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)中國地球物理學(xué)會煤田地球物理重點(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工作，大多以剖面為主，對區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識比較局限。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)的相對密度分布。綜合研究了從諸葛鎮(zhèn)到五連金礦的精測剖面，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)歷史時期活動頻繁，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，但是對構(gòu)造帶的活動情況，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%沖溝和河流無法確定是否有同步轉(zhuǎn)折和位錯,有約37.7%具有右旋位錯，13.6%具有左旋位錯傾向的結(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斷裂在第四紀(jì)具有明顯的活動特征，而西部的兩個斷裂第四紀(jì)以來沒有明顯活動特征。宋方敏等(2005)通過野外實(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64～73 m。林愛明等(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斷裂是活動斷裂。

從中國東部早白堊世裂陷盆地的構(gòu)造演化來看(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，而早白堊世晚期在區(qū)域NW—SE向擠壓應(yīng)力場作用下出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，沿郯廬斷裂發(fā)生強(qiáng)烈的左旋走滑運(yùn)動。嚴(yán)樂佳等(2014)通過對沂沭斷裂帶活斷層的結(jié)構(gòu)與幾何學(xué)特征、活動型式與時間、斷層擦痕以及反演應(yīng)力場等多方面的綜合分析表明,沂沭斷裂帶第四紀(jì)以來呈現(xiàn)為大型的活動構(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，徐建國等(2019)通過面積性淺鉆發(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方法。燕乃玲等(2001)從流動水準(zhǔn)、流動重力和流動地磁測量的角度討論了沂沭斷裂南北段與地震活動之間的關(guān)系，指出沂沭斷裂帶北段地殼垂直變形較大，與附近地震活動密切相關(guān)。大地電磁測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—日照觀測的一條超低頻大地電磁測深剖面得出，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)通過安放在沂沭斷裂帶內(nèi)的安丘、莒縣電磁臺和斷裂帶外的無棣電磁臺長期觀測的地電場和地磁場，數(shù)據(jù)反演結(jié)果表明，無棣臺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)對沂沭斷裂帶的重力場進(jìn)行了分離，定性討論了上、中、下地殼物質(zhì)分布，可惜沒有做進(jìn)一步反演工作。對重力數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演才能真正獲得地下巖礦石的相對密度分布，進(jìn)而推測構(gòu)造分布。

綜上所述，由地表殘留地質(zhì)要素評估大約70 ka前或更早時期的地質(zhì)運(yùn)動存在一些不足，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，致使有時候?qū)ν坏刭|(zhì)問題出現(xiàn)不同的認(rèn)知。地質(zhì)運(yùn)動的時間以百萬年計(jì)算，運(yùn)動的形式隨深度不同變形程度也不同。因此，認(rèn)識地球深部構(gòu)造問題還需要借助大深度地球物理觀測數(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┦小H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Ⅱ級單元。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向的大型重力梯級帶相隔，恰好與4條主干斷裂相對應(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花崗巖類。部分呈NW向展布的相對重力高異常，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?？欤f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。三維反演共迭代8次，擬合誤差小于千分之一。反演出的最大相對密度為0.16 g/cm3，最小相對密度為-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個主要相對密度異常：一個在東北位置，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；另一個在東部，屬于蘇魯造山帶地塊；第三個密度異常在南部，埋深較大。隨著深度增加，相對密度差異越小，在-30 km深度，從相對密度的等值線來看，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 山東東南部內(nèi)重力三維反演相對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，中下地殼表現(xiàn)出“西邊下沉東邊抬升”。從-30 km深度的相對密度差異來看，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密度數(shù)據(jù)體中截取地下-5000 m深度處的相對密度水平切片(圖7)，一般認(rèn)為，凹陷或斷層位置表現(xiàn)為相對密度低，圖中紅色表示相對密度較高或隆起區(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)對應(yīng)的位置(林愛明等，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相對密度水平切片與沂沭斷裂帶關(guān)系

上述現(xiàn)象說明，斷裂帶F1、F2在東北部是張性的，且整體向右移動，其中F1右移更多一些(與“右旋走滑”的地質(zhì)現(xiàn)象對應(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 級地震(表1)，說明該地區(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密度分布(圖6、圖7)來看，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(需要同時滿足磁性異常)，有3個明顯的“相對高密度異?！?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 精測地球物理剖面：磁法、大地電磁測深反演結(jié)果與重力反演結(jié)果對比

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磁化率分布

圖9是綜合剖面磁化率分布圖，可看出有兩個明顯的磁性體，一個在F1斷層以東的五蓮縣金礦，這里是一個已知的火山機(jī)構(gòu)，東西方向延伸約3～4 km，深度方向延伸約-6 km；另一個磁性體在斷裂F3和F4之間，與相對密度高異常對應(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，同時具備相對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個長周期大地電磁測深點(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，說明其巖礦石相對完整。

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

4 結(jié)論

通過三維重力反演結(jié)果和精測綜合物探剖面的研究，我們對沂沭斷裂帶中段周圍約一萬多平方千米內(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，為今后深入研究郯廬斷裂帶的活動性提供依據(jù)。

(1)研究區(qū)內(nèi)地下存在一條巨大的隱伏隆起構(gòu)造(對比圖2和圖5)，從南南西方向延伸到北東東，有3個局部核心區(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位置推測得出，該組斷裂曾經(jīng)歷過“右旋走滑”的構(gòu)造運(yùn)動，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級地震說明該地區(qū)積聚的應(yīng)力以小地震方式釋放。