郯庐断裂带是中国大陆东部的一条巨型活动断裂带(方仲景等，1986)，自1957年航磁大调查中被发现，迄今已有近60年的研究历史.郯庐断裂带起源于华南-华北板块碰撞作用(Xu et al.，1987；Yin and Nie，1993；Zhu et al.，2009)，经过了强烈的左行平移、伸展、挤压的演化过程(王小凤等，2000；朱光等，2004)，第四纪以来受西太平洋板块俯冲的弧后扩张与印度板块向北碰撞中构造挤压的共同作用，表现为逆冲兼右旋走滑的活动性质(朱光等，2002，2004)，其地质结构上可分为南、中、北三大段和七亚段(杨克绳等，2009).郯庐断裂带中段贯穿山东、江苏境内，全新世活动显著，曾发生过公元前70年安丘7级大地震和1668年的郯城8 1/2 级大地震，是强震活动带之一(方仲景等，1976；晁洪太等，1999).山东段构造地貌形态较好，研究成果较多，相比之下江苏段的成果甚少，仅有少量的第四纪活动性研究(谢瑞征等，1991；龚伟等，2010；姚大全等，2012).郯庐断裂带江苏段北起郯城县，南至泗洪县峰山乡，总体走向NE5°~15°，由5条主干断裂组成，自东向西分别为山左口-泗洪断裂(F1)、马陵山-重岗山断裂(F5)、新沂-新店断裂(F2)、墨河-凌城断裂(F3)、纪集-王集断裂(F4)，这些断裂构成了琴键式构造(张鹏等，2011).构造地貌上，断裂主要出露于丘陵岗地的边缘地带，如马陵山、重岗山、峰山、嶂山、赤山等山麓边界(谢瑞征等，1991).

随着地球物理技术的快速发展，众多学者利用重、磁场开展过郯庐断裂带中段的研究工作，初步揭示了其深部构造特征，增强了大地构造、地球动力学等方面的认识(马杏垣，1987；杜晓娟等，2005；唐新功等，2006；李春峰等，2009)，然而由于数据比例尺较小以及位场分离方法有限，主要展示了断裂带的宏观展布特征，不能完全地反映深部的精细结构.近几年，黄耘等(2011)反演了郯庐断裂带鲁、苏段的三维地壳速度结构，姜文亮等(2011)、路晓翠等(2012)学者基于较大比例尺的重力资料对鲁、苏的深部构造进行详细的解析，取得了突破性的进展，但上述学者针对江苏段的断裂带展布及地壳结构刻画尚不够深入，因此，郯庐断裂带江苏段深部构造仍有很大的研究空间.

本文以郯庐断裂带江苏段及周边地区为研究对象，区域范围：东经117.2°~119.2°、北纬34.2°~37.8°(图 1)，收集较大比例尺的布格重力数据，利用小波多尺度分解技术与Parker密度界面模型反演区域地壳密度结构及莫霍面形态，通过由浅到深多尺度多层次的研究，揭示郯庐断裂带江苏段深部构造特征，为该地区的地球物理场研究提供依据.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区主要断裂分布图 主要断裂分布参考中国活动构造图(邓起东，2007)，并根据重力资料进行了修改.F1：山左口-泗洪断裂；F2：新沂-新店断裂；F3：墨河-凌城断裂；F4：纪集-王集断裂；F5：马陵山-重岗山断裂；F6：无锡-宿迁断裂；F7：苍尼断裂； F8：邵店-桑墟断裂；F9：海泗断裂；F10：淮阴-响水口断裂；F11：洪泽-沟墩断裂；F12：铁佛沟断裂；F13：韩庄断裂；F14：利辛-五河断裂；F15：阜阳-固镇坳南缘断裂Fig. 1 Distribution of active fault of the study area Faults are cited from Map of active faults in China(Deng，2007)，and amended based on gravity data.

作为研究岩石圈结构和地质构造的重要地球物理资料之一，布格重力异常是地壳内部不同密度岩性体所表现的重力值偏离正常重力值的异常响应，它能够直观地反映地质体的分布、深部构造特性以及断裂构造的展布等信息.然而，布格重力场是叠加场，即区域场源与局部场源信息的叠加，深部场源与浅部场源信息的叠加，因此在利用布格重力数据研究深部构造时，需要采用有效的数据处理方法进行场源信息分离，提取出研究对象不同尺度下的局部异常信息，这是利用重力场及重力勘探方法进行地质解译的重要步骤(曾华霖，2005).

现阶段小波变换方法的快速发展，成为重力异常分解的有效工具，该方法能将重力场中交织在一起的信号进行有效分离，从而获取不同模式、不同尺度的异常信息，达到位场分离的目的.利用小波多尺度分析方法对布格重力场进行场源分离，可以得到不同阶次的小波变换逼近图与小波变换细节图，其中小波变换逼近图是深部场源所引起的大规模低频异常信息，体现了区域场异常信息，小波变换细节图是浅部场源体引起的小规模高频异常信息，体现了局部场异常信息.Mallat(1989)首先提出了小波多尺度分析方法的思想和算法；侯遵泽和杨文采(1997)成功地利用小波多尺度分析开展了中国大陆布格重力异常的研究，并对该方法原理进行了详细地阐述；杨文采等(2001)利用低阶细节不变准则实现了具有地质意义的重力异常分解；此外，还有许多学者基于重磁场的地质构造研究中，应用该方法取得了丰硕的成果(高德章等，2000；方盛明等，2002；姜文亮和张景发，2012；吴咏敬等，2012；Jiang et al.，2012，2014).

本文收集了120万区域布格重力数据，数据采样间隔2 km，采用重磁勘探软件(GMS3.0)的二维小波多尺度分析模块对布格重力场数据进行分解，得到1~5阶小波变换逼近图和细节图.为了较为精细地刻画断裂带展布及地壳内部结构，下文将重点分析小波细节场特征.功率谱是20世纪70年代发展起来的一种重磁场深度换算方法(Cianciare and Marcart，1976)，利用对数功率谱曲线斜率可以估算各阶次重力小波变换场相对应的近似场源深度，结合功率谱计算方法，得出1~5阶小波变换细节图对应的近似场源深度值(表 1).

表 1(Table 1)

表 1 各阶小波变换重力场所对应的近似场源深度Table 1 Depth reflected by each wavelet transform 阶次 近似场源深度(km) 1阶细节图 2~3 2阶细节图 5~6 3阶细节图 10~12 4阶细节图 21~23 5阶细节图 36~38

表 1 各阶小波变换重力场所对应的近似场源深度Table 1 Depth reflected by each wavelet transform

布格重力异常主要反映了区域场源信息.异常图显示，研究区重力异常整体表现为东高西低的特征(图 2)，异常值变化幅度较大，在-42.4~26.7 mGal之间.郯庐断裂带纵贯区域中央，沿新沂-宿迁-泗洪-五河一线形成了NNE走向的大型高重力异常条带及重力梯度带，分隔了西侧的华北板块和东侧的苏胶块体、下扬子板块，成为区域内重要的地球物理分界线，断裂带的密度异常明显高于两侧地块.区域东侧由苏胶块体与下扬子板块组成，重力异常整体偏高，两个块体之间被淮阴-响水口断裂隔开；区域西侧为华北板块，重力值明显低于西侧，表现为中低重力异常区.郯庐断裂带两侧出现几个大规模重力低异常圈闭，对应相关的大型沉积凹陷，东南侧的嘉山-淮阴一带形成了NE向大型低异常条带，代表着苏北-南黄海断裂盆地，五河县东侧近东西向的大型低重力圈闭为阜阳-固镇凹陷.

图 2

Fig. 2

图 2 区域布格重力异常图Fig. 2 Bouguer gravity anomaly of the study area

各阶次小波变换细节图揭示各个深度下地壳横向非均质性.低阶次小波细节图，重力异常等值线密集、变化频繁，多为条带状或串珠状异常体，高异常圈闭之间夹杂着不规则的凌乱的低异常圈闭，代表着地质体在地壳浅层横向上密度变化剧烈，岩性及构造复杂多样，活动断裂常沿线性重力梯度带边界分布；而高阶次的小波细节图，重力异常等值线变化均匀，高低异常带连片性强、区域性特征突出，反映了区域地壳深部构造环境，高低重力异常圈闭代表着大型隆凹构造单元，重力梯度带与深大断裂相对应，揭示了深大断裂的延伸展布情况.

1阶小波变换细节图为小尺度重力异常，重力异常变化剧烈，错综复杂，异常值范围为-7.9~6.6 mGal，反映的是地壳沉积层的密度差异(图 3a).郯庐断裂带贯穿区域中央形成了多条NNE向重力异常线性条带，5条主干断裂沿线性梯度条带分布，其中马陵山-重岗山断裂在郯城-宿迁一带形成微弱的线性梯度带，而宿迁市以南重力梯度边界现象消失，这与构造地貌北强南弱的特征一致，推测该断裂由北向南延伸至宿迁市截止或与新沂-新店断裂合并为一条(张鹏等，2011).宿迁市以北，郯庐断裂带内部形成了中间高，两边低的重力特征，表现为多条NNE延展的狭长状高、低重力异常圈闭，高重力圈闭体对应着城岗断隆，两侧的低重力异常为沉积凹陷，新沂-新店断裂和墨河-凌城断裂分别控制了高异常圈闭体两侧边界，挟持着城岗隆起构造单元，构成了郯庐带江苏段地垒格局；宿迁市以南，两堑一垒的重力异常特征逐渐消失，郯庐带的5条主干断层变为4条，由北向南逐渐收敛，沿线性重力条带分布.

图 3

Fig. 3

图 3 布格重力异常1~5阶小波细节图Fig. 3 1~5 order detailed images of wavelet multi-scale analyses

2阶小波细节图主要反映了上地壳密度差异所产生的重力异常特征，对应的场源深度约为6 km，其异常值范围为-7.5~6.4 mGal，重力异常变化较为剧烈(图 3b).宿迁以北，郯庐断裂带江苏段的两堑一垒重力格局依然明显，城岗断隆形成的狭长状高异常圈闭更加突出，圈闭长轴方向近南北走向，断隆单元两侧为低重力圈闭，其中西侧低异常圈闭对应着王楼凹陷(陈丁等，2011)，墨河-凌城断裂和纪集-王集断裂控制着王楼凹陷的东、西边缘，墨河-凌城断裂沿城岗隆起西侧重力梯度边界分布，纪集-王集断裂沿邳县高异常区及王楼凹陷低异常圈闭的梯度边界展布，而马陵山-重岗山断裂的线性异常条带现象依然存在，表现两侧异常高中间低的特点；宿迁市以南，郯庐带各主干断裂形成各自的线性梯度条带或串珠状重力异常，NNE走向展布于区域中央.宿迁-无锡断裂，沿邳县-宿迁市-洪泽县NW向展布，交切于郯庐带并分割其北侧的高异常圈闭及南侧低异常圈闭，使其出现等值线收敛、正负差异变化等重力现象.

3阶小波细节图(图 3c)反映了中地壳的密度差异所导致的异常特征，异常值为-12.9~10.6 mGal，对比3阶与2阶细节图可以发现，3阶细节图中重力异常圈闭进一步扩大，对凹陷及隆起构造单元的揭示更为直观.郯庐断裂带内部的郯城至嘉山一带整体呈宽缓的重力低异常现象，两侧表现为重力高异常特征，反映了晚白垩纪-早第三纪在区域伸展作用下形成的裂谷盆地(朱光等，2001)，山左口-泗洪断裂和纪集-王集断裂分别控制着其东西边缘.郯庐带两侧大型沉积凹陷雏形已基本显现，宿迁市至沭阳一带，发育长轴SW-NE向的低异常椭圆形圈闭体，对应着沭阳凹陷，凹陷北部较为平缓的高异常区为苏北地台，重力低、高之间形成NE向的梯级带，邵店-桑墟断裂沿此重力梯级带分布，控制着沭阳凹陷的北侧边缘，该断裂向西南延至宿迁市附近，但由于宿迁市北侧的高重力异常遮挡，不与郯庐带交切.区域南侧发育两个大型低重力异常圈闭体，分别对应着苏北-南黄海断陷盆地及阜阳-固镇凹陷，沿嘉山-洪泽一带，苏北-南黄海盆地低重力异常区明显，呈NE向展布，该沉积盆地南北两侧出现的明显的重力梯级带对应着洪泽-沟墩断裂和淮阴-响水口断裂，这两条断裂共同控制着断陷盆地的沉积边缘，并斜交于郯庐断裂带，构成了倒“人”字型构造样式；五河县以西的低异常圈闭体代表着阜阳-固镇凹陷，凹陷南北边缘发育利辛-五河断裂及阜阳-固镇坳陷南缘断裂，其东缘被郯庐带西支纪集-王集断裂所控制.

4阶细节图中的异常值范围-12.9~9.7 mGal，布格重力圈闭进一步增大，场源深度大致为21~23 km，反映了下地壳深度岩石密度异常分布特征(图 3d).郯庐带各主干断裂的小尺度线性梯度带现象消失，而表现出整体性分布的大规模串珠状重力高、低异常现象，在郯城-新沂，宿迁-泗洪形成低异常圈闭，在新沂-宿迁及泗洪-嘉山形成高异常圈闭，高、低异常相间出现，展现了郯庐带下地壳的密度结构差异.继承3阶小波细节场的特点，4阶细节场中郯庐带两侧的大型沉积凹陷依然显著，且与之对应的构造断裂形成的重力梯度带依然明显，说明这些断裂已切割至下地壳，为深大断裂.在宿迁地区，宿迁-无锡断裂重力场特征明显，形成了NW向的重力梯度带，分隔了北侧的高重力异常区及南部低异常区，NW向展布交切于郯庐断裂带，推测该断裂也已切割至下地壳深度.

5阶细节图反映的是下地壳底部至上地幔顶部造成的重力异常，能够揭示岩石圈底部及上地幔物质密度横向变化，重力值范围-7.5~7.4 mGal(图 3e).图中，重力异常表现为中间高两边低的特点，在泗洪地区出现了大规模的椭圆形高异常圈闭中心，密度异常明显高于周边地区，是上地幔高密度物质局部严重上隆的结果.沿郯庐断裂带形成一条NNE走向波状的高重力异常条带，断裂带切穿了岩石圈至上地幔，地幔物质沿郯庐带通道上涌，出现下地壳重熔、岩石圈减薄现象，造成断裂带的密度值明显高于两侧地区(谢成龙等，2008).

前人曾利用重磁场资料(马杏垣，1987；杜晓娟等，2005；唐新功等，2006；李春峰等，2009)开展过郯庐断裂带中段的研究，对郯庐断裂带江苏段有所涉及，但由于数据比例尺较小，主要展现了断裂带的宏观分布，对地壳内部结构刻画不够细致.近几年，姜文亮等(2011)基于大比例尺的布格重力场数据，并利用了小波变换方法，得到了郯庐断裂带鲁、苏段的布格重力深部构造图(图 4)，与本文研究结果相比(图 3a、b、c)，两者均详细地解译了郯庐断裂带江苏段5条主干断裂的空间分布情况，然而本文对5条主干断裂的空间展布的解析更为精细，刻画了断裂带内部及周边的地壳结构，确定了区域周边断裂构造与郯庐断裂带的交切关系：(1)郯庐断裂带江苏段的5条主干断裂形成各自的线性重力异常条带贯穿区域中央，宿迁以北为5条主干断裂，宿迁以南变为4条，由于宿迁-无锡断裂与之交切，郯庐断裂带在宿迁市存在明显的分段性特征，这与施炜等人(2003)、路晓翠等人(2012)观点一致；(2)中上地壳尺度上，郯庐断裂带江苏段宿迁以北表现为两堑一垒重力格局，宿迁以该构造格局消失，而中下地壳尺上，度断裂带两侧发育沭阳、阜阳-固镇、苏北-南黄海等大型沉积凹陷；(3)郯庐断裂带与宿迁-无锡断裂、淮阴-响水口断裂、洪泽-沟墩断裂深大断裂交切，与邵店-桑墟断裂不相交.

图 4

Fig. 4

图 4 布格重力异常2阶与4阶小波逼近构造图(引姜文亮等，2011) F1：昌邑-大店断裂； F2：白芬子-浮来山断裂； F3：沂水-汤头断裂； F4：鄌郚-葛沟断裂；F5：安丘-莒县断裂；F6：山左口-泗洪断裂；F7：新沂-新店断裂； F8：墨河-凌城断裂；F9：纪集-王集断裂； F10：马陵山-重岗山断裂；F11：苍尼断裂； F12：蒙山山前断裂；F13：新泰-蒙阴断裂；14：无锡-宿迁断裂； F15：邵店-桑墟断裂；F16：淮阴-响水口断裂；F17：洪泽-沟墩断裂； F18：铜冶店-孙祖断裂； F19：阜阳-固镇坳陷南缘断裂.Fig. 4 2nd and 4th order approximate images of wavelet multi-scale analyses(Jiang et al.，2011)

图 5

Fig. 5

图 5 布格重力异常4阶小波逼近图及对数功率谱Fig. 5 4 order approximate images and power spectrum

Δρ(Z)= Δρ₀×e^-μZ，

式中Δρ₀为界面密度差，μ为变密度因子，Z为深度.

整理前人的地震测深资料(徐纪人和赵志新，2004；白志明和王椿镛，2006)，得到不同层位的地壳厚度及速度结构作为反演的约束条件(表 2)，利用密度与P波速度的经验公式ρ=0.77+0.32V_p计算出不同地层的地壳密度(Berteussen，1977)，基于变密模型公式计算出区域最佳变密度因子为0.055.黄耘等人(2006)指出江苏省地区莫霍面深度平均约32 km；滕吉文等人(2002)的文献中提到华南平原北部地区莫霍面深度平均32 km，部分地区略有上隆，故研究区莫霍面平均深度取32 km.

表 2(Table 2)

表 2 地壳厚度、P波速度、密度列表Table 2 List of P wave velocity，crustal density and average crustal thickness of the area 厚度(km) VP (km/s) 密度(g/cm3) 上地壳 12~14 5.6~5.9 2.56~2.66 中地壳 10~12 6.2~6.5 2.75~2.85 下地壳 8~10 6.6~7.2 2.88~3.07 上地幔顶部 — 7.8~8.0 3.26~3.33

表 2 地壳厚度、P波速度、密度列表Table 2 List of P wave velocity，crustal density and average crustal thickness of the area

对区域布格重力数据进行小波变换处理得到4阶重力小波逼近场(图 5)，小波逼近场基本消除局部重力异常的影响，4阶逼近场的近似场源深度约41 km，反映莫霍面及上地幔引起的重力异常特征，用来反演莫霍面深度最佳.

图 6展现了区域莫霍面的分布情况，莫霍面横向上起伏变化较大，整体表现为东高西低的特征，从东向西逐渐加深，地壳由西向东逐渐减薄，沿郯庐断裂带形成了一条NNE走向的莫霍面陡变带，呈舒缓波状延展，造成了东西分异的格局.郯庐断裂带江苏段内部地壳厚度明显减薄，其中在泗洪地区出现严重的莫霍面上隆中心，莫霍面深度约为29 km，推测由于上地幔顶部及软流层高密度热流物质沿断裂带上涌，使得下地壳底部发生重熔与置换作用，这也验证了布格重力场中大规模重力高异常条带现象.

图 6

Fig. 6

图 6 区域莫霍面分布图Fig. 6 Moho topographic map of the study area

研究区西侧存在两个沉降区，其中北部的沉降区位于邳县以西，该区莫霍面埋深较大，在地貌单元上对应着鲁中南隆起，是重力均衡调配的结果；另一个沉降中心位于蚌埠地区，在地质单元上对应阜阳-固镇凹陷，莫霍面深度可达35 km；灵璧-固镇地区出现莫霍面局部隆起，分隔着南北两侧沉降区，地壳厚度变薄约为30~31 km.区域东侧是苏胶及下扬子地块的沿海平原地带，地壳厚度相对于西侧的华北地区较薄，莫霍面整体埋深较浅，在29~33 km之间变化.

本文基于区域布格重力场资料，通过小波多尺度分析方法和Parker密度界面模型，对郯庐断裂带江苏段及周边的深部构造进行了由浅到深多尺度多层次分析和研究，得到了以下几点结论：

(1)布格重力场显示，郯庐断裂带江苏段形成了NNE走向的大型的高重力异常条带及重力梯度带，分隔了华北板块和苏胶块体、下扬子板块，成为区域内重要的地球物理分界线，断裂带内部的密度异常明显高于两侧地块.区域东侧的苏胶块体、下扬子板块重力异常偏高，而区域西侧的华北板块重力值明显低于西部.

(2)重力细节场显示，沉积层及上地壳结构复杂多变，郯庐断裂带江苏段5条主干断裂形成各自的线性异常条带贯穿区域中央，宿迁市以北，断裂带内部表现为两堑一垒的重力异常格局，而宿迁市以南堑垒构造格局消失.中下地壳结构相对简单，郯庐断裂带内部形成宽缓的低异常区，对应白垩系裂陷盆地，其两侧发育沭阳、阜阳-固镇、苏北-南黄海等大型沉积凹陷.宿迁-无锡断裂、淮阴-响水口断裂、洪泽-沟墩断裂等深大断裂交切于郯庐断裂带，而邵店-桑墟断裂不与之相交.由于宿迁-无锡断裂与之交切，郯庐断裂带江苏段在宿迁地区出现明显的分段性.

(3)区域莫霍面形态东高西低，西部莫霍面埋深较大，对应着华北板块，而东部莫霍面埋深普遍较浅，对应着苏胶、下扬子地块的平原沿海地带.郯庐断裂带形成了莫霍面陡变带，造成了东西分异的格局，泗洪地区出现莫霍面局部上隆区，可能由于软流层或上地幔高密度物质上涌所致.