華北地區(qū)的地殼低速層*

李松林 苗 琪 王 旭

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

華北地區(qū)的地殼低速層*

李松林 苗 琪 王 旭

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

雖然華北地區(qū)屬于克拉通類型的地質(zhì)單元，然而在其地殼內(nèi)部，尤其是東部地區(qū)的地殼內(nèi)，低速層相當(dāng)發(fā)育。這些低速層多位于上地殼底部15～25 km的深度范圍內(nèi)。同活動造山帶內(nèi)的低速層相比，華北地區(qū)的殼內(nèi)低速層表現(xiàn)出明顯不同的特點。殼內(nèi)低速層水平延伸尺度不大，互相之間不太連接。同時，低速層內(nèi)外速度差較小，大都小于5%。考慮到華北盆地巖石圈底部的熱侵蝕作用和地殼的熱狀態(tài)，認(rèn)為部分熔融是產(chǎn)生殼內(nèi)低速層的一個重要因素。

華北地區(qū);低速層;地殼結(jié)構(gòu);人工地震;熱侵蝕

1 引言

在地球動力學(xué)研究中，尤其是在板內(nèi)強震孕育機理的研究中，國內(nèi)外地球科學(xué)家很早便注意到了地殼內(nèi)低速層的問題［1-3］。這是因為，殼內(nèi)低速層往往與殼內(nèi)力學(xué)軟弱帶相聯(lián)系，對控制地殼內(nèi)各層的相對活動及大陸強震的孕育具有重要作用。研究結(jié)果表明，殼內(nèi)低速層多出現(xiàn)于現(xiàn)代構(gòu)造運動較活躍的造山帶地區(qū)。例如，在我國的青藏高原和川滇地區(qū)［4-8］、歐洲的阿爾啤斯山［1］、南美的安第斯山地區(qū)等［9］，地殼內(nèi)低速層就相當(dāng)發(fā)育。造山帶內(nèi)低速層的顯著特點是連續(xù)程度好，橫向延展尺度大，可以達(dá)到上百千米;波速減小的幅度大，可達(dá)到5%以上。與此相反，在穩(wěn)定地質(zhì)單元內(nèi)，低速層很少出現(xiàn)，如鄂爾多斯地塊和塔里木盆地等。

然而，令人頗感意外的是，在屬于克拉通地質(zhì)單元的華北地區(qū)東部，殼內(nèi)低速層卻相當(dāng)發(fā)育。根據(jù)中國地震局地球物理勘探中心的深部探測結(jié)果，在多條人工地震剖面上都發(fā)現(xiàn)了殼內(nèi)低速層。從分布范圍來看，這些低速層幾乎遍及華北地區(qū)東部。從埋藏深度來看，低速層多位于上地殼的底部。本文將根據(jù)中國地震局地球物理勘探中心人工地震探測結(jié)果，對這些低速層的特點、成因及其與地震孕育的關(guān)系進(jìn)行分析和探討。

2 華北地區(qū)地殼低速層的分布及特點

圖1為北京-懷來-豐鎮(zhèn)地震測深剖面的二維地殼速度結(jié)構(gòu)［10］?？梢钥闯觯谏系貧さ撞?5～20 km深度存在數(shù)個低速層。這些低速層大都呈扁平狀，厚3～6 km。其內(nèi)部最低速度比外部低0.3 km/ s左右。圖2為文安-蔚縣-察右中旗剖面地殼速度結(jié)構(gòu)［11］。沿該剖面低速層更加發(fā)育，不但存在于上地殼內(nèi)，而且存在于下地殼內(nèi)。這些低速層也是扁平形狀，厚3～6 km。其內(nèi)外速度差也不是太大，大都小于5%。

圖1 北京-懷來-豐鎮(zhèn)人工地震剖面地殼速度結(jié)構(gòu)［10］Fig.1 Crustal velocity structure of Beijing-Huailai-Fengzhen DSS profile［10］

圖2 文安-蔚縣-察右中旗人工地震剖面地殼速度結(jié)構(gòu)［11］Fig.2 Crustal velocity structure of Wenan-Yuxian-Qaharyouyizhongqi DSS profile［11］

圖3為菏澤-林縣-長治剖面西段的地殼速度結(jié)構(gòu)［12］。在該剖面的中段，即林縣-菏澤之間，中下地殼內(nèi)存在低速層。低速層大致呈扁平形狀，與凹陷區(qū)密切相關(guān)。

總起來說，華北地區(qū)的殼內(nèi)低速層有以下特點：

1)從垂向來看，多分布在下地殼底部15～25千米的深度范圍內(nèi);

圖3 菏澤-林縣-長治剖面西段的地殼速度結(jié)構(gòu)［12］Fig.3 Crustal velocity structure of Heze-Linxian-Changzhi DSS profile(western segment)［12］

2)從橫向來看，多分布在太行山以東的地區(qū);

3)從幾何形態(tài)來看，低速層多為扁平形狀。一般厚3～6千米，水平延伸不超過數(shù)十千米。互相之間不太連續(xù);

4)低速層內(nèi)外速度差不是太大，大都小于5%。

很顯然，同活動造山帶內(nèi)的低速層相比，華北地區(qū)的殼內(nèi)低速層表現(xiàn)出明顯不同的特點。在現(xiàn)代構(gòu)造運動較活躍的青藏高原和川滇地區(qū)，殼內(nèi)低速層連續(xù)程度好，橫向延展尺度大，可以達(dá)到上百千米;波速減小的幅度大，可達(dá)到5%以上。而在華北地區(qū)，殼內(nèi)低速層水平延伸尺度都不大，互相之間不太連續(xù)。同時，低速層內(nèi)外速度差都較小，大都小于5%。

另一方面，華北地區(qū)又與穩(wěn)定的地質(zhì)單元明顯不同。在穩(wěn)定的地區(qū)，如鄂爾多斯地塊和塔里木盆地內(nèi)，殼內(nèi)低速層很少出現(xiàn)。

張成科等［13］利用渤海灣及其鄰區(qū)的14條地震測深剖面觀測資料，圈定了該地區(qū)存在殼內(nèi)低速層的大致范圍。不難看出，在華北地區(qū)的東部，殼內(nèi)低速層的分布范圍很廣泛，幾乎遍及整個東部地區(qū)。應(yīng)該說明的是，圖4中陰影區(qū)僅表示存在殼內(nèi)低速層的地區(qū)范圍，并不代表單個低速層的連續(xù)分布。

3 低速層成因探討

一般來說，隨著深度的增加，巖石的密度逐步變大，地殼內(nèi)巖石的基性程度也逐步增高，巖石類型由花崗巖類逐漸變?yōu)殚W長巖和輝長巖。因此，波速通常也呈現(xiàn)出隨深度有規(guī)律遞增的趨勢。到底是什么因素造成了地殼內(nèi)波速的局部反轉(zhuǎn)，從而形成殼內(nèi)低速層呢?根據(jù)巖石學(xué)和實驗室的研究，其中可能起作用的幾種因素包括：低速巖性、巖石的部分熔融、巖石的相變、巖石的各向異性、環(huán)境溫度壓力的作用、孔隙流體的作用等。上述因素雖然繁多，但對每一特定地區(qū)，僅有其中一項或幾項起主要作用。地區(qū)不同，起主要作用的因素也不同。

圖4 渤海灣及其鄰近地區(qū)地殼低速體的分布［13］Fig.4 Distribution of low velocity bodies in Bohai Bay and its adjacent region［13］

為了對華北地區(qū)殼內(nèi)低速層的成因做出合理的判斷，應(yīng)充分考慮以下兩個方面的問題：一是華北地區(qū)殼內(nèi)低速層所處的大地構(gòu)造環(huán)境和地球物理環(huán)境;二是這些殼內(nèi)低速層本身的特點。

從大地構(gòu)造環(huán)境來看，華北克拉通受太平洋板塊的俯沖作用影響較大。不少學(xué)者認(rèn)為，由于太平洋板塊的俯沖作用，使得華北克拉通東部的巖石圈結(jié)構(gòu)在中生代受到了破壞［14］。地震層析成像結(jié)果清楚地展示了太平洋板塊向歐亞大陸之下俯沖的情況。俯沖板片的前緣已推進(jìn)到華北克拉通下方，從而在其下方形成了一個地幔楔［15］。在這樣的地幔楔內(nèi)，由于俯沖板塊的拖曳作用，誘發(fā)軟流圈物質(zhì)向東流動。這種東向的流動由于東部俯沖板塊的限制阻擋，必然會轉(zhuǎn)變?yōu)閺娏疑嫌?。上涌流動?dǎo)致華北克拉通東部巖石圈底部的物質(zhì)發(fā)生軟化，產(chǎn)生熱侵蝕作用。此外，俯沖板片的脫水作用也會對地幔楔內(nèi)的物質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生較大的改變［16，17］。因此，太平洋板塊俯沖是改變?nèi)A北克拉通巖石圈地幔性質(zhì)的重要動力學(xué)因素。

正是在這種大構(gòu)造背景下，華北地區(qū)東部的大地?zé)崃髦得黠@偏高，高于其他地臺地區(qū)的大地?zé)崃髦怠Ａ硗?，以太行山重力梯度帶為界，兩?cè)的地幔熱流值也存在較大差異［18］。出現(xiàn)了華北盆地的巖石圈最“熱”，而其周邊的燕山褶皺帶、南華北和大別山較“冷”的地?zé)岱植紙D案。

考慮到華北盆地巖石圈底部的熱侵蝕作用和地殼的熱狀態(tài)，我們推斷，部分熔融是產(chǎn)生殼內(nèi)低速層的一個重要因素。實驗結(jié)果表明，少量的熔體便可以造成地震波速的明顯降低。例如，低度部分熔融會造成花崗巖波速的顯著下降和泊松比的提高［19］。另外還發(fā)現(xiàn)，低度部分熔融狀態(tài)下巖石波速的衰減并不僅僅決定于部分熔融的程度，同時還與熔體的結(jié)構(gòu)(分布狀態(tài))有關(guān)，因而使得這項研究變得更加復(fù)雜［20］。

另外一個值得考慮的因素是巖石中水的影響。巖石中所含有的水(包括礦物脫水)同樣會顯著地降低巖石的波速。同時，水的存在又可能誘發(fā)巖石的部分熔融。前已談及，太平洋板塊在俯沖過程中伴隨有板片的脫水作用。這些水的存在勢必會對上部的巖石圈產(chǎn)生較大的影響。

根據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所在華北地區(qū)的電磁測深結(jié)果，發(fā)現(xiàn)上地殼底部廣泛發(fā)育著殼內(nèi)高導(dǎo)層。該高導(dǎo)層電阻率值僅為幾～十幾歐姆米，層厚數(shù)千米，埋深大致為20 km左右［21］。無論是從厚度上來看，還是從埋藏深度上來看，殼內(nèi)低速層和高導(dǎo)層都十分接近。這是否表明，兩者實質(zhì)上為同一實體，只是在物理上的表現(xiàn)形式不同而已。從成因來看，兩者很可能是同源的。這是因為，地殼內(nèi)巖石的部分熔融和水的存在，既能降低巖石的地震波速，又能增加巖石的電導(dǎo)率。遺憾的是，在華北地區(qū)，目前尚沒有同時存在地震測深和大地電磁兩種手段的觀測剖面，因而難以對殼內(nèi)低速層和殼內(nèi)高導(dǎo)層的位置進(jìn)行更精確的對比。在華北地區(qū)之外，這樣的剖面倒有一條，即穿越青藏高原東北緣的瑪沁-蘭州-靖邊剖面。沿該剖面我們既進(jìn)行了人工地震觀測，又進(jìn)行了大地電磁觀測［22］。從該剖面的二維地殼速度結(jié)構(gòu)和二維地殼電性結(jié)構(gòu)來看，殼內(nèi)低速層和殼內(nèi)高導(dǎo)層的位置、形狀基本符合［23］。

華北地區(qū)殼內(nèi)低速層的突出特點是殼內(nèi)低速層水平延伸尺度小，互相之間不太連續(xù)。同時，低速層內(nèi)外速度差較小，大都小于5%。而在現(xiàn)代構(gòu)造運動較活躍造山帶，如青藏高原、阿爾卑斯山，殼內(nèi)低速層連續(xù)程度好，橫向延展尺度大，可以達(dá)到上百千米;波速減小的幅度大，可達(dá)到5%以上。許多研究表明，在這些地區(qū)，殼內(nèi)低速層的形成除部分熔融作用外，還與強烈的構(gòu)造運動引起的地殼的推覆疊置有關(guān)。地體碰撞時，劇烈的擠壓作用導(dǎo)致兩邊地殼推覆疊置，使一方部分上地殼地層進(jìn)插入到另一方的中下地殼中［24］。這樣形成的低速層，速度差都比較大。

4 低速層與地震活動性的關(guān)系

前已述及，華北克拉通東部的巖石圈結(jié)構(gòu)在中生代遭到了破壞，因而它已不再是傳統(tǒng)意義上的穩(wěn)定的克拉通結(jié)構(gòu)。這一點從大地?zé)崃髦岛偷卣鸹顒有缘确矫娑记宄仫@現(xiàn)了出來。華北克拉通東部的大地?zé)崃髦岛偷卣鸹顒訌姸炔坏哂诎柖嗨沟貕K，也高于相鄰的華南地塊［18］。

從地震的空間位置來看，華北東部5級以上地震的震中呈現(xiàn)出非常獨特的分布圖案，與其他地區(qū)差別較大。在大部分地區(qū)，地震沿構(gòu)造帶呈帶狀分布。如我國西部的阿爾金斷裂、昆侖斷裂，中部的南北構(gòu)造帶等都是如此。然而，在華北地區(qū)東部，地震震中卻表現(xiàn)為面狀彌散展布的特點［25］。作者認(rèn)為，這一現(xiàn)象與該地區(qū)殼內(nèi)低速層有較大的關(guān)系。低速層為一軟弱帶，在物理上表現(xiàn)為流變學(xué)強度非常低。由于它的存在，使得上地殼與下地殼幾乎完全解耦。因此，該地區(qū)的變形發(fā)生在一個相當(dāng)廣闊的變形域內(nèi)，即屬于分布式變形，而不是僅集中在若干個大的活斷層上。

另外，從地震的震源深度來看，震源多位于低速層的頂部，即上部地殼的高速層到下部地殼的結(jié)合部位。這一過渡層被稱為“易震層”。在該層的上下兩邊，介質(zhì)的物理性質(zhì)有較大的差異［2］。

5 結(jié)論

1)雖然華北地區(qū)屬于克拉通類型的地質(zhì)單元，然而在其地殼內(nèi)部，尤其是東部地區(qū)的地殼內(nèi)，低速層相當(dāng)發(fā)育。這些低速層多位于上地殼底部15～25 km的深度范圍內(nèi)。

2)同活動造山帶內(nèi)的低速層相比，華北地區(qū)的殼內(nèi)低速層表現(xiàn)出明顯不同的特點。在現(xiàn)代構(gòu)造運動較活躍的青藏高原和川滇地區(qū)，殼內(nèi)低速層連續(xù)程度好，橫向延展尺度大;且波速減小的幅度大，可達(dá)到5%以上。而在華北地區(qū)，殼內(nèi)低速層水平延伸尺度不大，互相之間不太連續(xù)。同時，低速層內(nèi)外速度差較小，大都小于5%。

3)考慮到華北盆地巖石圈底部的熱侵蝕作用和地殼的熱狀態(tài)，認(rèn)為部分熔融是產(chǎn)生殼內(nèi)低速層的一個重要因素。

4)由于低速層的解耦作用，地殼變形發(fā)生在一個相當(dāng)廣闊的變形域內(nèi)，而不是僅集中在若干個大的活斷層上，從而使華北地區(qū)東部的地震震中表現(xiàn)為面狀彌散展布的特點。地震震源多位于低速層的頂部，即上部地殼的高速層到下部地殼的結(jié)合部位。

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LOW VELOCITY LAYERS OF THE CRUST IN NORTH CHINA

Li Songlin，Miao Qi and Wang Xu
(Geophysical Exploration Center，CEA，Zhengzhou 450002)

Although North China belongs to Craton type in geology，there exist quite a lot of low velocity layers (LVL)in its crust，especially in its eastern region.Most of these LVLs locate at the bottom of the upper crust with depth of 15-25 km.Compared with LVLs in active orogens，the LVLs in North China possess greatly different characteristics.Usually，these LVLs are not large in horizontal scale and are not connected each other.In the same time，the velocity drops are small，usually less than 5%.Considering the thermal erosion action at the bottom of the lithosphere and the geothermal state，it is deduced that partial melt may be one important factor to generate LVLs in the crust.

North China area;low velocity layer(LVL);crustal structure;artificial earthquake;thermal erosion

1671-5942(2011)05-0035-05

2011-05-12

國家自然科學(xué)基金(90814001，40974053);中國地震局地球物理勘探中心論著編號：RCEG201107

.李松林，男，1946年生，研究員，博導(dǎo)，主要從事人工地震方法的探測和研究.E-mail：slli@public.zz.ha.cn

P313.3

A