基于地球物理反演结果对沂沭断裂带中段深部结构再认识

朱裕振， 强建科， 李强， 沈立军， 贾金荣

1)山东省煤田地质规划勘察研究院，济南，250104；2)中国地球物理学会煤田地球物理重点实验室，济南，250104； 3)中南大学，长沙，410083

内容提要: 沂沭断裂带为郯庐断裂带山东段的大断裂，其深度切穿莫霍面，把鲁中造山带与苏鲁造山带隔开，断裂带的活动情况影响山东地区大地构造的稳定性。以往的工作多集中在地表或近地表地质要素的调查和研究，局部也开展了一些地球物理探测工作，大多以剖面为主，对区内地质构造的认识比较局限。本文收集沂沭断裂带约14600 km2范围的区域重力数据，并对其进行了定性解释和三维定量反演，获得了区内地下30 km内的相对密度分布。综合研究了从诸葛镇到五连金矿的精测剖面，其中包括重力、磁法和大地电磁3种方法。由此得到以下几点结果：①揭示了区内东部地下存在一条巨大的隐伏隆起构造，深度约2 km到10 km，从南南西方向延伸到北北东，有3个局部核心区：分别是石桥子镇往西南约30 km范围、由桑园镇、五莲县金矿及许孟镇三者之间的区域、以湖头镇为中心向北向南各延伸约30 km范围。②地表观察的断裂F1和F2比由反演的相对密度确定的断裂F′1和F′2向东偏移，而且北部偏移比南部更大。③重力、磁法、大地电磁测深综合剖面S1—S2研究表明，沂沭断裂带北段内岩矿石具有较低的相对密度、较低的磁性和较低的电阻率特征，意味着断裂带在北部具有张性特点。综上所述，研究区内东部上地壳内存在隐伏隆起构造，昌邑—大店断裂和安丘—莒县断裂在北部具有张性断裂特征，在南部具有挤压特征，莒县以南小地震方式释放部分应力。

沂沭断裂属于郯庐断裂带的一部分，是山东境内北北东走向的重要断裂，在地质历史时期活动频繁，其地质构造主要由4条断裂构成“两堑夹一垒”的构造带特征，但是对构造带的活动情况，不同学者持有不同的观点。在20世纪90年代，Huang Wei(1993)对沂述断裂带周边的427条冲沟和河流进行统计分类,得出其中有约48.7%冲沟和河流无法确定是否有同步转折和位错,有约37.7%具有右旋位错，13.6%具有左旋位错倾向的结果，由此认为沂沐断裂带具有右旋走滑的特征。Lin Aiming等(1998)的研究表明，沂沭断裂带东部的两个断裂在第四纪具有明显的活动特征，而西部的两个断裂第四纪以来没有明显活动特征。宋方敏等(2005)通过野外实地调查、探槽开挖以及岩矿石鉴年等勘探手段确定安丘—莒县断裂小店子—茅埠段为全新世早期活动的断裂(大约发生在70000a；宋方敏等，2005，有3次古地震发生在3500a、6500a、10000a；林伟凡等，1987)，其活动性质是以右旋走滑为主，兼有挤压逆冲，断层东部抬升约2.0～3.8 m，水平位错64～73 m。林爱明等(2013)认为沂沭断裂带的水系分布和几何形态主要受断裂构造制约，沿沂沭断裂带周边区域发育的水系不具有走滑断层的系统化转折和位错的变形特征，但水系分布和实际考察确认沂沭断裂带东部的两个断裂是活动断裂。

从中国东部早白垩世裂陷盆地的构造演化来看(张岳桥等，2004；朱光等，2018)，早白垩世早期引张裂陷阶段沿郯庐断裂带发生右旋走滑活动，而早白垩世晚期在区域NW—SE向挤压应力场作用下出现反转，沿郯庐断裂发生强烈的左旋走滑运动。严乐佳等(2014)通过对沂沭断裂带活断层的结构与几何学特征、活动型式与时间、断层擦痕以及反演应力场等多方面的综合分析表明,沂沭断裂带第四纪以来呈现为大型的活动构造带,且各活断层主要表现为逆右行平移。

要想搞清楚沂沭断裂的更多地质情况，仅限于地表地质要素是不够的，徐建国等(2019)通过面积性浅钻发现安丘—莒县断裂(F1)和昌邑—大店断裂(F2)之间存在“潜凸起”(位于沂沭断裂北段)，宽度约500～1000 m，这个现象为人们解释沂沭断裂演化中伸展、沉积、挤压、隆起等过程提供更多依据。

了解沂沭断裂带大深度地质情况必须依赖于大深度的地球物理探测方法。燕乃玲等(2001)从流动水准、流动重力和流动地磁测量的角度讨论了沂沭断裂南北段与地震活动之间的关系，指出沂沭断裂带北段地壳垂直变形较大，与附近地震活动密切相关。大地电磁测深法是一种大深度物探方法，能够获得深部岩矿石导电性特征，叶高峰等(2009)由泰安—莒县—日照观测的一条超低频大地电磁测深剖面得出，沂沭断裂带深度约20～40 km为低电阻率，而深度约40～140 km为高电阻率，在断裂带西侧岩石圈厚度约80 km，东侧岩石圈厚度约140 km，具有明显电性差异。张继红等(2019)通过安放在沂沭断裂带内的安丘、莒县电磁台和断裂带外的无棣电磁台长期观测的地电场和地磁场，数据反演结果表明，无棣台及其附近具有地块稳定的地壳深部结构，而安丘和莒县电磁台及其附近中下地壳内存在有较低电阻率的电性结构。深反射地震对具有层状结构的地层或深大断裂效果较好，在宿迁一带开展的深反射地震研究表明(刘保金等，2015；秦晶晶等，2020)，郯庐断裂带不仅是一个切割岩石圈的大型断裂构造带﹐而且还是地壳和岩石圈厚度的突变带,该区莫霍面和岩石圈底界均向西倾,其中,地壳厚度约为31～36 km,岩石圈厚度约为75～86 km。

重力勘探成本较低，覆盖面较大，对于地下大型隐伏地质构造具有显著的反映。王鑫等(2015)对沂沭断裂带的重力场进行了分离，定性讨论了上、中、下地壳物质分布，可惜没有做进一步反演工作。对重力数据进行三维反演才能真正获得地下岩矿石的相对密度分布，进而推测构造分布。

综上所述，由地表残留地质要素评估大约70 ka前或更早时期的地质运动存在一些不足，地球表面各种地质作用强烈，地表残留地质要素有些可靠，有些不可靠，致使有时候对同一地质问题出现不同的认知。地质运动的时间以百万年计算，运动的形式随深度不同变形程度也不同。因此，认识地球深部构造问题还需要借助大深度地球物理观测数据，笔者等以区域重力数据的三维反演结果为依据，研究沂沭断裂带中段中深部的构造展布情况。

1 研究区内地质概况

研究区位于山东省东南部，主要位于日照市、临沂市内，少量区域属淄博市、潍坊市内。研究区处于华北板块和秦岭—大别—苏鲁造山带两大构造单元交汇部位，横跨鲁中隆起、胶辽隆起区、胶南—威海隆起区3个Ⅱ级单元。沂沭断裂4条主干断裂自东向西依次为昌邑—大店断裂、安丘—莒县断裂、沂水—汤头断裂、鄌郚—葛沟断裂。研究区隶属华北地层大区，横跨两个地层分区，即鲁西地层分区和鲁东地层分区，上述两个地层分区的界限以安丘—莒县断裂为界。地层发育较为齐全(图1)。

图1 山东东南部地质构造略图

区内位于中低丘陵区，地形总体上北高南低，海拔40～1031 m。沂沭断裂带内汞丹山凸起为丘陵区地形，两侧地堑为山间河谷地形，沂、沭河的冲洪积作用造就了著名的临郯苍平原。根据海拔和地形切割程度的差别分为弱切割剥蚀构造丘陵地貌、剥蚀堆积山间平原地貌、堆积山间平原地貌。变质岩区山顶平缓，局部切割为“V”字型，下游谷宽呈“U”字型。堆积山间平原为流水搬运堆积形成，堆积物自河谷上游至下游、自山前至滨海由薄变厚。图2展示的立体地形高程比例尺很大，主要想突出盆地与山地的区别，以便于与地下隐伏隆起构造对比。

图2 山东东南部地区立体地形图

2 重力异常三维反演及分析

2.1 重力异常定性特征

沂沭断裂带重力异常数据为山东省1∶20万区域重力数据，总体异常特征为东高西低，即东部和东北方向重力异常较高，西部和东南方向重力异常较低，中南部重力异常为次高(图3)。三部分之间以两条NNE向的大型重力梯级带相隔，恰好与4条主干断裂相对应。区域重力值变化特征反映了莫霍面东浅西深的变化趋势和地壳密度在横向上的不均匀性。

图3 山东东南部重力异常三维立体示意图(注：坐标已处理为伪坐标)

研究区内西部和西北方向为泰山隆起区，区域重力场总体显示为大规模的低值重力异常，变化范围约-30～0 mGal，主要岩石为古元古代二长花岗岩类。部分呈NW向展布的相对重力高异常，重力值为0～5 mGal，与泰山岩群分布有关。区内东部和东北方向，有明显的重力高值，约0～16 mGal，但地面相对平坦(图2)，意味着地下有隐伏隆起构造或莫霍面抬升。

2.2 重力三维反演及分析

本次重力三维反演软件为中南大学课题组研制的地球物理资料综合处理解释一体化系统(GME_3DI)。该软件的最大特点是采用空间波数混合域算法，将三维微分方程转化为一系列不同波数的一维常微分方程进行计算，因此计算速度非常快，千万或亿节点的运算在微机上几分钟完成，拟合精度达到千分之一，在实际应用中取得较好的结果(朱裕振等，2019；李帝铨等，2021)。

将研究区进行三维剖分，水平方向节点为412，深度方向节点为401(-30 km)，总共获得地下单元数为412×412×401=68067344个。三维反演共迭代8次，拟合误差小于千分之一。反演出的最大相对密度为0.16 g/cm3，最小相对密度为-0.3 g/cm3，图4展示了4条南北和东西深度切片，密度异常明显。图5是地下岩矿石相对密度大于0.02 g/cm3的分布情况，主体隐伏隆起构造由南南西延伸到北东东。有3个主要相对密度异常：一个在东北位置，地面为胶莱沉积盆地，但地下展显出隐伏隆起构造，中心埋深约-7 km；另一个在东部，属于苏鲁造山带地块；第三个密度异常在南部，埋深较大。随着深度增加，相对密度差异越小，在-30 km深度，从相对密度的等值线来看，西部小一些，东部大一些，意味着莫霍面西低东高，但异常微弱(图6中-30 km切片)。

图4 山东东南部内重力三维反演相对密度立体切片示意图

图5 山东东南部重力异常三维反演结果示意图(相对密度>0.02 g/cm3)

为了分析中下地壳岩矿石的分布情况，我们把重力反演结果的水平切片上下叠放，以立体图的方式展示(图6)，明显可以看到，高密度岩体主要集中在F1断裂以东区域，深度为-2 km到-20 km以内，在-10 km到-20 km之间呈现“西低东高”的特点，意味着中下地壳厚度“西薄东厚”，或者说，中下地壳表现出“西边下沉东边抬升”。从-30 km深度的相对密度差异来看，莫霍面水平方向差异性较小(图6)。

图6 山东东南部三维重力反演相对密度分层水平切片

3 沂沭断裂带隐伏构造讨论

3.1 沂沭断裂带东部F1和F2断裂右旋证据

从重力三维反演的相对密度数据体中截取地下-5000 m深度处的相对密度水平切片(图7)，一般认为，凹陷或断层位置表现为相对密度低，图中红色表示相对密度较高或隆起区域，而浅绿表示低密度物质或断层位置。四条实线分别为地表地质观察主断裂F1(昌邑—大店断裂)、F2(安丘—莒县断裂)、F3(沂水—汤头断裂)和F4(鄌郚—葛沟断裂)对应的位置(林爱明等，2013；刘保金等，2015)。虚线位置F′1、F′2、F′3、F′4为重力三维反演推断断裂位置，很明显，这4组断层尽管趋势一致，但地表断裂位置与由重力反演推断的断裂位置并不重合，而且北部比南部差异更大，即断裂F1、F2北端比F′1、F′2向东偏移约10 km，且断裂带内以低密度介质为主；而在南部断裂F1、F2和F′1、F′2有差别，但比较小。

图7 山东东南部三维重力反演深度为-5000 m相对密度水平切片与沂沭断裂带关系

上述现象说明，断裂带F1、F2在东北部是张性的，且整体向右移动，其中F1右移更多一些(与“右旋走滑”的地质现象对应；(Huang Wei，1993；林伟凡等，1987))。但断裂带F1、F2在西南部右移较小，推测隐伏隆起构造3成为阻力，使莒县西南部成为应力集中点，查询山东地震局的历史数据表明，在最近10年内莒县附近发生 5 次 2～3 级地震(表1)，说明该地区应力积聚较大，以小地震方式能够释放部分应力。

表1 2015年以来山东莒县地震记录

3.2 隐伏岩体分析

由地表地形(图2)可看出，断裂带F1—F2的东北部和西南部浅表均为沉积水平地层，地形起伏很小，但从重力三维反演的相对密度分布(图6、图7)来看，地下-2000到-10000 m之间存在隐伏地层隆起构造或侵入火成岩体(需要同时满足磁性异常)，有3个明显的“相对高密度异常”(图中白色虚线内)：可以解释为地层隆起产生的密度异常，即东北部的隐伏隆起构造-1、东部的隐伏隆起构造-2和南部隐伏隆起构造-3。

3.3 精测地球物理剖面：磁法、大地电磁测深反演结果与重力反演结果对比

图8 山东诸葛镇至五莲县金矿综合剖面重力反演的相对密度分布

图9 山东诸葛镇至五莲县金矿综合剖面航磁反演的相对磁化率分布

图9是综合剖面磁化率分布图，可看出有两个明显的磁性体，一个在F1断层以东的五莲县金矿，这里是一个已知的火山机构，东西方向延伸约3～4 km，深度方向延伸约-6 km；另一个磁性体在断裂F3和F4之间，与相对密度高异常对应，顶部靠近F4断裂，上小下大，比东部火山机构规模要大一些，向下延伸约-7 km。

上述重磁反演结果表明，同时具备相对密度高和磁化率高特征的岩体只能是火成岩体或铁磁性矿体。

在相同剖面上布置了60个长周期大地电磁测深点，反演结果如图10所示，沂沭断裂带整体表现为中低电阻率特征，其中东部断裂F1和F2电阻率更低一些，表明这两个断裂为深大断裂，由于断层内岩矿石破碎且含水、以及温度作用下导致电阻率较低。断裂带西部的鲁中隆起中深部和东部胶莱盆地中深部表现出高电阻率，说明其岩矿石相对完整。

图10 山东诸葛镇至五莲县金矿综合剖面大地电磁测深反演的电阻率分布

4 结论

通过三维重力反演结果和精测综合物探剖面的研究，我们对沂沭断裂带中段周围约一万多平方千米内深部岩石分布和构造展布有了更深刻的理解和认识，为今后深入研究郯庐断裂带的活动性提供依据。

(1)研究区内地下存在一条巨大的隐伏隆起构造(对比图2和图5)，从南南西方向延伸到北东东，有3个局部核心区：东北角集中在胶莱盆地内的石桥子镇附近，埋深约4 km；东部集中在苏鲁造山带内的五莲县金矿、许孟镇和桑园镇范围内，埋深约1～3 km；南部集中在鲁中造山带南部的湖头镇及其以南约30 km范围内的地区，埋深约7 km。

(2)由沂沭断裂带东部F1和F2断裂地表位置和地下-5000 m位置推测得出，该组断裂曾经历过“右旋走滑”的构造运动，与由地表各断层要素推断结果一致。

(3)沂沭大断裂带南部存在不稳定特点，从图3、图7和图8上可看出，莒县南部约-5 km以下西边和东边的侵入岩体连在一起，也是F1和F2断裂经过之处，意味着莒县南部可能成为应力集中点，最近10年发生5次2～3级地震说明该地区积聚的应力以小地震方式释放。