郯庐断裂南段怀远—池河北西向断裂的第四纪活动性——来自韭山东北缘的地质证据

方良好，路硕，疏鹏，潘浩波，戚浩，王扬帆，汪凡

1)安徽省地震局，合肥，230031； 2)安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽蒙城，233500；3)安徽省震灾风险防治中心，合肥，230031

内容提要: 怀远—池河断裂与郯庐断裂带南段相交，处在郯庐断裂带活动性逐渐减弱的地段。为获取断裂活动的地质证据，选取安徽韭山东北缘进行地貌调查、探槽开挖、年龄样品测试等工作。研究表明，韭山东北缘的线性地貌受断裂活动控制，在调查揭示的多个剖面中，断层表现出一致的活动性质，走向NW，倾向NE，倾角70°左右，具有正断性质；断层垂直断距在第四系中由下往上逐渐变小，直至消失在第四纪覆盖层中，说明断裂具有多期活动，进入中更新世后活动性逐渐减弱。通过跨断层探槽剖面分析及测年结果可知，断层最新活动错断了中更新世地层，上覆的中更新世顶部地层及晚更新世地层未受影响，说明该断裂是一条中更新世断裂，晚更新世以来不活动。怀远—池河断裂的活动情况与其所在地区的新构造环境有关。郯庐断裂带是本区规模最大的控制性构造，它的活动性对区内其他断裂具有重要影响，断裂带明光以南段最新活动时代为中更新世，受其影响，与它相交的怀远—池河断裂最新活动时代也表现为中更新世。这或是蚌埠—凤阳地区以中小地震活动为主的一个构造背景。

郯庐断裂带是一条穿越我国东部多个大地构造单元的巨型断裂带，总体呈北北东走向，绵延2400多千米，是一条重要的控矿构造带，也是地震活动带(国家地震局地质研究所，1987)。沿郯庐断裂带分布有一系列的北西向横向断裂，它们与郯庐断裂斜交，形成剪切破裂系统(徐杰等，2003)。这些北西向断裂对郯庐带的分段(高维明等，1991；李家灵等，1994；徐杰等，1999；晁洪太等，1998；姜文亮等，2011；熊振等，2016)、地震孕育和破裂(晁洪太等，1998；熊振等，2016；朱艾斓等，2018)起着重要的控制作用。

图1 郯庐断裂带南段区域构造图(a)及溧阳—明光(嘉山)—商丘—新乡断裂带展布简图(b)(改自徐杰等, 1997, 2003)Fig. 1 Regional tectonic map of the southern section of the Tan-Lu (Tancheng—Lujiang) fault zone (a) and distribution of Liyang—Mingguang—Shangqiu—Xinxiang fault zone (b) (modified from Xu Jie et al., 1997&, 2003&)F1：怀远—池河断裂；F2：涡河断裂；F3：明龙山—上窑断裂；F4：桥头集—东关断裂；F5：自来桥—来安断裂；F6：湖熟—溧阳断裂；F7：板桥—南渡断裂；F8：郯庐断裂带；F9：黄栗树—马厂断裂；F10：滁河断裂；F11：固镇—怀远断裂；F12：太和—五河断裂；F13：颍上—定远断裂F1: Huaiyuan—Chihe fault; F2: Guohe fault; F3: Minglongshan—Shangyao fault; F4: Qiaotouji—Dongguan fault; F5: Zilaiqiao—Laian fault; F6: Hushu—Liyang fault; F7: Banqiao—Nandu fault; F8: Tan-Lu fault; F9: Huanglishu—Machang fault; F10: Chuhe fault; F11: Guzheng—Huaiyuan fault; F12: Taihe—Wuhe fault; F13: Yingshang—Dingyuan fault

怀远—池河断裂位于溧阳—明光(嘉山)—商丘—新乡断裂带内，与郯庐断裂带相交。该断裂在蚌埠—凤阳一带的重、磁异常图上有明显显示，是一条规模较大的断裂(汪青松，2014)，但对其第四纪活动性方面的研究程度较低。本文以怀远—池河断裂为研究对象，在安徽韭山东北缘一带，通过地貌调查、探槽开挖、年龄样品测试等工作，获取了该断裂第四纪活动的可靠地质证据。其研究成果不仅可提高对怀远—池河断裂第四纪活动性的认识，也可为进一步研究郯庐断裂带南段活动性分段和最新活动时代提供科学依据。

1 区域概况

怀远—池河断裂位于安徽省东北部，区域上处在华北板块南部。郯庐断裂带是本区的控制性构造，区内由多支主干断裂组成(万桂梅等，2009；汪青松等，2020)，其中活动性最强的一支为池河—太湖断裂(F8-3)(图1a)。区域内郯庐断裂带具有分段活动特征，活动性由北向南逐渐减弱，在淮河以北，普遍认为具有晚更新世晚期—全新世活动性(张鹏等，2007，2015；曹筠等，2015；许汉刚等，2016；杨源源等，2016；赵朋等，2017a)；向南穿越淮河至安徽明光女山湖以北仍然具有晚更新世—全新世活动性(姚大全等，2012，2017；赵朋等，2017b；杨源源等，2017)；断裂在明光(嘉山)以南经池河镇进入合肥盆地，地貌特征与其北部明显不同，最新活动为中更新世(秦晶晶等，2018；杨源源等，2019；郑颖平等，2020；方良好等，2021)。怀远—池河断裂即处在郯庐断裂带活动性逐渐减弱的地段，经过蚌埠古隆起、淮南断褶带、合肥盆地北端及张八岭隆起等不同的构造单元，在明光(嘉山)南池河镇一带与郯庐断裂相交(图1a)。

怀远—池河断裂所在区地貌上位于江淮波状平原与淮北平原的过渡带上，区域地层属于华北地层区淮河地层分区，地层从上太古界至第四系，除缺失中奥陶统至中石炭统及中上三叠统外，其余发育比较齐全。区域内第四系分布广泛，上更新统和全新统大面积覆盖地表。第四系成因类型以冲积为主，其次为冲洪积、冲湖积、坡洪积等。沉积厚度的变化，严格受地形地貌和新构造运动的控制。淮河以南隆起区，第四系厚度一般小于40 m，残丘的坡麓及山凹处，仅有数米厚；沿淮及淮河以北，由于沉降幅度的差异，第四系厚度由东向西，由南向北从几十米至一百多米不等。第四纪地层时代划分及岩性见表1(安徽省地质矿产局，1987)。

表1 郯庐断裂南段第四纪地层简表

2 断层基岩地质剖面特征

怀远—池河断裂北西起至怀远，向南东经蚌埠、凤阳南、红心铺，在池河镇一带与郯庐断裂带相交，而后进入张八岭。断裂具有一定的线性特征，沿一系列丘陵、残丘边缘展布(图1a)，其中断裂在韭山东北缘的线性特征最为明显，构成了明显的丘陵与波状平原的界线(图2)。为了确定断裂较准确的位置，我们在韭山东北缘进行了详细追踪，在断裂经过的采石场、工程剥离剖面中发现了多个典型的基岩地质剖面，很好地确定了断层在地表的位置。

图2 郯庐断裂南段韭山东北缘影像图Fig. 2 Satellite image map of the northeastern margin on Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

红心铺西殷家附近的一采石坑揭露出怀远—池河断裂(图3，位置见图2中R1点)，剖面中断层产状为295°/NE∠70°，断层破碎带发育在元古代石英砂岩中，宽0.3～0.5 m，由岩石碎块及粉末组成，胶结程度低，沿断面可见较新鲜细腻的断层泥。

图3 郯庐断裂南段韭山东北缘殷家附近基岩断层剖面Fig. 3 Bedrock fault profile near Yinjia in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

红心铺南山赵附近一乡村开挖的公路也揭露出该断裂(图4，位置见图2中R2点)，剖面中可以明显地看出，断层切割了白垩纪中厚层状细砂岩(图4中层U1)和薄层状泥质粉砂岩(图4中层U2)的界线；现场观察断面较平直光滑，受断层影响， 中厚层状细砂岩(图4中层U1)较破碎；该剖面中断层产状为315°/NE∠70°，具有正断分量，垂直断距约1.1 m。

图4 郯庐断裂南段韭山东北缘山赵附近基岩断层剖面Fig. 4 Bedrock fault profile near Shanzhao in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

怀远—池河断裂在不同的基岩地质剖面中表现出一致的性质，剖面中均揭露出断层走向NW，倾向NE，倾角70°左右，在山赵基岩断层剖面中还显示出正断性质。断层的位置处在现代地貌的分界线上，走向也与其一致，这些发现进一步证实了该处的线性地貌受断裂活动的控制。

3 断层探槽剖面特征

在前述工作的基础上，为进一步研究断层的第四纪活动性，我们在断层沿线第四系较发育的地方，开挖了2个大型地质探槽(位置见图2中T1和T2点)，通过对探槽剖面的分析，发现怀远—池河断裂在第四系中的活动行迹明显，结合断层上覆地层以及被断错地层的年龄限定其活动时代。

3.1 殷家探槽剖面(T1)

殷家探槽位于韭山东北缘殷家附近，距离断层基岩观察点(R1)约1.2 km，处在基岩断层的延长线上，该点附近断层线性特征较明显。我们选择第四系较发育的地方，垂直断层走向开挖了一个探槽，探槽布置方向200°，长约16 m，宽约2.5 m，深3.0～3.5 m(图5)。

图5 郯庐断裂南段韭山东北缘殷家探槽(T1)附近地貌Fig. 5 Landforms near Yinjia trench (T1) in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

该探槽北西、南东两壁揭示现象一致，以南东壁为例，探槽中有7套地层(图6)。U1为土黄色耕作层，含植物根系；U2为褐黄色粉质黏土层，含少量小砾石，该层成份较均一；U3为深灰至暗黄色粉质黏土层，含较多铁锰质小球及少量小砾石；U4为暗黄色粉质黏土层，含少量铁锰质条带；U5为暗黄至暗红色黏土层，含灰色黏土质条带及少量小砾石；U6为暗黄至暗红色黏土层，含灰色黏土质条带，底部含较多小砾石，该层较U5松散；U7为碎石层，由碎石及粉土组成，杂乱堆积，碎石磨圆度差，呈棱角状，该层未见底。

图6 郯庐断裂南段韭山东北缘殷家探槽(T1)剖面照片及地质解译图Fig. 6 Photos and geological interpretation map of the Yinjia trench(T1)in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

为了确定各地层的沉积年代，在相应层位采集了光释光(OSL)年龄样品和电子自旋共振(ESR)年龄样品(图6)，测试结果分别见表2和表3。

表2 郯庐断裂南段韭山东北缘殷家探槽(T1)剖面和山赵探槽(T2)剖面光释光(OSL)样品测试结果Table 2 OSL dating results of samples from the Yinjia trench(T1) and Shangzhao trench(T2) in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

表3 郯庐断裂南段韭山东北缘殷家探槽(T1)剖面和山赵探槽(T2)剖面电子自旋共振(ESR)样品测试结果 Table 3 ESR dating results of samples from the the Yinjia trench(T1) and Shangzhao trench(T2) in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

光释光测年(简称OSL)是释光测年方法中的一种。释光测年以矿物晶体的电离辐射效应为基础，矿物晶体的释光信号强度与该矿物吸收的环境电离辐射(α、β、γ和宇宙射线)剂量呈正相关关系。对于沉积物OSL测年，若在沉积过程中沉积物的石英等矿物的OSL信号已被阳光或日光衰退归零，同时沉积后石英等矿物处于基本恒定的电离辐射场即环境辐射剂量率基本恒定，那么，石英等矿物的OSL信号强度与矿物所吸收的电离辐射剂量的时间成正相关的函数关系，沉积地层的年龄就可通过测定石英等矿物天然OSL信号强度所对应的等效剂量和环境剂量率来获得。电子自旋共振(简称ESR)也称为电子顺磁共振，当晶体矿物受放射性辐照时，电子被激发，并被晶格中的缺陷俘获，成为不成对电子。每一个缺陷只能俘获一个电子。ESR谱仪测量晶体中的不成对电子(也称顺磁中心)数目。根据顺磁中心数目反推样品所经历辐照的时间长度，即地质年龄。

根据测年结果及区内第四系岩性特征判断U1为全新世地层，U2和U3为晚更新世地层，U4、U5、U6和U7为中更新世地层。

由殷家探槽剖面可知，怀远—池河断裂在该处的新活动影响到了第四系，具有正断分量，层U5和U7的界线有明显错动，垂直断距约0.3 m，而上覆的层U4和U3较平稳，未受断层活动影响，结合不同层位的年龄测试结果，判定断层活动时代介于(413±41)ka和(172±17)ka之间，为中更新世断层。

3.2 山赵探槽剖面(T2)

山赵探槽位于韭山东北缘山赵附近，距离断层基岩观察点(R2)约290 m，处在基岩断层的延长线上，该点附近断层线性特征较明显。我们选择第四系较发育的地方，垂直断层走向开挖了一个探槽，探槽布置方向215°，长约15 m，宽约2.5 m，深3.5～4.0 m(图7)。

图7 郯庐断裂南段韭山东北缘山赵探槽(T2)附近地貌Fig. 7 Landforms near Shanzhao trench (T2) in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

该探槽北西、南东两壁揭示现象一致，以南东壁为例，探槽中有6套地层(图8)。U1为土黄色耕作层，含植物根系；U2为灰黄色黏土层，含少量铁锰质小球粒；U3为黄褐色粉质黏土层，含较多灰色泥质条带；U4为褐黄色粉质黏土层，含少量的灰色泥质条带，下部含少量小砾石；U5为灰褐色含砂砾粉质黏土层；U6为深灰色泥岩，与上覆地层差异较大，界线明显。

图8 郯庐断裂南段韭山东北缘山赵探槽(T2)剖面照片及地质解译图Fig. 8 Photos and geological interpretation map of Shanzhao trench(T2)in the northeastern margin of Jiushan Mountain, southern section of the Tan-Lu fault zone

为了确定各地层的沉积年代，在相应层位采集了光释光(OSL)年龄样品和电子自旋共振(ESR)年龄样品，取样位置见图8，测试结果分别见表2和表3。根据测年结果及区内第四系岩性特征判断U1为全新世地层，U2为晚更新世地层，U3、U4和U5为中更新世地层，由区域地层资料判断U6为古近纪地层。

由山赵探槽剖面可知，怀远—池河断裂在该处的新活动影响到了第四系，具有正断分量，多套地层(U4、U5和U6)都有明显地错动，其中层U4和U5的界线垂直断距约0.2 m，层U5和U6的界线垂直断距0.3 m，而上覆的层U3和U2较平稳，未受断层活动影响，结合不同层位的年龄测试结果，判定断层活动时代介于(236±23)ka和(194±28)ka之间，为中更新世断层。

4 结论与讨论

在安徽韭山东北缘，怀远—池河断裂位于丘陵与波状平原的过渡带上，断裂的宏观线性特征较明显。通过对该段的地表追踪调查，我们发现断裂在不同的基岩地质剖面中表现出一致的性质，在山赵基岩断层剖面中还显示出正断分量。由断层剖面确定的断层位置及走向与该段的线性地貌相吻合，这也进一步说明了该处的线性地貌受断裂活动的影响。由本次跨断层开挖的2个地质探槽可以发现，进入第四纪后，断层仍然有一定的活动。我们对2个地质探槽进行了详细描述和分析，并系统采集、测试了地层年龄样品。2个探槽剖面中，断裂均表现出正断层性质，并且下部断距明显，约0.3 m，往上断距逐渐减小直至消失在第四纪地层中。两个剖面中的测试结果较连续，由下往上逐渐变新，指示剖面中沉积了中更新世以来的地层，缺失下更新统，再结合该区的地层岩性特征，我们在探槽T1中划分出7套地层，在探槽T2中划分出6套地层。根据断裂与地层的切割、覆盖关系，殷家探槽(T1)中断层切割了U5、U6和U7，被上面的U4、U3、U2和U1覆盖；山赵探槽(T2)中断层切割了U4、U5和U6，被上面的U3、U2和U1覆盖；结合相应地层的年龄，获取了怀远—池河断裂第四纪活动的地质证据和时代。根据本次工作，初步得到以下结论。

(1)怀远—池河断裂控制了韭山东北缘的线性地貌，本次调查揭示的多个剖面中，断层表现出一致的性质，走向NW，倾向NE，倾角70°左右，具有正断性质。

(2)断层垂直断距在第四系中由下往上逐渐变小，直至消失在第四纪覆盖层中，说明怀远—池河断裂具有多期活动，中更新世后活动性逐渐减弱。

(3)通过跨断层探槽剖面分析及地层测年结果可知，断层最新活动错断了中更新世地层，上覆的中更新世顶部地层及晚更新世地层未受影响，说明怀远—池河断裂是一条中更新世断裂，晚更新世以来不活动。

郯庐断裂带南段怀远—池河断裂的活动情况与断裂所在地区的新构造环境有关。在新构造期，我国大陆东部地壳处于东西两侧受压的构造环境，形成北东东—南西西至近东西向的近水平区域构造应力场(朱光等，2002；周翠英等，2005)。在这一构造应力场的作用下，区域内的北西和北东向断裂带表现出共轭错动的特征，构成新构造期的地壳共轭剪切破裂系统(徐杰等，2003)。本文所研究的怀远—池河断裂是区域性北西向断裂带溧阳—明光(嘉山)—商丘—新乡断裂带的组成部分，在明光以南与北东向的郯庐断裂带相交，在区域构造应力场的作用下，两者具有共轭特征，活动性具有内在的关系。

据野外探测结果、历史与现代地震活动性，普遍认为郯庐断裂带南段总体活动较弱，没有超过M6级以上的地震记载(朱艾斓等，2018)。近年来，对郯庐断裂带明光以南段开展的基础地质工作表明，郯庐断裂带明光以南最新活动时代为中更新世(秦晶晶等，2018；赵朋等，2018；杨源源等，2019；郑颖平等，2020；方良好等，2020，2021)。郯庐断裂带是本区规模最大的控制性构造，它的活动性对区内其他断裂具有重要影响，断裂带明光以南段最新活动时代为中更新世，受其影响，与它相交的怀远—池河断裂最新活动时代也表现为中更新世。这或是蚌埠—凤阳地区以中小地震活动为主的一个构造背景因素。