安丘-莒县断裂驸马营覆盖区第四纪活动特征

王 雷 许洪泰 王志才 杨传成 张建民 王冬雷 夏 暖 蔡明刚 鲁人齐 任治坤

1)山东省地震局，济南 250014 2)中国地震局地质研究所，北京 100029 3)山东省震灾风险防治中心，济南 250021

0 引言

郯庐断裂带是中国东部规模最大的一条深大活动断裂带，南起广济，向北经安徽、 江苏、 山东，跨过渤海，经东三省，进入俄罗斯境内，在中国境内的长度超过2400km，总体走向N20°E。断裂带由北往南可分为4个段落，即鹤岗—铁岭段、 下辽河—莱州湾段、 沂沭段(沂沭断裂带)和大别山—广济段(郑朗荪等，1988； 李家灵等，1994)。沂沭段从山东、 江苏、 安徽3省通过(图1)，在中生代经历了强烈的左行平移和裂谷活动(高维明等，1980； 徐嘉炜等，1995)，白垩纪期间断裂带表现为大规模的伸展拉张，发育了一系列断陷盆地； 新生代新近纪以来，断裂带发生构造反转，表现为挤压逆冲兼具右旋走滑性质(朱光等，2004)。晚第四纪以来的断裂新活动则主要体现在东地堑内的安丘-莒县断裂上，该断裂从北到南可分为安丘段、 莒县—郯城段和新沂—泗洪段(晁洪太等，1994a，b； 李家灵等，1994)。其中，莒县—郯城段发生了中国东部有史以来震级最大的地震，即1668年郯城8级地震(高维明等，1988； 李家灵等，1994)。近年来，有学者针对安丘-莒县断裂中、 南2段的最新活动时代、 长期滑动速率、 古地震规律等方面开展了大量研究工作(Jiangetal.，2017； 杨源源等，2017； 曹筠等，2018； 李康等，2019； 张鹏等，2019； 计昊旻等，2021)。在安丘段可能发生了公元前70年6月1日(汉宣帝本始四年四月壬寅)安丘7级地震(李善邦，1981； 朱书俊等，1991； 王志才等，2005，2015)。尽管目前仍没有发现与此次地震对应的地震断层，但安丘-莒县断裂在昌邑—安丘一带的新活动迹象十分明显，沿断裂发育了一系列呈NNE走向的丘陵或潜凸(徐建国等，2019)以及受断裂活动控制的第四纪盆地。已有研究表明，安丘-莒县断裂是晚更新世—全新世活动断裂，由多个分段组成(宋方敏等，2005； 王志才等，2005，2015； 王雷，2016； 晁洪太等，2018； 蔡明刚等，2021)。由于这些研究工作主要集中于受到天然剥蚀和人工破坏较为严重的断裂出露区，所保留的断裂新活动的信息较少，故目前对于安丘段的最新活动时代、 错断地层和古地震等方面的约束不够精细。为此，我们自2016年起采用浅层人工地震勘探和钻孔联合剖面探测这2种研究隐伏活动断层最有效的手段(邓起东等，2003； 柴炽章等，2006； 雷启云等，2011)在潍坊市昌邑、 安丘一带的断裂隐伏区开展了活动断层探测研究(1)山东省地震工程研究院，2020，安丘-莒县活动断层(潍坊段)综合探测与地震灾害风险评估技术报告。。

图1 潍坊段沂沭断裂带及邻区的地质图

安丘-莒县断裂安丘段由东、 西2支活动断裂组成，大部分处于隐伏状态，潍坊市坊子区驸马营地区是安丘段的多个隐伏区之一。本文在驸马营地区开展了详细的地质地貌调查、 浅层人工地震勘探、 钻孔联合剖面探测和探槽开挖等工作，查明了驸马营地区安丘-莒县断裂的空间展布、 盆地沉积分布和最新活动特征，希望为后期的地震危险性评价等工作提供依据。

1 地质概况

坊子区驸马营地区及其东侧均为第四系临沂组、 寒亭组覆盖，但其南、 北两端及西侧均有白垩系基岩出露。根据前人成果和地质地貌调查，发现安丘-莒县断裂在驸马营附近由西支F5-1和东支F5-22条主要的分支断裂组成。断裂西支F5-1在眉村与南流之间大致构成了西侧丘陵与东侧平原之间的界线； 断裂东支F5-2主要出露在南端穆村附近太公堂山的东坡以及北端朱里附近丘陵的东坡(图2)，而在朱里与穆村之间，即本文中的驸马营地区，断裂东支F5-2处于隐伏状态。下面将分别介绍断裂西支F5-1和东支F5-2的出露情况。

图2 驸马营地区的断裂展布

断裂西支F5-1出露，由北向南经眉村镇西、 院上、 西庄子西、 双官埠村东等地，长约10km，总体走向N15°E，倾向E，剖面上表现为正断性质。西支断裂构成了西侧丘陵与东侧平原之间的界线，一般在剖面上断裂西侧为白垩纪砂砾岩或火山碎屑岩； 东侧为第四系，主要成分为黄色粉质黏土或粉砂、 粉土。

在眉村镇西庄子村西的断裂剖面中(图3a)，断裂错断了晚更新世黄色粉土层(王志才等，2005)。在上盘黄色粉土层中间偏下的位置取测年样品，其光释光测年结果为(103.2±12.7)kaBP。

图3 安丘-莒县断裂露头地质剖面

在双官埠村东南的断裂剖面中(图3b)，断裂带西侧是白垩系青山组灰紫色火山碎屑岩，东侧是第四系，表现为正断性质。剖面可见厚0.6m的灰黑色砂砾土覆盖层，未发现断错迹象。上盘黄色粉土的光释光测年结果为(72.7±6.3)kaBP，细粉砂的光释光测年结果为(93.1±10.8)kaBP(王志才等，2005)，表明安丘-莒县断裂西支F5-1眉村—双官段的最新活动时代为晚更新世中—晚期。

在驸马营地区断裂东支F5-2在朱里与穆村之间处于隐伏状态，在朱里以北和穆村以南出露地表。该断裂从朱里村向N经朱里方家屯、 朱里镇西、 后埠下村和前埠下村西、 前后巡栈村西、 上游村等地，整体走向N15°E，倾向以E为主，倾角为60°～80°，剖面上表现为正断或逆冲活动特征。该断裂在地貌上构成西侧丘陵与东侧平原的分界，西侧丘陵出露白垩系火山碎屑岩、 粉砂岩，东侧为第四系细粉砂、 粉砂质黏土(王志才等，2005)。例如，在朱里镇国道G309北侧，可见东支F5-2断裂在NNE走向的山丘东坡出露，显示为正断性质，断裂面倾向W，倾角约为75°(图3c)。

在穆村以南，断裂东支F5-2沿NNE走向太公堂山的东侧山坡发育，经穆村镇、 太公堂村西、 丁村西等地，断裂走向约为N20°E，倾向W，构成了白垩系与东侧第四系的分界。在镇南的一条冲沟中见安丘-莒县断裂出露(图3d)，发育在王氏组的砂砾岩和泥岩之中，断裂破碎带宽30～50m，东侧是暗紫色的砂砾岩，西侧是紫红色的泥页岩和粉细砂岩； 剖面中断层面总体W倾，倾角约为70°。在穆村西一冲沟的Ⅱ级阶地剖面上，见含姜结石粉质黏土层受断层活动影响发生1.6m的垂直位移，该层的释光测年结果为(41.3±3.4)kaBP，显示断裂的最新活动时代为晚更新世中期(3)中国地震局地质研究所，2006，安丘-莒县、 昌邑-大店断裂活动性调查总结报告。。

2 断裂特征

本文针对安丘-莒县断裂的驸马营隐伏区开展了纵波反射法浅层人工地震勘探。利用WTC5140TZY型可控震源车和美国FAIRFIELD Zland地震数据采集系统，采用排列首激发、 偏移距为24m的观测系统，道间距为2m、 炮间距为8m，接收道数为72道，覆盖次数为9次。布设了L1、 L2和L33条测线，并根据浅震L3剖面布设了1排跨断层联合钻孔剖面。此外，为探明钻孔剖面揭露的浅地表上断点埋深和浅层断裂特征，又进行了槽探。

2.1 断裂西支F5-1

图4 安丘-莒县断裂眉村镇北的浅层地震(L1)剖面

L2测线位于L1测线南约2km的庄家庄村东(图2)，近EW向，长约750m。地震剖面显示有多条强反射波组，分别标注为TQ、 T1、 T2、 T3和T4，其中TQ为第四系底界，基岩反射波组T1、 T2、 T3为白垩系内部界面，T4为白垩系底界(图5)。西支断裂F5-1位于桩号368附近，其两侧同相轴差异明显，显示西侧的第四系较薄，下部变形较强的地层可能是由白垩纪地层构成的背斜构造。东侧4条反射波组表现稳定，TQ向E水平连续，显示断裂东侧的第四系覆盖较厚，约为20m，其下为白垩纪地层。

图5 安丘-莒县断裂的浅层地震(L2)剖面

2.2 断裂东支F5-2

2.2.1 浅层人工地震勘探

本研究跨东支F5-2断裂布设了L1、 L3浅层地震测线(图2)。在测线L1剖面上，位于隐伏的基岩隆起部分大致对应于朱里附近的NNE向丘陵(图2)，但东支断裂F5-2在L1测线上呈W倾状态，明显错断了第四系，其西侧的第四系厚度明显大于东侧(图4)，与朱里附近第四系东厚西薄的情形相反。

图6 安丘-莒县断裂驸马营浅层地震(L3)剖面

2.2.2 驸马营钻孔剖面

针对在浅层地震L3剖面上发现的东支F5-2断裂异常点，在驸马营村东南的一条农耕路上进行了联合钻孔剖面探测(钻孔剖面编号FM)，共布设5个孔(Z1—Z5)，钻孔间距为5.0～20.0m。使用XY-150型钻机采用回旋钻进泥浆护壁的方法施工，在钻探深度20m内，每回次进尺不大于1m； 从20m往下，每回次进尺不大于2m。进行详细编录的同时，在方格纸上以剖面图的形式实时记录各孔的岩性沉积旋回、 标志层等变化情况，分析地层展布与错断等信息，并采用折中逼近法确定下个孔的位置。

图7 安丘-莒县断裂驸马营钻孔联合探测剖面

表1 驸马营钻孔联合剖面光释光(OSL)样品的测年结果

驸马营FM钻孔剖面显示，断裂从Z4与Z5钻孔之间通过，全新统上部w1层分布连续、 稳定，基本呈水平状分布，未见错动现象。w1以下各层均发生明显错断，地层东升西降，并且向下落差逐渐增大： 全新统下部黑土湖组w2层底界有一定变化，落差约为0.95m； 上更新统w4、 w5、 w6层的落差分别约为3.1m、 5.05m、 10.1m。在w7层以下，东盘缺失中更新统(w8—w10)和下更新统(w11—w13)，上更新统与白垩系不整合接触； 而西盘的中、 下更新统的总厚度>55m。根据上述的地层错断及附近的地质地貌现象分析认为，安丘-莒县断裂的东支F5-2为走滑兼正断性质，最新活动时代为全新世，其在驸马营隐伏区的上断点位于全新统下部，在FM剖面上的埋深为4.2～6.9m。

2.2.3 探槽剖面

为了解上部临沂组地层受到断裂活动影响的情况，跨Z4、 Z5钻孔开挖阶梯状探槽，探槽走向EW，长约21m，开口宽约5m，最深处约5m。详细地层描述如下：

如图8a 所示，U1为表层耕作土； U2为土黄色粉土层； U3为浅黄色粉土层，厚约5cm； U4为褐黄色粉质黏土，局部内含粉土夹层，厚2～3cm； U5为浅黄色粉土，厚10～15cm； U6为褐黄色粉质黏土，上部含条带状粉土夹层； U7为褐色粉质黏土，内部含粉土夹层； U8为黑色淤泥层，内部可见植物腐烂根系及贝壳； U9为黄色粉土—粉细砂层； U10为黑灰色黏土层，硬度较U8黑色淤泥层更大，为隔水层，挖穿该层后地下水外渗(图8b)。

探槽两壁的地层基本一致(图8a，e)，揭露地层较为简单，各地层呈水平接触。但在探槽底部可见条带状砂脉进入U8淤泥层，黏土以团块状或柱状混入底部U9粉砂层(图8c，d)，呈混杂堆积状。层U8黑色淤泥层总体表现为东侧薄、 西侧厚，两侧底界落差约为0.35m(图8a)，该现象在探槽南壁更突出，落差达0.6m(图8f)。结合钻孔探测结果推测，探槽底部层U8黑色淤泥底界的落差很可能与地震事件有关，并且可能主要与该层淤泥沉积不久前的地震造成的地形差异有关。

图8 安丘-莒县断裂驸马营探槽剖面

3 讨论

3.1 第四纪断裂活动与盆地沉积

本次获得的地质地貌调查、 浅震勘探和钻探研究成果表明，安丘-莒县断裂的西支F5-1和东支F5-2均错断了第四系，2条分支断裂在驸马营覆盖区构成了不对称地堑式的盆地构造。根据钻探和浅震资料绘制的第四系等厚线显示(图2)，东支断裂F5-2东侧的第四系厚度一般为10～40m，近断裂处约达60m，但在断裂西侧第四系厚度可达160m以上，第四系等厚线沿东支断裂F5-2呈NNE向的紧密线形分布，显示东支F5-2断裂对于第四纪早—中期地层的分布具有强烈的控制作用。位于断裂西侧的钻孔Z1和Z4岩心中见下更新统和中更新统，主要为粉质黏土、 粉砂、 中细砂，而断裂东侧的钻孔中缺失下更新统和中更新统，仅发育上更新统，表明驸马营盆地在第四纪早期和中期一直接受沉积，具有断陷盆地的特点； 在晚更新世以后，断裂东侧开始与西侧一起接受沉积，两侧的差距变小。因此，在第四纪早—中期安丘-莒县断裂东支F5-2的活动明显强于断裂西支F5-1，在驸马营覆盖区的第四纪盆地发育过程中占主导地位，控制了第四系分布。

在山东南部的莒县—郯城之间，东地堑内的F5断裂(安丘-莒县断裂)在第四纪以来发生了明显的右旋走滑和相关的断陷盆地活动(高维明等，1988； 郑朗荪等，1988； 晁洪太等，1994a； 李家灵等，1994)。郯庐断裂带在江苏新沂、 宿迁等地也表现出类似的右旋走滑活动特征，其中最新活动的F5断裂往往由2、 3支高倾角且以右旋走滑活动为主兼有倾滑分量的断层组成，形成了明显的断陷盆地，第四系厚度约达300m(许汉刚等，2016； 曹筠等，2018； 秦晶晶等，2020)。因此，以上事实表明，郯庐断裂带的整个南段在第四纪以来的构造活动是普遍的，主要表现为沿F5断裂的右旋走滑活动。

3.2 断裂的最新活动特征与公元前安丘7级地震

在驸马营地区安丘-莒县断裂西支F5-1断裂在地形地貌上更明显，大致构成了西侧丘陵与东侧平原之间的界线(图2)，在目前所见到的剖面上均为通天断层，明显错断晚更新世地层(图3)。因此，可以确定其在晚更新世是活动的，至于在全新世是否还有活动则需要更确切的证据。东支F5-2断裂在钻探剖面中表现出上断点位于全新统下部(图7)，因此可以确认其最新活动时代为全新世早期。根据表1 和图7 中所示的地层时代和断距可大致估算出其在晚更新世以来的垂向位移速率约为0.1mm/a，如果假设水平位移与竖向位移的比例为2︰1～3︰1，则水平位移速率为0.2～0.3mm/a，显然这一数值远小于利用冲沟位错方法得到的莒县以南段0.7～3mm/a的水平位移速率(Jiangetal.，2017； 李康等，2019)。

根据历史地震资料推测的公元前70年安丘7级地震的震中就位于郯庐断裂带内(李善邦，1981； 朱书俊等，1991)，其发震断层有可能就是莒县以北的安丘-莒县断裂(王志才等，2015)。然而，目前尚未发现与之相关的同震地表破裂带等证据。本文在驸马营地区发现安丘-莒县断裂错断了全新统下部地层，中上部层位(距今2100a以来)没有明显的错断迹象，说明这次地震沿安丘-莒县断裂没有产生同震地表破裂带或未延伸至驸马营地区。

4 结论

安丘-莒县断裂是郯庐断裂带东地堑内的一条NNE向活动断裂，曾发生1668年郯城8级地震和公元前70年安丘7级地震，第四纪以来该断裂发生了明显的右旋走滑。

在驸马营地区，安丘-莒县断裂由西支F5-1和东支F5-2断裂组成，其构成了不对称地堑式盆地的东、 西边界断裂，在第四纪早—中期东支F5-2断裂的活动明显强于西支F5-1断裂，主导并控制了第四系沉积分布。根据地质地貌调查、 浅层工人地震勘探、 钻探和探槽研究得到的确切的错断地层证据，在驸马营地区的安丘-莒县断裂东支F5-2的最新活动时代为全新世早期，西支F5-1的最新活动时代为晚更新世； 安丘-莒县断裂没有错断全新统中上部层位，说明全新世中晚期以来该断裂在这一地区没有发生错断地表的活动。因此，对于公元前70年安丘地震的发震构造等问题还需要进行更进一步的研究。

致谢文中的14C 样品测试在BETA实验室完成，光释光样品测试在山东省地震局年代学实验室完成； 论文使用了作者参加的安丘-莒县活动断层(潍坊段)综合探测与地震灾害风险评估工作所获得的成果，相关工作得到了山东省地震工程研究院李韬主任、 吴子泉院长、 倪永进博士、 徐太保、 徐文星等同事的帮助； 审稿专家提出了宝贵而中肯的修改意见。在此一并表示感谢！