0 引言
海域大地震不仅会引发强烈震动,摧毁建筑与基础设施,还可能诱发海啸、山体滑坡等次生灾害,威胁沿海地区生态、居民安全与经济发展
[1-2]。深入研究并探明海域断裂带的位置与性质就成为防灾减灾工作中的关键环节
[3]。精确确定断裂带的位置,能够帮助我们清晰界定地震高风险区域,从而有针对性地开展城市规划和基础设施建设,同时提前制定完善的应急疏散预案。而准确把握断裂带的性质,如其活动周期、应力积累模式等,有助于构建更为精准的地震灾害预测预警体系,为沿海城市的防灾减灾工作提供科学、有效的指导,最大程度地降低海域大地震可能造成的损失。
江苏外海是整个中国海域地区地震活动性比较强烈的地区,且相对于陆地地区,海域活动性更强
[4]。该地区的孕震断裂的性质仍旧有较大争议,传统上认为江苏外海存在一条NW向深大断裂,是造成南黄海地区破坏性地震的主要原因
[5],但也有学者认为NNE向断层是海域地震的地震成因断层
[6]。由于江苏滨海断裂带整体上位于海岸带地区,海陆过渡带地区的地质地球物理调查难度大
[7],且近年来海上风电和养殖区密布,断裂带南部潮流沙脊区广泛发育
[8],使得新的多道地震调查更加困难,造成这一地区的断裂具体位置和性质难以判断。
本文利用2002—2008年采集的浅地层剖面(简称“浅剖”)资料(一种通过声波反射原理探测海底以下数米至数十米范围内地层结构、断裂构造等浅部地质信息的地球物理探测手段),经过重新处理后,结合区域内的钻孔资料,明确了上更新统底界面,并识别了区域内的活动断层;同时,对区域内的重力与磁法(简称“重磁”)资料(重力资料通过测量地球重力场变化反演地下密度差异以揭示深部构造,磁法资料通过测量地磁场异常推断地下磁性体分布及地质边界,二者联合应用可实现对深部地质结构的综合探测)进行重新处理,结合已识别的活动断裂,通过深浅结合的方法,对江苏滨海断裂带的断裂特征和活动性展开研究,并探讨该断裂带的时空分布特征、形成演化机制及其与天然地震之间的关系。
1 地质概况
江苏滨海断裂带(
图1)位于江苏省以东海域,北起江苏滨海东北海域,直至启东市东北海域,全长约300 km
[9]。1990年颁布的1∶100万南通幅《前晚第三纪基岩地质图》将江苏滨海断裂带分为北段、中段和南段。北段位于废黄河口至射阳河口外约15 km的海域;中段位于盐城海丰农场海岸外30~40 km的暗沙—庄家沙一带;南段位于吕四镇东约19 km处的海域,各段之间不连续分布
[10]。江苏滨海断裂带附近海域历史上强震较为频繁,是江苏省沿海强震最频繁的断裂带,曾经发生过多次强烈地震,其中最大地震为1846年盐城以东近海发生的7级地震,也是有地震记录以来区内最强的一次地震,2021年11月17日江苏盐城以东黄海发生的5级地震,打破了江苏滨海断裂带长达34年未发生5级或者5级以上地震记录
[11]。江苏滨海断裂带南北段地震活跃程度有明显差别,主要表现在中段和南段活动性强,北段为地震活动空白区
[12]。统计表明,中强地震活动几乎全部发生在南黄海盆地南部坳陷,断裂东侧的南黄海海域较西侧的苏北盆地地震密集、小震活跃
[4]。
江苏滨海断裂带位于苏北—南黄海盆地,该盆地位于扬子板块东段,亦即郯庐断裂带以东,苏鲁造山带以南,江山—绍兴断裂带和舟山-济州隆起以北,其东与朝鲜半岛毗邻
[13]。从构造上来看,从北到南可依次划分出千里岩隆起、北部坳陷、中部隆起、苏北-南黄海南部坳陷和勿南沙隆起5个构造单元
[14]。苏北-南黄海盆地的演化可分为4个阶段:(1)中三叠世—中侏罗世,由于华南和华北板块的碰撞,发育前陆盆地,主要以NEE和EW走向的逆冲断层为主。(2)晚侏罗世—早白垩世,由于古太平洋板块的俯冲,形成一系列NNE向左旋走滑断层和与之对应的NW向右旋走滑共轭断层;(3)晚白垩世—始新世,由于太平洋板块俯冲或者印度-欧亚板块碰撞的远程效应,伸展盆地形成,发育一系列NW和NE向正断层;(4)新近纪以来,在喜马拉雅造山作用下,进入坳陷盆地发育阶段,断陷盆地整体沉降为大型坳陷盆地,广覆新近系和第四系
[15-20]。
晚更新世以来,南黄海陆架连续沉积主要发生在MIS1、MIS3和MIS5期间,MIS2和MIS4以剥蚀为主,其中MIS2-3期发育大型古黄河三角洲
[21]。晚更新世沉积地层整体以海相沉积为主,地层厚约30 m,局部沉积粗颗粒物。南黄海陆架大部分地区全新世沉积厚度为0~20 m,山东半岛东部和南部沉积厚度较大,最大沉积厚度达到46 m
[22-23]。
2 数据来源与方法
2.1 重磁数据
重磁数据主要来源于青岛海洋地质研究所承担的“中国海及邻区地质地球物理系列图”
[24]项目重磁数据库。其中,海域重磁数据主要包括1970—2000年通过专项调查获得的船测数据
[25-26]。采用EMAG2全球磁异常数据集
[27],美国Scripps海洋研究所全球海洋重力数据集
[28]以及国际重力局(Bureau Gravimetrique International,BGI)全球重力模型(WGM2012)等数据填补了实测数据空白区。利用统一的标准和相同的平台对不同来源的重磁数据做了融合处理,并评价了数据精度
[26]。将数据重新网格化为2'×2'的网格,用于成图和各项计算。在重磁异常特征分析和描述的基础上,为了更加清晰准确地凸显出主要的构造边界,分离不同深度场源产生的高、低频率的重磁异常,分别获得深、浅部构造信息,对重力和磁力异常进行了各项计算,主要包括向上延拓
[29]、水平方向导数模
[30]、解析信号
[31]和线性增强
[32]等一系列技术方法。
2.2 浅剖数据
本研究所采用的浅剖数据(测线位置见
图2)及其采集参数如
表1所示。由于浅地层剖面采集的时间较久远,整体上剖面信噪比较弱,涌浪造成的地层起伏较常见,且多次波较为发育,影响了对活动断层的识别(
图3a),因此对浅剖资料进行重新处理。数据处理主要采用滤波、海底反射时间拾取、涌浪校正、异常振幅压制、多次波压制、信号增强等技术方法。
图3展示的是A25线处理前后的对比剖面。总的来说,通过本次处理,资料的信噪比得到提高,反射波同相轴可连续追踪对比、波组特征活跃,断层易于辨认,达到预期的处理目的。具体表现为:(1)成果资料中更新世以来地层结构明显,各主要反射层的产状、构造形态清晰,断点易于辨认;(2)从浅至深各主要反射层次齐全,能量强弱分明,波组特征活跃;(3)各种干扰和多次波压制效果较好,有效反射突出,剖面具有较高的信噪比和适度分辨率,能用于对主要反射层的连续追踪对比解释。此外,研究区内的6个钻孔QC2
[33]、SYS0701
[21]、SYS0702
[21]、SYS0803
[21]、SYS0804
[34]和CSDP-1
[35]的研究程度较高,包括岩心分析、粒度分析、
14C测年、光释光测年(optically stimulated luminescence,OSL)、古地磁测年、有孔虫分析等工作,为研究区内层序地层的划分奠定了基础。
3 结果
3.1 重磁异常特征和计算结果
根据重磁异常分布特征及各项计算结果,识别了江苏滨海断裂带的可能位置及展布特征。结合前人研究成果
[36],标定该区的其他主要断裂带、构造单元边界和盆地内次级断层。在此基础上,对江苏滨海断裂带及邻区的构造特征进行综合解释。研究表明,空间重力异常分布特征与苏北、南黄海西部地区的盆地、隆起分布存在明显的对应关系,主要反映了基底构造格局(
图4)。苏北盆地以大范围负异常为主,局部存在的正低异常主要与盆地内的凸起相对应;南黄海南部盆地以正低异常为主;中部隆起区表现为大范围高异常;南黄海北部盆地以近东西向的正负相间条带状异常为主;嘉山—响水断裂以北、千里岩断裂以南的地区表现为正高重力异常,而千里岩断裂以北的地区则为负异常,表明千里岩隆起区可能具有复杂的基底起伏特征。布格重力异常与空间重力异常具有相似的分布特征(
图4),这主要与苏北、南黄海西部地区极为平坦的地形有关。江苏滨海断裂带在重力异常图上存在明显的标志,整体上表现为一条位于苏北岸外20~30 km、大致平行于岸线分布的重力异常梯度带。但是这条梯度带在滨海港以东分为两个分支,西侧分支继续平行于岸线延伸并终止于海州湾西部;东侧分支则继续向北延伸至山东半岛南侧。大致以射阳为界,梯度带南、北极性发生反转。北段的重力异常呈西高东低,且两侧异常幅值差异较小;而南段呈明显的东高西低的特点,梯度较大,构成了南黄海南部盆地和苏南-勿南沙隆起正异常区与苏北盆地负异常区之间的界线。
Δ
T磁异常图和化极磁异常图上(
图5),苏北、南黄海西部地区以大范围低幅值负异常和正低异常为主,较强的负异常主要分布于长江以北的苏南地区。江苏滨海断裂带两侧磁异常特征差异明显,西侧为大范围低幅值负异常,而东侧的磁异常幅值显著升高,尤其是在断裂带北段东侧的中部隆起区,存在规模较大的近南北向团块状高异常。
布格重力异常上延10 km和20 km计算结果显示(
图6),江苏滨海断裂带具有明显的特征。在射阳以南的南段表现为西低东高的显著梯度带,构成苏北盆地的东边界。而在射阳以北的北段,表现不及南段明显,但是分隔了东、西两个正高异常极值区,这表明江苏滨海断裂带可能是一条切割深度较大的断裂。
空间重力异常的线性增强、总水平导数和解析信号计算结果(
图7,
8),进一步凸显了江苏滨海断裂带的特征基底对两侧构造的分隔作用。计算结果同时凸显了小规模浅部次级断裂的位置和展布特征。这些次级断裂的绝大部分在布格重力异常图和磁异常图上表现不明显。江苏滨海断裂带两侧的次级断裂和盆地内构造单元展布存在差别,西侧的苏北盆地发育密集的、以NE向为主的次级断层;而东侧的南黄海南部盆地和中部隆起区,具有明显重磁异常表征的次级断层数量较少,且以NEE-SWW向为主。
3.2 浅剖层位特征和断裂特征
根据研究区地震剖面的反射结构、波组特征和上超、下超、顶超、削蚀、缺失等地层反射终止方式的综合分析和研究,结合工区内钻孔资料
[37],确定3个关键性界面,自上而下依次为海底、全新统底界面和上更新统底界面(
图9[21,33,37])。研究区域内晚更新世以来的地层以水平层状地层为主,断裂和古河道虽然较为发育,但基本并不会对关键性界面的追踪造成实质性影响,因此研究区的地层解释的可靠性较高。全新统和上更新统底界面在空间上分布规律性明显,主要表现为由陆地向海深度逐渐增大,全新统底界面深度为20~50 m,上更新统底界面深度为60~90 m。
活动断层的识别主要以断层是否错断晚更新世基底为标志。由于活动断裂形成时间较晚,浅部沉积物主要为未固结的砂和泥,因此不同于固结岩石的刚性断裂,活动断层在地震剖面上以软变形为主要表现特征,即地层对张力或压力的响应体现在扭曲变形,一般很难形成直接的错断。整体上研究区活动断裂较发育,大多数断裂明显错断晚更新世底界面,在部分沉积较连续且断裂发育的地区,活动断裂可以错断MIS2~3期地层,但全新世活动断裂并不明显。整个研究区断层都表现为正断层特征,深部断距可达3.5 m(
图10~
13)。
研究区内断点较多(264个),但是由于测线间距太大,大多数断点之间很难进行有效组合,因此断裂走向很难判断,只有在测线交点附近的断点组合才有较高的可靠性。研究区确定性较高的断层主要分布在B9测线,靠近射阳县外海域(
图2),包括F1~F4断裂,断裂位置如
表2所示,断裂走向近似平行于海岸线,为NW向断裂(
图14[38])。
F1断裂(
图10)在南北向A15测线和东西向B9测线上都有反应,由两组近似平行断裂构成,走向近似平行于海岸线,为NW向断裂,走向大约340°,倾向SW,倾角大约75°,断裂长度为3.6 km。F1断裂的两组断层控制了一小型凸起,北部凸起范围较小,南部凸起范围更大,两组断裂都表现为典型生长断层特征,地层断距随着深度增大而明显增大。该断裂主要为张裂作用形成,且该断裂活动具有持续性,最新活动时间为晚更新世。
F2断裂(
图11)在南北向A15测线和东西向B9测线上都有反应,由两组近似平行断裂构成,走向近似平行于海岸线,为NW向断裂,断裂长度为0.7 km。F2断裂的两组断层控制了一小型地垒,两组断裂都表现为典型生长断层特征,且该断裂活动具有持续性,最新活动时间为晚更新世,该组断裂上方发育典型河道。
F3断裂(
图12)在南北向A16测线和东西向B9测线上都有反应,由两组近似平行断裂构成,走向近似平行于海岸线,为NW向断裂,断裂长度为5 km。F3断裂的两组断裂都表现为典型生长断层特征,且该断裂活动具有持续性,最新活动时间为晚更新世。
F4断裂(
图13)在南北向A17测线和东西向B9测线上都有反应,由两组近似平行断裂构成,走向近似平行于海岸线,为NW向断裂,断裂长度为1.2 km。F4断裂的两组断裂都表现为典型生长断层特征,且该断裂活动具有持续性,最新活动时间为晚更新世。
4 讨论
4.1 江苏滨海断裂带是否存在?
根据空间重力异常解析图(
图13)可以看出,江苏滨海断裂带深大断裂的特征比较明显,除与传统认识的江苏滨海断裂带射阳—如东段完全重合以外,在射阳以北,江苏滨海断裂带仍旧可能继续延伸,且在滨海港以东分为两个分支,西侧分支继续平行于岸线延伸并终止于海州湾西部;东侧分支则继续向北延伸至山东半岛南侧。我们将浅剖识别出的断点及已有研究成果
[38]与江苏滨海断裂带走向进行匹配,发现废黄河口以北的西支断裂晚更新世地层连续,未发现活动断裂,因此我们认为废黄河口以北的西支断裂并不是江苏滨海断裂带的延伸;东支断裂在与嘉山—响水断裂
[39]延伸位置处具有明显的活动性,但是受制于浅剖测线间距过大,难以判断断裂的延伸方向为NE向还是NW向,因此其可靠性还需要进一步验证;射阳外海域NW向断裂最为明显,海丰农场外海域虽然浅剖测线未能完全覆盖断裂带位置,但是在断裂带右侧也能识别出NW向活动断裂,且活动断点也很多,因此我们认为该NW向断裂带是真实存在的。如东外海域主要发育在江苏潮流沙脊区
[40-42],且水深较浅,受客观地质条件限制,浅剖质量差,只能断续显示部分地层,因此无法识别出活动断裂,其断裂的活动性还需要进一步开展探测工作。因此,整体上我们认为江苏滨海断裂带是客观存在的一条深大断裂,根据断点的密集程度,目前可以确认废黄河口—盐城海丰农场段活动性仍旧较强。
4.2 江苏滨海断裂带运动学和动力学特征的演变
近年来,很多学者更加关注深部构造对地表变形的控制作用,并强调从多个维度来综合研究区域地震地质
[43-44]。最新的重磁结果表明,江苏滨海断裂带为北西走向的深大断裂,基本平行于江苏海岸线,这与前人的认识基本一致
[45]。江苏滨海断裂带东侧的南黄海盆地主要表现为EW向断层
[46],而西侧的苏北盆地表现为NE向断层
[47-49],表明其两侧构造单元差异明显,具有较大的切割深度和长期的活动性,控制了苏北盆地的发育,因此我们认为江苏滨海断裂带为南黄海南部盆地与苏北盆地的分界。浅剖F1~F4断层全部为正断层,且都为NW向晚更新世以来的活动断层,为江苏滨海断裂带浅层分支断裂,由此推断出江苏滨海断裂带的影响宽度可能达到近30 km。多个学者
[6,50]指出晚侏罗世—早白垩世,受古太平洋板块向欧亚板块的俯冲影响,该区域为NNW向挤压应力场环境,江苏滨海断裂带表现为右旋走滑特征,新生代以来,受印度板块与欧亚板块碰撞
[51-52]的远程效应影响,应力场环境发生较大改变,现今主压应力轴为NEE向,而江苏滨海断裂带走向与之近乎垂直,但其断层却表现为正断层特征,只有左旋走滑断层才能合理解释这种现象。李旭东等
[53]根据盐城外海域1984年ML6.2级地震机制解认为,盐城大丰区外海域的江苏滨海断裂带也是左旋走滑,与本文认识基本一致。因此,我们认为江苏滨海断裂带在不同历史时期经历了从右旋走滑到左旋走滑的转变,这种走滑机制的转变对应的是应力场方向的变化。
4.3 江苏滨海断裂带与地震活动性的关系
断裂带及交汇处是深部物质非均匀性在地表的表现,其力学性质较弱,在合适的构造应力场作用下,断裂易于重新活动从而引发地震
[54-55]。黄耘等
[4]通过地震重定位,发现苏北—滨海断裂两侧地震活动存在明显不同,断裂东侧海域较西侧陆地地震密集、小震活跃,认为北西向大断裂(苏北—滨海断裂)构造可能对北东向断裂和地震活动具有控制作用,即地震具有东西分块的特点。通过重磁结果可以看出(
图10),苏北和南黄海虽然属于同一地质块体,但两者深部构造完全不同,苏北盆地的负异常和南黄海盆地的正异常形成鲜明对比,正是这种构造上的差异导致两者在地震活动方面存在明显差异。江苏滨海断裂带及邻近地区发生过十余次破坏性地震,但地震均发生在断裂中段(海丰外海)和南段(如东外海),北段(射阳外海)地震活动性较弱。本文统计了1920年以来该地区发生的地震,发现地震沿江苏滨海断裂带的走向性并不明显,反而主要集中在A、B和C这3个区域(
图15),分别对应射阳(北段)、大丰(中段)和如东(南段)外海域。我们认为A和B区域地震主要沿NEE向,分别对应洪泽—沟墩断裂和盐城—南洋岸断裂
[56],这两组断裂走向和地震走向与现今应力场方向
[57]基本一致,在这种情况下更容易发生破坏性地震
[58],而NW向的江苏滨海断裂带与主应力方向垂直,这种情况下断裂会闭合得更紧密,因此反而更难发生破坏性地震。A和B处地震在江苏滨海断裂带及其附近更为密集,主要在于江苏滨海断裂带破碎程度更高,地震更容易在NE向断裂和NW向江苏滨海断裂带的交汇点处发生,因此我们同样也认为该段具备发生6.5级以上地震的可能性
[38]。由于该区域的地震主要受制于NE向断层影响,因此地震并不是沿着NW向江苏滨海断裂带均匀分布,而是呈现明显的分带性。C区域地震明显非常集中,与A和B区域地震存在明显的区别,从
图15中可以明显看到江苏滨海断裂带在该区域存在明显的间断,即江苏滨海断裂带的转折区,该区域是构造应力的转换点,即可能是印度板块与亚欧板块碰撞远程效应力与太平洋板块俯冲力的受力关键点,造成该区域地壳不稳定,从而导致该地区的破坏性地震强度远远高于其他地区。
5 结论
本文采用重磁和浅剖相结合的方法,明确了江苏滨海断裂带的走向和性质,两者在废黄河口—海丰农场段有很好的对应关系。重磁结果表明,江苏滨海断裂带为北西走向的深大断裂,基本平行于江苏海岸线,为南黄海南部盆地与苏北盆地的分界。浅剖结果表明,断裂带由一系列近似平行断裂构成,走向近似平行于海岸线,为NW向断裂,断裂延伸长度一般较短,为0.7~5 km。江苏滨海断裂带都为拉张性正断层,且晚更新世活动迹象明显。江苏滨海断裂带具有较大的切割深度和长期的活动性,东侧的南黄海盆地主要表现为EW向断层,而西侧的苏北盆地表现为NE向断层,表明江苏滨海断裂带两侧构造单元差异明显,因此我们认为江苏滨海断裂带为南黄海南部盆地与苏北盆地的分界,根据现今近东西向的主应力场方向判断江苏滨海断裂带为左旋走滑断层。以江苏滨海断裂带为轴线,地震具有东西分带、南北分块的特点。东西分带表现为西部的陆地地震强度弱,海区地震强度大。南北分块表现为北段和中段地震主要沿NE向的洪泽—沟墩断裂和盐城—南洋岸断裂分布,南段地震集中在江苏滨海断裂带的转折区,推测该区域是构造应力的转换点,从而导致该地区的破坏性地震强度远远高于其他地区。江苏滨海断裂带废黄河口—盐城海丰农场段,断裂密集,且活动性较强,具备发生大地震的可能性,且位置距离海岸线仅20~30 km,尤其是同处NE向断裂带的射阳和盐城等城市发生破坏性地震的可能性更高。
李西双研究员与赵启光高级工程师审阅本文并提出了很好的修改意见,在此谨表谢意。
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