張 鵬 許 奎 范小平 張媛媛 汪 勇 郝景潤
(南京工業(yè)大學(xué),交通運(yùn)輸工程學(xué)院,南京 210009)
鎮(zhèn)江市及周邊地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過多次破壞性地震,這些地震多發(fā)生在NW向斷裂與近EW向幕府山-焦山斷裂的交會部位(圖1)。過去針對鎮(zhèn)江地區(qū)NW向斷裂的活動性研究非常有限:苗巧銀等(2016)通過地震剖面、野外考察等工作推測五峰山-西來橋斷裂第四紀(jì)以來有過活動,而對丹徒-建山斷裂的第四紀(jì)活動性尚無針對性研究。淺層地震勘探方法具有分辨率高和探測結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn),近年來在江蘇地區(qū)的城市活動斷層探測中取得了良好效果(張鵬等,2015,2019;許漢剛等,2016;顧勤平等,2019)。在超淺層探測條件下,將橫波反射勘探方法與小間距鉆探聯(lián)合剖面工作相結(jié)合進(jìn)行斷層活動性評價的效果最佳(鄧起東等,2007;張鵬等,2015)。本研究依托 “鎮(zhèn)江市活動斷層探測與地震危險性評價”項目,針對本區(qū)覆蓋層的特點(diǎn),利用淺層地震橫波反射勘探方法查明了鎮(zhèn)江地區(qū)2條NW向斷裂的空間展布情況,并進(jìn)行了斷層的精確定位,進(jìn)而利用對折法(雷啟云等,2011)進(jìn)行小間距跨斷層鉆孔聯(lián)合剖面探測,結(jié)合多種測年方法查明了2條斷裂的第四紀(jì)活動性。本研究的成果對于城市防震減災(zāi)、城市規(guī)劃及土地利用都具有重要意義。
圖1 鎮(zhèn)江地區(qū)地震地質(zhì)背景簡圖Fig.1 Schematic map of geological background of Zhenjiang area.1 施官集斷裂;2 滁河斷裂;3 江浦-六合斷裂;4 方山-小丹陽斷裂;5 南京-湖熟斷裂;6 幕府山-焦山斷裂;7 茅山斷裂帶;8 鳳凰河斷裂;9 丹徒-建山斷裂;10 五峰山-西來橋斷裂;11 蘇錫常斷裂;12 泰州斷裂
鎮(zhèn)江市及其鄰區(qū)在大地構(gòu)造單元上位于下?lián)P子地塊內(nèi)。本區(qū)自印支運(yùn)動以來構(gòu)造運(yùn)動頻繁,褶皺和斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。區(qū)域內(nèi)主要斷裂按走向可分為NW向、NE向和近EW向3組。據(jù)現(xiàn)有資料分析,鎮(zhèn)江地區(qū)第四紀(jì)可能有活動跡象的主要斷裂有4條(圖2),它們在地質(zhì)地貌上或地球物理探測資料上均有明顯的顯示,分別為NW向的五峰山-西來橋斷裂(F1)和丹徒-建山斷裂(F2)、近EW向的幕府山-焦山斷裂(F3)和NE向的汝山-上會斷裂(F4)。
圖2 鎮(zhèn)江地區(qū)主要的NW向斷裂和淺層地震測線位置示意圖Fig.2 Schematic map of NW trending faults and the shallow seismic line sites in Zhenjiang area.F1五峰山-西來橋斷裂;F2丹徒-建山斷裂;F3幕府山-焦山斷裂;F4汝山-上會斷裂
五峰山-西來橋斷裂又稱大路-姚橋斷裂,展布于鎮(zhèn)江東部大路鎮(zhèn)、姚橋鎮(zhèn)一帶(圖2),走向NW,傾向NE,具正斷性質(zhì),長約34km。該斷裂西側(cè)出露早白堊世火山巖,東側(cè)則分布晚白堊世碎屑巖及第四系。該斷裂也是本區(qū)重要的地貌分區(qū)界線:其西側(cè)為寧鎮(zhèn)低山丘陵區(qū),東側(cè)為長三角平原區(qū)。五峰山-西來橋斷裂在布格重力異常圖上的痕跡清晰。由重力一階細(xì)節(jié)圖(圖3a)可知,斷裂帶從重力等值線梯度變化處通過,局部地區(qū)出現(xiàn)了重力高異常圈閉。綜合分析重力資料可知,該斷裂在深度方向上延伸至中下地殼,在上地殼范圍內(nèi)影響其兩側(cè)的地質(zhì)體,使其出現(xiàn)密度差異。在航磁一階細(xì)節(jié)圖中(圖3b),五峰山-西來橋斷裂的北端沿航磁高異常圈閉邊緣分布,中間穿過航磁低異常圈閉軸部,末端沿航磁異常圈閉過渡帶分布。
圖3 鎮(zhèn)江地區(qū)2條NW向斷裂的重力一階細(xì)節(jié)圖(a)和航磁一階細(xì)節(jié)圖(b)Fig.3 The first order-wavelet transform detail map of the Bouguer gravity anomalies(a)and aeromagnetic anomalies(b)of NW-trending faults in Zhenjiang area.
丹徒-建山斷裂又稱鎮(zhèn)江-黃墟斷裂,該斷裂自鎮(zhèn)江焦山東側(cè)經(jīng)黃墟、建山延伸至訪仙鎮(zhèn)附近(圖2),長約30km,是埤城-孟河復(fù)式背斜西南翼的邊界斷裂(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1984)。該斷裂的NE側(cè)廣泛分布前震旦系淺變質(zhì)巖系及震旦系,SW側(cè)則分布白堊系火山碎屑巖及第四系。該斷裂也是一條明顯的地貌分界線,斷裂NE側(cè)為一系列低山,如馬跡山、水晶山、頂山和黃山等,SW側(cè)則為低崗平原區(qū)。由重力一階細(xì)節(jié)圖可知(圖3a),斷裂帶在丹陽段從重力等值線梯度變化處通過;在丹陽市的局部地區(qū)出現(xiàn)了重力高異常圈閉。綜合分析重力資料可知,該斷裂在深度方向上延伸至中下地殼,在上地殼范圍內(nèi)影響其兩側(cè)的地質(zhì)體,使其出現(xiàn)密度差異。從航磁一階細(xì)節(jié)圖中(圖3b)可知,該斷裂北端沿條狀航磁高異常邊緣分布,斷裂南端沿等值線同向扭曲展布。丹徒-建山斷裂對現(xiàn)代地形地貌、第四紀(jì)沉積具有一定的控制作用,表現(xiàn)出一定的新活動性。
本區(qū)地層震旦系—第四系均有出露,發(fā)育良好,研究程度高。區(qū)內(nèi)古生代地層為一系列海陸交替的碳酸鹽-碎屑巖沉積,在寧鎮(zhèn)山脈有大片出露;侏羅紀(jì)后以陸相沉積為主。晚白堊世和新生代地層發(fā)育于構(gòu)造凹陷及盆地中。鎮(zhèn)江地區(qū)的第四系可分為2大沉積區(qū):寧鎮(zhèn)山脈北側(cè)及東側(cè)為長江三角洲平原沉積區(qū),寧鎮(zhèn)山脈周緣及南側(cè)為低山丘陵沉積區(qū)。長江三角洲平原沉積區(qū)的第四系包括以灰綠、灰黃色河床相粗砂礫石沉積為主的下更新統(tǒng),以長江河道沉積為主的中更新統(tǒng),以河床相、漫灘相及河口相堆積為主的上更新統(tǒng)和以三角洲相沉積為主的全新統(tǒng)。寧鎮(zhèn)低山丘陵沉積區(qū)的第四系主要分布于崗丘、山麓地帶,成因類型較多,厚度不大,一般為幾m至數(shù)十m。地層主要由中更新統(tǒng)柏山組和中—上更新統(tǒng)下蜀組黃土組成(邵家驥,1999)。
本研究針對鎮(zhèn)江地區(qū)覆蓋層較薄的特點(diǎn),在充分搜集前人資料的基礎(chǔ)上開展了淺層地震勘探(橫波反射方法),針對五峰山-西來橋斷裂共布設(shè)了6條測線,針對丹徒-建山斷裂共布設(shè)了6條測線,測線位置見圖1。
通過淺層地震勘探獲得的五峰山-西來橋斷裂的典型斷點(diǎn)簡要介紹如下:
fwx1斷點(diǎn):位于Wx1測線上,由斷點(diǎn)局部疊加剖面(圖4a)可以看出,基巖反射波組(T3)在斷點(diǎn)處明顯不連續(xù),判斷為fwx1斷點(diǎn)。斷層表現(xiàn)為正斷性質(zhì),傾向NE,視傾角約為60°,斷距約為 9m。
fwx2斷點(diǎn):位于Wx2測線上,由斷點(diǎn)局部疊加剖面(圖4b)可以看出,基巖反射波組(T3)在斷點(diǎn)處明顯不連續(xù),判斷為fwx2斷點(diǎn)。斷層表現(xiàn)為正斷性質(zhì),傾向NE,視傾角約為60°,視斷距為約5m。
fwx3斷點(diǎn):位于Wx3測線上,由斷點(diǎn)局部疊加剖面(圖4c)可以看出,基巖反射波組(T3)在斷點(diǎn)處明顯不連續(xù),判斷為fwx3斷點(diǎn)。斷層表現(xiàn)為正斷性質(zhì),傾向NE,視傾角約為60°,視斷距約為8m。
淺層地震(反射)測線上的斷點(diǎn)特征見表1。淺層地震勘探成果表明:五峰山-西來橋斷裂的走向為NNW,傾向NE,傾角約為60°,斷距為5~9m,以正斷活動為主。在地震剖面上,五峰山-西來橋斷裂的各個斷點(diǎn)都以斷錯基巖面為特征,第四系內(nèi)部層位斷錯不明顯。
表1 五峰山-西來橋斷裂淺層地震勘探工作斷點(diǎn)的特征簡表Table1 Characteristics of breakpoints in shallow seismic exploration of Wufengshan-Xilaiqiao Fault
通過淺層地震勘探獲得的丹徒-建山斷裂的典型斷點(diǎn)簡要介紹如下:
fdj1斷點(diǎn):位于Dj1測線上,由斷點(diǎn)局部疊加剖面(圖5a)可以看出,基巖反射波組(T3)在斷點(diǎn)處明顯不連續(xù),判斷為fdj1斷點(diǎn)。斷層表現(xiàn)為正斷性質(zhì),傾向SW,視傾角約為55°,斷距約為7m。
圖5 丹徒-建山斷裂淺層地震剖面Fig.5 The shallow seismic sounding profile of Dantu-Jianshan Fault.a fdj1 斷點(diǎn)局部疊加剖面及地質(zhì)解釋圖;b fxkdj1 斷點(diǎn)局部疊加剖面及地質(zhì)解釋圖;c fxkdj3 斷點(diǎn)局部疊加剖面及地質(zhì)解釋圖
fxkdj1斷點(diǎn):位于Xkdj1測線上,由斷點(diǎn)局部疊加剖面(圖5b)可以看出,基巖反射波組(T3)在斷點(diǎn)處明顯不連續(xù),判斷為fxkdj1斷點(diǎn)。斷層表現(xiàn)為正斷性質(zhì),傾向SW,視傾角約為55°,斷距約為5m。
fxkdj3斷點(diǎn):位于Xkdj3測線上,由斷點(diǎn)局部疊加剖面(圖5c)可以看出,基巖反射波組(T3)在斷點(diǎn)處明顯不連續(xù),判斷為fxkdj3斷點(diǎn)。斷層表現(xiàn)為正斷性質(zhì),傾向SW,視傾角約為55°,斷距約為5m。
淺層地震(反射)測線上的斷點(diǎn)特征見表2。淺層地震勘探成果表明:丹徒-建山斷裂走向NW,傾向SW,傾角約為50°~55°,斷距為2~7m,以正斷活動為主。在地震剖面上,丹徒-建山斷裂的各個斷點(diǎn)均以斷錯基巖面為特征,第四系內(nèi)部層位斷錯不明顯。
表2 丹徒-建山斷裂淺層地震勘探工作的斷點(diǎn)特征簡表Table2 Characteristics of breakpoints in shallow seismic exploration of Dantu-Jianshan Fault
為查明鎮(zhèn)江地區(qū)2條NW向斷裂的第四紀(jì)活動性,在淺層地震勘探的基礎(chǔ)上,選擇斷點(diǎn)特征最明顯的場點(diǎn),分別在大路鎮(zhèn)和訪仙鎮(zhèn)各布設(shè)了1條鉆孔聯(lián)合剖面。
圖6 大路鎮(zhèn)場地鉆孔聯(lián)合剖面Fig.6 The drilling joint profiling in the Dalu site of Zhenjiang.
(1)如東組(Qhr)
全新統(tǒng)如東組的沉積厚度較大,底界埋深約為66~68m,可劃分為如東組上段、如東組中段和如東組下段。如東組上段(Qhr3)由填土、灰黃色粉砂質(zhì)黏土、青灰色—灰黑色泥質(zhì)粉砂、粉砂和粉細(xì)砂組成,底界埋深約為22m。如東組中段(Qhr2)由灰黑色粉砂、青灰色泥質(zhì)粉砂組成,底界埋深約為39~42m。如東組下段(Qhr1)由灰黑色粉砂、青灰色細(xì)砂、中細(xì)砂和中粗砂組成,底界埋深64~68m。
DL1孔埋深36.6m處的14C樣品年齡為(2i770±30)a。DL5孔埋深62m處的14C樣品年齡為(9i830±30)a。這2個年齡數(shù)據(jù)很好地限定了本處全新統(tǒng)的發(fā)育情況。此外,在埋深2.6~61.7m處獲得的多個光釋光(OSL)樣品的年齡為(0.5±0.4)~(34.39±1.17)ka,這些測年數(shù)據(jù)的可靠性較14C數(shù)據(jù)稍差。前人的鉆孔資料將該地區(qū)的全新統(tǒng)厚度均劃分為20~30m,而在本場地獲得全新統(tǒng)的厚度為64~68m,表明受長江侵蝕作用影響,本處第四系主體為巨厚的全新統(tǒng)沉積。
上更新統(tǒng)滆湖組由灰黑色粉砂、細(xì)砂、中粗砂組成,底界埋深約為80m,為河床相、邊灘相沉積。DL1孔埋深67.6m處的OSL樣品年齡為(209.96±5.91)ka,該結(jié)果可信度差,不予采信;DL1孔埋深78.9m處的OSL樣品年齡為(36.03±1.36)ka,與地層劃分一致。
中更新統(tǒng)啟東組由含大量礫石粗砂層組成,底界埋深約為86~92m,為河床相沉積。啟東組底界的深度變化較大,其最大落差在DL3孔和DL6孔之間,落差為2m;其頂界則在各個鉆孔中均深約81m,未被斷層影響。本場地中更新統(tǒng)頂部未被斷層斷錯,但斷點(diǎn)兩側(cè)2個鉆孔的啟東組底界埋深位差為2m,判斷為蘇錫常斷裂中更新世早期的最新活動所致。
(5)上白堊統(tǒng)浦口組(K2p)
上白堊統(tǒng)浦口組由棕褐色泥巖組成,與上覆海門組為不整合接觸。兩側(cè)DL1孔和DL2孔的間距為90m,基巖面落差為9.1m,驗證了存在斷層;DL4孔與DL5孔的間距為10m,基巖面位錯量達(dá)3.2m,垂直斷錯明顯。判斷斷層從DL4孔附近通過。在DL4孔泥巖巖心中(深99.7m)見到斷層滑動面,擦痕發(fā)育,側(cè)伏角為60°(圖6),據(jù)此判斷斷層性質(zhì)為左旋正斷,正斷分量大于走滑分量。
該場地中更新統(tǒng)之上的地層沒有被斷錯的跡象,中更新統(tǒng)底界已被斷層斷錯,位錯量為2m。下更新統(tǒng)底界在斷層兩側(cè)的位錯量為3.2m,基巖面最大落差達(dá)9.1m。巖心中發(fā)育的斷層面特征表明斷層最新的活動性質(zhì)為E傾正斷,同時兼具左旋走滑特征。根據(jù)地層斷錯特征,判斷本場地五峰山-西來橋斷裂的最新活動時代為中更新世早期。
圖7 訪仙鎮(zhèn)場地鉆孔聯(lián)合剖面Fig.7 The drilling joint profiling in the Fangxian site of Zhenjiang.
(1)全新統(tǒng)(Qh)
頂部為素填土,上部為黃褐色粉砂質(zhì)黏土,下部為深灰色泥質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土及灰黑色粉砂質(zhì)黏土。該層起伏較大,底界埋深為6.7~27.6m。FX6孔中深17.9m處的14C樣品年齡為(7i490±30)a,與地層劃分一致。
頂部為灰藍(lán)色黏土標(biāo)志層,上部為灰黃色粉砂質(zhì)黏土、灰黃色黏土,中部為灰黃色泥質(zhì)粉砂,下部為褐黃色粉砂質(zhì)黏土、灰黃色泥質(zhì)粉砂、灰黃色粉砂質(zhì)黏土。該層底界起伏也較大,底界埋深為32~41.9m。FX3孔中深13.9m處的OSL樣品年齡為(9.0±0.6)ka,深20.2m處的OSL樣品年齡為(310±48)ka,深28.5m處的OSL樣品年齡為(47.2±5.9)ka,深33.5m處的OSL樣品年齡為(63.6±4.3)ka,與地層劃分一致。
中更新統(tǒng)下蜀組下部主要由灰黃色黏土、粉砂質(zhì)黏土組成。底界埋深為47~50m,該層自南向北增厚,底界較平,頂界變化較大(本場地在晚更新世為古河塘沉積環(huán)境,導(dǎo)致下蜀組下部在西部2個鉆孔處被侵蝕減薄)。FX3孔中深37.9m處的ESR樣品年齡為(249±24)ka,深44.4m處的ESR樣品年齡為(310±48)ka,與地層劃分一致。判斷本場地內(nèi)中更新統(tǒng)下蜀組下部未被斷層斷錯。
中更新統(tǒng)柏山組整體為黃褐色含角礫粉砂質(zhì)黏土,底界埋深為54~60.7m,西厚東薄。FX3孔中深56.8m處的ESR樣品年齡為(486±48)ka,與地層劃分一致。該層底界的最大位錯在FX4孔和FX6孔之間,位錯量為2m,判斷本場地柏山組底部可能被斷層斷錯。
(5)上白堊統(tǒng)浦口組(K2p)
上白堊統(tǒng)浦口組主要由紅色泥巖組成,與上覆柏山組為不整合接觸。FX5孔和FX1孔之間基巖的最大落差為6.7m,驗證了斷層的存在;FX4孔與FX6孔的間距為6m,基巖面落差達(dá)2m,垂直落差明顯,判斷斷層從FX6孔附近通過。
本場地中更新統(tǒng)之上的地層沒有被斷錯的跡象,中更新統(tǒng)底部可能被斷層影響:柏山組在斷層兩側(cè)的底界落差為2m,基巖面最大落差為6.7m。綜合淺層地震解譯判斷本處的斷層為S傾的正斷層。由于本處柏山組被斷錯的證據(jù)并不充分,判斷本場地丹徒-建山斷裂的最新活動時代為早更新世—中更新世早期。
鎮(zhèn)江地區(qū)所在的下?lián)P子地塊自印支運(yùn)動以來,斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。其中NW向斷裂對近代地震活動,水系、地貌以及近期的垂直形變等均具有顯著的控制作用(方大衛(wèi)等,1992)。長三角地區(qū)NW向蘇錫常斷裂的最新活動時代為中更新世早期,第四紀(jì)內(nèi)部層位斷錯量約為3m(張鵬等,2019)。五峰山-西來橋斷裂和丹徒-建山斷裂在空間上可以看作是蘇錫常斷裂向NW的延伸段落(圖1),其活動性也較為一致。
大路鎮(zhèn)場地上,中更新統(tǒng)之上的地層沒有被斷錯的跡象,中更新統(tǒng)底界已被斷層斷錯,位錯量為2m。下更新統(tǒng)底界在斷層兩側(cè)的位錯量為3.2m,基巖面最大落差達(dá)9.1m。巖心中發(fā)育的斷層面特征表明斷層的最新活動性質(zhì)為正斷,兼具左旋走滑特征。根據(jù)地層斷錯特征,判斷五峰山-西來橋斷裂的最新活動時代為中更新世早期。
訪仙鎮(zhèn)場地上,中更新統(tǒng)之上的地層沒有被斷錯的跡象,中更新統(tǒng)底部可能被斷層影響:柏山組底界在斷層兩側(cè)的落差為2m,基巖面的最大落差為6.7m。由于本處柏山組被斷錯的證據(jù)并不充分,判斷丹徒-建山斷裂的最新活動時代為早更新世—中更新世早期。
本研究表明,鎮(zhèn)江地區(qū)2條NW向斷裂在第四紀(jì)以來都有過明顯活動,是本區(qū)地震危險性相對較大的主要斷裂。蘇錫常斷裂附近曾經(jīng)發(fā)生過999年常州5級地震和1501年蘇州4級地震;在丹徒-建山斷裂與近EW向的幕府山-焦山斷裂交會的位置附近也曾發(fā)生過多次破壞性地震,震級最大的為1624年揚(yáng)州6級地震,表明該NW向斷裂與破壞性地震的相關(guān)性較強(qiáng)(王浩男等,2016;吳中海等,2016)。因此,這2條斷裂與近EW、NW向斷裂交會部位是鎮(zhèn)江地區(qū)進(jìn)行震害防御工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。
在鎮(zhèn)江地區(qū)開展斷層的第四紀(jì)活動性鑒定工作存在較大困難,主要原因包括:基巖埋深較淺,覆蓋層內(nèi)部分層差異小,導(dǎo)致地球物理勘探方法的效果不理想;缺失低山丘陵沉積區(qū)下更新統(tǒng),且下蜀組黃土內(nèi)部中、上更新統(tǒng)的界限難以分辨;長三角平原沉積區(qū)則受長江侵蝕作用影響,第四系以全新統(tǒng)為主,中、下更新統(tǒng)缺失或較薄。此外,鉆探查明的地層落差主要發(fā)育在基巖及第四系底部,很難判斷是沉積差異還是斷層斷錯所致。因此,雖然本文通過一系列工作初步查明了2條斷層的第四紀(jì)活動性,但對斷層最新斷錯層位的認(rèn)定仍存在不確定性,難以更精細(xì)地定量確定斷層最新活動時代,這是本次研究的不足之處。
(1)淺層地震勘探成果表明:五峰山-西來橋斷裂傾向NE,傾角約為60°,斷距約為5~9m,以正斷層活動為主。丹徒-建山斷裂傾向SW,傾角約為50°~55°,斷距約為2~7m,以正斷層活動為主。在地震剖面上,五峰山-西來橋斷裂和丹徒-建山斷裂的各個斷點(diǎn)均以斷錯基巖面為特征,第四系內(nèi)部層位斷錯不明顯。
(2)大路鎮(zhèn)場地上,中更新統(tǒng)之上的地層沒有被斷錯的跡象,中更新統(tǒng)底界已被斷層斷錯,位錯量為2m。判斷五峰山-西來橋斷裂的最新活動時代為中更新世早期。訪仙鎮(zhèn)場地上,中更新統(tǒng)之上的地層沒有被斷錯的跡象,中更新統(tǒng)底部可能被斷層影響。判斷丹徒-建山斷裂的最新活動時代為早更新世—中更新世早期。
致謝本工作得到了中國地震局地質(zhì)研究所冉勇康研究員和中國地震局地球物理探測中心方盛明研究員的悉心指導(dǎo)、江蘇省地震局和鎮(zhèn)江市地震局相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的大力幫助及江蘇省巖土工程勘察院的協(xié)助;14C樣品年齡由美國Beta實(shí)驗室測定,OSL樣品年齡由山東省地震局光釋光實(shí)驗室測定,ESR樣品年齡由北京光釋光實(shí)驗室有限公司測定。在此一并表示感謝!