2021, Vol. 64
郯庐断裂(郯城-庐江断裂)带是中国东部一条巨大的北北东走向的断裂带, 也是一条重要的地震活动带(徐嘉炜, 1980, 1985；徐嘉炜等，1992；张鹏等，2007；王书琴等，2012)，郯庐断裂带自1957年航磁大调查中被发现以来，已经有了六十余年的研究历史.地球科学家围绕郯庐断裂带开展了人工地震测深、大地电磁、宽频带地震台阵和重磁等地球物理探测工作(马杏垣和刘昌铨，1991；陈沪生等，1993；唐新功等，2006；叶高峰等，2009；张继红等，2010；李松林等，2011；黄耘等，2011；刘宝金等，2015)，这些研究结果揭示了断裂带两侧地壳、上地幔的速度结构和电性特征等(马杏垣和刘昌铨，1991；1992；陈沪生等，1993).根据所处的不同大地构造单元和本身结构构造及地震活动性等方面的明显差异，由南至北，郯庐断裂带可划分为三段(郑朗荪等，1988)，即苏皖段、山东段(又称沂沭断裂带)和沈阳-渤海段(又称营潍断裂带)，其中沂沐断裂带是郯庐断裂带的主体，沂沭断裂带是中国东部强活动且重要的构造带，历史上发生过6级以上强震多次.第四纪以来，沂沭断裂带构造活动十分强烈，因此对沂沭断裂带的研究具有一定的价值.
沂沭断裂带形成、演化和动力学成因问题前人做了大量的工作，获得了许多有意义的成果，但上述成果对地壳内部结构研究不多且存在一定差异，特别对地壳密度结构研究偏少，缺乏精细的密度结构信息.地震孕育、发展、发生会伴随地壳介质的变化，从而会在地壳的密度上有所体现(申重阳等，2015)，因此，研究沂沭断裂带地壳厚度和密度结构的分布状态，对地震机理的认识及预测，有重要现实意义.
本文根据跨越沂沭断裂带长约292 km(36°N附近)沿近东西向的重力剖面所获得的观测数据为依据，以区域布格重力异常为背景研究沿剖面的布格重力异常、剩余密度相关成像和密度结构的特征分布，结合区域深部探测和地质构造成果，对地震的孕育发展和发生的深部介质和构造环境进行探讨，为地震监测及预防提供基础资料.
1 研究区构造和重力异常背景 1.1 地质构造背景沂沭断裂带在山东境内主要由4条NNE向断裂组成(张鹏等，2007)，自东向西分别为昌邑-大店断裂(F1)、安丘-莒县断裂(F2)、沂水-汤头断裂(F3)和鄌郚-葛沟断裂(F4)(图 1).这4条断裂构成中央凸起两侧凹陷的“堑垒”结构，向下延伸约20~30 km，向南逐渐合并为一，长约450 km，宽约20~40 km，最宽达50 km，总体呈“Y”形，4条主干断裂为大型正断层(朱光等，2001)，走向大致平行, 断层面近于陡立(朱光等，2004c).新近纪以来区域转换为强烈的挤压作用(朱光等，2002)，4条主干断裂沿先形成的正断层再次发生逆冲活动，持续控制着堑垒构造边界，其主体形成于白垩纪.体现了古特提斯构造域向滨太平洋构造域的过渡.
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图 1 剖面位置和研究区地质构造图(基于GIS的地震分析预报系统) F1：昌邑-大店断裂；F2：安丘-莒县断裂；F3：沂水-汤头断裂；F4：鄌郚-葛沟断裂. 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. |
从1∶50万布格重力异常图(图 2，资料来源于全国地质资料馆)可以看出，重力异常等值线疏，曲线方向性不明显，研究区内由于裂解、热隆升和差异性沉降形成盆地内部坳陷和隆起相间的地壳分块格局(方盛明等，2002)，正异常基本为隆起和凸起，负异常为坳陷和凹陷，布格重力异常是反映这些构造历史演化的“活化石”(陈石等，2011).异常形态总体呈西北向东南负异常减弱，正异常增加.在郯庐断裂带形成NNE向的重力梯级带，梯级带两侧布格异常差异明显，西侧基本为负异常，东侧除在张家楼、日照为负异常外，其他为正异常，在昌邑-大店断裂(F1)、安丘-莒县断裂(F2)偏高，接近10×10-5 m·s-2，可能反映断裂已深切至上地幔，深部高密度基性和超基性岩体沿断裂处上涌，造成该处较高的布格异常值(唐新功等，2006).
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图 2 5级及以上地震、布格重力异常和主要活动断层分布 Fig. 2 MS≥5 earthquakes, Bouguer gravity anomaly and distribution of main active faults |
5级及以上地震不仅与活动断裂有关，而且与区域重力场密切相关，约75%的5级及以上地震发生在重力梯级带的弯曲或拐弯处，即地震主要分布在布格重力异常低值区或高值区周围.从力学的观点看，重力梯度带是地壳形变产生破裂的重要位置也是地壳密度高低转化带，地壳介质的非均匀部位地震较为集中，说明地壳物质不均匀性有利于地震孕育发生.另外地壳内低密度层的存在，5级及以上地震还表现出弥散展布(图 2)特征，低密度层为一软弱带，在物理上表现为流变学强度非常低，该区域变形属于分布式变形，即5级及以上地震不仅仅是集中在大的活断层上(李松林等，2011).
2 数据采集2008年，中国地震局地球物理勘探中心完成了宜川-诸城的东西向宽角反射/折射地震探测剖面(DSS)，获得了该剖面的地壳速度结构，2016年布设一条西起山东泰安-东至诸城且与该DSS探测剖面完全重合的高精度重力勘探线.剖面自东向西依次穿越的构造有：胶东隆起、沂沭断裂带、鲁西隆起.如图 3所示.
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图 3 剖面布格重力异常、GNSS高程值与断裂位置关系 Fig. 3 Bouguer gravity anomaly in profile, GNSS elevation value and fault location relationship |
泰安-诸城重力勘探剖面位于华北克拉通东部，走向为近东西向.全长292 km，观测站总数191站，其中国家标准控制点4个，测线点距一般为2.5 km，跨沂沭断裂带及两侧观测点距为1.0 km.地形高程变化较大，平均海拔在150m左右.测区以丘陵为主.
剖面重力观测依据国家地震局《地震重力测量规范》，以沿线的4个中国地震重力监测网观测点作为相对重力联测基本控制点，用LCR-829、1003型两台相对重力仪双程往返观测，当天闭合，共获取191个测点的观测值.
测点位置及高程对于获得准确的布格重力异常结果非常重要.本次测量使用一台Trimble R8-4 GNSS接收机，网络RTK测量的标称精度为：平面8 mm+0.5×10-6，高程15 mm+0.5×10-6.使用测绘局提供的控制点坐标将RTK测量得到的WGS-84坐标系下的经、纬度和大地高程转换成北京54坐标和1985国家高程.
2.1 GNSS数据处理及重力异常对观测值进行预处理，用中国地震局推广的高精度重力测量资料处理系统LGADJ程序进行平差计算(罗翔飞等，2016)，平差后联测精度为30×10-8m·s-2, 满足国土资源部《区域重力调查规范》(DZ/T 0082-2006)规定精度(0.5×10-5m·s-2)的前提下，计算获得各测点实测重力值.同时解算GNSS各测点坐标(经度、纬度和高程)，得到各点位误差(平面精度 < 0.2 m，高程精度 < 0.3 m)，按DZ/T 0082-2006规范对实测重力值进行重力、高度、中间层和地形改正，得到各测点布格重力异常值(如图 3所示).
从图中可以看出, 两种异常趋势基本一致，自由空间异常可看作补偿深度为零的均衡异常(孟令顺，1983)，与地形高程相关性较好，布格异常变化范围为(-30.1~7.3)×10-5m·s-2.以桩号150 km左右为界，根据重力异常幅差和高程关系变化可以分为二段：第一段为泰安-莱芜-沂源段布格重力异常以低背景平缓逐渐上升趋势出现，异常幅度为(-30.1~16.3)×10-5m·s-2，地形高程起伏较大，布格重力异常与相应位置的高程呈“同步型”变化的特点；第二段为马站-诸城-张家楼段布格异常以高背景逐渐上升的趋势出现，异常幅度为(-16.3~7.3)×10-5m·s-2，地形相对平缓，布格重力异常与地形高程变化呈“镜像型”关系.鲁西地块重力值明显低于胶东隆起，分析重力异常可知，背景异常是地壳厚度变化的反映(断裂带除外).在主要断裂带附近均能看到布格重力异常的变化，其中鄌郚-葛沟断裂、昌邑-大店断裂处重力变化较大，与其他断裂相比，显示出相对较深而大的特点(罗翔飞等，2017).“同步型”、“镜像型”的转换带位于沂沭断裂带梯度带的西缘，即在桩号150 km左右，反映了东、西两大地质构造单元有着不同的深部构造背景.
2.2 实测布格重力和沿线区域布格重力异常对比分析为验证实测布格重力准确性，本文将1∶50万沿线布格重力和实测布格重力进行对比，如图 4所示，可以看出，沿线区域布格重力和实测布格重力异常趋势一致.实测布格重力异常(黑色虚线)局部表现为高、低相间分布(即局部存在异常起伏或相邻观测点重力异常存在跳跃)，和内部有次级高密度隆起区和低密度拗陷区分布有关，断裂带处局部表现为锯齿状，这种变化可能反映了断裂带上基底面的破碎或断裂现象.实测布格重力点距小、精度高能凸显剖面重力细节，具体分析见2.1节，在下面剖面密度模型分析中以实测布格重力异常进行计算和反演.
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图 4 实测布格重力与沿线区域布格重力关系 Fig. 4 Relationship between measured Bouguer gravity and region Bouguer gravity along the line |
布格重力异常是地壳物质不均匀分布引起的，对布格重力数据不作任何先验信息约束的重力反演计算(剩余密度相关成像法)可获得地下密度分布模型(郭良辉等，2009).本文先采用剩余密度的相关成像方法对剖面密度结构作初步探查，获取剩余密度分布信息，再结合已有人工地震结果和地质、地球物理信息进行选择法重力反演，获得沿剖面的地壳密度分布特征.
3.1 剩余密度相关成像剩余密度相关成像方法扣除了重力场的背景信息，将地下空间剖分成二维均匀网格，计算每一网格结点单位剩余物性差所产生的异常与实测异常在一定窗口范围内的归一化互相关系数(杨光亮等，2015)，突出地下介质密度非均匀性，大体可反映剖面密度分布差异.相关系数的大小表示质量亏损和盈余的程度.利用郭良辉等(2009)提供的重力多参量数据相关成像系统(GravCI3D)计算得到基于异常分离的剖面相关成像结果(图 5).其表达式如下：
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(1) |
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图 5 泰安-诸城剖面剩余密度相关成像 Fig. 5 Residual density correlation imaging of Tai′an-Zhucheng profile |
其中，N为剖面测点总数，(xi, yi, zi)为剖面第i个观测点的坐标，Δg(xi, yi, zi)为该测点的实测重力异常.
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Bq(xi, yi, zi)为第q个点质量的基函数.根据施瓦茨(Schwarz)不等式可知
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因此，公式(1)的相关系数Cq的数值范围为－1≤Cq≤+1.
Cq值为正，该点质量盈余，Cq值为负，该点质量亏损.Cq值越接近于1，该点质量盈余越大，Cq值越接近于-1，该点质量亏损越大，零值表示既不盈余也不亏损.
图 5剩余密度相关成像结果清晰地展示了剖面地下介质的分段特征和深浅构造差异，剖面自西向东依次经过鲁西隆起、沂沭断裂带、胶东隆起，相关系数分段明显.鲁西隆起和胶东隆起相关系数明显不同，沂沭断裂带介于两者之间，具有构造边界的特征.
15 km以上相关系数大小相间分布，剖面地壳的密度具有亏损(负值)、盈余(正值)交替横向变化特征，根据区域地质资料，亏损、盈余和内部分布的凹陷、隆起等更小的地质构造单元有关.密度扰动主要发生在上地壳(15 km以内)，反映了新生代以来现代地壳运动强烈的特征，在沂沭断裂带变化明显，密度异常高于两侧地块.
15 km以下相关系数随地壳深度加深逐渐减小，中下地壳显示大片亏损(负值).以鄌郚-葛沟断裂为界东西部密度差异明显，鲁西隆起越往下亏损越多，胶东隆起亏损(负值)明显没鲁西隆起严重，鲁西隆起和胶东隆起具有不同的相关系数即密度结构特征，沂沭断裂带介于两者之间.沂沭断裂带是连接鲁西、胶东隆起之间的构造结合带.
沂沭断裂带中地壳以上基本处于盈余或亏损交错变化，这种变化与密度不均匀有关，地壳物质(密度)不均匀性有利于地震孕育发生，沂沭断裂带具有地震发生的活动背景.另外从剩余密度相关成像可知：沿线5条断裂在剩余密度相关成像上都有一定反映，总体幅度不大，这些断裂可能控制了剩余密度体的发育.
3.2 地壳密度分层结构地壳密度结构具有横向分块、纵向分层特征，根据剩余密度相关成像和宜川-诸城的东西向宽角反射/折射地震探测剖面(DSS)(李松林等，2011)获得的二维地壳速度结构模型结果，将剖面地壳结构在横向上分为鲁西隆起、沂沭断裂带、胶东隆起.利用地震速度剖面作为约束条件，采用速度和密度换算公式(冯锐等，1986)，获得地壳各层密度初始模型(见表 1).
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表 1 剖面地壳密度初始模型 Table 1 The initial model of the crust density in profile |
冯锐等(1986)在对华北地区人工地震资料研究中，得出该区的波速-密度关系式：
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利用上述成果，采用人机交互选择法，构建重力二维密度(多边形棱柱体)初始模型，在此基础上，使用中国地质大学(北京)MASK软件，通过正反演拟合对结果进行修正或调整，获得图 6所示的剖面密度结构，剖面拟合误差为0.67×10-5m·s-2.
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图 6 泰安-诸城剖面密度结构 Fig. 6 Density structure of Tai′an-Zhucheng profile |
由图 6可知，剖面地壳密度总体分为四层.在不同地质构造单元内地壳各层密度分布有所差异，特别是基底面以上差异明显，胶东隆起的平均密度大于鲁西隆起.G为结晶基底面：鲁西隆起埋深为0~3.5 km，密度为1.70~2.45 g·cm-3，沂沭断裂带埋深为0~4.5 km，密度为1.60~2.60 g·cm-3，胶东隆起埋深为0~6.0 km，密度为1.60~2.60g·cm-3.胶东隆起埋深比鲁西隆起深，显示胶东隆起新生代沉积特征.对于上地壳和中地壳埋深：胶东隆起比鲁西隆起稍深，变化不大.对于下地壳埋深(莫霍面)：鲁西隆起埋深为35~38 km，沂沐断裂带为31~34 km，胶东隆起为33~35 km.地壳厚度由西向东总体表现为减薄的过程，但在沂沐断裂带地壳厚度稍微隆起，和国家地震科学数据共享中心收录的“华北地区地壳-上地幔地震波速度结构模型v2.0”及国家自然科学基金“华北克拉通破坏”重大研究计划的学科集成成果结论相一致.即沂沐断裂带为地壳厚度隆起带.
上述密度结构清晰地显示地壳密度的非均匀性特征及特点:
(1) 图 5相关系数呈明显分段性，展示了剖面地下介质的分段特征和深浅构造差异，沂沭断裂带是东西构造边界的分界带.
15 km以上相关系数大小相间分布，剖面地壳的密度具有亏损(负值)、盈余(正值)交替横向变化特征，15 km以下相关系数随地壳深度加深逐渐减小，中下地壳显示大片亏损.鲁西隆起亏损明显比胶东隆起严重，沂沭断裂带介于两者之间.鲁西隆起和胶东隆起具有截然不同的相关系数即密度结构特征.
5条断裂在剩余密度相关成像上都有一定反映，总体幅度不大，这些断裂可能控制了剩余密度体的发育.
(2) 图 6密度结构结果展示深浅密度的差异性，随深度的加深，密度差异变小.15~30 km地壳范围内的密度差异较大，在鲁西地区和沂沐断裂带西部存在扁平状、不太连续、厚约3~6 km低密度区.在胶东地区，未见明显的异常密度体，地壳密度结构比较均匀.反映了胶东地区地壳活动不强，保持了比较均一和完整的地壳结构特征.
(3) 地壳厚度的差异性(图 6)：地壳厚度由西向东总体表现为减薄的过程，但在沂沐断裂带地壳厚度隆起.可能是太平洋板块西向俯冲导致地幔高密度物质沿沂沭断裂带上涌及对地壳的热侵蚀作用造成的.
4 讨论和结论 4.1 动力学背景分析从大尺度构造动力环境来看，关于郯庐断裂的形成时代和运动力学性质，目前较为一致的认识是特提斯、古亚洲洋和太平洋三大构造域的相互作用(李洪奎等，2017)；起因是与太平洋板块对欧亚板块的俯冲有关(罗文强等，2018)；形成的动力学背景是中生代构造体制转折和岩石圈减薄.
沂沭断裂带是一条大型左旋走滑的碰撞造山边界(Xu et al., 1987；Yin and Nie, 1993；张岳桥和董树文，2008)，在晚侏罗世-早白垩世期间由于古太平洋板块向亚洲板块的俯冲，使其再次发生左旋平移活动(朱光等, 2004a, 2004c, 2006).晚白垩世持续至古近纪，中国东部出现由挤压到伸展的重大构造机制转变(翟明国等，2003)，形成了沂沭断裂带4条大型正断层以及“两堑一垒”构造样式(朱光等，2001).进入新近纪，中国东部的构造格局又发生转折，在西太平洋板块和菲律宾板块向西俯冲产生的弧后扩张作用下(朱光等，2004b)，沂沭断裂带转变为强烈的挤压活动，总体表现为由东向西的挤压.当太平洋板块向亚洲大陆附冲挤压时，胶东隆起及深部构造将会一起向西移动，当它们向西运动接近鲁西隆起时，由于早已硬化的鲁中凸起(鲁西隆起核心部位)的“中流砥柱”作用，使胶东隆起的深部构造层产生向南和向北的侧向分流，因此形成一系列东西向断层.鲁东隆起下部的深构造层(玄武岩层塑性体)相对本区南北两端有东向移动，带走由东西向断层产生的碎块，同时，深部高密度物质上涌，根据田景瑞(1987)研究，当地壳下地幔物质向上入侵时，地壳将产生挤压和膨胀隆起作用，因此沂沭断裂带及以东地区，壳层变薄，莫霍面升高.沂沭断裂带两侧重力值出现明显变化，地壳结构性质的这种差异性，不难理解沂沭断裂带是东西两侧不同大地构造单元的分界线.
4.2 地壳密度结构与地震活动、动力学背景的关系从5级及以上地震、布格重力异常和主要活动断层分布图(图 2)来看，约70%的5级及以上地震发生在布格重力异常高、低值区周围或正负布格重力异常过渡区.从块体的角度看，中国大陆几乎8级和近90%的7级以上的大震都发生在活动地块边界上，许多作者认为，莫霍面起伏变化的地区也是地震多发地带.无论地震发生在布格异常过渡区还是块体的边界上，又或是莫霍面起伏变化的地方，不难看出这些地方都是地壳密度高、低转换带(过渡带)，也是我们常说的脆弱带.地震多发生于高、低密度过渡带之间，活动断裂对应的高、低密度过渡带更容易发生地震，即断裂活动与地震发生有着密切的关系.
从物性角度考虑，当地下断裂发育时，地层结构发生变化，即正常的地层层序破坏，地层都有自已的密度特征，地层层序的变化将引起密度结构产生相应的改变，另外断裂发育，断裂带通常松散破碎，往往被大量的地下水溶液或其他低密度介质充填，所以，在断裂带发育的地方必然有明显的密度畸变.剩余密度相关成像(图 5)显示在断裂分布区均有不同的相关系数即密度差异，说明断裂可能控制了剩余密度体发育.另外相关系数呈明显分段性，鲁西隆起和胶东隆起具有截然不同的相关系数即密度结构特征，鲁西隆起亏损明显比胶东隆起严重，沂沭断裂带介于两者之间，不难看出沂沭断裂带是鲁西隆起和胶东隆起构造边界分界带.
从图 2还可以看出，5级及以上地震还表现出弥散面状展布的特点.这一现象与壳内低密度层有较大的关系.低密度层的存在推测对应地壳岩石含高温流体和熔融岩体，在拉张或挤压力的作用下，发生塑性变形，应力先在上部脆性介质中积累，下层的低密度层较软弱易滑脱，与上部的高密度脆性岩体受力运动不一致.低密度体不易积累能量受力易变形，对上部的脆性体有“拖拽”作用，脆性体能量积累达到一定程度引发地震.统计表明，很多浅震震源位于壳内低密度层上方，即地壳物质(密度)不均匀性有利于地震孕育发生.
剖面密度结构(图 6)展示深浅密度的差异性，15~30 km地壳范围内密度差异较大，随深度加深，密度差异变小.鲁西隆起和沂沐断裂带西部中下地壳存在明显异常低密度体，胶东地区地壳密度结构比较均匀，未见异常低密度体.反映了胶东地区地壳活动不强，保持了比较均一和完整的地壳结构特征.历史地震资料表明，胶东地区基本上无5级以上地震发生.
另外剖面密度结构(图 6)还可以看出地壳厚度的差异性，地壳厚度由西向东总体表现为逐渐减薄的过程，但在沂沐断裂带地壳厚度稍微减薄(隆起).地壳结构这种特征可能是太平洋板块西向俯冲导致上地幔高密度物质入侵时，地壳产生挤压和膨胀隆起所致.
分析说明震源形成和地震能量积蓄的控制性条件可能是断裂构造，能量积蓄形成的主体可能是密度变化.沂沭断裂带具有发生强震的可能性，为地震监测重点关注的地区.
4.3 结论本文以区域布格重力异常为背景，以剖面获得的观测数据为依据，研究沿线剖面的布格重力异常、剩余密度相关成像和密度结构的分布特征，结合区域深部探测和地质构造成果，对地壳密度结构与地震活动、动力学背景的关系进行探讨，得到以下结论：
(1) 剖面布格异常变化范围为(-30.1~7.3)×10-5m·s-2，从西往东总体呈上升变化趋势：泰安至沂源以低背景平缓逐渐上升与相应位置的高程呈现“同步型”变化，马站至张家楼以高背景逐渐上升与地形高程呈现“镜像型”变化，高低异常背景转折在沂沭断裂带西段150 km左右位置，反映了东、西两大地质构造单元有着不同的深部构造背景.
背景异常是地壳厚度变化的反映，整体形态西深东浅，在沂沐断裂带地壳厚度隆起可能是地壳下地幔物质沿断裂向上入侵时，地壳产生挤压和膨胀隆起所致.
(2) 剩余密度相关成像和密度结构显示地壳密度分布的横、纵向差异，横向从西往东分为鲁西隆起、沂沭断裂带和胶东隆起.沂沭断裂带是鲁西、胶东隆起的构造结合带.纵向可分为上、中和下三层结构，鲁西隆起、沂沭断裂带西部中下地壳局部存在低密度体，可能是上地幔物质上涌岩石含部分高温流体和熔融岩体所致，胶东地区保持了比较完整和均一的地壳结构特征，反映了胶东隆起地区地壳活动不强.历史地震资料表明，胶东地区基本上无5级以上地震发生.
(3) 约70%的5级及以上地震发生在高、低密度过渡带之间，活动断裂对应的高、低密度过渡带之间更容易发生地震，即断裂活动与地震发生有着密切的关系.5级以上地震还表现出弥散面状展布的特点，这一现象与壳内低密度层有较大的关系，说明地壳物质(密度)不均匀性也有利于地震孕育发生.
本文通过对密度结构特征的研究，对地震的孕育发展和发生的深部介质和构造环境进行探讨.震源形成和地震能量积蓄的控制性条件可能是断裂构造，能量积蓄形成的主体可能是密度变化.沂沭断裂带不是莫霍面陡变带而是隆起带.沂沭断裂带具有发生强震的可能性，为地震监测重点关注的地区.
致谢 感谢中国地质大学(北京)郭良辉教授和中国地震局地震研究所杨光亮副研究员在数据处理、解释过程中提供的帮助.感谢中国地震局地球物理勘探中心的项目组人员在野外工作中的付出.十分感谢匿名评审专家提出宝贵的修改建议和意见.
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