钙质粘土，厚6 m;顶部约50 cm含大量铁锰结核，为暴露氧化面。宿迁组上段埋深5886～4743 m，主要为灰绿色、灰白色钙质粘土、半固结状钙质泥岩;顶部50 cm含铁锰质成分，显灰黑色。与上覆第四纪粘土层相比，其成分相似，但岩石固结程度等物性差异明显，二者呈平行不整合接触（图4）。

（3）第四系。自下而上包括早更新世豆冲组（Qp1d）、中更新世泊岗组（Qp2b）、晚更新世戚咀组（Qp3q）和全新世连云港组（Qhl）。

豆冲组埋深4743～4026 m。下部为灰绿色粘土，后期经氧化铁染后呈棕黄色，厚43 m;中部为灰黄色、浅灰绿色中粗砂夹粘土，厚163 m;上部为灰黑色、灰褐色粘土夹细砂，顶部见冲刷侵蚀面，富含铁锰质结核，厚124 m。

泊岗组埋深4026～2663 m。主要为灰黄色、棕黄色粗砂、细砂、粉砂，中部夹18 m厚灰黑色富有机质粘土。顶部40 cm为黄褐色粗砂细砾富含铁锰质，为沉积间断面。

戚咀组埋深2663～142 m。底部为灰黑色富有机质粘土，含蚌壳（AMS14C年龄为55 330±2 270 a B.P.）;中、上部为黄褐色、棕黄色粘土，含铁锰质、钙质结核，局部夹粉砂。

连云港组埋深142～0 m。红褐色淤泥质粘土，为历史黄河夺淮经此洪泛淤积形成的“黄泛层”，西侧相邻的SHJ01 钻孔AMS14C年龄为990±30 a B.P.（埋深21 m）;顶部为人工扰动的耕作层。

4晚中生代以来古地理环境及新构造特征

41古地理环境演化

SHJ02钻孔以西朱山地区属华北陆块，出露新元古代碳酸盐岩、石英岩。SHJ02钻孔位于朱山东侧山前，根据区域地质及浅层地震剖面资料[34]，发现古生代—中生代早期，在区域整体挤压的构造背景下，研究区为隆升剥蚀区。中生代晚期，早白垩世火山岩不整合覆盖于新元古代地层之上。晚白垩世，受区域伸展应力作用影响，SHJ02钻孔及以东地区形成断陷湖盆，沉积了较厚的陆相红色砂岩，其中钻孔所处的断陷湖盆西侧地层沉积较薄，仅3 m左右。上覆为新近纪早期崩积层砾岩，二者呈不整合接触（图5（a））。

新近纪早期，在郯庐断裂带泗洪段新构造运动影响下，研究区沉积了近40 m厚的崩积层砾岩。砾石多为华北陆块新元古代灰岩和次生方解石，主要呈棱角次圆状，大小不等，胶结物包括粘土和上白垩统红色砂岩风化搬运物质，为近源堆积（图5（b））。新近纪中晚期沉积的砂砾、砂及粘土层主要是河流相与湖相交替形成的。通过区域对比，发现中新世与上新世河流物源、古流向及规模存在较大差异：中新世物源区为西部华北陆块碳酸盐岩，河流呈NNW—SEE流向;上新世物源主要来自郯庐断裂带沿线石英岩等高压、超高压变质岩区，河流呈近S—N流向。研究区河流改道及沉积体系的重大转换是对该时期新构造运动的响应。

第四纪，研究区主要为河湖相沉积，二者交替频繁。河流相砂层多呈灰黄色、棕黄色，属分支河道、漫滩亚相;湖相粘土层为灰黑色，富有机质，为浅水湖沼沉积（图5（c））。晚更新世晚期，研究区以漫滩亚相粘土为主，受后期地下水水位和淋滤作用影响，地层中含较多铁锰质、钙质结核。該套地层中先后发现Palaeoloxodon huaihoensis骨架化石[35]，埋藏地层年龄距今约50 000 a[36]，反映了较炎热的亚热带古气候环境[37]。全新世，研究区局部洼地沉积了湖沼相灰黑色粘土，钻孔所处区域受垅岗地形影响，以侵蚀为主，仅在黄河夺淮期间（公元1 128～1 855年）[38]，黄、淮水系共同携带的大量沉积物质季节性洪泛至此，淤积形成厚度近1 m的“黄泛层”。

42新構造特征

根据SHJ02钻孔揭露的地层特征，结合区域地质资料，新近纪时期研究区总体为伸展应力构造环境，在晚白垩纪断陷湖盆的基础上，继承性发育河湖相沉积。早期受新构造作用影响，靠近西侧朱山山前一侧堆积形成了较厚的崩积层砾岩（图5（b））。中晚期持续的断陷活动，使区内发育近SN流向古河流，沉积了近200 m厚的松散堆积物。早期河道主要分布在断裂带西部F3与F2断层之间，河道区宽缓;随着东侧F2断层活动加强，持续断陷迫使古河流逐步向东靠近F2断层一侧迁移，同时河道收缩变窄;至晚期古河道仅分布在F2与F1断层之间的狭长区域（图6）。同时，古河流物源也由早期的西部华北地层碳酸盐岩区转换为断裂带超高压变质岩区。区内古河流改道、沉积体系与环境发生改变，均受郯庐断裂带新构造运动控制。

第四纪早更新世—晚更新世早期，河流相、湖相沉积物粒度、颜色及沉积水深多次快速变化，反映在强构造作用下，研究区古河流发生堰塞并改道，河流相向湖相快速转换（图5（c））。晚更新世晚期，区域应力场发生重大转换，由早期（新近纪—第四纪早期）伸展构造环境转换为晚期（第四纪晚更新世以来）挤压构造环境，快速抬升使重岗山等地区埋藏的晚白垩纪红层以及上新世时期河流相砂砾层逆冲至第四纪晚更新世粘土层之上，形成了钻孔北侧北老山和东侧重岗山等一系列线性隆起和隆凹相间的地形地貌（图6）。

5结论

（1）SHJ02钻孔自上而下揭示了第四纪和新近纪松散地层的沉积特征，古近纪地层缺失，底部见晚白垩世王氏组红层和早白垩世青山组火山岩（未穿）。

（2）晚白垩世，郯庐断裂带泗洪段为伸展构造环境，形成东部断陷湖盆;古近纪，该区整体挤压隆升，地层缺失;新近纪，该区总体为伸展构造环境，以河湖相沉积为主;第四纪晚期，区域发生构造转换，由早期的伸展构造环境转换为晚期的挤压构造环境，局部快速抬升，形成垅洼相间的地形地貌。

（3）SHJ02钻孔揭露了郯庐断裂带泗洪段新近纪较完整的河湖相地层、中新世与上新世之交古河流改道、第四纪早期沉积体系与构造环境快速转换以及第四纪晚期沉积地层快速隆升剥蚀，这些沉积过程是对区域新构造活动的响应。

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