0 引言
沂沭断裂带西侧鲁西隆起内沿临沂至新泰一线发育一系列NW向近似平行展布的区域性断裂构造,其中以蒙山断裂、新泰—垛庄断裂等为代表。受其控制,临沂凸起、平邑凹陷、蒙山凸起、蒙阴凹陷等构造单元交错分布,形成了NW向高低相间的条带状区域重力异常。前人曾利用卫星重力数据及小比例尺陆地区域重力资料对鲁西隆起的区域重力场特征、沂沭断裂带及其西侧NW向区域构造进行了一定研究[1⇓⇓⇓-5],也有学者对区域内NE及NW向典型区域断裂各时代的活动及演化特征进行了研究讨论[6⇓⇓⇓-10],这些研究成果极大丰富了区域性地质及地球物理认识,为本次研究提供了较为翔实的借鉴依据。研究区位于临沂至新泰重磁异常带的东南部,涉及临沂凸起、平邑凹陷、蒙山凸起及苏村凹陷4个五级大地构造单元,区内蒙山断裂东南部的隐伏展布特征及其上盘平邑凹陷与临沂凸起交界不整合界线的东延趋势均值得重点研究。但受以往重力数据网度、精度及新生界覆盖所限,各构造单元边界的详细展布及其交切关系等特征较为模糊,仍需进一步研究。
针对以上因素,本文利用最新施测的1:5万陆地重力数据及其位场转换成果,对研究区重力场特征进行了详细的分区解释,同时对断裂体系进行了较为精细的厘定,并以此为基础,结合前期构造单元划分方案,对区内大地构造单元边界展布特征进行了详细的追索研究及讨论,研究结果充分揭示了区内NE与NW向构造格架边界的展布位置及相互交切关系。
1 地质及物性特征
1.1 地质特征
研究区主要由中新生代、古生代盖层区及新太古代基底区组成,沂沭断裂带西界的鄌郚—葛沟断裂纵贯研究区东部,区内断裂构造发育,岩浆活动频繁(图1)。
图1
研究区内地层区划属华北—柴达木地层大区、华北地层区、鲁西地层分区,各时代地层发育较齐全,包括新元古界南华系、古生界寒武—奥陶系、中生界白垩系及新生界古近系与第四系。其中古生界寒武—奥陶系广泛分布于研究区东北、西南地段,中新生界地层主要位于蒙山断裂南盘断陷盆地内,主要为下白垩统莱阳群、青山群及平邑凹陷内沉积的上白垩统—古近系官庄群[11⇓⇓⇓-15],而官庄群与下伏莱阳群的角度不整合界线大部分处于隐伏状态。蒙山断裂北盘广泛分布新太古代傲徕山、峄山序列侵入岩,岩性分别以二长花岗岩、花岗闪长岩为主。区域内NE向代表断裂为沂沭断裂带,自西向东分为鄌郚—葛沟、沂水—汤头、安丘—莒县、昌邑—大店4条分支断裂,NW向断裂以蒙山断裂及其北侧新泰—垛庄断裂为代表,其中鄌郚—葛沟断裂、蒙山断裂构成了本次研究区内的主要构造格架[16-17],也是控制全区重力场特征的代表性断裂。
1.2 密度特征
岩石密度差异是重力异常解释的基础和前提,将以往区域物性资料与本次实测密度数据进行汇总整理(表1),其结果涵盖了研究区内主要地质体密度参数,进而总结归纳区内密度特征及规律。
表1 研究区密度特征
Table 1
| 地质年代 | 地层或序列 | 群或单元 | 岩石名称 | 密度σ/(103kg·m-3) | 密度特征 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 平均值 | 变化范围 | |||||
| 新生代 | 第四系 | 沙土、黏土 | 1.71 | 1.69~1.78 | 低密度 | |
| 古近系 | 官庄群 | 泥岩、砾岩 | 2.38 | 2.23~2.43 | ||
| 中生代 | 白垩系 | 青山群 | 潜粗面岩 | 2.51 | 2.40~2.55 | 低密度 |
| 莱阳群 | 凝灰岩 | 2.52 | 2.36~2.59 | |||
| 古生代 | 奥陶系 | 马家沟群 | 白云质灰岩 | 2.73 | 2.67~2.82 | 高密度 |
| 寒武系 | 九龙群 | 灰岩 | 2.74 | 2.71~2.80 | ||
| 长清群 | 砂岩 | 2.64 | 2.59~2.68 | 中低密度 | ||
| 新元古代 | 南华系 | 土门群 | 砂岩 | 2.68 | 2.63~2.71 | 中等密度 |
| 新太古代 | 傲徕山 | 蒋峪单元 | 二长花岗岩 | 2.61 | 2.57~2.65 | 中低密度 |
区内古生界寒武—奥陶系灰岩类密度最高,均值为(2.73~2.74)×103kg/m3,第四系密度最低(1.71×103kg/m3),由于寒武系中除灰岩外存在砂岩(2.64×103kg/m3)等互层,其整体密度低于奥陶系,总体而言地层密度随时代由老至新整体呈明显下降趋势。其中,中部平邑凹陷内官庄群(2.38×103kg/m3)与其东北侧新太古界傲徕山花岗岩(2.61×103kg/m3)以蒙山断裂分界,二者存在0.23×103kg/m3的密度差,同时与西南侧白垩系莱阳群(2.52×103kg/m3)呈角度不整合接触,密度差为0.14×103kg/m3,白垩系与其西南下伏奥陶系(2.73×103kg/m3)间也存在约0.21×103kg/m3的密度差异。综上可知,研究区内各时代地层间、地层与侵入岩间均存在一定的密度差异,为本次研究工作提供了较为充分的地球物理物性前提。
2 重力场定性分析
2.1 区域重力场定性分析
区域布格重力异常图(图2)重力数据来源于山东省物化探勘查院1:20万鲁中南部地区区域重力调查,采用波茨坦重力系统,数据网度为2 km×2 km。区域布格异常变化区间为(-30~12)×10-5m/s2,自西向东总体呈递增趋势,大致以研究区东端大庄镇—汤头镇—相公镇一线鄌郚—葛沟断裂、沂水—汤头断裂NNE向密集重力梯级带分界。白沙埠镇—上冶镇北西向狭长重力低值带特征显著,主要由平邑凹陷(Ⅴ)五级构造单元内沉积的上白垩统—古近系官庄群盆地所致,其南、北界NW向重力梯级带分别为官庄群与莱阳群角度不整合界线以及蒙山断裂的重力场反映,同时分别为临沂凸起(Ⅴ)和蒙山凸起(Ⅴ)的北界和南界,两处凸起区呈明显的NW向重力高值特征,将平邑凹陷(Ⅴ)低重力区夹至中间。东部区域重力高值区位于沂沭断裂带内,是鲁西隆起(Ⅱ)与胶南—威海隆起(Ⅱ)2个二级构造单元的过渡地段,其中沂水—汤头断裂与安丘—莒县断裂间地块明显抬升(图1),形成汞丹山凸起(Ⅴ),使该区重力场急剧增强,可知沂沭断裂带控制着区域重力场的总体特征,而蒙山断裂一定程度上控制着NW向区域重力场的展布。
图2
2.2 研究区重力场定性分析
图3
图4
2.2.1 中部重力低值区
该区与平邑凹陷范围基本吻合,自西北至东南斜跨整个研究区,布格异常值介于(-24.5~-13.0)×10-5m/s2,整体呈现NW向“靴形”狭长重力低值带,与西南、东北两侧重力场形成明显差异,在东端低值带封闭,最低值位于方城镇,同为研究区布格异常最低值。该区北界为蒙山断裂,主要表现为上盘(南西盘)斜落的掀斜式张性正断层性质,受断裂控制,区内沉积了较大规模的上白垩统—古近系官庄群(2.38×103kg/m3),岩性主要为低密度灰质砾岩、砂岩和泥岩,与南、北两侧下白垩系地层、新太古代侵入岩均有明显密度差。官庄群各组段沉积层序与NW走向、NE倾向的区域地质特征吻合,自西南至东北由老至新分别为固城组、卞桥组、常路组、朱家沟组,其倾向与蒙山断裂呈对向分布规律,导致东北部沉积厚度明显更大。该区内GL4~GL7局部重力低值异常沿蒙山断裂上盘依次分布,在反映平邑凹陷内官庄群盆地局部沉积中心的同时,也体现了该构造单元由NW向至近EW向的转折趋势。
2.2.2 中西部至南部重力高值区
该区位于临沂凸起东北部,与东北侧平邑凹陷衔接,布格异常值在(-13.0~0.2)×10-5m/s2区间变化,重力场明显抬升。虽受蒙山断裂错动影响,地表发育以凝灰岩(2.52×103kg/m3)、潜粗面岩(2.51×103kg/m3)为主的莱阳群、青山群中低密度火山沉积地层,但在该区西界NW向石贵岭—斗立庄断裂、东界NE向鄌郚—葛沟断裂二者共同作用下,下伏古生界奥陶系凸起明显,已出露九龙群三山子组、马家沟群北庵庄组及五阳山组,以高密度白云岩和灰岩为主,密度高于2.70 g/cm3。该区内分布GH4~GH13一系列局部重力高值异常,整体反映了临沂凸起构造单元内白垩系下伏高密度奥陶系的凸起。
2.2.3 西部、北部重力值过渡区
西部重力值过渡区布格异常值介于上述重力高、低值区之间,整体呈南高北低趋势,古生界至中生界均有分布,寒武系出露面积最大,奥陶系次之,白垩系仅在该区北部少量出露。其中南部寒武系基岩广泛出露,为高密度灰岩(2.74×103kg/m3)与中低密度砂岩(2.64×103kg/m3)等互层,整体为中高重力场特征,由于剥蚀较强,缺失奥陶系。北部重力值过渡区的偏东侧有一定规模的古生界寒武—奥陶系呈NW走向出露,GH14~GH16三处局部高值异常与其直接相关。但区内第四系明显增厚,重力场较南部有所减弱,该过渡区基本对应蒙山凸起构造单元,受蒙山断裂控制,基底较南侧相邻的平邑凹陷明显抬升,但新太古界基底内二长花岗岩、花岗闪长岩等中低密度酸性、中酸性侵入岩广泛分布,一定程度上也削弱了本区的重力场强度。
2.2.4 东部重力高值区
该区布格异常值介于(-6.6~3.2)×10-5m/s2,自西向东重力场明显增强。鄌郚—葛沟断裂NE向穿过,断裂西侧主要为寒武—奥陶系,断裂东侧位于鄌郚—葛沟、沂水—汤头断裂之间苏村凹陷内,白垩系广泛沉积,整体而言布格重力场强度与本区分布的低密度白垩系盆地并不相符,经区域场剥离、剩余重力场提取后,该区剩余重力低值特征明显,与地质体分布相吻合,可知剩余重力场的提取对研究区东部苏村凹陷构造单元的定性解释起到了重要作用。结合区域重力资料可知,受研究区东侧沂水—汤头、安丘—莒县断裂间汞丹山凸起控制,导致重力场向东急剧增强,形成该布格重力高值区。
基于1:5万布格重力及剩余重力数据,对研究区重力场分布规律、分区特征、剩余重力异常成因等进行了全面综合解释,对重力场与地质体分布、大地构造单元格局间的关联性进行了定性分析。相比于区域重力成果,研究区重力场的定性解释更加注重布格重力异常与剩余重力异常间的关联性分析,通过剩余场成果对蒙山凸起、苏村凹陷构造单元的成因作出了更加合理的解释,对布格重力数据单一解释的局限性进行了充分的弥补,为下步研究区断裂体系划分及大地构造单元边界厘定奠定了良好的基础。
3 断裂体系研究
断裂体系研究是大地构造单元边界厘定的前提和基础,大型区域断裂与规模相对较小的次级断裂由于构造类型、规模的差异一般会引起不同特征、不同强度的重力场反映,可结合区域地质资料将二者进行区分。采用重力基础识别与位场转换识别相结合的方法进行断裂体系研究,其中基础识别以布格重力异常、剩余重力异常(图5a)为主,此类图件中断裂主要呈现重力梯级带、突变带、同形扭曲带等特征,也可表现为不同重力异常特征的分界线。而采用重力位场转换处理识别断裂构造的方法较为多样,包含水平梯度模、垂向导数、小波多尺度变换、NVDR_THDR法等[18⇓⇓⇓⇓⇓-24],本次对初始重力异常分别进行水平梯度模计算(图5b)及垂向一阶求导(图5c),利用水平梯度模极值带与垂向一阶导数零值线识别断裂构造位置。
图5
图5
研究区断裂体系划分重力剖析
a—剩余重力异常;b—布格重力异常水平梯度模;c—布格重力异常垂向一阶导数
Fig.5
Gravity analysis map of fault system division in the study area
a—residual gravity anomaly;b—the horizontal gradient module of Bouguer gravity anomaly;c—the first-order vertical derivatives of Bouguer gravity anomaly
根据以上重力识别依据对研究区断裂体系进行研究解释(图5),共划分断裂15条,包括区域断裂2条、次级断裂13条,其中NE、NW向断裂较为发育,EW、SN向断裂分布较少。鄌郚—葛沟断裂、蒙山断裂在重力基础及位场转换图件上均有清晰地反映,此类断裂延伸长且切割深,断裂两盘断距大,为典型区域性断裂,组成了研究区主要构造格架,同时对大地构造单元划分起重要作用。另外临沂凸起内莱阳群与平邑凹陷内官庄群虽非断裂接触,但二者存在较明显密度差,其交界处角度不整合界线也存在清晰的重力场反映,该不整合界线同为研究区内的重要构造单元边界线,一定程度控制了平邑凹陷的沉积南界。区内次级断裂规模相对较小且走向距离相对较短,主要表现为重力异常错动带、同形扭曲带等特征,一般控制局部小型凸起和凹陷。
鄌郚—葛沟断裂是沂沭断裂带的西界断裂,区内控制长度约18 km,总体走向10°。经剩余重力异常计算后,两盘西强东弱的剩余场特征凸显,断裂表现为不同剩余异常特征的分界线,并伴随有垂向一阶导数零值线穿插于断裂附近。其中西盘以高密度古生界寒武—奥陶系为主,东盘对应晚期沉积的白垩系青山群、大盛群等低密度地层,重力解释结果与该断裂两盘西升东降的张性正断层性质吻合,同时重力等值线的局部水平错移及扭转显示出该断裂可能被蒙山断裂及北部管家官庄—王家岭断裂错断。区域地质研究表明,鄌郚—葛沟断裂至少在古元古代已形成,并伴随多期活动特点,是研究区内时代较早的重要区域断裂。蒙山断裂重力反映极为明显,其延伸大且重力梯度陡,区内长度约37 km,总体走向270°~300°,北高南低的重力异常分界特征明显,水平梯度模极值带与垂向一阶导数零值线清晰,表现为南西盘斜落的正断层特征,其北东盘对应蒙山凸起内新太古代侵入岩基底,南西盘为平邑凹陷低密度中新生代官庄群盆地,是区内典型的NW向区域断裂。官庄群与其下伏莱阳群交界处的角度不整合界线大部分隐伏,剩余重力异常及重力位场转换结果清晰刻画了其展布特征,同时揭示了鄌郚—葛沟断裂以西临沂凸起、平邑凹陷、蒙山凸起3处大地构造单元呈现NE向“两凸夹一凹”的交错分布格局。
4 大地构造单元边界讨论
4.1 构造区划特征
前人对研究区所在鲁西地块乃至山东省大地构造单元的组成、演化等进行了相关研究[25⇓-27]。经后续对山东省构造单元划分问题进行研讨,形成了趋于一致的山东省构造单元划分方案[28]。据此方案,研究区位于华北板块鲁西隆起区(Ⅱ),跨鲁中隆起(Ⅲ)与沂沭断裂带(Ⅲ)2个三级构造单元,二者以鄌郚—葛沟断裂分界。同时包括蒙山—蒙阴断隆(Ⅳ)、尼山—平邑断隆(Ⅳ)、马站—苏村断陷(Ⅳ)3个四级构造单元,以及临沂凸起(Ⅴ)、蒙山凸起(Ⅴ)、平邑凹陷(Ⅴ)、苏村凹陷(Ⅴ)4个五级构造单元(图6、表2)。鄌郚—葛沟断裂作为三级单元界线的同时,与蒙山断裂以及平邑凹陷南界不整合界线一并控制各五级构造单元边界。以往大地构造区划方案对本次重力场的定性分析以及断裂体系划分起到了重要的指导作用,也为本次构造单元边界研究提供了良好的理论前提。
图6
表2 研究区大地构造单元划分
Table 2
| Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ |
|---|---|---|---|---|
| 华北板块 | 鲁西隆起区 | 鲁中隆起 | 蒙山—蒙阴断隆 | 蒙山凸起 |
| 尼山—平邑断隆 | 临沂凸起、 平邑凹陷 | |||
| 沂沭断裂带 | 马站—苏村断陷 | 苏村凹陷 |
4.2 边界分析讨论
图7
图7
重力推断构造单元划分综合示意
a—布格重力异常;b—剩余重力异常;c—推断构造单元划分
Fig.7
Comprehensive schematic diagram of tectonic units division inferred by gravity data
a—bouguer gravity anomaly;b—residual gravity anomaly;c—inferred tectonic units division
图8
图8
重力推断前新近纪基岩地质
Fig.8
Bedrock geological map of pre Neogene inferred by gravity data
1)蒙山断裂作为蒙山凸起与平邑凹陷的构造单元边界,是沂沭断裂带以西鲁西地块内重要的NW向区域断裂。以往资料显示,其整体走向290°~320°,东南端呈NWW向变化趋势,但在半程镇以东逐渐趋于隐伏。本次1:5万重力解释结果显示,该断裂重力场特征清晰,两盘重力异常存在显著差异,且符合各项断裂识别依据,重力解释结果可靠性较高。推断蒙山断裂在研究区内整体走向为270°~300°,在半程镇以东隐伏区内由NW转为近EW走向,显示出平邑凹陷北界东端的隐伏展布特点。同时推断该断裂在错断鄌郚—葛沟断裂的同时,向东再次呈现NW向扭转趋势。
2)平邑凹陷重力低值异常东端一定程度已跨过鄌郚—葛沟断裂,由此推断该NE向区域断裂被蒙山断裂切割。但与此同时,此重力异常东端衰减明显,一定程度显示出平邑凹陷内低密度官庄群的沉积厚度向东逐渐减薄,且研究区内鄌郚—葛沟断裂东盘暂未发现官庄群沉积,推断鄌郚—葛沟断裂仍为蒙山凸起及平邑凹陷的东部边界,该解释结果与以往大地构造单元划分方案相吻合,也表明相比于蒙山断裂而言,鄌郚—葛沟断裂是研究区内更高等级的区域性断裂构造,同时控制了鲁中隆起(Ⅲ)与沂沭断裂带(Ⅲ)2个三级构造单元的分布格局。
3)以往资料显示,临沂凸起与平邑凹陷交界不整合界线在白沙埠镇附近向南转折,并延伸至临沂市及其以南区域。本次研究结果显示,基于官庄群与下伏莱阳群、青山群存在的密度差异,该界线在重力基础及位场转换图件中均较明显向东封闭于鄌郚—葛沟断裂附近。区域重力异常图(图2)显示,白沙埠镇至临沂市一带表现为重力高特征,与研究区内NW向重力低差异较大,且该地段地层分布主要受鄌郚—葛沟断裂及其西侧NNE向断裂控制,中、低密度地层主要为白垩系、侏罗系及石炭—二叠系。综上可知,白沙埠镇至临沂市以南一带的重力场特征、主要构造线方向及地层分布均与本次研究区内NW向重力低值异常区存在较明显差异,因此认为平邑凹陷南部边界向东终止于鄌郚—葛沟断裂的可能性更大。
5 结论与讨论
1)对临沂凸起东北缘重力场特征进行了详细的分区解释,总结研究区重力场与大地构造单元基本遵循如下关系:重力高值区一般对应新太古代基底凸起或凸起区内的高密度古生界寒武—奥陶纪地层;重力低值区主要对应断裂控制下的凹槽或断陷盆地,其内部一般沉积了低密度的中新生代白垩系、古近系。
2)在重力场定性分析基础上,利用重力数据多元化位场转换处理,同时结合大地构造背景,对研究区断裂体系进行了划分及研究,进而对构造单元划分及其边界展布进行了重力厘定,表明鄌郚—葛沟断裂、蒙山断裂以及官庄群与莱阳群不整合界线组成了研究区主要构造单元格架,并较清晰揭示了其相互交切关系。
3)基于本次重力边界识别结果与以往构造单元边界划分的差异性进行分析及研究讨论,认为平邑凹陷北界(蒙山断裂)在半程镇以东隐伏区内由NW走向扭转为近EW走向,虽向东明显切割鄌郚—葛沟断裂并再次出现NW向转折趋势,但不足以改变现有构造单元分布格局,即鄌郚—葛沟断裂仍控制平邑凹陷及蒙山凸起的东界;原划分方案中平邑凹陷大致在白沙埠镇向南转折并继续延伸,包含北东及北西两部分,本次研究显示,二者在重力场特征、主构造线方向及地层分布3方面均存在较明显差异,且平邑凹陷重力低东端在白沙埠镇东北方向趋于封闭,因此认为临沂凸起北界向东终止于鄌郚—葛沟断裂更为合理。
致谢
感谢山东省第四地质矿产勘查院在本文撰写过程中提供的大力帮助,以及山东省物化探勘查院马兆同研究员在重力资料解译方面的精心指导,同时衷心感谢审稿专家提出的宝贵意见及编辑部的大力支持。
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