郯庐断裂带江苏段山左口−泗洪断裂活动特征变化及成因分析

张 浩，李 伟，李丽梅，晏云翔，蒋 新，王金艳，赵启光，顾勤平，许汉刚

(1.江苏省地震局，江苏 南京 210014；2.中国地震局 地质研究所，北京 100029；3.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

郯庐断裂带是中国东部一条规模巨大、结构复杂的活动断裂，其活动方式具有明显的分段性、多期性及复杂性，在不同区段及不同的分支断裂上表现为不同的活动特征[1-2]。有历史纪录以来，该断裂带上曾发生了多次 7 级以上大地震，如1668 年7 月25 日山东郯城8.5 级大地震，1888 年6 月13 日渤海7.5 级地震，1969 年7 月14 日渤海中部7.4 级地震，1975 年2 月24 日辽宁海城7.3 级地震[3]。张继红[4]、翁爱华[5]等通过大地电磁测深工作，表明郯城地震的震中可能位于昌邑−大店断裂(江苏段称为山左口−泗洪断裂)和白芬子−浮来山断裂的接触部位，震源深度可能为15 km。因此，确定山左口−泗洪断裂的活动特征对分析未来郯庐断裂带的潜在震源位置具有重要意义。

郯庐断裂带是华北地块与杨子地块和苏鲁造山带的边界构造带，其形成机制与演化过程和华南板块与华北板块的碰撞造山作用有很大的关系[6-7]。郯庐断裂带是一个构造面形态随深度变化、断层倾角近于直立、由多条断裂组成的大型“花状”构造，且组成郯庐断裂带的各条主干断裂表现出张性、压性、扭性结构面共存的复杂结构[8]。

近年来，国内外学者对郯庐断裂带及郯城8.5 级大地震开展了大量的研究，研究重点主要集中在安丘−莒县断裂[9-10]，而对郯庐断裂带东边界断裂研究则相对较少。刘备等[11]通过天然露头剖面认为郯庐断裂带江苏段山左口−泗洪断裂(以下称为F1断裂)为晚更新世活动断层。曹筠等[12]通过宿迁市浅层地震勘探及跨断层钻孔联合剖面认为F1断裂为前第四纪断层。徐建国等[13]在山东境内采用地面调查、物探及钻探工作认为F1断裂为晚更新世活动断层。顾勤平等[14]通过新沂市中深层地震勘探及浅层地震勘探认为F1断裂为早中更新世断裂。综合前人研究可知，F1断裂最新活动时代具有分段性，其活动时代变化的位置及原因尚未深入研究。基于此，针对F1断裂开展了野外地质调查、浅层地震勘探以及钻孔联合地质剖面等系统工作，对该断裂的活动性及其变化原因进行了深入分析和讨论，以期为研究郯庐断裂带各分支断裂活动性变化提供重要参考。

1 区域地质背景

郯庐断裂带依据其几何结构和活动性自北向南可分为4 段(图1a)，分别为Ⅰ鹤岗−铁岭段、Ⅱ下辽河−莱州湾段、Ⅲ潍坊−嘉山段和Ⅳ嘉山−广济段[15]。其中潍坊−嘉山段是郯庐断裂带活动最为强烈的部分[16-18]。郯庐断裂带江苏段主要由5 条分支断裂组成(图1b)，分别为山左口−泗洪断裂(F1)、新沂−新店断裂(F2)、墨河−凌城断裂(F3)、纪集−王集断裂(F4)和安丘−莒县断裂(F5)。其中F1− F4断裂构成“两堑夹一垒”的构造格局，F1断裂为郯庐断裂带江苏段的东边界断裂，断裂东侧基岩为太古−元古片麻岩，断裂西侧为白垩系砂岩。F1断裂经历了郯庐断裂带整个演化过程，早白垩纪至古近纪，因中国东部大陆的伸展活动，F1断裂以左旋走滑兼具拉张活动为主，沉积了巨厚的白垩系砂岩，古近纪末，中国东部发生了一次区域性挤压事件，结束了郯庐断裂带上的伸展活动。第四纪以来，郯庐断裂带整体以右旋走滑为主[11]。

图1 山左口−泗洪断裂构造分布Fig.1 Distribution of the Shanzuokou-Sihong fault

F1断裂自江苏境内的山左口一带，向南西延伸，经后皇城、新沂市区至宿迁一带，总体走向北东10°～15°，倾角40°～60°，呈隐伏状态，在北马陵山东侧出露地表。沿F1断裂两侧第四系较薄，最厚约20 m，自上而下可分为：全新统(Q4)灰黑色黏土；上更新统(Q3)棕黄、青灰色黏土；中更新统(Q2)灰黄色黏土夹黑色铁锰结核；下更新统(Q1)灰黄色中粗砂、中细砂。

2 研究方法

根据地形、地貌及第四系厚度等地质条件，选择在断层出露区采用野外地质调查，在断层隐伏区采用浅层地震勘探结合钻孔联合剖面，确定断裂的具体展布和活动特征。

1)浅层地震勘探

浅层地震反射勘探是探测隐伏断层最有效的地球物理探测方法之一，在各大城市的活断层探测工作中得到了广泛应用[19]。依据前人对郯庐断裂带填图成果，以及浅层地震勘探对场地条件的要求，在太平村山水大道布设XYL2 测线(图1b)，揭露F1断裂在新沂市的几何结构和断层性质。

数据采集。通过试验，选择使用美国SI 公司生产的S-Land 地震仪，检波器固有频率为40 Hz，震源为18 吨纵波M-18 型可控震源，实际扫描频率20～160 Hz。该测线采用纵波反射波施工，3 m 检波点距，120 道接收，20 次覆盖，采样率0.5 ms，采样长度1 024 ms，中间激发、两侧对称接收。

数据处理。资料的分析处理主要包括预处理、滤波、静校正、振幅补偿、常速扫描、速度谱分析、动校叠加、畸变切除、修饰性处理及剖面输出等基本流程，处理顺序及内容则按任务的需求进行合理选择。

2) 钻孔联合地质剖面

根据浅层地震勘探结果，在断点两侧开展钻孔联合地质剖面探测。钻孔布设采用对折定位方法[20-21]，最小孔间距不大于10 m。探测结果主要是对浅层地震勘探结果进行验证及揭露F1断裂活动性质及活动时代。断裂活动性质主要依据标志地层的对比进行分析，标志层应特征明显，容易识别。断裂活动时代依据钻孔联合剖面揭露的断层断错地层和上覆地层的年代进行限制。

3 结果

3.1 北马陵山天然露头

北马陵山东侧东海颜场可见F1断裂(图2a)，白垩系王氏组(K2w) 砂砾岩与东侧花岗岩(燕山期)、片麻岩(Ar)的界线明显，基岩出露地表。大解庄西露头(图2b)可见断裂西侧砂岩向东逆冲，倾向向西。后黄古城南天然露头显示F1断裂上断点进入上更新统至全新统，为晚更新世活动断层[11]。综合北马陵山东侧F1断裂沿线地貌及露头特征可知，白垩纪郯庐断裂带属于拉张沉积环境，F1断裂西侧沉积了巨厚的白垩纪砂砾岩，古近纪至第四纪早期以来，郯庐断裂带整体处于挤压环境，F1断裂西侧砂砾岩向东逆冲(图2b)。第四纪中晚期，F1断裂以右旋走滑兼具正断活动为主(图2c)。

图2 F1 断裂天然露头剖面Fig.2 Sections of field outcrops of fault F1

3.2 浅层地震勘探

XYL2 测线在太平村山水大道揭露F1断裂，上断点位于桩号15 637 处(图3)，断层倾向W，视倾角较陡，基岩顶面反射波同相轴在桩号15 637 处有明显的错断、挤压隆起，视断距较小。沿该测线，高分辨率折射层析剖面显示在桩号15 637 附近断点西侧基岩P 波速度约为2 500 m/s，结合钻孔资料确定为王氏组砂岩，东侧基岩P 波速度约为4 500 m/s，为太古界−元古界片麻岩(图4)[14]。

图3 XYL2 测线叠加时间剖面图Fig.3 Seismic time-stacked section of survey line XYL2

图4 XYL2 测线地震折射层析结果[14]Fig.4 Seismic refraction tomography results of survey line XYL2 [14]

3.3 钻孔联合地质剖面

跨F1断层钻孔联合地质剖面沿XYL2 测线15 637 桩号两侧布设(图5)，该剖面西约1 km 为南马陵山，东侧1.2 km 为沭河，沉积地层受沭河河流作用与南马陵山洪积作用影响。

图5 XYL2 测线动校叠加时间剖面和钻孔布置Fig.5 Seismic time-stacked section time profile after normal moveout correction and borehole layout along survey line XYL2

根据新沂市城市活动断层探测标准钻孔资料及钻孔岩心可知(图6)，全新统底界深度范围为1.5～1.9 m，主要岩性为褐黄色、灰黑色黏土和粉砂质黏土，偶夹黑色铁锰质结核，软塑。中、上更新统底界深度范围为5.9～7.3 m，主要岩性为灰黄色、黄灰色黏土，黑色铁锰结核斑点密集分布。下更新统底界深度为12.3～14.6 m，主要岩性为灰黄色、黄色中粗砂，夹灰色黏土薄层。东侧2 个钻孔(ML1 和ML7)揭露的基岩为太古界−元古界片麻岩，西侧1 个钻孔(ML3)揭露的基岩为王氏组砂岩，中部4 个钻孔揭露的地层为砂岩与片麻岩混合岩。根据基岩岩性分析，F1断裂由2 条分支断层组成，其中F1-1为主断层，断层东侧为太古界−元古界片麻岩。

图6 跨F1 断层钻孔联合地质剖面Fig.6 Cross-well stratigraphic correlation spanning across fault F1

由钻孔联合剖面可知(图6)，F1-1断层两侧下更新统中粗砂层底界断错约1.3 m，断层两侧ML4 和ML7钻孔在5.0～6.2 m 黏土颜色明显不同，ML4 钻孔以青灰色为主，夹黑色铁锰颗粒，ML7 钻孔以灰黄色为主，不存在黑色铁锰颗粒(图7)；在6.2～8.0 m 深度范围内，ML7 钻孔以中粗砂为主，ML4 钻孔以中细砂为主。以青灰色黏土夹黑色铁锰结核作为标志地层①，结合断层倾向，可以认为，F1断裂在早更新世末期以走滑兼具正断活动为主，上断点距地表4～5 m，为中更新世断裂。

图7 F1-1 上断点两侧地层对比Fig.7 Correlation of strata on both sides of the upper cutoff point on fault F1-1

3.4 嶂仓村小学地质剖面

本次野外地质调查中，在嶂仓村小学基坑新发现一条断裂带(本文中命名为F9嶂仓村小学断裂带)，位于郯庐断裂带F1断裂与安丘−莒县断裂(以下称为F5断裂)之间。该断裂带由2 条分支断层组成，断裂总体走向NE70°(图8a)，倾角80°。断裂带宽约3.4 m，带内为晚更新世灰黄色黏土，两侧为白垩系王氏组紫红色砂岩，断层附近砂岩呈破碎状，在断层上部覆盖有厚约30 cm 的全新世灰黑色黏土层(图8b)，该套黑灰色黏土层年龄为(3 920±30) a BP[22]。根据两条分支断层的产状及地层特征，该条断裂带是在近东西向拉张条件下形成，最新活动时代为晚更新世至全新世早期。

图8 嶂仓村小学地质剖面Fig.8 Geological section at the Zhangcang Primary School

4 讨论

朱艾斓等[23]根据震源机制解反应的深部应力环境表明，在郯城−新沂段深部应力环境以走滑和正断为主，主应力方向在北东向，宿迁段主应力方向为近东西向。正是在此区域动力学背景下，郯庐断裂带第四纪以来以右旋走滑运动为主，在断裂带内部形成了系列的丘陵山体，在郯庐断裂带江苏境内主要包括北马陵山、南马陵山、嶂山及重岗山，其中北马陵山东侧为F1断裂，西侧为F5断裂，东南侧为F9断裂。F5断裂为全新世活动断层，在北马陵山表现为走滑兼具逆冲活动(图9a、图9c)，局部剖面可见王氏组砂岩近水平覆盖于西侧晚更新世黏土层上(图9d)，可以认为北马陵山第四纪以来受构造影响处于抬升中[24]。F9断裂为晚更新世至全新世早期活动断层。

图9 安丘−莒县断裂北马陵山露头Fig.9 Field outcrops of the Anqiu-Juxian fault at the North Maling Mountain

F1断裂是郯庐断裂带的东边界断裂，经历了长期的复杂运动，第四纪以来表现为分段活动。该断裂在山东至北马陵山东为晚更新世活动断裂[11,13]，在新沂市和宿迁市为早−中更新世断裂[12,14]。综合分析北马陵山周缘断裂可知，F5断裂东侧、F9断裂西北侧与F1断裂西侧地块处于向西逆冲活动状态，使北马陵山第四纪以来持续抬升，同时在F9断裂形成了近3.4 m的断裂带宽度。F9断裂与F1断裂交汇于嶂仓村东北，F1断裂以嶂仓村东北分为南北两段，北段为晚更新世活动断裂，南段为中更新世断裂。结合北马陵山的抬升及周缘断裂的最新活动时代，北段晚更新世以来活动量可能调整至F9断裂(图10)。

图10 北马陵山抬升机制及F1 断裂活动分段Fig.10 Uplift mechanism of the North Maling Mountain and the activity segmentation of fault F1

5 结论

a.F1断裂出露区西侧白垩系王氏组(K2w)砂砾岩与东侧花岗岩(燕山期)、片麻岩(Ar)的界线明显，隐伏区F1断裂由2 条分支断层组成，倾向向西，倾角较陡，上断点距地表4～5 m。断裂白垩纪郯庐断裂带属于拉张沉积环境，F1断裂西侧沉积了巨厚的白垩纪砂砾岩；古近纪至第四纪早期转化为挤压环境，F1断裂西侧砂砾岩向东逆冲；早更新世末期以来，F1断裂以走滑兼具正断活动为主。

b.根据野外地质调查、浅层地震勘探和钻孔联合地质剖面结果，F1断裂以嶂仓村东北分为南北两段，北段为晚更新世活动断裂，南段中更新世断裂。结合北马陵山的抬升及周缘断裂的最新活动时代，北段晚更新世以来活动量可能调整至F9断裂。

c.北马陵山第四纪以来处于持续抬升状态，其形成机制主要是，F5断裂、F1断裂和F9断裂所围限的地块向西抬升。