琼东北晚新生代断裂活动及其对东寨港沉降的控制作用
【类型】期刊
【作者】丁莹莹，赵希涛，胡道功，张绪教，王超群，胡正旺，夏蒙蒙，吴环环，游报捷，常鹏渊（中国地质大学(北京)地球科学与资源学院；中国地质科学院地质力学研究所；中国科学院地质与地球物理研究所；国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室；中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院）
【作者单位】中国地质大学(北京)地球科学与资源学院；中国地质科学院地质力学研究所；中国科学院地质与地球物理研究所；国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室；中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院
【刊名】地球学报
【关键词】 海南岛；雷琼凹陷；新构造运动；活动断裂；铺前—清澜断裂
【资助项】中国地质调查局地质调查项目“泛珠三角地区活动构造与区域地壳稳定性调查”(编号:DD20160269)资助
【ISSN号】1006-3021
【页码】P155-166
【年份】2019
【期号】第2期
【期刊卷】1;|6;|7;|8;|4;|5;|2
【摘要】琼东北的1605年琼州7.5级大地震曾导致大面积陆陷成海。前人研究多关注陆陷成海机制,但对该区晚新生代断裂活动及其控制下的沉降过程与构造机制一直缺乏深入研究。在地质调查基础上,结合钻孔揭露和大地电磁探测(EH4)结果等资料发现,东寨港地区自西向东可分为演丰火山岩台地、东寨港潟湖平原和锦山剥蚀台地三个构造地貌单元,并且不同地貌单元间明显受到区域上北西向正断层活动的控制。根据86个钻孔资料制作的东寨港地区新近纪以来不同时期沉积物等厚度图显示,该区的沉积中心从新近纪以来存在由西向东迁移过程,沉积速率也存在明显的变化。中—上新世、早更新世、晚更新世和全新世平均沉积速率分别为12 mm/ka、10 mm/ka、67 mm/ka和1 922 mm/ka,显示中更新世之后沉积速率骤然增大,并在全新世达到最大。综合分析认为,北西向铺前—清澜断裂第四纪正断层活动控制了东寨港地堑的发育与东寨港陆陷成海及其震后地壳持续下沉;东寨港凹陷晚更新世以来处于快速加积过程中;相邻的锦山剥蚀台地长期以来处于相对稳定或微隆升状态,并很可能属于雷琼凹陷之外的构造地块,雷琼凹陷是否应囊括锦山剥蚀台地值得进一步研究和商榷。
【全文】 文献传递
琼东北晚新生代断裂活动及其对东寨港沉降的控制作用
摘 要: 琼东北的1605年琼州7.5级大地震曾导致大面积陆陷成海。前人研究多关注陆陷成海机制, 但对该区晚新生代断裂活动及其控制下的沉降过程与构造机制一直缺乏深入研究。在地质调查基础上, 结合钻孔揭露和大地电磁探测(EH4)结果等资料发现, 东寨港地区自西向东可分为演丰火山岩台地、东寨港潟湖平原和锦山剥蚀台地三个构造地貌单元, 并且不同地貌单元间明显受到区域上北西向正断层活动的控制。根据86个钻孔资料制作的东寨港地区新近纪以来不同时期沉积物等厚度图显示, 该区的沉积中心从新近纪以来存在由西向东迁移过程, 沉积速率也存在明显的变化。中—上新世、早更新世、晚更新世和全新世平均沉积速率分别为12 mm/ka、10 mm/ka、67 mm/ka和1 922 mm/ka, 显示中更新世之后沉积速率骤然增大, 并在全新世达到最大。综合分析认为, 北西向铺前—清澜断裂第四纪正断层活动控制了东寨港地堑的发育与东寨港陆陷成海及其震后地壳持续下沉; 东寨港凹陷晚更新世以来处于快速加积过程中; 相邻的锦山剥蚀台地长期以来处于相对稳定或微隆升状态, 并很可能属于雷琼凹陷之外的构造地块, 雷琼凹陷是否应囊括锦山剥蚀台地值得进一步研究和商榷。
关键词: 海南岛; 雷琼凹陷; 新构造运动; 活动断裂; 铺前—清澜断裂
伴随我国沿海地区的大规模经济开发活动, 地面沉降及海平面上升所引起的环境问题也日益突出(杨桂山和施雅风, 1997; 黎兵等, 2009; 张路等,2009; 张云峰等, 2012)。位于琼东北的东寨港地区新构造期间的断块型差异升降运动较为显著, 其中尤为明显的是东寨港地区晚新生代地表持续沉降过程(黄玉崑, 1974, 1980; 张虎男和赵希涛, 1984; 徐起浩, 1985; 丁原章, 1988; 李建生, 1991)。另外, 该区公元1605年发生的7.5级地震是我国迄今唯一有历史地震记载的曾导致大面积陆陷成海的大地震事件(陈恩民和黄咏茵, 1989; 徐起浩, 2007), 陆陷成海的总面积超过100 km2, 沉陷最深超过10 m(陈恩民和黄咏茵, 1979, 1989)。因此, 深入探索和认识东寨港地区地表沉降作用的构造成因机理对于科学评价该区的地壳稳定性具有重要科学意义, 并可为该区的城镇规划和重大工程建设等提供地质科技支撑。
自20世纪80年代以来, 国内一些学者曾对东寨港地区历史地震造成的陆陷成海机制进行过研究,但一直未取得共识, 主要有三种观点: (1)认为是东西向马袅—铺前断裂与北北西向铺前—清澜断裂联合控制地块沉降(徐起浩, 1985; 颜玉定等, 1988);(2)认为是大地震引发软土液化流滑导致的沉陷(彭承光, 1983; 徐起浩, 1985; 陈恩民和黄咏茵, 1989);(3)认为是震源区的断裂下降盘作为相变体发生强烈收缩的结果(许寿椿等, 1982)。
尽管前人从不同角度对东寨港地区的沉降幅度和沉陷机制进行了探索, 由于相关研究主要集中在 1605年琼山大地震以来的百年时间尺度内, 缺乏对晚新生代长时间尺度的断裂活动、沉降过程及动力机制的研究, 因而制约了对东寨港沉降机制的解释。本文利用最近在该区开展的1:5万活动构造调查及跨区内主要断裂带部署完成的钻探与物探成果资料, 重建了东寨港晚新生代沉降过程, 并进一步探索了该区域的构造沉降机制, 这有助于进一步深入认识区域上雷琼凹陷的形成演化机制以及该区的地壳稳定性等问题。
1 区域地质背景与地貌特征
琼北地区位于太平洋构造域与特提斯—喜马拉雅构造域的交汇带附近, 既表现出中国东部滨太平洋构造域北东—北东东构造特征, 也具有中国西部特提斯—喜马拉雅构造域北西—北西西构造特点(闫成国和江娃利, 2007)。受南海扩张影响, 沿琼北和雷州半岛形成近东西方向展布的雷琼凹陷(陈恩民和黄咏茵, 1979; 张虎男和赵希涛, 1984; 徐起浩,1985; Xu et al., 2012)。其中琼北地区由西向东可分为临高隆起、福山凹陷和云龙隆起三个构造单元(陈恩民和黄咏茵, 1979), 并控制了新生界等厚线的分布(图1)。琼北地区位于雷琼凹陷的东南侧, 新构造运动较为明显, 主要表现为多期次、间歇性的火山喷发和断块差异运动(陈伟光等, 1987; Zhao et al.,2016), 并控制了该区新生代地层的沉积过程。
琼东北自西向东包含了演丰火山岩台地、东寨港潟湖平原和锦山剥蚀台地三个构造地貌单元(图2)。以东寨港西岸断裂为界, 东寨港以西的演丰地区为中更新统多文组火山岩台地, 以东地区为东寨港潟湖平原。演丰玄武岩台地海拔为15～30 m, 玄武岩上部发育薄层风化壳, 风化壳下部有玄武岩球状风化现象(图2P1)。东寨港潟湖平原海拔高度主要为 1～8 m, 地势较平坦(图 2P2), 出露地层主要为晚更新世及全新世沉积物。铺前以北和锦山以东地区的锦山剥蚀台地海拔高度一般大于 20 m, 最高为130 m左右的抱虎山, 是锦山剥蚀台地(准平原)上残留的孤峰。该台地上部发育了厚层的网纹化特征较明显的红色三叠纪花岗岩或志留纪变质岩红色风化壳及覆盖于剥蚀平台上的紫红色残坡积物(图 2P3),前人(海南省地质调查院, 2004)将该套沉积定为中更新统北海组沉积物可能为误判。
图1 琼北地区地质构造简图(地震等烈度线据陈恩民和黄咏因, 1989)
Fig. 1 Simplified geological-tectonic map of northern Hainan Island
(seismic intensity isopach modified after CHEN and HUANG, 1989)
图2 琼北东寨港地区构造地貌分区图
Fig. 2 Tectonic-geomorphologic division of Dongzhai port area, northeastern Hainan province
P1-演丰火山台地上的玄武岩球状风化现象; P2-东 寨港 潟湖平原;P3-锦山剥蚀台地上基岩风化壳; R1-东寨港与陆地交界处发育的古河道; R2-珠溪河上发育的曲流河
P1-basalt spherical weathering in Yanfeng volcanic rock platform; P2-Dongzhai harbor lagoon plain; P3-bedrock weathering crust in Jinshan eroded platform; R1-ancient channel at the junction of Dongzhai port and the land; R2-meander of the Zhuxi River
表1 样品测年结果
Table 1 Dating data of samples
注: OSL样品由南京师范大学光释光实验室测定; 14C测年数据由美国BETA实验室测定。
样品编号 采样钻孔号 钻孔海拔/m 取样深度/m 测年物质 测年方法 年龄/a Z K 0 7-0 2 Z K 0 7 1.0 6 3.8～4.0 木炭 14 C 6 9 0 0±3 0 O S L 9-1 Z K 0 9 2.9 2 2.8～2.9 青灰色淤泥 O S L 5 5 0 0±4 0 0 O S L 1 8-1 Z K 1 8 2.5 3 3.5～3.6 粉砂质黏土 O S L 1 3 0 0±1 0 0
琼东北地区晚新生代地层从老到新主要分为中新统长流组、上新统海口组、下更新统秀英组、中更新统北海组、上更新统八所组以及全新统冲洪积物和风积物。其中中新统长流组为一套滨浅海相的砂泥质沉积和海陆交互相砂砾、含炭泥质沉积夹陆相-海相基性火山岩, 上新统海口组为一套滨海-浅海相生物碎屑岩夹海相基性火山岩, 下更新统秀英组下部为浅灰白色砂砾层, 上部发育杂色风化壳,网纹化特征明显, 上更新统八所组为一套以浅灰、灰白色为主, 偶见褐黄-黄色的中细砂沉积。全新统在沿海地区主要为现代沙丘, 而在岗地河流边缘自下而上主要分为三段: ①晚更新世末至中全新世溺谷沉积灰色砂质黏土; ②海相青灰色淤泥和砂;③黄褐色粉砂质黏土或黏土质砂; 第①层与第②层之间为上泥炭层; 第②层与第③层之间为下泥炭层。锦山镇夏村ZK07下泥炭层的14C年龄测定结果为 (6 900±30) a BP, 锦山镇东溪仔村ZK09青灰色淤泥层的OSL年代测定结果为(5 500±400) a BP,罗豆后港村ZK18第①层黄褐色粉砂质黏土的OSL年代测定结果为(1 300±100) a BP。结果显示青灰色淤泥及泥炭层主要形成于全新世大暖期(表1)。
琼东北地区构造地貌和第四纪沉积作用主要受到东西向和北西向两组断裂控制。前者主要是整体倾向北的王五—文教断裂和马袅—铺前断裂(F2),是从南往北呈阶梯状展布的正断层。其中王五—文教断裂为雷—琼拗陷盆地的南界(李建生, 1991; 徐锡伟, 2015), 基本上控制了琼北地区大地构造格架(张虎男等, 1985)。北西向断裂主要是长流—仙沟断裂和铺前—清澜断裂(F13)。前者为福山凹陷与海口隆起的边界断裂(詹文欢和刘以宣, 1989), 后者的北段又可以分为东寨港东岸断裂和东寨港西岸断裂。上述断裂所围限的区域是现今沉降幅度最大的东寨港潟湖。因此, 东寨港沉降带的形成及演化显然与这些断裂的演化有着密切成因联系。
2 东寨港地区晚新生代断裂活动证据及特征
东寨港地区位于海口隆起上, 但其在断裂控制下内部构造活动具有不均一性, 以显著的差异升降运动为特征, 自西向东形成了北北西向展布的云龙地垒、东寨港地堑和锦山地垒(陈恩民和黄咏茵,1979)。晚新生代期间, 云龙地垒存在较显著上升,促使自西向东流的南渡江在定安县附近折向北北西向。锦山地垒则是先沉降后上升, 近期趋于较稳定状态。东寨港地堑主要处于持续沉降过程中, 形成现今的港湾。根据新的调查证据, 北北西向铺前—清澜断裂北段的东寨港东、西两岸边界断裂可能构成了东寨港沉降区的控制性构造。
2.1 构造地貌特征
东寨港地区第四纪构造运动还表现在较为显著的构造地貌特征方面。地貌上看, 东寨港西部的玄武岩台地为相对隆升区, 并在早—中更新世以来发生过强烈而频繁的火山喷发活动(张虎男和赵希涛, 1984), 并在构造隆升背景下, 流水切割台地形成地形起伏较大的岗地。而东寨港潟湖平原为相对沉降区, 其中发育多条曲流河, 其中较为代表性的珠溪河的河曲弯曲率可达5.8(图2R2), 这与西侧玄武岩台地区及东侧锦山剥蚀台地的河型特征存在明显差异。因为典型的自由曲流主要形成于构造运动相对稳定或地壳下沉的宽广冲积平原区(Ouchi,1985; Jain and Sinha, 2005; 田明中和程捷, 2009;杨景春, 2012)。另外, 由于沉降作用, 该区部分河道也已没入东寨港海平面之下(图 2R1)。该区东部的锦山剥蚀台地上发育的厚层风化壳较好地指示该区晚新生代期间处于长期稳定或微隆升的状态。
2.2 大地电磁探测(EH4)证据
图3 东寨港地区地貌陡坎和东寨港东岸大地电磁探测反演剖面
Fig. 3 Geomorphologic scarps and magnetotelluric sounding inversion section of the east bank of Dongzhai port area
a-东寨港西岸瑶城村北侧地貌陡坎; b-东寨港西岸演丰中学地貌陡坎; c-东寨港西岸演丰中学剖面破碎带;
d-东寨港东岸大地电磁探测反演剖面
a-geomorphologic scarp of the northern side of Yaocheng village on the west bank of Dongzhai port; b-geomorphologic scarp of Yanfeng Middle School on the west bank of Dongzhai port; c-fracture zone of Yanfeng Middle School on the west bank of Dongzhai port;d-magnetotelluric sounding inversion section of the east bank of Dongzhai port area
图4 东寨港地区地质构造图
Fig. 4 Geological-tectonic map of the Dongzhai port area
大地电磁探测(EH4)是第四系覆盖区隐伏断裂识别的有效手段(刘国栋, 1994; 王家映, 1997; 梁永东等, 2010; Sasaki, 2012)。视电阻率等值线图上断层两侧等值线形态差异、相同视电阻率等值线的高差即电阻率陡变带是分析断层存在、判别断层性质、断层活动方式的重要标志(张晓永等, 2011)。跨东寨港东岸断裂布设的 EH4探测剖面全长 4 050 m(图3d)。探测结果显示, 表层电阻率普遍较低, 主要因第四系含水层所致, 剖面西侧1 000 m范围内基岩相对完整, 往东基岩较为破碎。从西往东, 分别距西侧起点400 m、1 280 m、1 880 m、2 660 m和3 140 m的位置出现电阻率异常。推测其中的低阻带可能是断裂带(F13-4～F13-8)的反映。结果如此, 可据此初步确定F13-4断裂出现在距西侧原点400 m左右, 东盘上升, 西盘下降。并依据低阻曲线的展布大致确定该断裂带的宽度为 90 m, 为向西陡倾的正断裂。F13-5断裂位置位于距原点 1 280 m, 为倾向东的正断层。F13-6断裂位置位于距原点1 880 m, 西盘为上盘, 东盘为下盘, 上盘为相对完整的基岩块体, 下盘相对较破碎, 上下盘之间为低阻带, 可能为断裂破碎带; F13-7和 F13-8断裂延伸都较深, 从获得的视电阻率图上看可延伸 1 km, 且倾角较大, 近于直立。但两断裂的倾向相反, F13-7倾向东, F13-8则倾向西。两个断裂可能为同期构造形成, 在两个断层之间存在一个近垂直的高阻体, 垂向延伸较大, 可能为弱变形的基岩破碎带。综上所述, 根据大地电磁探测反演剖面电阻率异常推测东寨港东岸断裂带主要包含了F13-4～F13-8等多条分支断裂。
2.3 地表调查与联合钻孔剖面证据
宏观地貌显示, 东寨港沉降区可能主要受到北北西向断裂的控制(徐起浩, 1986a)。根据地表调查、EH4探测和钻孔资料等资料编制的东寨港地区的断裂分布图及跨主要断裂的联孔剖面图(图 4, 5), 推测该区可能存在6条北西向或北北西向断裂及3条南北向或近南北向断裂。根据已有地质资料认为,后者(F5-1～F5-3)可能为早期活动的断裂。其中F5-1是发育在火山岩台地上的一条前第四纪东倾断层, 深部志留系片麻岩和中新统砂砾石层断错位移50 m左右, 上覆早—中更新世地层未发生明显错断,指示其可能在上新世晚期已经停止活动。F5-2为东寨港西岸边上与 F5-1倾向相向的断裂, 上新统上部的贝壳碎屑岩位错约 5 m, 上覆第四纪地层未发生明显错断, 因此也为前第四纪断层。F5-3位于东寨港东岸, 为倾向西的早期断裂, 东侧为三叠及志留系基岩出露区, 西侧为晚新生代沉积, 是划分锦山东部剥蚀台地与东寨港潟湖平原的分界断裂。早期的3条近南北向断裂控制着东寨港地区的基底和中—上新世沉积, 东寨港西岸基岩埋深较深, 中—上新世沉积物较厚, 而东寨港东岸基岩埋深较浅, 缺失中新世沉积物且上新世沉积物不厚, 使得早期东寨港地区构造自东向西呈阶梯状展布。联合钻孔资料显示, 在推断的 6条北西走向断裂(F13-1～F13-6)中,F13-5为发育在东寨港潟湖平原上一条前第四纪东倾断层, 跨断层的深部基岩顶面落差有 21.8 m, 但上覆上新世沉积物未见明显落差, 推断其为上新世之前活动的断裂。推测F13-6为上新世活动、倾向西的正断层, 因为跨断层两侧钻孔下部三叠系花岗岩和志留系变质岩的落差约有179 m。进一步综合地表地质-地貌现象和不同钻孔间第四纪地层的落差现象推测, 位于东寨港西岸的演丰火山岩台地上 F13-1和 F13-2的最新活动时间为晚更新世, 同倾向东, 该断裂北段在地表有所显示, 图3a和图3b为F13-1倾向东的地貌陡坎, 图3c为演丰镇演丰中学附近剖面玄武岩的破裂带。F13-3为控制东寨港沉降的东部边界断裂。F13-4为倾向东的正断裂, 跨其北段的基岩、上新世和早更新世顶面落差分别为20 m、0.8 m和0.8 m, 但顶部被黄褐色的粉砂质黏土所覆盖, 由此推断该断裂北段可能为多期活动的隐伏断裂。南段则只有两侧花岗岩落差约有40 m, 顶部上新世褐色黏土未显示明显落差, 因此推断其为早期活动的断裂。另外, F13-4～F13-6在大地电磁探测反演剖面中均有反映(图 3d), 可进一步佐证它们在晚新生代期间可能存在活动。此外, F13-7与 F13-8还需打钻进一步验证。
依据联孔剖面资料可知, 东寨港西岸的晚新生代地层较厚, 且跨西岸断裂存在的可能断距较大,指示该断裂存在多期次活动的可能。此外, 早期物探资料显示在东寨港地区存在着一条北北西走向的东寨港基底断裂, 并认为可能由于该断裂的活动使得东寨港呈地堑型断陷(徐起浩, 1986a)。而断裂平面分布图(图 4)和联孔剖面(图 5)则较好地揭示出了典型的东寨港地堑-地垒构造, 在大的地堑-地垒构造格局里又嵌套着次一级的地堑-地垒构造。因此,不同层次和尺度的地堑-地垒构造很有可能是由铺前—清澜断裂及其次级断裂控制下形成的。
3 东寨港地区的晚新生代沉降过程
综合前人的52个钻孔资料和新施工的34个钻孔资料, 利用 Surfer11软件绘制了东寨港地区晚新生代不同时期的沉积等厚线图。初步得出中—上新世、早更新世、中更新世、晚更新世及全新世时期4个不同时期的沉积物等厚度图(图 6)。由图可见,中—上新世沉积物主要集中在东寨港西岸(图 6a),沉积厚度多在100 m以上, 最大可达245 m, 而东寨港东岸则沉积较少, 一般不超过80 m, 这指示新近纪时期东寨港西岸比东岸下沉更大, 等值线的变化趋势表明早期可能主要受到北西向断裂和东西方向的联合控制。早更新世的最大沉积中心在东寨港西侧的美兰—演丰镇一带(图 6b), 厚度最高可达18.52 m, 次一级沉积中心在锦山镇西侧。东寨港东岸早更新世的沉积厚度向西北方向递减, 铺前以北则缺失, 等值线的变化趋势主要体现了北西向断裂可能对其具有控制作用。中更新世时期, 东寨港西侧由于多期次的火山活动而处于地壳的相对隆升阶段, 东寨港东侧则由于地壳抬升而接受了风化剥蚀, 所以未做该期等厚线图。晚更新世, 研究区的大部分区域的沉积厚度小(图6c), 一般为0～8 m。而东寨港西岸火山活动喷发了大量玄武岩。由于东寨港潟湖平原可能受到北西向断裂的控制, 进而导致两个沉积物中心呈北西走向, 而锦山剥蚀台地以东的临海地区虽有少量沉积, 但主要为风成的八所组。全新世时期, 因可能受北西向断裂影响, 该区的沉积中心主要集中分布于北西向东寨港沉降区内,最厚的沉积中心位于珠溪河入海口(图 6d), 沉积厚度最大约21.2 m, 次级沉积中心位于三江镇东北角。
图6 东寨港地区新近纪以来地层等厚线图
Fig. 6 Contour maps of sedimentation thickness since the Neogene in Dongzhai port area
a-中新世和上新世地层等厚线; b-早更新世地层等厚线; c-晚更新世地层等厚线; d-全新世地层等厚线a-isopach of Miocene and Pliocene strata; b-isopach of Early Pleistocene strata;c-isopach of Late Pleistocene strata; d-isopach of Holocene strata
新近纪以来的沉积等厚线图还显示, 新近纪与早更新世的沉积中心位置相似, 都集中在东寨港西岸。但中更新世与晚更新世的沉积中心都转移到三江镇西南方, 而东寨港东岸则基本处于稳定状态;全新世时期的沉降中心在东寨港东岸海湾潟湖平原,尤其沿着珠溪河流域第四纪沉积物沉积较厚, 而在锦山东部临海位置则发育了全新世的海滩岩或砂。这预示着沉积中心发生了由西岸向东岸的转移。依据不同时期的最大沉积厚度, 可初步计算出中—上新世、早更新世、晚更新世及全新世的最大沉积速率分别为 12 mm/ka、10 mm/ka、67 mm/ka和1 922 mm/ka。由于近海沉积物厚度主要受到地壳运动和海面变化两种因素的影响, 因此利用近海沉积物厚度分析地壳活动首先需要扣除海面变化的影响。已有研究表明, 南海地区的第四纪海面波动频繁, 但中更新世以前海面波动次数多且幅度较小,故对沉积物厚度的影响较小(赵希涛和许寿椿,1984)。而晚更新世以来的海面变化次数较少, 但幅度很大, 对沉积物厚度的影响也很大。因此, 东寨港地区晚更新世—全新世沉积速率增大主要可能是海平面上升的贡献。综上, 根据不同时期的平均沉积速率推断, 东寨港地区新近纪及第四纪早期的沉降过程整体缓慢, 而晚更新世以来沉积厚度增大的趋势可能主要是海平面上升的影响, 具体的构造影响程度据现有资料还不好做出准确评估。
4 讨论
1605年发生的琼州7.5级大地震是我国迄今唯一有历史地震记载的导致大面积陆陷成海的地震事件(陈恩民和黄咏茵, 1989; 徐起浩, 2007), 国内许多学者对这次强震做过较详细的调查和研究(黄玉崑, 1974, 1980; 许寿椿等, 1982; 彭承光, 1983; 张虎男和赵希涛, 1984; 徐起浩, 1985; 丁原章, 1988;颜玉定等, 1988; 陈恩民和黄咏茵, 1989; 李建生,1991), 虽然都认为此次地震是一次导致陆陷成海的大地震, 其沉陷深度最深超过 10 m(陈恩民和黄咏茵, 1979, 1989), 但目前对其沉降机制和主控因素尚未取得共识。一般认为这次地震造成的显著的垂向位移控制了东寨港的沉陷, 主要与北西向铺前—清澜断裂及近东西向马袅—铺前断裂活动有关(陈恩民和黄咏因, 1979; 徐起浩, 1985, 1986a; 丁原章, 1988), 而较多研究者认为这次大震沉陷主要源于东寨港断裂的正断层活动, 如走滑正断层活动(陈恩民和黄咏因, 1979, 1989), 地堑型正断层活动(徐起浩, 1985, 1986a, b; Xu, 1990)、扭张正断层活动(丁原章, 1988)或拉分盆地(马瑾等, 1988)等。
横跨东寨港钻孔剖面显示, 以东寨港东岸铺前—清澜断裂为界, 花岗岩和变质岩基底东浅西深,垂直断距大于 150 m, 上新世海口组也表现为西厚东薄, 反映东寨港东岸的铺前—清澜断裂早期活动控制了上新世地层沉积, 此时西岸断裂尚未形成。而沿现今东寨港分布的早更新世河流相沉积物厚度明显高于东、西两岸, 说明地震前的东寨河沿早更新世时期的谷地发育而成, 此时东寨港西岸断裂开始活动, 并与东岸断裂共同作用形成断块型沉陷。地应力测量和模拟计算结果表明, 东寨港地区现今最大主压应力方向为NW330°左右(陈群策等, 2014),与东寨港及东、西两侧断裂延伸方向近于平行, 铺前—清澜断裂在北西向主应力作用下正断层作用导致的断块型差异升降运动控制了东寨港地堑的下沉。野外调查发现, 珠溪河北岸近东西向展布的马袅—铺前断裂全新世地层中发育的断层陡坎高0.5～0.8 m, 同震位移及地震以后近400年以来的下沉幅度有限, 对东寨港的沉降控制不明显, 北西向铺前—清澜断裂第四纪正断层活动控制了东寨港地堑的发育, 第四纪地堑型正断层活动控制了东寨港陆陷成海及持续下沉。同时, 珠溪河南岸末次盛冰期下切形成的深切沟谷中充填的全新世厚层淤泥质黏土可能在地震时发生软土震陷, 导致地面沉降等值线向东偏移(图4)。
大震陆陷成海总沉陷幅度一般 4～6 m, 部分地段达11～13 m。前人通过对东寨港陆陷成海废墟、断裂构造及东寨港的形成和变迁调查, 认为东寨港是由于琼州大地震陆陷成海和大震后至今持续缓慢的大幅度下沉变宽而逐步形成的(徐起浩, 1985;1986a, b, c; Xu, 1990)。清朝绘制的东寨港地理图及近期不同时期1:5万地形图也证实东寨港由地震后较宽的河流及河两岸大量岛状高地逐步演变成现今宽8 km、长14 km的港湾(徐起浩, 1986a, b, c, 1988;Xu, 1990)。根据出露和埋藏的文物推算, 琼州大地震后至今东寨港地区以1 cm/a的速率持续缓慢下沉(徐起浩, 1986c), 海南岛北部海岸近50年来海岸升降变化结果表明, 东寨港西北的岩岸平均以 0.3～0.4 cm/a的速度下降(陈恩民和黄咏茵, 1989)。如果认为震后400多年来该处地壳以0.4～1 cm/a速度下降的话, 地震后至今约沉降 1.6～4 m 左右, 地震时同震位移幅度约2 m左右, 最大处超过10 m。震后持续下沉很可能与东寨港两岸北西向断层频繁粘滑活动有关, 东寨港由小震组成的近南北向分布的地震带说明铺前—清澜断裂自1605年琼山7.5级地震以后活动性加强, 并控制了东寨港震后下沉(Hu et al., 2014)。对大震陆陷成海遗墟考察还发现, 大震陆陷成海遗墟没有经受明显的大规模沙土液化的扰动, 显示了沉陷块体是以整体性沉陷为主, 为以震源断裂为边界的断块型沉陷(陈恩民和黄咏茵,1989)。
5 结论
(1)琼北地区存在多个隆起与凹陷区, 琼东北的云龙隆起地块随雷琼凹陷晚新生代总体下沉, 在中更新世以来相对上升。东寨港地区位于云龙隆起地块上, 但内部存在较明显的差异运动, 自西向东形成了云龙隆起、东寨港沉降区和锦山隆起等不同的构造地貌区。断裂分布图和联孔剖面较好地揭示出了典型的东寨港隆起-沉降构造。这些不同的构造地貌形成与演化受铺前—清澜断裂及其次级断裂控制。从动力学机制来看, 该区早期主要受南海扩张影响, 自南向北形成阶梯状断裂, 而后期受 NW 向主压应力的影响(陈群策等, 2014; Hu et al., 2014),北西向铺前—清澜断裂呈现正断构造进一步控制东寨港地堑的下降。近东西向展布的马袅—铺前断裂对东寨港的沉降控制不明显, 北西向铺前—清澜断裂第四纪正断层活动控制了东寨港地堑的发育与东寨港陆陷成海及持续下沉。
(2)东寨港沉降区晚新生代一直持续下陷, 且晚更新世以来东寨港地堑快速加积。中—上新世时期的沉积中心位于东寨港西岸, 并在东寨港东岸铺前镇附近形成次一级沉积中心, 但沉积速率较慢, 且沉积厚度较小。早更新世沉积中心仍位于东寨港西岸, 沉积厚度最小。中更新世期间东寨港西侧处于相对隆升阶段, 发生多期火山活动, 东寨港东侧由于地壳相对抬升而遭受了风化剥蚀; 晚更新世时,东寨港西岸由于火山喷发形成较厚的玄武岩及风化壳, 东寨港东岸则沉积了薄层风成堆积物。全新世时期的格局发生了较明显的变化, 东寨港西岸几乎停止沉积, 沉积中心转移到东寨港东岸潟湖平原区,虽然沉积幅度不大, 但受到海平面上升影响沉积速率达到最大。东寨港沉降区近海沉积物厚度的等厚线变化趋势一定程度上受到了区域上北西向断裂的控制, 全新世东寨港周边发育多条曲率较大的自由曲流河及 1605年琼山大地震引发的陆陷成海作用都是最好的例证。
(3)东寨港东岸的锦山剥蚀台地长期处于较稳定的风化状态, 在三叠纪花岗岩和志留纪变质岩层之上发育了网纹状红色风化壳及覆盖于剥蚀平台上的薄层坡积物。因此, 将此风化残积物划作中更新世北海组需进一步商榷。另外, 厚层的风化壳指示锦山剥蚀堆积台地长期以来处于稳定或微隆升状态,很可能属于雷琼凹陷之外的一个地块。因此, 雷琼凹陷是否应囊括锦山剥蚀台地也值得进一步商榷。
Acknowledgements:
This study was supported by China Geological Survey (No. DD20160269).
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Late Cenozoic Fault Activity in Northeastern Hainan Island and Its Controlling Effect on Tectonic Subsidence in Dongzhai Port
Abstract: The Qiongzhou great earthquake of magnitude 7.5 in 1605 caused extensive land subsidence into the sea. Previous studies have paid much attention to the land subsidence mechanism, but there is still a lack of in-depth study of the fault activities as well as the process and the mechanism of tectonic subsidence since the Late Cenozoic. Based on field investigation, drill hole data and EH4 inversion analysis, the authors divided the Dongzhai port area into three tectonic geomorphologic units, namely, Yanfeng volcanic platform, Dongzhai lagoon plain and Jinshan eroded platform, which are controlled by the regional NW-trending faults. The sedimentation thickness map based on data of 86 drill holes at different stages since the Neogene was compiled,which shows that the sedimentation center is transferred from the west bank to the east bank and the average deposition rates also have significant change. The average deposition rates of the Mesozoic–Pliocene, Early Pleistocene, Late Pleistocene and Holocene were 12 mm/ka, 10 mm/ka, 67 mm/ka and 1 922 mm/ka respectively,which suggests that the deposition rate was slow before the Middle Pleistocene, began to increase suddenly in the Late Pleistocene, and probably reached the maximum since the Holocene. Some conclusions have been reached:(1) The Dongzhai port graben was mainly controlled by NW-trending Quaternary normal Puqian–Qinglan fault that also controlled the development of Dongzhai port graben, its subsidence into the sea and its continuous sink.(2) The subsidence of Dongzhai port depression has been accelerated since the Late Pleistocene. (3) Jinshan eroded platform has been long in a stable or slightly uplift state, and is likely to belong to the tectonic block outsidethe Lei–Qiong Depression. The problem whether the Leiqiong depression includes Jinshan eroded platform deserves further study.
Key words: Hainan Island; Leiqiong depression; neotectonic movement; active fault; Puqian–Qinglan fault
中图分类号: P546; P542.3
文献标志码: A
doi: 10.3975/cagsb.2017.112601
本文由中国地质调查局地质调查项目“泛珠三角地区活动构造与区域地壳稳定性调查”(编号: DD20160269)资助。
收稿日期:2017-09-06; 改回日期: 2017-11-10; 网络首发日期: 2017-11-26。
责任编辑:魏乐军。