引言

郯庐断裂带是中国东部的巨型断裂带,纵贯湖北、安徽、江苏、山东及东北三省,总体呈NNE向延伸,在中国境内长达2400km。根据断裂带所穿切的大地构造单元、自身结构构造及地震活动性等方面的差异分为3段,辽宁昌图以北为北段,昌图至淮河南岸为中段,淮河南岸至长江北岸的湖北广济为南段(方仲景等,1986国家地震局地质研究所,1987)。郯庐断裂带南段绝大部分位于安徽境内,由于断裂沿线第四纪地层发育较差且断裂多从基岩区或隐伏于盆地内部通过,导致其第四纪活动性研究进展较慢。以往普遍认为该段最新活动时代为中更新世,晚更新世以来不活动(方仲景等,1980汤有标等, 1988, 1990郑颖平等,2012刘备等,2015)。近年来,郯庐断裂带南段第四纪活动性研究取得重要进展。在淮河南岸到安徽女山湖一带发现郯庐断裂存在清晰的线状地貌,断层发育于浮山—紫阳山一线的中生代红色砂岩隆起边缘缓坡,多个探槽剖面揭示断层断错了晚更新世黏土层,最新活动方式具右旋拉张性质,最新活动时代达到全新世早期(姚大全等,2017赵朋等,2017杨源源等,2017)。

为进一步研究郯庐断裂带在女山湖以南的新活动情况,本文选取与淮河—女山湖段断层迹线呈一致延伸方向、并具有一定断层地貌显示的明光—定远池河镇段进行遥感解译、地质地貌调查、探槽开挖及年代样品测试等工作,以此获得淮河—女山湖以南段郯庐断裂带第四纪的活动性,从而更深入地认识郯庐断裂带第四纪以来的演化特征。

1 研究区概况

郯庐断裂带在安徽境内自东向西分别由嘉山-庐江断裂、池河-太湖断裂、石门山断裂、五河-合肥断裂4条主要断裂构成(安徽省地质矿产局,1987)。本文研究的郯庐断裂带明光至定远池河镇段落位于合肥盆地北缘与嘉山(明光)盆地交汇部位,段落内发育断裂为郯庐断裂带安徽段四大主干断裂之一的池河-太湖断裂。受中国东部大陆边缘广泛的伸展活动影响,郯庐断裂带在白垩纪至古近纪期间表现为巨型伸展构造,控制了合肥盆地与嘉山盆地的断陷、裂陷活动,晚第三纪至第四纪期间区域发生挤压,断裂带及盆地活动反转,研究区处于隆起状态,大部分地区缺失第四纪沉积(刘国宏等,2003陈海云等,2004许世红等,2007Zhu等,2010, 2012)。由于断裂带及盆地第四纪隆起幅度较弱,目前研究区及周边主要呈现为中生代伸展期间的地貌格局,即研究区内部为盆地缓丘陵地貌,东、西两侧分别为张八岭隆起、淮南断褶皱带及大巩山地垒构成的山地,郯庐断裂带各主干断裂构成盆、山边界断裂或穿切盆地而过(图 1,其中图 1(a)许志琴(1984)图 1(b)安徽省地质矿产局(1987)姚大全等(2004)曹筠等(2017)杨源源等(2017))。盆地两侧山体隆起主要由晚太古代—元古代变质岩系组成,盆地内部则发育中新生代地层,盆内地层时代划分及岩性见表 1安徽省地质矿产局,1987吴跃东等,2002吴海权等,2004)。


F1:嘉山-庐江断裂;F2:池河-太湖断裂;F3:石门山断裂;F4:五河-合肥断裂;F5:安丘-莒县断裂;F6:刘家铺-下马铺断裂;TWF:太和-五河断裂;LLF:临泉-刘府断裂;ZLF:自来桥-来安断裂;JXF:嘉山-响水断裂;Tc1:土山村探槽;Tc2:石塘岳2号探槽;Tc3:石塘岳1号探槽;Tc4:周王探槽
图 1 研究区构造 Fig. 1 Distribution of faults in the study area
表 1 研究区中新生代地层 Table 1 A brief description of Mesozoic and Cenozoic strata in the study area

本文主要对池河-太湖断裂及其旁侧次级平行断层进行研究。池河—太湖断裂在本区从合肥盆地及嘉山盆地内部通过,总体呈隐伏状态,该断裂相对其余郯庐主干断裂具有较新活动特征。断裂的新活动控制了池河河谷的发育,导致池河顺断裂呈NNE向流淌汇入女山湖。在遥感影像上,池河总体表现为宽约1km的北北东向延伸的浅色带(姚大全等,2004)。经遥感解译及野外调查发现,断裂沿线绝大部分地段为缓丘陵平原地貌特征,仅少数地段为高出平原的岗地,指示了断裂位置。断裂沿线岗地地貌由北向南分布在明光市土山村、定远县石塘岳及周王一带,本次在上述岗地边缘进行探槽开挖以揭示断裂新活动特征。

2 探槽点地貌及剖面
2.1 明南土山村探槽

明光市明南街道土山村南东600m处存在古近纪红色砂岩隆起形成的小山岗,长轴呈南北向,南北长近600m,东西宽300m,高80余米。在隆起西侧存在断续延伸的线性陡坎,陡坎走向近NS,高1—2m,陡坎东侧地表出露古近系定远组红色砂岩,陡坎西侧为晚第四纪松散堆积,为揭示陡坎构造性质,在陡坎下方农地中缓坡处开挖探槽(图 2)。


图 2 土山村探槽附近Google影像(a)、(b)及地貌(c)、(d) Fig. 2 Google images (a), (b) and geomorphology (c), (d) near the trench of the Tushan village

该探槽东西向布置,长约22m,宽2.5m,深约4m。南、北两壁揭示现象基本一致。以北壁为例,探槽地层可以分为6层(图 3):①亚黏土层,土黄色,含细小砾石,铁锰结核,植物根系;②灰棕色黏土层,粘性较大,顶部为灰黑色,下部棕灰色,含少量砾石以及铁锰结核;③砾石层夹黏土,该层不连续,局部形成洼斗,砾石聚集较多,该层延伸与层⑤较为一致;④土黄色黏土,粘性较大,含铁锰结核,夹于2套砂岩之间;⑤棕红色砂岩,全风化状,相对松散,呈舌状延伸;⑥棕红色砂岩,顶部风化状,下部较为完整,中间夹磨圆较好的条状分布的砾石及黄绿色泥质条带。

为确定各地层的沉积年代,在相应地层采集了光释光(OSL)样品和14C样品,取样位置见图 3,测试结果见表 2。根据层①14C测年结果判断其为全新世晚期地层;根据OSL测年结果及岩性特征判断层②、层③为晚更新世地层;层④为1套黏土层,根据OSL测年结果及层序关系判断为中更新世地层;根据区域地层资料,层⑤、层⑥均为古近纪地层。


图 3 土山村探槽北壁照片(a)、局部照片(b)与剖面图(c) Fig. 3 The photo (a), local photo (b) and log (c) of the north wall of Tushan trenc
表 2 探槽剖面年龄样品测试结果 Table 2 Dating results of samples from the exploratory trench

该探槽揭示池河-太湖断裂在该处表现为逆冲活动特征,将层⑤古近纪棕红色砂岩逆冲于层④中更新世黏土层之上,断层面东倾,倾角较缓。断层上面被层③晚更新世砾石层覆盖,层③底界不平,应为断层逆冲之后断层陡坎上方砾石顺坡侵蚀堆积所形成,即层③地层形态应为逆冲运动后自然堆积形成。受断层逆冲活动影响,古近纪与中更新世地层产状发生向东掀斜,晚更新世地层则无上述特征,反映其未受断层活动影响。上述情况表明,断层在中更新世存在较强逆冲活动,晚更新世以来不活动。

2.2 池河石塘岳探槽

石塘岳1号探槽位于定远县池河镇石塘岳西侧,该处存在古近纪红色砂岩隆起,隆起呈南北向,南北长250m,东西宽65m,相对高度10—20m。隆起西缘存在较好线性特征,有长近100m、高约0.5m的地貌陡坎,陡坎西倾,与红色砂砾岩隆起向盆地倾没方向一致(图 4(a))。陡坎上方为红色砂砾岩,下方为耕植土层覆盖,深度不明。为确定陡坎的构造性质,跨陡坎开挖石塘岳1号探槽,探槽走向近东西,长20m,宽3m,深2m(图 4(b))。


图 4 石塘岳附近Google影像(a)、1号探槽附近地貌(b)及2号探槽附近地貌(c) Fig. 4 Google image map (a) near Shitangyue, geomorphology near trench No. 1(b) and geomorphology near trench No. 2 (c)

探槽两壁揭示地层及构造现象一致。以北壁为例,探槽顶部层①为厚5—10cm的薄层耕植土,下方层②为红色砂岩挤压破碎带,发育密集节理面(图 5)。红色砂岩倾向南东,倾角30°—45°,显示遭受了自东向西的挤压掀斜作用。探槽揭示该处无断层通过,表明上述地貌陡坎不是断层陡坎,可能为差异侵蚀作用导致的局部地形隆起。


图 5 石塘岳1号探槽北壁照片(a)与剖面(b) Fig. 5 The photo (a) and log (b) of the north wall of Shitangyue No. 1 trench

石塘岳1号探槽揭示石塘岳西侧古近纪隆起边缘陡坎不是断层陡坎,即该处不是断层通过位置,不存在新生活动断裂。在石塘岳村东发现古近纪砂砾岩与白垩纪红色砂岩接触界线,界线处地形为一丘陵边缘缓坡,无明显陡坎。在上述地层界线附近开挖石塘岳2号探槽,探槽长16m,宽3m,深4m,走向近东西,揭示了断层的存在(图 4(c))。

探槽两壁揭示地层及现象基本一致,主要在北壁开展工作(图 6)。探槽揭示4套地层:①黏土层,土黄色,质纯,紧密,有一定粘性;②砾石层,砾径1—3cm,磨圆差;③砂砾岩,褐红色—紫红色,挤压破碎严重;④浅红色砂岩,质纯,坚硬。


图 6 石塘岳2号探槽北壁(局部)照片(a)与剖面(b) Fig. 6 The photo (a) and log (b) of the north wall (partial) of Shitangyue No. 2 trench

根据区域地层资料判断,层③为古近纪地层,层④为白垩纪地层,根据地层特征判断层①为晚更新世地层。探槽揭示了池河-太湖主断层,断裂倾向南东,倾角缓,造成层④白垩系红色砂岩逆冲于层③古近系砂砾岩之上,砂砾岩挤压破碎严重,层③顶部发育层②细砾石层,可能代表断层运动后存在较长时间的剥蚀堆积。断层上方为层①晚更新世黏土层覆盖。上述现象表明古近纪以来断层发生了强烈逆冲运动,晚更新世以来断层不活动。

2.3 池河周王探槽

周王探槽位于定远县池河镇西5km处,周王村民组东侧白垩纪红色砂岩隆起西缘。在遥感影像上,该红色砂岩隆起呈现为一南北向展布的线性条纹,长700m左右(图 7(a))。通过实地调查发现该线性条纹为红砂岩隆起西缘陡坎,高度0.5—1.5m,连续性非常好(图 7(b))。该陡坎东侧红砂岩出露地表,西侧地表为晚第四纪松散沉积覆盖。为确定陡坎构造性质,在陡坎下方开挖周王探槽,探槽长18m,宽2.5m,深2.5m,走向近东西。


图 7 周王探槽附近Google影像(a)及地貌(b) Fig. 7 Google images (a) and geomorphology (b) near the trench of the Zhouwang village

探槽北壁揭示地层(图 8):①灰黑色耕植土,淤泥质,厚3—10cm;②灰黑色黏土层,松软,底界不平,内部发育节理面;③红色砂岩,受断层挤压破碎,强风化,发育多组倾向东或西的裂隙面。根据区域地层资料判断层③为白垩纪地层,根据OSL测试结果判断层②为晚更新世地层(表 2)。


图 8 周王探槽北壁照片(a),局部照片(b)、(c)与剖面(d) Fig. 8 The photo (a), local photo (b), (c) and log (d) of the north wall of Zhouwang trench

该探槽揭示了郯庐次级断裂——刘家铺-下马铺断裂及其挤压破碎带。刘家铺-下马铺断裂总体呈隐伏状态,走向约20°,为东倾的压型断裂,目前研究资料较少,推测深部可能收敛于池河-太湖断裂。有钻孔资料揭示该断裂东侧张桥组地层缺失,断层破碎带附近岩石变形强烈以及有大角度斜向破裂面及擦痕1姚大全等(2004)基于断层泥SEM测试结果认为断裂在中更新世有过较强活动。本次探槽揭示刘家铺-下马铺断裂在剖面上包括2条主要断层f1、f2及其它小断层和节理面。f1应为主断层,表现为2条小断层组成的断层破碎带,宽20cm左右,断面倾向南东,倾角较陡。f2产状与f1相近,未发育断层破碎带及断层泥。上述断层形态表明该处红色砂岩隆起为近东西向挤压作用形成。层②为晚更新世黏土层,其中发育较多节理面,但与下方红色砂岩中断层不贯通,表明断层未延入层②之中。层②底界凹凸不平,且在探槽南壁不对称发育(图 9),表明该层是顺红砂岩顶部侵蚀面堆积所形成,非断层后期影响所致。上述情况表明,晚更新世沉积以后断层不活动。


图 9 周王探槽南壁照片(a)与剖面(b) Fig. 9 The photo (a) and log (b) of the south wall of Zhouwang trench

1 铁道部第四勘察设计院,1988.京沪高速铁路池河特大桥工程勘测报告.

3 断裂新活动性分析

本次开挖的探槽均位于盆地内部,所揭示断裂为池河-太湖断裂及其旁侧的次级平行断裂。各探槽开挖部位均存在新构造隆起及局部地段的线性陡坎,为断裂带最新活动部位。土山村探槽、石塘岳2号探槽及周王探槽显示断裂在前晚更新世地层中呈现为挤压逆冲,断错最新地层时代为中更新世,未发现晚更新世以来活动的直接证据。在研究区以南的肥东龙泉山西麓山洪张村揭露的池河-太湖断裂露头上,见元古代双山组大理岩和晚白垩世张桥组红色碎屑岩呈断层接触,断面近直立,顶部无更新沉积物覆盖,底部见红色未固结的断层泥,采集的断层泥样品经电子自旋共振法(ESR)测定年龄为(698±89)ka,说明断裂在中更新世有过较为强烈的活动(图 10)。另外,姚大全(1992)在明光市城区南侧进行的钻孔资料分析证实了郯庐隐伏断层的存在,认为断裂活动时间在晚更新世之前。综合本次研究结果及前人研究资料认为,郯庐断裂带明光—定远池河镇段最新活动时代为中更新世,晚更新世以来不活动。


图 10 肥东山洪张断层剖面 Fig. 10 Outcrop of Shan Hongzhang fault in Feidong County
4 结论与讨论

通过对郯庐断裂带明光-定远池河镇段进行遥感解译、地表地质调查、探槽开挖及年代样品测试,初步得到以下结论:

(1)郯庐断裂带明光-定远池河镇段发育于盆地内部,总体呈隐伏状态,线性影像特征较差,其新活动主要表现为控制了池河河谷的发育及沿明南土山村、池河石塘岳、池河周王等地展布的线性岗状地貌。

(2)郯庐断裂带明光-定远池河镇段最新活动方式具挤压逆冲性质,最新活动时代为中更新世,晚更新世以来不活动。

由于该段线性影像特征较差,断裂出露地点不多,本次开挖的各探槽又缺乏相应的对比探槽研究,可能导致对断裂新活动性认识不足。另外,该段虽然与淮河—女山湖段在遥感影像上呈一致延伸,但是在最新活动方式及时代上却存在较大差异,表明郯庐断裂带在明光市至女山湖间可能存在分段。对于上述问题尚需进一步研究。

致谢: 本文14C样品由美国BETA年代实验室测试完成;ESR(电子自旋共振)样品由地震动力学国家重点实验室测试;OSL(光释光)样品由山东地震局年代学实验室测试;野外地质调查得到冉勇康研究员、王虎副研究员的指导,在此一并表示感谢。
参考文献
安徽省地质矿产局, 1987. 安徽省区域地质志[M]. 北京: 地质出版社.
曹筠, 许汉刚, 冉勇康, 等, 2017. 郯庐断裂带沂水-汤头断裂南段晚第四纪活动新证及构造意义[J]. 地震地质, 39(2): 287-303. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.02.003
陈海云, 舒良树, 张云银, 等, 2004. 合肥盆地中新生代构造演化[J]. 高校地质学报, 10(2): 250-256. DOI:10.3969/j.issn.1006-7493.2004.02.011
方仲景, 丁梦林, 计凤桔, 等, 1980. 郯城-庐江断裂带地震活动的地质分析[J]. 地震地质, 2(4): 39-45.
方仲景, 丁梦林, 向宏发, 等, 1986. 郯庐断裂带的基本特征[J]. 科学通报, (1): 52-55.
国家地震局地质研究所, 1987. 郯庐断裂[M]. 北京: 地震出版社.
刘备, 朱光, 翟明见, 等, 2015. 郯庐断裂带安徽段活断层特征与成因[J]. 地质科学, 50(2): 611-630. DOI:10.3969/j.issn.0563-5020.2015.02.017
刘国宏, 张云银, 贾洪义, 2003. 合肥盆地构造演化及油气藏分析[J]. 油气地质与采收率, 10(3): 1-3. DOI:10.3969/j.issn.1009-9603.2003.03.001
汤有标, 沈子忠, 林安培, 等, 1988. 郯庐断裂带安徽段的展布及其新构造活动[J]. 地震地质, 10(2): 46-50.
汤有标, 姚大全, 1990. 郯庐断裂带南段新活动性的初步研究[J]. 地震研究, 13(2): 155-165.
吴海权, 江来利, 候明金, 等, 2004. 安徽明光石坝地区新近纪地层层序的厘定[J]. 地层学杂志, 28(1): 64-66, 96. DOI:10.3969/j.issn.0253-4959.2004.01.010
吴跃东, 刘家云, 汪德华, 2002. 安徽明光盆地第三系层序地层学分析[J]. 现代地质, 16(4): 374-381. DOI:10.3969/j.issn.1000-8527.2002.04.007
许世红, 钟建华, 柳忠泉, 2007. 合肥盆地断层活动特征及其控制因素[J]. 大地构造与成矿学, 31(1): 31-36. DOI:10.3969/j.issn.1001-1552.2007.01.004
许志琴, 1984. 郯庐裂谷系概述[J]. 构造地质论丛, (3): 39-46.
杨源源, 赵朋, 郑海刚, 等, 2017. 郯庐断裂带安徽紫阳山段发现全新世活动证据[J]. 地震地质, 39(4): 644-655. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.04.002
姚大全, 1992. 安徽明光隐伏活动断裂的发现及其意义[J]. 地震地质, 14(4): 374-375.
姚大全, 刘加灿, 2004. 郯庐断裂带池河段的新活动[J]. 地震学报, 26(6): 616-622. DOI:10.3321/j.issn:0253-3782.2004.06.007
姚大全, 郑海刚, 赵朋, 等, 2017. 郯庐断裂带淮河南到女山湖段晚第四纪以来的新活动[J]. 中国地震, 33(1): 38-45. DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2017.01.004
赵朋, 姚大全, 杨源源, 等, 2017. 郯庐断裂带安徽浮山段晚第四纪以来活动新发现[J]. 地震地质, 39(5): 889-903. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.05.002
郑颖平, 翟洪涛, 李光, 等, 2012. 郯庐断裂带江苏新沂-安徽宿松段地震危险性分析[J]. 华北地震科学, 30(2): 48-51. DOI:10.3969/j.issn.1003-1375.2012.02.010
Zhu G., Niu M. L., Xie C. L., et al, 2010. Sinistral to normal faulting along the Tan-Lu fault zone:Evidence for geodynamic switching of the East China continental margin[J]. The Journal of Geology, 118(3): 277-293. DOI:10.1086/651540
Zhu G., Jiang D. Z., Zhang B. L., et al, 2012. Destruction of the eastern North China Craton in a backarc setting:Evidence from crustal deformation kinematics[J]. Gondwana Research, 22(1): 86-103. DOI:10.1016/j.gr.2011.08.005