郯廬斷裂南段懷遠(yuǎn)—池河北西向斷裂的第四紀(jì)活動性
——來自韭山東北緣的地質(zhì)證據(jù)

方良好，路碩，疏鵬，潘浩波，戚浩，王揚(yáng)帆，汪凡

1)安徽省地震局，合肥，230031； 2)安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，安徽蒙城，233500；3)安徽省震災(zāi)風(fēng)險防治中心，合肥，230031

內(nèi)容提要: 懷遠(yuǎn)—池河斷裂與郯廬斷裂帶南段相交，處在郯廬斷裂帶活動性逐漸減弱的地段。為獲取斷裂活動的地質(zhì)證據(jù)，選取安徽韭山東北緣進(jìn)行地貌調(diào)查、探槽開挖、年齡樣品測試等工作。研究表明，韭山東北緣的線性地貌受斷裂活動控制，在調(diào)查揭示的多個剖面中，斷層表現(xiàn)出一致的活動性質(zhì)，走向NW，傾向NE，傾角70°左右，具有正斷性質(zhì)；斷層垂直斷距在第四系中由下往上逐漸變小，直至消失在第四紀(jì)覆蓋層中，說明斷裂具有多期活動，進(jìn)入中更新世后活動性逐漸減弱。通過跨斷層探槽剖面分析及測年結(jié)果可知，斷層最新活動錯斷了中更新世地層，上覆的中更新世頂部地層及晚更新世地層未受影響，說明該斷裂是一條中更新世斷裂，晚更新世以來不活動。懷遠(yuǎn)—池河斷裂的活動情況與其所在地區(qū)的新構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。郯廬斷裂帶是本區(qū)規(guī)模最大的控制性構(gòu)造，它的活動性對區(qū)內(nèi)其他斷裂具有重要影響，斷裂帶明光以南段最新活動時代為中更新世，受其影響，與它相交的懷遠(yuǎn)—池河斷裂最新活動時代也表現(xiàn)為中更新世。這或是蚌埠—鳳陽地區(qū)以中小地震活動為主的一個構(gòu)造背景。

郯廬斷裂帶是一條穿越我國東部多個大地構(gòu)造單元的巨型斷裂帶，總體呈北北東走向，綿延2400多千米，是一條重要的控礦構(gòu)造帶，也是地震活動帶(國家地震局地質(zhì)研究所，1987)。沿郯廬斷裂帶分布有一系列的北西向橫向斷裂，它們與郯廬斷裂斜交，形成剪切破裂系統(tǒng)(徐杰等，2003)。這些北西向斷裂對郯廬帶的分段(高維明等，1991；李家靈等，1994；徐杰等，1999；晁洪太等，1998；姜文亮等，2011；熊振等，2016)、地震孕育和破裂(晁洪太等，1998；熊振等，2016；朱艾斕等，2018)起著重要的控制作用。

圖1 郯廬斷裂帶南段區(qū)域構(gòu)造圖(a)及溧陽—明光(嘉山)—商丘—新鄉(xiāng)斷裂帶展布簡圖(b)(改自徐杰等, 1997, 2003)Fig. 1 Regional tectonic map of the southern section of the Tan-Lu (Tancheng—Lujiang) fault zone (a) and distribution of Liyang—Mingguang—Shangqiu—Xinxiang fault zone (b) (modified from Xu Jie et al., 1997&, 2003&)F1：懷遠(yuǎn)—池河斷裂；F2：渦河斷裂；F3：明龍山—上窯斷裂；F4：橋頭集—東關(guān)斷裂；F5：自來橋—來安斷裂；F6：湖熟—溧陽斷裂；F7：板橋—南渡斷裂；F8：郯廬斷裂帶；F9：黃栗樹—馬廠斷裂；F10：滁河斷裂；F11：固鎮(zhèn)—懷遠(yuǎn)斷裂；F12：太和—五河斷裂；F13：潁上—定遠(yuǎn)斷裂F1: Huaiyuan—Chihe fault; F2: Guohe fault; F3: Minglongshan—Shangyao fault; F4: Qiaotouji—Dongguan fault; F5: Zilaiqiao—Laian fault; F6: Hushu—Liyang fault; F7: Banqiao—Nandu fault; F8: Tan-Lu fault; F9: Huanglishu—Machang fault; F10: Chuhe fault; F11: Guzheng—Huaiyuan fault; F12: Taihe—Wuhe fault; F13: Yingshang—Dingyuan fault

懷遠(yuǎn)—池河斷裂位于溧陽—明光(嘉山)—商丘—新鄉(xiāng)斷裂帶內(nèi)，與郯廬斷裂帶相交。該斷裂在蚌埠—鳳陽一帶的重、磁異常圖上有明顯顯示，是一條規(guī)模較大的斷裂(汪青松，2014)，但對其第四紀(jì)活動性方面的研究程度較低。本文以懷遠(yuǎn)—池河斷裂為研究對象，在安徽韭山東北緣一帶，通過地貌調(diào)查、探槽開挖、年齡樣品測試等工作，獲取了該斷裂第四紀(jì)活動的可靠地質(zhì)證據(jù)。其研究成果不僅可提高對懷遠(yuǎn)—池河斷裂第四紀(jì)活動性的認(rèn)識，也可為進(jìn)一步研究郯廬斷裂帶南段活動性分段和最新活動時代提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

懷遠(yuǎn)—池河斷裂位于安徽省東北部，區(qū)域上處在華北板塊南部。郯廬斷裂帶是本區(qū)的控制性構(gòu)造，區(qū)內(nèi)由多支主干斷裂組成(萬桂梅等，2009；汪青松等，2020)，其中活動性最強(qiáng)的一支為池河—太湖斷裂(F8-3)(圖1a)。區(qū)域內(nèi)郯廬斷裂帶具有分段活動特征，活動性由北向南逐漸減弱，在淮河以北，普遍認(rèn)為具有晚更新世晚期—全新世活動性(張鵬等，2007，2015；曹筠等，2015；許漢剛等，2016；楊源源等，2016；趙朋等，2017a)；向南穿越淮河至安徽明光女山湖以北仍然具有晚更新世—全新世活動性(姚大全等，2012，2017；趙朋等，2017b；楊源源等，2017)；斷裂在明光(嘉山)以南經(jīng)池河鎮(zhèn)進(jìn)入合肥盆地，地貌特征與其北部明顯不同，最新活動為中更新世(秦晶晶等，2018；楊源源等，2019；鄭穎平等，2020；方良好等，2021)。懷遠(yuǎn)—池河斷裂即處在郯廬斷裂帶活動性逐漸減弱的地段，經(jīng)過蚌埠古隆起、淮南斷褶帶、合肥盆地北端及張八嶺隆起等不同的構(gòu)造單元，在明光(嘉山)南池河鎮(zhèn)一帶與郯廬斷裂相交(圖1a)。

懷遠(yuǎn)—池河斷裂所在區(qū)地貌上位于江淮波狀平原與淮北平原的過渡帶上，區(qū)域地層屬于華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)，地層從上太古界至第四系，除缺失中奧陶統(tǒng)至中石炭統(tǒng)及中上三疊統(tǒng)外，其余發(fā)育比較齊全。區(qū)域內(nèi)第四系分布廣泛，上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)大面積覆蓋地表。第四系成因類型以沖積為主，其次為沖洪積、沖湖積、坡洪積等。沉積厚度的變化，嚴(yán)格受地形地貌和新構(gòu)造運(yùn)動的控制?；春右阅下∑饏^(qū)，第四系厚度一般小于40 m，殘丘的坡麓及山凹處，僅有數(shù)米厚；沿淮及淮河以北，由于沉降幅度的差異，第四系厚度由東向西，由南向北從幾十米至一百多米不等。第四紀(jì)地層時代劃分及巖性見表1(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987)。

表1 郯廬斷裂南段第四紀(jì)地層簡表

2 斷層基巖地質(zhì)剖面特征

懷遠(yuǎn)—池河斷裂北西起至懷遠(yuǎn)，向南東經(jīng)蚌埠、鳳陽南、紅心鋪，在池河鎮(zhèn)一帶與郯廬斷裂帶相交，而后進(jìn)入張八嶺。斷裂具有一定的線性特征，沿一系列丘陵、殘丘邊緣展布(圖1a)，其中斷裂在韭山東北緣的線性特征最為明顯，構(gòu)成了明顯的丘陵與波狀平原的界線(圖2)。為了確定斷裂較準(zhǔn)確的位置，我們在韭山東北緣進(jìn)行了詳細(xì)追蹤，在斷裂經(jīng)過的采石場、工程剝離剖面中發(fā)現(xiàn)了多個典型的基巖地質(zhì)剖面，很好地確定了斷層在地表的位置。

圖2 郯廬斷裂南段韭山東北緣影像圖Fig. 2 Satellite image map of the northeastern margin on Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

紅心鋪西殷家附近的一采石坑揭露出懷遠(yuǎn)—池河斷裂(圖3，位置見圖2中R1點(diǎn))，剖面中斷層產(chǎn)狀為295°/NE∠70°，斷層破碎帶發(fā)育在元古代石英砂巖中，寬0.3～0.5 m，由巖石碎塊及粉末組成，膠結(jié)程度低，沿斷面可見較新鮮細(xì)膩的斷層泥。

圖3 郯廬斷裂南段韭山東北緣殷家附近基巖斷層剖面Fig. 3 Bedrock fault profile near Yinjia in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

紅心鋪南山趙附近一鄉(xiāng)村開挖的公路也揭露出該斷裂(圖4，位置見圖2中R2點(diǎn))，剖面中可以明顯地看出，斷層切割了白堊紀(jì)中厚層狀細(xì)砂巖(圖4中層U1)和薄層狀泥質(zhì)粉砂巖(圖4中層U2)的界線；現(xiàn)場觀察斷面較平直光滑，受斷層影響， 中厚層狀細(xì)砂巖(圖4中層U1)較破碎；該剖面中斷層產(chǎn)狀為315°/NE∠70°，具有正斷分量，垂直斷距約1.1 m。

圖4 郯廬斷裂南段韭山東北緣山趙附近基巖斷層剖面Fig. 4 Bedrock fault profile near Shanzhao in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

懷遠(yuǎn)—池河斷裂在不同的基巖地質(zhì)剖面中表現(xiàn)出一致的性質(zhì)，剖面中均揭露出斷層走向NW，傾向NE，傾角70°左右，在山趙基巖斷層剖面中還顯示出正斷性質(zhì)。斷層的位置處在現(xiàn)代地貌的分界線上，走向也與其一致，這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實了該處的線性地貌受斷裂活動的控制。

3 斷層探槽剖面特征

在前述工作的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究斷層的第四紀(jì)活動性，我們在斷層沿線第四系較發(fā)育的地方，開挖了2個大型地質(zhì)探槽(位置見圖2中T1和T2點(diǎn))，通過對探槽剖面的分析，發(fā)現(xiàn)懷遠(yuǎn)—池河斷裂在第四系中的活動行跡明顯，結(jié)合斷層上覆地層以及被斷錯地層的年齡限定其活動時代。

3.1 殷家探槽剖面(T1)

殷家探槽位于韭山東北緣殷家附近，距離斷層基巖觀察點(diǎn)(R1)約1.2 km，處在基巖斷層的延長線上，該點(diǎn)附近斷層線性特征較明顯。我們選擇第四系較發(fā)育的地方，垂直斷層走向開挖了一個探槽，探槽布置方向200°，長約16 m，寬約2.5 m，深3.0～3.5 m(圖5)。

圖5 郯廬斷裂南段韭山東北緣殷家探槽(T1)附近地貌Fig. 5 Landforms near Yinjia trench (T1) in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

該探槽北西、南東兩壁揭示現(xiàn)象一致，以南東壁為例，探槽中有7套地層(圖6)。U1為土黃色耕作層，含植物根系；U2為褐黃色粉質(zhì)黏土層，含少量小礫石，該層成份較均一；U3為深灰至暗黃色粉質(zhì)黏土層，含較多鐵錳質(zhì)小球及少量小礫石；U4為暗黃色粉質(zhì)黏土層，含少量鐵錳質(zhì)條帶；U5為暗黃至暗紅色黏土層，含灰色黏土質(zhì)條帶及少量小礫石；U6為暗黃至暗紅色黏土層，含灰色黏土質(zhì)條帶，底部含較多小礫石，該層較U5松散；U7為碎石層，由碎石及粉土組成，雜亂堆積，碎石磨圓度差，呈棱角狀，該層未見底。

圖6 郯廬斷裂南段韭山東北緣殷家探槽(T1)剖面照片及地質(zhì)解譯圖Fig. 6 Photos and geological interpretation map of the Yinjia trench(T1)in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

為了確定各地層的沉積年代，在相應(yīng)層位采集了光釋光(OSL)年齡樣品和電子自旋共振(ESR)年齡樣品(圖6)，測試結(jié)果分別見表2和表3。

表2 郯廬斷裂南段韭山東北緣殷家探槽(T1)剖面和山趙探槽(T2)剖面光釋光(OSL)樣品測試結(jié)果Table 2 OSL dating results of samples from the Yinjia trench(T1) and Shangzhao trench(T2) in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

表3 郯廬斷裂南段韭山東北緣殷家探槽(T1)剖面和山趙探槽(T2)剖面電子自旋共振(ESR)樣品測試結(jié)果 Table 3 ESR dating results of samples from the the Yinjia trench(T1) and Shangzhao trench(T2) in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

光釋光測年(簡稱OSL)是釋光測年方法中的一種。釋光測年以礦物晶體的電離輻射效應(yīng)為基礎(chǔ)，礦物晶體的釋光信號強(qiáng)度與該礦物吸收的環(huán)境電離輻射(α、β、γ和宇宙射線)劑量呈正相關(guān)關(guān)系。對于沉積物OSL測年，若在沉積過程中沉積物的石英等礦物的OSL信號已被陽光或日光衰退歸零，同時沉積后石英等礦物處于基本恒定的電離輻射場即環(huán)境輻射劑量率基本恒定，那么，石英等礦物的OSL信號強(qiáng)度與礦物所吸收的電離輻射劑量的時間成正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，沉積地層的年齡就可通過測定石英等礦物天然OSL信號強(qiáng)度所對應(yīng)的等效劑量和環(huán)境劑量率來獲得。電子自旋共振(簡稱ESR)也稱為電子順磁共振，當(dāng)晶體礦物受放射性輻照時，電子被激發(fā)，并被晶格中的缺陷俘獲，成為不成對電子。每一個缺陷只能俘獲一個電子。ESR譜儀測量晶體中的不成對電子(也稱順磁中心)數(shù)目。根據(jù)順磁中心數(shù)目反推樣品所經(jīng)歷輻照的時間長度，即地質(zhì)年齡。

根據(jù)測年結(jié)果及區(qū)內(nèi)第四系巖性特征判斷U1為全新世地層，U2和U3為晚更新世地層，U4、U5、U6和U7為中更新世地層。

由殷家探槽剖面可知，懷遠(yuǎn)—池河斷裂在該處的新活動影響到了第四系，具有正斷分量，層U5和U7的界線有明顯錯動，垂直斷距約0.3 m，而上覆的層U4和U3較平穩(wěn)，未受斷層活動影響，結(jié)合不同層位的年齡測試結(jié)果，判定斷層活動時代介于(413±41)ka和(172±17)ka之間，為中更新世斷層。

3.2 山趙探槽剖面(T2)

山趙探槽位于韭山東北緣山趙附近，距離斷層基巖觀察點(diǎn)(R2)約290 m，處在基巖斷層的延長線上，該點(diǎn)附近斷層線性特征較明顯。我們選擇第四系較發(fā)育的地方，垂直斷層走向開挖了一個探槽，探槽布置方向215°，長約15 m，寬約2.5 m，深3.5～4.0 m(圖7)。

圖7 郯廬斷裂南段韭山東北緣山趙探槽(T2)附近地貌Fig. 7 Landforms near Shanzhao trench (T2) in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

該探槽北西、南東兩壁揭示現(xiàn)象一致，以南東壁為例，探槽中有6套地層(圖8)。U1為土黃色耕作層，含植物根系；U2為灰黃色黏土層，含少量鐵錳質(zhì)小球粒；U3為黃褐色粉質(zhì)黏土層，含較多灰色泥質(zhì)條帶；U4為褐黃色粉質(zhì)黏土層，含少量的灰色泥質(zhì)條帶，下部含少量小礫石；U5為灰褐色含砂礫粉質(zhì)黏土層；U6為深灰色泥巖，與上覆地層差異較大，界線明顯。

圖8 郯廬斷裂南段韭山東北緣山趙探槽(T2)剖面照片及地質(zhì)解譯圖Fig. 8 Photos and geological interpretation map of Shanzhao trench(T2)in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

為了確定各地層的沉積年代，在相應(yīng)層位采集了光釋光(OSL)年齡樣品和電子自旋共振(ESR)年齡樣品，取樣位置見圖8，測試結(jié)果分別見表2和表3。根據(jù)測年結(jié)果及區(qū)內(nèi)第四系巖性特征判斷U1為全新世地層，U2為晚更新世地層，U3、U4和U5為中更新世地層，由區(qū)域地層資料判斷U6為古近紀(jì)地層。

由山趙探槽剖面可知，懷遠(yuǎn)—池河斷裂在該處的新活動影響到了第四系，具有正斷分量，多套地層(U4、U5和U6)都有明顯地錯動，其中層U4和U5的界線垂直斷距約0.2 m，層U5和U6的界線垂直斷距0.3 m，而上覆的層U3和U2較平穩(wěn)，未受斷層活動影響，結(jié)合不同層位的年齡測試結(jié)果，判定斷層活動時代介于(236±23)ka和(194±28)ka之間，為中更新世斷層。

4 結(jié)論與討論

在安徽韭山東北緣，懷遠(yuǎn)—池河斷裂位于丘陵與波狀平原的過渡帶上，斷裂的宏觀線性特征較明顯。通過對該段的地表追蹤調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)斷裂在不同的基巖地質(zhì)剖面中表現(xiàn)出一致的性質(zhì)，在山趙基巖斷層剖面中還顯示出正斷分量。由斷層剖面確定的斷層位置及走向與該段的線性地貌相吻合，這也進(jìn)一步說明了該處的線性地貌受斷裂活動的影響。由本次跨斷層開挖的2個地質(zhì)探槽可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入第四紀(jì)后，斷層仍然有一定的活動。我們對2個地質(zhì)探槽進(jìn)行了詳細(xì)描述和分析，并系統(tǒng)采集、測試了地層年齡樣品。2個探槽剖面中，斷裂均表現(xiàn)出正斷層性質(zhì)，并且下部斷距明顯，約0.3 m，往上斷距逐漸減小直至消失在第四紀(jì)地層中。兩個剖面中的測試結(jié)果較連續(xù)，由下往上逐漸變新，指示剖面中沉積了中更新世以來的地層，缺失下更新統(tǒng)，再結(jié)合該區(qū)的地層巖性特征，我們在探槽T1中劃分出7套地層，在探槽T2中劃分出6套地層。根據(jù)斷裂與地層的切割、覆蓋關(guān)系，殷家探槽(T1)中斷層切割了U5、U6和U7，被上面的U4、U3、U2和U1覆蓋；山趙探槽(T2)中斷層切割了U4、U5和U6，被上面的U3、U2和U1覆蓋；結(jié)合相應(yīng)地層的年齡，獲取了懷遠(yuǎn)—池河斷裂第四紀(jì)活動的地質(zhì)證據(jù)和時代。根據(jù)本次工作，初步得到以下結(jié)論。

(1)懷遠(yuǎn)—池河斷裂控制了韭山東北緣的線性地貌，本次調(diào)查揭示的多個剖面中，斷層表現(xiàn)出一致的性質(zhì)，走向NW，傾向NE，傾角70°左右，具有正斷性質(zhì)。

(2)斷層垂直斷距在第四系中由下往上逐漸變小，直至消失在第四紀(jì)覆蓋層中，說明懷遠(yuǎn)—池河斷裂具有多期活動，中更新世后活動性逐漸減弱。

(3)通過跨斷層探槽剖面分析及地層測年結(jié)果可知，斷層最新活動錯斷了中更新世地層，上覆的中更新世頂部地層及晚更新世地層未受影響，說明懷遠(yuǎn)—池河斷裂是一條中更新世斷裂，晚更新世以來不活動。

郯廬斷裂帶南段懷遠(yuǎn)—池河斷裂的活動情況與斷裂所在地區(qū)的新構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。在新構(gòu)造期，我國大陸東部地殼處于東西兩側(cè)受壓的構(gòu)造環(huán)境，形成北東東—南西西至近東西向的近水平區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(朱光等，2002；周翠英等，2005)。在這一構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，區(qū)域內(nèi)的北西和北東向斷裂帶表現(xiàn)出共軛錯動的特征，構(gòu)成新構(gòu)造期的地殼共軛剪切破裂系統(tǒng)(徐杰等，2003)。本文所研究的懷遠(yuǎn)—池河斷裂是區(qū)域性北西向斷裂帶溧陽—明光(嘉山)—商丘—新鄉(xiāng)斷裂帶的組成部分，在明光以南與北東向的郯廬斷裂帶相交，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，兩者具有共軛特征，活動性具有內(nèi)在的關(guān)系。

據(jù)野外探測結(jié)果、歷史與現(xiàn)代地震活動性，普遍認(rèn)為郯廬斷裂帶南段總體活動較弱，沒有超過M6級以上的地震記載(朱艾斕等，2018)。近年來，對郯廬斷裂帶明光以南段開展的基礎(chǔ)地質(zhì)工作表明，郯廬斷裂帶明光以南最新活動時代為中更新世(秦晶晶等，2018；趙朋等，2018；楊源源等，2019；鄭穎平等，2020；方良好等，2020，2021)。郯廬斷裂帶是本區(qū)規(guī)模最大的控制性構(gòu)造，它的活動性對區(qū)內(nèi)其他斷裂具有重要影響，斷裂帶明光以南段最新活動時代為中更新世，受其影響，與它相交的懷遠(yuǎn)—池河斷裂最新活動時代也表現(xiàn)為中更新世。這或是蚌埠—鳳陽地區(qū)以中小地震活動為主的一個構(gòu)造背景因素。