第一作者简介:张邦花,女, 1970年生,博士,讲师,从事地理学与地震事件研究。 E-mail: banghuazhang@163.com。
山东郯城麦坡被命名为典型地震活动断层遗址,其最醒目的标志是郯庐断裂带主干断层( F2)东盘的紫灰色下白垩统逆冲到断层西盘的红棕色第四系之上且界线截然。野外调查和试验分析表明,郯城麦坡第四系于泉组中发育液化砂涌管、液化砂脉、震裂缝充填构造和同沉积断层等地震引发的软沉积物变形构造——地震事件记录。根据软沉积物变形构造的砂质黏土光释光测年分析,推断这些软沉积物变形构造所记录的地震事件属郯庐断裂带主干断层 F2在中更新世晚期发生的强构造与地震活动。这些地震事件记录为研究郯庐断裂带新构造运动与地震活动提供了新资料,也丰富了该地震活动断层遗址的内涵。
About the first author:Zhang Banghua,born in 1970,is a lecturer and Ph.D. Now she is engaged in geography and seismic events. E-mail:banghuazhang@163.com.
Tancheng Maipo is named as a typical site of the seismic active fault,in which the most eye-catching sign is that the purple-gray Lower Cretaceous of the east-wall thrust up to the red-brown Quaternary of the west-wall of the second trunk fault(F2)of Tanlu Fault Zone,and the boundary is very clear. The field investigation and the test analysis showed that some earthquake-induced soft sediment deformation structures developed in the Quaternary Yuquan Formation of Tancheng Maipo,including liquefied sand flow pipes,liquefied sand veins,seismic fissure-filling structures,syn-sedimentary faults and other deformation, which were seismic event records. According to the OSL analysis of sandy clay in the soft sediment deformation structures,it is affirmed that the seismic events recorded by these soft sediment deformation structures should belong to strong tectonic seismic activities of the second trunk fault F2 during the late stage of the Mid-Pleistocene in Tanlu Fault Zone. These seismic event records not only provide new data for new tectonic movements and seismic activities in the Tanlu Fault Zone,but also enrich geoscience connotations of the seismic active fault site.
郯城位于山东省的东南端, 与江苏省接壤。2006年, 郯城县马陵山麦坡被国家地震局确定为“ 国家级典型地震活断层遗址” 。由于郯城是郯庐断裂带的命名地之一, 在郯城县东部绵延约40, km的NNE走向的马陵山, 不仅基岩露头良好, 而且活断层构造和地震记录丰富, 吸引了许多学者来这里从事地震地质研究。高维明等(1988)、李家灵等(1994)、晁洪太等(1995, 1997)、朱光等(2002)、马玉香和钟普裕(2009)、严乐佳等(2014)虽然研究了马陵山附近郯庐断裂带主干断层的构造岩特征、新生代构造活动与地震活动性, 并取得了丰富的成果。但在郯城麦坡发震断层或主干断层两侧的沉积盆地中, 尚无人问津由强地震引起的软沉积物变形。
郯庐断裂带是长期活动的深大断裂地震带, 在地质历史中产生了若干强地震事件, 并使该断裂带内及其附近不同时代和规模的盆地中的软沉积物发生变形, 形成了具各种各样软沉积物变形构造的震积岩, 它们是面状分布地震事件记录(乔秀夫等, 1994, 2001, 2006; 乔秀夫和李海兵, 2009; 陈世悦等, 2003; 贾志海等, 2003; 田洪水等 2003, 2005, 2006a, 2006b, 2007, 2011, 2015a, 2015b, 2016; 袁静, 2004; 殷秀兰和杨天南, 2005; 杨剑萍等, 2006; 袁静等, 2006; 何碧竹等, 2011, 2012; 张邦花等, 2010, 2012; Zhang and Tian, 2012; He et al., 2015; Tian et al., 2013, 2014, 2015, 2016)。其中, 下白垩统孟疃组中发育多种震积岩的剖面就位于郯城纪庄— 马陵山— 清泉寺的东西向公路两侧及窑上村东北侧(田洪水等, 2016)。在马陵山, 主要地层为下白垩统大盛群和第四系(宋明春和王沛成, 2003)。从该断裂— 地震带的长期活动性来分析, 在第四系中也应找到此类地震记录(震积岩)。在郯城麦坡地震活断层遗址, 冲沟发育, 全新统很薄, 中更新统出露良好。通过细致的野外调查和室内研究, 笔者从中更新统于泉组中鉴别出了液化砂涌管、液化砂脉、震裂缝充填构造及同沉积断层等。显然, 这为研究地震活断层的活动历史提供了新证据。
郯庐断裂带南起湖北武穴(广济), 经安徽庐江、山东郯城, 穿过渤海, 抵黑龙江畔, 进入俄罗斯远东地区。郯城麦坡位于郯城县高峰头镇麦城村东侧, 处在郯城断陷盆地的东部边缘(图 1)。郯城断陷盆地是郯城地区由郯庐断裂带主干断层昌邑— 大店断层(F1)与鄌郚— 葛沟断层(F4)夹持的中— 新生代断陷盆地。该盆地以东和以西分别为胶南造山带与鲁西断隆。该盆地中— 西部下白垩统青山群和大盛群普遍被全新统冲积物覆盖, 郯庐断裂带主干断层沂水— 汤头断层(F3)隐伏于全新统之下, 并从盆地中部穿过。该盆地东部为马陵山, 其上基岩广布, 出露下白垩统大盛群孟疃组湖泊相砂岩与泥岩。郯城麦坡主要分布着中更新统冲— 洪积物, 上覆厚度大于1.0, m的全新世坡积物; 中更新统出露范围长达千米、宽150~400, m; NNE走向的安丘— 莒县活断层(F2)之新生代逆冲活动特征明显, 该断层将东盘的下白垩统孟疃组紫灰色砂岩逆推至以红色为主色调的第四系之上, 两者界线截然, 十分醒目, 被称为地震活断层(图 2-A, 2-B, 2-C)。
中更新统冲— 洪积物以红棕色厚层泥质砂土或砂质黏土、暗红色厚层黏土及浅色粉砂岩为主, 夹少量薄层灰— 灰白色细砂岩, 局部发育微薄层砂土夹黏土, 厚度大于6.5, m。本次研究采红棕色砂质黏土的光释光年龄样(图 2-C), 送山东省地震工程研究院光释光年代实验室, 采用丹麦 RisoeDA-20-C/D型自动释光仪测定, 获得大于80, ka B.P.年龄值。据王世进等(1999)热释光测年, 于泉组以红棕色为主的冲— 洪积物的年龄应在108.800~247.700, ka B.P.。据山东省第2轮区域地质调查成果(宋明春和王沛成, 2003)及1︰5万南马站幅地质图①郯城地区以红棕色为主色调的砂质黏土与碎屑岩应属由冲洪积物组成的中更新统于泉组; 于泉组与下伏的由灰白— 灰绿色、厚7~10, m的含砾砂层组成的小埠岭组, 共同组成了中更新统。然而, 在郯城麦坡小埠岭组无露头。在此需说明: 马陵山乃至郯庐断裂带的下白垩统大盛群曾被划归为上白垩统王氏群(山东省地质矿产局, 1991); 因所含生物化石及火山岩夹层的同位素年龄均属早白垩世, 尤其是孟疃组中含Schizacoisporites, Calssopollis, Ephedripites和Tricolpites等早白垩世的孢粉, 因此, 最新的区域调查成果将其厘定为下白垩统大盛群(宋明春和王沛成, 2003)。
液化砂涌管分布在距F2主断面西侧附近(图 2-C), 属剥蚀残留的液化砂火山通道(图 2-D)。其平面形态呈环状, 且具有外环、内圆特征, 环心与圆心基本相同。环平均直径0.6, m, 宽度约15, cm, 主要由浅灰— 灰褐色细砂组成。与内圆部分砂粒比较, 外环粒度较粗。依据中国碎屑粒度分级标准(SY/T5431-1999), 砂涌管的外环部分为粒径0.125~0.25, mm的细砂(73.2%), 砂粒加权平均粒径为0.183, mm; 其内圆直径约30, cm, 主要由灰褐色极细砂粒组成; 砂涌管的内圆部分主要由粒径0.075~0.125, mm的极细砂粒(57.6%)组成, 含细砂粒(28.8%)和部分粉粒(13.6%), 其平均粒径0.115mm(表 1)。砂粒的主要矿物成分为长石和石英。粒度分析级配曲线(图 3)显示, 2个样品的级配曲线斜率大, 反映了它们的粒径范围较小; 根据土粒不均匀系数Cu的物理含义与工程性质解释, 由于Cu=1.55~2.18远远小于5, 反映了当时砂质沉积物的粒径范围小, 其较大颗粒间的孔隙不能被较小的颗粒充填, 密实性极差, 饱和状态下受地震作用易被液化(陈希哲, 2005)。图2-D显示, 砂涌管的外环发育放射状微断裂, 并被内圆极细砂充填, 这表明内圆部分形成较晚。
砂涌管形成过程如下: (1)大于5级的强地震使于泉组下部浅灰色饱和细砂产生超孔隙水压力而液化, 液化细砂从于泉组上部薄弱部位底辟式上涌, 形成了以浅灰色细砂为主的砂“ 火山” , 在近地表处其砂涌通道直径约0.6, m。(2)地震振动力增强, 使含粉粒的极细砂液化, 并沿着首次上涌通道中心喷出地表; 管的原砂涌道中部的大部分细砂颗粒被排出, 分布于涌口外侧, 管的原砂涌道中部的一部分细砂被推挤到中部四周; 地面以下砂涌管道中部被极细砂粒占据, 从而形成了2次液化砂喷涌的砂火山通道; 同时, 在砂涌管道四周产生了放射状同震微断裂, 灰褐色的液化极细砂沿微断层侵入于外环中。(3)震后, 砂火山口被剥蚀, 形成了 图2-D所示残留的液化砂火山通道— — 砂涌管。
液化砂涌管是强地震带常见的地震事件记录, 郯庐断裂带安丘地区古近纪朱壁店组地震事件层中, 也发育此种地震触动饱和砂而产生的液化变形构造(田洪水等, 2005)。
本次研究所见到的液化砂脉的围岩均为红棕色砂质黏土。有的液化砂脉呈浅灰色, 矿物成分由斜长石、钾长石和少量石英等组成, 粒径0.15~0.2, mm, 胶结程度低且已被地表流水冲刷成小沟, 在斜截面上呈“ Q” 形, 宽5~15, cm(图 2-E)。有的砂脉呈灰白色, 胶结程度较高, 由粒径约0.1, mm的石英和斜长石组成, 宽2~5, cm, 源于透镜状液化砂层(图 2-F)。图2-G和2-H中的液化砂脉为粉砂脉, 未见源层, 由粒径0.07~0.1, mm的长石和石英组成, 胶结程度低, 宽1~2, cm, 图2-H中的粉砂脉被同沉积断层破坏。砂脉与砂涌管的液化原理相同, 只是液化砂的流动通道或充填构造不同, 它们是具超孔隙水压力的液化砂充填围岩的震裂隙而成。由于于泉组中的液化砂脉的颜色、成分、粒度、胶结程度及宽度不同, 所以, 它们应是多次地震事件的记录。鉴于在地表多数砂脉没有源层, 因此, 推断它们源于厚层的红棕色砂质黏土层之下较深处的液化砂层。
液化砂脉是强度大于5级的强地震触动Ⅵ 度地震烈度区的饱和砂层而产生的分布最广的液化变形构造(乔秀夫等, 1994, 2001, 2006; 乔秀夫和李海兵, 2009; 杜远生和韩欣, 2000; 杜远生等, 2001, 2007; Du et al., 2005; He and Qiao, 2015)。在郯庐断裂带及其近区的新近系临朐群地震事件层(Tian et al., 2014, 2015)、古近纪沙河街组地震事件层(陈世悦等, 2003; 袁静, 2004; 杨剑萍等, 2006)、古近系朱壁店组地震事件层(田洪水等, 2005)、白垩系莱阳群、大盛群和王氏群地震事件层(何碧竹等, 2011, 2012; He et al., 2015; 田洪水等, 2016; Tian et al., 2016)中均有分布; 上述地震事件层中的液化砂脉与郯城第四系于泉组中的液化砂脉发育在同一地震带及其附近, 但于泉组中的液化砂脉的时代最年轻。
此类变形构造指地震产生的裂缝被沉积物充填而形成的变形构造, 其中的充填沉积物的颜色和物质成分与围岩不同且界线清楚(图 4-A, 4-B)。它们呈楔形体、尖端朝下; 当受地震振动而开裂的沉积物呈半固结— 未完全固结的状态时, 震裂缝及充填楔体的边较直(图 4-A); 否则, 如果受振动而裂开的沉积物固结程度较低, 充填楔体的边会变得较曲折(图 4-B)。由图4-A和4-B可知, 充填震裂缝形成楔体高0.7~1.3, m, 上宽0.8~1.0, m; 原始震裂缝的尺度应略大于楔体的高与宽。由于1668年郯城8.5级大地震形成的最大震裂缝宽度为三尺(清朝1尺=32, cm)(晁洪太等, 1995), 所以推测当时地震对地表的破坏程度不亚于1668年发生的郯城大地震。
同沉积断层多发育厚层泥质砂土及砂质黏土中, 多属于地震成因的层内断层。其尺度较小, 短者0.2~0.5, m, 长者达3~4, m, 一般长度为1~2, m(图 2-H和图4-C, 4-E)。可切断液化砂脉(图 2-H)及小褶曲(图 4-E, 4-F)。它们多呈张性, 少部分具压扭性特征。Seilacher(1969)最早认定的识别震积岩的标志— — 粒序断层, 则属于同沉积断层。它们是受震软沉积物液化泄水或触变, 震后体积收缩而形成的一系列小尺度层内断层; 少数是由地震力直接产生的同震微断层。 郯庐断裂带及其近区的所有震积岩层位均发育同沉积断层, 有关文献见引言, 不再赘述。
图4-E中被同沉积断层切断的不完整的小型斜歪褶曲, 由薄层砂岩夹砂质黏土层组成, 其内部弯曲的层理具软塑性变形特征, 属于地震触动薄层饱和砂层的液化卷曲变形— — 震褶曲(乔秀夫等, 1994, 2001, 2006)。液化卷曲变形或震褶曲常发于在纹层— 薄层的软沉积物中, 由于于泉组中的薄层砂层极不发育, 仅在局部见到, 因此, 于泉组中这种地震成因的软沉积物变形构造稀少。
在郯城麦坡, 因安丘— 莒县断裂(F2)已被命名为典型的地震活断层(图 2-A, 搜http: //news.sina.com.cn/o/2006-08-10/16469714117s.shtml可求证)。该活断层东盘的下白垩统逆冲到了发育前述地震记录(震积岩)的中更新世于泉组之上(图 2-B, 2-C), 所以, 安丘— 莒县断裂(F2)极可能是当时的发震断层; 震源应在该活断层(F2)或其附近之下一定深度(图 5)。
谈到发震断层和地震记录产生的动力机制, 必须分析当时的构造应力场和郯庐断裂带主干断层的活动特征。据王小凤等(2000)研究, 新生代第四纪属于郯庐断裂带挽近活动期, 其构造应力场中的主压应力σ 1的方向是: 该断裂带的北段60° 、中段97° 和南段110° (图 5-平面图)。郯城地区位于该断裂带的中段, σ 1的方向应为近EW向。在近EW向主压应力σ 1作用下, 郯庐断裂带的第四纪新构造活动以逆冲与逆右形平移或走滑活动为主, 并表现出了东强西弱的特点, 郯庐断裂带的第四纪新构造活动以逆冲与逆右形平移活动为主, 并表现出了东强西弱的特点, 即主干断层F1和F2逆冲活动尤为强烈; 而主干断层F3和F4的挤压活动弱且间有阶段性拉张活动(晁洪太等, 1997; 宋明春和王沛成, 2003; 严乐佳等, 2014)。在郯城地区这一新构造活动的特点明显, F1和F2于第四纪发生强烈逆冲活动的同时, 东部也发生明显的隆升; 而分布着F3和F4的郯城地区西部发生下降, 构成了第四纪沉积盆地, 先后接受了小埠岭组、于泉组、山前组及沂河组等冲洪积与坡洪积沉积物。于泉组中的地震记录极可能是受F2或F1断层逆冲产生的强烈地震, 造成郯城盆地于泉组中的冲— 洪积物发生液化、开裂、充填及错断等而形成的地震遗迹。它们在郯城麦坡受地表流水的剥蚀而展现在地表, 郯城盆地中此类地震记录的绝大部分被全新统覆盖(图 5)。这些地震事件记录应与在安徽赤山发现的中更新世晚期117.7~190.1, ka B.P. 的逆断型崩积楔(姚大全等, 2012)均属郯庐断裂带同一地震活跃期的产物。
在郯城麦坡地震活断层遗址之活断层(F2)西侧, 新发现新生代于泉组中发育液化砂涌管、液化砂脉、震裂缝充填构造及同沉积断层等地震事件记录。这些地震记录所反映的地震震级大于等于5级, 最大地震强度与1668年的郯城大地震相当。这为地震活断层(F2)于中更新世产生强烈挤压— 逆冲活动而引发强烈地震提供了崭新的资料, 也提高和丰富了郯城麦坡地震活断层遗址的地震地质内涵。
(责任编辑 郑秀娟)
作者声明没有竞争性利益冲突.
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