2018, Vol. 34
2. 中国地震局地质研究所(活动构造与火山重点实验室), 北京市朝阳区华严里甲1号 100029;
3. 江苏省地震局, 南京 210014
2. Key Laboratory of Active Fault and Volcano, Institute of Geology, CEA, Beijing 100029, China;
3. Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China
断层第四纪活动性是断层沿线区域地震危险性评价工作中最重要的参数之一，也是完整了解断层演化过程的重要基础。郯庐断裂带(以下简称郯庐带)是中国东部重要的活动构造带，其鲁苏段是华北平原地块与胶辽地块和苏鲁造山带的边界构造带，也是1668年郯城8 1/2级地震的发震构造(高维明等，1988；Deng et al，2003)(图 1)。郯庐带鲁苏段沿线地区是我国人口稠密、经济富裕地区，防震减灾工作责任重大。因此，正确认识郯庐带鲁苏段主边界断裂第四纪活动性既是回答郯庐带的演化历史和地震活动性等科学问题的基础依据，也可为精准部署我国重点监视防御区提供科学参考。
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图 1 郯庐断裂带江苏段构造略图(a)及区域构造图(b)(据邓起东等(2007)) 图(a)中F1：昌邑-大店断裂，F2：白芬子-浮来山断裂，F3：沂水-汤头断裂，F4：鄌郚-葛沟断裂，F5：安丘-莒县断裂，F6：宿迁闸-皂河镇断裂，F7：尼山-苍山断裂，字母m代表图 6钻孔剖面位置，字母n代表图 8钻孔剖面位置；图(b)中Ⅰ代表东北鹤岗-铁岭段，Ⅱ代表下辽河-莱州湾段，Ⅲ代表鲁苏沂沭段，Ⅳ代表大别山-广济段 |
东地堑边界断层是组成郯庐带鲁苏段“两堑夹一垒”构造框架的重要边界断层，尤其是东地堑的东边界断层是郯庐带与苏鲁造山带的边界断层，因此有关东地堑边界断层的研究意义不容忽视。以往研究工作主要集中在有历史地震记录的山东段，而由于江苏段东地堑的两边界断层基本上处于隐伏状态，长期以来有关这两支断层的第四纪活动性尚无明确定论(邓起东等，2007)。随着近年研究工作的不断深入，Liu等(2015)依据野外露头和光释光测年技术认为，由于郯庐带江苏段除断裂带西边界断层(F4)未找到露头，推测其为早第四纪断层，其余主干断层均为晚更新世-全新世活动断层，并认为郯庐带全新世活动断层为东地堑的东边界断层，这与以往的认识有很大不同(晁洪太等，1994；李家灵等，1994；邓起东等，2007)，也与近年江苏的详细工作有所出入(曹筠，2015；张鹏等，2015；曹筠等，2017)。由于郯庐带江苏段沿线露头剖面少，大部分地区断层位于隐伏区，光释光结果又得到一个很宽泛的年龄区间，所以可能还需更详尽且确切的资料来约束江苏段东地堑边界断层的第四纪活动性。
目前研究隐伏断层活动性的有效方式之一是浅层地震勘探和钻孔联合剖面相结合的方式(柴炽章等，2006；曹筠等，2015)，本文利用这一综合探测手段开展了郯庐带江苏段东地堑边界断层第四纪活动性研究。结合郯庐带江苏段断层第四纪活动规律，探讨郯庐带江苏段东地堑的活动特征和鲁苏沂沭断裂带断层自第四纪以来的活动习性。
1 郯庐断裂带江苏段地质概述依据郯庐带新生代以来的构造特点、演化历史和地震活动性等特点，将其分为东北鹤岗-铁岭段、下辽河-莱州湾段、鲁苏沂沭段和大别山-广济段(郑朗荪等，1988；李家灵等，1994)。白垩纪形成的四条NNE向主干断层(F1-F4)控制鲁苏沂沭段形成“两堑夹一垒”的构造样式(万天丰等，1996；张岳桥等，2008；Zhu et al，2010)，即由昌邑-大店断裂(F1)和白芬子-浮来山断裂(F2)控制的东地堑以及沂水-汤头断裂(F3)和鄌郚-葛沟断裂(F4)组成西地堑边界断层。第四纪以来，鲁苏沂沭带的主要活动断层是东地堑内的NNE向的安丘-莒县断裂(F5)。
郯庐带江苏段的几条主干断层(F1-F5)近平行展布且被两条主要的NW向断层(F6、F7)所断错(图 1、2)，东地堑东边界断层昌邑-大店断裂(F1)经北马岭山、南马陵山、宿迁、泗洪至淮河岸边，总体走向N5°~10°E，倾向NW；西边界断层白芬子-浮来山断裂(F2)经新沂祁园、新店、骆马湖，至双庄-龙河集一带，总体走向N5°~10°E，倾向SE。这两支边界断层在郯庐带江苏段均被第四系所覆盖，极少有断层露头剖面。
郯庐带鲁苏沂沭段在白垩纪时期受伸展作用影响形成“两堑夹一垒”的构造样式，断裂带内中生代碎屑岩沉积厚达数千米，而断裂东侧则缺失大部分古、中生代地层。白垩系在断裂带沿线发育较完整且不整合于侏罗系及以下地层之上，以陆相碎屑岩为主的青山组(K1q)和王氏组(K2w)在断裂带沿线的高处有所出露。青山组大致可分作两段，上部以火山岩为主，主要是深灰色、紫红色等安山玄武岩、角砾熔岩并夹集块岩、火山角砾岩、凝灰质砾岩，含砾凝灰岩及泥质粉砂岩、泥质砾岩；下部以碎屑岩为主，主要是灰、深灰、灰绿色砂质泥岩、粉砂岩及细粒砂岩、泥岩，局部夹页岩、砾岩和玄武安山岩，常见缓波状层理，常含钙质。王氏组是一套红、棕红色陆相砂、砾岩层。常呈韵律出现，部分砾岩呈透镜状，局部夹页岩、粉细砂岩、泥岩。新生代以来东、西地堑中沉积了火山岩和陆相碎屑岩，古近纪时期受区域隆升作用控制，郯庐带江苏段形成平原中的岛状残丘，地层抬升剥蚀。新近纪断裂带受太平洋板块俯冲弧后拉张作用，江苏南段沿线沉积下草湾组(N1x)、北段主要发育宿迁组(N2s)。下草湾组为一套浅绿、红色泥岩。由于基底断裂构造的升降差异，沉积厚度差异很大。宿迁组主要为灰白、灰绿色中粗砂，灰绿、棕黄色黏土，含砾亚黏土及灰黄、棕黄色粉细砂层。宿迁及其北部马陵山沿线地区宿迁组厚50~80m。第四系下更新统豆冲组(Qp1)以黄灰、灰白色砂、砂砾为主，具有大型斜层理；厚度与埋深由丘、岗顶部向沟谷坳陷内逐步增加。中更新统泊岗组(Qp2)以棕红色粉砂质黏土、棕红色黏土为主，局部含砾姜结石。上更新统戚咀组(Qp3)以棕黄色、灰黄色粉砂质黏土和中细砂为主，下部为黄棕色、桔黄色砾石层，钙质结核富集成层，偶含铁锰结核。全新统(Qh)以灰黑色、灰色粉砂质、质软黏土为主(江苏省地质矿产局，1984)。更新统厚度与该时期水系分布及新构造活动密切相关。
2 郯庐断裂带江苏段东地堑边界断层第四纪活动性 2.1 浅层地震反射剖面证据为全面了解郯庐带江苏段东地堑内断层在浅部的构造特征，布设1条浅层地震长测线TL(图 1、3)，测线显示东地堑几条断层在浅部都表现为高倾角断层且存在明显的活动性差异，两边界断层倾向相反，均表现为正断性质，形成断裂带的东地堑。反射界面T3-1和T4在CDP#2966处不连续，东侧相对抬升，两侧岩性的发射波信号存在差异，依据区域反射波波速与岩性对比特征(许汉刚等，2016)，昌邑-大店断裂(F1)断错太古代地层与白垩系青山组，但宿迁组顶部的反射界面T2只是受到扰动而无明显断错，是否断错在浅层地震勘探范围内难以区分。白芬子-浮来山断裂(F2)在CDP#498处不连续，反射界面T3-2两侧存在约20ms的时差，向上幅度断距减少，表现为西高东低的正断层性质，断层断错第四系，但具体是否断错T1-2，晚更新世以来是否有过构造运动，则由于剖面顶部信号较差而难以区分。
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图 3 郯庐断裂带江苏段东地堑浅层地震反射时间剖面 T4：Ar-Pt基岩顶面；T3-1：青山组顶面；T3-2：王氏组顶面；T2：宿迁组顶面；T1-1：中、下更新统间界面；T1-2：中、上更新统间界面 |
郯庐带江苏段多条探测东地堑边界断层的浅层地震测线剖面均清晰显示同相轴被断错特征，且断点附近绕射波发育(图 4)。TL1剖面中反射界面T3-1与T4在桩号1458m处不连续，且在相接处同相轴呈分叉特征，显示正断性质。剖面TL2中T3-1和T4反射界面相交处被断错，且两侧岩性反射波存在明显差异，断距较小，呈正断性质。剖面TL3中在桩号2100m处T3-1和T4反射界面不连续，西侧同相轴呈倾状，东侧平坦，总体呈正断性质。TL4剖面中T3-1和T4反射界面在桩号4006m处不连续，两侧同相轴存在约10ms的时差，T2反射界面受到断层扰动，呈正断性质。几条剖面均显示昌邑-大店断裂(F1)断错太古代地层与白垩系，断层西倾，为60°以上的高倾角断层，断距不大，呈正断性质。剖面中断层向上延伸有可能扰动宿迁组顶面，但晚更新世以来地层连续，断层最新活动时代不晚于第四纪早期。TL5剖面中T3-1反射界面在桩号1784m处被断错，两侧存在约10ms的时差，T2反射界面同样被断错，只是断距变小，上断点终止于T1-2和T2之间，断层东倾，呈正断性质。剖面TL6中T3-1和T2反射界面在桩号386m处被断错，断层东倾，呈正断性质。TL7剖面中T3-1反射界面在桩号634m处被断错，断点西侧反射波呈明显弧形下倾，断层两侧断距较小，断层东倾，呈正断性质。物探剖面解释白芬子-浮来山断裂走向约N15°E，断层东倾，约60°以上的高倾角断层。在浅层地震剖面内显示断层两侧地层呈明显的整体断错，但T1-2反射界面较连续，因此断层最新活动时代可能是第四纪早期。
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图 4 郯庐断裂带江苏段东地堑边界断层典型浅层地震勘探测线剖面及解释图 T4：Ar-Pt基岩顶面；T3-1：青山组顶面；T2：宿迁组顶面；T1-2：中、上更新统间界面 |
依据浅层地震勘探确定的东地堑两边界断层的断层形态和断点位置，沿测线TL2和平行测线TL6布设了2排钻孔联合剖面来准确确定断层第四纪活动性。
2.2.1 沿TL2测线的钻孔联合剖面在测线TL2的桩号2020和3250处布设钻孔Hh1#和Hh2#作为剖面的西端和东端，在两孔间先后实施Hh3#、Hh4#。剖面长1230m(图 5、6)。
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图 5 沿测线TL2钻孔联合剖面位置 |
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图 6 沿TL2测线钻孔联合剖面 (1)太古界-元古界片麻岩；(2)青山组紫红色凝灰岩；(3)宿迁组灰白色细砂、黏土质砂；(4)宿迁组灰白色粗砂；(5)宿迁组灰白色黏土质细砂；(6)宿迁组灰白色粗砂；(7)宿迁组灰白色细砂、黏土质砂；(8)棕红色、棕色中粗砂，局部为黏土；(9)棕红色，偶有灰白色黏土质砂，局部为黏土；(10)棕色、灰白色黏土质砂；(11)棕黄色、少量青灰色黏土，含有锰结核和姜结石；(12)灰色、棕灰色砂质黏土；(13)黄棕色、青灰色黏土，含有锰结核和姜结石；(14)棕黄色、黄色砂质黏土，含有姜结石和锰结核；(15)灰黑色、深灰色黏土，局部粉砂质黏土，质软 |
钻孔联合剖面揭示2#和4#的宿迁组不整合于基底片麻岩之上，符合郯庐带江苏段以东构造地层特点(江苏省地质矿产局，1984)，1#揭示宿迁组不整合于青山组之上。物探TL2剖面解译(图 4)断层发育在青山组与太古界-元古界之间，判断断层位于钻孔剖面中，1#和4#的基岩落差有7.5m，2#和4#间基岩落差接近1m，1#与4#间基岩落差斜率更大且符合物探剖面解译断层结果，因此断层位于1#和4#之间。层(5)的底界在整个剖面中变化不大，因此可以作为限定断层断错的上限。宿迁组顶面在1000多米范围内(1#至2#)没有什么变化，测线TL2解译成果也显示并断层未断错宿迁组顶面和第四系，因此昌邑-大店断裂在第四纪以来没有构造运动证据，为前第四纪断层。
2.2.2 平行于TL6测线的钻孔联合剖面综合考虑测线TL6周围场地情况，沿物探推测的断层走向平移北约60m处布设钻孔联合剖面，在对应于桩号431m和341m处布设钻孔GS1#和GS2#作为剖面的东端和西端。参考对折定位方法(雷启云等，2011；曹筠等，2015)，在两孔之间先后实施孔GS3#、GS4#、GS5#、GS6#，剖面长90m(图 7、8)。
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图 7 平行于TL6钻孔联合剖面钻孔位置 |
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图 8 平行于测线TL6的钻孔联合剖面 (1)宿迁组灰白色中细砂；(2)棕色粗砂，局部黏土质砂；(3)棕黄色、灰白色中细砂，偶见小砾石；(4)棕红色，棕黄色黏土质砂，局部为黏土；(5)棕黄色，偶有灰白色黏土质砂；(6)灰白色、偶有棕黄色黏土质砂，偶见姜结石和锰结核富集；(7)棕黄色、棕红色黏土，偶见小姜结石富集；(8)棕红色中粗砂；(9)棕黄色、局部灰白色黏土，偶见大颗粒姜结石；(10)棕黄色，少许棕红色、灰色黏土，含有大颗粒姜结石和锰结核；(11)棕黄色、局部暗灰色中粗砂；(12)棕黄色黏土，局部为砂质黏土，含大颗粒姜结石；(13)黄色中细砂，含有大颗粒姜结石；(14)棕红色，少许棕黄色黏土；(15)灰黑色、黑色质软黏土，含有铁质结核；(16)棕色、棕灰色黏土，质软；(17)棕色、局部棕灰色粉砂质黏土，质软 |
从钻孔剖面揭露地层以及地层展布趋势判断，GS3#以东钻孔与GS5#以西钻孔在层(1)~(6)之间存在明显的位错，尤其是宿迁组顶面位错，因此判断断层位于剖面中。比对宿迁组层位位错与孔距的斜率，3#和5#之间为最大，判断断层位于3#和5#之间，层(7)的底界在除2#以外的钻孔均在62m，可以作为断层上断点的上限。层(1)~(6)，随深度增加断距不断变大，且3#以东钻孔的层(2)~(3)、层(4)~(5)是两套从深水过渡至浅水的沉积旋回，同构造沉积的生长地层，而5#以东的地层因处于正断层下盘，仅存在浅水沉积物。结合物探TL6解译结果(图 4)，白芬子-浮来山断裂断错层(1)~(6)。
2.2.3 地层年代和断层活动性依据该区域最新第四纪地层剖面研究结果①以及区域地层研究成果(江苏省地质矿产局，1984；安徽省地质矿产局，1987)，以标准岩性地层对比钻孔剖面中各地层单元。沿测线TL2钻孔剖面中2#为最新区域第四纪地层研究成果中的标准孔，平行于测线TL6的钻孔剖面与区域最新第四纪地层研究成果中标准孔同纬度相距4000m。全新统以粉砂质黏土、质软黏土为主。上更新统以富含钙质结核为典型地层特点，颜色以棕黄色、黄色为主，偶见中、细砂，岩性较全新统明显质硬。中更新统以红棕色黏土为主，含钙质结核较少。下更新统以砂、砂砾层为主。
① 中国地质大学(北京)等，2013，“宿迁市活动断层探测与地震危险性评价”子专题3“标准钻孔探测与第四纪地层剖面建立”成果报告
对比岩性地层特点和各钻孔揭露岩性情况，沿测线TL2的剖面层(15)和平行于测线TL6的剖面层(15)~(17)主要是以粉砂质黏土、黏土为主，质软，属于全新统，且地层厚度与标准孔一致。沿测线TL2的剖面层(10)~(14)和平行于测线TL6的剖面层(10)~(14)主要是钙质结核或姜结石富集为主，且向深部开始出现红棕色黏土，属于上更新统。沿测线TL2的剖面层(8)、(9)和平行于测线TL6的剖面层(4)~(9)主要以棕红色黏土为主，且沿TL2的剖面层(7)是典型宿迁组灰白色砂层，而平行于测线TL6的剖面层(2)、(3)是以砂、砂砾石为主，属于中更新统；平行于测线TL6的剖面层(2)、(3)是典型的河流相砂、含砾石砂层，属于下更新统(图 9)。
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图 9 钻孔岩芯年代图(以平行TL6测线剖面中5#为例) |
综合郯庐带江苏段东地堑浅层地震勘探和钻孔联合剖面结果，判断郯庐带江苏段东地堑昌邑-大店断裂为前第四纪断层，而白芬子-浮来山断裂断错中更新统，属于早第四纪断层。
3 讨论有关鲁苏沂沭断裂带活动断层的活动习性一直是地质学家关注的焦点，断裂带主要框架断层的活动时代、方式和成因是探讨断裂带演化历史、现今华北构造应力环境和地震危险性等问题必不可少的因素。早期地震地质调查认为断裂带主要为晚更新世以来的活动断层，尤其是1668年郯城地震的发震断层展布于山东至江苏宿迁的昌邑-大店断裂(F1)和安丘-莒县断裂(也称白芬子-浮来山断裂)(F2)(方仲景等，1976；国家地震局地质研究所，1987；邓起东等，2007)。随着研究工作的不断深入和完善，完成了东地堑内全新世活动断层的精细填图并将其命名为安丘-莒县断裂(F5)(李家灵等，1994；晁洪太等，1994)。近年在江苏宿迁以南地区发现的安丘-莒县断裂全新世活动证据和古地震遗迹，完善了整个鲁苏沂沭断裂带安丘-莒县断裂全新世活动断层范围(曹筠，2015；曹筠等，2018)。山东段西地堑边界断层的沂水-汤头断裂(F3)存在晚更新世以来活动迹象(郑朗荪等，1988；黄伟师，1988；贾荣光等，2007；管延新等，2007；王华林等，2011)，局部断层的活动时代可能更新(江娃利等，1991)；而鄌郚-葛沟断裂(F4)可能在早中更新世有过活动，到目前为止还没有发现晚更新世以来活动的证据(国家地震局地质研究所，1987；贾荣光等，2007；严乐佳等，2014)。江苏段西地堑边界断层由于处于隐伏状态，多年未发现活动断层的明确证据(汤有标等，1990；邓起东等，2007；姚大全等，2012)，通过对断层沿线的水系和断层地貌的分析也认为断层处于不活动状态(林爱明等，2013)。近年利用物探和钻孔相结合的方式确定沂水-汤头断裂(F3)为晚更新世活动断层，而鄌郚-葛沟断裂(F4)为早第四纪断层(曹筠等，2017)。综合鲁苏沂沭断裂带主要断层活动习性，并结合东地堑断层是1668年郯城地震的发震断层而西地堑截至目前没有发现全新世活动的证据，第四纪以来断裂带呈现东地堑断层活动时代和活动强度都高于西地堑断层，东地堑断层活动强度和潜在地震危险性也高于西地堑。郯庐带江苏段东地堑第四纪以来的构造运动从边界断层逐步过渡到安丘-莒县断裂上。
4 结论郯庐带江苏段东地堑边界断层作为断裂带重要的组成断层，继承了郯庐带自白垩纪时期形成的“两堑夹一垒”构造框架并在新生代时期依然存在构造运动，但第四纪时期的构造运动相对减弱。综合物探和钻孔联合剖面结果认为，郯庐带江苏段东边界昌邑-大店断裂第四纪以来未见构造运动证据，应为前第四纪断层；白芬子-浮来山断裂断错了中更新统，晚更新统未见被断错迹象，属于早第四纪断层。晚第四纪以来，尚未发现东地堑两边界断层构造运动的证据。
致谢: 野外工作期间得到了宿迁市地震局单士敏工程师、朱红高级工程师的多方协调和帮助，在此表示感谢。
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