沧口断裂断层泥石英颗粒微形貌特征及其年代学意义_冷传旭.pdf

doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2023.02.015Vol.18 No.02 June,2023第 18 卷 第2期 2023 年 6 月http:/ 青岛 266032；2.青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛 266032；3.青岛海泊尔建设工程检测有限公司，山东 青岛 266032）摘 要：利用扫描电镜对胶州湾东岸段沧口断裂断层泥中的石英颗粒进行微形貌特征观察与统计。结果表明：胶州湾东岸段沧口断裂最新活动时代为中更新世至晚更新世，未见全新世以来的活动迹象；该段沧口断裂自上新世以来至晚更新世有3期活动，分别为第一期上新世，第二期早更新世，第三期中更新世至晚更新世。总体来说，自上新世至晚更新世，沧口断裂活动性呈明显减弱的趋势。断层泥石英微形貌所反映的沧口断裂最新活动时代与前人测年结果基本一致，所反映的沧口断裂自上新世至晚更新世活动性明显减弱的趋势与山东胶东半岛NE-NNE向断裂活动性在第四纪晚期迅速减弱的趋势一致。关键词：沧口断裂；断层泥；石英微形貌；活动时代Micro-morphology characteristics and chronology implications of the gouge quartz of Cangkou faultLENG Chuanxu1,2,LI Xuezhuan1,2,3,SHAO Cheng1,2,3,SUN Xi1,2（1.Qingdao Surveying&Mapping Institute,Qingdao 266032,Shandong,China;2.Geotechnical Engineering Technology Center of Qingdao,Qingdao 266032,Shandong,China;3.Qingdao Haiboer Construction Engineering Testing Co.,Ltd.,Qingdao 266032,Shandong,China）Abstract:In this paper,the micromorphology characteristics of quartz particles in the gouge of Cangkou fault in eastern Jiao-zhou Bay were observed and statistically analyzed using scanning electron microscope.The statistical results of quartz micromor-phology show that the latest active age of Cangkou fault is from the Middle Pleistocene to the late Pleistocene,and there is no evi-dence of activity since the Holocene.From Pliocene to late Pleistocene,Cangkou fault experienced three periods of activity,the first period is Pliocene,the second period is early Pleistocene,and the third period is Pleistocene to late Pleistocene.In general,from Pliocene to late Pleistocene,the Cangkou fault activity showed a significant weakening trend.The main active age of Cangkou fault was from Pliocene to early Pleistocene,with the most intense activity in Pliocene and slight weakening in early Pleistocene.In late Pleistocene,the Cangkou fault activity weakened rapidly,and no obvious signs of activity have been observed 收稿日期：2022-09-04；修回日期：2022-11-17基金项目：青岛市城市地质调查项目（ZFCG2019001542）资助第一作者简介：冷传旭（1990-），男，硕士，工程师，主要从事岩土工程勘察、城市地质调查工作。E-mail:引用格式：冷传旭，李学专，邵铖，孙玺，2023.沧口断裂断层泥石英颗粒微形貌特征及其年代学意义J.城市地质，18（2）：232-238232冷传旭等 沧口断裂断层泥石英颗粒微形貌特征及其年代学意义http:/ Holocene.The latest activity age of Cangkou fault reflected by the micromorphology of mud and stone is basically consistent with the previous dating results.And the significant weakening trend of Cangkou fault activity from Pliocene to late Pleistocene is consistent with the rapid activity weakening trend of NE-NNE fault during the late Quaternary in Jiaodong Peninsula,Shandong Province.Keywords:Cangkou fault;gouge;micro-morphology of quartz;active age沧口断裂呈NE向贯穿青岛市区，是影响青岛城市规划布局和工程建设的主要断裂之一，对青岛市的城市建设意义重大（栾光忠等，2010）。前人采用热释光（TL）、光释光（OSL）、电子自旋共振（ESR）等年代测试方法对沧口断裂断层泥及上覆第四纪沉积物绝对年龄进行了测试（王志才等，2002；杨承先等，2002），对沧口断裂活动性和最新活动时代取得了一定的认识，但对沧口断裂新生代特别是第四纪以来的活动期次与活动强弱仍缺乏系统的研究和充分的认识。断层泥是断裂带内由断层物质经受压扭或剪切应力而被挤压、磨碎所形成的、包含岩石和矿物碎屑颗粒以及黏土矿物的泥状物质（袁仁茂等，2013），断层泥是断层活动的地质信息载体（Fukuchi，1996），通过研究断层泥微观结构和黏土矿物成分，可以推测断层的活动性质和活动历史（张秉良等，1993）。断层泥中由两盘岩石磨碎形成的石英颗粒，抗溶蚀能力强，是断层泥中常见的碎屑矿物。Kanaori等（1980）发现：断层泥中石英颗粒表面新鲜的机械破碎痕在断层活动停止后，在地下水溶蚀作用下，机械破碎痕逐渐被溶蚀、加深，形成各种溶蚀微观形貌。通过对断层泥石英微形貌统计和与石英颗粒热释光年龄比对，建立了石英形貌与断层活动年代对应表，进而断层泥中的石英颗粒表面微形貌也就具有了年代学意义。通过对断层泥中各种石英微形貌进行统计，不仅可以判断断层最新活动时代，也可以获得不同时期断层的活动性强弱，目前这种方法在断裂活动时代的研究中已有较广泛的应用（李建等，2016；何超枫等，2017；刘亮等，2020）。本文依托“青岛市城市地质调查项目”，利用扫描电镜（SEM）对研究区胶州湾东岸段沧口断裂断层泥中的石英颗粒微形貌进行观察和统计，探讨了沧口断裂的最新活动时代、活动期次和活动强度，为沧口断裂的地震危险性评价提供参考。1 沧口断裂基本特征沧口断裂是牟平-即墨断裂带的南段组成部分，而牟平-即墨断裂带是中国东部郯庐断裂系（张岳桥等，2008；张勇等，2013）（图 1），作为该断裂的组成部分，沧口断裂是胶南隆起与胶莱盆地的分界，控制了中生代的火山活动、盆地沉积和岩浆侵入以及晚第四纪沉积和现代地貌（山东省地质矿产局，1991）。沧口断裂起自即墨远区演洪沟村，向南西方向延伸，穿过青岛市区后进入胶州湾内，再于黄岛出露地面，长约82 km，走向北东4055，倾角一般为7088，个别地段略缓，倾角 5060，断裂带宽度一般 3060 m，最宽处超过400 m（山东省地质调查研究院，1999）。根据断裂的几何形态、活动时代、断裂带组合特点、活动习性及地形地貌，沧口断裂分为4个断层段，由北向南为西南泊窑上段、松山太平庄段、丹山胶州湾段和黄岛段（青岛市地震局，2008）。沧口断裂地质演变历史较为复杂，经历了多期构造活动方式的转换。自燕山运动期以来，沧口断裂依次经历了张性活动期、左性压扭活动期、张性活动期和右性压扭活动期（国家海洋局第一海洋研究所，2005），直到晚更新世中、晚期，沧口断裂仍有活动迹象（郭玉贵等，2007）。2 样品采集与实验方法2.1 断层泥样品采集研究区位于胶州湾东岸沿岸地带，本次研究的胶州湾东岸段沧口断裂属于前人划分的丹山胶州湾段断裂分段。该区域城市化进展较快，沧口断裂在地表的露头难觅踪迹，故采用钻探取心方式在4个钻孔中取得 4 件断层泥样品。研究区范围及取样钻孔位置见图2。断层泥样品取自紧靠沧口断裂主断层面的断层泥233第 18 卷 第2期 2023 年 6 月中，取样位置和断层泥样品特征见表1。由于胶州湾东岸段沧口断裂正好为青山群八亩地组（KqB）中-基性火山岩及火山碎屑岩和崂山岩体花岗岩（53）的分界，主断层面两侧分别为安山质断层角砾岩和花岗质断层角砾岩。紧靠主断层面的断层泥取心，样品呈灰绿色或紫红色的土柱状，在显微镜下呈现面理化，矿物成分以各种黏土矿物为主，断层泥中的石英多呈波状消光，表明沧口断裂经历了强烈的压扭性活动。因此，采集的紧靠沧口断裂主断层面的断层泥样品以及该样品中的石英颗粒可以客观反映本段沧口断裂的活动特征。2.2 实验方法石英颗粒微形貌的扫描电镜（SEM）测试在国土资源部金矿成矿过程及资源利用重点实验室完成，使用的仪器为ZEISS SUPRA55型场发射扫描电镜。因断层泥中石英等碎屑颗粒特征明显，易于辨认，直接对断层泥光表1沧口断裂断层泥样品采集信息Tab.1The sampling information of Cangkou fault gouge取样钻孔zk21zk14zk12zk16钻孔位置金水路太原路，胶济线西侧长治路，李村河北岸瑞昌路，近瑞昌路立交桥取样点在断裂中的位置紧靠主断层面的断层泥中紧靠主断层面的断层泥中紧靠主断层面的断层泥中紧靠主断层面的断层泥中断层泥样品特征灰绿色面理化断层泥灰绿色面理化断层泥灰绿色面理化断层泥，夹少量长英质残斑紫红色面理化断层泥资料来源：据宋键等（2017）改绘图1 青岛及邻近地区地质构造简图Fig.1 Geological map of Qingdao and its adjacent area234冷传旭等 沧口断裂断层泥石英颗粒微形貌特征及其年代学意义http:/ INCA X-Max（20 mm2）能谱仪，加速电压15 kV，束流110-9A。能谱分析点位及能谱分析结果如图3所示，点位选择石英颗粒表面相对平整处，能谱分析结果显示该碎屑颗粒成分主要为SiO2，确认该碎屑颗粒为石英颗粒。以此方式随机观察并统计了100颗石英颗粒。3 沧口断裂断层泥石英微形貌断层泥中的石英颗粒微形貌包括代表破裂的贝壳状微形貌，以及溶蚀程度由浅到深、溶蚀时间由短到长的次贝壳状、橘皮状、鱼鳞状、苔藓状、钟乳状、虫蛀状、锅穴状、珊瑚状微形貌（张汝潘等，1999）。通过对沧口断裂断层泥中的石英颗粒表面微形貌进行观察发现，沧口断裂断层泥中石英颗粒表面微形貌主要有次贝壳状（图 4-a）、苔藓状（图 4-b）、钟乳状（图4-c）和虫蛀状（图4-d）。其中，次贝壳状石英颗粒呈棱角状，棱角略有破损，表面较平滑，有少量刻线、刻蚀凹坑等应力痕；苔藓状石英颗粒形似椭圆状，棱角不明显，表面孔洞密布，形似苔藓，孔洞一般较浅；钟乳状石英颗粒具有近球状的浑圆外形，但表面凹凸不平，有类似钟乳状突起，突起一般高23 m；虫蛀状石英颗粒有类似虫蛀的较大且较深的孔洞，孔洞直径可达510 m，部分孔洞连在一起，直径可达20 m。通过对沧口断裂断层泥石英表面微形貌类型进行统计（图5）发现，沧口断裂断层泥中虫蛀状石英颗粒占总数的48%，是沧口断裂断层泥石英颗粒的主要微形貌，其次是苔藓状石英颗粒，占总数的36%，钟乳状次贝壳状石英颗粒占比较少，分别为10%和6%。图2 研究区范围和取样钻孔位置Fig.2 Scope of study area and location of sampling boreholes图3 断层泥石英颗粒能谱分析结果Fig.3 Results of particle energy spectrum analysis on gouge quartz235第 18 卷 第2期 2023 年 6 月4 沧口断裂活动时代和活动性断层泥中石英微形貌与断层活动年代之间存在对应关系（Kanaori et al.，1980），通过将断层泥石英微形貌统计值和石英微形貌与断层活动年代对应关系图（图6）比对，可知断层活动时间和活动强弱，微形貌占比高者，所对应的年代为断层强烈活动的时代。通过对照发现：胶州湾东岸段沧口断裂最新活动时代为中更新世至晚更新世，未见全新世以来的活动迹象；该段沧口断裂自上新世以来至晚更新世有3期活动，第一期为上新世，该期活动最为强烈，第二期为早更新世，该期活动仍较强烈，但较上新世活动剧烈程度略有减弱，第三期为中更新世至晚更新世，活动剧烈程度明显减弱。总体注：本次研究的沧口断裂断层泥石英微形貌标记为红色。资料来源：据申俊峰等（2007）改绘。图6 断层泥石英微形貌特征与年代对应关系图Fig.6 The chart showing the relationship between micro-morphology of gouge quartz and its active ageate图4 沧口断裂断层泥石英微形貌SEM照片Fig.4 SEM images of gouge quartz of Cangkou fault图5 沧口断裂断层泥石英表面微形貌统计柱状图Fig.5 Statistic bar chart of surface microtopography of micro-morphology of gouge quartz of Cangkou fault236冷传旭等 沧口断裂断层泥石英颗粒微形貌特征及其年代学意义http:/ 结论利用扫描电镜对胶州湾东岸段沧口断裂断层泥中的石英颗粒进行微形貌特征观察和统计，胶州湾东岸段沧口断裂最新活动时代为中更新世至晚更新世，未见全新世以来的活动迹象；胶州湾东岸段沧口断裂自上新世以来至晚更新世有 3 期活动，第一期为上新世，该期活动最为强烈，第二期为早更新世，该期活动仍较强烈，但较上新世活动剧烈程度略有减弱，第三期为中更新世至晚更新世，活动剧烈程度明显减弱。胶州湾东岸段沧口断裂自上新世至晚更新世，活动性呈明显减弱的趋势，该趋势与山东胶东半岛NE-NNE向断裂活动性在第四纪晚期迅速减弱的趋势一致。断层泥石英微形貌所反映的胶州湾东岸段沧口断裂最新活动时代与前人测年结果基本一致，且补充了沧口断裂自上新世以来的活动期次和活动强度，该方法可以为沧口断裂的地震危险性评价提供参考。表2丹山胶州湾段沧口断裂活动时间测年结果Tab.2Dating results of Cangkou fault activity time取样位置人民印刷厂东剖面丹山5号楼基坑胶州湾zk1孔测试方法TLTL/活动时间(131)104a BP(挤压带)中更新世(33.302.83)ka BP(断层泥)(31.772.70)ka BP(被断错地层)最新活动在晚更新世中、晚期(41.053.49)ka BP(被断错地层)晚更新世中期仍有活动数据来源（杨承先等，2002）（郭玉贵等，2007）237第 18 卷 第2期 2023 年 6 月参考文献郭玉贵，邓志辉，尤惠川，黄永华，刘保华，楚全芝，丁志峰，唐方头，吴金龙，金秉福，秦小光，孟繁友，2007.青岛沧口断裂的地质构造特征与第四纪活动性研究 J.震灾防御技术（2）：102-115.国家海洋局第一海洋研究所，2005.青岛海湾大桥一期工程初步设计阶段工程物理勘察报告 R.何超枫，张春光，王秋良，张丽芬，2017.仙女山-九畹溪断裂带断层泥石英微形貌特征及其年代学意义 J.大地测量与地球动力学，37（4）：355-360.黄永华，尤惠川，宋毅盛，郭玉贵，环文林，2007.山东胶东半岛地区断裂最新活动性研究 J.震灾防御技术（1）：39-49.李建，张岳桥，吴泰然，李海龙，熊金红，李建华.2016.青川断裂带中段断层泥中石英颗粒表面微形貌特征及其年代学意义 J.地球学报，37（2）：153-160.刘亮，梁斌，燕中林，苏画，何学锋，2020.龙泉山断裂带断层最新活动年代及方式 J.中国地质调查，7（5）：77-87.栾光忠，任鲁川，段本春，1999.青岛及其邻区NE，NW向断裂的活动性研究 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