庐断裂带江苏段第四纪活动特征及其动力学背景

庐断裂带江苏段第四纪活动特征及其动力学背景

江苏段桐断裂带错误带是nn方向上的一个活动破裂带，在1957年的空间探测中发现，并有50多年的历史。1668年在该断裂带上发生了郯城8.5级特大地震。对郯庐断裂带江苏段活动特征及其分段差异性的研究,对于地震趋势预测和工程安全评价,乃至对江苏的防震减灾工作具有极其重要的意义。郯庐断裂带在山东、江苏境内主要由5支主干断裂组成,在山东、江苏境内呈两堑夹一垒的构造格架,向南至安徽境内该格架不复存在。郯庐断裂带江苏段也称为新沂—泗洪段,向北至东海县山左口乡一带,以NW向苍山—尼山断裂为界与山东段相邻;南至泗洪县峰山乡。总体走向NE5°～15°,长170km。构造地貌上,江苏境内为黄泛平原和岛状残丘。第四纪断裂主要出露在丘陵岗地的边缘地带,如马陵山东麓、重岗山西侧以及峰山、嶂山、赤山等地。前人对郯庐断裂带山东段和江苏段、安徽段,进行了大量工作(文献)。这些工作表明,郯庐断裂带是一条规模巨大的第四纪活动断裂,具有显著的分段性特征,郯庐断裂带在江苏段存在多处晚更新世以来活动的证据。但在江苏段,郯庐断裂带各分支断裂的活动性并不一致,对各分支断裂的展布和最新活动年代的认识也不一致。对郯庐断裂带江苏段的断裂展布、性质以及断裂活动性分段工作,尚需进行更深入的研究。本文通过对郯庐断裂带江苏段开展的野外调查、深部构造和运动学特征等方面的研究,结合近年来最新的研究成果,对郯庐断裂带江苏段的第四纪活动特征及其动力学背景进行了探讨。1桐断裂带与太平洋板块焊接的原因对穿过郯庐断裂带中段的地学大断面的研究表明,郯庐断裂带为深达岩石圈底部、产状陡倾并控制地幔上涌及岩浆贯入的深大断裂带。最新的过郯庐断裂带渤海段和山东段的电法剖面特征表明:郯庐断裂带已切穿了整个地壳,并且向下延入上地幔;该段断裂带在深部显示为陡立的走滑构造,浅部为伸展断层及断陷盆地所叠加,表明伸展活动发生在走滑之后;最后又发生过一期明显的逆冲活动。另外,深部构造和电法剖面上,断裂带都明显体现出东支强而西支弱的特点。断裂带向西倾,表明其运动与太平洋板块的俯冲相关。郯庐断裂带及其邻区自中生代以来,经历了华南、华北的碰撞以及太平洋板块俯冲,以及白垩纪、古近纪时期强烈的地幔热作用、印藏碰撞的远距离效应等一系列重大地质事件。这种多变区域构造动力,使郯庐断裂带经历了多期的构造体制转换,并造成了各段活动特征的巨大差异性。在华南、华北碰撞造山时期,郯庐断裂带作为大型碰撞造山走滑边界带,发生了显著的左旋走滑剪切变形。郯庐断裂带在晚侏罗至早始新世(50Ma前)的左旋走滑,直接受控于古太平洋板块向东亚大陆的俯冲,板块俯冲边界的应力直接传递到郯庐断裂带,导致其发生走滑运动;早白垩世中期至古近纪,郯庐断裂带内部及两侧盆地的伸展,则受控于深部岩石圈减薄、地幔底辟导致的裂陷作用。在早始新世后,中国东部的构造格局又发生了转折。由于库拉板块消失,太平洋板块由NNW向俯冲转为NWW向俯冲,最新测定的转向时间约是50Ma前。印度板块也几乎同时与欧亚板块发生全面碰撞。这两者共同向欧亚大陆汇聚,使得郯庐断裂的走滑作用难以继续进行,地幔底辟导致的斜向伸展作用完全占主导地位。该时期郯庐断裂带停止了左旋走滑活动,仅作为盆地伸展的边界。新近纪以来,太平洋板块聚敛速度加快,太平洋板块和菲律宾板块向西俯冲产生弧后扩张作用。而印度板块与欧亚板块的碰撞又向东推挤着中国东部大陆。两者共同作用使中国东部产生近EW向的区域挤压应力场,中国东部进入整体热沉降时期。该时期郯庐断裂带活动强度大大降低,在区域挤压应力场的作用下,郯庐断裂带在第四纪表现为逆冲活动。2南京断裂带的所有分支的断裂运动特征郯庐断裂带江苏段地质简况如图1所示。(1)南大别晚白垩世断裂带又称山左口—泗洪断裂或王庄—苏圩断裂。深部为东倾,倾角陡,东盘向西逆冲。出露地段见挤压片理、构造透镜体、磨砾岩、断层泥、揉皱等挤压特征。该断裂自晚白垩世至早更新世长期活动。该断裂在新沂以南已全部被第四系覆盖。(2)f2中断又称新沂—新店断裂或大官庄—双庄断裂。主要出露于祁园、乱王及大官庄,其余都为第四系覆盖。该断裂在区内属晚更新世活动断裂。(3)逆冲到晚更新世染色的岩石学特征又称墨河—凌城断裂或城岗—耿车断裂。在江苏境内为第四系覆盖。地表见于泗县赤山东冲沟内,表现为白垩纪红色细砂岩逆冲到晚更新世黄褐色砂土之上(文献)。本区内其位置主要是根据物探和钻探等资料推测确定的。该断裂在新近纪～第四纪期间有较强的活动,甚至到晚更新世仍有活动。(4)区域构造环境又称纪集—王集断裂或窑湾—高作断裂,为郯庐断裂带最西侧的主干断裂,在江苏境内全部为第四系覆盖。新构造运动时期,断裂显示继承性活动,对新近纪沉积起明显控制作用:在东侧断陷盆地内沉积厚达50～100m的第三系,断裂西则缺失。第四纪以来,断裂活动强度较弱。(5)南马陵山两侧南马陵山两侧干草原区又称桥北镇—宿迁断裂或马陵山—重岗山断裂。该断裂位于F1、F2之间,它由苏鲁交界的沭河向南延伸到马陵山、晓店、宿迁、重岗山一带,地貌形态反映比较明显。也有人认为其位置仅在南马陵山东侧至宿迁城一段内,未向南延伸,将宿迁以南的过重岗山西侧的断裂称作F2断裂。在桥北镇、蔡林及知青农场等地的地质剖面上,都存在王氏组紫红色砂岩逆冲到晚更新世黄土之上这一特征。据李起彤(文献)对郯庐断裂江苏段1∶5万活动断裂填图工作研究,桥北镇南马陵山东侧与王氏组呈断层接触的黄色粉砂质亚粘土C14测龄值为6000多年,晓店水库东侧冲沟内与白垩系青山组接触的松散地层C14测龄值为2000多年,由此认为该断裂最新活动时代在全新世。3野外调查点位置因郯庐断裂带的F1、F2、F3、F4断裂在江苏段基本被第四系覆盖,野外主要考察了F5断裂,调查点具体位置见图1。考察顺序为从北向南,按编号依次为①麦坡、②大尚庄、③马陵山、④大谢庄、⑤小周庄。3.1逆冲带kw3地层F5断裂在麦坡一带断层醒目,呈直线状,表现为东侧王氏组二段(K2w2)地层逆冲于西侧王氏组三段(K2w3)地层之上(图2)。第四纪晚更新世黄土层(Q3)被错断,表明F5断裂晚第四纪时期仍存在逆冲活动。前人在此曾见全新世黑土被错断的证据,但现在黑土已被剥蚀掉,未能亲见。3.2东缘砂岩结构F5断裂在大尚庄通过,使王氏组砂岩(K2w)强烈挤压变形、拱起,节理破碎(图3(a))。东侧砂岩向西侧逆冲。向北见一断面,东侧砂岩完整,西侧砂岩破碎,风化严重(图3(b))。大尚庄一带断层表现为白垩系王氏组二段地层逆冲于较软的王氏组三段地层之上,走滑量较大。3.3w盘层序地层在桥北镇的马陵山东坡,发现了F5断裂形成的断层破碎带(图4(a)),断层角砾岩非常发育(图4(b)),断层NW盘的王氏组砂岩(K2w)沿断层面逆冲在SE盘的上更新统砂土层之上。沿断层方向发育一系列三角面及河流冲沟,并在马陵山东侧形成了串珠状湖泊分布。李起彤(文献)曾在此处开挖一探槽,发现F5断层几近直立,下部微向西倾斜。断层错断了全新世砂土层,其中的年龄样测试结果为距今6995±115a,说明F5断裂全新世至少曾有过一次活动。3.4色砂岩2w逆冲冲沟该段位于重岗山的西侧,在地貌上表现明显,构成了低山与平原的分界线。在大谢庄东侧见到砖红色砂岩(K2w)逆冲到西侧土黄色粘土层(Q3)上,沿破碎带发育冲沟。冲沟两侧黄色土层与红色土层(红土为王氏组砂岩风化所形成)的界限十分显著(图5(b))。据文献在此所挖探槽中采取的被断层错断的第四纪地层的最新年龄为4960±135a,这表明该断裂为全新世活动。3.5中央海相断裂kw在重岗山东麓小周庄一处采砂场西侧,发现了一条郯庐断裂带的分支断裂(图6)。断裂走向NE15°,倾角60°～80°,倾向NNW。该断裂在过去一直隐伏于地下,因砂场开采而得以出露。该断裂为近NS走向,出露段长约2km。整个断裂出露段都表现为西侧王氏组砖红色粉砂岩逆冲到东侧土层上。在图6(c)所见剖面上,王氏组砂岩(K2w)逆冲于第四纪地层之上,断裂顶部为一层砾石层(时代推测为Q3)所覆盖;砾石层之上为砂质粘土和耕植土(图6(c)),图6(d)为其解释剖面,这表明该断裂至少在晚更新世后停止了活动。4开裂带东支、北北断裂带典型构造分析郯庐断裂带是中国东部一条规模巨大的碰撞造山走滑边界带,也是重要的强震活动带。郯庐断裂带具有明显的南北分段性:沈阳—渤海段的营潍断裂带受控于渤海湾盆地的地幔强烈上隆,断裂活动强烈,第四纪以强烈引张断陷为特征,并伴随多期玄武岩喷发。历史上沿该段或在其附近曾发生多次强地震,地震活动强度大、频率高。山东段和江苏段第四纪活动以挤压逆冲、右旋走滑为特征。山东段历史上曾发生过公元前70年安丘7级地震和1668年郯城8.5级地震,江苏段也发现了古地震的遗迹(文献)。该段地震活动具强度大、频率低的特点。安徽段(嘉山—广济段)第四纪以来断裂活动较弱。地震活动以小震为主,最大震级为5.5级。刘东旺等据震源断裂的破裂类型,将安徽境内的郯庐断裂分为南、北两段,近代活动大致以合肥为界,北段倾向NW,为逆冲性质,南段倾向SE,为正断性质。这说明现今安徽境内的郯庐断裂带实际上已分解为两段,其活动性明显减弱。总之,自南向北,郯庐断裂带所在地区的地震活动性逐渐变强。前人对郯庐断裂带的野外调查同样表明,第四纪以来,由江苏向北到山东境内,郯庐断裂带活动强度增大,向南到安徽境内,强度减弱,具有分段活动特征。郯庐断裂带江苏段也具有活动性北强南弱的特征。在宿迁以北,F2、F5断裂存在多处全新世活动证据,如郯城麦坡、新沂何庄、宿迁桥北镇、宿迁晓店、宿迁嶂山闸等处。而在南段,仅在重岗山、孙牌坊发现几处剖面。这几处剖面表明,该段在Q3以前及其晚期有过强烈活动,但Q4早期除见有古地裂缝外,未见到Q4地层被直接错动或挠动的证据。在江苏境内,断裂带内出露的Q3黄土的剥蚀堆积地貌面由南而北抬升幅度增大,也显示出Q3以来垂直运动北强南弱的特征(文献)。此外,郯庐断裂带江苏段东支的断裂活动性明显强于西支,尤其是F5断裂,其晚更新世活动特征明显,也有全新世活动的证据和古地震事件。这与山东段和沈阳—渤海段都是一致的,也与郯庐断裂带的深部构造特征一致。郯庐断裂带江苏段为两堑夹一垒的构造格架,在早白垩世以来的拉张活动中在地堑内部沉积了王氏组砂岩;而在新近纪以来的逆冲活动中,东地堑中相对软弱的白垩系王氏组地层遭受挤压抬升(图7),形成马陵山、重岗山等一系列沿东地堑分布的线状低缓山体。这说明东地堑是郯庐断裂带内最活动的段落,表明郯庐断裂带本期逆冲活动的动力学来源更主要是来自东部,即新近纪以来西太平洋弧后扩张向中国东部大陆的推挤作用。过去一般认为在宿迁以南,郯庐断裂带的分支断裂由5条减少为4条。一些人根据断裂延伸的空间分布特征,判断从重岗山西侧通过的是F2断裂;另一些人根据其较强的第四纪活动特征,认为是F5断裂,并将其与在北段马陵山东坡通过的F5断裂统称为重岗山—马陵山断裂。本次野外考察在重岗山东坡发现了新出露的分支断裂,其与通过重岗山西侧的断裂分别逆冲在两侧的第四纪土层之上。这条断裂在地貌上构成了重岗山的东侧边界。重岗山的隆升显然与位于重岗山两侧的这2条分支断裂的逆冲活动是同步的。在宿迁以北的南马陵山,为F2和F5所挟持,这2条断裂在这里同样显示了向两侧逆冲的活动性质(图7)。因此,笔者推断,重岗山西侧的晚第四纪活动断裂为F2断裂过宿迁的南延部分,而重岗山东坡的分支断裂为F5断裂的南延部分。这2条分支断裂在江苏境内的郯城—宿迁段横向距离为3～5km,而至宿迁—泗洪段距离变小,在重岗山段仅相距1.5km,推测再向南已经合为1条断裂。F5断裂第四纪活动性由北向南的逐渐减弱与整个郯庐断裂带江苏段的活动特性是一致的,表明第四纪以来郯庐断裂带江苏段两侧遭受的横向挤压作用是由北向南减弱的。郯庐断裂带第四纪的逆冲活动主要受西太平洋弧后扩张的动力学因素控制,而西太平洋弧后扩张作用对中国东部的影响自渤海湾盆地向南减弱,这决定了郯庐断裂带第四纪活动性北强南弱的特点。此外,郯庐断裂带各段及其邻区地壳、上地幔结构具有强烈不均一性。郯庐断裂带江苏段作为南华北与北华北地块共同的东部边界,其活动性受旁侧块体变形方式的控制。南华北地块(包括周口坳陷、合肥盆地、徐淮隆起等构造单元)和北华北地块(包括渤海湾盆地及鲁西南地区)的岩石圈性质有很大差异:南华北地块岩石圈厚度大,强度高,热状态低,表现为构造稳定区,新生代期间太平洋板块向欧亚大陆的俯冲作用对之影响有限;而北华北地块岩石圈在中新生代受西太平洋弧后扩张的影响,地幔上涌,岩石圈减薄,表现为高热流、薄的岩石圈厚度和低岩石圈强度。浅部的断裂活动是深部构造在浅部的表现,各块体性质的差异决定了其新构造变形方式的差异。北华北地块岩石圈热