沂沭断裂带重力场及地壳结构特征

王 鑫 张景发 付萍杰 高 敏

1)中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京 100085

2)山东科技大学，青岛 266590

0 引言

郯庐断裂带是中国大陆东部1条岩石圈尺度的构造边界带(Yin et al.，1993)，也是至今为止重要的活动断裂带(方仲景等，1986;李家灵等，1994)。沂沭断裂带为郯庐断裂带山东段，构造地貌特征明显，全新世活动显著，是华北地区的强震活动带之一，曾发生过1668年郯城级大地震(方仲景等，1976;晁洪太等，1999)，为此诸多学者对沂沭断裂带的几何形态、运动学特征、第四纪活动性、构造应力场等方面做了大量的研究工作(江娃利等，1994;晁洪太等，1997;Lin et al.，1998;Zhu et al.，2011;林爱明等，2013)。

随着地球物理技术的迅速发展，重力、地磁、地热等地球物理场在沂沭断裂带研究中得到了广泛应用，揭示了其深部构造特征，增强了地球动力学、大震成因背景等方面的认识(马杏垣，1987;王良书等，1995;杜晓娟等，2005;唐新功等，2006;李春峰等，2009)。然而在以往重力、磁场的研究过程中，所用的数据比例尺较小且场源分离方法有限，展现的主要是断裂带的宏观展布特征，对其内部复杂结构研究不够细致，因此开展地壳结构的深入研究十分必要。

本文以沂沭断裂带及其周边地区作为研究区，收集较大比例尺的布格重力异常数据，以地质及地球物理资料作为约束，利用有效的场源分离方法与密度界面反演方法，反演区域地壳密度结构及莫霍面展布，分析其地壳构造单元及重力场特征;区域范围:116.8°～120°N，34.6°～37.6°E(图1)。通过由浅部到深部多层次的研究，充分揭示区域构造特征及深部孕震环境，为该地区的地球物理场研究提供依据，也为该地区的地震危险性评价提供坚实的基础资料。

图1 研究区主要断裂分布图(参考中国活动构造图(邓起东等，2007)，并根据重力资料修改)Fig.1 Distribution of active faults of the study area(Faults are cited from Map of active faults in China(Deng et al.，2007)，and amended based on gravity data).

1 地质构造背景

研究区由鲁西地块、沂沭构造带、鲁东地块组成，沂沭构造带纵贯区域中央，其西侧为华北板块的鲁西隆起，东侧自北向南为华北板块的胶北隆起与胶莱盆地及苏鲁造山带(鞠林雪等，2012)。沂沭断裂带是区域重要的构造转换带，南起郯城，北入渤海，大致沿沂河、沭河分布，整体呈NNE向延伸，深部构造复杂，主要由4条主干断裂组成，自东向西依次为昌邑－大店断裂(F1)、白芬子－浮来山断裂(F2)、沂水－汤头断裂(F3)、鄌郚－葛沟断裂(F4)，这4条断裂构成两堑加一垒的复式地堑构造。新生代以来裂谷构造遭受挤压逐渐消亡，裂谷中的中生代地层强烈褶皱隆起，从而转化为挤压性质的右旋走滑构造带，并产生1条新断裂，即安丘－莒县断裂(F5)，位于东地堑内的F1、F2之间，郯庐断裂带中段的晚第四纪以来的新活动主要表现在这条断裂上(李家灵，1989;晁洪太等，1992)。

普遍认为，沂沭断裂带形成于晚三叠世—早侏罗世期间的华南－华北碰撞过程中，是1条大型左旋走滑的碰撞造山边界(Xu et al.，1987;Yin et al.，1993;朱光等，2005;张岳桥等，2008;Zhu et al.，2009)，在晚侏罗世—早白垩世期间由于古太平洋板块向亚洲板块的俯冲，使其再次发生左旋平移活动(朱光等，2004a，2005)。晚白垩世持续至古近纪，中国东部出现了由挤压到伸展的重大构造机制转变(翟明国等，2003)，形成了沂沭断裂带4条大型正断层以及“两堑一垒”构造样式(朱光等，2001)。进入新近纪，中国东部的构造格局又发生了转折，在西太平洋板块和菲律宾板块向W俯冲产生的弧后扩张作用下(朱光等，2004b)，沂沭断裂带转变为强烈的挤压活动。第四纪以来，沂沭断裂带新构造活动十分强烈，在区域性NEE－SWW向的主压应力作用下(Zhu et al.，2011)，表现为右旋走滑兼逆冲活动性质(国家地震局地质研究所，1987)。

鲁西地块发育多条NW走向断裂带，从北至南为无槺－益都断裂、铜冶店－孙祖断裂、新泰－蒙阴断裂、蒙山山前断裂、苍尼断裂，这些断裂沿NW方向形成了弧形构造(或“旋转式构造”)，最新活动时期主要在晚更新世末至全新世初，与沂沭带最新的强烈活动时段一致。鲁中地区甚至更大范围内晚更新世至全新世初是地壳断裂活动的重要阶段，其生成发育与沂沭断裂带有密切关系(晁洪太等，1992)。

2 数据与方法

重力场是研究地质构造和岩石圈结构的重要地球物理资料，可以展示地壳内部不同密度岩性体的分布情况，也可以直观地反映地质体分布、断裂构造的展布以及深部构造特性等信息。然而，重力场是叠加场，是不同密度、不同规模、不同深度的地质体所产生重力异常的综合效应，即深部场与浅部场的叠加、区域场与局部场的叠加，因此采用有效的数据处理方法分离重力场信息，提取出不同模式、不同尺度的场源异常，进而对场源所引起的局部异常开展地壳深部特征分析研究，是利用重力资料进行地质体反演和解译的重要步骤。

近几年小波变换方法的快速发展，成为重磁异常分解的有效工具，并广泛应用于地球物理信号处理领域。利用小波多尺度方法对重力场进行有效场源分离，可以得到不同阶次的小波变换逼近场与小波变换细节场，体现出不同模式、不同深度的异常信息，其中小波变换逼近场是对区域场布格重力异常信息的反映，主要体现了深部场源所引起的较大规模的低频异常信息，而小波变换细节场是对局部场布格重力异常信息的反映，主要体现了浅部场源体引起的较小规模的高频异常信息。侯遵泽等(1997)介绍了小波多尺度分析方法原理，并利用该方法对中国大陆布格重力异常进行了解析;杨文采等(2001)利用低阶细节不变准则实现了有地质意义的重力异常分解;方盛明等(2002)采用小波变换多尺度技术分解了华北地区布格重力异常，讨论了各阶变换异常细节特性及相应的地质构造特征。此外，还有许多学者应用重力小波多尺度分析方法开展地质构造研究工作，获得了丰硕的成果(高德章等，2000;姜文亮等，2012;吴咏敬等，2012;Jiang et al.，2012，2014)。

本文收集了研究区的地面布格重力资料，数据来源于全国地质资料馆，采样间隔为2km，利用重磁勘探软件(GMS3.0)的二维小波多尺度分析方法进行布格重力场数据分解，得到1—4阶小波变换逼近和1—5阶细节图。为了精细地刻画地壳内部结构及断裂带展布特征，下文将简要分析小波变换逼近场，重点分析小波变换细节场，并结合功率谱方法，计算各阶次小波变换场所对应的近似场源深度(表1)。功率谱是20世纪70年代发展起来的一种重磁场深度换算方法(Cianciare et al.，1976)，可以利用对数功率谱曲线斜率估算各阶次重磁变换场相对应的近似场源深度，是重磁深度反演计算的常用方法。

表1 各阶小波变换重力场所反映的场源深度Table 1 Depth reflected by each wavelet transform

3 区域场特征

3.1 布格重力异常特征

布格重力异常主要反映了区域场宏观构造信息。布格重力异常图显示(图2)，区域重力场表现为东西分异格局，形成东高西低的异常特征，异常值变化范围在－8.1～58.0mGal之间。沂沭断裂带贯穿区域中部，沿潍坊、安丘、莒县、临沂地区形成了1条NNE方向的重力梯度带，梯度带重力异常变化剧烈，重力梯度值高，最大梯度变化值＞1mGal/km，分隔了鲁西、鲁东2大地块，构成了区域内重要的地球物理分界线，其两侧地质体密度存在明显差异;区域东侧为鲁东地块，鲁东地块由北向南为胶北隆起、胶莱凹陷、胶南隆起中新生代构造单元(宋明春，2008)，其中胶莱坳陷表现为高值异常圈闭区，呈现出斜三角形态，异常值最大达58mGal，其南北两侧胶南、胶北隆起的重力异常值较低，表现为中值异常区;区域西侧为低异常区的鲁西隆起地块，重力值明显低于东部，反映出强烈的隆升机制。

3.2 重力小波逼近场

小波逼近场压制浅层次局部地质体异常效果，突出区域优势构造单元的重力异常特征，反映深部场源低频异常信息。随着逼近阶次的增高，所体现出的重力场信息趋于简单化、集中化。针对1—4阶小波逼近图，利用对数功率谱方法对场源深度进行了计算，得到了各自对应的近似场源深度(表1)。

图2 区域布格重力异常图Fig.2 Bouguer gravity anomaly of the study area.

1—2阶逼近图中(图3a，b)，异常值变化范围分别为－7.4～57.5mGal、－6.3～55.2mGal，重力场整体特征与布格重力异常较为相似，反映出中上地壳深度的区域场信息，区域地质构造格局基本清晰，东部为中高值区的鲁东地块，西侧为低值区的鲁西隆起，沂沭断裂带形成的NNE走向大型重力梯度带平直而陡变，反映出中上地壳厚度在沂沭带发生了急剧的变化。3—4阶逼近图中(图3c，d)，异常值变化范围分别为－4.2～49.4mGal、－1.3～43.7mGal，局部异常信息逐渐压抑，区域板块特征及深大断裂的重力异常更为突出，反映下地壳至莫霍面深度的区域场信息。区域继承着东高西低的重力场特征，反映出鲁东、鲁西地块的地壳厚度存在明显差异，而沂沭断裂重力陡变梯度条带依然存在，呈舒缓波状延伸，控制着两侧块体的边界，该断裂已切穿下地壳达上地幔，属于超壳断裂。

4 分析与讨论

4.1 地壳结构特征

重力小波细节场可抑制深部场响应，突出局部场信息，反映的是区域较为精细的地壳结构特征，其高、低异常圈闭代表着隆、凹相间的构造地质单元。由于1节细节图主要反映的是近地表沉积层的密度变化，其信息尤为杂乱，故重点对2—5阶小波细节图详细分析，并利用对数功率谱计算所对应的近似场源深度(表1)，揭示不同深度的地壳横向非均质性。

图3 布格重力异常1—4阶小波逼近图Fig.3 1～4 order approximate images of wavelet multi-scale analyses.

2阶小波变换细节图重力异常变化错综复杂，支离破碎，异常值变化范围为－4.9～8.0mGal，对应着上地壳大约6km场源深度，反映的是上地壳地质体密度差异(图4a)。沂沭断裂带内部形成了多条NNE延展的狭长状高、低重力异常圈闭体，对应汞丹地垒及东、西地堑构造单元，体现了上地壳的两堑加一垒的构造格局，而高、低异常圈闭体之间的过渡带形成NNE向小尺度线性重力梯度带，沂沭断裂带的5条分支断层沿此线性梯度带分布，其中F1、F2断裂挟持着低异常条带的安丘－莒县盆地，F3、F4控制着低异常条带的马站－苏村盆地，F2、F3之间为高异常条带的汞丹山断隆，而F5断裂形成右阶雁列式线性异常，断续展布于安丘－莒县盆地之内。在晚白垩世至古近纪期间，沂沭断裂带发生的伸展活动基本形成了两堑一垒重力格局的雏形，4条主干断裂为大型正断层(朱光等，2001);而新近纪以来区域转换为强烈的挤压作用(朱光等，2004b)，4条主干断裂沿先存的正断层再次发生逆冲活动，持续控制着堑垒构造边界。

图4 布格重力异常2—5阶小波细节图Fig.4 2～5 order detailed images of wavelet multi-scale analyses.

鲁西块体内发育多条NW向断裂，表现为重力线性梯变带或串珠状异常条带现象，其中无棣－益都断裂、沂源－沂水断裂、铜冶店－孙祖断裂、新泰－蒙阴断裂所形成的重力线性条带交切于西地堑，由于汞丹山地垒高异常圈闭遮挡，未延伸至东地堑，而蒙山山前断裂、苍尼断裂穿过西地堑切至东地堑，使沂沭带所形成的NNE重力圈闭体发生扭曲、收敛等现象。鲁西地块的多条NW向断裂控制着系列小型盆地的发育，盆地单元体的重力异常均表现为低异常现象:双山－李家庄断裂南侧的低异常椭圆形圈闭对应临朐三角型盆地;铜冶店－孙祖断裂西南段南侧为莱芜三角形盆地，表现为长轴EW向的低异常圈闭;新泰－蒙阴断裂控制着南侧中新生代的新泰－蒙阴盆地，形成NW向的串珠状低异常条带;蒙山山前断裂的北侧为太古代片麻岩的蒙山山脉，表现为窄条状重力高异常圈闭，圈闭形态与蒙山山体相吻合，其南侧为中新生代的平邑－方城盆地，表现为长轴NW向的窄条状低异常圈闭，高、低重力圈闭之间形成了线性梯度带，对应着蒙山山前断裂的分布(晁洪太等，1992)。上述分析表明，鲁西NW向断裂系构成了“北断南超”重力特征，其形成机制归因于中生代沂沭断裂带左行运动(王小凤等，2000)，也有人认为是与沂沭断裂带在特定构造动力学背景下形成的1组共轭断裂系(王先美等，2010)。

3阶小波变换细节图中重力异常圈闭有所增大，异常值范围－8.4～10.4mGal，对应场源深度约12km，反映了壳内中等尺度岩石密度的不均匀性特征，展现了中地壳深度上各地质块体岩性密度差异的分布情况(图4b)。图4中，沂沭断裂带整体呈“V”字形态且由北向南收敛，其内部的安丘－莒县盆地、汞丹断隆、马站－苏村盆地，对应的低、高、低狭长状重力圈闭体进一步扩大，两堑一垒的构造格局更为明显。潍坊至莱州湾一带，沂沭断裂带呈发散状向N延伸，两堑一垒的重力格局不复存在，5条主干断裂变为2支，即东支的F1断裂和西支的F4断裂;由于沂沭构造带新生代以来的走滑拉分活动，形成了潍坊凹陷、潍县凸起、潍北凹陷构造单元(李晓清等，2003)，由南向北依次排列，分别表现出方形或菱形的低、高、低圈闭体的重力响应，F1、F4断裂控制着系列隆凹单元的东西边界。鲁西块体内NW向断裂及相应断陷盆地的重力特征依旧清晰，其中蒙山山前断裂横切沂沭带，使沂沭带产生的高异常圈闭左旋扭曲，苍尼断裂切穿沂沭构造带并分割北侧的临沂高异常圈闭及南侧低异常圈闭的郯城凹陷区。鲁东地区的五莲－荣成韧性剪切带异常初显，沿日照北侧的重力梯度带分布，分隔胶南隆起、胶莱坳陷构造单元，与沂沭带组成倒“入”字形结构。

4阶小波变换细节图中重力异常圈闭进一步扩大，异常值在－9.7～10.1mGal内变化，场源深度约23km，揭示中地壳底部至下地壳顶部介质密度造成的重力异常情况(图4c)。下地壳为褶曲构造，表现出大规模高、低密度异常相间排列的典型特征，沂沭断裂带各主干断裂的线性梯度带消失，沿断裂带产生的串珠状重力高与重力低异常分布，高、低异常圈闭相间排列，圈闭规模较大且呈长轴方向为NNE的狭长条带。在潍坊—莒县一带沂沭带呈现宽缓的低异常圈闭，反映了白垩纪—古近纪在区域伸展作用下形成的沂沭裂谷带(朱光等，2001)。鲁西块体的无棣－益都断裂、蒙山山前断裂、苍尼断裂依然表现为NW向重力梯变条带，表明这些断裂已切割至下地壳深度，其中苍尼断裂切穿沂沭断裂带，形成下地壳介质北高南低的异常特征，南北两侧密度差异明显，证明了郯庐断裂带在此处的地壳深部的分段性特征(张鹏等，2007)，苍尼断裂成为郯庐带鲁、苏段的重要分界线。鲁东地区胶莱盆地与南侧的胶南隆起分异逐渐加剧，被五莲－荣成断裂重力梯级带分隔。

5阶细节图反映了下地壳底部到上地幔顶部引起的重力异常，揭示莫霍面起伏及上地幔物质密度的横向变化特征，重力异常趋于简单，重力值范围－5.9～7.5mGal(图4d)。由于西太平洋板块向东亚板块持续俯冲，华北东部深部岩浆活动剧烈(Tian et al.，2011;Zhu et al.，2011，2012)，造成区域内上地幔和软流层的高密度物质沿沂沭断裂带通道上涌，在潍坊—莒县—临沂一带形成了NEE向的大规模椭圆状高异常圈闭体，密度异常明显高于周边，这可能是沂沭断裂带地震活动性强的原因之一。相比之下，鲁西地块形成重力低异常区，其莫霍面埋藏深，地壳厚度大，地壳较为稳定。

4.2 莫霍面反演

以往的重力资料反演莫霍面采用的是均匀密度模型，壳幔密度差为1个常数，然而实际中地壳密度是随深度变化的，壳幔密度差也是变化的，因此本文采用密度随深度呈指数变化的变密度模型来反演莫霍面深度，即采用Parker密度界面反演法对区域莫霍面进行计算(Parker，1973)，利用地震测深资料得到不同层位的地壳厚度及速度结构作为反演的约束条件(表2)(张碧秀等，1996;邓晋福等，2007)。壳幔密度差指数模型为

式(1)中:Δρ0为界面密度差，μ为变密度因子，Z为深度。

根据地震测深资料可知(熊小松等，2011)，研究区西部的鲁西隆起及东部的胶南隆起莫霍面较深为33～36km，潍坊东至临沂一带较浅为30～32km，故研究区莫霍面平均深度约为33km。文中通过密度与P波速度的经验公式ρ=0.77+0.32Vp(Berteussen，1977)得到了不同层位的地壳介质密度(表2)，利用变密模型公式计算出区域最佳变密度因子为0.049。

通过对研究区布格重力数据进行小波变换处理得到4阶重力小波逼近图(图3d)，消除了局部重力异常的影响，根据对数功率谱计算，近似场源深度约为40km，基本反映了莫霍面及上地幔引起的重力异常特征，因此用来反演莫霍面深度图最佳。

由区域莫霍面分布图可知(图5)，莫霍面在横向上起伏变化较大，范围在29～36km，自东向西逐渐加深，地壳由东向西逐渐增厚，具有明显的分区特征，沂沭断裂带形成了莫霍面陡变带，呈NNE向弧形展布，纵穿区域中央。区域莫霍面形态与地表存在明显的负相关性，沂沭带西侧莫霍面埋深大，对应着鲁西隆起地貌，而东侧莫霍面埋深普遍较浅，对应着平原沿海地带，地壳厚度整体偏小。鲁西块体内，莫霍面在沂源县和枣庄2个地区出现2个莫霍面凹陷中心，其深度为35～36km，表明在区域隆起过程中受重力均衡调整作用而使得莫霍面下倾;而东部地区出现2个莫霍面上隆中心，分别在潍坊东和临沂市一带，埋深29～30km，鲁东地区日照北侧出现莫霍面梯度带，在地质构造上大体对应五莲－荣成韧性剪切带，分隔蓬莱盆地及苏鲁造山带，莫霍面自西北向东南加深，日照地区埋深达35km。

沂沭断裂带为超壳断裂带，造成区域莫霍面东西分异的格局，影响着两侧块体地壳活动及构造特征。横跨断裂带地壳厚度由西侧的36km迅速上升至东侧的30km以上，起伏变化达6km，两侧莫霍面埋深形成了鲜明对比。研究表明大震多发生在地幔上隆附近或斜坡带上(北京大学地震地质教研室等，1982)，公元前70年安丘7级地震、1668年郯城级大地震均发生于沂沭构造带内的莫霍面梯度条带上及上隆区，因此潍坊—莒县—临沂一线在深部孕震环境上具有强震发震条件，视为强震危险区。

表2 地壳厚度、P波速度、密度Table 2 List of P wave velocity，crustal density and average crustal thickness of the area

图5 区域莫霍面分布图Fig.5 Moho topographic map of the study area.

4.3 地震活动性分析

张国民等(2002)指出华北地区近期地震震源深度平均为(14±7)km，地震基本集中在中上地壳内，因此将1980—2008年的地震数据(MS2～5)投影到中上地壳尺度的2—3阶重力小波细节图中，分析地壳深部孕震环境。如图4a，b所示，地震主要发生在高、低密度异常转化带之间，特别是高、低异常过渡的重力梯度条带之上，重力梯度条带即地壳密度的变化带，是地壳形变发生破裂的重要位置。震中多数沿几条大型的活动断裂对应的重力梯度带分布，走向与断层走向基本一致，形成了线性的地震条带，以沂沭断裂带现象最为明显，鲁西块体内的几条NW向断裂次之，地震的发生与这些断裂的活动有着密切的关系。

综合近期地震和历史中强地震资料可知(图6)，区域内沂沭断裂带地震频发，形成了NNE向的地震构造带，并发生过公元前70年安丘7级大地震及1668年的郯城级大地震，地震活动性强;鲁西块体发育多条NW向活动断裂，控制了地震的发生，出现多次5级以上地震，5级以下地震频发;鲁东块体活动断层发育较少，地震活动性弱，地震频度相对于沂沭断裂带和鲁西地块低，仅发生过1次5级或5级以上地震，即1796年诸城5级地震。区域地震发生的强度及频度由高到低依次为沂沭断裂带、鲁西地块、鲁东地块。沂沭断裂带东地堑内小震密集而频度高，1668年的郯城级历史大地震也发生于此;而西地堑内地震活动明显减弱，小震稀疏而分散，活动频度低，没有5级以上地震发生，东、西地堑的地震活动存在明显差异，东地堑地震活动性强于西地堑。

图6 区域地震活动性Fig.6 Seismic activity of the study area.

5 结论与认识

(1)布格重力异常显示，沂沭断裂带形成了1条NNE走向的大型重力梯度带，分隔了鲁西和鲁东块体，成为区域内重要的地球物理分界线。鲁东块体由北向南为胶北隆起、胶莱盆地、胶南隆起，重力特征表现为中、高、中值异常形态，而鲁西地块重力值明显低于东部，反映出强烈的隆升机制。1—4阶小波逼近图反映的是区域场信息，突出了鲁西块体、沂沭构造带、鲁东地块3大构造单元异常特征，沂沭断裂带的重力梯度带更为明显，该断裂切穿地壳达上地幔，属于超壳断裂。

(2)重力局部场显示，区域中上地壳结构比较复杂，下地壳结构相对简单。在中上地壳内，沂沭断裂带内部由西向东为安丘－莒县地堑、汞丹山地垒、马站－苏村地堑，对应着低、高、低狭长状重力异常圈闭，形成了两堑一垒的构造格局，5条主干断裂形成了线性梯度带分布于东、西地堑中;鲁西发育多条NW向断裂，呈现线性梯度带或串珠状条带交切于沂沭断裂带，多数断裂只交切于西地堑，而蒙山山前断裂、苍尼断裂横穿沂沭断裂带切至东地堑，这些断裂控制着相关盆地的边界。下地壳为明显的褶曲构造，表现出大规模高、低密度异常相间排列的典型特征，沂沭带形成宽缓的低异常区，反映了在白垩纪—古近纪的区域伸展作用下形成的沂沭裂谷，而NW向断裂仅无槺－益都、蒙山山前断裂、苍尼断裂形成了舒缓型的梯度带与之交切，说明这些断裂已切割至下地壳深度。

(3)区域莫霍面形态与地表存在明显的负相关性，西部莫霍面埋深大，对应着鲁西隆起地貌;而东部莫霍面埋深普遍较浅，对应着平原沿海地带;沂沭断裂带形成了莫霍面陡变带，造成了东西分异的格局，影响着两侧块体构造特征及地壳活动;潍坊东—莒县—临沂一线出现莫霍面上隆区，是由于软流层或上地幔高密度物质上隆所致，具有强震发生的孕震环境。

(4)区域地震多发于高、低密度异常转化带之间，特别是活动断裂对应的高、低异常的重力梯度条带之上，地震的发生与这些断裂的活动有着密切的关系。沂沭断裂带地震频度高、强度大，相比之下，鲁西地块次之，鲁东地块最弱，沂沭断裂带的东地堑地震活动性明显强于西地堑。