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落儿岭-土地岭断裂几何结构及晚第四纪活动特征初探
落儿岭-土地岭断裂几何结构及晚第四纪活动特征初探
疏鹏*1,2) 路硕*1) 方良好1) 郑颖平1) 宋方敏2)
1)安徽省地震局,合肥 230031;
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 100029
 [收稿日期]: 2017-04-11
摘要

落儿岭-土地岭断裂是东大别地区重要的发震构造,然而限于自然地理条件等因素,前人对其的研究并不充分。本文以发生多次中强地震的落儿岭-土地岭断裂为研究对象,在高精度卫星影像解译的基础上,通过详细的野外地质地貌调查,尤其是对典型断层剖面进行分析,研究落儿岭-土地岭断裂的断错地质地貌特征、几何结构及活动特征。通过野外调查并结合其他资料分析认为落儿岭-土地岭断裂为发育于大别造山带内部的一条走向NE、向NW陡倾的断裂带。依据地质地貌特征及地震活动性,断裂可以划分为杨树沟-黑石渡段和黑石渡-横塘岗乡段两个几何段落。断裂最新活动时代为中更新世晚期-晚更新世早期,断裂最新活动继承了中生代以来的运动方式,以兼具右旋走滑的拉张正断为主。



引言

落儿岭-土地岭断裂是皖鄂交界地区一条重要的NE走向的断裂,是规模较大的霍山-罗田破裂带北段在安徽境内的组成部分。一般认为霍山-罗田断裂南起于湖北英山县雷店镇北,向NE经草盘镇,进入安徽境内,穿过东淠河和霍山县北,可能延伸至定远附近,控制着鄂皖地区多数中强地震的发生(甘家思等,1981)。落儿岭-土地岭断裂为此破裂带在东大别霍山地区的组成部分,对霍山地区的地震活动呈较强的控制作用。自有文字记载以来沿断裂发生过M 6级以上地震两次,分别为1652年3月23日M 6级地震和1917年1月24日M 6¼级地震,震中烈度达Ⅶ度和Ⅷ度(安徽省地震局,1990)。史料记载沿断裂发生M 5—5.9级地震7次,震中烈度Ⅵ—Ⅶ度(安徽省地震局,1990)。现代小震也沿断裂丛集分布,自1970年建立数字测震台网以来,共发生震群多达近20次(安徽省地震编目系统,内部资料)(图 1)。该断裂通过人口密集、经济发达的霍山县城,因此准确厘定断裂的空间展布,活动时代等特征能为抗震设防提供科学有效的依据(徐锡伟,2006)。然而大别山地区山高林密,第四系分布非常缺乏,目前尚未有针对此断裂的系统研究。笔者拟通过本项目开展较为系统的针对落儿岭-土地岭断裂的几何结构、活动时代、断错地貌、运动特征等方面的研究,以充实关于该断裂活动的基础资料。


地震目录来自安徽省地震局,断裂改自区域地质构造图。主要断裂名称:F1霍山-罗田断裂,F2-1—F2-4郯庐断裂带,F3青山-晓天断裂,F4金寨-舒城断裂,F5肥西-韩摆渡断裂,F6肥中断裂
图 1 东大别地区地形及主要断裂分布图 Fig. 1 Topography and distribution of main faults of east Dabie region
1 地质构造背景及研究现状

研究区隶属于构造背景复杂的秦岭-大别褶皱系东缘,为华北陆块与扬子陆块碰撞形成的造山带(许志琴等,1986安徽省地质矿产局,1987)。褶皱系向北与华北陆块以肥西-韩摆渡断裂为界,向东与扬子陆块以郯庐断裂为界,包含了大别山隆起和北淮阳地槽褶皱系两个次级构造单元。中生代以后褶皱系进入断块差异活动阶段,大别山持续隆起,北淮阳则下降形成盆地,即舒城凹陷,并与合肥盆地一起构成了大别造山带的后陆盆地(图 1)。大别造山带经历了海洋板块的形成、大洋板块向大陆板块俯冲碰撞、洋盆闭合、陆陆俯冲及超高压-高压变质岩的形成和折返等漫长复杂的构造演化,为中外地质学家所关注(徐树桐等, 1992, 1994王清晨等,1998吴利仁,1998许志琴等,1986Chemenda等,1996)。

甘家思等(1981)认为大别造山带内部发育北东向霍山-罗田破裂带,一直延伸至定远附近,为一强震构造线,大约鄂皖地区一般的强震都沿此带发生,而落儿岭-土地岭断裂为霍山-罗田破裂带在安徽省境内落儿岭附近的次级断裂。落儿岭断裂仅仅是长约10余千米的3条破碎带,从烂泥坳延伸至落儿岭附近,为剪性断裂。安徽省地震局(1974)安徽省地质矿产局(1987)称该断裂为土地岭正断层,从霍山县祝家铺往南延伸至土地岭以南,为倾向南东的高角度走滑正断层;姚大全等(1999, 2003)认为该断裂南起于杨树沟附近,北至霍山县北,通过断层泥样品TL测试及显微构造分析,认为其为晚更新世活动断裂;刘东旺等(2015)张杰等(2004)研究认为落儿岭-土地岭断裂即为霍山-定远断裂,从霍山延伸至定远附近,为重要的区域性断裂,长300余千米。由此可见,目前对该断裂的研究还很不充分,研究结果存在较大的分歧,甚至不同文献对该断裂名称的引用都较混乱,因此有必要系统地对该断裂的断错地质地貌、几何展布及活动时代等特征开展深入研究。

通过在东大别地区的野外工作,笔者较认可前人的"落儿岭-土地岭断裂即为霍山-罗田断裂的北段"这一说法。为方便起见,本文将落儿岭-土地岭断裂定义为霍山-罗田主断裂在安徽境内的土地岭以北的段落,因此本文研究区范围也限于霍山县土地岭以北的段落(图 2)。


F1落儿岭-土地岭断裂,F3青山-晓天断裂,F4金寨-舒城断裂,F5肥西韩摆渡断裂
图 2 落儿岭-土地岭断裂地质图与观察点分布图 Fig. 2 Geologic map of Luo' erling-Tudingling fault and distribution of field surveying sites

本文研究区西南起自土地岭以南的道士冲乡,往北东跨大别造山带及其前陆盆地两个构造单元,两者以F4金寨-舒城断裂为界(图 1图 2)。在大别造山带内广泛分布前震旦系大别山群灰黑色斜长片麻岩、二长片麻岩、角闪岩及大理岩及不整合于其上的中上侏罗统灰色中厚层安山质凝灰岩、角砾岩及砂岩和砂质页岩,在造山带内部零星分布有燕山期侵入岩。仅在大别山东麓附近的东西淠河沿岸地表分布有全新统现代冲积层。造山带前陆盆地由舒城凹陷及合肥盆地构成,两者大致以F5肥西韩摆渡断裂为界,都是中生代形成的凹陷盆地。第四纪以来地壳稳定下沉,现今地表基本为上更新统—全新统冲积层覆盖,局部的孤立残丘出露古近系及新近系紫红色砂砾岩或中侏罗统长石砂岩、粉砂岩(图 2)。不同的地貌格局说明这两个地貌单元新生代以来经历了不同的构造演化历史。

2 断裂几何结构

通过卫星影像解译及野外地质地貌调查,笔者认为落儿岭-土地岭断裂在东淠河-黑石渡附近分为两个地质地貌特征差异显著的段落:土地岭-黑石渡段和黑石渡以北段。

土地岭-黑石渡段南起于土地岭杨树沟附近,走向NE55°—60°,经落泪红、太子庙、马家岭至黑石渡附近,断裂在此段表现为由多条断层组成的一个宽约2—3km的断层破碎带,沿破碎带发育线状沟谷地貌(图 3图 4(a))。由于老断裂破碎带十分发育,在沿沟谷修建的318省道附近,随处可见出露的基岩剖面,破碎带多发育有韧性变形的糜棱岩、脆性变形的角砾岩等构造变形带,有的剖面见有指示新活动的新鲜的断层泥发育。


图 3 杨树沟-黑石渡段断裂卫星影像及野外观察点(卫星影像来自Google Earth) Fig. 3 Satellite image of Yangshougou-Heishidu section (downloaded from Google Earth) and locations of field observation sites

(a)h59点断层槽谷照片,(b)h60点剖面照片,黑色方框为断层泥及擦痕断面(c)h60点剖面素描图,(d)擦痕及断层泥细节图
图 4 杨树沟四道湾附近落儿岭-土地岭断裂剖面及地貌 Fig. 4 Profile and geomorphology of the Luoerling-Tudingling fault near Sidaowan, Yangshugou

黑石渡以北段断裂的走向与南段稍有不同,断裂整体走向向N偏转。断裂从霍山县城北及县城北东的复览山西侧通过,再往北由近NEE走向变成NE走向,从片状展布的岗丘谷地通过。卫星影像及野外调查证实断裂北段的断错地貌特征不如南段明显,可能指示其活动性要弱于南段。

3 断裂断错典型剖面及地貌特征

沿土地岭-黑石渡段发育线性极好的"V"型槽谷,并发育大量的基岩破碎带,系由落儿岭-土地岭断裂活动所形成。这些剖面虽是基岩露头,但在一定程度上也可以反映断裂的几何特征及运动性质。图 3为南段卫星影像及典型地质地貌观察点分布图。

3.1 杨树沟附近断层地质地貌特征

在杨树沟四道湾附近公路北侧(图 23中h60点,31°17'44.4"N,116°04'24.7"E),在修建房屋剥离出的剖面中,见黄褐色的前震旦系片麻岩中发育有4条整体倾向NW的高角度断层,断层面向下有收敛的趋势,构成了宽度超过2.5m的断层破碎带,带内为构造角砾岩及碎裂岩。根据断层面附近岩层的拖曳及片理形态,断层显示逆断层性质,显示出NW盘向SE盘的逆冲。f1断面见近水平的擦痕,擦痕侧伏向约240°,侧伏角约15°,擦痕所在断面发育灰褐色断层泥,断层泥细腻柔软,厚度约1cm,指示活动性质较新(图 4(b)中黑色方框及图 4(c))。依据擦痕形态及断面上残留的小阶步判断断层最新活动以右旋走滑为主。

3.2 马家岭附近断层剖面特征

霍山县马家岭的h56点(31°20'38.3"N,116°09'54.6"E),在一农田旁开挖的剖面上,见该段的6条断层f1、f2、f3、f4、f5、f6切割前震旦纪青灰色片麻岩及侵入到片麻岩中的灰白色石英脉,断层上覆上更新统—全新统坡残积耕植土,剖面上6条断层皆为倾向NW的高倾角正断层。f1、f2之间为宽约2m尚有原岩结构的粗碎裂岩,顺f2还发育有一层薄的断层泥带,较固结。f3、f6构成片麻岩与石英脉之间的界线,f4则构成暗绿色基性岩脉与石英脉之间的界线。石英脉被切割,基性岩脉则顺断层侵入(图 5)。依据剖面上地层及石英脉的拖曳方面判断其最新活动为拉张正断。


(a)马家岭h56观察点断层剖面照片,(b)为剖面素描图
图 5 马家岭h56观察点落儿岭-土地岭西南段露头 Fig. 5 Outcrop at the observation site h56 near Majialing
3.3 太子庙露头及探槽剖面特征

霍山县落儿岭镇太子庙的h57观察点(31°19'46.2"N,116°07'30.2"E),在简易公路旁开挖出的剖面上,见该断裂的9条断层f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9切割前震旦纪浅灰色片麻岩、石英片岩和燕山期花岗岩。f1、f2是两条主断层,它们之间的断层破碎带宽0.5—1.1m(图 6),沿断面还发育尚未固结的棕褐色断层泥,取断层泥样品H57-ESR-01,ESR测试结果为(169±16)ka。f3、f4、f5、f6、f7、f8、f9皆发育在前震旦纪浅灰色片麻岩、石英片岩中,其规模要小于f1、f2。根据石英脉被位错判断,断层在剖面上表现为正断层性质。但根据f1、f2断面上水平擦痕判断,断层的最新活动性质应是走滑正断层。


(a)太子庙露头剖面,(b)太子庙剖面素描图,(c)太子庙露头顶部探槽剖面照片,(d)太子庙露头顶部探槽素描图
图 6 落儿岭镇太子庙村h57观察点断裂露头及探槽 Fig. 6 Natural outcrop and trench at field survey site h57 near Taizimiao Village, Luo' erling Town

f1和f2顶部表层砂土厚约30cm,顺断层的延伸方向,似乎有一裂隙并充填有灰褐色砂质粘土,宽10—15cm(图 6(a)(b))。为确定该砂质粘土是否受到断层活动影响,在顶部进行了探槽揭露,探槽长约3m,高约1m(图 6(c)(d))。

探槽剖面显示,断层f1、f2向上并未影响到坡积层。断层两侧基岩面和上覆晚更新世坡积层厚度虽然有一定的变化,但主要是受原始地形影响所致。在坡积层的下部,于松散粘土中分别取得OSL样品,OSL样品H57-OSL-02测试结果为(8.94±0.72)ka。

太子庙剖面揭示两组倾向相反且近于直立的共轭正断层,分析认为倾向NW的f1、f2为主断层且活动时代较新。由断层断错地层确认其活动时代当晚于(169±16)ka B.P.,早于(8.94±0.72)ka B.P.,最新活动时代为中更新世晚期—晚更新世早期。依据主断面f1和f2上的擦痕及阶步判断其最新活动具有一定的右旋走滑分量。由此可知断裂最新活动为中更新世晚期—晚更新世早期,以具有右旋走滑分量的正断为主。

3.4 杨家下院剖面特征

霍山北杨家下院附近的h68观察点(31°25'44.5"N,116°23'9.8"E),在修路剥离的剖面上(图 7),见东北段断裂2—3组断层切割侏罗系棕灰色砂砾岩、棕红色砂岩、黄褐色砂岩,断层性质皆为倾向NW的正断层。其中剖面上北支规模较大,中上侏罗统棕红色中厚层砂岩与半风化上侏罗统黑石渡组J3h黄褐色砂岩之间的界线垂直位移量约2.8m,且被断错的上侏罗统J3h在下降盘的厚度明显大于上升盘的厚度,为明显的生长地层。断层下部出现3条分支,它们之间为厚0.1—2m的破碎带,沿中间分支还发育1—2cm厚的灰白色断层泥,断层泥较细腻柔软,指示活动较新。取ESR样品H68-ESR-01,ESR样品测试结果为(281±28)ka,推测ESR测试结果可能由于断层基岩的淋滤作用而偏老。被断错的黄褐色砂岩J3h在断层两盘厚度差异较大,NW盘厚度超过5m,SE盘厚度不足1—2m,显示出正断层长期运动形成的生长地层的特征(图 7(b)(d))。因而断裂在中生代中晚期为对地层发育有一定控制作用的生长正断层,显示出持续活动的特征。最新的全新统的堆积物则未受到断层的扰动(图 7(c))。在公路东侧的剖面上显示出同样的特征(图 7(e)(f)),两盘基岩对应层的垂直正断位移约3—4m(图 7(e)中a与a'、b与b'),两盘厚层的紫红色砂岩之上发育厚度差异明显的上侏罗统黑石渡组黄褐色砂岩,断层断错该套黄褐色砂岩至地表,该套黄褐色砂岩也显示出正断层特有的生长地层特征(图 7(e)(f))。综合分析认为,断裂北段仍然表现为倾向NW的陡倾断裂,中生代显示出持续拉张正断,并伴随中生代生长地层的发育。最晚的活动为可能为中更新世晚期—晚更新世早期。


(a)杨家下院公路西侧露头照片,(b)(c)公路西侧露头断层处细节照片 (d)公路西侧断层露头素描图,(e)公路东侧露头整体照片,(f)公路东侧断层露头细节照片
图 7 杨家下院公路旁断层露头 Fig. 7 Outcrops at the road near Yangjiaxiayuan
4 讨论及结论

关于落儿岭-土地岭断裂的几何结构,前人认识的分歧主要在于其北端延伸的问题,目前尚未有相关地质或地球物理证据证明其在大别造山带的前陆盆地仍然存在。前人曾认为该霍山-罗田断裂带延伸至定远附近并控制了中强地震的发生,而事实上定远附近的强震主要受控于NNE走向的郯庐断裂,并非受控于霍山-罗田断裂带。笔者搜集了大别及邻区的深部重力及电磁资料,均显示在大别造山带的前陆盆地内断裂在深部并无明显反映1,同时现代的小震分布也在盆地内部变得明显的散乱,不构成条带且尚未发生过MS 5.0以上地震。据此,笔者认为该断裂向北延伸止于区域性盆山边界断裂金寨-舒城断裂,即落儿岭-土地岭断裂为大别造山带内部的断裂,并未延伸到造山带的前陆盆地中。同时,笔者搜集到霍山及邻区的共5条大地电磁剖面数据及其二维和三维反演结果,其中两条跨NE向的落儿岭-土地岭断裂的NW向剖面分别位于为黑石渡附近跨霍山盆地和落儿岭南的大别山内部,大地电磁的反演结果较好地揭示了落儿岭-土地岭断裂,但两侧测点的视电阻率曲线形态基本相似,数值都表现为高电阻率,反映出断裂两侧地壳介质的电性结构差别不大,差异带在深部往NW方向延伸约十余千米,与中地壳的低阻层衔接,为中上地壳断裂。野外多数露头剖面上断裂倾向NW,而从近代小震的分布看,多数地震也是沿断裂NW侧附近密集分布,因此断裂在深处也是倾向NW的陡倾断裂,与本论文研究得出的断裂形态吻合较好2

1 张景发等,2014.《合肥活断层探测及地震危险性分析项目-高分辨率遥感、重磁信息处理解译研究专题报告》

2 长江大学,2015.《安徽霍山历史地震区大地电磁探测研究报告》

该断裂断错地貌清晰,特别是西南段土地岭-黑石渡一带,断层谷笔直延伸,同时在卫星影像上也有较清晰的线性显示。野外基岩剖面断层泥样品测试结果显示断裂最新活动时代晚于(169±16)ka B.P.,早于(8.94±0.72)ka B.P.,即断裂最晚活动为中更新世晚期—晚更新世早期,同时笔者踏勘了断裂通过处东淠河阶地,也发现在断裂通过处东淠河全新世T0和T1阶地平整完好,未见断错地貌,指示断裂全新世以来未活动(图 8),而T2阶地被人工建筑或农田所覆盖,未能找到有效的指示断裂活动性的证据。


图 8 断裂通过处东淠河阶地地貌 Fig. 8 Terrace topography of East Pi River at the intersection of fault

典型剖面的生长地层特征揭示断裂自中生代中晚期以来发生持续拉张正断,造成了断裂NW盘上侏罗统厚度大于SE盘厚度,同时剖面上多处擦痕阶步及断裂通过处东淠河大型肘状右旋拐弯都说明断裂最新运动具有一定的右旋分量。刘泽民等(2015)基于波形反演2014年4月20日霍山地区MS 4.3地震震源机制,认为该地震为区域近东西向挤压、近南北向拉张应力场的作用下落儿岭-土地岭断裂的一次右旋正断。断裂的高倾角产状及野外剖面多揭示出断裂具有正断性质,断裂最新运动为具有右旋分量的拉张正断,显示出断裂中新生代运动特征的继承性,可能反映了中新生代以来东大别区域构造应力场的继承性。

综上所述,本文研究结果认为落儿岭-土地岭断裂为广义上霍山—罗田断裂在安徽境内的部分,断裂西南起于杨树沟附近,走向约NE60°,倾向NW,可能延伸至大别山北缘的横塘岗乡附近,可以划分为杨树沟-黑石渡段和黑石渡-横塘岗乡段两个地质地貌及地震活动性差异明显的段落。该断裂最新活动时代为更新世—晚更新世早期,以伴有右旋走滑的拉张正断为主。

致谢: 匿名审稿人对本文提出了诸多修改意见,令作者受益匪浅。本文中的ESR和OSL年龄样品由中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室测试,在此表示感谢。
参考文献
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Preliminary Study on Geometry Structure and Activity Features of Luo' erling-Tudiling Fault in Late Quaternary
Shu Peng1,2), Lu Shuo1), Fang Lianghao1), Zheng Yingping1) and Song Fangmin2)
1) Anhui Earthquake Agency, Hefei 230031, China
2) Key Laboratory of Active Tectonics and Volcanology, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

Luo' erling-Tudiling fault is one of the most important seismogenic structures in east Dabie region. However, there has been no sufficient research on this fault due to its geographical location and natural conditions. Based on interpretation of high-resolution satellite images and detailed field investigation, we take Luo' erling-Tudiling fault as our research object and conduct a systematical study on its geological and geomorphic features, geometry structure and activity features. By field survey and analysis of other related data, we conclude that Luo' erling-Tudingling fault was developed within the Dabie Orogen, stretching northeastward with a deep dip angle to the northwest. According to geological and geomorphic characteristics and seismic activity, this fault is mainly composed two segments, the southern one of which starts from Yangshugou and extends to Heishidu while the northern one stretches from Heishidu to Hengtanggan Town. This study confirmed that Luo' erling-Tudingling fault had experienced multiple extensional normal faulting during middle Mesozoic. Dominated by normal faulting with a certain amount of dextral strike-slip component, its latest activity occurred in early period of late Pleistocene.

Key words: Luo' erling-Tudingling fault   Typical profile   Geometry structure   Kinematic features   Faulting era  


Preliminary Study on Geometry Structure and Activity Features of Luo' erling-Tudiling Fault in Late Quaternary
Shu Peng*1,2), Lu Shuo*1), Fang Lianghao1), Zheng Yingping1), Song Fangmin2)
1) Anhui Earthquake Agency, Hefei 230031, China;
2) Key Laboratory of Active Tectonics and Volcanology, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

Luo' erling-Tudiling fault is one of the most important seismogenic structures in east Dabie region. However, there has been no sufficient research on this fault due to its geographical location and natural conditions. Based on interpretation of high-resolution satellite images and detailed field investigation, we take Luo' erling-Tudiling fault as our research object and conduct a systematical study on its geological and geomorphic features, geometry structure and activity features. By field survey and analysis of other related data, we conclude that Luo' erling-Tudingling fault was developed within the Dabie Orogen, stretching northeastward with a deep dip angle to the northwest. According to geological and geomorphic characteristics and seismic activity, this fault is mainly composed two segments, the southern one of which starts from Yangshugou and extends to Heishidu while the northern one stretches from Heishidu to Hengtanggan Town. This study confirmed that Luo' erling-Tudingling fault had experienced multiple extensional normal faulting during middle Mesozoic. Dominated by normal faulting with a certain amount of dextral strike-slip component, its latest activity occurred in early period of late Pleistocene.



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落儿岭-土地岭断裂几何结构及晚第四纪活动特征初探
疏鹏*1,2) 路硕*1) 方良好1) 郑颖平1) 宋方敏2)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20180108