華北克拉通地殼結(jié)構(gòu)研究——長(zhǎng)觀測(cè)距地震測(cè)深剖面的結(jié)果

田曉峰王夫運(yùn)嘉世旭Colin Zelt中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002美國(guó)TX Department of Earth Science, Rice University

華北克拉通地殼結(jié)構(gòu)研究
——長(zhǎng)觀測(cè)距地震測(cè)深剖面的結(jié)果

田曉峰1）王夫運(yùn)1）嘉世旭1）Colin Zelt2）
1）中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002
2）美國(guó)TX Department of Earth Science, Rice University

華北克拉通是當(dāng)今世界最古老的克拉通之一，其自18億年前克拉通化之后至早中生代，一直保持相對(duì)穩(wěn)定，并保存有巨厚的太古宙巖石圈根。自中生代以來(lái)，華北克拉通東部經(jīng)歷了一系列的構(gòu)造隆升和伸展運(yùn)動(dòng)，東部的巖石圈已經(jīng)被強(qiáng)烈改造和破壞。近年來(lái)，相關(guān)研究表明，華北克拉通東部巖石圈地幔不僅減薄了100多千米，而且其物理化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了相應(yīng)的變化，同時(shí)，華北克拉通本身具有的穩(wěn)定性也遭到了破壞。其中，天然地震臺(tái)陣探測(cè)、重力和地球化學(xué)等研究在華北克拉通破壞的研究中獲得了豐富的成果。華北地區(qū)也開展了豐富的人工地震探測(cè)。然而，受觀測(cè)技術(shù)的限制，剖面長(zhǎng)度通常均小于400 km，有效觀測(cè)距離一般小于200 km。2009年，中國(guó)地震局地球物理勘探中心在國(guó)家自然科學(xué)重大計(jì)劃的資助下完成了一條總長(zhǎng)1 530 km的寬角反射/折射剖面，該剖面是迄今為止唯一一條東西向貫穿華北克拉通的超長(zhǎng)距人工源寬角反射/折射地震剖面，最大有效觀測(cè)距離超過(guò)600 km，為華北克拉通的研究提供了良好的數(shù)據(jù)支持。本研究利用該超長(zhǎng)剖面獲得的11炮記錄，通過(guò)帶通2～10 Hz帶通濾波、走時(shí)拾取、互相關(guān)到時(shí)拾取誤差分析等技術(shù)，共提取2 215個(gè)初至波到時(shí)和757個(gè)PmP反射波走時(shí)。

本研究綜合利用初至波走時(shí)成像、走時(shí)反演和地殼建模技術(shù)，對(duì)初至波和PmP到時(shí)進(jìn)行走時(shí)成像，獲得了華北克拉通近東西向的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)模型。結(jié)果顯示：沿剖面可分為華北東部裂陷盆地、中部造山隆起和斷陷盆地、西部鄂爾多斯盆地等幾類不同構(gòu)造單元。位于測(cè)線最東緣的魯東隆起，地表介質(zhì)速度4.2～4.5 km/s，結(jié)晶地殼厚約33 km，地殼平均速度6.33 km/s，上地幔頂部介質(zhì)速度8.05 km/s，，莫霍界面在該區(qū)域橫向較為均勻，地殼結(jié)構(gòu)顯示了整體隆升、橫向均勻、由上向下介質(zhì)速度逐層增加的相對(duì)穩(wěn)定構(gòu)造特征。郯廬斷裂帶呈現(xiàn)出自上地幔頂部延伸至上地殼的明顯高速異常。

剖面橫穿華北東部渤海灣裂陷盆地最寬處，以郯廬斷裂帶為界，由東至西約450 km。該區(qū)第四系沉積廣泛覆蓋，內(nèi)部發(fā)育了濟(jì)陽(yáng)、黃驊、冀中等新生代以來(lái)持續(xù)沉積的坳陷構(gòu)造以及鑲嵌其間的埕寧、滄縣地壘式隆起構(gòu)造。地殼建模結(jié)果顯示，華北平原內(nèi)滄縣、埕寧隆起區(qū)地殼結(jié)構(gòu)相對(duì)完整、分層清晰，其地殼厚約31～32 km，平均速度6.02～6.06 km/s，華北平原內(nèi)濟(jì)陽(yáng)、黃驊、冀中坳陷區(qū)地殼厚28～32 km，平均速度5.32～6.06 km/s，上地幔頂部速度約7.85～7.95 km/s。坳陷區(qū)上、中地殼分界不清，上地殼低速度結(jié)構(gòu)延伸至中地殼。顯示了華北東部平原上地幔整體上隆、殼幔邊界耦合弱化，地殼伸展減薄、殼內(nèi)介質(zhì)速度整體降低，地表裂陷差異沉降，形成盆地內(nèi)部坳陷及地壘式隆起強(qiáng)烈改造構(gòu)造特征。

華北克拉通中部塊體由造山帶和山西斷陷構(gòu)成。太行山造山帶地殼總厚34～41 km、平均速度6.20～6.28 km/s。呂梁造山帶地殼總厚約41～43 km，平均速度6.21 6.26 km/s。山西斷陷地殼厚約41 km，地殼平均速度6.16 km/s。太行、呂梁上地幔頂部介質(zhì)速度約8.0 km/s，太行東側(cè)邊緣減小至7.9 km/s，呂梁西側(cè)增加至8.1 km/s。莫霍界面埋深在華北克拉通中部形成了較大落差，由冀中坳陷中部約30 km向西迅速加深至山西斷陷西側(cè)約43 km。地殼結(jié)構(gòu)整體呈過(guò)渡帶特征。華北克拉通西部塊體鄂爾多斯盆地中西部地表主要由中生代晚期白堊系（K）地層，向東逐漸過(guò)渡為中早期侏羅、三疊系（J、T）地層出露，東西兩側(cè)邊緣低、中間高。該區(qū)地殼厚約42～44 km，平均速度6.11～6.25 km/s。盆地內(nèi)部地殼介質(zhì)速度橫向均勻、東西兩側(cè)邊緣介質(zhì)速度輕微降低。該區(qū)上地幔頂部為8.3～8.4 km/s的高速介質(zhì)結(jié)構(gòu)。本研究所獲地殼模型顯示，以太行山為界華北克拉通地殼上地幔結(jié)構(gòu)的“東西差異”構(gòu)造暗示了克拉通破壞的空間范圍。