泰安—諸城剖面重力異常和地殼密度結(jié)構(gòu)特征

羅翔飛， 秦建增， 李洋洋， 李勇江， 宋金躍， 姚家駿， 王澤源

中國地震局地球物理勘探中心， 鄭州 450002

0 引言

郯廬斷裂(郯城—廬江斷裂)帶是中國東部一條巨大的北北東走向的斷裂帶,也是一條重要的地震活動(dòng)帶(徐嘉煒，1980，1985；徐嘉煒等，1992；張鵬等，2007；王書琴等，2012)，郯廬斷裂帶自1957年航磁大調(diào)查中被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)有了六十余年的研究歷史.地球科學(xué)家圍繞郯廬斷裂帶開展了人工地震測(cè)深、大地電磁、寬頻帶地震臺(tái)陣和重磁等地球物理探測(cè)工作(馬杏垣和劉昌銓，1991；陳滬生等，1993；唐新功等，2006；葉高峰等，2009；張繼紅等，2010；李松林等，2011；黃耘等，2011；劉寶金等，2015)，這些研究結(jié)果揭示了斷裂帶兩側(cè)地殼、上地幔的速度結(jié)構(gòu)和電性特征等(馬杏垣和劉昌銓，1991；1992；陳滬生等，1993).根據(jù)所處的不同大地構(gòu)造單元和本身結(jié)構(gòu)構(gòu)造及地震活動(dòng)性等方面的明顯差異，由南至北，郯廬斷裂帶可劃分為三段(鄭朗蓀等，1988)，即蘇皖段、山東段(又稱沂沭斷裂帶)和沈陽—渤海段(又稱營濰斷裂帶)，其中沂沐斷裂帶是郯廬斷裂帶的主體，沂沭斷裂帶是中國東部強(qiáng)活動(dòng)且重要的構(gòu)造帶，歷史上發(fā)生過6級(jí)以上強(qiáng)震多次.第四紀(jì)以來，沂沭斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)十分強(qiáng)烈，因此對(duì)沂沭斷裂帶的研究具有一定的價(jià)值.

沂沭斷裂帶形成、演化和動(dòng)力學(xué)成因問題前人做了大量的工作，獲得了許多有意義的成果，但上述成果對(duì)地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究不多且存在一定差異，特別對(duì)地殼密度結(jié)構(gòu)研究偏少，缺乏精細(xì)的密度結(jié)構(gòu)信息.地震孕育、發(fā)展、發(fā)生會(huì)伴隨地殼介質(zhì)的變化，從而會(huì)在地殼的密度上有所體現(xiàn)(申重陽等，2015)，因此，研究沂沭斷裂帶地殼厚度和密度結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)，對(duì)地震機(jī)理的認(rèn)識(shí)及預(yù)測(cè)，有重要現(xiàn)實(shí)意義.

本文根據(jù)跨越沂沭斷裂帶長(zhǎng)約292 km(36°N附近)沿近東西向的重力剖面所獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，以區(qū)域布格重力異常為背景研究沿剖面的布格重力異常、剩余密度相關(guān)成像和密度結(jié)構(gòu)的特征分布，結(jié)合區(qū)域深部探測(cè)和地質(zhì)構(gòu)造成果，對(duì)地震的孕育發(fā)展和發(fā)生的深部介質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行探討，為地震監(jiān)測(cè)及預(yù)防提供基礎(chǔ)資料.

1 研究區(qū)構(gòu)造和重力異常背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

沂沭斷裂帶在山東境內(nèi)主要由4條NNE向斷裂組成(張鵬等，2007)，自東向西分別為昌邑—大店斷裂(F1)、安丘—莒縣斷裂(F2)、沂水—湯頭斷裂(F3)和鄌郚—葛溝斷裂(F4)(圖1).這4條斷裂構(gòu)成中央凸起兩側(cè)凹陷的“塹壘”結(jié)構(gòu)，向下延伸約20～30 km，向南逐漸合并為一，長(zhǎng)約450 km，寬約20～40 km，最寬達(dá)50 km，總體呈“Y”形，4條主干斷裂為大型正斷層(朱光等，2001)，走向大致平行, 斷層面近于陡立(朱光等，2004c).新近紀(jì)以來區(qū)域轉(zhuǎn)換為強(qiáng)烈的擠壓作用(朱光等，2002)，4條主干斷裂沿先形成的正斷層再次發(fā)生逆沖活動(dòng)，持續(xù)控制著塹壘構(gòu)造邊界，其主體形成于白堊紀(jì).體現(xiàn)了古特提斯構(gòu)造域向?yàn)I太平洋構(gòu)造域的過渡.

圖1 剖面位置和研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖(基于GIS的地震分析預(yù)報(bào)系統(tǒng))F1：昌邑—大店斷裂；F2：安丘—莒縣斷裂；F3：沂水—湯頭斷裂；F4：鄌郚—葛溝斷裂.Fig.1 Profile location and geological structure map (The analytic system of earthquake prediction basing on GIS)F1: Changyi-Dadian Fault; F2: Anqiu-Juxian Fault; F3: Yishui-Tangtou Fault; F4: Tangwu-Gegou Fault.

1.2 布格重力異常背景

從1∶50萬布格重力異常圖(圖2，資料來源于全國地質(zhì)資料館)可以看出，重力異常等值線疏，曲線方向性不明顯，研究區(qū)內(nèi)由于裂解、熱隆升和差異性沉降形成盆地內(nèi)部坳陷和隆起相間的地殼分塊格局(方盛明等，2002)，正異?；緸槁∑鸷屯蛊穑?fù)異常為坳陷和凹陷，布格重力異常是反映這些構(gòu)造歷史演化的“活化石”(陳石等，2011).異常形態(tài)總體呈西北向東南負(fù)異常減弱，正異常增加.在郯廬斷裂帶形成NNE向的重力梯級(jí)帶，梯級(jí)帶兩側(cè)布格異常差異明顯，西側(cè)基本為負(fù)異常，東側(cè)除在張家樓、日照為負(fù)異常外，其他為正異常，在昌邑—大店斷裂(F1)、安丘—莒縣斷裂(F2)偏高，接近10×10-5m·s-2，可能反映斷裂已深切至上地幔，深部高密度基性和超基性巖體沿?cái)嗔烟幧嫌浚斐稍撎庉^高的布格異常值(唐新功等，2006).

5級(jí)及以上地震不僅與活動(dòng)斷裂有關(guān)，而且與區(qū)域重力場(chǎng)密切相關(guān)，約75%的5級(jí)及以上地震發(fā)生在重力梯級(jí)帶的彎曲或拐彎處，即地震主要分布在布格重力異常低值區(qū)或高值區(qū)周圍.從力學(xué)的觀點(diǎn)看，重力梯度帶是地殼形變產(chǎn)生破裂的重要位置也是地殼密度高低轉(zhuǎn)化帶，地殼介質(zhì)的非均勻部位地震較為集中，說明地殼物質(zhì)不均勻性有利于地震孕育發(fā)生.另外地殼內(nèi)低密度層的存在，5級(jí)及以上地震還表現(xiàn)出彌散展布(圖2)特征，低密度層為一軟弱帶，在物理上表現(xiàn)為流變學(xué)強(qiáng)度非常低，該區(qū)域變形屬于分布式變形，即5級(jí)及以上地震不僅僅是集中在大的活斷層上(李松林等，2011).

圖2 5級(jí)及以上地震、布格重力異常和主要活動(dòng)斷層分布Fig.2 MS≥5 earthquakes, Bouguer gravity anomaly and distribution of main active faults

2 數(shù)據(jù)采集

2008年，中國地震局地球物理勘探中心完成了宜川—諸城的東西向?qū)捊欠瓷?折射地震探測(cè)剖面(DSS)，獲得了該剖面的地殼速度結(jié)構(gòu)，2016年布設(shè)一條西起山東泰安—東至諸城且與該DSS探測(cè)剖面完全重合的高精度重力勘探線.剖面自東向西依次穿越的構(gòu)造有：膠東隆起、沂沭斷裂帶、魯西隆起.如圖3所示.

泰安—諸城重力勘探剖面位于華北克拉通東部，走向?yàn)榻鼥|西向.全長(zhǎng)292 km，觀測(cè)站總數(shù)191站，其中國家標(biāo)準(zhǔn)控制點(diǎn)4個(gè)，測(cè)線點(diǎn)距一般為2.5 km，跨沂沭斷裂帶及兩側(cè)觀測(cè)點(diǎn)距為1.0 km.地形高程變化較大，平均海拔在150m左右.測(cè)區(qū)以丘陵為主.

剖面重力觀測(cè)依據(jù)國家地震局《地震重力測(cè)量規(guī)范》，以沿線的4個(gè)中國地震重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)觀測(cè)點(diǎn)作為相對(duì)重力聯(lián)測(cè)基本控制點(diǎn)，用LCR-829、1003型兩臺(tái)相對(duì)重力儀雙程往返觀測(cè)，當(dāng)天閉合，共獲取191個(gè)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值.

測(cè)點(diǎn)位置及高程對(duì)于獲得準(zhǔn)確的布格重力異常結(jié)果非常重要.本次測(cè)量使用一臺(tái)Trimble R8-4 GNSS 接收機(jī)，網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量的標(biāo)稱精度為：平面8 mm+0.5×10-6，高程15 mm+0.5×10-6.使用測(cè)繪局提供的控制點(diǎn)坐標(biāo)將RTK測(cè)量得到的WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)、緯度和大地高程轉(zhuǎn)換成北京54坐標(biāo)和1985國家高程.

2.1 GNSS數(shù)據(jù)處理及重力異常

對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行預(yù)處理，用中國地震局推廣的高精度重力測(cè)量資料處理系統(tǒng)LGADJ程序進(jìn)行平差計(jì)算(羅翔飛等，2016)，平差后聯(lián)測(cè)精度為30×10-8m·s-2,滿足國土資源部《區(qū)域重力調(diào)查規(guī)范》(DZ/T 0082-2006)規(guī)定精度(0.5×10-5m·s-2)的前提下，計(jì)算獲得各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)重力值.同時(shí)解算GNSS各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度和高程)，得到各點(diǎn)位誤差(平面精度<0.2 m，高程精度<0.3 m)，按DZ/T 0082-2006規(guī)范對(duì)實(shí)測(cè)重力值進(jìn)行重力、高度、中間層和地形改正，得到各測(cè)點(diǎn)布格重力異常值(如圖3所示).

圖3 剖面布格重力異常、GNSS高程值與斷裂位置關(guān)系Fig.3 Bouguer gravity anomaly in profile, GNSS elevation value and fault location relationship

從圖中可以看出,兩種異常趨勢(shì)基本一致，自由空間異常可看作補(bǔ)償深度為零的均衡異常(孟令順，1983)，與地形高程相關(guān)性較好，布格異常變化范圍為(-30.1～7.3)×10-5m·s-2.以樁號(hào)150 km左右為界，根據(jù)重力異常幅差和高程關(guān)系變化可以分為二段：第一段為泰安—萊蕪—沂源段布格重力異常以低背景平緩逐漸上升趨勢(shì)出現(xiàn)，異常幅度為(-30.1～16.3)×10-5m·s-2，地形高程起伏較大，布格重力異常與相應(yīng)位置的高程呈“同步型”變化的特點(diǎn)；第二段為馬站—諸城—張家樓段布格異常以高背景逐漸上升的趨勢(shì)出現(xiàn)，異常幅度為(-16.3～7.3)×10-5m·s-2，地形相對(duì)平緩，布格重力異常與地形高程變化呈“鏡像型”關(guān)系.魯西地塊重力值明顯低于膠東隆起，分析重力異?？芍尘爱惓Ｊ堑貧ず穸茸兓姆从?斷裂帶除外).在主要斷裂帶附近均能看到布格重力異常的變化，其中鄌郚—葛溝斷裂、昌邑—大店斷裂處重力變化較大，與其他斷裂相比，顯示出相對(duì)較深而大的特點(diǎn)(羅翔飛等，2017).“同步型”、“鏡像型”的轉(zhuǎn)換帶位于沂沭斷裂帶梯度帶的西緣，即在樁號(hào)150 km左右，反映了東、西兩大地質(zhì)構(gòu)造單元有著不同的深部構(gòu)造背景.

2.2 實(shí)測(cè)布格重力和沿線區(qū)域布格重力異常對(duì)比分析

為驗(yàn)證實(shí)測(cè)布格重力準(zhǔn)確性，本文將1∶50萬沿線布格重力和實(shí)測(cè)布格重力進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，可以看出，沿線區(qū)域布格重力和實(shí)測(cè)布格重力異常趨勢(shì)一致.實(shí)測(cè)布格重力異常(黑色虛線)局部表現(xiàn)為高、低相間分布(即局部存在異常起伏或相鄰觀測(cè)點(diǎn)重力異常存在跳躍)，和內(nèi)部有次級(jí)高密度隆起區(qū)和低密度拗陷區(qū)分布有關(guān)，斷裂帶處局部表現(xiàn)為鋸齒狀，這種變化可能反映了斷裂帶上基底面的破碎或斷裂現(xiàn)象.實(shí)測(cè)布格重力點(diǎn)距小、精度高能凸顯剖面重力細(xì)節(jié)，具體分析見2.1節(jié)，在下面剖面密度模型分析中以實(shí)測(cè)布格重力異常進(jìn)行計(jì)算和反演.

圖4 實(shí)測(cè)布格重力與沿線區(qū)域布格重力關(guān)系Fig.4 Relationship between measured Bouguer gravity and region Bouguer gravity along the line

3 剖面密度分布模型及其分析

布格重力異常是地殼物質(zhì)不均勻分布引起的，對(duì)布格重力數(shù)據(jù)不作任何先驗(yàn)信息約束的重力反演計(jì)算(剩余密度相關(guān)成像法)可獲得地下密度分布模型(郭良輝等，2009).本文先采用剩余密度的相關(guān)成像方法對(duì)剖面密度結(jié)構(gòu)作初步探查，獲取剩余密度分布信息，再結(jié)合已有人工地震結(jié)果和地質(zhì)、地球物理信息進(jìn)行選擇法重力反演，獲得沿剖面的地殼密度分布特征.

3.1 剩余密度相關(guān)成像

剩余密度相關(guān)成像方法扣除了重力場(chǎng)的背景信息，將地下空間剖分成二維均勻網(wǎng)格，計(jì)算每一網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)單位剩余物性差所產(chǎn)生的異常與實(shí)測(cè)異常在一定窗口范圍內(nèi)的歸一化互相關(guān)系數(shù)(楊光亮等，2015)，突出地下介質(zhì)密度非均勻性，大體可反映剖面密度分布差異.相關(guān)系數(shù)的大小表示質(zhì)量虧損和盈余的程度.利用郭良輝等(2009)提供的重力多參量數(shù)據(jù)相關(guān)成像系統(tǒng)(GravCI3D)計(jì)算得到基于異常分離的剖面相關(guān)成像結(jié)果(圖5).其表達(dá)式如下：

(1)

其中，N為剖面測(cè)點(diǎn)總數(shù)，(xi,yi,zi)為剖面第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，Δg(xi,yi,zi)為該測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)重力異常.

Bq(xi,yi,zi)=

Bq(xi,yi,zi)為第q個(gè)點(diǎn)質(zhì)量的基函數(shù).根據(jù)施瓦茨(Schwarz)不等式可知

因此，公式(1)的相關(guān)系數(shù)Cq的數(shù)值范圍為-1≤Cq≤+1.

Cq值為正，該點(diǎn)質(zhì)量盈余，Cq值為負(fù)，該點(diǎn)質(zhì)量虧損.Cq值越接近于1，該點(diǎn)質(zhì)量盈余越大，Cq值越接近于-1，該點(diǎn)質(zhì)量虧損越大，零值表示既不盈余也不虧損.

圖5剩余密度相關(guān)成像結(jié)果清晰地展示了剖面地下介質(zhì)的分段特征和深淺構(gòu)造差異，剖面自西向東依次經(jīng)過魯西隆起、沂沭斷裂帶、膠東隆起，相關(guān)系數(shù)分段明顯.魯西隆起和膠東隆起相關(guān)系數(shù)明顯不同，沂沭斷裂帶介于兩者之間，具有構(gòu)造邊界的特征.

圖5 泰安—諸城剖面剩余密度相關(guān)成像Fig.5 Residual density correlation imaging of Tai′an-Zhucheng profile

15 km以上相關(guān)系數(shù)大小相間分布，剖面地殼的密度具有虧損(負(fù)值)、盈余(正值)交替橫向變化特征，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，虧損、盈余和內(nèi)部分布的凹陷、隆起等更小的地質(zhì)構(gòu)造單元有關(guān).密度擾動(dòng)主要發(fā)生在上地殼(15 km以內(nèi))，反映了新生代以來現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的特征，在沂沭斷裂帶變化明顯，密度異常高于兩側(cè)地塊.

15 km以下相關(guān)系數(shù)隨地殼深度加深逐漸減小，中下地殼顯示大片虧損(負(fù)值).以鄌郚—葛溝斷裂為界東西部密度差異明顯，魯西隆起越往下虧損越多，膠東隆起虧損(負(fù)值)明顯沒魯西隆起嚴(yán)重，魯西隆起和膠東隆起具有不同的相關(guān)系數(shù)即密度結(jié)構(gòu)特征，沂沭斷裂帶介于兩者之間.沂沭斷裂帶是連接魯西、膠東隆起之間的構(gòu)造結(jié)合帶.

沂沭斷裂帶中地殼以上基本處于盈余或虧損交錯(cuò)變化，這種變化與密度不均勻有關(guān)，地殼物質(zhì)(密度)不均勻性有利于地震孕育發(fā)生，沂沭斷裂帶具有地震發(fā)生的活動(dòng)背景.另外從剩余密度相關(guān)成像可知：沿線5條斷裂在剩余密度相關(guān)成像上都有一定反映，總體幅度不大，這些斷裂可能控制了剩余密度體的發(fā)育.

3.2 地殼密度分層結(jié)構(gòu)

地殼密度結(jié)構(gòu)具有橫向分塊、縱向分層特征，根據(jù)剩余密度相關(guān)成像和宜川—諸城的東西向?qū)捊欠瓷?折射地震探測(cè)剖面(DSS)(李松林等，2011)獲得的二維地殼速度結(jié)構(gòu)模型結(jié)果，將剖面地殼結(jié)構(gòu)在橫向上分為魯西隆起、沂沭斷裂帶、膠東隆起.利用地震速度剖面作為約束條件，采用速度和密度換算公式(馮銳等，1986)，獲得地殼各層密度初始模型(見表1).

地層區(qū)域魯西隆起沂沭斷裂帶膠東隆起深度(km)密度(g·cm-3)深度(km)密度(g·cm-3)深度(km)密度(g·cm-3)沉積層0～3.52.30～4.52.30～62.3上地殼3.5～122.674.5～122.676～122.67中地殼12～232.8512～242.8512～242.85下地殼38～402.9532～352.9533～372.95上地幔密度:3.3

馮銳等(1986)在對(duì)華北地區(qū)人工地震資料研究中，得出該區(qū)的波速-密度關(guān)系式：

2.78+0.27(VP-6.0) (VP<5.5)

2.78+0.56(VP-6.0) (5.5≤VP≤6.0)

3.07+0.29(VP-7.0) (6.0

3.22+0.20(VP-7.5) (7.5≤VP≤8.5)

利用上述成果，采用人機(jī)交互選擇法，構(gòu)建重力二維密度(多邊形棱柱體)初始模型，在此基礎(chǔ)上，使用中國地質(zhì)大學(xué)(北京)MASK軟件，通過正反演擬合對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正或調(diào)整，獲得圖6所示的剖面密度結(jié)構(gòu)，剖面擬合誤差為0.67×10-5m·s-2.

由圖6可知，剖面地殼密度總體分為四層.在不同地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)地殼各層密度分布有所差異，特別是基底面以上差異明顯，膠東隆起的平均密度大于魯西隆起.G為結(jié)晶基底面：魯西隆起埋深為0～3.5 km，密度為1.70～2.45 g·cm-3，沂沭斷裂帶埋深為0～4.5 km，密度為1.60～2.60 g·cm-3，膠東隆起埋深為0～6.0 km，密度為1.60～2.60g·cm-3.膠東隆起埋深比魯西隆起深，顯示膠東隆起新生代沉積特征.對(duì)于上地殼和中地殼埋深：膠東隆起比魯西隆起稍深，變化不大.對(duì)于下地殼埋深(莫霍面)：魯西隆起埋深為35～38 km，沂沐斷裂帶為31～34 km，膠東隆起為33～35 km.地殼厚度由西向東總體表現(xiàn)為減薄的過程，但在沂沐斷裂帶地殼厚度稍微隆起，和國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心收錄的“華北地區(qū)地殼-上地幔地震波速度結(jié)構(gòu)模型v2.0”及國家自然科學(xué)基金“華北克拉通破壞”重大研究計(jì)劃的學(xué)科集成成果結(jié)論相一致.即沂沐斷裂帶為地殼厚度隆起帶.

圖6 泰安—諸城剖面密度結(jié)構(gòu)Fig.6 Density structure of Tai′an-Zhucheng profile

上述密度結(jié)構(gòu)清晰地顯示地殼密度的非均勻性特征及特點(diǎn):

(1)圖5相關(guān)系數(shù)呈明顯分段性，展示了剖面地下介質(zhì)的分段特征和深淺構(gòu)造差異，沂沭斷裂帶是東西構(gòu)造邊界的分界帶.

15 km以上相關(guān)系數(shù)大小相間分布，剖面地殼的密度具有虧損(負(fù)值)、盈余(正值)交替橫向變化特征，15 km以下相關(guān)系數(shù)隨地殼深度加深逐漸減小，中下地殼顯示大片虧損.魯西隆起虧損明顯比膠東隆起嚴(yán)重，沂沭斷裂帶介于兩者之間.魯西隆起和膠東隆起具有截然不同的相關(guān)系數(shù)即密度結(jié)構(gòu)特征.

5條斷裂在剩余密度相關(guān)成像上都有一定反映，總體幅度不大，這些斷裂可能控制了剩余密度體的發(fā)育.

(2)圖6密度結(jié)構(gòu)結(jié)果展示深淺密度的差異性，隨深度的加深，密度差異變小.15～30 km地殼范圍內(nèi)的密度差異較大，在魯西地區(qū)和沂沐斷裂帶西部存在扁平狀、不太連續(xù)、厚約3～6 km低密度區(qū).在膠東地區(qū)，未見明顯的異常密度體，地殼密度結(jié)構(gòu)比較均勻.反映了膠東地區(qū)地殼活動(dòng)不強(qiáng)，保持了比較均一和完整的地殼結(jié)構(gòu)特征.

(3)地殼厚度的差異性(圖6)：地殼厚度由西向東總體表現(xiàn)為減薄的過程，但在沂沐斷裂帶地殼厚度隆起.可能是太平洋板塊西向俯沖導(dǎo)致地幔高密度物質(zhì)沿沂沭斷裂帶上涌及對(duì)地殼的熱侵蝕作用造成的.

4 討論和結(jié)論

4.1 動(dòng)力學(xué)背景分析

從大尺度構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境來看，關(guān)于郯廬斷裂的形成時(shí)代和運(yùn)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，目前較為一致的認(rèn)識(shí)是特提斯、古亞洲洋和太平洋三大構(gòu)造域的相互作用(李洪奎等，2017)；起因是與太平洋板塊對(duì)歐亞板塊的俯沖有關(guān)(羅文強(qiáng)等，2018)；形成的動(dòng)力學(xué)背景是中生代構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折和巖石圈減薄.

沂沭斷裂帶是一條大型左旋走滑的碰撞造山邊界(Xu et al.,1987；Yin and Nie,1993；張?jiān)罉蚝投瓨湮模?008) ，在晚侏羅世-早白堊世期間由于古太平洋板塊向亞洲板塊的俯沖，使其再次發(fā)生左旋平移活動(dòng)(朱光等，2004a，2004c,2006).晚白堊世持續(xù)至古近紀(jì)，中國東部出現(xiàn)由擠壓到伸展的重大構(gòu)造機(jī)制轉(zhuǎn)變(翟明國等，2003)，形成了沂沭斷裂帶4條大型正斷層以及“兩塹一壘”構(gòu)造樣式(朱光等，2001).進(jìn)入新近紀(jì)，中國東部的構(gòu)造格局又發(fā)生轉(zhuǎn)折，在西太平洋板塊和菲律賓板塊向西俯沖產(chǎn)生的弧后擴(kuò)張作用下(朱光等，2004b) ，沂沭斷裂帶轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈的擠壓活動(dòng)，總體表現(xiàn)為由東向西的擠壓.當(dāng)太平洋板塊向亞洲大陸附?jīng)_擠壓時(shí)，膠東隆起及深部構(gòu)造將會(huì)一起向西移動(dòng)，當(dāng)它們向西運(yùn)動(dòng)接近魯西隆起時(shí)，由于早已硬化的魯中凸起(魯西隆起核心部位)的“中流砥柱”作用，使膠東隆起的深部構(gòu)造層產(chǎn)生向南和向北的側(cè)向分流，因此形成一系列東西向斷層.魯東隆起下部的深構(gòu)造層(玄武巖層塑性體)相對(duì)本區(qū)南北兩端有東向移動(dòng)，帶走由東西向斷層產(chǎn)生的碎塊，同時(shí)，深部高密度物質(zhì)上涌，根據(jù)田景瑞(1987)研究，當(dāng)?shù)貧は碌蒯Ｎ镔|(zhì)向上入侵時(shí)，地殼將產(chǎn)生擠壓和膨脹隆起作用，因此沂沭斷裂帶及以東地區(qū)，殼層變薄，莫霍面升高.沂沭斷裂帶兩側(cè)重力值出現(xiàn)明顯變化，地殼結(jié)構(gòu)性質(zhì)的這種差異性，不難理解沂沭斷裂帶是東西兩側(cè)不同大地構(gòu)造單元的分界線.

4.2 地殼密度結(jié)構(gòu)與地震活動(dòng)、動(dòng)力學(xué)背景的關(guān)系

從5級(jí)及以上地震、布格重力異常和主要活動(dòng)斷層分布圖(圖2)來看，約70%的5級(jí)及以上地震發(fā)生在布格重力異常高、低值區(qū)周圍或正負(fù)布格重力異常過渡區(qū).從塊體的角度看，中國大陸幾乎8級(jí)和近90%的7級(jí)以上的大震都發(fā)生在活動(dòng)地塊邊界上，許多作者認(rèn)為，莫霍面起伏變化的地區(qū)也是地震多發(fā)地帶.無論地震發(fā)生在布格異常過渡區(qū)還是塊體的邊界上，又或是莫霍面起伏變化的地方，不難看出這些地方都是地殼密度高、低轉(zhuǎn)換帶(過渡帶)，也是我們常說的脆弱帶.地震多發(fā)生于高、低密度過渡帶之間，活動(dòng)斷裂對(duì)應(yīng)的高、低密度過渡帶更容易發(fā)生地震，即斷裂活動(dòng)與地震發(fā)生有著密切的關(guān)系.

從物性角度考慮，當(dāng)?shù)叵聰嗔寻l(fā)育時(shí)，地層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，即正常的地層層序破壞，地層都有自已的密度特征，地層層序的變化將引起密度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的改變，另外斷裂發(fā)育，斷裂帶通常松散破碎，往往被大量的地下水溶液或其他低密度介質(zhì)充填，所以，在斷裂帶發(fā)育的地方必然有明顯的密度畸變.剩余密度相關(guān)成像(圖5)顯示在斷裂分布區(qū)均有不同的相關(guān)系數(shù)即密度差異，說明斷裂可能控制了剩余密度體發(fā)育.另外相關(guān)系數(shù)呈明顯分段性，魯西隆起和膠東隆起具有截然不同的相關(guān)系數(shù)即密度結(jié)構(gòu)特征，魯西隆起虧損明顯比膠東隆起嚴(yán)重，沂沭斷裂帶介于兩者之間，不難看出沂沭斷裂帶是魯西隆起和膠東隆起構(gòu)造邊界分界帶.

從圖2還可以看出，5級(jí)及以上地震還表現(xiàn)出彌散面狀展布的特點(diǎn).這一現(xiàn)象與殼內(nèi)低密度層有較大的關(guān)系.低密度層的存在推測(cè)對(duì)應(yīng)地殼巖石含高溫流體和熔融巖體，在拉張或擠壓力的作用下，發(fā)生塑性變形，應(yīng)力先在上部脆性介質(zhì)中積累，下層的低密度層較軟弱易滑脫，與上部的高密度脆性巖體受力運(yùn)動(dòng)不一致.低密度體不易積累能量受力易變形，對(duì)上部的脆性體有“拖拽”作用，脆性體能量積累達(dá)到一定程度引發(fā)地震.統(tǒng)計(jì)表明，很多淺震震源位于殼內(nèi)低密度層上方，即地殼物質(zhì)(密度)不均勻性有利于地震孕育發(fā)生.

剖面密度結(jié)構(gòu)(圖6)展示深淺密度的差異性，15～30 km地殼范圍內(nèi)密度差異較大，隨深度加深，密度差異變小.魯西隆起和沂沐斷裂帶西部中下地殼存在明顯異常低密度體，膠東地區(qū)地殼密度結(jié)構(gòu)比較均勻，未見異常低密度體.反映了膠東地區(qū)地殼活動(dòng)不強(qiáng)，保持了比較均一和完整的地殼結(jié)構(gòu)特征.歷史地震資料表明，膠東地區(qū)基本上無5級(jí)以上地震發(fā)生.

另外剖面密度結(jié)構(gòu)(圖6)還可以看出地殼厚度的差異性，地殼厚度由西向東總體表現(xiàn)為逐漸減薄的過程，但在沂沐斷裂帶地殼厚度稍微減薄(隆起).地殼結(jié)構(gòu)這種特征可能是太平洋板塊西向俯沖導(dǎo)致上地幔高密度物質(zhì)入侵時(shí)，地殼產(chǎn)生擠壓和膨脹隆起所致.

分析說明震源形成和地震能量積蓄的控制性條件可能是斷裂構(gòu)造，能量積蓄形成的主體可能是密度變化.沂沭斷裂帶具有發(fā)生強(qiáng)震的可能性，為地震監(jiān)測(cè)重點(diǎn)關(guān)注的地區(qū).

4.3 結(jié)論

本文以區(qū)域布格重力異常為背景，以剖面獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究沿線剖面的布格重力異常、剩余密度相關(guān)成像和密度結(jié)構(gòu)的分布特征，結(jié)合區(qū)域深部探測(cè)和地質(zhì)構(gòu)造成果，對(duì)地殼密度結(jié)構(gòu)與地震活動(dòng)、動(dòng)力學(xué)背景的關(guān)系進(jìn)行探討，得到以下結(jié)論：

(1)剖面布格異常變化范圍為(-30.1～7.3)×10-5m·s-2，從西往東總體呈上升變化趨勢(shì)：泰安至沂源以低背景平緩逐漸上升與相應(yīng)位置的高程呈現(xiàn)“同步型”變化，馬站至張家樓以高背景逐漸上升與地形高程呈現(xiàn)“鏡像型”變化，高低異常背景轉(zhuǎn)折在沂沭斷裂帶西段150 km左右位置，反映了東、西兩大地質(zhì)構(gòu)造單元有著不同的深部構(gòu)造背景.

背景異常是地殼厚度變化的反映，整體形態(tài)西深東淺，在沂沐斷裂帶地殼厚度隆起可能是地殼下地幔物質(zhì)沿?cái)嗔严蛏先肭謺r(shí)，地殼產(chǎn)生擠壓和膨脹隆起所致.

(2)剩余密度相關(guān)成像和密度結(jié)構(gòu)顯示地殼密度分布的橫、縱向差異，橫向從西往東分為魯西隆起、沂沭斷裂帶和膠東隆起.沂沭斷裂帶是魯西、膠東隆起的構(gòu)造結(jié)合帶.縱向可分為上、中和下三層結(jié)構(gòu)，魯西隆起、沂沭斷裂帶西部中下地殼局部存在低密度體，可能是上地幔物質(zhì)上涌巖石含部分高溫流體和熔融巖體所致，膠東地區(qū)保持了比較完整和均一的地殼結(jié)構(gòu)特征，反映了膠東隆起地區(qū)地殼活動(dòng)不強(qiáng).歷史地震資料表明，膠東地區(qū)基本上無5級(jí)以上地震發(fā)生.

(3)約70%的5級(jí)及以上地震發(fā)生在高、低密度過渡帶之間，活動(dòng)斷裂對(duì)應(yīng)的高、低密度過渡帶之間更容易發(fā)生地震，即斷裂活動(dòng)與地震發(fā)生有著密切的關(guān)系.5級(jí)以上地震還表現(xiàn)出彌散面狀展布的特點(diǎn)，這一現(xiàn)象與殼內(nèi)低密度層有較大的關(guān)系，說明地殼物質(zhì)(密度)不均勻性也有利于地震孕育發(fā)生.

本文通過對(duì)密度結(jié)構(gòu)特征的研究，對(duì)地震的孕育發(fā)展和發(fā)生的深部介質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行探討.震源形成和地震能量積蓄的控制性條件可能是斷裂構(gòu)造，能量積蓄形成的主體可能是密度變化.沂沭斷裂帶不是莫霍面陡變帶而是隆起帶.沂沭斷裂帶具有發(fā)生強(qiáng)震的可能性，為地震監(jiān)測(cè)重點(diǎn)關(guān)注的地區(qū).

致謝感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)郭良輝教授和中國地震局地震研究所楊光亮副研究員在數(shù)據(jù)處理、解釋過程中提供的幫助.感謝中國地震局地球物理勘探中心的項(xiàng)目組人員在野外工作中的付出.十分感謝匿名評(píng)審專家提出寶貴的修改建議和意見.

Xu J W. 1980. The great Left-lateral horizontal displacement of Tancheng-Lujiang fault zone, eastern China.JournalofHefeiPolytechnicUniversity(in Chinese), 1: 1-26.