引用本文
张鹏, 张媛媛, 李丽梅, 蒋新, 孟科. 郯庐断裂带安丘-莒县断裂江苏段全新世活动的新证据[J]. 地震地质, 2019,41(3): 576-586.
ZHANG Peng, ZHANG Yuan-yuan, LI Li-mei, JIANG Xin, MENG Ke. NEW EVIDENCES OF HOLOCENE ACTIVITY IN THE JIANGSU SEGMENT OF ANQIU-JUXIAN FAULT OF THE TANLU FAULT ZONE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(3): 576-586.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.03.003
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郯庐断裂带安丘-莒县断裂江苏段全新世活动的新证据
张鹏1), 张媛媛1), 李丽梅2), 蒋新2), 孟科2)
1)南京工业大学交通运输工程学院, 南京 210009
2)江苏省地震局, 南京 210014

〔作者简介〕 张鹏, 男, 1981年生, 2007年于南京大学地球科学系获构造地质学专业博士学位, 副研究员, 研究方向为活动构造, E-mail: zhpnju@163.com。

收稿日期: 2018-06-01
基金项目: 国家自然科学基金(41202155)、 宿迁市活动断层探测与地震危险性评价项目(SQZBTB20110162)和南京工业大学引进人才科研专项共同资助
摘要

安丘-莒县断裂是郯庐断裂带内活动时代最新、 地表形迹最明显、 地震危险性最大的断裂, 也是1668年郯城 M8$\frac{1}{2}$地震的发震断层。 前人对郯城地震的地表破裂向S终止的位置存在多种观点, 对该断裂江苏段的全新世活动情况也存在较大争议。 文中通过在重岗山西侧和宿迁合欢路北侧开展的探槽开挖工作, 发现了该断裂全新世活动的新证据, 并对其最新活动时间进行了探讨。 重岗山西侧后陈村探槽和宿迁合欢路北侧探槽都表明安丘-莒县断裂江苏段在全新世有过明显活动, 推测最新一次古地震事件的发生时间为(4.853±0.012)~(2.92±0.3)ka BP。 最新活动性质以走滑逆冲为主, 剖面上获得的最大断错量为1m。 未发现1668年郯城 M8$\frac{1}{2}$地震的地表破裂带到达江苏段的明确证据。

关键词: 郯庐断裂带; 安丘-莒县断裂; 江苏段; 郯城地震; 地表破裂
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)03-0576-11
NEW EVIDENCES OF HOLOCENE ACTIVITY IN THE JIANGSU SEGMENT OF ANQIU-JUXIAN FAULT OF THE TANLU FAULT ZONE
ZHANG Peng1), ZHANG Yuan-yuan1), LI Li-mei2), JIANG Xin2), MENG Ke2)
1)College of Transportation Science & Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China;
2)Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China
Abstract

Anqiu-Juxian Fault is an important fault in the Tanlu fault zone, with the largest seismic risk, the most recent activity date and the most obvious surface traces. It is also the seismogenic fault of the Tancheng M8$\frac{1}{2}$ earthquake in 1668. There are many different views about the southern termination location of surface rupture of the Tancheng earthquake and the Holocene activity in Jiangsu segment of this fault. Research on the latest activity time of the Jiangsu segment of Anqiu-Juxian Fault, particularly the termination location of surface rupture of the Tancheng earthquake, is of great significance to the assessment of its earthquake potential and seismic risk.
Based on trench excavation on the Jiangsu segment of Anqiu-Juxian Fault, we discuss the time and characteristics of its latest activity. Multiple geological sections from southern Maling Mountain to Chonggang Mountain indicate that there was an ancient seismic event occurring in Holocene on the Jiangsu segment of Anqiu-Juxian Fault. We suggest the time of the latest seismic event is about(4.853±0.012)~(2.92±0.3)ka BP by dating results. The latest activity is characterized by thrust strike-slip faulting, with the maximum displacement of 1m. Combined with the fault rupture characteristics of each section, it is inferred that only one large-scale paleo-earthquake event occurred on the Jiangsu segment of Anqiu-Juxian Fault since the Holocene.
The upper parts of the fault are covered by horizontal sand layers, not only on the trench in the west of Chonggang mountain but also on the trench in Hehuan Road in Suqian city, which indicates that the main part of the Jiangsu segment of Anqiu-Juxian Fault was probably not the surface rupture zone of the 1668 Tancheng M8$\frac{1}{2}$ earthquake.
In short, the Jiangsu segment of Anqiu-Juxian Fault has experienced many paleo-earthquake events since the late Pleistocene, with obvious activity during the Holocene. The seismic activities of the Jiangsu segment of Anqiu-Juxian Fault have the characteristics of large magnitude and low frequency. The Jiangsu segment of Anqiu-Juxian Fault has the deep tectonic and seismic-geological backgrounds of big earthquakes generation and should be highly valued by scientists.

Keyword: the Tanlu fault zone; Anqiu-Juxian Fault; the Jiangsu segment; Tancheng earthquake; surface rupture
0 引言

郯庐断裂带位于山东和江苏境内的鲁苏沂沭段, 又称沂沭断裂带, 主要由5支主干断裂组成, 呈两堑夹一垒的构造格架, 向S至安徽境内该格架不复存在。 其中, 安丘-莒县断裂(图1中F5)是活动时代最新、 地表形迹最明显、 地震危险性最大的断裂(李家灵等, 1991, 1994; 晁洪太等, 1994), 历史上曾发生过公元前70年的安丘M7地震和1668年郯城M8$\frac{1}{2}$地震。 安丘-莒县断裂全长360km, 自北向南可划分为安丘段、 莒县— 郯城段和新沂— 泗洪段(李家灵等, 1994; 晁洪太等, 1994, 1997)。 安丘-莒县断裂的新沂— 泗洪段(即江苏段)又称为马陵山-重岗山断裂, 其总体走向5° ~15° , 长170km。 江苏境内为黄泛平原和岛状残丘, 该断裂主要出露于丘陵岗地的边缘地带, 如南马陵山的东麓、 重岗山西侧以及峰山、 嶂山等地(图1)。

图 1 郯庐断裂带安丘-莒县断裂江苏段地质简图
A 重岗山西侧后陈村探槽; B宿迁市合欢路北探槽Fig. 1 Tectonic sketch map of Jiangsu segment of Tan-Lu fault zone.

李起彤(1994)通过在桥北镇西侧和重岗山西侧开挖的探槽, 发现F5断裂错断了全新世地层, 认为F5断裂江苏段在全新世至少有过1次活动。 李家灵等(1991, 1994)则认为F5断裂江苏段于全新世发生过3次古地震事件。 沈小七等(2015)、 杨源源等(2016)通过在重岗山和嶂山一带的探槽开挖, 认为F5断裂江苏段的最新活动时代为全新世初期; 而谢瑞征等(1991)通过对宿迁一带的探槽开挖并对断层泥和断裂两侧及上覆地层进行年龄测试, 认为该断层最新活动时代为晚更新世, 并未断错全新世地层。 Liu等(2015)通过野外调查和应力场反演, 也认为F5断裂江苏段最新活动时代为晚更新世, 以逆冲活动为主。

前人对于1668年郯城M8$\frac{1}{2}$地震的地表破裂向S终止的位置存在3种不同观点: 方仲景等(1987)认为地表破裂终止于宿迁晓店; 高维明等(1988)、 王华林(1995)认为地表破裂向S终止于新沂何庄; 李家灵等(1991, 1994)认为地表破裂终止于郯城窑上, 未再向S延伸。 该问题的确切答案涉及到郯庐断裂带江苏段地震危险性评价中的离逝时间及复发模型等重要参数, 一直是争议的焦点和难点。 近年来, 张鹏等(2015)、 曹筠等(2015)对郯庐断裂带江苏段的晚第四纪活动特征开展了一系列研究, 认为安丘-莒县断裂江苏段全新世以来发生过1次大级别古地震事件, 但尚未获得该次事件确切的发生时间, 也未能解决1668年郯城地震是否破裂到江苏段的问题。

近年来, 随着在过去认为并非活动断层的郯庐断裂带北段(鹤岗— 铁岭段)和安徽段都发现了全新世活动的古地震证据(Min et al., 2013; 杨源源等, 2017), 人们对郯庐断裂带江苏段的地震危险性也更加重视。 本文根据安丘-莒县断裂江苏段最新开展的探槽开挖工作, 对安丘-莒县断裂江苏段最新活动时间、 活动特征以及1668年郯城地震地表破裂是否到达江苏段等问题进行探讨。

1 安丘-莒县断裂江苏段探槽剖面
1.1 重岗山西侧后陈村探槽(33.542° N, 118.155° E)

在该区域内安丘-莒县断裂位于重岗山的西侧, 断裂东侧为砖红色砂岩(K2w)构成的残丘, 西侧为第四系, 沿破碎带发育冲沟, 在地貌上表现明显。 我们在重岗山西侧的后陈村开挖了一处探槽(图 1中剖面A), 清楚地揭示了F5断裂的存在。 该处断裂东侧为王氏组砂岩, 靠近断裂处较为破碎; 西侧为黄褐色、 灰褐色黏土。 断层倾角约50° , 向下变陡。 断层顶部被约0.5m厚的砂层所覆盖(图2)。 由剖面上发育的崩积楔判断, 本探槽共揭示了4次古地震事件(图2— 4), 崩积楔由红棕色亚黏土夹小块砂岩碎块组成。 最后一次古地震事件发生在层⑥沉积之前。

图 2 重岗山西侧后陈村探槽镶嵌照片及解译
①红色砂岩破碎带, 高度风化, 发育灰绿色条带; ②黄褐色黏土; ③棕黄色夹青灰色黏土; ④棕黄色黏土, 含铁锰结核, 发育圆形、 粒径为2~4cm的白色钙质结核; ⑤灰褐色黏土, 含铁锰结核, 较下部黏土更为松软, 黏性更大; ⑥棕褐色中细砂, 含大量成层状铁锰结核, 水平层理发育; ⑦棕黄色细砂, 水平层理发育, 夹小砾石层。 A、 B、 C、 D为崩积楔, 由红棕色亚黏土组成, 含小块砂岩碎块, 对应了推断的4次古地震事件Fig. 2 Photo-mosaic and interpretation of the trench at Houchen Village, west of Chonggang Mountain.

图 3 探槽北壁下部揭示的2次古地震事件Fig. 3 Two paleo-seismic events revealed in the lower part of the north wall of the trench.

图 4 探槽北壁上部揭示的2次古地震事件Fig. 4 Two paleo-seismic events revealed in the upper part of the north wall of the trench.

在本探槽中采集的光释光样品的测年结果(由山东省地震局光释光实验室测试)如图 2所示。 部分层内的测年结果存在倒置问题, 根据古地震定年的原则对测年结果进行了分析, 首先采信光释光样品中经过充分搬运、 曝光的样品的测年结果; 对于同一层中的样品, 应使用年轻样品的年代数据(冉勇康等, 2014)。 根据测年结果, 层②、 层③和层④的时代为晚更新世, 而其上的层⑤、 层⑥和层⑦的时代为全新世。

层⑤灰褐色黏土层已明显被断层所断错, 但由于该层内不同样品的测年结果差别较大, 难以确定其准确时代。 综合分析, 层⑤中(2.9± 0.6)ka BP和(2.5± 0.1)ka BP这2个测年结果可信度较差: 一方面, 若采信该结果, 断层最新活动时间将限定在(2.9± 0.6)~(1.3± 0.2)ka BP的时间范围内, 而该期间本地区历史大震记录已较为完整, 并无强破坏性地震记录和相应的地质证据; 另一方面, 根据本地区的全新世地层发育特征①(①江苏省地质局, 1980, 宿迁幅区域水文地质普查报告。), 本区全新世晚期(距今2 500a)地层为灰黄色粉砂、 砂土互层, 全新世早中期地层为灰黑色黏土。 而该层为灰褐色黏土, 应为全新世早、 中期地层。

因此, 结合地层发育特征、 历史大震记录和地质资料综合分析, 判断层⑤为全新世早中期地层, 其测年结果取(8.8± 0.3)~(4.1± 0.3)ka BP。 层⑥覆盖于断层之上, 水平层理发育, 表明该层沉积后断层没有更新的活动, 该层底部的光释光测年结果为(3.1± 0.4)ka BP。 因层⑥水平砂层经过充分搬运、 曝光, 其光释光测年结果比快速堆积的黏土层(层⑤)更可靠, 故将(3.1± 0.4)ka BP作为最新一次事件的上限时间更为合理。

本探槽的研究结果表明, 安丘-莒县断裂重岗山段约(63.8± 0.4)ka BP以来发生过4次古地震事件: 事件A以崩积楔A为标志, 发生在层②沉积之后, 层③沉积之前, 其发生时间约在(63.8± 9.7)ka BP之后, (37.5± 1.7)ka BP之前; 事件B以崩积楔B为标志, 发生在层③沉积之后, 层④沉积之前, 其发生时间约在(37.5± 1.7)ka BP之后, (31.7± 2.3)ka BP之前; 事件C以崩积楔C为标志, 发生在层④下部沉积之后, 层④上部沉积之前, 其发生时间约在(31.7± 2.3)ka BP之后, (26.8± 2.4)ka BP之前; 事件D以崩积楔D为标志, 发生在层⑤沉积之后, 层⑥沉积之前, 为最新一次全新世古地震事件, 推测其最新一次活动时间在(4.1± 0.3)ka BP之后, (3.1± 0.4)ka BP之前。 层⑤在南壁和北壁的厚度均约1m, 在靠近断层处明显减薄, 判断最新一次事件的断错量至少为0.5m。 剖面上断层具花状构造特征的发育形态, 判断断层活动为走滑兼具逆冲性质。

1.2 合欢路北探槽(34.015° N, 118.307° E)

曹筠等(2015)在宿迁市合欢路旁开挖探槽, 发现该处F5断裂新构造时期以来总体为正断层, 在第四纪晚期反转为逆断层, 其最新一次活动时间在(5.9± 0.3)ka BP之后。 本次在宿迁市合欢路北侧新开挖了合欢路北探槽(图 1中的B剖面)。 该探槽位于曹筠等(2015)所开挖探槽北侧约100m, 该处地貌上显示为西高东低、 高约2m的SN走向陡坎(图5)。 经探槽验证, 该陡坎位于主断层西侧10m的位置, 其形成与断层相关, 但并非因断层的最新活动而形成。 本探槽中断层发育于新近系宿迁组与第四系土层之中, 安丘-莒县断裂由多条断层组成, 其东支断层表现为逆冲性质, 进入第四系内部, 并断错了层⑥和层⑦, 代表了其最新一次活动(图6)。 而厚约10cm的层⑧黄棕色细砂夹黏土未被断层断错, 水平成层性好(图7), 则表明在断层最新一次活动后, 又沉积了层⑧和层⑨, 其后在断层带上方的软弱带处形成冲沟, 并沉积了层⑩和层⑪。 在层⑦中获得的2个光释光样品的测年结果为(11.9± 1.0)ka BP和(12.4± 1.0)ka BP, 由此判断地层时代为晚更新世末期— 全新世早期; 在层⑧中获得的1个光释光样品的测年结果为(2.92± 0.3)ka BP, 判断为全新世晚期。 该处F5断裂的最新活动时代在(2.92± 0.3)ka BP之前, (11.9± 1.0)ka BP之后。 本处断层形态总体也具备花状构造的特征, 判断断层最新一次活动为走滑兼具逆冲性质。

图 5 宿迁合欢路北探槽照片Fig. 5 Photo of the trench at the north of Hehuan Road, Suqian City.

图 6 宿迁合欢路北探槽南壁镶嵌照片及解译
①黄绿色、 灰白色粗砂; ②淡紫色细砂, 夹深褐色黏土条纹; ③灰绿色中细砂, 夹棕色黏土条纹; ④棕黄色黏土, 含少量钙质结核, 夹灰绿色条纹; ⑤褐色砂质黏土, 底部含大量砾石; ⑥褐色黏土, 发育竖向条纹, 局部黑褐色, 含较多铁锰结核; ⑦灰褐色粉砂质黏土, 含铁锰结核; ⑧黄棕色细砂夹黏土, 厚约10cm, 水平成层性好, 夹大量小砾石; ⑨黄褐色粉砂质黏土, 厚约6cm; ⑩褐色黏土夹砂, 成层性好, 底部堆积大量砾石; ⑪灰绿色淤泥质粉土、 粉砂Fig. 6 Photo-mosaic and interpretation of the south wall of the trench at the north of Hehuan Road, Suqian City.

图 7 探槽南壁局部, 层⑧未被断层所断错Fig. 7 Part of the south wall of the trench, the layer 8 is not displaced by the fault.

2 安丘-莒县断裂江苏段最新活动时间及活动特征探讨

在安丘-莒县断裂江苏段新开挖的探槽剖面表明该断裂在全新世有明显活动。 从各个剖面上看, 第四纪以来其各部位的活动性质并不一致: 有的以走滑逆冲为主, 如重岗山后陈村探槽剖面、 北马陵山何庄探槽剖面和新沂河南岸剖面(张鹏等, 2015); 有的以走滑为主, 如南马陵山桥北镇西侧剖面; 有的以走滑正断为主, 如宿迁合欢路探槽(曹筠等, 2015)。 但其最新一次活动均表现为走滑兼逆冲性质。 宿迁城区的地震勘探成果表明F5断裂在多处表现为正断性质, 形成局部断陷带, 而地震剖面上断裂带附近反射波组多呈向上弯曲的弧形, 反映断裂带内地层明显受到挤压作用的影响(许汉刚等, 2016)。 这也表明F5断裂在宿迁地区的最新活动也以走滑逆冲为主。

综合各个地质剖面的结果可知, 安丘-莒县断裂江苏段的最新一次活动在各个剖面上都有反映。 该次事件在新沂河南岸剖面造成上更新统富集钙质结核黏土层逆冲约1m(张鹏等, 2015); 在南马陵山剖面中造成断层泥带逆冲至砾石层中(张鹏等, 2015); 在宿迁合欢路探槽揭露的最新一次古地震事件中断错了(5.9± 0.3)ka BP以来的地层(曹筠等, 2015); 在本次开挖的宿迁合欢路北探槽上被(2.92± 0.3)ka BP以来的地层所覆盖; 在宿迁市QL14地震测线上实施的跨F5断裂钻孔联合剖面上, 该处全新统底部黑色淤泥质黏土(该层的14C测年结果为(6.159± 0.045)~(4.853± 0.012)ka BP)被断错近1m① (①中国地震局地质研究所, 江苏省地震工程研究院, 2015, 宿迁市活动断层宿迁市活动断层探测与地震危险性评价项

目目标断层的晚第四纪活动性鉴定报告。)(许汉刚等, 2016); 在重岗山后陈村探槽剖面上断错了全新世黏土层, 逆冲量约0.5m, 时间在(3.1± 0.4)ka BP之前。 综合以上证据可推测本次古地震事件的时间为全新世中晚期, 其发生时间约为(4.853± 0.012)~(2.92± 0.3)ka BP。 各剖面上全新统的最大断错量为1m。 结合各剖面断层破裂特征, 推断该段全新世以来仅发生过1次大级别的古地震事件。

宿迁合欢路北探槽剖面和重岗山后陈村探槽剖面上, 断层上部均为水平砂层所覆盖, 目前还没有发现明确、 一致的年代学证据显示1668年郯城M8$\frac{1}{2}$地震的地表破裂带到达江苏段。

总之, 安丘-莒县断裂江苏段晚更新世以来经历了多次古地震事件, 全新世也有过明显活动, 其地震活动具有强度大、 频度低的特点。 安丘-莒县断裂江苏段具有发生强破坏性地震的深部构造背景和地震地质条件, 应予以高度重视。

3 结论

(1)安丘-莒县断裂江苏段全新世最新一次古地震事件的发生时间推测为(4.853± 0.012)~(2.92± 0.3)ka BP, 最新活动表现为走滑逆冲特征, 在剖面上获得的最大断错量为1m。

(2)未发现1668年郯城M8$\frac{1}{2}$地震的地表破裂带到达江苏段的明确证据。

致谢 在野外调查和后续工作过程中得到了中国地震局地壳应力研究所徐锡伟研究员、 中国地震局地质研究所冉勇康研究员、 宁夏回族自治区地震局柴炽章研究员以及宿迁市地震局朱红处长的指导和帮助; 审稿专家在审稿过程中对论文提出了宝贵的意见。 在此一并表示感谢!

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