莱州湾东部海域重力场及断裂构造特征

Characteristics of Gravity Field and Fault Structures in the East of the Laizhou Bay

摘要

莱州市三山岛北部海域超大型金矿的发现，揭示了莱州湾东部海域金成矿地质条件优越，找矿潜力巨大。为进一步推进海域金矿勘查工作，利用最新1/20万陆海域高精度重力资料，对莱州湾东部陆海域重力场特征进行了研究。结果表明：莱州湾东部陆海域重力场总体表现为强烈波动性和等值线带状展布特征；通过布格重力异常场源分离，对昌邑—大店断裂以东海域的断裂构造体系进行了划分，共推断断裂17条，可划分为NE、NW和EW向3组断裂，其中NE向断裂为区内主要控矿断裂。研究结果为区内基础地质研究、矿产地质调查和金矿资源勘查工作提供了高精度重力数据支撑。

Abstract

A significant gold deposit has been identified in the northern maritime region of Sanshandao，Laizhou City.This discovery indicates that the metallogenic geological conditions for gold deposits are favorable in the eastern maritime area of Laizhou Bay，suggesting considerable potential for further mineral exploration in this region.The characteristics of the gravity field in the eastern land-sea interface of Laizhou Bay were examined utilizing the latest high-precision gravity data at a scale of 1∶200 000 for both terrestrial and marine environments.The research findings suggest that the gravity field exhibits significant volatility and a contour strip distribution.Based on these characteristics，the gravity field within the study area can be delineated into two distinct regions：The Jiaoliao Uplift anomaly area and the North China Depression anomaly area.The gravity field in the Jiaoliao Uplift anomaly area predominantly manifests in a northeast-oriented strip pattern.Gravity anomalies exhibit alternating regions of high and low altitudes.Elevated gravity anomalies correspond to high-density Precambrian metamorphic rocks，whereas low gravity anomalies are indicative of the relatively low-density Mesozoic granite bodies.The gravity field demonstrates a clumping feature in the North China Depression anomaly area，which reflects the distribution characteristics of alternating protrusions and depressions within the Yishu fault zone.The fracture tectonic system in the eastern sea area of the Changyi-Dadian fault has been delineated based on the overall characteristics of the Bouguer gravity anomaly and its site-field transition characteristics.A total of 17 fractures were identified based on the delineation results.These fractures elucidate the intersections among the faults more clearly.The primary trend of the main body fault is oriented northeast，with secondary orientations in the northwest and east-west directions.Notably，the northeast-trending fault serves as the principal ore-controlling fault in the area，and it has been disrupted by subsequent northwest-trending faults.The Sanshandao-Cangshang fault and the Diaolongzuixi fault，both exhibiting northeast trends，are of significant importance for mineral prospecting.The Sanshandao-Cangshang fault，in particular，exhibits significant potential for mineral exploration.The extension of this fault towards the southern and northern marine regions has been delineated through the application of wavelet transform on Bouguer gravity anomaly data.The fault’s overall distribution is typified by S-shaped curve and gentle wave pattern.This study offers high-precision gravity data，which can be utilized for fundamental geological research，mineral geological surveys，and gold resource exploration in the region.

Graphical abstract

关键词

莱州湾东部 / 海底重力 / 布格异常 / 重力场特征 / 断裂构造 / 金矿勘查

Key words

eastern part of Laizhou Bay / sea-floor gravity / Bouguer anomaly / gravity field characteristics / fragile structure / gold exploration

莱州湾是渤海的三大海湾之一（徐艳东等，2015），其东部陆缘地带是金矿极为丰富的胶西北金成矿区，分布有三山岛、焦家和玲珑—大尹格庄3个资源储量达千吨级的金矿田（于学峰等，2016；田振环，2019）。2005年以来，山东省地质矿产勘查开发局和山东省地质调查院在莱州湾东部海域开展地质调查和海底矿产勘查工作，在三山岛北部海域发现了超大型金矿床，探明金资源量达470 t，揭示了莱州湾东部海域具有巨大的找矿潜力（刘殿浩等，2015；宋明春等，2015；王建等，2020）。受浅海地区复杂地质条件和海上地质勘查方法的限制，目前区内地质矿产研究成果相对较少，海域的地层、构造和岩浆岩分布特征研究不够细致，制约了海域金矿的勘查进程。

1/20万海底高精度重力测量数据为“山东省莱州湾1/20万浅海重力测量”项目成果，通过实测测点的相对重力值和三维坐标、水深数据，经基点改正、固体潮改正、正常场改正、高度改正和中间层改正后得到布格重力异常；莱州湾东部陆域重力数据为“山东省龙口—莱州地区1/5万高精度重磁测量”项目成果，海域和陆域布格重力异常精度分别达±0.034×10^-5 m/s²和±0.043×10^-5 m/s²。本文通过将1/20万海域和1/5万陆域的布格重力异常数据按重力测量“五统一”（统一重力基本网、统一坐标系和国家高程基准、统一正常重力场公式、统一地改半径和统一中间层密度）的要求进行整理，实现海、陆之间重力资料的拼接，并网格化为500 m×500 m网度的布格重力异常数据。通过对莱州湾东部陆海域重力场进行异常特征解译和布格重力异常场源分离，同时对比分析了前人研究成果，对沂沭断裂带东支主干断裂昌邑—大店断裂以东海域的断裂进行讨论，解译了区内主要断裂的平面展布，以期对该地区海域金矿找矿工作提供一定的参考。

1 区域地质背景

东部陆域胶西北金成矿区地质结构主要由前寒武纪变质岩系和中生代—新生代地质体构成。前寒武纪变质岩系主要为新太古代花岗岩—绿岩带，并以TTG质片麻岩为主，同时包含变辉长岩（斜长角闪岩）、少量新太古代胶东岩群以及中太古代唐家庄岩群的残留包体；此外，还发现古元古代荆山群、粉子山群和新元古代蓬莱群、土门群等地质单元；中生代地质体以侏罗纪玲珑序列花岗岩为主，伴有少量白垩纪郭家岭序列花岗岩、伟德山序列花岗岩（主要为艾山岩体和南宿岩体）、崂山序列花岗岩和酸性及中—基性脉岩；新生代地质体主要为沿海边和河流分布的第四纪地层（图1）。区内NE向断裂分布密集，EW向断裂不发育，NW向断裂形成时代晚，常切割NE向断裂（邓军等，1996；宋明春等，2019，2022）。

2 研究区重力场特征

2.1 区域密度特征

根据山东省区域地球物理场（黄太岭等，2013）等资料，区内主要地层和岩浆岩类岩石密度参数见表1。区内前寒武纪各变质岩系密度平均值在2.77×10³~2.82×10³ kg/m³之间，为该地区的高密度层；中生代侏罗纪玲珑序列二长花岗岩与白垩纪郭家岭序列花岗闪长岩的密度相近，密度平均值均在2.62×10³~2.63×10³ kg/m³之间；新生代第四系密度平均值最低，为1.71×10³ kg/m³。

2.2 区域重力场总体特征

研究区布格重力异常主要表现为强烈波动性和等值线带状展布的特征（图2）。

（1）强烈波动性。区内重力场跌宕起伏、高低相间，表现出强烈的波动性。屹姆岛西部海域布格重力异常值高达26×10^-5 m/s²，为区内最高值，而莱州市东部布格重力异常值低至-20×10^-5 m/s²，重力差值高达46×10^-5 m/s²。推断引起重力场波动的原因主要有3个：一是莫霍面起伏差异；二是中生代花岗岩体规模不同；三是前寒武纪变质岩系厚度不一。

（2）等值线带状展布特征。由于布格重力异常的强烈波动性，致使等值线多呈梯级带异常特征，其展布以NNE-NE向为主，其次为NW和EW向，反映了本区地质构造走向以NNE-NE向为主，在不同走向断裂的控制下，中生代岩体侵入和区域变质作用呈现出明显的分带性。

2.3 重力场分区特征及大地构造意义

沂沭断裂带东支断裂昌邑—大店断裂从研究区西部穿过，将重力场划分为东西2种不同特征。基于本区重力场总体特征，结合区域地质特征和布格重力垂向一阶导数异常（图3），以昌邑—大店断裂为界，将本区划分为2个一级异常区：胶辽隆起异常区（Ⅰ）和华北凹陷异常区（Ⅱ）（图2）。其中，异常区Ⅰ对应Ⅳ级构造单元胶北断隆，重力异常主体呈NE向带状展布，表现为重力异常高低相间特征，根据重力异常特征又将其划分为Ⅰ₁、Ⅰ₂和Ⅰ₃这3个次级异常区；异常区Ⅱ对应Ⅳ级构造单元牛头—潍北潜断陷，主体呈团块状重力异常特征。

（1）胶辽隆起异常区（Ⅰ区）

位于研究区东部陆海域，面积为2 855 km²。布格异常总体表现为由南东向北西逐渐升高的特征，在此背景下，布格重力异常表现为强烈波动性，局部呈高低相间异常特征。

其中，Ⅰ₁重力高异常区贯穿研究区中部南北，面积为680 km²。布格重力异常总体呈NE向带状展布，表现为明显的重力高异常特征，具多处峰值，最高达19×10^-5 m/s²。该重力高异常区陆域对应Ⅴ级构造单元明村—但山凸起，反映了高密度的前寒武纪变质岩分布。区内实施的钻孔17SZK01（王金辉等，2017，2021）显示，426 m以浅主要岩性为高密度的新太古代马连庄序列变辉长岩。结合区内航磁异常（熊盛青等，2013）（图4），推测区内芙蓉岛以北的正磁异常反映了马连庄序列变辉长岩；芙蓉岛以南磁场以负磁异常为主，主要反映了古元古界粉子山群大理岩类分布，局部波动磁场区反映了新太古代栖霞序列英云闪长质片麻岩分布。

Ⅰ₂重力高异常区位于研究区北东部，面积为385 km²。该异常区总体呈团状分布，幅值达26×10^-5 m/s²。该异常区大部位于海域，陆域对应Ⅴ级构造单元龙口凹陷西部边界，屹姆岛出露新元古代蓬莱群，其重力异常相对西部海域低10×10^-5 m/s²。综合分析认为，蓬莱群在该区东部较薄，向西变厚，从而使得该区表现为重力场抬升特征。

Ⅰ₃重力异常过渡区自研究区南东角向北西延伸至海域，面积为1 795 km²。布格重力异常值介于-20×10^-5~15×10^-5 m/s²，幅值变化较大，呈波动特征，基本以1×10^-8 /s²梯度由南向北抬升，为EW向基底构造的反映。在布格重力异常抬升的背景下，汪里村西、莱州市—平里店镇一线以东以及石虎咀北形成多处重力低异常，海庙港西南、三山岛南、三山岛东、石虎咀西北和石虎咀东北形成重力高异常。该区陆域对应Ⅴ级构造单元胶北凸起，重力低为相对低密度的中生代玲珑和郭家岭序列中酸性岩浆岩体所引起；区内重力高异常幅值较Ⅰ₁区和Ⅰ₂区低，在垂向一阶导数异常中多表现为波动杂乱的正异常特征，反映了规模相对有限的新太古代片麻岩和变辉长岩残留体的分布。EW向重力异常主要反映中生代花岗岩体下基底构造的分布，而重力值由南向北递增说明中生代花岗岩体由南向北逐渐减薄。

（2）华北凹陷异常区（Ⅱ区）

位于研究区西部，面积为1 430 km²。布格重力异常等值线以EW和NE向展布为主，呈块状异常特征。该区位于昌邑—大店断裂的西侧，团块状重力异常反映了沂沭断裂带内凸起和凹陷相间分布的特征。

3 断裂构造解译

3.1 断裂构造的推断解译

利用重力资料推断解译断裂构造的依据主要有3个方面：（1）布格重力异常/剩余重力异常的梯级带、水平错位或平移、同向弯曲、不同特征场的分界线以及高/低值异常带；（2）布格重力异常斜导数异常、小波多尺度分解异常的梯级带和不同特征场的分界线；（3）布格重力异常斜导数水平梯度模的极值带。本次共在昌邑—大店断裂以东海域推断出断裂17条（图5）。其中，NE向断裂6条，编号为F_a1~F_a6；NW向断裂9条，编号为F_b1~F_b9；EW向断裂2条，编号为F_c1和F_c2。在17条断裂中，F_a1、F_a4、F_a6和F_c2这4条断裂为陆域已发现断裂，本次解译了其在研究区延伸，其余断裂为新推断断裂。限于篇幅，本文主要解译F_a1、F_a3和F_a4断裂，其他解译断裂列于表2中。

（1）F_a1断裂（昌邑—大店断裂）

该断裂呈NNE向穿过研究区，区内控制长度约72 km。表现为梯级带，为不同特征重力异常的分界线，断裂以西以重力低异常为主，以东以重力高异常为主，为沂沭断裂带东部边界昌邑—大店断裂的反映。断裂以东主要为高密度的前寒武纪变质岩和中等密度的中生代岩体，以西则为低密度的中生代和新生代地层，区域地质资料（梁光河，2018）表明，断裂倾向NW，倾角较大，为正断层。

（2）F_a4断裂（三山岛—仓上断裂）

该断裂为研究区主要控矿断裂，位于研究区中部的汪里村东—三山岛一带，南北两端均延伸入海，向南从芙蓉岛东侧海域穿过，整体走向NE，倾向SE，长度约40 km，呈舒缓波状展布特征。其陆域部分在布格重力异常、剩余重力异常和斜导数图（郭华等，2009；李卓聪，2009）［图6（a）］上总体表现为明显的梯级带，在斜导数水平梯度模图［图6（b）］上则表现为极值带，反映了断裂主要沿中等密度的玲珑序列二长花岗岩与高密度的马连庄序列变辉长岩的接触带展布（杨清泉等，2010）。

F_a4断裂北延入海后，被后期NW向断裂（F_b5和F_b6）错动，在与NW向断裂相交位置，布格异常等值线多表现为同步弯曲，反映了断裂相互错动切割特征（刘诗鹏等，2019）。F_b5断裂以南，布格重力异常梯级带特征较弱，以重力低异常为主；布格重力斜导数异常图中，断裂上盘略有重力高异常反映。该段断裂切割玲珑花岗岩，接近于花岗岩与变辉长岩的接触界线（张军进等，2016；宋英昕，2017；吕婧祎等，2023），重力异常显示该断裂上盘变质岩多为残留体分布。本次重力异常网格间距为500 m，经功率谱分析后对布格重力异常作了5阶小波处理（王海青，2013；刘燕戌等，2014；杨文采等，2015；雷晓东等，2021），通过小波变换，分解不同频率的重力异常，结果如图7所示。由图7可知，小波2阶细节至小波4阶细节对F_a4断裂均有较清晰的反映，尤其是小波3阶细节对F_a4断裂上盘重力高异常、下盘重力低异常特征反映清晰。F_b5断裂以北，从重力异常特征来看，断裂带上显示有较明显的梯级带特征，这一特点在斜导数图中表现更为显著；断裂向北交会于F_b8断裂。该段玲珑序列二长花岗岩大致沿F_a3和F_a4断裂之间侵入，但岩体规模有限。

F_a4断裂南延入海后，从芙蓉岛东侧海域穿过。该段重力异常以梯级带特征为主，在布格重力剩余异常、斜导数和小波细节图中均有较清晰的反映。由小波3阶和4阶细节图可以看出，该区三山岛—仓上断裂下盘重力低异常明显向东偏移，说明断裂深部进入花岗岩体内；由小波5阶细节图可以看出，断裂下盘的重力低异常范围明显变小，说明随着深度进一步加大，断裂下盘相对低密度的花岗岩体规模变小。断裂向南交会于F_b1断裂。结合山东省第四地质矿产勘查院实施的钻孔ZK5401（王金辉等，2021），上盘重力高反映了栖霞序列英云闪长质片麻岩的分布，下盘重力低反映了中生代花岗岩体的侵入。

（3）F_a3断裂（刁龙咀西断裂）

该断裂位于研究区西部，总体走向NE，倾向NW，控制长度约57 km。断裂被F_b1、F_b5和F_c1断裂错动，在研究区北东交会于F_b6断裂，于研究区南西过F_b1断裂后大致平行于昌邑—大店断裂（F_a1）展布。

断裂中段呈较宽大的重力梯级带异常特征，断裂上盘为重力高异常，下盘为重力低异常；在重力异常斜导数水平梯度模图上则表现为一条极值带。断裂北段，F_b5断裂以北的重力梯级带特征减弱，但在布格重力斜导数图及其水平梯度模图上反映清晰。

根据断裂上下盘重力异常特征，结合区域地质、钻孔17SZK01资料（王金辉等，2021）以及航磁异常特征（熊盛青等，2013）（图4），断裂上盘重力高异常反映了浅部为马连庄序列变辉长岩，深部为栖霞序列英云闪长质片麻岩；下盘重力低异常反映了中生代玲珑序列二长花岗岩的侵入，断裂控制了花岗岩体的西部边界。断裂南段进入布格重力高值区，断裂在剩余重力异常上则表现为梯极带特征，在小波2~4阶细节异常图中亦有较明显反映；断裂南段的重力高异常特征反映了该段上、下盘以前寒武纪变质岩为主，剩余重力异常和小波细节反映的重力低异常则说明断裂下盘仍有相对低密度的中生代花岗岩分布，但规模明显小于断裂中段和北段。断裂带上布格重力异常值的高低基本反映了变质岩和玲珑岩体的厚度变化，布格重力异常的陡缓则反映了变质岩与岩体的接触关系。

3.2 断裂构造与金矿成矿关系

区内断裂带力学性质和运动方式均较复杂，一般为断面弯曲的具多期活动的波状断裂。NE、NNE和EW向断裂控制了胶西北著名的三山岛、焦家和玲珑等金矿集中区，呈现出东西成带、北东成串的金矿田分布格局。区域NE向断裂面的波状起伏在平面和剖面上表现明显，其中三山岛—仓上、焦家和招远—平度3条主干断裂是胶西北金矿主要控矿构造，区内多数大型、中型金矿均沿这3条断裂及其旁侧的次级断裂分布，金矿类型主要有破碎带蚀变岩型和石英脉型。研究区内的三山岛—仓上断裂带（F_a4）上已探明新立、三山岛、西岭、北部海域和仓上５处大型—超大型金矿床（王建等，2020；宋明春等，2022；钟伶志等，2022；邓军等，2023；张国栋等，2023；俞炳等，2024）。

从三山岛—仓上断裂（F_a4）的重力异常特征来看，该断裂南北延伸入海后具有与陆域相似的重力异常特征，反映出断裂大致沿中生代花岗岩体与前寒武纪变质岩的接触带展布。刁龙咀西断裂（F_a3）与其邻近的三山岛—仓上断裂呈近似平行排列，且二者间距与三山岛—仓上断裂和焦家断裂的间距相近。在重力异常特征上，刁龙咀西断裂带控制了中生代花岗岩的西部边界，且与三山岛—仓上断裂及焦家断裂表现出一定的相似性。根据该区金矿“东西成行、南北成列、汇集成片”的棋盘状成矿格局，综合认为，三山岛—仓上断裂和刁龙咀西断裂具有较大的找矿潜力。

4 结论

（1）利用布格重力异常对莱州湾东部陆海域区域重力场进行分区，昌邑—大店断裂以东为胶辽隆起异常区，表现为重力异常高低相间特征。在海庙港西南、三山岛西北和屹姆岛西存在3处规模相对较大的重力高异常，为高密度前寒武纪变质岩的反映；重力低异常中心位于莱州市东部，为中等密度中生代花岗岩体的反映。区内布格重力异常由东向西抬升，反映了NE向条带状断裂的展布；由南向北抬升，则反映了EW向基底构造的展布。昌邑—大店断裂以西为华北凹陷异常区，呈团块状异常特征，反映了沂沭断裂带内凸起和凹陷相间分布的特征。

（2）采用垂向导数、斜导数和小波多尺度分析等方法对莱州湾东部高精度重力数据进行了处理，结合区域地质、航磁资料及钻孔数据，解译了区内断裂构造的平面位置和长度特征，并较清晰地揭示了断裂之间的相互交切关系。共解译断裂17条，断裂走向主体为NE向，NW和EW向次之，NE向断裂受后期NW向断裂切割改造。在17条断裂中，F_a1、F_a4、F_a6和F_c2断裂为陆域已知断裂，本次研究利用重力异常推断出已知断裂在海域的展布；其余13条断裂均为新发现断裂。

（3）NE向断裂为区内主要控矿断裂，其波状起伏特征明显。认为F_a4断裂（三山岛—仓上断裂）和F_a3断裂（刁龙咀西断裂）具有较大的找矿意义，尤其是三山岛—仓上断裂找矿潜力巨大。对三山岛—仓上断裂在南、北海域的延伸情况进行了解译，其平面总体呈“Ｓ”形弯曲和舒缓波状特征展布，由小波多尺度分析认为断裂具有较大延深，向深部均进入花岗岩体内。

（4）区内中生代岩体与金矿成矿关系密切。在研究区陆域，岩体中心位于莱州市东部一带，大致呈似层状产出，岩体由南向北逐渐变薄，黄山馆断裂（F_c2）控制了岩体的北部边界；在研究区海域，岩体大致沿石虎咀—三山岛镇—汪里村—芙蓉岛一线向南西侵入，形成了一个以汪里村为中心的椭圆形小岩体，刁龙咀西断裂（F_a3）控制了岩体的西部边界，向南过芙蓉岛后岩体逐渐变薄。

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基金资助

国家自然科学基金NSFC-山东联合基金项目“胶东深部金矿断裂控矿机理”(U2006201)