北京及其附近地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)三維可視化建模研究

劉 騰 （成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川 成都610059）

王 華 （中石油東方地球物理公司華北物探處，河北 任丘062552）

張勁超，趙晨露 （成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，四川 成都610059）

北京及其附近地區(qū) （北緯39～41°，東經(jīng)114～119°）經(jīng)濟(jì)非常發(fā)達(dá)，人口密度高，是我國(guó)的政治文化中心，同時(shí)也是華北地區(qū)地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)之一，多年來(lái)一直是地球科學(xué)研究的重點(diǎn)區(qū)域。隨著板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的發(fā)展，越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到地震與地殼橫向結(jié)構(gòu)的重要關(guān)系。因此，了解該地區(qū)地殼深部結(jié)構(gòu)特征對(duì)研究地震的孕震機(jī)制有重要意義［1］。下面，筆者對(duì)北京及其附近地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維可視化建模研究。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)以北京市為中心，西南為北東走向的太行隆起，南、東南面華北裂陷盆地為相間排列的冀中拗陷、滄縣隆起和黃驊拗陷北緣，背面為近東西走向的燕山隆起，西北面為延懷盆地，西面是山西斷陷東北邊緣。區(qū)內(nèi)主要有太行隆起兩側(cè)、滄縣隆起東側(cè)的北東向斷裂和與其垂直的北西向斷裂。在裂陷盆地內(nèi)部，也出現(xiàn)了如冀中拗陷、滄縣隆起以及次一級(jí)的大興凸起、容縣凸起等構(gòu)造單元構(gòu)成了北京及附近地區(qū)的復(fù)雜構(gòu)造［2］。該研究區(qū)在第四紀(jì)、新生代沉積變化巨大，地殼深淺部構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜。圖1為研究區(qū)剖面位置與地質(zhì)構(gòu)造圖。

圖1 研究區(qū)剖面位置與地質(zhì)構(gòu)造圖

2 三維可視化建模步驟

GOCAD軟件是法國(guó)Nancy理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的三維可視化建模軟件，在地質(zhì)工程、地球物理勘探、礦業(yè)開(kāi)發(fā)、水利工程中有著廣泛應(yīng)用。研究中利用該軟件建模的主要步驟如下：①收集深地震測(cè)深剖面的資料，包括界面的分層、速度結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)等。筆者主要收集了滄州-天津-喀左、柏各莊-正藍(lán)旗、寧和-北京-涿鹿［3］、北京-懷來(lái)-豐鎮(zhèn)［4］、文安-蔚縣-察哈爾右冀中旗［5］、天津-武清-赤城［6］、塘沽-玉田［7］的剖面解釋成果及物性參數(shù)資料。②整理資料數(shù)據(jù)，并從中提取出GOCAD軟件可用數(shù)據(jù)，如剖面及等深度圖中分層界面的深度數(shù)據(jù)。③將整理好的數(shù)據(jù)加載進(jìn)GOCAD軟件中并在三維空間中顯示出來(lái)。④對(duì)各個(gè)界面數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，制作各界面的Surface圖來(lái)模擬分層界面的橫向起伏變化。⑤利用各個(gè)分層界面制作網(wǎng)格模型并模擬地下結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果分析

3.1 地殼界面化分

基于三維可視化建模步驟建立北京及其附近地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)模型，自上而下分別是G、C1、C2、C3和M共5個(gè)界面：①G界面。該界面為結(jié)晶基底界面，深度為2～7.5km?；灼骄穸燃s為3.5km。G界面以上速度為3～5.6km／s。②C1界面。該界面為上中地殼的分界面，C1界面之上為上地殼，深度為13～16.5km。G至C1界面間平均厚度約為11km，速度為5.8～6.15km／s。③C2界面。該界面為中下地殼的分界面，C1～C2之間為中地殼，深度為18～23km。C1至C2界面間平均厚度約為8km，速度為6.2～6.45km／s。④C3界面。該界面為下地殼內(nèi)的速度間斷面，深度為22～27km。C2至C3界面平均厚度約為7.5km，速度為6.2～6.45km／s。⑤M界面。該界面為莫霍面，其中莫霍面深度是描述區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)，代表了地震波速、介質(zhì)化學(xué)成分和巖性的變換，其橫向起伏對(duì)地震波的傳播有很大影響。深度為28～42km。C3至M界面平均厚度約為10.5km，速度為6.4～7km／s。

3.2 地殼結(jié)構(gòu)三維可視化成果

在收集并整理了上述深地震測(cè)深剖面后，利用GOCAD軟件插值完成各地殼分層界面的繪制，再利用已有的5個(gè)界面繪制地殼結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)格模型。

圖2 G界面起伏狀態(tài)圖

圖2～圖6分別為G、C1、C2、C3和M界面的起伏狀態(tài)圖。由圖2～6可知，G界面結(jié)晶基底的厚度變化較大，即研究區(qū)南緣的結(jié)晶基底厚度較大，越向北其厚度越小，而研究區(qū)北部的延慶、懷柔地區(qū)的結(jié)晶基底厚度較大；C1界面在天津、順義地區(qū)隆起，上地殼的厚度變化不大，總體上呈西北厚東南薄的趨勢(shì)；C2界面總體上為西北低、東南高，界面在天津附近有一個(gè)隆起，C1～C2之間為中地殼，中地殼的厚度變化不大，其厚度比上地殼厚度要??；C3界面總體上為西北低、東南高，在研究區(qū)的西北部以延慶、懷柔、順義一線為中線，越向兩側(cè)，界面越低，中間一線隆起，在研究區(qū)的東南部的天津附近界面隆起，C2～C3界面厚度變化不大；M界面西北低、東南高；北京位于M界面的斜坡帶上，C2～M為下地殼，其厚度變化較大，總體上呈西北厚、東南薄的趨勢(shì)。

圖7為研究區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格模型，從上至下分別為第1層、第2層、第3層和第4層：第1層為G～C1界面之間的部分，厚度變化不大，總體上呈西北厚、東南薄的趨勢(shì)；第2層為C1～C2界面之間的部分，為中地殼，其厚度較小，變化不大；第3層為C2～C3界面之間的部分，是下地殼的上部，厚度變化不大；第4層為C3～M界面之間的部分，是下地殼的下部，厚度變化大，總體上呈西北厚、東南薄的趨勢(shì)。

圖3 C1界面起伏狀態(tài)圖

圖4 C2界面起伏狀態(tài)圖

圖5 C3界面起伏狀態(tài)圖

圖6 M界面起伏狀態(tài)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

在前人研究的基礎(chǔ)上，利用GOCAD建模軟件在三維空間中模擬北京及其附近地區(qū)地殼各分層界面的起伏狀態(tài)，并構(gòu)造了該研究區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格模型。研究表明，北京及其附近地區(qū)地殼界面自上而下可分為G、C1、C2、C3、M共5個(gè)界面，其中G為結(jié)晶基底界面，C1為上中地殼分界面，C2為中下地殼分界面，C3為下地殼內(nèi)速度間斷面，M為莫霍面。上述研究成果為認(rèn)識(shí)該地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)、大陸構(gòu)造演化和地震的孕震機(jī)制具有十分重要的意義。

圖7 地殼結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格模型

［1］嘉世旭，劉昌銓 .華北地區(qū)人工地震測(cè)深震相與地殼結(jié)構(gòu)研究 ［J］.地震地質(zhì)，1995，17（2）：97-105.

［2］王帥軍，張先康，方盛明，等 .渤海灣西北緣及其鄰近地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征 ［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2008，51（5）：1451-1458.

［3］李松林，張先康，宋占隆，等 .多條人工地震測(cè)深剖面資料聯(lián)合反演首都圈三維地殼結(jié)構(gòu) ［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2001，44（3）：360-368.

［4］祝治平，張先康，張建獅，等 .北京-懷來(lái)-豐鎮(zhèn)剖面地殼上地幔構(gòu)造與速度結(jié)構(gòu)研究 ［J］.地震學(xué)報(bào)，1997，19（5）：499-505.

［5］張成科，張先康，蓋玉杰，等 .文安-蔚縣-察右中旗剖面地殼上地幔構(gòu)造與速度的研究 ［J］.華北地震科學(xué)，1997，15（3）：18-28.

［6］王帥軍，張先康，張成科，等 .武清-北京-赤城二維地殼結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 ［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2007，50（6）：1769-1777.

［7］王帥軍，王夫運(yùn) .北京及附近地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)域構(gòu)造 ［J］.華北地震科學(xué)，2011，29（2）：6-12.