基于地球物理反演結(jié)果對(duì)沂沭斷裂帶中段深部結(jié)構(gòu)再認(rèn)識(shí)

朱裕振， 強(qiáng)建科， 李強(qiáng)， 沈立軍， 賈金榮

1)山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，濟(jì)南，250104；2)中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)煤田地球物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南，250104； 3)中南大學(xué)，長(zhǎng)沙，410083

內(nèi)容提要: 沂沭斷裂帶為郯廬斷裂帶山東段的大斷裂，其深度切穿莫霍面，把魯中造山帶與蘇魯造山帶隔開，斷裂帶的活動(dòng)情況影響山東地區(qū)大地構(gòu)造的穩(wěn)定性。以往的工作多集中在地表或近地表地質(zhì)要素的調(diào)查和研究，局部也開展了一些地球物理探測(cè)工作，大多以剖面為主，對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)比較局限。本文收集沂沭斷裂帶約14600 km2范圍的區(qū)域重力數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了定性解釋和三維定量反演，獲得了區(qū)內(nèi)地下30 km內(nèi)的相對(duì)密度分布。綜合研究了從諸葛鎮(zhèn)到五連金礦的精測(cè)剖面，其中包括重力、磁法和大地電磁3種方法。由此得到以下幾點(diǎn)結(jié)果：①揭示了區(qū)內(nèi)東部地下存在一條巨大的隱伏隆起構(gòu)造，深度約2 km到10 km，從南南西方向延伸到北北東，有3個(gè)局部核心區(qū)：分別是石橋子鎮(zhèn)往西南約30 km范圍、由桑園鎮(zhèn)、五蓮縣金礦及許孟鎮(zhèn)三者之間的區(qū)域、以湖頭鎮(zhèn)為中心向北向南各延伸約30 km范圍。②地表觀察的斷裂F1和F2比由反演的相對(duì)密度確定的斷裂F′1和F′2向東偏移，而且北部偏移比南部更大。③重力、磁法、大地電磁測(cè)深綜合剖面S1—S2研究表明，沂沭斷裂帶北段內(nèi)巖礦石具有較低的相對(duì)密度、較低的磁性和較低的電阻率特征，意味著斷裂帶在北部具有張性特點(diǎn)。綜上所述，研究區(qū)內(nèi)東部上地殼內(nèi)存在隱伏隆起構(gòu)造，昌邑—大店斷裂和安丘—莒縣斷裂在北部具有張性斷裂特征，在南部具有擠壓特征，莒縣以南小地震方式釋放部分應(yīng)力。

沂沭斷裂屬于郯廬斷裂帶的一部分，是山東境內(nèi)北北東走向的重要斷裂，在地質(zhì)歷史時(shí)期活動(dòng)頻繁，其地質(zhì)構(gòu)造主要由4條斷裂構(gòu)成“兩塹夾一壘”的構(gòu)造帶特征，但是對(duì)構(gòu)造帶的活動(dòng)情況，不同學(xué)者持有不同的觀點(diǎn)。在20世紀(jì)90年代，Huang Wei(1993)對(duì)沂述斷裂帶周邊的427條沖溝和河流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類,得出其中有約48.7%沖溝和河流無(wú)法確定是否有同步轉(zhuǎn)折和位錯(cuò),有約37.7%具有右旋位錯(cuò)，13.6%具有左旋位錯(cuò)傾向的結(jié)果，由此認(rèn)為沂沐斷裂帶具有右旋走滑的特征。Lin Aiming等(1998)的研究表明，沂沭斷裂帶東部的兩個(gè)斷裂在第四紀(jì)具有明顯的活動(dòng)特征，而西部的兩個(gè)斷裂第四紀(jì)以來(lái)沒(méi)有明顯活動(dòng)特征。宋方敏等(2005)通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查、探槽開挖以及巖礦石鑒年等勘探手段確定安丘—莒縣斷裂小店子—茅埠段為全新世早期活動(dòng)的斷裂(大約發(fā)生在70000a；宋方敏等，2005，有3次古地震發(fā)生在3500a、6500a、10000a；林偉凡等，1987)，其活動(dòng)性質(zhì)是以右旋走滑為主，兼有擠壓逆沖，斷層?xùn)|部抬升約2.0～3.8 m，水平位錯(cuò)64～73 m。林愛(ài)明等(2013)認(rèn)為沂沭斷裂帶的水系分布和幾何形態(tài)主要受斷裂構(gòu)造制約，沿沂沭斷裂帶周邊區(qū)域發(fā)育的水系不具有走滑斷層的系統(tǒng)化轉(zhuǎn)折和位錯(cuò)的變形特征，但水系分布和實(shí)際考察確認(rèn)沂沭斷裂帶東部的兩個(gè)斷裂是活動(dòng)斷裂。

從中國(guó)東部早白堊世裂陷盆地的構(gòu)造演化來(lái)看(張?jiān)罉虻龋?004；朱光等，2018)，早白堊世早期引張裂陷階段沿郯廬斷裂帶發(fā)生右旋走滑活動(dòng)，而早白堊世晚期在區(qū)域NW—SE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用下出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，沿郯廬斷裂發(fā)生強(qiáng)烈的左旋走滑運(yùn)動(dòng)。嚴(yán)樂(lè)佳等(2014)通過(guò)對(duì)沂沭斷裂帶活斷層的結(jié)構(gòu)與幾何學(xué)特征、活動(dòng)型式與時(shí)間、斷層擦痕以及反演應(yīng)力場(chǎng)等多方面的綜合分析表明,沂沭斷裂帶第四紀(jì)以來(lái)呈現(xiàn)為大型的活動(dòng)構(gòu)造帶,且各活斷層主要表現(xiàn)為逆右行平移。

要想搞清楚沂沭斷裂的更多地質(zhì)情況，僅限于地表地質(zhì)要素是不夠的，徐建國(guó)等(2019)通過(guò)面積性淺鉆發(fā)現(xiàn)安丘—莒縣斷裂(F1)和昌邑—大店斷裂(F2)之間存在“潛凸起”(位于沂沭斷裂北段)，寬度約500～1000 m，這個(gè)現(xiàn)象為人們解釋沂沭斷裂演化中伸展、沉積、擠壓、隆起等過(guò)程提供更多依據(jù)。

了解沂沭斷裂帶大深度地質(zhì)情況必須依賴于大深度的地球物理探測(cè)方法。燕乃玲等(2001)從流動(dòng)水準(zhǔn)、流動(dòng)重力和流動(dòng)地磁測(cè)量的角度討論了沂沭斷裂南北段與地震活動(dòng)之間的關(guān)系，指出沂沭斷裂帶北段地殼垂直變形較大，與附近地震活動(dòng)密切相關(guān)。大地電磁測(cè)深法是一種大深度物探方法，能夠獲得深部巖礦石導(dǎo)電性特征，葉高峰等(2009)由泰安—莒縣—日照觀測(cè)的一條超低頻大地電磁測(cè)深剖面得出，沂沭斷裂帶深度約20～40 km為低電阻率，而深度約40～140 km為高電阻率，在斷裂帶西側(cè)巖石圈厚度約80 km，東側(cè)巖石圈厚度約140 km，具有明顯電性差異。張繼紅等(2019)通過(guò)安放在沂沭斷裂帶內(nèi)的安丘、莒縣電磁臺(tái)和斷裂帶外的無(wú)棣電磁臺(tái)長(zhǎng)期觀測(cè)的地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)，數(shù)據(jù)反演結(jié)果表明，無(wú)棣臺(tái)及其附近具有地塊穩(wěn)定的地殼深部結(jié)構(gòu)，而安丘和莒縣電磁臺(tái)及其附近中下地殼內(nèi)存在有較低電阻率的電性結(jié)構(gòu)。深反射地震對(duì)具有層狀結(jié)構(gòu)的地層或深大斷裂效果較好，在宿遷一帶開展的深反射地震研究表明(劉保金等，2015；秦晶晶等，2020)，郯廬斷裂帶不僅是一個(gè)切割巖石圈的大型斷裂構(gòu)造帶﹐而且還是地殼和巖石圈厚度的突變帶,該區(qū)莫霍面和巖石圈底界均向西傾,其中,地殼厚度約為31～36 km,巖石圈厚度約為75～86 km。

重力勘探成本較低，覆蓋面較大，對(duì)于地下大型隱伏地質(zhì)構(gòu)造具有顯著的反映。王鑫等(2015)對(duì)沂沭斷裂帶的重力場(chǎng)進(jìn)行了分離，定性討論了上、中、下地殼物質(zhì)分布，可惜沒(méi)有做進(jìn)一步反演工作。對(duì)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演才能真正獲得地下巖礦石的相對(duì)密度分布，進(jìn)而推測(cè)構(gòu)造分布。

綜上所述，由地表殘留地質(zhì)要素評(píng)估大約70 ka前或更早時(shí)期的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)存在一些不足，地球表面各種地質(zhì)作用強(qiáng)烈，地表殘留地質(zhì)要素有些可靠，有些不可靠，致使有時(shí)候?qū)ν坏刭|(zhì)問(wèn)題出現(xiàn)不同的認(rèn)知。地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間以百萬(wàn)年計(jì)算，運(yùn)動(dòng)的形式隨深度不同變形程度也不同。因此，認(rèn)識(shí)地球深部構(gòu)造問(wèn)題還需要借助大深度地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)，筆者等以區(qū)域重力數(shù)據(jù)的三維反演結(jié)果為依據(jù)，研究沂沭斷裂帶中段中深部的構(gòu)造展布情況。

1 研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于山東省東南部，主要位于日照市、臨沂市內(nèi)，少量區(qū)域?qū)僮筒┦?、濰坊市內(nèi)。研究區(qū)處于華北板塊和秦嶺—大別—蘇魯造山帶兩大構(gòu)造單元交匯部位，橫跨魯中隆起、膠遼隆起區(qū)、膠南—威海隆起區(qū)3個(gè)Ⅱ級(jí)單元。沂沭斷裂4條主干斷裂自東向西依次為昌邑—大店斷裂、安丘—莒縣斷裂、沂水—湯頭斷裂、鄌郚—葛溝斷裂。研究區(qū)隸屬華北地層大區(qū)，橫跨兩個(gè)地層分區(qū)，即魯西地層分區(qū)和魯東地層分區(qū)，上述兩個(gè)地層分區(qū)的界限以安丘—莒縣斷裂為界。地層發(fā)育較為齊全(圖1)。

圖1 山東東南部地質(zhì)構(gòu)造略圖

區(qū)內(nèi)位于中低丘陵區(qū)，地形總體上北高南低，海拔40～1031 m。沂沭斷裂帶內(nèi)汞丹山凸起為丘陵區(qū)地形，兩側(cè)地塹為山間河谷地形，沂、沭河的沖洪積作用造就了著名的臨郯蒼平原。根據(jù)海拔和地形切割程度的差別分為弱切割剝蝕構(gòu)造丘陵地貌、剝蝕堆積山間平原地貌、堆積山間平原地貌。變質(zhì)巖區(qū)山頂平緩，局部切割為“V”字型，下游谷寬呈“U”字型。堆積山間平原為流水搬運(yùn)堆積形成，堆積物自河谷上游至下游、自山前至濱海由薄變厚。圖2展示的立體地形高程比例尺很大，主要想突出盆地與山地的區(qū)別，以便于與地下隱伏隆起構(gòu)造對(duì)比。

圖2 山東東南部地區(qū)立體地形圖

2 重力異常三維反演及分析

2.1 重力異常定性特征

沂沭斷裂帶重力異常數(shù)據(jù)為山東省1∶20萬(wàn)區(qū)域重力數(shù)據(jù)，總體異常特征為東高西低，即東部和東北方向重力異常較高，西部和東南方向重力異常較低，中南部重力異常為次高(圖3)。三部分之間以兩條NNE向的大型重力梯級(jí)帶相隔，恰好與4條主干斷裂相對(duì)應(yīng)。區(qū)域重力值變化特征反映了莫霍面東淺西深的變化趨勢(shì)和地殼密度在橫向上的不均勻性。

圖3 山東東南部重力異常三維立體示意圖(注：坐標(biāo)已處理為偽坐標(biāo))

研究區(qū)內(nèi)西部和西北方向?yàn)樘┥铰∑饏^(qū)，區(qū)域重力場(chǎng)總體顯示為大規(guī)模的低值重力異常，變化范圍約-30～0 mGal，主要巖石為古元古代二長(zhǎng)花崗巖類。部分呈NW向展布的相對(duì)重力高異常，重力值為0～5 mGal，與泰山巖群分布有關(guān)。區(qū)內(nèi)東部和東北方向，有明顯的重力高值，約0～16 mGal，但地面相對(duì)平坦(圖2)，意味著地下有隱伏隆起構(gòu)造或莫霍面抬升。

2.2 重力三維反演及分析

本次重力三維反演軟件為中南大學(xué)課題組研制的地球物理資料綜合處理解釋一體化系統(tǒng)(GME_3DI)。該軟件的最大特點(diǎn)是采用空間波數(shù)混合域算法，將三維微分方程轉(zhuǎn)化為一系列不同波數(shù)的一維常微分方程進(jìn)行計(jì)算，因此計(jì)算速度非常快，千萬(wàn)或億節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算在微機(jī)上幾分鐘完成，擬合精度達(dá)到千分之一，在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的結(jié)果(朱裕振等，2019；李帝銓等，2021)。

將研究區(qū)進(jìn)行三維剖分，水平方向節(jié)點(diǎn)為412，深度方向節(jié)點(diǎn)為401(-30 km)，總共獲得地下單元數(shù)為412×412×401=68067344個(gè)。三維反演共迭代8次，擬合誤差小于千分之一。反演出的最大相對(duì)密度為0.16 g/cm3，最小相對(duì)密度為-0.3 g/cm3，圖4展示了4條南北和東西深度切片，密度異常明顯。圖5是地下巖礦石相對(duì)密度大于0.02 g/cm3的分布情況，主體隱伏隆起構(gòu)造由南南西延伸到北東東。有3個(gè)主要相對(duì)密度異常：一個(gè)在東北位置，地面為膠萊沉積盆地，但地下展顯出隱伏隆起構(gòu)造，中心埋深約-7 km；另一個(gè)在東部，屬于蘇魯造山帶地塊；第三個(gè)密度異常在南部，埋深較大。隨著深度增加，相對(duì)密度差異越小，在-30 km深度，從相對(duì)密度的等值線來(lái)看，西部小一些，東部大一些，意味著莫霍面西低東高，但異常微弱(圖6中-30 km切片)。

圖4 山東東南部?jī)?nèi)重力三維反演相對(duì)密度立體切片示意圖

圖5 山東東南部重力異常三維反演結(jié)果示意圖(相對(duì)密度>0.02 g/cm3)

為了分析中下地殼巖礦石的分布情況，我們把重力反演結(jié)果的水平切片上下疊放，以立體圖的方式展示(圖6)，明顯可以看到，高密度巖體主要集中在F1斷裂以東區(qū)域，深度為-2 km到-20 km以內(nèi)，在-10 km到-20 km之間呈現(xiàn)“西低東高”的特點(diǎn)，意味著中下地殼厚度“西薄東厚”，或者說(shuō)，中下地殼表現(xiàn)出“西邊下沉東邊抬升”。從-30 km深度的相對(duì)密度差異來(lái)看，莫霍面水平方向差異性較小(圖6)。

圖6 山東東南部三維重力反演相對(duì)密度分層水平切片

3 沂沭斷裂帶隱伏構(gòu)造討論

3.1 沂沭斷裂帶東部F1和F2斷裂右旋證據(jù)

從重力三維反演的相對(duì)密度數(shù)據(jù)體中截取地下-5000 m深度處的相對(duì)密度水平切片(圖7)，一般認(rèn)為，凹陷或斷層位置表現(xiàn)為相對(duì)密度低，圖中紅色表示相對(duì)密度較高或隆起區(qū)域，而淺綠表示低密度物質(zhì)或斷層位置。四條實(shí)線分別為地表地質(zhì)觀察主斷裂F1(昌邑—大店斷裂)、F2(安丘—莒縣斷裂)、F3(沂水—湯頭斷裂)和F4(鄌郚—葛溝斷裂)對(duì)應(yīng)的位置(林愛(ài)明等，2013；劉保金等，2015)。虛線位置F′1、F′2、F′3、F′4為重力三維反演推斷斷裂位置，很明顯，這4組斷層盡管趨勢(shì)一致，但地表斷裂位置與由重力反演推斷的斷裂位置并不重合，而且北部比南部差異更大，即斷裂F1、F2北端比F′1、F′2向東偏移約10 km，且斷裂帶內(nèi)以低密度介質(zhì)為主；而在南部斷裂F1、F2和F′1、F′2有差別，但比較小。

圖7 山東東南部三維重力反演深度為-5000 m相對(duì)密度水平切片與沂沭斷裂帶關(guān)系

上述現(xiàn)象說(shuō)明，斷裂帶F1、F2在東北部是張性的，且整體向右移動(dòng)，其中F1右移更多一些(與“右旋走滑”的地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)；(Huang Wei，1993；林偉凡等，1987))。但斷裂帶F1、F2在西南部右移較小，推測(cè)隱伏隆起構(gòu)造3成為阻力，使莒縣西南部成為應(yīng)力集中點(diǎn)，查詢山東地震局的歷史數(shù)據(jù)表明，在最近10年內(nèi)莒縣附近發(fā)生 5 次 2～3 級(jí)地震(表1)，說(shuō)明該地區(qū)應(yīng)力積聚較大，以小地震方式能夠釋放部分應(yīng)力。

表1 2015年以來(lái)山東莒縣地震記錄

3.2 隱伏巖體分析

由地表地形(圖2)可看出，斷裂帶F1—F2的東北部和西南部淺表均為沉積水平地層，地形起伏很小，但從重力三維反演的相對(duì)密度分布(圖6、圖7)來(lái)看，地下-2000到-10000 m之間存在隱伏地層隆起構(gòu)造或侵入火成巖體(需要同時(shí)滿足磁性異常)，有3個(gè)明顯的“相對(duì)高密度異?！?圖中白色虛線內(nèi))：可以解釋為地層隆起產(chǎn)生的密度異常，即東北部的隱伏隆起構(gòu)造-1、東部的隱伏隆起構(gòu)造-2和南部隱伏隆起構(gòu)造-3。

3.3 精測(cè)地球物理剖面：磁法、大地電磁測(cè)深反演結(jié)果與重力反演結(jié)果對(duì)比

圖8 山東諸葛鎮(zhèn)至五蓮縣金礦綜合剖面重力反演的相對(duì)密度分布

圖9 山東諸葛鎮(zhèn)至五蓮縣金礦綜合剖面航磁反演的相對(duì)磁化率分布

圖9是綜合剖面磁化率分布圖，可看出有兩個(gè)明顯的磁性體，一個(gè)在F1斷層以東的五蓮縣金礦，這里是一個(gè)已知的火山機(jī)構(gòu)，東西方向延伸約3～4 km，深度方向延伸約-6 km；另一個(gè)磁性體在斷裂F3和F4之間，與相對(duì)密度高異常對(duì)應(yīng)，頂部靠近F4斷裂，上小下大，比東部火山機(jī)構(gòu)規(guī)模要大一些，向下延伸約-7 km。

上述重磁反演結(jié)果表明，同時(shí)具備相對(duì)密度高和磁化率高特征的巖體只能是火成巖體或鐵磁性礦體。

在相同剖面上布置了60個(gè)長(zhǎng)周期大地電磁測(cè)深點(diǎn)，反演結(jié)果如圖10所示，沂沭斷裂帶整體表現(xiàn)為中低電阻率特征，其中東部斷裂F1和F2電阻率更低一些，表明這兩個(gè)斷裂為深大斷裂，由于斷層內(nèi)巖礦石破碎且含水、以及溫度作用下導(dǎo)致電阻率較低。斷裂帶西部的魯中隆起中深部和東部膠萊盆地中深部表現(xiàn)出高電阻率，說(shuō)明其巖礦石相對(duì)完整。

圖10 山東諸葛鎮(zhèn)至五蓮縣金礦綜合剖面大地電磁測(cè)深反演的電阻率分布

4 結(jié)論

通過(guò)三維重力反演結(jié)果和精測(cè)綜合物探剖面的研究，我們對(duì)沂沭斷裂帶中段周圍約一萬(wàn)多平方千米內(nèi)深部巖石分布和構(gòu)造展布有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)，為今后深入研究郯廬斷裂帶的活動(dòng)性提供依據(jù)。

(1)研究區(qū)內(nèi)地下存在一條巨大的隱伏隆起構(gòu)造(對(duì)比圖2和圖5)，從南南西方向延伸到北東東，有3個(gè)局部核心區(qū)：東北角集中在膠萊盆地內(nèi)的石橋子鎮(zhèn)附近，埋深約4 km；東部集中在蘇魯造山帶內(nèi)的五蓮縣金礦、許孟鎮(zhèn)和桑園鎮(zhèn)范圍內(nèi)，埋深約1～3 km；南部集中在魯中造山帶南部的湖頭鎮(zhèn)及其以南約30 km范圍內(nèi)的地區(qū)，埋深約7 km。

(2)由沂沭斷裂帶東部F1和F2斷裂地表位置和地下-5000 m位置推測(cè)得出，該組斷裂曾經(jīng)歷過(guò)“右旋走滑”的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，與由地表各斷層要素推斷結(jié)果一致。

(3)沂沭大斷裂帶南部存在不穩(wěn)定特點(diǎn)，從圖3、圖7和圖8上可看出，莒縣南部約-5 km以下西邊和東邊的侵入巖體連在一起，也是F1和F2斷裂經(jīng)過(guò)之處，意味著莒縣南部可能成為應(yīng)力集中點(diǎn)，最近10年發(fā)生5次2～3級(jí)地震說(shuō)明該地區(qū)積聚的應(yīng)力以小地震方式釋放。