沂沭斷裂帶重力場及地殼結(jié)構(gòu)特征

王 鑫 張景發(fā) 付萍杰 高 敏

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

2)山東科技大學(xué)，青島 266590

0 引言

郯廬斷裂帶是中國大陸東部1條巖石圈尺度的構(gòu)造邊界帶(Yin et al.，1993)，也是至今為止重要的活動(dòng)斷裂帶(方仲景等，1986;李家靈等，1994)。沂沭斷裂帶為郯廬斷裂帶山東段，構(gòu)造地貌特征明顯，全新世活動(dòng)顯著，是華北地區(qū)的強(qiáng)震活動(dòng)帶之一，曾發(fā)生過1668年郯城級(jí)大地震(方仲景等，1976;晁洪太等，1999)，為此諸多學(xué)者對(duì)沂沭斷裂帶的幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、第四紀(jì)活動(dòng)性、構(gòu)造應(yīng)力場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;林愛明等，2013)。

隨著地球物理技術(shù)的迅速發(fā)展，重力、地磁、地?zé)岬鹊厍蛭锢韴鲈谝抒饠嗔褞а芯恐械玫搅藦V泛應(yīng)用，揭示了其深部構(gòu)造特征，增強(qiáng)了地球動(dòng)力學(xué)、大震成因背景等方面的認(rèn)識(shí)(馬杏垣，1987;王良書等，1995;杜曉娟等，2005;唐新功等，2006;李春峰等，2009)。然而在以往重力、磁場的研究過程中，所用的數(shù)據(jù)比例尺較小且場源分離方法有限，展現(xiàn)的主要是斷裂帶的宏觀展布特征，對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究不夠細(xì)致，因此開展地殼結(jié)構(gòu)的深入研究十分必要。

本文以沂沭斷裂帶及其周邊地區(qū)作為研究區(qū)，收集較大比例尺的布格重力異常數(shù)據(jù)，以地質(zhì)及地球物理資料作為約束，利用有效的場源分離方法與密度界面反演方法，反演區(qū)域地殼密度結(jié)構(gòu)及莫霍面展布，分析其地殼構(gòu)造單元及重力場特征;區(qū)域范圍:116.8°～120°N，34.6°～37.6°E(圖1)。通過由淺部到深部多層次的研究，充分揭示區(qū)域構(gòu)造特征及深部孕震環(huán)境，為該地區(qū)的地球物理場研究提供依據(jù)，也為該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)資料。

圖1 研究區(qū)主要斷裂分布圖(參考中國活動(dòng)構(gòu)造圖(鄧起東等，2007)，并根據(jù)重力資料修改)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 地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)由魯西地塊、沂沭構(gòu)造帶、魯東地塊組成，沂沭構(gòu)造帶縱貫區(qū)域中央，其西側(cè)為華北板塊的魯西隆起，東側(cè)自北向南為華北板塊的膠北隆起與膠萊盆地及蘇魯造山帶(鞠林雪等，2012)。沂沭斷裂帶是區(qū)域重要的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，南起郯城，北入渤海，大致沿沂河、沭河分布，整體呈NNE向延伸，深部構(gòu)造復(fù)雜，主要由4條主干斷裂組成，自東向西依次為昌邑－大店斷裂(F1)、白芬子－浮來山斷裂(F2)、沂水－湯頭斷裂(F3)、鄌郚－葛溝斷裂(F4)，這4條斷裂構(gòu)成兩塹加一壘的復(fù)式地塹構(gòu)造。新生代以來裂谷構(gòu)造遭受擠壓逐漸消亡，裂谷中的中生代地層強(qiáng)烈褶皺隆起，從而轉(zhuǎn)化為擠壓性質(zhì)的右旋走滑構(gòu)造帶，并產(chǎn)生1條新斷裂，即安丘－莒縣斷裂(F5)，位于東地塹內(nèi)的F1、F2之間，郯廬斷裂帶中段的晚第四紀(jì)以來的新活動(dòng)主要表現(xiàn)在這條斷裂上(李家靈，1989;晁洪太等，1992)。

普遍認(rèn)為，沂沭斷裂帶形成于晚三疊世—早侏羅世期間的華南－華北碰撞過程中，是1條大型左旋走滑的碰撞造山邊界(Xu et al.，1987;Yin et al.，1993;朱光等，2005;張?jiān)罉虻龋?008;Zhu et al.，2009)，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，2005)。晚白堊世持續(xù)至古近紀(jì)，中國東部出現(xiàn)了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)生了轉(zhuǎn)折，在西太平洋板塊和菲律賓板塊向W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)。第四紀(jì)以來，沂沭斷裂帶新構(gòu)造活動(dòng)十分強(qiáng)烈，在區(qū)域性NEE－SWW向的主壓應(yīng)力作用下(Zhu et al.，2011)，表現(xiàn)為右旋走滑兼逆沖活動(dòng)性質(zhì)(國家地震局地質(zhì)研究所，1987)。

魯西地塊發(fā)育多條NW走向斷裂帶，從北至南為無槺－益都斷裂、銅冶店－孫祖斷裂、新泰－蒙陰斷裂、蒙山山前斷裂、蒼尼斷裂，這些斷裂沿NW方向形成了弧形構(gòu)造(或“旋轉(zhuǎn)式構(gòu)造”)，最新活動(dòng)時(shí)期主要在晚更新世末至全新世初，與沂沭帶最新的強(qiáng)烈活動(dòng)時(shí)段一致。魯中地區(qū)甚至更大范圍內(nèi)晚更新世至全新世初是地殼斷裂活動(dòng)的重要階段，其生成發(fā)育與沂沭斷裂帶有密切關(guān)系(晁洪太等，1992)。

2 數(shù)據(jù)與方法

重力場是研究地質(zhì)構(gòu)造和巖石圈結(jié)構(gòu)的重要地球物理資料，可以展示地殼內(nèi)部不同密度巖性體的分布情況，也可以直觀地反映地質(zhì)體分布、斷裂構(gòu)造的展布以及深部構(gòu)造特性等信息。然而，重力場是疊加場，是不同密度、不同規(guī)模、不同深度的地質(zhì)體所產(chǎn)生重力異常的綜合效應(yīng)，即深部場與淺部場的疊加、區(qū)域場與局部場的疊加，因此采用有效的數(shù)據(jù)處理方法分離重力場信息，提取出不同模式、不同尺度的場源異常，進(jìn)而對(duì)場源所引起的局部異常開展地殼深部特征分析研究，是利用重力資料進(jìn)行地質(zhì)體反演和解譯的重要步驟。

近幾年小波變換方法的快速發(fā)展，成為重磁異常分解的有效工具，并廣泛應(yīng)用于地球物理信號(hào)處理領(lǐng)域。利用小波多尺度方法對(duì)重力場進(jìn)行有效場源分離，可以得到不同階次的小波變換逼近場與小波變換細(xì)節(jié)場，體現(xiàn)出不同模式、不同深度的異常信息，其中小波變換逼近場是對(duì)區(qū)域場布格重力異常信息的反映，主要體現(xiàn)了深部場源所引起的較大規(guī)模的低頻異常信息，而小波變換細(xì)節(jié)場是對(duì)局部場布格重力異常信息的反映，主要體現(xiàn)了淺部場源體引起的較小規(guī)模的高頻異常信息。侯遵澤等(1997)介紹了小波多尺度分析方法原理，并利用該方法對(duì)中國大陸布格重力異常進(jìn)行了解析;楊文采等(2001)利用低階細(xì)節(jié)不變準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了有地質(zhì)意義的重力異常分解;方盛明等(2002)采用小波變換多尺度技術(shù)分解了華北地區(qū)布格重力異常，討論了各階變換異常細(xì)節(jié)特性及相應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造特征。此外，還有許多學(xué)者應(yīng)用重力小波多尺度分析方法開展地質(zhì)構(gòu)造研究工作，獲得了豐碩的成果(高德章等，2000;姜文亮等，2012;吳詠敬等，2012;Jiang et al.，2012，2014)。

本文收集了研究區(qū)的地面布格重力資料，數(shù)據(jù)來源于全國地質(zhì)資料館，采樣間隔為2km，利用重磁勘探軟件(GMS3.0)的二維小波多尺度分析方法進(jìn)行布格重力場數(shù)據(jù)分解，得到1—4階小波變換逼近和1—5階細(xì)節(jié)圖。為了精細(xì)地刻畫地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)及斷裂帶展布特征，下文將簡要分析小波變換逼近場，重點(diǎn)分析小波變換細(xì)節(jié)場，并結(jié)合功率譜方法，計(jì)算各階次小波變換場所對(duì)應(yīng)的近似場源深度(表1)。功率譜是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種重磁場深度換算方法(Cianciare et al.，1976)，可以利用對(duì)數(shù)功率譜曲線斜率估算各階次重磁變換場相對(duì)應(yīng)的近似場源深度，是重磁深度反演計(jì)算的常用方法。

表1 各階小波變換重力場所反映的場源深度Table 1 Depth reflected by each wavelet transform

3 區(qū)域場特征

3.1 布格重力異常特征

布格重力異常主要反映了區(qū)域場宏觀構(gòu)造信息。布格重力異常圖顯示(圖2)，區(qū)域重力場表現(xiàn)為東西分異格局，形成東高西低的異常特征，異常值變化范圍在－8.1～58.0mGal之間。沂沭斷裂帶貫穿區(qū)域中部，沿濰坊、安丘、莒縣、臨沂地區(qū)形成了1條NNE方向的重力梯度帶，梯度帶重力異常變化劇烈，重力梯度值高，最大梯度變化值＞1mGal/km，分隔了魯西、魯東2大地塊，構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)重要的地球物理分界線，其兩側(cè)地質(zhì)體密度存在明顯差異;區(qū)域東側(cè)為魯東地塊，魯東地塊由北向南為膠北隆起、膠萊凹陷、膠南隆起中新生代構(gòu)造單元(宋明春，2008)，其中膠萊坳陷表現(xiàn)為高值異常圈閉區(qū)，呈現(xiàn)出斜三角形態(tài)，異常值最大達(dá)58mGal，其南北兩側(cè)膠南、膠北隆起的重力異常值較低，表現(xiàn)為中值異常區(qū);區(qū)域西側(cè)為低異常區(qū)的魯西隆起地塊，重力值明顯低于東部，反映出強(qiáng)烈的隆升機(jī)制。

3.2 重力小波逼近場

小波逼近場壓制淺層次局部地質(zhì)體異常效果，突出區(qū)域優(yōu)勢構(gòu)造單元的重力異常特征，反映深部場源低頻異常信息。隨著逼近階次的增高，所體現(xiàn)出的重力場信息趨于簡單化、集中化。針對(duì)1—4階小波逼近圖，利用對(duì)數(shù)功率譜方法對(duì)場源深度進(jìn)行了計(jì)算，得到了各自對(duì)應(yīng)的近似場源深度(表1)。

圖2 區(qū)域布格重力異常圖Fig.2 Bouguer gravity anomaly of the study area.

1—2階逼近圖中(圖3a，b)，異常值變化范圍分別為－7.4～57.5mGal、－6.3～55.2mGal，重力場整體特征與布格重力異常較為相似，反映出中上地殼深度的區(qū)域場信息，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造格局基本清晰，東部為中高值區(qū)的魯東地塊，西側(cè)為低值區(qū)的魯西隆起，沂沭斷裂帶形成的NNE走向大型重力梯度帶平直而陡變，反映出中上地殼厚度在沂沭帶發(fā)生了急劇的變化。3—4階逼近圖中(圖3c，d)，異常值變化范圍分別為－4.2～49.4mGal、－1.3～43.7mGal，局部異常信息逐漸壓抑，區(qū)域板塊特征及深大斷裂的重力異常更為突出，反映下地殼至莫霍面深度的區(qū)域場信息。區(qū)域繼承著東高西低的重力場特征，反映出魯東、魯西地塊的地殼厚度存在明顯差異，而沂沭斷裂重力陡變梯度條帶依然存在，呈舒緩波狀延伸，控制著兩側(cè)塊體的邊界，該斷裂已切穿下地殼達(dá)上地幔，屬于超殼斷裂。

4 分析與討論

4.1 地殼結(jié)構(gòu)特征

重力小波細(xì)節(jié)場可抑制深部場響應(yīng)，突出局部場信息，反映的是區(qū)域較為精細(xì)的地殼結(jié)構(gòu)特征，其高、低異常圈閉代表著隆、凹相間的構(gòu)造地質(zhì)單元。由于1節(jié)細(xì)節(jié)圖主要反映的是近地表沉積層的密度變化，其信息尤為雜亂，故重點(diǎn)對(duì)2—5階小波細(xì)節(jié)圖詳細(xì)分析，并利用對(duì)數(shù)功率譜計(jì)算所對(duì)應(yīng)的近似場源深度(表1)，揭示不同深度的地殼橫向非均質(zhì)性。

圖3 布格重力異常1—4階小波逼近圖Fig.3 1～4 order approximate images of wavelet multi-scale analyses.

2階小波變換細(xì)節(jié)圖重力異常變化錯(cuò)綜復(fù)雜，支離破碎，異常值變化范圍為－4.9～8.0mGal，對(duì)應(yīng)著上地殼大約6km場源深度，反映的是上地殼地質(zhì)體密度差異(圖4a)。沂沭斷裂帶內(nèi)部形成了多條NNE延展的狹長狀高、低重力異常圈閉體，對(duì)應(yīng)汞丹地壘及東、西地塹構(gòu)造單元，體現(xiàn)了上地殼的兩塹加一壘的構(gòu)造格局，而高、低異常圈閉體之間的過渡帶形成NNE向小尺度線性重力梯度帶，沂沭斷裂帶的5條分支斷層沿此線性梯度帶分布，其中F1、F2斷裂挾持著低異常條帶的安丘－莒縣盆地，F(xiàn)3、F4控制著低異常條帶的馬站－蘇村盆地，F(xiàn)2、F3之間為高異常條帶的汞丹山斷隆，而F5斷裂形成右階雁列式線性異常，斷續(xù)展布于安丘－莒縣盆地之內(nèi)。在晚白堊世至古近紀(jì)期間，沂沭斷裂帶發(fā)生的伸展活動(dòng)基本形成了兩塹一壘重力格局的雛形，4條主干斷裂為大型正斷層(朱光等，2001);而新近紀(jì)以來區(qū)域轉(zhuǎn)換為強(qiáng)烈的擠壓作用(朱光等，2004b)，4條主干斷裂沿先存的正斷層再次發(fā)生逆沖活動(dòng)，持續(xù)控制著塹壘構(gòu)造邊界。

圖4 布格重力異常2—5階小波細(xì)節(jié)圖Fig.4 2～5 order detailed images of wavelet multi-scale analyses.

魯西塊體內(nèi)發(fā)育多條NW向斷裂，表現(xiàn)為重力線性梯變帶或串珠狀異常條帶現(xiàn)象，其中無棣－益都斷裂、沂源－沂水?dāng)嗔?、銅冶店－孫祖斷裂、新泰－蒙陰斷裂所形成的重力線性條帶交切于西地塹，由于汞丹山地壘高異常圈閉遮擋，未延伸至東地塹，而蒙山山前斷裂、蒼尼斷裂穿過西地塹切至東地塹，使沂沭帶所形成的NNE重力圈閉體發(fā)生扭曲、收斂等現(xiàn)象。魯西地塊的多條NW向斷裂控制著系列小型盆地的發(fā)育，盆地單元體的重力異常均表現(xiàn)為低異?，F(xiàn)象:雙山－李家莊斷裂南側(cè)的低異常橢圓形圈閉對(duì)應(yīng)臨朐三角型盆地;銅冶店－孫祖斷裂西南段南側(cè)為萊蕪三角形盆地，表現(xiàn)為長軸EW向的低異常圈閉;新泰－蒙陰斷裂控制著南側(cè)中新生代的新泰－蒙陰盆地，形成NW向的串珠狀低異常條帶;蒙山山前斷裂的北側(cè)為太古代片麻巖的蒙山山脈，表現(xiàn)為窄條狀重力高異常圈閉，圈閉形態(tài)與蒙山山體相吻合，其南側(cè)為中新生代的平邑－方城盆地，表現(xiàn)為長軸NW向的窄條狀低異常圈閉，高、低重力圈閉之間形成了線性梯度帶，對(duì)應(yīng)著蒙山山前斷裂的分布(晁洪太等，1992)。上述分析表明，魯西NW向斷裂系構(gòu)成了“北斷南超”重力特征，其形成機(jī)制歸因于中生代沂沭斷裂帶左行運(yùn)動(dòng)(王小鳳等，2000)，也有人認(rèn)為是與沂沭斷裂帶在特定構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景下形成的1組共軛斷裂系(王先美等，2010)。

3階小波變換細(xì)節(jié)圖中重力異常圈閉有所增大，異常值范圍－8.4～10.4mGal，對(duì)應(yīng)場源深度約12km，反映了殼內(nèi)中等尺度巖石密度的不均勻性特征，展現(xiàn)了中地殼深度上各地質(zhì)塊體巖性密度差異的分布情況(圖4b)。圖4中，沂沭斷裂帶整體呈“V”字形態(tài)且由北向南收斂，其內(nèi)部的安丘－莒縣盆地、汞丹斷隆、馬站－蘇村盆地，對(duì)應(yīng)的低、高、低狹長狀重力圈閉體進(jìn)一步擴(kuò)大，兩塹一壘的構(gòu)造格局更為明顯。濰坊至萊州灣一帶，沂沭斷裂帶呈發(fā)散狀向N延伸，兩塹一壘的重力格局不復(fù)存在，5條主干斷裂變?yōu)?支，即東支的F1斷裂和西支的F4斷裂;由于沂沭構(gòu)造帶新生代以來的走滑拉分活動(dòng)，形成了濰坊凹陷、濰縣凸起、濰北凹陷構(gòu)造單元(李曉清等，2003)，由南向北依次排列，分別表現(xiàn)出方形或菱形的低、高、低圈閉體的重力響應(yīng)，F(xiàn)1、F4斷裂控制著系列隆凹單元的東西邊界。魯西塊體內(nèi)NW向斷裂及相應(yīng)斷陷盆地的重力特征依舊清晰，其中蒙山山前斷裂橫切沂沭帶，使沂沭帶產(chǎn)生的高異常圈閉左旋扭曲，蒼尼斷裂切穿沂沭構(gòu)造帶并分割北側(cè)的臨沂高異常圈閉及南側(cè)低異常圈閉的郯城凹陷區(qū)。魯東地區(qū)的五蓮－榮成韌性剪切帶異常初顯，沿日照北側(cè)的重力梯度帶分布，分隔膠南隆起、膠萊坳陷構(gòu)造單元，與沂沭帶組成倒“入”字形結(jié)構(gòu)。

4階小波變換細(xì)節(jié)圖中重力異常圈閉進(jìn)一步擴(kuò)大，異常值在－9.7～10.1mGal內(nèi)變化，場源深度約23km，揭示中地殼底部至下地殼頂部介質(zhì)密度造成的重力異常情況(圖4c)。下地殼為褶曲構(gòu)造，表現(xiàn)出大規(guī)模高、低密度異常相間排列的典型特征，沂沭斷裂帶各主干斷裂的線性梯度帶消失，沿?cái)嗔褞Мa(chǎn)生的串珠狀重力高與重力低異常分布，高、低異常圈閉相間排列，圈閉規(guī)模較大且呈長軸方向?yàn)镹NE的狹長條帶。在濰坊—莒縣一帶沂沭帶呈現(xiàn)寬緩的低異常圈閉，反映了白堊紀(jì)—古近紀(jì)在區(qū)域伸展作用下形成的沂沭裂谷帶(朱光等，2001)。魯西塊體的無棣－益都斷裂、蒙山山前斷裂、蒼尼斷裂依然表現(xiàn)為NW向重力梯變條帶，表明這些斷裂已切割至下地殼深度，其中蒼尼斷裂切穿沂沭斷裂帶，形成下地殼介質(zhì)北高南低的異常特征，南北兩側(cè)密度差異明顯，證明了郯廬斷裂帶在此處的地殼深部的分段性特征(張鵬等，2007)，蒼尼斷裂成為郯廬帶魯、蘇段的重要分界線。魯東地區(qū)膠萊盆地與南側(cè)的膠南隆起分異逐漸加劇，被五蓮－榮成斷裂重力梯級(jí)帶分隔。

5階細(xì)節(jié)圖反映了下地殼底部到上地幔頂部引起的重力異常，揭示莫霍面起伏及上地幔物質(zhì)密度的橫向變化特征，重力異常趨于簡單，重力值范圍－5.9～7.5mGal(圖4d)。由于西太平洋板塊向東亞板塊持續(xù)俯沖，華北東部深部巖漿活動(dòng)劇烈(Tian et al.，2011;Zhu et al.，2011，2012)，造成區(qū)域內(nèi)上地幔和軟流層的高密度物質(zhì)沿沂沭斷裂帶通道上涌，在濰坊—莒縣—臨沂一帶形成了NEE向的大規(guī)模橢圓狀高異常圈閉體，密度異常明顯高于周邊，這可能是沂沭斷裂帶地震活動(dòng)性強(qiáng)的原因之一。相比之下，魯西地塊形成重力低異常區(qū)，其莫霍面埋藏深，地殼厚度大，地殼較為穩(wěn)定。

4.2 莫霍面反演

以往的重力資料反演莫霍面采用的是均勻密度模型，殼幔密度差為1個(gè)常數(shù)，然而實(shí)際中地殼密度是隨深度變化的，殼幔密度差也是變化的，因此本文采用密度隨深度呈指數(shù)變化的變密度模型來反演莫霍面深度，即采用Parker密度界面反演法對(duì)區(qū)域莫霍面進(jìn)行計(jì)算(Parker，1973)，利用地震測深資料得到不同層位的地殼厚度及速度結(jié)構(gòu)作為反演的約束條件(表2)(張碧秀等，1996;鄧晉福等，2007)。殼幔密度差指數(shù)模型為

式(1)中:Δρ0為界面密度差，μ為變密度因子，Z為深度。

根據(jù)地震測深資料可知(熊小松等，2011)，研究區(qū)西部的魯西隆起及東部的膠南隆起莫霍面較深為33～36km，濰坊東至臨沂一帶較淺為30～32km，故研究區(qū)莫霍面平均深度約為33km。文中通過密度與P波速度的經(jīng)驗(yàn)公式ρ=0.77+0.32Vp(Berteussen，1977)得到了不同層位的地殼介質(zhì)密度(表2)，利用變密模型公式計(jì)算出區(qū)域最佳變密度因子為0.049。

通過對(duì)研究區(qū)布格重力數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換處理得到4階重力小波逼近圖(圖3d)，消除了局部重力異常的影響，根據(jù)對(duì)數(shù)功率譜計(jì)算，近似場源深度約為40km，基本反映了莫霍面及上地幔引起的重力異常特征，因此用來反演莫霍面深度圖最佳。

由區(qū)域莫霍面分布圖可知(圖5)，莫霍面在橫向上起伏變化較大，范圍在29～36km，自東向西逐漸加深，地殼由東向西逐漸增厚，具有明顯的分區(qū)特征，沂沭斷裂帶形成了莫霍面陡變帶，呈NNE向弧形展布，縱穿區(qū)域中央。區(qū)域莫霍面形態(tài)與地表存在明顯的負(fù)相關(guān)性，沂沭帶西側(cè)莫霍面埋深大，對(duì)應(yīng)著魯西隆起地貌，而東側(cè)莫霍面埋深普遍較淺，對(duì)應(yīng)著平原沿海地帶，地殼厚度整體偏小。魯西塊體內(nèi)，莫霍面在沂源縣和棗莊2個(gè)地區(qū)出現(xiàn)2個(gè)莫霍面凹陷中心，其深度為35～36km，表明在區(qū)域隆起過程中受重力均衡調(diào)整作用而使得莫霍面下傾;而東部地區(qū)出現(xiàn)2個(gè)莫霍面上隆中心，分別在濰坊東和臨沂市一帶，埋深29～30km，魯東地區(qū)日照北側(cè)出現(xiàn)莫霍面梯度帶，在地質(zhì)構(gòu)造上大體對(duì)應(yīng)五蓮－榮成韌性剪切帶，分隔蓬萊盆地及蘇魯造山帶，莫霍面自西北向東南加深，日照地區(qū)埋深達(dá)35km。

沂沭斷裂帶為超殼斷裂帶，造成區(qū)域莫霍面東西分異的格局，影響著兩側(cè)塊體地殼活動(dòng)及構(gòu)造特征。橫跨斷裂帶地殼厚度由西側(cè)的36km迅速上升至東側(cè)的30km以上，起伏變化達(dá)6km，兩側(cè)莫霍面埋深形成了鮮明對(duì)比。研究表明大震多發(fā)生在地幔上隆附近或斜坡帶上(北京大學(xué)地震地質(zhì)教研室等，1982)，公元前70年安丘7級(jí)地震、1668年郯城級(jí)大地震均發(fā)生于沂沭構(gòu)造帶內(nèi)的莫霍面梯度條帶上及上隆區(qū)，因此濰坊—莒縣—臨沂一線在深部孕震環(huán)境上具有強(qiáng)震發(fā)震條件，視為強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)。

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

圖5 區(qū)域莫霍面分布圖Fig.5 Moho topographic map of the study area.

4.3 地震活動(dòng)性分析

張國民等(2002)指出華北地區(qū)近期地震震源深度平均為(14±7)km，地震基本集中在中上地殼內(nèi)，因此將1980—2008年的地震數(shù)據(jù)(MS2～5)投影到中上地殼尺度的2—3階重力小波細(xì)節(jié)圖中，分析地殼深部孕震環(huán)境。如圖4a，b所示，地震主要發(fā)生在高、低密度異常轉(zhuǎn)化帶之間，特別是高、低異常過渡的重力梯度條帶之上，重力梯度條帶即地殼密度的變化帶，是地殼形變發(fā)生破裂的重要位置。震中多數(shù)沿幾條大型的活動(dòng)斷裂對(duì)應(yīng)的重力梯度帶分布，走向與斷層走向基本一致，形成了線性的地震條帶，以沂沭斷裂帶現(xiàn)象最為明顯，魯西塊體內(nèi)的幾條NW向斷裂次之，地震的發(fā)生與這些斷裂的活動(dòng)有著密切的關(guān)系。

綜合近期地震和歷史中強(qiáng)地震資料可知(圖6)，區(qū)域內(nèi)沂沭斷裂帶地震頻發(fā)，形成了NNE向的地震構(gòu)造帶，并發(fā)生過公元前70年安丘7級(jí)大地震及1668年的郯城級(jí)大地震，地震活動(dòng)性強(qiáng);魯西塊體發(fā)育多條NW向活動(dòng)斷裂，控制了地震的發(fā)生，出現(xiàn)多次5級(jí)以上地震，5級(jí)以下地震頻發(fā);魯東塊體活動(dòng)斷層發(fā)育較少，地震活動(dòng)性弱，地震頻度相對(duì)于沂沭斷裂帶和魯西地塊低，僅發(fā)生過1次5級(jí)或5級(jí)以上地震，即1796年諸城5級(jí)地震。區(qū)域地震發(fā)生的強(qiáng)度及頻度由高到低依次為沂沭斷裂帶、魯西地塊、魯東地塊。沂沭斷裂帶東地塹內(nèi)小震密集而頻度高，1668年的郯城級(jí)歷史大地震也發(fā)生于此;而西地塹內(nèi)地震活動(dòng)明顯減弱，小震稀疏而分散，活動(dòng)頻度低，沒有5級(jí)以上地震發(fā)生，東、西地塹的地震活動(dòng)存在明顯差異，東地塹地震活動(dòng)性強(qiáng)于西地塹。

圖6 區(qū)域地震活動(dòng)性Fig.6 Seismic activity of the study area.

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)布格重力異常顯示，沂沭斷裂帶形成了1條NNE走向的大型重力梯度帶，分隔了魯西和魯東塊體，成為區(qū)域內(nèi)重要的地球物理分界線。魯東塊體由北向南為膠北隆起、膠萊盆地、膠南隆起，重力特征表現(xiàn)為中、高、中值異常形態(tài)，而魯西地塊重力值明顯低于東部，反映出強(qiáng)烈的隆升機(jī)制。1—4階小波逼近圖反映的是區(qū)域場信息，突出了魯西塊體、沂沭構(gòu)造帶、魯東地塊3大構(gòu)造單元異常特征，沂沭斷裂帶的重力梯度帶更為明顯，該斷裂切穿地殼達(dá)上地幔，屬于超殼斷裂。

(2)重力局部場顯示，區(qū)域中上地殼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，下地殼結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。在中上地殼內(nèi)，沂沭斷裂帶內(nèi)部由西向東為安丘－莒縣地塹、汞丹山地壘、馬站－蘇村地塹，對(duì)應(yīng)著低、高、低狹長狀重力異常圈閉，形成了兩塹一壘的構(gòu)造格局，5條主干斷裂形成了線性梯度帶分布于東、西地塹中;魯西發(fā)育多條NW向斷裂，呈現(xiàn)線性梯度帶或串珠狀條帶交切于沂沭斷裂帶，多數(shù)斷裂只交切于西地塹，而蒙山山前斷裂、蒼尼斷裂橫穿沂沭斷裂帶切至東地塹，這些斷裂控制著相關(guān)盆地的邊界。下地殼為明顯的褶曲構(gòu)造，表現(xiàn)出大規(guī)模高、低密度異常相間排列的典型特征，沂沭帶形成寬緩的低異常區(qū)，反映了在白堊紀(jì)—古近紀(jì)的區(qū)域伸展作用下形成的沂沭裂谷，而NW向斷裂僅無槺－益都、蒙山山前斷裂、蒼尼斷裂形成了舒緩型的梯度帶與之交切，說明這些斷裂已切割至下地殼深度。

(3)區(qū)域莫霍面形態(tài)與地表存在明顯的負(fù)相關(guān)性，西部莫霍面埋深大，對(duì)應(yīng)著魯西隆起地貌;而東部莫霍面埋深普遍較淺，對(duì)應(yīng)著平原沿海地帶;沂沭斷裂帶形成了莫霍面陡變帶，造成了東西分異的格局，影響著兩側(cè)塊體構(gòu)造特征及地殼活動(dòng);濰坊東—莒縣—臨沂一線出現(xiàn)莫霍面上隆區(qū)，是由于軟流層或上地幔高密度物質(zhì)上隆所致，具有強(qiáng)震發(fā)生的孕震環(huán)境。

(4)區(qū)域地震多發(fā)于高、低密度異常轉(zhuǎn)化帶之間，特別是活動(dòng)斷裂對(duì)應(yīng)的高、低異常的重力梯度條帶之上，地震的發(fā)生與這些斷裂的活動(dòng)有著密切的關(guān)系。沂沭斷裂帶地震頻度高、強(qiáng)度大，相比之下，魯西地塊次之，魯東地塊最弱，沂沭斷裂帶的東地塹地震活動(dòng)性明顯強(qiáng)于西地塹。