0 引言

郯城—庐江断裂带(简称郯庐断裂带)是位于我国东部的一条巨型NNE向断裂带，它南起湖北广济，向北经安徽庐江、山东郯城，越过渤海，穿过辽河河谷，北延至沈阳以北，绵延3 000多千米。整体来说，郯庐断裂带大致可分为3段：南部的苏皖段、中部的山东段以及北部的沈阳—渤海段。郯庐断裂带中段在山东省境内被称为沂沭断裂带，南起郯城，经潍坊北延至莱州湾海域^[1-5]。

沂沭断裂带是山东重要的分划性断裂，亦是该区地质发展到一定阶段的综合产物，同时又对该地区的构造格局、沉积作用、岩浆活动、金属矿产、能源矿产(石油、天然气、油页岩)和地质灾害的形成与分布等产生了重要影响。因此，关于沂沭断裂带的形成、演化与成矿作用的研究，一直被认为是认识山东乃至中国东部大陆边缘构造演化和动力学机制的关键性课题之一，长期以来深受国内外学者们的关注^[6]。

国内对沂沭断裂带的研究甚多，研究程度较高，主要对该断裂带的性质、演化^[7-10]、动力学机制^[11]、形成时代、运动方式和活动特点^[12-13]等进行了研究。地壳深部的构造地质特征研究则以地球物理探测资料为主，尤以地震资料的解译为主，并配合重力、航磁等资料的解释^[6]。尽管对沂沭断裂带的研究程度较高，但主要集中于陆上；在海域，特别是海陆交接地带研究程度较低^[5]。2015—2017年，山东省物化探勘查院开展了莱州湾海域1:20万海底重力测量工作，首次获得了莱州湾1:20万高精度重力数据。本文利用新获得的重力资料，结合陆域重力、区域地质等资料，对研究区主要断裂构造、构造单元划分及局部重力异常的解译进行讨论。

1 区域构造特征

沂沭断裂带是山东省区域地质的重要分界线，把山东分为地质上的鲁东、鲁西两大块。断裂长达330 km，宽20~60 km，南、北两端被第四系所盖，总体呈10°~25°方向展布，由北向南渐趋收敛变窄^[6]。

沂沭断裂带是一条巨型断裂构造带，对沉积建造、岩浆活动和成矿有明显的控制作用。沂沭断裂带自西向东依次由鄌郚—葛沟、沂水—汤头、安丘—莒县和昌邑—大店等4条主干断裂构成了“两堑夹一垒”的构造格局(图 1)。此外，断裂带两侧发育许多次级断裂。断裂活动历史悠久，构造变形复杂^{[6, 9, 14]}。

研究区位于山东省中北部昌邑市北部，东营黄河口至烟台龙口一线以南莱州湾海域。根据张增奇等^[10]的陆域大地构造单元划分方案，研究区陆域大地构造单元划分如表 1、图 1所示。

2 数据来源及重力异常

本次研究的重力数据采用加拿大先达利(Scintrex)公司研制的海底重力仪INO sea-floor gravity meter (该仪器为全球最先进的海底重力测量设备)进行实际测量获取，重力测量网格为2 000 m×2 000 m，比例尺为1:20万。

原始重力数据经过各项改正后得到布格重力异常(图 2)。重力测量总精度优于0.2×10^-5m/s²。从图 2中可见：在整个研究区域中，西北重力低，东部和东南部重力高；有两个明显的NE向重力梯度带，梯度带与沂沭断裂带的位置吻合。沂沭断裂带的东部为胶辽隆起区，表现为重力高特征；西部与华北坳陷区邻接，以重力低为主；沂沭断裂带内呈块状凸起、凹陷特征，重力场上呈块状高、低异常特征。使用Geosoft公司Oasis montaj软件的交互滤波工具，将原始重力异常数据向上解析延拓4 870 m作为区域场，总场减去区域场获取局部场，结果如图 3所示。局部场主要是浅部地质体的重力响应，区域场主要是深部地质体的重力响应。

3 数据处理

基于布格重力异常寻找地质体界限的方法很多，最基本的就是传统的基于布格重力异常直接划分断裂构造的6条定律^[15]，还有在布格重力异常数据基础上进行一定处理的方法，比如水平导数和垂向导数法(这里仅采用垂向二阶导数来说)、欧拉反褶积方法、基于墒和标准偏差的纹理分析等。

3.1 垂向二阶偏导数方法

重力异常的垂向二阶偏导数方法简单，效果比较好，常被用于重力数据处理中。其零值线能比较好地刻划地质体的边界。研究区重力数据的垂向二阶导数如图 4所示。从图 4中可见，研究区内地质体的边界以NE向展布为主，EW向展布次之。这里的零值线，可能是基底凸起或者是凹陷的边界，也可能对应着断裂构造的位置^[15]。

3.2 欧拉反褶积方法

该方法有比较完整的理论基础，在寻找断裂构造中往往取得比较好的效果^[16-18]。其基本原理基于欧拉齐次方程推导而来。利用地面观测点的坐标、场源坐标、重力异常和重力异常梯度建立欧拉方程，将研究区划分为许多小区块，每个区块采用最小二乘法解方程，从而获取场源的位置所在。根据解的汇聚规律，可以用来寻找场源位置。

这里使用Oasis montaj软件直接求解，结果如图 5所示。欧拉解线性构造线的位置和重力梯度带对应比较好，可以用于辅助断裂构造的划分工作。

3.3 边界增强方法

构造的边界增强方法比较多^[19]，这里采用Holden等^[20-21]提出的基于直方图熵和标准偏差的边界增强方法。

1) 直方图熵提供数据集中局部窗口(或邻域)内纹理信息的度量。它首先将数据量化到离散的容器中，然后分析量化中产生的不同值的总数，从而度量邻域数据值的统计随机性。

2) 标准偏差法提供了数据中局部变化的估计。它计算网格中每个位置本地邻近区域内数据值的标准差。相对于背景信号，标准偏差往往表现出高度的变异性，具有显著性特征。

在Oasis montaj软件中可以直接调用这两种方法。这里采用长方体重力正演公式计算模型(正演参数见表 2，重力异常见图 6)来验证方法的有效性。将重力异常数据求取熵和标准偏差，结果如图 7所示，突出了四个长方体的边界位置，其极值点刚好就是长方体的边界位置，这样就可以自动识别出地质体边界。

将该方法应用到本次重力异常数据处理。同样，先求解其墒和标准偏差，再进行边界线性增强，结果如图 8a所示。由图 8a可见边界增强极大值位置与布格重力异常梯度带对应较好。在此基础上，提取出极大值的位置，即可识别出边界位置，结果如图 8b所示。

综合前面几种方法，其边界识别结果总体趋势是一致的，不过垂向二阶导数的零值线比较连续，基于熵和标准偏差的纹理分析方法识别出来的边界趋势性较强，而基于欧拉反褶积方法计算的结果把握了主要的构造线。这样，主要基于这3种方法，结合原始重力异常和区域地质构造，对该区域的断裂构造进行划分，结果如图 9所示。

4 讨论 4.1 研究区主要断裂及其推断解释

断裂构造的分布规律可为地质单元的划分提供依据，为矿产勘查提供线索。按照断裂构造的规模、活动强弱及其对研究区构造演化、沉积地层的控制作用，将断裂分为三级。一级断裂是规模、延伸长度及断距较大，对地质构造的生成、发展及演化起主导控制作用，同时在各类重力异常图件上识别断裂标志明显，往往构成不同重力场区的分界线；二级断裂是不同地质构造单元的分界线，对地质构造的生成、发展及演化起主要控制作用；三级断裂规模较小，大多是受同期构造运动控制作用下的次级断裂，对构造单元的发展、演化亦有一定的控制作用。研究区内共推断断裂22条，其中：一级断裂2条，分别为鄌郚—葛沟断裂(F₁)和昌邑—大店断裂(F₂)；二级断裂5条，编号为F₃—F₇；推断三级断裂15条，编号为F₈—F₂₂。

1) F₁断裂(鄌郚—葛沟断裂)

该断裂是沂沭断裂带的西支主干断裂，呈NNE向舒缓波状展布。作为沂沭断裂带的西界断裂，断裂在莱州湾海域表现为明显的重力异常梯度带，断裂两侧表现为不同的重力场特征，断裂以西总体表现为重力低异常特征，以东总体表现为块状高、低异常特征。鄌郚—葛沟断裂是跨过山东南北的大断裂，由南往北该断裂的落差逐渐增大，陆域重力异常表现差，遥感线性影像清晰，说明断裂深部物性差异小，浅部物性差异大。

2) F₂断裂(昌邑—大店断裂)

该断裂是沂沭断裂带的东支主干断裂，NNE向展布，为一条深大断裂。在地质上，作为鲁东和鲁西的分界线，昌邑—大店断裂对两侧的地壳运动起着明显的控制作用，从断裂两边的地层分布、重力场特征来看，该断裂具有形成早、活动时间长的特点，形成时代可追溯到印支期以前，且直到新生代早第三纪仍有大规模的升降运动，从而导致了东西两盘第四系厚度的巨大差异(西厚东薄)。与基岩地质图对比，重力推断结果中北部稍偏东，而南部稍偏西，由于重力推断结果反映了断裂深部信息，这说明该断裂是高角度的。

3) 二级断裂

推断F₃、F₄断裂分别为沂沭断裂带分支断裂沂水－汤头断裂和安丘－莒县断裂。F₅断裂位于潍坊市北，走向近东西，呈舒缓波状展布，长约40 km，在布格异常图上为重力梯度带，断裂两侧呈南低北高特征，在剩余异常及垂向二导等图上均有明显的反映。断裂两侧重力差高达42×10^-5m/s²，可以推断此断裂为一较大的断裂。F₆、F₇断裂则控制了四级构造单元边界。

其余三级断裂不再一一列举，详见图 9。

4.2 构造单元划分

本次在前人^[10]研究的基础上，根据重力场特征对研究区进行了构造单元划分，共划分二级构造单元2个，三级构造单元3个，四级构造单元5个，五级构造单元12个。二、三、四、五级构造单元的从属关系见表 3。莱州湾海域五级构造单元命名主要参考了李理等^[22]的研究成果。

1) 二级构造单元

华北坳陷区：位于研究区F₂断裂以西区域，重力场高低相间，异常展布方向以NNE—NE向为主，EW向次之。该区东西两部分(以F₁断裂为界)重力场存在较大差异，反映了沂沭断裂带、济阳坳陷两部分地壳运动的不同，故作为两个三级构造单元对待。

胶辽隆起区：位于F₂断裂以东区域，基岩为高密度的元古宇，第四系薄，康、莫氏面上隆。重力场表现为明显的强烈波动性，以重力高为主，异常走向多为NNE—NE向，曲线较圆滑，异常形态较规则。构造线以NE向展布为主，但靠近沂沭断裂带则呈NNE—NE向弯转。

2) 三级构造单元

华北坳陷区划分为济阳坳陷、沂沭断裂带两个三级构造单元；胶辽隆起区仅划分胶北隆起一个三级构造单元。

济阳坳陷：位于研究区西部(F₁断裂以西)，重力场特征总体为重力低特征，异常展布方向及单个局部异常的长轴方向以NE为主。大量地震、钻孔资料揭示，该坳陷区沉积了巨厚的新生界，新生代地层厚度达4 000 m，地震揭示部分地区古近系厚2 000 m以上。

沂沭断裂带：位于F₁断裂和F₂断裂之间沂沭断裂带内，本区两侧重力场均为典型的重力梯度带，显而易见，重力梯度带是昌邑—大店断裂和鄌郚—葛沟断裂的反映。带内表现为明显的块状重力异常特征，场值较济阳坳陷整体升高，表明新生界厚度较薄。

胶北隆起：与胶辽隆起区范围相同。

3) 四级构造单元

济阳坳陷划分为沾化潜断陷、东营潜断陷和牛头—潍北潜断陷3个四级构造单元；沂沭断裂带划分为潍北潜断陷1个四级构造单元；胶北隆起划分为胶北断隆1个四级构造单元。东营潜断陷与牛头—潍北潜断陷的界线(F₆断裂)较陆域明显北移，其两侧重力场具有明显的南高北低分区特征。

4) 五级构造单元

沾化潜断陷划分为孤岛潜凸起1个五级构造单元。东营潜断陷陆域前人划分为东营潜凹陷，但从布格重力异常看，本区新形成了明显的重力低中心，因此本次将东营潜断陷新划分出了青东潜凹陷五级构造单元。牛头—潍北潜断陷陆域前人划分为牛头潜凹陷和潍北潜凹陷，从布格重力异常看，本区由南向北形成了“高—低—高”重力异常特征，因此本区重新进行了划分命名，新划分出寿光潜凸起、营里潜凸起和大家洼北潜凹陷3个五级构造单元。

潍北潜断陷划分为潍北潜凸起、潍北潜凹陷、青东东潜凹陷和莱州湾潜凹陷4个五级构造单元，划分了潍北潜凸起、青东东潜凹陷、莱州湾潜凹陷在海域展布。以滨海断裂为界，南北两个高低相间的重力异常反映了潍北潜凸起和潍北潜凹陷，中部的重力低是青东东潜凹陷的反映，最北端重力低为莱州湾潜凹陷反映。

胶北断隆划分为明村—但山凸起、胶北凸起和刁龙咀西凸起。其中，刁龙咀西凸起为本次新推，细化了沙河凸起、胶北凸起在莱州湾海域展布。

结合图 2、图 3b，综上分析认为F₂断裂以西重力高反映了基底凸起，重力低主要反映了中、新生代凹陷，断裂以东重力高主要反映了早前寒武纪变质岩分布，重力低主要反映了中生代花岗岩体分布。

5 结论

1) 依据重力成果及相关位场转换资料，结合研究区地质、构造特征，共推断断裂22条，其中，大型或较大型的断裂(一级、二级断裂)有7条，这些断裂的发现，对本区的构造格局有了新的认识。区内断裂以NE—NNE向和EW向为主，鄌郚—葛沟断裂与昌邑—大店断裂在莱州湾近平行延伸展布，具有陆域上由北向南渐趋收敛变窄的特征。

2) 依据重力场特征初步划分了研究区构造单元，明确了构造单元的级次序列。对大多数四、五级构造单元的范围和形态做了修改，对莱州湾海域五级构造单元展布进行了细化。

① 济阳坳陷区划分了沾化潜断陷、东营潜断陷和牛头—潍北潜断陷3个四级构造单元，进一步又划分为孤岛潜凸起(沾化潜断陷)、青东潜凹陷(东营潜断陷)和寿光潜凸起、营里潜凸起、大家洼北潜凹陷(牛头—潍北潜断陷)5个五级构造单元。

② 将沂沭断裂带划为潍北潜断陷四级构造单元，进一步划分为潍北潜凸起、潍北潜凹陷、青东东潜凹陷和莱州湾潜凹陷4个五级构造单元。

③ 将胶北隆起划为胶北断隆四级构造单元，进一步划分为明村—但山凸起、胶北凸起和刁龙咀西凸起3个五级构造单元。

3) 根据布格重力异常及其局部场特征，结合研究区地质资料，推断昌邑—大店断裂(F₂)以西重力高反映了基底凸起，重力低主要反映了中、新生代凹陷，断裂以东重力高主要反映了早前寒武纪变质岩分布，重力低主要反映了中生代花岗岩体分布。