郯庐断裂带苏鲁段新构造区划与铁路选线研究

李国和

(1.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308； 2.城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室,天津 300308； 3.轨道交通勘察设计国家地方联合工程实验室,天津 300308)

郯庐断裂带是中国大陆东部岩石圈尺度的构造边界带和巨型活动断裂带[1]，北起黑龙江边的肇兴县，南达长江北岸的广济县，总长度达3 500 km以上。其中，苏鲁段是郯庐断裂带主要活动段落，也是强震发生区段[2]，先后发生了公元前70年诸城、昌乐一带7级地震、1668年郯城8.5级地震、1829年益都与临朐间6.25级地震。因此，该段成为中国东部铁路选线与重大工程选址所关注的焦点区域。

20世纪后期，在兖石铁路、胶新铁路勘察中对沂沭断裂带(即郯庐断裂带山东段)做了较为全面的调查和研究[3-4]，基本掌握了沂沭断裂带的构造格架、断裂分布及活动性，在构造稳定性分区基础上成功开展了铁路选线和重大工程选址工作。此后，在徐盐客专[5]、鲁南高铁(日兰高铁)等铁路勘察中，对郯庐断裂带江苏境内部分段落进行了详细勘察，查明了区段内郯庐断裂带的性质及展布特征，确定了活动断裂的性质及位置、产状、规模、破碎带宽度、活动速率等，使铁路以简单工程大角度安全跨越断裂带。上述铁路的工程实践不仅为活动构造带铁路选线提供了成功经验，也进一步加深了对郯庐断裂带苏鲁段区域地质和地震地质的掌握程度。

以往对于山东境内的沂沭段研究较多，而江苏段由于多被第四系覆盖，则研究相对较少，对于各分支断裂的活动性缺乏统一认识。同时，北西向断裂切割作用对于郯庐断裂带鲁苏段构造稳定性区段划分的控制性影响也缺乏针对性的分析和论述。本文充分收集了近年来地震地质、地球物理等最新研究成果[6-10]，结合铁路勘察资料，对鲁苏段构造格架、断裂活动性、断裂带区段划分及构造活动性进行了系统的分析和论述，以对区域内铁路勘察选线提供指导。

1 郯庐断裂带苏鲁段构造格架与分区特征

郯庐断裂带苏鲁段是华东地区最重要的深断裂带，也是区域地质的重要分界线。以郯庐断裂带为界，东为胶莱坳陷和胶南隆起，西为鲁中南隆起。胶莱坳陷西边界为昌邑—大店断裂(F1)，南与胶南隆起相接，分界为山相家—郝戈庄断裂。胶莱坳陷下部构造层为元古界粉子山胶东群变质岩组成结晶基底，上部为中生代地层组成的沉积盖层；新生代以来坳陷区内地壳稳定，表现为缓慢抬升，属稳定地块。胶南隆起由元古界胶南群与五莲群的变质岩组成结晶基底，长期处于隆起状态，中生代燕山运动期以岩浆活动为主，仅在靠近沂沭断裂带与胶莱坳陷的边缘部位有中生代地层；新生代以来，胶南隆起以整体上升为特点，区内地壳相对稳定，也属稳定地块。大地构造分区及断裂分布如图1所示。

F1昌邑—大店断裂；F2白芬子—浮来山断裂；F3沂水—汤头断裂；F4鄌郚—葛沟断裂；F5安丘—莒县断裂；F6益都断裂；F7双山—李家庄断裂；F8沂源—沂水断裂；F9铜冶店—孙祖断裂；F10新泰—蒙阴断裂；F11蒙山山前断裂；F12板泉断裂；F13方城—临沂断裂；F14临沂—白旄断裂；F15费县—曹庄断裂；F16苍尼断裂；F17峄城断裂；F18新沂断裂；F19宿迁断裂；F20景芝断裂；F21山相家—郝戈庄断裂；F22相邸—高阁庄断裂；F23双店—堰水房断裂；F24邵店—桑墟断裂；F25莒县—中楼断裂图1 郯庐断裂带苏鲁段构造格架及断裂分布

鲁中南隆起位于鄌郚—葛沟断裂(F4)以西，基底由太古界沂水群的深度变质岩组成，盖层由古生界、中生界、新生界地层组成，且后两个构造层只有在盆地中存在。基底构造以紧密线性褶皱和断裂为特征，片麻理发育；盖层褶皱微弱，NW及NE向断裂较发育，控制了中、新生代盆地形成及地层沉积。新生代以来，鲁中南隆起以整体上升运动为主，现代构造运动强度趋于减弱。

沂沐断裂带是区内活跃的构造单元，以昌邑—大店断裂(F1)、白芬子—浮来山断裂(F2)、沂水—汤头断裂(F3)和鄌郚—葛沟断裂(F4)等4条NNE向主干断裂为边界，形成“两堑夹一垒”的构造格局。又可分为昌潍坳陷、汞丹山—沂水隆起和郯城坳陷3个次级构造单元。汞丹山—沂水隆起位于南北两个坳陷之间，由两堑夹一垒构成。东部为安丘—莒县地堑，边界受昌邑—大店断裂与白芬子—浮来山断裂控制。汞丹山地垒位于两地堑之间，主要由太古界变质岩组成，大部处于剥蚀状态，该区无强震发生记载。马站—苏村地堑位于汞丹山台地的西侧，地堑东西边界分别受沂水—汤头断裂和鄌郚—葛沟断裂控制。安丘—莒县断裂(F5)整体分布在东地堑之内。

2 主要断裂及活动性

郯庐断裂带山东境内段即为沂沭断裂带，地表出露明显，以往研究程度较高，而江苏境内大部被第四系覆盖，研究程度相对较低。近年来，地震部门对江苏境内段做了详细的地震地质调查工作，取得了断裂带最新活动证据。

(1)NNE向主干断裂

郯庐断裂带苏鲁段总体走向NNE5°～25°，北部宽展，宽约60 km，南部收敛，最窄处15 km。5条主干断裂南北两端被第四系覆盖，中间出露较好，露头断续长达240 km。第四纪时期，这5条断裂均有不同程度的活动。F1在晚更新世活动较强； F2活动性最弱，未发现该断裂第四纪活动迹象；F3在中、晚更新世有明显活动，全新世未见活动迹象；F4在第四纪早、中更新世活动过，全新世未见活动迹象，且在沂水县北部多处出现第三纪晚期玄武岩覆盖在F4断裂上，因此判定部分段落第四纪不活动。以往资料及历次铁路勘测结果表明[1-5]，苏鲁段全新世以来的活动性主要体现在安丘-莒县断裂上，且最新活动时间在全新世。以往对郯庐断裂带新构造调查大多集中在山东境内的沂沭断裂带上，并总结出“东西分带，南北分段”、“东强西弱，南强北弱”的活动特点。在江苏境内，野外地质调查、浅层地震勘探、钻孔联合剖面以及古地震探槽等研究资料表明[11]，断裂新活动也主要体现在安丘—莒县断裂上，且江苏全段均为全新世活动断裂。

安丘—莒县断裂(F5)位于东地堑内，由许多陆续出露的小断层斜列组成，在空间分布上不连续，活动时间上不同步，可划分为3个独立段落：①安丘—莒县段，长约100 km，由4条右阶斜列的次级断裂组成，在石埠子形成断陷盆地，为全新世活动断裂；②莒县—郯城段，长约130 km，由5条右阶斜列的次级断裂组成，沿断裂生成莒县和板泉两个新断陷盆地，为活动性最强的段落；③郯城—宿迁段，大部被第四系覆盖，该段新活动性被近年来的地震地质调查结果所证实。探槽揭示江苏段全新世两次古地震事件[11]，事件Ⅰ限定在(6.2±0.3)～(13.4±0.7)ka B.P.(注：B.P.—距今年代，代替传统的B.C.(公元前)和A.D.(公元后))之间，而事件Ⅱ限定在(2.5±0.1)ka B.P.到现今，全新世两次古地震间隔较长。张鹏等(2019年)在重岗山西侧和宿迁合欢路北侧开挖探槽[12]，发现了安丘—莒县断裂江苏段全新世活动的新证据，推测最新一次古地震事件的发生时间为(4.853±0.012)～(2.92±0.3)ka B.P.。许汉刚等(2016年)通过浅层地震勘探对F5断裂进行了探测[13]，结果该断裂并未终止于原来认定的宿迁市，而是继续向南延伸，结合钻孔联合剖面和槽探结果，判断F5断裂西支为全新世活动断裂，东支为晚更新世活动断裂。

(2)NW向断裂

北西向断裂主要发育于鲁中南隆起区内，以蒙山山前断裂、苍山—尼山断裂、新沂断裂为主要代表，直到第四纪晚期仍有不同程度的活动，是晚更新世及全新世以来的活动断裂[14]。王志才等(2001年)在平邑县杨庄水库附近进行了野外调查，确定蒙山山前断裂最新活动时代为晚更新世晚期，距今22.7～10.1 ka[15]；而对苍尼断裂中段的野外考察结果表明，该断裂最新活动时期为晚更新世至全新世早期。此外，沂沭断裂带东部还有莒县—中楼断裂，控制了莒县新断陷的发育。

上述断裂与北北东向主干断裂交汇或交切，使苏鲁段成比较明显的分段现象，在地表与深部都具有很明显的地质地貌与地球物理场特征[16]。

(3)NE向断裂

NE向断裂主要分布在沂沭断裂带东侧，主要为山相家—郝戈庄断裂和景芝—贾悦断裂。山相家—郝戈庄断裂是五莲—荣城断裂带中的一段，为胶莱坳陷与胶南隆起两个构造单元的分界。景芝—贾悦断裂位于贾悦西，呈北东向展布，由2条断裂组成，主断裂为红雀山—西楼子断裂，在红雀山处与昌邑—大店断裂相交。

区内主要断裂及活动要素如表1所示。

3 新构造区段划分与活动性对比

3.1 断裂带分段

(1)分段界线及标志

众多资料及研究成果表明，郯庐断裂带苏鲁段具有明显的分段特征[2，15，17]。本文充分利用地质调查、遥感、地球物理、地震监测等成果，从区域地壳稳定性角度出发，以断裂交切关系、地球物理异常带、断裂活动性、地震活动性等为标志，将郯庐断裂带苏鲁段划分为5段。

表1 区内主要断裂及活动要素

① 安丘—临朐NW向条带

在马站—汪湖—辛集一线存在一条NW 向条带，即为NW 向双山—李家庄断裂和益都—无棣断裂展布区域。此带与沂沭断裂带交切，在其经过的管帅—茅埠一带，F5 断裂的次一级断裂由右行右阶排列转变为右行左阶排列[18]。以此带为界，沿沂沭断裂带的地震活动呈现南强北弱的特点，中强以上地震主要分布在此带以南的东地堑内[16]。

② 蒙山山前断裂

蒙山山前断裂向东切断沂沭断裂带后，继续向东延伸至莒南县附近，为郯城坳陷与汞丹山—沂水隆起的分界线，该断裂南北两侧地貌差异显著，所经河流均发生流向左旋同步转弯，表明断裂具正断兼左旋走滑活动性质。该断裂卫星影像特征如图2所示。沿断裂形成重力梯度带，切割至下地壳深度，与沂沭断裂带交切处出现扭曲、断折、串珠状等重力异常现象，证实其在地壳深部切穿沂沭断裂带[19]。

图2 蒙山山前断裂卫星影像

③方城—临沭断裂

该断裂位于临沭县附近，走向NW至NWW。断裂两侧地势北高南低，沿断裂串珠状湖泊发育明显，河流发生同步左旋转弯现象。卫星影像特征如图3所示。在1～3阶重力细节场中形成线性梯度条带，推测该断裂下切至中地壳[19]，在临沭县附近截切沂沐断裂带交切于东地堑，交切部位至郯城之间为1668年郯城大地震发生段落。未发现该断裂延伸至西地堑的迹象，可作为次一级分段标志。

图3 方城—临沭断裂遥感影像

④苍山—尼山断裂

苍尼断裂东段主要发育于第四纪地层中。根据遥感和调查结果，断裂错断了晚更新世地层，断裂活动使沭河发生大角度转弯，且将NNE走向的马陵山山脉断开，指示其正断兼右旋走滑活动性质，表明其与沂沭断裂带交切，向东经过苍山后到达郯城县东。卫星影像特征如图4所示。断裂南北两侧出现北高南低的重力异常圈闭区骤变，两侧密度差异明显[19]。

图4 苍尼断裂遥感影像

⑤宿迁NW向隐伏断裂

沿微山湖、骆马湖、洪泽湖延伸的隐伏着一条NW 向断裂，控制了晚新生界地层的沉积，成为苏北黄淮平原与苏南低山丘陵的分界，同时也控制了古黄河的发育和一系列湖泊的串珠状分布。这条NW向的大断裂是冀鲁断块与豫皖断块的分界。在航磁异常图上显示为正异常带，且以此界线为界，航磁异常值具有北高南低的特征[2]。

⑥嘉山EW向隐伏断裂

根据区域地质、地球物理资料推断，在嘉山存在着一条EW走向的隐伏区域性基底断裂，构成了郯庐断裂中段和南段的构造分界。盆地资料显示，该基底断裂中新生代复活，控制了北部地区断陷盆地的发育，南部地区隆升遭受剥蚀[2]。

(2)断裂带分段特征

根据上述分段界线，可将苏鲁段进一步划分为昌邑—五莲段、汪湖—莒南段、莒南—郯城段、郯城—宿迁段、宿迁—嘉山段等5段。其中莒南—郯城段以方城—临沭断裂为界，又可划分为2个次级分段。断裂带分段特征如表2所示。

表2 断裂带分段特征对比

在上述分段中，东地堑及F5断裂的分段活动性差异对铁路选线具有重要意义。

3.2 新构造单元活动性对比

区域内3个构造单元分区十分明显，具有典型的断块结构特征。沂沭断裂带是区内最为活动的构造单元，以它为界，西侧鲁中南隆起活动性大大减弱，东侧胶莱坳陷和胶南隆起活动性最低。

在新构造运动中，沂沭断裂带各主干断裂几乎都是沿历史深断裂基础上发展起来的，断裂活动具有东西分带，南北分段的特点。自更新世晚期以来，地堑边界深断裂的活动明显减弱，东地堑的构造活动要强于西地堑，新生成的断层F5在东地堑内呈雁列状展布，现代断裂活动以东地堑五莲至宿迁段最为强烈。

4 铁路地质选线与重大工程选址

4.1 铁路地质选线控制因素

(1)活动断裂

F5是区内最重要的全新世活动断裂，根据断裂结构、活动程度及与其他方向断裂的交切关系可分为5段。其中，莒南至郯城段活动性最强，需要在铁路选线中重点考虑。

(2)地震危险区

郯庐断裂带中段的地震活动受新构造单元分区控制，也具有明显的“东西分带，南北分段”的特征[13]。现代地震活动主要分布于东地堑，尤其是莒县—郯城段内，强震主要沿安丘—莒县断裂分布。此外，新断陷盆地对中强以上地震也具有明显的控制作用。

(3)断裂交汇区及新断陷盆地

沂沭断裂带受北西向、近东西向及北东向断裂交切，在晚更新世-全新世断裂带右旋走滑活动中，在断裂带交切部位发育多个拉分断陷盆地[20]，如石埠子盆地、苏村盆地、莒县盆地、临沂盆地、板泉盆地、郯城盆地等。石埠子断陷盆地位于安丘南、贾悦北，受2条平行的NNE向断裂与近EW向贾悦断裂控制，为地堑型新生断陷盆地。莒县新断陷盆地位于莒县东，东侧为第四纪晚期活动的昌邑—大店断裂控制，西侧为安丘—莒县断裂，南界为莒县—中楼断裂，北界为店子集姚家村断裂。第四纪初期盆地开始形成，晚更新世末，新断陷区再次下沉，受东侧边界断裂活动影响，东部下降严重。板泉新断陷盆地位于临沂县与莒南县交界地区，东西边界受F1、F5及F2断裂控制，南北边界受蒙山断裂、板泉断裂及临沂—白旄断裂控制，为新生的地堑式断陷盆地。盆地内0.5 m以下多处埋藏着1668年郯城地震的地裂啧砂遗迹[18]。据盆地剖面，自晚更新世以来至少有3次断裂活动，每次活动可能代表一次大的地震事件。郯城断陷盆地东西边界主要受F1与F4断裂控制，苍尼断裂东延控制盆地的北边缘，南界受近EW向的韩庄断裂控制。苏鲁段内各新生代盆地特征如表3所示。

表3 郯庐断裂带苏鲁段内新生代盆地特征[20]

断陷盆地是活动断裂带中相对活跃的地块，受断裂活动及地震活动的双重影响，断陷区内场地条件较差，为不稳定地段和抗震不利地段。因此，新断陷盆地是活动断裂带铁路选线中需考虑的控制因素之一。

4.2 铁路勘察选线原则与基本流程

充分掌握活动断裂带结构特点及活动性，明确铁路选线地质控制因素，在构造稳定性分区的基础上进行铁路地质选线。活动断裂带勘察、评价及铁路选线设计流程如图5所示。

图5 活动断裂带勘察、评价及铁路选线设计流程

鉴于沂沭断裂带的构造规模及长期活动的性质，为确保铁路工程在预计百年内的安全和稳定，最大限度地减轻断裂活动和地震震害影响，将线位选在构造稳定和对抗震有力的场地和地段，执行以下地质选线原则。

(1)线路优先选择在构造稳定区域内，胶莱坳陷、胶南隆起、鲁中南隆起及汞丹山—沂水隆起均是线路方案可选区域，但要考虑到NW向、NE向及近EW向断裂活动及切割影响。

(2)线路方案应避开全新世活动断裂及影响带，尤其是F5断裂莒南至郯城段。难以绕避时，应在断裂带较窄处以简易工程大角度通过；不宜在断裂密集处、交汇处及活动断裂的端点、拐角处设大中桥、高桥、隧道、高填深挖路基及路堑等难以修复的大型建筑物。

(3)重大工程应避开活动断裂交汇部位和新断陷盆地。石埠、莒县、板泉、郯城等新断陷均是断裂交汇区，也是中强地震易发场所，场地稳定性差，对重大工程易形成威胁，应尽量远离。

(4)线路不宜在东、西地堑内迂回展线，确需长距离平行活动断裂走行时，宜选择在断裂带两侧或中地垒，但不应近距离平行活动断裂破碎带行进，必须跨越时应以简单工程大角度在活动断裂结构简单、破碎带较窄处通过。

(5)线路应避开重大不良地质地段，包括煤矿采空区、覆盖型岩溶发育区等，是线路应避开地段。

最终推荐方案要确保线路所经地区地壳稳定性程度高，工程地质条件好，技术可行及经济合理。

5 工程实践

5.1 以往工程实例

(1)兖石铁路1978年至1980年勘测，线路临沂至莒南横穿沂沭断裂带，以梨杭方案在板泉新断陷北侧通过，使沭河特大桥桥址避开了深断裂及新断陷区。

(2)胶新铁路1998年至2000年勘测，线路招贤至新沂段长约180 km处于沂沭断裂带中，共研究了9条方案，最终采用莒县北方案，线路避开了东地堑南段的不稳定区，以最短的距离穿过东地堑北段的欠稳定区，大部分选择在中部地垒的基本稳定区。

(3)徐盐客专2013年至2014年勘测，勘察选线中利用郯庐断裂带以宿迁为界活动性北强南弱的分段特点，线路选择在宿迁市以南断裂带变窄且活动性较弱的段落以大角度通过，且以路基形式通过全新世活动断裂(F5)。

此外，济青高铁、潍莱客专、潍烟客专在潍坊市北穿越沂沭断裂带，与安丘—莒县断裂在朱里镇以北相交。济青高铁、潍莱客专在与活动断裂相交处选择以有砟轨道路基工程方式通过。

上述铁路选线充分考虑了断裂活动性、新断陷区等控制因素，在活动断裂带分段和构造稳定性分区的基础上进行成功选线，为建立巨型活动断裂带铁路选线原则和途径提供了成功经验。

5.2 某新建高铁工程跨沂沭断裂带选线

某新建高铁为国家“八纵八横”高铁网京沪通道建设的重要组成部分，潍坊至新沂间线路不仅与郯庐断裂带长距离并行，而且要择机穿越整个断裂带，活动断裂带区域铁路选线成为工程建设十分关键的一环。

(1)区域工程地质评价

充分利用前期在该地区的工作成果，选线中考虑了沂沭断裂带“两堑夹一垒”的构造格局，以及断裂带“东西分带，南北分段”分区特点和“东强西弱，南强北弱”的活动特征”。采用高分遥感图像对区域内断裂分布进行重新判释和核对，对铁路穿越活动断裂位置及江苏境内重点地段进行了调查、物探及钻探验证工作，为南段的选线工作奠定了基础。

(2)线路方案比选

结合项目功能定位、沿线经济据点以及活动断裂带影响，研究了三大线路走向方案，分别为西线(经潍坊西、临沂西)方案、中线(经潍坊北、沂水取直)方案和东线(经潍坊北、诸城、五莲)方案。其中，中线方案结合线路走向、临沂市站位选址分别研究了经临沂东方案、经临沂西方案和引入临沂北站方案；东线方案结合与活动断裂带关系、临沂市站位选址分别研究了经临沂东系列方案和引入临沂北站系列方案。经综合比选，推荐中线方案为贯通方案。

(3)贯通方案推荐及措施

贯通方案线路走行于中地堑及构造带外侧相对稳定区域，绕避了安丘—莒县断裂莒县至郯城间最为活动和危险的段落，绕避了北东向断裂与北西向断裂交汇部位，绕避了莒县新构造断陷区及采空区、岩溶塌陷区等不良地质区域。断裂带稳定性分区及贯通方案走向如图6所示。线路推荐方案在临沂以北与鄌郚—葛沟断裂、沂水—汤头断裂相交。选择在新沂市南穿越安丘莒县断裂，避开河流与断裂带交汇位置，以路基形式大角度穿越活动断裂，穿越段落铺设有砟轨道并采取加宽路基、分层铺设土工格栅、优化道床断面及聚氨酯固化道床等措施。

图6 稳定性分区及贯通方案

6 结论

在综合以往铁路勘察工作成果基础上，收集了近年来郯庐断裂带遥感判释、地球物理探测、活动断裂调查、地震活动及地壳变形监测等资料，重点补充了郯城至宿迁段活动断裂调查资料，对郯庐断裂带苏鲁段构造格架、活动断裂特征及地震活动性进行系统分析，进行了新构造区段划分和构造活动性对比，在此基础上，提出了活动断裂带内铁路选线的控制因素、选线原则和工程对策。

(1)郯庐断裂带鲁苏段主干断裂F1、F2、F3、F4形成两堑夹一垒的构造格局，第四纪晚期，边界断裂活动性减弱，活动性主要体现在东地堑中的F5断裂，是铁路选线关注的焦点。区内NW向蒙山山前断裂、苍尼断裂、莒县—中楼断裂等具有新活动性，尤其与NNE向主干断裂交切部位，在铁路选线中应予以高度重视。

(2)NNE向主断裂带受其他方向断裂切割，表现出活动性差异明显的分段分块特征，综合断裂交切关系、地球物理异常、断裂活动性、地震活动性等标志，将苏鲁段划分为5段，莒南—郯城段现代活动性最强，为铁路需绕避的不稳定区；安丘以北及宿迁至嘉山段活动性较弱，是铁路穿越断裂带可选段落；安丘—莒县段及郯城—宿迁段东地堑具现代活动性，需重点考虑F5断裂的影响。各段分界处的断裂交汇部位及在东地堑内发育的新断陷区，是铁路选线中应绕避和重大工程尽量远离的区域。

(3)断裂带及两侧具有典型的断块结构特征，胶莱坳陷和胶南隆起为稳定的构造单元，鲁中南隆起次之，汞丹山—沂水隆起是断裂带中相对稳定的次级单元，为线路方案优先选择的区域；郯庐断裂带为区内活动构造单元，以东地堑活动性为特征，且莒南至郯城段最为强烈，应予以绕避。

(4)提出如下选线原则：线路优先选择在构造稳定区域；应避开全新世活动断裂及影响带；重大工程尽可能远离活动断裂交汇部位和新断陷盆地；不应在两侧地堑内迂回展线；应避开重大不良地质地段。

上述成果可为今后活动断裂带铁路选线设计及运营维护提供借鉴和指导。