郯庐断裂转换段新沂地裂缝成生机理及构造意义

Formation mechanism and tectonic implication of Xinyi earth fissures in Tan-Lu fault transition section

摘要

新沂地区处于郯庐断裂带转换段的关键部位,自20世纪70年代以来在新沂地区共发现地裂缝灾害点28处。这些地裂缝以群发的形式发育在南马陵山以西、沂河—骆马湖以东的区域内,地裂灾害影响区面积达100 km²。新沂地裂缝与地层结构、地震活动、地下水开采等因素有着千丝万缕的联系,对其研究形成了多种观点。利用实地调查与勘探手段,新近查明了新沂地裂缝的基本特征,它们具有走向一致性、纵向尖灭性、局部群发性等特点,且与邻近断裂(郯庐断裂带次级断裂F3)具有高度一致性,属于区域构造控制型地裂缝。以新沂地区地质构造为原型,构建了逆断层作用下地裂缝成生物理试验模型。试验结果表明,随着逆断层断距加大而依次呈剪裂段、离层段、弯裂段等发展过程。结合新沂地区“地堑-地垒-地堑”组合结构,新沂地裂缝的成因机制可概括为“跷跷板”构造模型,在构造应力、自重应力、地下水波动等作用下,下沉段受挤压,上升段因抬升而弯裂,从而形成地裂缝。研究新沂地区地裂缝,对揭示郯庐断裂带“北-中-南”段构造变化和“深-浅-表”部结构联系具有重要的指示意义。

关键词

地裂缝 / 郯庐断裂带 / 地震 / 逆断层 / 构造应力 / 华北板块

Key words

earth fissure / Tan-Lu Fault Zone / earthquake / reverse fault / tectonic stress / North China Plate

0 引言

在全球范围内,地裂缝大致分布在南北纬50°之间的盆地和平原地区。其中,以美国西南盆地、墨西哥谷地、沙特干谷、印度平原、埃塞俄比亚地区,以及中国各大平原、盆地的地裂灾害最为典型^[1-2]。这些地裂缝在成因大类上可以划分为构造型和非构造型^[3]。

以美国亚利桑那州的皮卡乔地裂缝为例,它是典型的构造型地裂缝,也是最早被研究的地裂缝。Leonard^[4]发现该地裂缝具有小幅垂向错动的特征,而率先从地震动的角度解释其成因。此后许多学者对该地的地裂缝展开进一步监测和探查。一部分学者观察到表层土具有水平拉张特征,且与当地地下水位下降(超过50 m)而产生的地面沉降(亚利桑那州地面沉降最大速率达12 cm/a)具有很好的一致性,将其归因为地下水过度抽采^[5⇓⇓-8]。另一些学者利用地震勘探和数值模拟的手段,揭示了地裂缝的下方存在着特定的隐伏构造(潜山构造或隐伏断裂构造)^[9-10],从而证实皮卡乔地裂缝属于构造型。这些研究表明,对于构造型地裂缝而言,深部构造及其运动形式决定了覆盖层的破裂特征。

新沂地裂缝发育于华北平原东部,其成因研究颇有争议。最早对该地区地裂缝的调查,缘起1976年唐山地震之后,在华北平原乃至周边区域许多地方出现了地裂现象^{[11⇓⇓-14]}。20世纪80年代以来,在江苏新沂市郊、棋盘、城岗等地,发生了严重的地裂缝灾害。尤其是1982年,地裂缝活动造成新沂市棋盘镇50%以上的房屋开裂^[15]。由于地裂缝发育于郯庐断裂带影响区域内,且具有方向性、成带性、张扭性(X型剪裂缝)等特征,与郯庐断裂带具有相近的特征,因而被一些学者称之为构造型地裂缝,甚至被当作地震前兆^[16]。另一些学者发现地裂缝主要发生在上更新统膨胀土层和含砂姜结石的黏土层中,并推测它们是由地下水位下降引发不均匀胀缩变形而造成的^[15]。结合这些研究资料和数据,可以看到影响新沂地裂缝的因素是复杂的,包括地形地貌、活动断裂、地震活动和水文地质等因素^[2]。利用物理模型试验的手段,能够重现地裂缝成生过程,从而进一步回答地裂缝与控制构造的特定关系及其构造学意义^[17⇓-19]。

1 新沂地质概况

在行政区划上新沂市隶属于江苏省徐州市,地理坐标为北纬33°58'~34°32',东经118°02'~118°56',总面积1 616 km²。在地貌上,该地位于华北平原东南一隅,属于平原—丘陵地貌。其北为鲁南丘陵余脉,其南为苏北平原。平原区覆盖着第四纪冲洪积层,在丘陵山区可见上白垩统王氏组及元古宇凤阳群等岩质地层出露(图1c)。区域平均海拔30 m左右,海拔最高点位于市北部的北马陵山(海拔95.8 m),最低点位于时集镇蒋沟村(海拔11.4 m)。区域整体地势从东到西高低分布,呈现“丘陵—岗地—缓岗地—倾斜平原”的规律。

在构造上,该地位于华北板块东界——郯庐断裂带的转换部位^[20](图1a^[21]),被称为徐淮次级地块(逆冲-推覆构造)^[22]。该地块在地史中经历了多次“挤压—拉张”周期性构造运动过程,尤其是新近纪以来,深部处于脆性右行剪切-挤压作用,造成浅部构造反转——由正断层转换成逆断层,从而奠定了该区域的基本地质格局^{[23⇓⇓-26]}。

郯庐断裂带是中国东部最大、最深、最古老的一条陆内平移构造带,它在中国境内长度可达2 400 km,宽约10~50 km^[27]。断裂带由2~5条主干大断裂及其所夹持的构造单元组成,总体展布方向为NE20°~25°。郯庐断裂具有显著的分段性,依其走向、内部组合结构特征和连续性可以划分为三段,分别为苏皖段、沂沭段(又称皖北—鲁南段)以及东北段(又称沈阳—渤海段或营潍段),其节点分别为渤海环形构造结、新沂环形构造结^{[28⇓⇓-31]}(图1a^[21])。其中,中段的活动强度最大,向南北两端减弱^[20]。大量历史地震记录和监测资料表明,中段现今地震活动主要沿郯城地震破裂带呈线性分布,如公元前70年安丘M_s 7.0级地震、1668年郯城M_s 8.5级地震,近100年来主要以小型、微型地震为主(一般小于M_s 5级)^[32-33]。据推算,自全新世以来,该段水平滑动平均速率为2.3 mm/a,垂直滑动速率为0.4~0.5 mm/a,右旋滑动速率为(0.7±0.6) mm/a^[34⇓-36]。

受区域构造活动影响,新沂所处的地块继承了郯庐断裂带中段的特征,即“两堑夹一垒”结构(图1b),其主干断层由F1、F2、F3、F4和发育在东地堑内的F5断层组成。这些断层的产状近直立,沿走向结构变化较大,例如,F5断层的倾向在南马陵山段为NWW向,而在北马陵山段为SEE向^[36]。此外,还表现出“正断—逆断”转换的现象。这是自白垩纪晚期以来,断裂带经历了多次复杂的差异升降和开合运动所致^[20,36]。相关物理监测数据和实地钻孔测试(水压致裂法)资料表明,研究区的现今构造应力场具有“深-浅-表”三重性质:深部受控于断块运动,最大主压应力方向为NNW-SSE向(约N30°W);浅部受控于地形因素,最大主压应力方向为NNE-SSW(约N25°E);而表层则表现为近NWW-SEE向的拉张应力场。

2 新沂地裂缝发育特征

自20世纪70年代以来,在新沂地区共发现地裂缝灾害点达28处(表1),按照长度等级(表2)^[3],大部分属于4级以下中小地裂缝,其中,长度大于1 000 m的地裂缝有2条,即棋盘地裂缝f15(长约2 000 m)、城岗地裂缝f22(长约1 100 m)(图1b)。地裂缝宽度从几毫米到几厘米不等,最大可达10 cm,显现深度大于2 m,在地裂缝的局部地段有微弱位错(西盘相对上升,东盘相对下降)、走滑现象(活动幅度均不大于1 cm)^[16]。这些地裂缝以群发的形式聚集在南马陵山以西、沂河—骆马湖以东的区域内,地裂灾害影响区面积约为100 km²(图1b、表1),可进一步划分为4个群发区,分别是新沂港地裂群(f_G-XY)、棋盘镇地裂群(f_G-QP)、墨河街地裂群(f_G-MH)、城岗村地裂缝(f_G-CG),其中,棋盘镇地裂群(f_G-QP)数量最多、灾害最剧。

2.1 平面特征

从平面上看,尽管这些地裂缝的发育位置不同,但走向基本为NNE向(优势走向为N20°E,图2),与其邻近断裂具有很好的一致性。对照历史气象资料(1972—1990),一些学者认为,在地裂缝发生时期大气降水量较低,处于干旱或较干旱时期^[15]。实际上,该地年降水量波动不大,气候因素可以影响更大尺度的区域,而在周边区域并没有出现地裂现象。大量试验资料表明,这种特征并不是干旱型地裂缝所具备的龟裂型、不规则型等破裂形态^[37]。另外,该地1976年在骆马湖、新沂河附近开挖排涝沟,一些学者推测由于地下水位下降造成地裂缝的产生。在华北平原其他地区(如河间地区)的研究表明,地下水抽采形成地表破裂需要以一定的地下水降落漏斗和地面沉降为前提,且该类地裂缝分布较分散,因此“气象-水文”假说并不能解释新沂地裂缝的集群性^[38-39]。

2.2 剖面特征

从剖面上看,以f15(棋盘地裂缝)、f22(城岗地裂缝)这两条典型地裂缝为例,新沂地裂缝主要发育在第四系地层中,自地表延伸至一定深度而尖灭(图3)。综合利用静力触探和槽探方法自地表向地下揭示多套地层,它们具有“上密下散”的结构:除地表广泛分布的耕植土外,上段地层主要由粉质黏土、粉土或含砾粉质黏土组成,局部夹砂姜黏土、淤泥质粉质黏土或砂层,总体厚度约10~40 m,主要为中更新统、上更新统和全新统;下段主要为巨厚的砂层(粗砂和砾砂)和含砾砂层,属下更新统,由中等分选、磨圆度较好的砂砾石组成,厚度在7 m左右^[40]。通过现场取样测试,样品的自由膨胀率为28%~40%,并不属于膨胀土。水文资料显示,研究区位于骆马湖、沂河、沭河补给区,常年水位在25~30 m(承压含水层埋深)左右,波动不大(在0~1.5 m波动)。这些土层和含水层的基本数据很好地驳斥了“胀缩成裂”的假说^[16]。

2.3 活动特征

从活动时间上看,地裂缝的活动周期约3~5年,自20世纪60年代开始调查以来,其活跃高峰期对应在1967、1976、1982、1986等年份,且自1990年以来,地裂缝的活跃频次和烈度有明显弱化的规律(图4)。早期一些研究者发现,在地裂缝高发期前后伴随着地震活动的发生,如1966年邢台两次地震(M_s 6.8,M_s 7.2)、1978年唐山地震(M_s 7.8)、1983年菏泽地震(M_s 5.9)、1984年南黄海地震(M_s 6.2)、1987年南黄海地震(M_s 5.1)^[11,15]。需要指出的是,尽管这些地震震级和烈度很大,但是它们距离新沂地区较远(震中距约300~600 km),并且它们并不属于郯庐断裂带,也不属于新沂地区所在的徐-宿弧形构造系^[41-42]。近20年以来,所发生的几次小规模地裂活动前后,对应着几次小型地震,如2015年淮安地震、2016年临沭地震、2022年徐州地震和2022年宿迁地震,这4次地震级别均在M_s 3.0左右。近年研究表明,同震地裂发育规模往往与等烈度线具有对应关系,且在剖面上具有与控震断层类似的错断现象,在新沂地裂缝典型地层剖面上并不能看到类型特征^[43-44]。因此,不能将新沂地裂缝视为地震型地裂缝。

3 逆断作用下地裂缝模拟试验

相关物理模型试验表明,基底构造活动对盖层断块整体变形起着控制作用^[45]。为揭示新沂区域地裂缝的形成过程,以新沂地质条件为原型,参照相关物理模型试验,设计断层逆动作用下地裂缝形成试验^[22]。如图5所示,模型箱规格为150 cm长、130 cm高、100 cm宽,主体由钢化玻璃构成。试验箱的底部为钢板(厚约1 cm),用以模拟断层的上盘、下盘和断层面(图5中②,③,④)。结合现场勘察地层及地裂缝情况,概化为理想模型,共设3套地层,自下而上分别为含砾砂层、粉质黏土及耕植土。设定相似比为1:50,采用砂、碳酸钙和石膏混合材料模拟实际地层。断层倾角为80°,模拟断距错动垂向位移5 cm。模拟地层材料层层铺设、夯实,并将应变片埋设其中。应变片由玻璃胶粘贴在薄铝片上,并通过导线与外部监测仪和计算机连接,按照断距位移距离(如0.5,1.0,1.5,…,5.0 cm)实时采集所对应的应变、位移数据。应变片数量分别是耕植土层(图5中L1)8个、粉质黏土层(图5中L2)6个、含砾砂层(图5中L3)4个。在模拟地层的“地表”上放置6个百分表,以测量地表的位移情况。

3.1 地表变化

从地表破裂情况来看,当模型上盘开始抬升时,在断层面对应的地表面开始出现多条细小的破裂缝。在抬升1.0 cm时,这些细小裂缝贯通起来,形成s1地裂缝(图6b中s1);同时,在上盘出现了地裂缝s2(图6b中s2)。当模型上盘抬升3.0 cm时,在下盘出现第3条地裂缝,即s3(图6b中s3)。随着上盘抬升的垂向位移越来越大,地裂缝在地表的张开度越来越大,在剖面上的延伸逐渐加深。需要注意的是,这些地裂缝并没有与断层直接相连。当试验完成时(即抬升5.0 cm),s1裂缝的张开度约5 mm,在地表出现了高约1.7 cm的陡坎(地表最大隆升高度为4.5 cm,图6a),这与实际区域隆起的微地貌特征相符。

3.2 剖面变化

从剖面应变情况来看,所模拟的土层在整体上的形变趋势与逆断层的活动方式相一致,即上盘相对上升、下盘相对下降,上下两盘在不同深度上的形变略有不同。浅部土层的变形程度高于深部土层,尤其是在下盘,浅部地层的变化幅度更大一些,在地表破裂图(图6)上可以看到,地裂缝的形态具有向下盘弯曲的趋势。这说明上盘逆断作用对地层产生的抬升力自浅而深逐渐加强。对比不同土层的应变曲线(图7),在断层抬升1.5~3.0 cm区间出现了一个“离层段”,土层在该阶段中出现快速形变现象。可见,土层在深部上的变形是不均匀的,这或许是土层力学参数和受力环境不同所造成的。相应地,覆盖层按照逆断层错动距离可以划分为剪裂段(局部剪切变形段,错动距离小于1.5 cm)、离层段(错动距离为1.5~3.0 cm)、弯裂段(整体弯曲破裂段,错动距离大于3.0 cm),即由断层附近的剪切变形到突然变化(层间解离),再转换成整体弯曲变形,从而在地表显现为一定数量的伴生地裂缝。

结合实地调查及室内试验情况,可以将地裂缝发育区划分成3个带,即剧烈变形带、微弱变形带和过渡带(图6e)。剧烈变形带内是断层活动影响最大区域,逆断层的抬升作用可形成陡坎型微地貌,亦伴随着较大规模地裂缝的形成;在微弱变形带内可形成规模较小的地裂缝。以断层带为核心向上下两盘一定范围扩展,并过渡到稳定区域。

4 新沂地裂缝成因分析与讨论

新沂地裂缝具有显著的构造特征,表现为走向一致性、集群性,且与断层控制型地裂缝具有显著不同——断控型地裂缝一般具有一定的垂向错距,其破裂面可以直接连接到控制断层,即有“根”,新沂地裂缝则无“根”。要从根本上对其成因做出解释,须综合联系其独特的地质背景。

在大地构造单元上,新沂地区位于华北板块与华南板块的交界部位,在深部同时受到两大主动板块——印度板块和太平洋板块(菲律宾板块)的运动影响。印度板块向北俯冲到青藏块体的底部,受到北部塔里木板块的阻挡,不断上涌的上地幔物质被迫表现为向东运动,从而驱动华北板块向SSE方向运动^[46-47]。在郯庐断裂带的另一侧,太平洋板块俯冲到华北板块的底部,对华北板块起着阻挡效果,造成岩石圈和软流圈变形,使深部地幔物质向上涌升^[48⇓-50]。在印度板块的远程效应和太平洋板块的近场效应共同作用下,深部构造应力场表现为NNW-SSE向挤压作用(图8c)。同时,深部构造运动也造成了华北板块岩石圈在相当长的地质时期内(自中生代早期或古生代晚期到新生代古近纪(25 Ma)发生拆沉、减薄、破坏效应,进而促成华北板块现今构造格局^[51⇓-53]。

从郯庐断裂带运动形式来看,它自中生代(白垩纪晚期)以来就以大幅度平移走滑运动为显著特征,基本上是中生代左旋运动、新生代右旋运动^[27]。自40 Ma以来,由于太平洋板块俯冲位置发生变化导致郯庐断裂带内断层右旋剪切,局部伴有伸展变形。尤其自25 Ma以来,右旋方向突然从近NE-SW向转变为NNE-SSW向,并在第四纪期间可能发生了短暂的逆冲变形^[54]。在这种构造运动转换背景下,郯庐断裂带内的断层结构及运动特征极为复杂,尤其是位于中段的新沂地区处于区域构造转化的关键部位,形成了典型的弧形构造、走滑构造和“地堑-地垒”组合构造(图1)^[55]。通过探查新沂地区多处地层剖面,可以发现该地局部地块呈现为单斜构造特征,如新沂地裂区所处的西地堑块体,其浅部地层因受到压扭作用而发生西倾,这也体现了正断层不平衡逆断运动特征(图8b)。

为更好地说明地裂缝的成因,可将地裂区所在块体——西地堑概化为“跷跷板”构造模型。如图8d所示,该模型的两端分别命名为下沉段和上升段。上升段所受到的抬升作用(S_A)主要由挤压构造应力(T)所带来的法向分力(与跷跷板垂直)提供,假设该地层倾角为θ,该段上覆地层重力为G_A,即有

(1)

S_A=Tsinθ-G_Acosθ

下沉段所受到的下沉作用(S_B)主要由挤压构造应力(T)所带来的法向分力和上覆地层的重力(G_B)组成,即

(2)

S_B=Tsinθ+G_Bcosθ

显然,上升段所受到的作用力大于下沉段作用力,即

(3)

S_A<S_B

从而打破了“跷跷板”的平衡状态。由于下沉段接受沉积,而上升段遭受剥蚀,G_B>G_A,实际上两段作用力的数值差距会更大一些。两段对下伏地层产生不同的效果,下沉段产生压缩变形,而上升段产生一定程度的回弹,尤其上升段处于悬臂梁状态,加之挤压作用带来的轴向挤压力,从而造成上升段弯裂变形,即地裂缝的萌芽状态^[56]。正因如此,在地表乃至浅表局部地层表现为一定的拉张应力场。不可否认的是地下水抽采作用或地下水波动作用,进一步促使该“跷跷板”失衡,弯裂作用加剧,从而在地表显现为地裂缝(图8a)。

5 结论

通过对新沂地裂缝的实地调查、室内试验及理论分析,可以得到如下结论。

(1)新沂地裂缝具有走向一致性、纵向尖灭性、局部群发性的特点,在发育时间和活动形式上具有特定的继发性和周期性,属于区域构造控制型地裂缝。

(2)试验发现在逆断作用下,地裂缝发育区在平面上呈对称的带状分布,即剧烈变形带、微弱变形带、过渡带;在剖面上,当逆断层错动到一定断距时出现“离层”现象,覆盖层变形-破坏过程按逆断错动距离可以划分为3段,即剪裂段、离层段和弯裂段。

(3)新沂地裂缝的成因机制可以概括为“跷跷板”构造模型,即应力驱动、构造控制、抽水扩展。新沂地裂区刚好位于“地堑-地垒-地堑”构造带的西地堑上,在构造应力、自重作用等作用下打破了原有平衡,上升段发生弯裂而成缝,地下水位波动可能强化了这一过程。

可见,新沂地区位于郯庐断裂带边界的关键转换带,新沂地裂缝在发育特征、分布规律、成因机制上具有独特的研究价值,它对郯庐断裂带“北-中-南”段构造应力调整、“深-浅-表”部地层结构联系起着重要的指示意义。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42177123)

国家自然科学基金项目(42042054)

国家自然科学基金项目(41302249)

国家自然科学基金项目(42130706)

江苏高校优势学科建设工程资助项目