安丘-莒縣斷裂駙馬營覆蓋區(qū)第四紀活動特征

王 雷 許洪泰 王志才 楊傳成 張建民 王冬雷 夏 暖 蔡明剛 魯人齊 任治坤

1)山東省地震局，濟南 250014 2)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029 3)山東省震災風險防治中心，濟南 250021

0 引言

郯廬斷裂帶是中國東部規(guī)模最大的一條深大活動斷裂帶，南起廣濟，向北經(jīng)安徽、 江蘇、 山東，跨過渤海，經(jīng)東三省，進入俄羅斯境內(nèi)，在中國境內(nèi)的長度超過2400km，總體走向N20°E。斷裂帶由北往南可分為4個段落，即鶴崗—鐵嶺段、 下遼河—萊州灣段、 沂沭段(沂沭斷裂帶)和大別山—廣濟段(鄭朗蓀等，1988； 李家靈等，1994)。沂沭段從山東、 江蘇、 安徽3省通過(圖1)，在中生代經(jīng)歷了強烈的左行平移和裂谷活動(高維明等，1980； 徐嘉煒等，1995)，白堊紀期間斷裂帶表現(xiàn)為大規(guī)模的伸展拉張，發(fā)育了一系列斷陷盆地； 新生代新近紀以來，斷裂帶發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為擠壓逆沖兼具右旋走滑性質(zhì)(朱光等，2004)。晚第四紀以來的斷裂新活動則主要體現(xiàn)在東地塹內(nèi)的安丘-莒縣斷裂上，該斷裂從北到南可分為安丘段、 莒縣—郯城段和新沂—泗洪段(晁洪太等，1994a，b； 李家靈等，1994)。其中，莒縣—郯城段發(fā)生了中國東部有史以來震級最大的地震，即1668年郯城8級地震(高維明等，1988； 李家靈等，1994)。近年來，有學者針對安丘-莒縣斷裂中、 南2段的最新活動時代、 長期滑動速率、 古地震規(guī)律等方面開展了大量研究工作(Jiangetal.，2017； 楊源源等，2017； 曹筠等，2018； 李康等，2019； 張鵬等，2019； 計昊旻等，2021)。在安丘段可能發(fā)生了公元前70年6月1日(漢宣帝本始四年四月壬寅)安丘7級地震(李善邦，1981； 朱書俊等，1991； 王志才等，2005，2015)。盡管目前仍沒有發(fā)現(xiàn)與此次地震對應的地震斷層，但安丘-莒縣斷裂在昌邑—安丘一帶的新活動跡象十分明顯，沿斷裂發(fā)育了一系列呈NNE走向的丘陵或潛凸(徐建國等，2019)以及受斷裂活動控制的第四紀盆地。已有研究表明，安丘-莒縣斷裂是晚更新世—全新世活動斷裂，由多個分段組成(宋方敏等，2005； 王志才等，2005，2015； 王雷，2016； 晁洪太等，2018； 蔡明剛等，2021)。由于這些研究工作主要集中于受到天然剝蝕和人工破壞較為嚴重的斷裂出露區(qū)，所保留的斷裂新活動的信息較少，故目前對于安丘段的最新活動時代、 錯斷地層和古地震等方面的約束不夠精細。為此，我們自2016年起采用淺層人工地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面探測這2種研究隱伏活動斷層最有效的手段(鄧起東等，2003； 柴熾章等，2006； 雷啟云等，2011)在濰坊市昌邑、 安丘一帶的斷裂隱伏區(qū)開展了活動斷層探測研究(1)山東省地震工程研究院，2020，安丘-莒縣活動斷層(濰坊段)綜合探測與地震災害風險評估技術(shù)報告。。

圖1 濰坊段沂沭斷裂帶及鄰區(qū)的地質(zhì)圖

安丘-莒縣斷裂安丘段由東、 西2支活動斷裂組成，大部分處于隱伏狀態(tài)，濰坊市坊子區(qū)駙馬營地區(qū)是安丘段的多個隱伏區(qū)之一。本文在駙馬營地區(qū)開展了詳細的地質(zhì)地貌調(diào)查、 淺層人工地震勘探、 鉆孔聯(lián)合剖面探測和探槽開挖等工作，查明了駙馬營地區(qū)安丘-莒縣斷裂的空間展布、 盆地沉積分布和最新活動特征，希望為后期的地震危險性評價等工作提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

坊子區(qū)駙馬營地區(qū)及其東側(cè)均為第四系臨沂組、 寒亭組覆蓋，但其南、 北兩端及西側(cè)均有白堊系基巖出露。根據(jù)前人成果和地質(zhì)地貌調(diào)查，發(fā)現(xiàn)安丘-莒縣斷裂在駙馬營附近由西支F5-1和東支F5-22條主要的分支斷裂組成。斷裂西支F5-1在眉村與南流之間大致構(gòu)成了西側(cè)丘陵與東側(cè)平原之間的界線； 斷裂東支F5-2主要出露在南端穆村附近太公堂山的東坡以及北端朱里附近丘陵的東坡(圖2)，而在朱里與穆村之間，即本文中的駙馬營地區(qū)，斷裂東支F5-2處于隱伏狀態(tài)。下面將分別介紹斷裂西支F5-1和東支F5-2的出露情況。

圖2 駙馬營地區(qū)的斷裂展布

斷裂西支F5-1出露，由北向南經(jīng)眉村鎮(zhèn)西、 院上、 西莊子西、 雙官埠村東等地，長約10km，總體走向N15°E，傾向E，剖面上表現(xiàn)為正斷性質(zhì)。西支斷裂構(gòu)成了西側(cè)丘陵與東側(cè)平原之間的界線，一般在剖面上斷裂西側(cè)為白堊紀砂礫巖或火山碎屑巖； 東側(cè)為第四系，主要成分為黃色粉質(zhì)黏土或粉砂、 粉土。

在眉村鎮(zhèn)西莊子村西的斷裂剖面中(圖3a)，斷裂錯斷了晚更新世黃色粉土層(王志才等，2005)。在上盤黃色粉土層中間偏下的位置取測年樣品，其光釋光測年結(jié)果為(103.2±12.7)kaBP。

圖3 安丘-莒縣斷裂露頭地質(zhì)剖面

在雙官埠村東南的斷裂剖面中(圖3b)，斷裂帶西側(cè)是白堊系青山組灰紫色火山碎屑巖，東側(cè)是第四系，表現(xiàn)為正斷性質(zhì)。剖面可見厚0.6m的灰黑色砂礫土覆蓋層，未發(fā)現(xiàn)斷錯跡象。上盤黃色粉土的光釋光測年結(jié)果為(72.7±6.3)kaBP，細粉砂的光釋光測年結(jié)果為(93.1±10.8)kaBP(王志才等，2005)，表明安丘-莒縣斷裂西支F5-1眉村—雙官段的最新活動時代為晚更新世中—晚期。

在駙馬營地區(qū)斷裂東支F5-2在朱里與穆村之間處于隱伏狀態(tài)，在朱里以北和穆村以南出露地表。該斷裂從朱里村向N經(jīng)朱里方家屯、 朱里鎮(zhèn)西、 后埠下村和前埠下村西、 前后巡棧村西、 上游村等地，整體走向N15°E，傾向以E為主，傾角為60°～80°，剖面上表現(xiàn)為正斷或逆沖活動特征。該斷裂在地貌上構(gòu)成西側(cè)丘陵與東側(cè)平原的分界，西側(cè)丘陵出露白堊系火山碎屑巖、 粉砂巖，東側(cè)為第四系細粉砂、 粉砂質(zhì)黏土(王志才等，2005)。例如，在朱里鎮(zhèn)國道G309北側(cè)，可見東支F5-2斷裂在NNE走向的山丘東坡出露，顯示為正斷性質(zhì)，斷裂面傾向W，傾角約為75°(圖3c)。

在穆村以南，斷裂東支F5-2沿NNE走向太公堂山的東側(cè)山坡發(fā)育，經(jīng)穆村鎮(zhèn)、 太公堂村西、 丁村西等地，斷裂走向約為N20°E，傾向W，構(gòu)成了白堊系與東側(cè)第四系的分界。在鎮(zhèn)南的一條沖溝中見安丘-莒縣斷裂出露(圖3d)，發(fā)育在王氏組的砂礫巖和泥巖之中，斷裂破碎帶寬30～50m，東側(cè)是暗紫色的砂礫巖，西側(cè)是紫紅色的泥頁巖和粉細砂巖； 剖面中斷層面總體W傾，傾角約為70°。在穆村西一沖溝的Ⅱ級階地剖面上，見含姜結(jié)石粉質(zhì)黏土層受斷層活動影響發(fā)生1.6m的垂直位移，該層的釋光測年結(jié)果為(41.3±3.4)kaBP，顯示斷裂的最新活動時代為晚更新世中期(3)中國地震局地質(zhì)研究所，2006，安丘-莒縣、 昌邑-大店斷裂活動性調(diào)查總結(jié)報告。。

2 斷裂特征

本文針對安丘-莒縣斷裂的駙馬營隱伏區(qū)開展了縱波反射法淺層人工地震勘探。利用WTC5140TZY型可控震源車和美國FAIRFIELD Zland地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用排列首激發(fā)、 偏移距為24m的觀測系統(tǒng)，道間距為2m、 炮間距為8m，接收道數(shù)為72道，覆蓋次數(shù)為9次。布設(shè)了L1、 L2和L33條測線，并根據(jù)淺震L3剖面布設(shè)了1排跨斷層聯(lián)合鉆孔剖面。此外，為探明鉆孔剖面揭露的淺地表上斷點埋深和淺層斷裂特征，又進行了槽探。

2.1 斷裂西支F5-1

圖4 安丘-莒縣斷裂眉村鎮(zhèn)北的淺層地震(L1)剖面

L2測線位于L1測線南約2km的莊家莊村東(圖2)，近EW向，長約750m。地震剖面顯示有多條強反射波組，分別標注為TQ、 T1、 T2、 T3和T4，其中TQ為第四系底界，基巖反射波組T1、 T2、 T3為白堊系內(nèi)部界面，T4為白堊系底界(圖5)。西支斷裂F5-1位于樁號368附近，其兩側(cè)同相軸差異明顯，顯示西側(cè)的第四系較薄，下部變形較強的地層可能是由白堊紀地層構(gòu)成的背斜構(gòu)造。東側(cè)4條反射波組表現(xiàn)穩(wěn)定，TQ向E水平連續(xù)，顯示斷裂東側(cè)的第四系覆蓋較厚，約為20m，其下為白堊紀地層。

圖5 安丘-莒縣斷裂的淺層地震(L2)剖面

2.2 斷裂東支F5-2

2.2.1 淺層人工地震勘探

本研究跨東支F5-2斷裂布設(shè)了L1、 L3淺層地震測線(圖2)。在測線L1剖面上，位于隱伏的基巖隆起部分大致對應于朱里附近的NNE向丘陵(圖2)，但東支斷裂F5-2在L1測線上呈W傾狀態(tài)，明顯錯斷了第四系，其西側(cè)的第四系厚度明顯大于東側(cè)(圖4)，與朱里附近第四系東厚西薄的情形相反。

圖6 安丘-莒縣斷裂駙馬營淺層地震(L3)剖面

2.2.2 駙馬營鉆孔剖面

針對在淺層地震L3剖面上發(fā)現(xiàn)的東支F5-2斷裂異常點，在駙馬營村東南的一條農(nóng)耕路上進行了聯(lián)合鉆孔剖面探測(鉆孔剖面編號FM)，共布設(shè)5個孔(Z1—Z5)，鉆孔間距為5.0～20.0m。使用XY-150型鉆機采用回旋鉆進泥漿護壁的方法施工，在鉆探深度20m內(nèi)，每回次進尺不大于1m； 從20m往下，每回次進尺不大于2m。進行詳細編錄的同時，在方格紙上以剖面圖的形式實時記錄各孔的巖性沉積旋回、 標志層等變化情況，分析地層展布與錯斷等信息，并采用折中逼近法確定下個孔的位置。

圖7 安丘-莒縣斷裂駙馬營鉆孔聯(lián)合探測剖面

表1 駙馬營鉆孔聯(lián)合剖面光釋光(OSL)樣品的測年結(jié)果

駙馬營FM鉆孔剖面顯示，斷裂從Z4與Z5鉆孔之間通過，全新統(tǒng)上部w1層分布連續(xù)、 穩(wěn)定，基本呈水平狀分布，未見錯動現(xiàn)象。w1以下各層均發(fā)生明顯錯斷，地層東升西降，并且向下落差逐漸增大： 全新統(tǒng)下部黑土湖組w2層底界有一定變化，落差約為0.95m； 上更新統(tǒng)w4、 w5、 w6層的落差分別約為3.1m、 5.05m、 10.1m。在w7層以下，東盤缺失中更新統(tǒng)(w8—w10)和下更新統(tǒng)(w11—w13)，上更新統(tǒng)與白堊系不整合接觸； 而西盤的中、 下更新統(tǒng)的總厚度>55m。根據(jù)上述的地層錯斷及附近的地質(zhì)地貌現(xiàn)象分析認為，安丘-莒縣斷裂的東支F5-2為走滑兼正斷性質(zhì)，最新活動時代為全新世，其在駙馬營隱伏區(qū)的上斷點位于全新統(tǒng)下部，在FM剖面上的埋深為4.2～6.9m。

2.2.3 探槽剖面

為了解上部臨沂組地層受到斷裂活動影響的情況，跨Z4、 Z5鉆孔開挖階梯狀探槽，探槽走向EW，長約21m，開口寬約5m，最深處約5m。詳細地層描述如下：

如圖8a 所示，U1為表層耕作土； U2為土黃色粉土層； U3為淺黃色粉土層，厚約5cm； U4為褐黃色粉質(zhì)黏土，局部內(nèi)含粉土夾層，厚2～3cm； U5為淺黃色粉土，厚10～15cm； U6為褐黃色粉質(zhì)黏土，上部含條帶狀粉土夾層； U7為褐色粉質(zhì)黏土，內(nèi)部含粉土夾層； U8為黑色淤泥層，內(nèi)部可見植物腐爛根系及貝殼； U9為黃色粉土—粉細砂層； U10為黑灰色黏土層，硬度較U8黑色淤泥層更大，為隔水層，挖穿該層后地下水外滲(圖8b)。

探槽兩壁的地層基本一致(圖8a，e)，揭露地層較為簡單，各地層呈水平接觸。但在探槽底部可見條帶狀砂脈進入U8淤泥層，黏土以團塊狀或柱狀混入底部U9粉砂層(圖8c，d)，呈混雜堆積狀。層U8黑色淤泥層總體表現(xiàn)為東側(cè)薄、 西側(cè)厚，兩側(cè)底界落差約為0.35m(圖8a)，該現(xiàn)象在探槽南壁更突出，落差達0.6m(圖8f)。結(jié)合鉆孔探測結(jié)果推測，探槽底部層U8黑色淤泥底界的落差很可能與地震事件有關(guān)，并且可能主要與該層淤泥沉積不久前的地震造成的地形差異有關(guān)。

圖8 安丘-莒縣斷裂駙馬營探槽剖面

3 討論

3.1 第四紀斷裂活動與盆地沉積

本次獲得的地質(zhì)地貌調(diào)查、 淺震勘探和鉆探研究成果表明，安丘-莒縣斷裂的西支F5-1和東支F5-2均錯斷了第四系，2條分支斷裂在駙馬營覆蓋區(qū)構(gòu)成了不對稱地塹式的盆地構(gòu)造。根據(jù)鉆探和淺震資料繪制的第四系等厚線顯示(圖2)，東支斷裂F5-2東側(cè)的第四系厚度一般為10～40m，近斷裂處約達60m，但在斷裂西側(cè)第四系厚度可達160m以上，第四系等厚線沿東支斷裂F5-2呈NNE向的緊密線形分布，顯示東支F5-2斷裂對于第四紀早—中期地層的分布具有強烈的控制作用。位于斷裂西側(cè)的鉆孔Z1和Z4巖心中見下更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)，主要為粉質(zhì)黏土、 粉砂、 中細砂，而斷裂東側(cè)的鉆孔中缺失下更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)，僅發(fā)育上更新統(tǒng)，表明駙馬營盆地在第四紀早期和中期一直接受沉積，具有斷陷盆地的特點； 在晚更新世以后，斷裂東側(cè)開始與西側(cè)一起接受沉積，兩側(cè)的差距變小。因此，在第四紀早—中期安丘-莒縣斷裂東支F5-2的活動明顯強于斷裂西支F5-1，在駙馬營覆蓋區(qū)的第四紀盆地發(fā)育過程中占主導地位，控制了第四系分布。

在山東南部的莒縣—郯城之間，東地塹內(nèi)的F5斷裂(安丘-莒縣斷裂)在第四紀以來發(fā)生了明顯的右旋走滑和相關(guān)的斷陷盆地活動(高維明等，1988； 鄭朗蓀等，1988； 晁洪太等，1994a； 李家靈等，1994)。郯廬斷裂帶在江蘇新沂、 宿遷等地也表現(xiàn)出類似的右旋走滑活動特征，其中最新活動的F5斷裂往往由2、 3支高傾角且以右旋走滑活動為主兼有傾滑分量的斷層組成，形成了明顯的斷陷盆地，第四系厚度約達300m(許漢剛等，2016； 曹筠等，2018； 秦晶晶等，2020)。因此，以上事實表明，郯廬斷裂帶的整個南段在第四紀以來的構(gòu)造活動是普遍的，主要表現(xiàn)為沿F5斷裂的右旋走滑活動。

3.2 斷裂的最新活動特征與公元前安丘7級地震

在駙馬營地區(qū)安丘-莒縣斷裂西支F5-1斷裂在地形地貌上更明顯，大致構(gòu)成了西側(cè)丘陵與東側(cè)平原之間的界線(圖2)，在目前所見到的剖面上均為通天斷層，明顯錯斷晚更新世地層(圖3)。因此，可以確定其在晚更新世是活動的，至于在全新世是否還有活動則需要更確切的證據(jù)。東支F5-2斷裂在鉆探剖面中表現(xiàn)出上斷點位于全新統(tǒng)下部(圖7)，因此可以確認其最新活動時代為全新世早期。根據(jù)表1 和圖7 中所示的地層時代和斷距可大致估算出其在晚更新世以來的垂向位移速率約為0.1mm/a，如果假設(shè)水平位移與豎向位移的比例為2︰1～3︰1，則水平位移速率為0.2～0.3mm/a，顯然這一數(shù)值遠小于利用沖溝位錯方法得到的莒縣以南段0.7～3mm/a的水平位移速率(Jiangetal.，2017； 李康等，2019)。

根據(jù)歷史地震資料推測的公元前70年安丘7級地震的震中就位于郯廬斷裂帶內(nèi)(李善邦，1981； 朱書俊等，1991)，其發(fā)震斷層有可能就是莒縣以北的安丘-莒縣斷裂(王志才等，2015)。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的同震地表破裂帶等證據(jù)。本文在駙馬營地區(qū)發(fā)現(xiàn)安丘-莒縣斷裂錯斷了全新統(tǒng)下部地層，中上部層位(距今2100a以來)沒有明顯的錯斷跡象，說明這次地震沿安丘-莒縣斷裂沒有產(chǎn)生同震地表破裂帶或未延伸至駙馬營地區(qū)。

4 結(jié)論

安丘-莒縣斷裂是郯廬斷裂帶東地塹內(nèi)的一條NNE向活動斷裂，曾發(fā)生1668年郯城8級地震和公元前70年安丘7級地震，第四紀以來該斷裂發(fā)生了明顯的右旋走滑。

在駙馬營地區(qū)，安丘-莒縣斷裂由西支F5-1和東支F5-2斷裂組成，其構(gòu)成了不對稱地塹式盆地的東、 西邊界斷裂，在第四紀早—中期東支F5-2斷裂的活動明顯強于西支F5-1斷裂，主導并控制了第四系沉積分布。根據(jù)地質(zhì)地貌調(diào)查、 淺層工人地震勘探、 鉆探和探槽研究得到的確切的錯斷地層證據(jù)，在駙馬營地區(qū)的安丘-莒縣斷裂東支F5-2的最新活動時代為全新世早期，西支F5-1的最新活動時代為晚更新世； 安丘-莒縣斷裂沒有錯斷全新統(tǒng)中上部層位，說明全新世中晚期以來該斷裂在這一地區(qū)沒有發(fā)生錯斷地表的活動。因此，對于公元前70年安丘地震的發(fā)震構(gòu)造等問題還需要進行更進一步的研究。

致謝文中的14C 樣品測試在BETA實驗室完成，光釋光樣品測試在山東省地震局年代學實驗室完成； 論文使用了作者參加的安丘-莒縣活動斷層(濰坊段)綜合探測與地震災害風險評估工作所獲得的成果，相關(guān)工作得到了山東省地震工程研究院李韜主任、 吳子泉院長、 倪永進博士、 徐太保、 徐文星等同事的幫助； 審稿專家提出了寶貴而中肯的修改意見。在此一并表示感謝！