華北克拉通地殼結構研究——長觀測距地震測深剖面的結果

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

華北克拉通地殼結構研究
——長觀測距地震測深剖面的結果

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

華北克拉通是當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，一直保持相對穩定，并保存有巨厚的太古宙巖石圈根。自中生代以來，華北克拉通東部經歷了一系列的構造隆升和伸展運動，東部的巖石圈已經被強烈改造和破壞。近年來，相關研究表明，華北克拉通東部巖石圈地幔不僅減薄了100多千米，而且其物理化學性質也發生了相應的變化，同時，華北克拉通本身具有的穩定性也遭到了破壞。其中，天然地震臺陣探測、重力和地球化學等研究在華北克拉通破壞的研究中獲得了豐富的成果。華北地區也開展了豐富的人工地震探測。然而，受觀測技術的限制，剖面長度通常均小于400 km，有效觀測距離一般小于200 km。2009年，中國地震局地球物理勘探中心在國家自然科學重大計劃的資助下完成了一條總長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距人工源寬角反射/折射地震剖面，最大有效觀測距離超過600 km，為華北克拉通的研究提供了良好的數據支持。本研究利用該超長剖面獲得的11炮記錄，通過帶通2～10 Hz帶通濾波、走時拾取、互相關到時拾取誤差分析等技術，共提取2 215個初至波到時和757個PmP反射波走時。

本研究綜合利用初至波走時成像、走時反演和地殼建模技術，對初至波和PmP到時進行走時成像，獲得了華北克拉通近東西向的地殼上地幔速度結構模型。結果顯示：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造單元。位于測線最東緣的魯東隆起，地表介質速度4.2～4.5 km/s，結晶地殼厚約33 km，地殼平均速度6.33 km/s，上地幔頂部介質速度8.05 km/s，，莫霍界面在該區域橫向較為均勻，地殼結構顯示了整體隆升、橫向均勻、由上向下介質速度逐層增加的相對穩定構造特征。郯廬斷裂帶呈現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。該區第四系沉積廣泛覆蓋，內部發育了濟陽、黃驊、冀中等新生代以來持續沉積的坳陷構造以及鑲嵌其間的埕寧、滄縣地壘式隆起構造。地殼建模結果顯示，華北平原內滄縣、埕寧隆起區地殼結構相對完整、分層清晰，其地殼厚約31～32 km，平均速度6.02～6.06 km/s，華北平原內濟陽、黃驊、冀中坳陷區地殼厚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。坳陷區上、中地殼分界不清，上地殼低速度結構延伸至中地殼。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、殼內介質速度整體降低，地表裂陷差異沉降，形成盆地內部坳陷及地壘式隆起強烈改造構造特征。

華北克拉通中部塊體由造山帶和山西斷陷構成。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速度約8.0 km/s，太行東側邊緣減小至7.9 km/s，呂梁西側增加至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約43 km。地殼結構整體呈過渡帶特征。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，向東逐漸過渡為中早期侏羅、三疊系（J、T）地層出露，東西兩側邊緣低、中間高。該區地殼厚約42～44 km，平均速度6.11～6.25 km/s。盆地內部地殼介質速度橫向均勻、東西兩側邊緣介質速度輕微降低。該區上地幔頂部為8.3～8.4 km/s的高速介質結構。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構的“東西差異”構造暗示了克拉通破壞的空間范圍。