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郯庐断裂带在中国东部的大地构造格架上占据非常重要的地位,它切割深,延伸远,演化时间长,对所在区域的地质、地震、矿产富集等有着重大影响。宿迁作为苏北最重要的城市,郯庐断裂带穿城而过,其存在和活动性使区内土木工程设计和施工受到不良地质条件影响。
郯庐断裂带因在江苏境内覆盖严重,露头较差,前人研究多将其归并到整个带的研究之内,作为整个断裂带活动性强弱的转折点,宿迁段郯庐断裂带的活动性和宿迁地区构造应力场的研究相对薄弱。随着城市建设的快速发展,需要提供更为可靠的场地稳定性和地震安全性评价的依据。因此,影响宿迁城区地质条件最大的郯庐断裂带在本段的活动性研究、宿迁地区应力场特征及宿迁所处的特殊构造部位的研究必然需要加强。
分析宿迁城区段郯庐断裂带的活动性,研究宿迁地区现今构造应力场的特征及其应力分布规律,探讨这种局部构造应力场的形成机制,深化对宿迁所处构造部位的认识,既具有为区域工程场地安全性评价实践服务的现实意义,又有促进对华北地区现今构造活动机制,地震发生机制和区域稳定性研究的重要理论意义。
本文在前人研究工作和已有成果的基础上,利用新的研究成果和新的研究资料,分析郯庐断裂带江苏段的活动性,获得了宿迁地区现今构造应力背景场,采用有限元数值模拟的手段分析宿迁城区段郯庐断裂带活动性的现今构造应力场,总结和得到了如下认识:
(1)郯庐断裂带江苏段第四纪活动性特征
通过对本区前人野外地质剖面分析、新构造运动特征分析、地球化学探测与构造年代学分析、形变特征分析以及遥感影像分析,认为郯庐断裂带江苏段在第四纪新构造运动时期有过活动,表现为右旋走滑拉张性质,但总体活动性不强。因为区内北西向断裂的分割、控制和调节,郯庐断裂带江苏段分段差异性明显,以宿迁为界活动性北强南弱。北西向断裂为左旋走滑性质,控制区内小型河流的流向。从地震震中分布情况看,宿迁以北郯庐断裂带周围地震活动性也较强。
(2)研究区区域构造应力场特征
将最新的断层滑动、连续应力应变、水压致裂、钻孔崩落和应力解除数据作统计分析,玫瑰花图解显示,研究区受近东西向挤压应力和近南北向拉张应力作用。形变特征同样反映出研究区类似的应力状态,并且地壳垂直运动速率图显示郯庐断裂带江苏段整体活动性不强和以宿迁为中心活动性具分段差异性的特点。而根据反映区域现今构造活动性的地震震源机制解资料分析,研究区P轴优选方位85°和276°;T轴优选方位为184°和357°,P、T轴仰角不大,震源应力水平分量占主导,最大主应力方向为近东西向。
(3)现今构造应力场对宿迁地区及宿迁城区段郯庐断裂带活动性的影响
为了更深入全面的获取宿迁地区现今构造应力分布特征,得到宿迁城区所处特殊构造部位和郯庐断裂带活动性的新认识,本文运用有限元数值模拟的手段,对宿迁及其邻区和宿迁城区分别作了应力场模拟。
宿迁及其邻区模拟结果显示:从位移云图上,可以清楚的看到南北部地区位移的分布状况,具有明显的分区性和差异性特征,其X、Y方向的位移差异反映了北西向断裂具有左行平移分量,断裂附近出现的不连续和突变现象表明在这些断裂处地层出现了错动。而模拟结果中的最小、最大主应力分布图和平均应力等值云图反映,宿迁及其邻区应力集中主要分布在断裂端部和不同方向断裂的相交处,断裂的拐点处应力也有集中的趋势,断裂的的存在和活动对本区域的构造应力场局部差异具有较大的影响和干扰。宿迁城区模拟结果也显示,宿迁位于应力集中区,但不是最高值区域。模拟结果和地质、地震、遥感等方面研究表明,具有左行平移运动的北西向断裂的活动对宿迁城区段郯庐断裂带活动性有较大影响和干扰。
(4)宿迁及其邻区构造背景场及形成机制
通过研究认为宿迁及其邻区的构造背景场为:σ1为近东西向挤压(85°和276°),σ3为近南北向拉张(184°和357°),水平应力占主导,地壳垂直运动较不明显。导致这一构造应力场背景产生的原因是是太平洋板块、菲律宾板块和印度板块对欧亚大陆的联合挤压、阻挡作用。而中国大陆内部的更次一级板块产生了华北应力场、华南应力场以及华东应力场,这三个应力场的联合作用促使了宿迁地区构造背景场现今格局的形成。
(5)宿迁城区所处的特殊构造部位及郯庐断裂带的活动性特征
宿迁在地理位置上位于郯庐断裂带活动性强弱的转折点,其北部郯庐断裂带活动性较强,露头清晰,南部覆盖严重,活动性较弱,差异明显。宿迁城区位于组成郯庐断裂带江苏段四条主干断裂的两条之间,且一条断裂穿越城区,正好处于北西向宿迁断裂和郯庐断裂带相交点上。这样的构造特征必然使其应力场特征有其特殊性。
从大的构造应力场背景看,宿迁及其邻区收到近东西向挤压、近南北向拉张的应力作用,但由于郯庐断裂带的活动性转折,以及其由挤压向拉张变化的特点,宿迁城区在大的挤压背景下表现为局部的拉张特征,由于拉张作用,断裂面摩擦力减小,容易运动的断层导致应力容易被释放消耗,从而使其地震危险性相对于整个地区而言有所减小。
宿迁城区段郯庐断裂带被第四系覆盖严重,但其存在活动性是确定的,只是现今活动强度不大,它的活动性质主要为右行拉张,受区域内多条次级北西向断裂左行走滑平移运动的干扰和影响。宿迁所处的特殊构造部位及附近多条断层活动,使其未来可能发生中强地震的危险系数增加,区内稳定性较差。