第四纪断裂运动的再认识范文

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《热带地理杂志》2016年第二期

摘要：

编制了珠江三角洲番禺台地东缘第四纪堆积阶地、陆域钻孔及海域地震探测等一系列联合剖面，分析了抬升区、下沉区和海陆之间的沉积差异和控制因素，剖析了地动型和水动型海平面变化对三角洲形成演化的影响，厘清了各组断裂的活动及其对三角洲沉积发育的影响，结果发现北东东向和北北西向2组断裂为珠江三角洲地区的主要活动断裂，它们共轭联动，控制着珠江三角洲沉积的格局和水道的变迁，尤其是北东东向断裂，可能是南海北部大陆架滨海断裂系的组成部分。相比而言，陆域断裂活动性较弱，以缓慢蠕动和断块的差异升降和掀斜为主，海域断裂活动性较强，滨海断裂带是危险性很高的活动大断裂。三角洲其他方向的断裂更新世以来无明显活动。

关键词：

新构造运动；堆积阶地；活动断层；珠江三角洲

珠江三角洲是我国最大的三角洲之一，这里经济发达，人口密集，大中城市星罗棋布、各种大型工程建设方兴未艾，该区构造活动性如何？是否潜在着较大地震的危险性？是备受关注和亟待解决的问题。该问题不解决，与之相关的区域稳定性评价就失去了依据，涉及城市发展、工程建设及防灾减灾等工作部署也就失去了基础。珠江三角洲周边及内部不同方向的断层很多，纵横交错。问题是：这些断层是否控制了三角洲的形成与发展？是否为活动断层？关于珠江三角洲的构造活动性，学术界历来有截然不同的认识。一种观点认为：珠江三角洲不是沿着其边缘断裂陷落而形成的断块型三角洲，上覆全新统是上更新统被侵蚀后的补偿性堆积和少量加积，不反映构造下沉量，珠江三角洲从构造上来说是稳定的[1-2]，不存在发生较大地震的危险性；另一种观点则认为：珠江三角洲是断块型三角洲，其形成受北东、北西和东西向3组断裂控制，三角洲沉积始于3~5万a前的晚更新世中、晚期，其水系和沉积古地理演化与基底断裂活动密切相关[3-6]。因此，珠江三角洲是构造活动区，存在着较大突发性灾害的危险性。珠江三角洲处在海陆相互作用带、环境变化敏感区，然而，除全新世海侵外，珠江三角洲大部分地区仅记录到更新世数十次水动型海面变化的最近一次。显然，地动型海面变化即新构造运动可能是珠江三角洲研究不能忽视的重要因素。然而，珠江三角洲何时开始下沉？开始下沉的时间与最初接受沉积的时间一致吗？是区域整体下沉还是断块差异下沉？珠江三角洲地区发育的北北东、北东东、近东西和北北西等多个方向断裂都是活动断裂吗？如果是，究竟是同时活动还是先后有序？是同等活动还是各不相同？活动强度是大是小？上述问题的答案目前尚未明晰。近年来，对断裂、阶地、沉积以及年代学、地球物理学工作的不断积累，上述问题已经逐渐明晰。本文通过珠江三角洲阶地-钻孔、钻孔-钻孔、山地-钻孔、陆域-海域等若干联合剖面进行分析，望能为今后进一步深入研究提供参考。

1地质地貌背景

珠江三角洲东、西、北三面被山地丘陵围绕，南面向海，形成马蹄形的海湾形势。三角洲内部遍布台地、残丘，网状河流，其基底轮廓成形于燕山运动晚期，出现了高耸的断块山地和深陷的断陷盆地，盆地内堆积了白垩纪―古近纪陆相红色碎屑岩系。新近纪进入准平原化阶段，直至第四纪晚期才重新接受沉积。目前所见到的断裂构造有：近东西向、北东向、北北西向、北东东向等4组（图1），部分断裂显示出对三角洲发育和沉积的控制作用。珠江三角洲的第四系表现为上、下2次海侵-海退旋回。下旋回（Qp）自下而上按沉积相可划分为3组：石排组（Qps），为海退期河流相砂砾层；西南组（Qpx），为海侵期灰黑色粉砂、淤泥层；三角组（Qpj），为海退期的河流相砂砾层或者河道之外风化的花斑黏土。关于下旋回海侵发生的时代，历来有2种不同认识：晚更新世早期（距今12―10万a）和晚更新世中、晚期（距今5―3万a）。上旋回（Qh）形成于全新世海侵以及全新世高海面稳定之后三角洲向海进积的过程中，按沉积相可划分为3组：横栏组（Qhh），为距今6000a左右全新世高海面时期的海相黑色淤泥层；万顷沙组（Qhw），为河流相砂层；灯笼沙组（Qhd），为海陆交互相的深灰色砂质淤泥层[7]。

2剖面分析

2.1珠江三角洲东北部眉山堆积阶地第四系基本特征及阶地-钻孔联合剖面珠江三角洲北部的番禺台地周缘发现多处第四系堆积阶地，如眉山阶地（图2）、石楼阶地（图3）等。据野外观察这些阶地具有显著的共同特征：1）阶地第四系厚度约10m，顶面海拔高程为10~15m；2）阶地沉积分层清晰，各阶地之间层序可以对比；3）沉积层具有一定的倾斜。眉山阶地位于广州市番禺区眉山村东南约200m，23°00′11″N，113°25′48″E，即番禺台地东北角，与东面的狮子洋直线距离约9km。眉山阶地第四系分层清楚，下部是红褐色调为主的网纹红土风化壳，中部是灰白色砂层，上部是灰黑色淤泥层。通过详细观察、粒度及其他沉积相指标分析，该剖面自下而上可划分为4层。a）网纹红土风化壳：阶地基座为高度风化的网纹红土，呈红褐色到黄褐色等杂色，中夹灰白色长石风化物与红色黏土，厚度＞4m。b）灰白色砂层：整体为白色―灰白色细砂、中粗砂，底部夹杂大量的黏土团块，中部斜层理发育，顶部可见黄色微风化砂层所代表的侵蚀接触界面。厚度为1.6m。c）灰黑色粉砂-淤泥层：以黑色淤泥质粉砂为主，不整合覆盖于下部砂层之上，往北倾斜并尖灭；中底部含大量腐殖质，可见直立树干穿插其中；沉积往上有粒度变粗、颜色变浅的趋势。厚度约2m。底部腐木的AMS14C校正日历年龄为42.88±0.29、44.07±0.32cal.kaB.P.（测试于美国Beta14C年代实验室），接近于14C测年上限。d）灰黑色粉砂与灰白色粗砂交互层：该层底部为一层灰白色粗砂，厚15cm左右，上覆灰黑色粉砂与灰白色砂的互层，呈韵律产出。厚度约0.8m。通过徕卡全站仪，测定d层顶界海拔高程为11.5m。肉眼即能清楚地观察到c、d两层向北倾斜，通过全站仪及赤平投影软件精确计算出c层倾向北北西、倾角为2.19°。眉山堆积阶地以东9km处即为珠江狮子洋入海口，阶地与狮子洋水道之间为珠江三角洲沉积区，这为对比眉山阶地沉积和珠江三角洲沉积提供了便利条件（剖面A）（图4）。笔者对沉积区进行了多个钻孔探测。钻孔岩芯自下而上可划分出基岩网纹红土风化壳、河床相和河漫滩相冲积层、滨海相沉积层、河漫滩相二元结构沉积层、花斑黏土层等。将眉山堆积阶地与钻孔沉积以及以往对华南网纹红土、珠江三角洲地层及阶地的研究[8-13]进行对比，不难看出：眉山阶地沉积应属于珠江三角洲下旋回，a层为珠江三角洲地区早、中更新世准平原化时期的基岩风化壳，b层为第一次海侵之前的河流相沉积（石排组），c层为第一次海侵期间的滨海沉积（西南组），d层为第一次海退期间的沉积（西南组―三角组）。眉山堆积阶地相对于附近同属珠江三角洲下旋回沉积钻孔地层已经高出近20m。阶地基座的网纹红土质地极其软弱，易被剥蚀，留存至今的网纹红土代表了其形成之后被下沉埋藏，上覆的第四系形成之前，网纹红土没有遭受到抬升剥蚀；c层粉砂淤泥经沉积相分析，与钻孔中相应的滨海相沉积层并无沉积相上的显著差别。这些都说明后期的构造抬升是眉山堆积阶地的主要成因，可能是番禺台地东缘北北西向化龙―黄阁断裂带在晚更新世以来活动的表现（见图4）。

2.2珠江三角洲东西向钻孔联合剖面图5所示剖面B东起顺德陈村，西至南海西樵，钻孔呈近东西向排列于番禺台地以西的珠江三角洲平原区内。该剖面穿越了分布于该地区北北西向的北江断裂带、石洲断裂带以及北东向的广从断裂带。以末次冰期发育的花斑黏土层是划分更新统与全新统的标志层。剖面B显示：北东向的广从断裂带对第四系几乎没有影响，而北北西向断裂带均有切错第四系的现象。广从断裂带（F10）东支位于钻孔ZK06与ZK07之间，2钻孔间基岩面起伏较大，ZK06上无更新世河流相或海相沉积，说明钻孔所在位置是被埋藏的古残丘；而ZK07中未见有网纹红土，河流相的褐色砾石与新鲜基岩直接接触，其上是灰黑色的粉砂-淤泥层，表明该处为古河道，网纹红土已被河流侵蚀。广从断裂带西支的ZK09处基岩埋深较大，为弱风化砂岩，岩芯呈碎块状，细粒结构，块状构造，其上覆盖有巨厚层的河流相沉积层，粒度自下而上逐渐变细；ZK12-ZK13之间，该断裂带对基底地形及第四系均无明显的控制作用，也无切割第四系现象。北江断裂带（F2）东西2支均表现为上盘下落的正断层，断裂2盘呈阶梯状下落。其中西支断裂展布于ZK17与ZK18之间，断裂切断了整套下旋回；而位于ZK14与ZK15间的东支断裂仅错断了下旋回的下2层沉积；说明西支断裂的活动时间较东支断裂更晚。同时，东支断裂所在的钻孔ZK14上，基岩风化壳是剖面中整个北江流域的最薄处，亦反映出早期的古北江河道是沿东支断裂的破碎带发育，而钻孔底部卵石的磨圆度高，颗粒自下而上逐渐变细，指示北江古河道是成熟度较高的河流。石洲断裂带（F3）亦有切割第四系及基岩风化壳的现象发生，断裂西盘为基岩埋深较大的古珠江河道，东盘靠近番禺台地隆起区。钻孔ZK08以东的上更新统有明显的向东倾斜的趋势，且风化壳的厚度亦表现出西厚东薄的特征，说明石洲断裂上盘（西盘）有向东掀斜之势。另一平行的钻孔剖面也显示出相同的情况[14]，限于篇幅，在此从略。综上所述，广从断裂带无明显的切割第四系现象。两束北北西向断裂所夹持的地块呈狭长陷落，指示了北北西向断裂的活动性。

2.3珠江三角洲近南北向钻孔联合剖面图6所示剖面C由一系列珠江三角洲平原区内近南北向分布的钻孔编制而成。剖面穿越了该地区北东东向的番禺台地南缘断裂带和五桂山北麓断裂带。从地貌上看，这2条断裂带明显地控制着珠江三角洲地区内部断隆区和断陷区的边界，将该地区自北向南分为番禺台地―西北江三角洲沉积区―五桂山区3个地貌单元。PRD09[15]、PD[11]、YWT等靠近番禺台地南缘断裂带的钻孔，第四系厚度较小，＜20m，但也记录有完整的2次海进海退旋回，下旋回粉砂―淤泥层的沉积相特点与眉山堆积阶地类似，为滨海相沉积；GZ-2[12]、MZ等西北江三角洲中央沉积区的钻孔显示第四系厚度往南逐渐增大，达30~40m，2次海进海退的沉积旋回更加完整和典型，下旋回淤泥层中含有大量海生蚝壳，为浅海相沉积，全新统海相层厚度亦呈往南逐渐增大趋势；FH、SJ、GK等靠近五桂山北麓断裂带的钻孔，全新统海相层厚度达到整个珠江三角洲地区的最大值，更新统以河道沉积为主。全新世海侵规模大于更新世，几乎遍布整个三角洲地区，更新世的海进规模较小。剖面北部地区，更新世粉砂―淤泥层表现为滨海相沉积，往南逐渐过渡为浅海相沉积，沉积厚度较稳定，说明该层形成时并无太大的高差。但沉积层表现出向南倾斜的趋势，表明南部沉降快，北部沉降慢；全新统也同样表现出北薄南厚、向南倾斜的趋势。暗示了北东东向的五桂山北缘断裂的活动性大于番禺台地南缘断裂，使珠江三角洲呈现出南深北浅箕状盆地样式。五桂山南缘断裂带规模较大，对地貌和第四系错动的现象比较明显[16-19]，对温泉也显示出重要的控制作用，沿断裂有三乡、斗门、坪沙等多个温泉。

2.4珠江口水域剖面图7所示剖面D根据广州南科海洋工程中心提供的单道地震波剖面资料编制而成。该剖面位于大铲岛西南的珠江口水域，呈北东东向分布，横穿了控制珠江三角洲东界的北北西向南岗―太平断裂带（F5）。剖面上可辨识出R0-R4等若干层序界面，其中R2与R3所夹的层序，根据钻孔D06揭示岩性为末次冰期形成的花斑黏土，R2为更新统与全新统的界限。F5断裂对更新统有扰动，断裂的西盘相对于东盘下沉，末次冰期的埋藏古河道亦靠近断裂带，受断裂活动的控制；而全新统没有明显受到该断裂活动的影响，呈连续平行的席状分布。这说明更新世以来珠江三角洲东界北北西向的南岗―太平断裂带有一定的活动性，但活动性不足以影响到全新世海侵以来形成的地层。

2.5南海北缘剖面据研究，南海北部陆架北缘存在北东东向的滨海断裂带[20-22]，根据最新的单道地震波剖面分析[23]，相对于珠江三角洲地区内部各组断裂带，滨海断裂带第四纪以来有较强的活动性（图8）。该断裂带以北的三角洲和珠江口地区，只记录了第四纪海平面波动的2次旋回；而以南的南海北部陆架上，存在4次以上的第四纪海侵海退旋回。珠江三角洲地区，下旋回最深处海拔高程-20~-40m不等；南海北部陆架上与珠江三角洲下旋回同时代的沉积物海拔高程降至-90m左右。这说明更新世以来滨海断裂带以南的下沉幅度远大于该断裂带以北，同时暗示珠江三角洲内部北东东向断裂很可能是南海北部滨海断裂带系统的组成部分。

3讨论

珠江三角洲位于南海北部被动大陆边缘，其形成发育演化反映了第四纪全球海平面变化以及区域新构造运动的综合影响。将新构造运动和海平面变化这两者筛分出来，是讨论珠江三角洲地区稳定性面临的主要挑战。相对于西太平洋地区的长江三角洲[24]、红河三角洲[25]、湄公河三角洲[26]来说，珠江三角洲沉积物受区域周边及内部基岩断裂围限，沉积厚度相对较小，接受第四纪海平面变化旋回的次数少等等。这说明新构造运动在珠江三角洲的发育过程中扮演着更为重要且复杂的角色。珠江三角洲地区缺乏新近纪至中更新世地层，基岩风化壳网纹红土发育，说明该地区长期处于稳定的准平原化阶段，而且早期基岩面高程较大，远离古海岸带。第四纪南海北部大陆架下沉逐渐向北扩展，影响到包括珠江三角洲地区在内的华南沿海地区。至晚更新世，该地区的基岩面沉降到接近于当时全球海面波动旋回的高海面附近，开始接受第一次海侵，从而形成三角洲下旋回沉积。所以在第四纪全球海面多旋回波动的背景之下，叠加珠江三角洲地区准平原的缓慢下沉，至晚更新世以来，才堆积了三角洲的2套旋回。珠江三角洲沉降受到不同方向活动断裂的控制。以往研究将该地区断裂分为东西向、北东向、北西向3组。上述资料表明：以广从断裂带为代表的北东向断裂带和以番禺台地南缘断裂、五桂山北麓断裂等为代表的北东东向断裂带活动性有明显的差异，不可一概而论。北东向的广从断裂带，只控制本区周缘山地的古地貌，对珠江三角洲内部的基底古地貌没有明显的控制，对三角洲沉积以及河流的分布也没有明显的影响；在珠江三角洲地区以北，广从断裂带控制山地和平原的界线并不平直；相反，受大小沟谷的切割，界线弯曲，亦暗示广从断裂无明显的新活动[27]。北东东向的番禺台地南缘断裂、五桂山北麓断裂的活动使三角洲沉积呈现北薄南厚、向南倾斜的趋势，与北东东向断裂带在第四纪的缓慢活动息息相关，暗示着北东东向活动箕状盆地的格局；同时北东东向断裂的活动也控制着西江、北江、潭江等水道的发育。以西江断裂、北江断裂、石洲断裂、化龙―黄阁断裂、南岗―太平断裂等为代表的珠江三角洲地区北北西向断层，更新世以来亦见明显的活动性。

所以，珠江三角洲地区东西向、北东向断裂很可能为老断裂，对三角洲沉积的控制并不明显；而北东东向、北北西向2组断裂可能为共轭联动方式的新断裂，造成三角洲沉积区断块的差异沉降、河道的变迁。这是本文的第一点新认识。北东东向、北北西向2组断裂的活动性如何，是否能造成重大的地质灾害？珠江三角洲下旋回沉积年龄是判断断层活动性的重要依据。关于珠江三角洲下旋回年代，分别有晚更新世早期（约12―10万a）[28-29]以及晚更新世中、晚期（约5―3万a）[7,11-12]2种观点。由于年龄在计算构造运动速率时为分母，根据这2种观点所计算的珠江三角洲构造运动速率相差1倍以上，因此对断裂活动性的评价也相差甚远。过去的研究中，多采用14C和热释光测年技术，认为下旋回年龄不超过5万a。14C的测年上限为45ka左右，无法涉及更老的年代，同时14C样品在埋藏中极易受新碳的污染，使表观年龄显著偏新[30-31]。所以14C在珠江三角洲测年应用中存在诸多问题。根据笔者测试的下旋回光释光年龄数据（下旋回最老年代为距今9万a，另文），以及周边及香港地区下旋回沉积的年代研究结果[28-29,32]，珠江三角洲最早的海侵更有可能发生于晚更新世早期（相当于MIS5）。果若如此，该地区北东东向、北北西向2组断裂尽管有活动，但以缓慢蠕动为主，活动速率不高。这是本文的第二点新认识。实际上，珠江三角洲以南（南海北缘）的北东东向滨海大断裂错动幅度大，活动强度高，其东北的南澳岛上世纪初留下了破坏性大地震的记录[20-21]，其西南的明代琼山大地震将几十个村庄瞬间沉入海里。珠江三角洲内部北东东向断裂很有可能受到第四纪以来南海北部陆架下沉逐渐往北扩展的影响，属滨海断裂带系统的组成部分，但与滨海大断裂相比，活动性较低。这是从更大范围内看待珠江三角洲的断裂活动性的新知。

4结论

1）珠江三角洲地区第四纪以来整体沉降，至晚更新世才沉降到接近于当时全球海面波动旋回的高海面附近，自此开始形成三角洲的2套旋回。2）珠江三角洲内部各组断裂，东西向、北东向为老构造，晚更新世以来无明显活动性；而北东东向、北北西向2组断裂共轭联动，控制着珠江三角洲的沉积和水道。3）珠江三角洲以断块差异升降和和差异掀斜为主，断裂活动性较低。4）珠江三角洲内部北东东向断裂很有可能受到第四纪以来南海北部陆架下沉逐渐往北扩展的影响，是滨海断裂带系统的组成部分。珠江三角洲地区断裂活动性较低，而南海北部陆架的滨海断裂带活动性更强，是危险性很高的活动大断裂。

作者：余章馨 张珂 梁浩 李忠云 单位：中山大学 地球科学与地质工程学院