长沙—湘潭一带第四纪断裂体系及形成背景探讨

吴能杰,柏道远,李 彬,杨少辉,钟 响,曹顺红

WUNeng-Jie1,BAI Dao-Yuan2,LI Bin2,YANGShao-Hui2,ZHONGXiang2,CAOShun-Hong2

(1.湖南省地勘局414队,湖南益阳413000；2.湖南省地质调查院,湖南长沙410016)

(1.414 Brigade of Hunan Bureau of Geology and Mineral Exploration and development,Yiyang 413000,Hunan,China；2.Hunan Institute of Geology Survey,Changsha 410016,China)

长株潭地区地处第四纪洞庭盆地的南缘外围，其第四纪期间的沉积作用、构造活动和环境演化与洞庭盆地既相联系又有显著差异。相对而言，前人对洞庭盆地第四纪地质进行了更广泛、深入的研究，在第四纪沉积[1-4]、环境特征与演化过程[5-16]、构造活动特征[17-25]等方面取得大量成果认识。而关于长株潭地区的第四纪地质研究则较薄弱，且有限的研究主要集中在第四纪地层划分和沉积成因方面[26-29]。构造方面，仅有上世纪八十年代末开展的区域地质调查对长株潭地区的构造抬升、掀斜、断裂等新构造活动特征进行了初步探讨❶❷[30]，以及个别研究者对局部露头断裂进行的观察描述[31]。近年来，笔者在进行长株潭地区环境地质调查时新获得重要的第四纪断裂野外观测资料，并通过基于大量钻孔资料编制的第四系等厚图进一步揭示了断裂的分布与属性特征。本文以此为基础，结合前人调查资料❶❷，对长沙—湘潭一带第四纪断裂的分布与发育特征进行归纳总结，并初步划分第四纪断裂活动期次，探讨各期断裂活动的时代与构造背景。

1 区域地质概况

本文研究区域北自望城，南至湘潭县城；西自望城—杨嘉桥，东至黄兴—株洲（图1）。研究区总体为丘陵地貌，海拔一般30～300 m，湘江及其支流浏阳河和捞刀河海拔较低，往河流两侧海拔渐高。

区内出露前第四纪地层自早至晚主要有青白口纪冷家溪群和板溪群、泥盆系—下三叠统及白垩系—古近系，少量南华系—奥陶系和上三叠统—下侏罗统。第四系广泛分布于湘江及其支流浏阳河和捞刀河的河谷及两侧，自早至晚划分为早更新世洞井铺组、中更新世新开铺组、白沙井组和马王堆组、晚更新世白水江组、全新世桔子洲组等，主要为河流冲积，山麓地带可发育洪积。研究区北部发育较多的侏罗纪和白垩纪花岗岩（图1）。

区内断裂发育，断裂走向以NE向为主，少量NW向和近EW向（图1）。其中部分为前第四纪基底断裂，部分为第四纪以来活动断裂。第四纪断裂常为基底断裂继承性活动产物。

新近纪以来研究区总体表现为阶段性的地壳上升，局部地区的某些历史时期存在断陷沉降。阶段性地壳上升主要由层状地貌和多级河流阶地得以体现。以长沙地区为例，由于间歇性的地壳上升和相对稳定期的剥蚀夷平，形成了4级较明显的不同高程剥夷面，分布高程分别为Ⅳ级500～600 m、Ⅲ级250～350m、Ⅱ级150～250m、Ⅰ级70～130m；由于阶段性的抬升切割和相对稳定期的河流堆积，形成了5级河流阶地，分别堆积洞井铺组（T5）、新开铺组（T4）、白沙井组（T3）、马王堆组（T2）、白水江组（T1），阶地多为嵌入阶地和基座阶地，反映第四纪以来以震荡性抬升为主。

图1 长沙—湘潭一带第四纪断裂分布及第四系等厚图Fig.1 Distribution of Quaternary faults in Changsha-Xiangtan area,with contour line of Quaternary deposits thickness

第四纪期间研究区因横向上抬升幅度不一而产生掀斜运动，掀斜运动主要通过河道迁移、阶地性质横向变化、垂直河道方向阶地面高程的倾斜、倾斜地貌等体现。典型的构造掀斜记录有黄花—干杉一带地壳缓慢抬升并向四周掀斜、大托铺一带自东向西掀斜导致河道向西迁移、湘潭—九华一带多期掀斜变形导致湘江古河道不断向东迁移达7～5km等。

2 第四纪断裂的分布及发育特征

2.1 第四纪规模断裂的分布及发育特征

根据前人区域地质调查资料和本次环境地质调查地质填图成果，厘定研究区主要第四纪断裂分布情况如图1所示。断裂及其性质的厘定依据包括地貌效应、水系错位、槽状展布沉积、断裂露头形迹、氡气测量异常等。值得指出的是，本次工作根据大量钻孔资料查明了第四系厚度的横向变化（图1），为确定部分第四纪断裂的展布和属性特征提供了重要依据。

本区第四纪规模断裂（含活动断裂）主要集中在长沙-湘潭-株洲一带（图1）。部分断裂主要特征见表1。

区内第四纪断裂延长规模不一，长者达55km，短者5～10 km，最小规模者仅1 km左右，较大规模断裂旁侧尚可派生出长数十至数百米的小断裂。

第四纪断裂以NE向为主，次为NNE向和NW向，个别呈EW向～NWW向。NE向断裂主要有曹家屋-竹山屋断裂（F1）、庵子冲-刘家冲断裂（F2）、葫芦坡 - 炮台子断裂（F4）、新开铺 - 坪塘断裂（F5）、施家冲 - 磊石塘断裂（F6）、郭家洲 - 田心桥断裂（F10）、一字墙断裂（F12）、天伏冲 - 化咀断裂（F13）、大托铺-莲花山断裂（F14）、乐子桥断裂（F17）、九华 - 庙湾里断裂（F18）、泉塘 - 砂子岭断裂（F20）、罐子窑 - 田家湾断裂（F21）、瓦铺子 - 青莲庵断裂（F22）、梽木山断裂（F26）、易家湾 - 苦竹塘断裂（F29）等。NNE向断裂主要有黄家湾断裂（F23）、石子塘断裂（F24）、回塘冲 - 亭子屋场断裂（F28）等。NW向断裂主要有排塘断裂（F3）、东山镇-石桥断裂（F9）、铁水坝-金坑冲断裂（F11）、下塘山咀断裂（F15）、响水坝-金塘湾断裂（F19）等。EW向～NWW向有断裂姜畲-金霞山断裂（F25）。

第四纪断裂大多为正断裂、少量为逆断裂。正断裂主要有葫芦坡-炮台子断（F4）、新开铺-坪塘断裂（F5）、铁水坝 - 金坑冲断裂（F11）、一字墙断裂（F12）、天伏冲 - 化咀断裂（F13）、乐子桥断裂（F17）、九华-庙湾里断裂（F18）（局部表现为逆冲）、响水坝- 金塘湾断裂（F19）、姜畲 - 金霞山断裂（F25）、梽木山断裂（F26）、易家湾-苦竹塘断裂（F29）等。逆断裂主要有断裂排塘断裂（F3）、大托铺-莲花山断裂（F14）、梅林桥-实竹塘断裂带（F27）等。可能受多期活动影响，个别断裂先期为正断裂、后期转为逆断裂，如断裂瓦铺子-青莲庵断裂（F22）；或不同地段表现出正、逆不同性质，如断裂石子塘断裂（F4）。

正断裂上盘常充填较厚沉积，部分上盘形成断陷槽谷（图1）。如九华-庙湾里断裂（F18）南东盘、泉塘-砂子岭断裂（F20）北西盘的第四系厚度最大可达74 m，马家河一带因姜畲-金霞山断裂（F25）断陷形成了厚达60.4 m的第四纪沉积（图1）。田心桥一带一字墙断裂（F10）南东盘洞井铺组最厚达188 m（图 1，图 2）。

不同走向第四纪断裂均可为正断裂或逆断裂。如NE向正断裂有葫芦坡-炮台子断裂（F4）、新开铺 - 坪塘断裂（F5）、一字墙断裂（F12）、天伏冲 - 化咀断裂（F13）、乐子桥断裂（F17）、九华 - 庙湾里断裂（F18）、梽木山断裂（F26）、易家湾 - 苦竹塘断裂（F29）等；NE向逆断裂有大托铺-莲花山断裂（F14）。NW向正断裂有铁水坝-金坑冲断裂（F11）、响水坝-金塘湾断裂（F19）等；NW向逆断裂有排塘断裂（F3）。其中NW向响水坝-金塘湾正断裂（F19）的北东盘因断陷形成最厚带45 m的NW向条带状第四纪沉积（图1）。含浦西面排塘公路边见NW向排塘逆断裂（F3）良好露头，断裂倾向SE，倾角70°，白垩系砾岩逆冲于第四系冲洪积卵石层之上（图3）。

值得指出的是，上述正断裂或逆断裂性质主要是就区内第四纪规模断裂的宏观表现而言。事实上，这些规模断裂有的可能还发生过走滑活动，只是其走滑效应不明显或未能识别。这一认识可从湘潭九华奔驰路剖面上发育的大量具走滑特征的小断裂得到佐证（见后文）。

表1 主要第四纪断裂（包括活动断裂）特征一览表Table 1 Features of main Quaternary faults including active faults

第四纪断裂错距大小不一，大者可达数十至百余m，如泉塘-砂子岭断裂（F20）（北段）、九华-庙湾里断裂（F18）的错距分别达190 m左右、70 m以上；小者1～5 m，次级小断裂的错距多为数至数十厘米。总体上，NE向、NNE向断裂的错距大于NW向断裂，正断裂的错距大于逆断裂。

研究区第四纪断裂的主要地质效应是形成沉积凹槽，控制地貌形态、河流走向和水系格局以及地下水的分布。

区内第四纪断裂大多在早更新世早期甚至新近纪即开始活动，其中部分断裂为晚更新世以来仍有活动的活动断裂，如断裂 F1、F2、F4、F5、F14、F17、F18、F20、F22、F25等（表 1）。

图2 长沙县田心桥"断塞塘"结构及相关正断裂（据湖南地矿局402队1963年田心桥煤矿Ⅳ勘探线资料编制）Fig.2 Structure ofthe fault-fillingembankment and related faults in Tianxinqiao,Changsha

2.2 活动断裂的分布与发育特征

本文将晚更新世以来发生过活动的第四纪断裂定义为活动断裂。区内活动断裂分布于长沙—湘潭的南北向湘江带上，自北往南主要有曹家屋-竹山屋断裂（F1）、庵子冲 - 刘家冲断裂（F2）、葫芦坡 -炮台子断裂（F4）、新开铺 - 坪塘断裂（F5）、大托铺 -莲花山断裂（F14）、乐子桥断裂（F17）、九华 - 庙湾里断裂（F18）、泉塘 - 砂子岭断裂（F20）、瓦铺子 - 青莲庵断裂（F22）、姜畲 - 金霞山断裂（F25）等（表 1）。

活动断裂主要为NE走向，仅姜畲-金霞山断裂（F25）为NWW向；断裂延长规模自6 km至55 km以上。各活动断裂于早—中更新世即开始活动（有的尚为基底断裂），其第四纪以来的总体活动特征及表现见表1。各断裂晚更新世以来的活动表现不一，归纳起来主要有地震活动性、氡气测量异常、对地貌和现代河流的控制作用、断裂活动的年龄测定等。代表性断裂晚更新世以来的活动表现如下。

曹家屋-竹山屋断裂（F1）和庵子冲-刘家冲断裂（F2）：均有明显的氡气测量异常。

葫芦坡-炮台子断裂（F4）：见明显氡气测量异常；断裂严格控制了浏阳河的发育，于烈士公园形成的尖咀状河曲和于杨家港—白茅铺一带形成的喇叭状谷地发生在同一直线上，显示活动断裂迹象。

图3 排塘断裂F3露头剖面Fig.3 Outcrop profile showingPaitangfault F3

大托铺-莲花山断裂（F14）：沿线以黄家坳分水岭分界，西南、东北分别发育流向相反的曲塘小溪和奎塘小河流，二者呈一直线；其中曲塘小溪逆湘江流向呈锐角与湘江交汇，穿过白水江组、桔子洲组时方向亦不改变，说明断裂活动年代较新。

乐子桥断裂（F17）：见明显的氡气测量异常，并获得9.62万年、6.82万年和5.53万年的断裂活动年龄值。

九华-庙湾里断裂（F18）：在白水江期伸展活动，于其上盘沉积厚74m白水江组；具明显的氡气测量异常；获得3.95万年和1.5万年的断裂活动年龄值。

泉塘-砂子岭断裂（F20）：显见氡气测量异常；获得4.37万年和4.71万年的断裂活动年龄值。

瓦铺子-青莲庵断裂（F22）：控制了白水江组的沉积厚度；具氡气测量异常。

姜畲-金霞山断裂（F25）：自白水江期开始，其北盘向南掀斜导致涟水古河道向南发生总平距达4～5 km的3次迁移；全新世以来仍有活动，导致涟水遗弃原砂子岭—雨湖河段而改从湘河口逆湘江流向汇入湘江、涓水由SN流向沿断裂转为EW流向（转折角近90°）。于其北侧分枝断裂中测得断裂活动年龄为2.77万年。

2.3 湘潭九华奔驰路剖面小断裂特征及期次

除前述填图尺度的规模断裂外，尚发育露头尺度的第四纪小断裂。小断裂尽管对地貌、水系、沉积的控制作用不明显，但却可以为第四纪断裂走向、性质、期次和时代背景的研究提供更为确实可信的证据。研究区第四纪小断裂以湘潭九华奔驰路剖面所见最为典型，以下对其予以简单介绍（详细特征另文阐述）。

该剖面位于泉塘-砂子岭断裂（F20）的南东侧（图1），为奔驰路北侧的人工开挖斜坡剖面。剖面EW向，长约130 m，斜坡向南倾斜，倾角50°左右。剖面上发育第四系白沙井组，其下部为砾石层，上部为网纹红土。第四系下伏地层为白垩纪戴家坪组紫红色细砾岩。斜剖面上见20余条第四纪小断裂，择部分示于图4。

图4中揭示有 NW 向断裂 Fa、Fb、Fd、Fe、Fg、Fi、Fk；NE 向断裂 Fc、Fh，NNE 向断裂 Fm、Fn、Fo，以及EW向断裂Fj、Fl等。断裂产状陡立，断面倾角一般70°～88°。根据派生次级裂面以及以岩性界面和被错断裂错位显示的剪切标志，确定NW向断裂为左行走滑断裂，NE向断裂为右行走滑断裂，NNE向断裂为正断裂，EW向断裂为左行走滑断裂。

剖面上可见EW向断裂左行切割NW向断裂（图4c右上角），表明EW向断裂晚于NW向断裂。EW向断裂Fl中止于NNE向正断裂Fn，NNE向正断裂Fm上盘明显下降却未造成EW向断裂Fl错位，表明EW向断裂晚于NNE向断裂。NE向断裂Fc右行切错NW向断裂Fi，NE向断裂Fc与NW向断裂Fd、Fe相交但彼此间无明显错位（图4b），表明NE向断裂与NW向断裂很可能为同期共轭剪切断裂。

鉴于北邻洞庭盆地第四纪期间相继经历了早更新世—中更新世中期的伸展断陷和中更新世晚期以来的挤压坳陷阶段[22-23]，而奔驰路剖面中NW向左行与NE向右行走滑断裂显然与区域挤压构造背景有关，因此推断剖面中NNE向正断裂早于NW向与NE向走滑断裂。

据上所述，初步确定九华奔驰路剖面第四纪小断裂可分为3期，自早至晚依次为：NNE向正断裂；NW向左行走滑断裂与NE向右行走滑断裂；EW向左行走滑断裂。

图4 九华奔驰路北侧人工开挖剖面上第四纪小断裂Fig.4 Quaternarysmall faults at artificial section on the north side ofthe Benchi Road in Jiuhua

3 讨论

3.1 第四纪断裂活动期次及构造体制

根据上述九华剖面小断裂活动期次，结合研究区规模断裂的发育特征和洞庭盆地第四纪构造认识[22-23]，初步总结长沙—湘潭地区第四纪断裂可分为4期，各期断裂及其形成的构造体制如下：第一期为NE向、NNE向、NW向、EW向的规模正断裂和小型正断裂，形成于区域伸展构造体制（图5a）；区域上本期伸展活动造成了北邻洞庭盆地和江汉盆地的大幅断陷沉降[22-23]。第二期为NE向～NNE向规模逆断裂，形成于区域NW向挤压应力（图5b）；区域上湘北澧县谢家屋场第四系中发育的NE向背斜[22-23]和武汉阳逻王母山断层及地震楔[32]等均表明本期NW向挤压事件的存在。第三期为奔驰路剖面所见的NW向左行走滑与NE向右行走滑小断裂，形成于区域EW向挤压应力（图5c）。第四期为NW向逆断裂（如排塘断裂F3）及奔驰路剖面所见的EW向左行走滑断裂，形成于区域NE向挤压（图5d）。

值得指出的是，将NE向～NNE向规模逆断裂作为第二期主要是从区域应力场研究资料考虑（具体见后文），目前尚无确实的野外构造依据。

3.2 第四纪断裂活动的时代及构造背景

图5 4期第四纪断裂形成构造体制Fig.5 Tectonic regimes for the four Quaternaryfaults

从已有研究来看，受周边复杂的板块格局和构造边界条件影响，中国陆区第四纪不同地区、不同时期断裂活动的构造背景及应力场颇为复杂。如关于中国大陆，万天丰[33]认为早更新世因印支板块、澳大利亚板块和菲律宾海板块向北运移与欧亚大陆板块碰撞而具近SN向挤压，中更新世以来欧亚大陆板块与周边板块在不同方向上相互作用而使不同地区水平挤压应力方向有别（其中华南地区以NW向挤压为主）。关于东南沿海地区，张路等[34]认为福建沿海地区受菲律滨板块向北西运动影响，第四纪区域主压应力方向为NNW向～NW向。关于西南地区，谢富仁等[35]提出青藏高原东侧的鲜水河断裂带第四纪早期（早一中更新世）构造应力作用为NE—SW向挤压，晚更新世至今以近EW向挤压和近SN向拉张为特征；后进一步研究认为青藏高原北、东边缘第四纪早期受来自印度板块碰撞青藏块体产生的垂直块体边界方向的挤压，晚期因形成NW—SE方向的引张而以走滑型构造应力场为主，最大主压应力方向自早至晚发生了顺时针旋转[36]；杜义等[37]认为昆明盆地及周边地区早—中更新世构造应力作用以近EW向挤压和近SN向拉张为特征，晚更新世以来以NNW—SSE向挤压和NEE—SWW向拉张为特征。鉴于研究区位于东南沿海与西南地区之间，上述认识可为探讨区内第四纪断裂活动的构造背景提供重要参考。

涉及剖面所在江汉-洞庭盆地及外围地区的第四纪应力场研究颇多且认识不一。万天丰[33]认为华南地区早更新世为SN向挤压，中更新世开始区域应力场以NW向的水平挤压应力为主。陈立德等[32]对武汉阳逻王母山断层及地震楔研究后提出相应的主压应力方向为NW335°左右，但未能明确具体时代。关于第四纪晚期即现代应力场特征，多认为主压应力方向为NE向，如姚运生等[38]认为第四纪至今江汉-洞庭盆地以NE—SW的挤压和NW—SE向的拉张为主，高士钧等[39]基于测井资料确定江汉盆地最大水平主压应力方向为NE 60°～65°，李蓉川等[40]通过地震源应力场研究提出江汉-洞庭盆地现代主要受NNW向的水平引张应力场控制；但陈小斌[41]通过GPS测量数据研究却得出江汉-洞庭盆地区具有明显NE向拉张的结论。

参考上述前人有关研究认识，结合洞庭盆地第四纪构造活动研究成果[22-23]，初步认为长沙—株洲地区4期第四纪断裂形成的时代及构造背景如下：

第一期NNE向正断裂大体形成于早更新世—中更新世中期，构造环境为区域伸展（图5a），其动力机制可能与地幔上隆背景下深部物质迁出导致洞庭盆地及周缘产生伸展断陷有关[22-23]。

第二期NE向～NNE向规模逆断裂形成于区域NW向主压应力场（图5b），形成时代为中更新世晚期，可能与菲律滨板块向北西运动挤压[33-34]有关。

第三期NW向左行走滑断裂和NE向右行走滑断裂形成于区域EW向主压应力场（图5c），形成时代为中更新世末—晚更新世，可能与青藏块体向东挤压[35,37]产生的应力远程传导有关。

第四期EW向左行走滑断裂形成于区域NE向主压应力场（图5d），形成时代为晚更新世—全新世，可能与印度—澳大利亚板块向NE的挤压有关。

3.3 大地构造意义

第四纪应力场是中国陆区第四纪构造研究的重要内容之一。尽管前人对中国大陆或局部地区第四纪应力场（包括现代应力场）进行过一些探讨[32-41]，但由于地质时间短且变形强度一般较低，这方面的研究总体上还非常薄弱。

从区域大地构造格局来看，研究区第四纪断裂反映的多期不同方向挤压事件可能与第四纪期间太平洋板块、菲律宾海板块、澳大利亚板块以及印支板块等周边板块运动及其形成的复杂的构造边界条件对华南地区的影响有关。但以地质历史的时间尺度来看，多次挤压应力方向的改变发生在如此短时间内似乎显得过于频繁，因此研究区第四纪挤压应力方向的改变除板块运动影响外，或许尚与深部物质迁移[22]、地壳均衡补偿[33]等因素有关，具体机制有待深入研究。

由于与区域地壳稳定性和地质灾害等环境地质条件密切相关，第四纪变形及构造背景研究对社会经济发展具有十分重要的现实意义。长沙—湘潭地区断裂反映出第四纪应力场的多期变化，预示着区域第四纪构造变形特征、构造体制及动力机制的复杂性，而目前极少有对这种复杂性的研究与认识，因此相关探索将成为今后第四纪地质研究的重要方向之一。

4 结论

（1）长沙—湘潭一带第四纪规模断裂以NE向为主，次为NNE向和NW向，个别EW向～NWW向；不同走向断裂均可为正断裂或逆断裂；部分断裂为晚更新世以来仍有活动的活动断裂。湘潭九华奔驰路开挖剖面上发育NW向左行走滑断裂、NE向右行走滑断裂、EW向左行走滑断裂以及NNE向正断裂等4组断裂，均为产状陡倾的小断裂。

（2）长沙—湘潭地区第四纪断裂活动可分为4期：第一期为NE向、NNE向、NW向、EW向的规模正断裂和小型正断裂，形成于早更新世—中更新世中期的区域伸展构造环境；第二期为NE向～NNE向规模逆断裂，形成于中更新世晚期区域NW向挤压应力；第三期为奔驰路NW向左行走滑与NE向右行走滑小断裂，形成于中更新世末—晚更新世区域EW向挤压应力；第四期为NW向逆断裂及奔驰路EW向左行走滑小断裂，形成于晚更新世—全新世区域NE向挤压。

（3）上述第一期断裂可能与地幔上隆背景下深部物质迁出导致洞庭盆地及周缘产生伸展断陷有关；后3期断裂可能分别与菲律滨板块、青藏块体、印度—澳大利亚板块的挤压有关。

注释：

❶湖南省地质矿产局.长沙地区1∶5万区域地质调查报告（铜官、青山铺、长沙市、朗梨镇、大托铺、柏嘉山幅）.长沙:湖南省地质调查院,1989.

❷湖南省地质矿产局.1∶5万城市区域地质调查报告（株洲市、株洲县、湘潭市、下摄司幅）.长沙:湖南省地质调查院,1988.

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