华北地区的地壳低速层*

李松林 苗 琪 王 旭

(中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002)

华北地区的地壳低速层*

李松林 苗 琪 王 旭

(中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002)

虽然华北地区属于克拉通类型的地质单元，然而在其地壳内部，尤其是东部地区的地壳内，低速层相当发育。这些低速层多位于上地壳底部15～25 km的深度范围内。同活动造山带内的低速层相比，华北地区的壳内低速层表现出明显不同的特点。壳内低速层水平延伸尺度不大，互相之间不太连接。同时，低速层内外速度差较小，大都小于5%。考虑到华北盆地岩石圈底部的热侵蚀作用和地壳的热状态，认为部分熔融是产生壳内低速层的一个重要因素。

华北地区;低速层;地壳结构;人工地震;热侵蚀

1 引言

在地球动力学研究中，尤其是在板内强震孕育机理的研究中，国内外地球科学家很早便注意到了地壳内低速层的问题［1-3］。这是因为，壳内低速层往往与壳内力学软弱带相联系，对控制地壳内各层的相对活动及大陆强震的孕育具有重要作用。研究结果表明，壳内低速层多出现于现代构造运动较活跃的造山带地区。例如，在我国的青藏高原和川滇地区［4-8］、欧洲的阿尔啤斯山［1］、南美的安第斯山地区等［9］，地壳内低速层就相当发育。造山带内低速层的显著特点是连续程度好，横向延展尺度大，可以达到上百千米;波速减小的幅度大，可达到5%以上。与此相反，在稳定地质单元内，低速层很少出现，如鄂尔多斯地块和塔里木盆地等。

然而，令人颇感意外的是，在属于克拉通地质单元的华北地区东部，壳内低速层却相当发育。根据中国地震局地球物理勘探中心的深部探测结果，在多条人工地震剖面上都发现了壳内低速层。从分布范围来看，这些低速层几乎遍及华北地区东部。从埋藏深度来看，低速层多位于上地壳的底部。本文将根据中国地震局地球物理勘探中心人工地震探测结果，对这些低速层的特点、成因及其与地震孕育的关系进行分析和探讨。

2 华北地区地壳低速层的分布及特点

图1为北京-怀来-丰镇地震测深剖面的二维地壳速度结构［10］。可以看出，在上地壳底部15～20 km深度存在数个低速层。这些低速层大都呈扁平状，厚3～6 km。其内部最低速度比外部低0.3 km/ s左右。图2为文安-蔚县-察右中旗剖面地壳速度结构［11］。沿该剖面低速层更加发育，不但存在于上地壳内，而且存在于下地壳内。这些低速层也是扁平形状，厚3～6 km。其内外速度差也不是太大，大都小于5%。

图1 北京-怀来-丰镇人工地震剖面地壳速度结构［10］Fig.1 Crustal velocity structure of Beijing-Huailai-Fengzhen DSS profile［10］

图2 文安-蔚县-察右中旗人工地震剖面地壳速度结构［11］Fig.2 Crustal velocity structure of Wenan-Yuxian-Qaharyouyizhongqi DSS profile［11］

图3为菏泽-林县-长治剖面西段的地壳速度结构［12］。在该剖面的中段，即林县-菏泽之间，中下地壳内存在低速层。低速层大致呈扁平形状，与凹陷区密切相关。

总起来说，华北地区的壳内低速层有以下特点：

1)从垂向来看，多分布在下地壳底部15～25千米的深度范围内;

图3 菏泽-林县-长治剖面西段的地壳速度结构［12］Fig.3 Crustal velocity structure of Heze-Linxian-Changzhi DSS profile(western segment)［12］

2)从横向来看，多分布在太行山以东的地区;

3)从几何形态来看，低速层多为扁平形状。一般厚3～6千米，水平延伸不超过数十千米。互相之间不太连续;

4)低速层内外速度差不是太大，大都小于5%。

很显然，同活动造山带内的低速层相比，华北地区的壳内低速层表现出明显不同的特点。在现代构造运动较活跃的青藏高原和川滇地区，壳内低速层连续程度好，横向延展尺度大，可以达到上百千米;波速减小的幅度大，可达到5%以上。而在华北地区，壳内低速层水平延伸尺度都不大，互相之间不太连续。同时，低速层内外速度差都较小，大都小于5%。

另一方面，华北地区又与稳定的地质单元明显不同。在稳定的地区，如鄂尔多斯地块和塔里木盆地内，壳内低速层很少出现。

张成科等［13］利用渤海湾及其邻区的14条地震测深剖面观测资料，圈定了该地区存在壳内低速层的大致范围。不难看出，在华北地区的东部，壳内低速层的分布范围很广泛，几乎遍及整个东部地区。应该说明的是，图4中阴影区仅表示存在壳内低速层的地区范围，并不代表单个低速层的连续分布。

3 低速层成因探讨

一般来说，随着深度的增加，岩石的密度逐步变大，地壳内岩石的基性程度也逐步增高，岩石类型由花岗岩类逐渐变为闪长岩和辉长岩。因此，波速通常也呈现出随深度有规律递增的趋势。到底是什么因素造成了地壳内波速的局部反转，从而形成壳内低速层呢?根据岩石学和实验室的研究，其中可能起作用的几种因素包括：低速岩性、岩石的部分熔融、岩石的相变、岩石的各向异性、环境温度压力的作用、孔隙流体的作用等。上述因素虽然繁多，但对每一特定地区，仅有其中一项或几项起主要作用。地区不同，起主要作用的因素也不同。

图4 渤海湾及其邻近地区地壳低速体的分布［13］Fig.4 Distribution of low velocity bodies in Bohai Bay and its adjacent region［13］

为了对华北地区壳内低速层的成因做出合理的判断，应充分考虑以下两个方面的问题：一是华北地区壳内低速层所处的大地构造环境和地球物理环境;二是这些壳内低速层本身的特点。

从大地构造环境来看，华北克拉通受太平洋板块的俯冲作用影响较大。不少学者认为，由于太平洋板块的俯冲作用，使得华北克拉通东部的岩石圈结构在中生代受到了破坏［14］。地震层析成像结果清楚地展示了太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲的情况。俯冲板片的前缘已推进到华北克拉通下方，从而在其下方形成了一个地幔楔［15］。在这样的地幔楔内，由于俯冲板块的拖曳作用，诱发软流圈物质向东流动。这种东向的流动由于东部俯冲板块的限制阻挡，必然会转变为强烈上涌。上涌流动导致华北克拉通东部岩石圈底部的物质发生软化，产生热侵蚀作用。此外，俯冲板片的脱水作用也会对地幔楔内的物质性质产生较大的改变［16，17］。因此，太平洋板块俯冲是改变华北克拉通岩石圈地幔性质的重要动力学因素。

正是在这种大构造背景下，华北地区东部的大地热流值明显偏高，高于其他地台地区的大地热流值。另外，以太行山重力梯度带为界，两侧的地幔热流值也存在较大差异［18］。出现了华北盆地的岩石圈最“热”，而其周边的燕山褶皱带、南华北和大别山较“冷”的地热分布图案。

考虑到华北盆地岩石圈底部的热侵蚀作用和地壳的热状态，我们推断，部分熔融是产生壳内低速层的一个重要因素。实验结果表明，少量的熔体便可以造成地震波速的明显降低。例如，低度部分熔融会造成花岗岩波速的显著下降和泊松比的提高［19］。另外还发现，低度部分熔融状态下岩石波速的衰减并不仅仅决定于部分熔融的程度，同时还与熔体的结构(分布状态)有关，因而使得这项研究变得更加复杂［20］。

另外一个值得考虑的因素是岩石中水的影响。岩石中所含有的水(包括矿物脱水)同样会显著地降低岩石的波速。同时，水的存在又可能诱发岩石的部分熔融。前已谈及，太平洋板块在俯冲过程中伴随有板片的脱水作用。这些水的存在势必会对上部的岩石圈产生较大的影响。

根据中国地震局地质研究所在华北地区的电磁测深结果，发现上地壳底部广泛发育着壳内高导层。该高导层电阻率值仅为几～十几欧姆米，层厚数千米，埋深大致为20 km左右［21］。无论是从厚度上来看，还是从埋藏深度上来看，壳内低速层和高导层都十分接近。这是否表明，两者实质上为同一实体，只是在物理上的表现形式不同而已。从成因来看，两者很可能是同源的。这是因为，地壳内岩石的部分熔融和水的存在，既能降低岩石的地震波速，又能增加岩石的电导率。遗憾的是，在华北地区，目前尚没有同时存在地震测深和大地电磁两种手段的观测剖面，因而难以对壳内低速层和壳内高导层的位置进行更精确的对比。在华北地区之外，这样的剖面倒有一条，即穿越青藏高原东北缘的玛沁-兰州-靖边剖面。沿该剖面我们既进行了人工地震观测，又进行了大地电磁观测［22］。从该剖面的二维地壳速度结构和二维地壳电性结构来看，壳内低速层和壳内高导层的位置、形状基本符合［23］。

华北地区壳内低速层的突出特点是壳内低速层水平延伸尺度小，互相之间不太连续。同时，低速层内外速度差较小，大都小于5%。而在现代构造运动较活跃造山带，如青藏高原、阿尔卑斯山，壳内低速层连续程度好，横向延展尺度大，可以达到上百千米;波速减小的幅度大，可达到5%以上。许多研究表明，在这些地区，壳内低速层的形成除部分熔融作用外，还与强烈的构造运动引起的地壳的推覆叠置有关。地体碰撞时，剧烈的挤压作用导致两边地壳推覆叠置，使一方部分上地壳地层进插入到另一方的中下地壳中［24］。这样形成的低速层，速度差都比较大。

4 低速层与地震活动性的关系

前已述及，华北克拉通东部的岩石圈结构在中生代遭到了破坏，因而它已不再是传统意义上的稳定的克拉通结构。这一点从大地热流值和地震活动性等方面都清楚地显现了出来。华北克拉通东部的大地热流值和地震活动强度不但高于阿尔多斯地块，也高于相邻的华南地块［18］。

从地震的空间位置来看，华北东部5级以上地震的震中呈现出非常独特的分布图案，与其他地区差别较大。在大部分地区，地震沿构造带呈带状分布。如我国西部的阿尔金断裂、昆仑断裂，中部的南北构造带等都是如此。然而，在华北地区东部，地震震中却表现为面状弥散展布的特点［25］。作者认为，这一现象与该地区壳内低速层有较大的关系。低速层为一软弱带，在物理上表现为流变学强度非常低。由于它的存在，使得上地壳与下地壳几乎完全解耦。因此，该地区的变形发生在一个相当广阔的变形域内，即属于分布式变形，而不是仅集中在若干个大的活断层上。

另外，从地震的震源深度来看，震源多位于低速层的顶部，即上部地壳的高速层到下部地壳的结合部位。这一过渡层被称为“易震层”。在该层的上下两边，介质的物理性质有较大的差异［2］。

5 结论

1)虽然华北地区属于克拉通类型的地质单元，然而在其地壳内部，尤其是东部地区的地壳内，低速层相当发育。这些低速层多位于上地壳底部15～25 km的深度范围内。

2)同活动造山带内的低速层相比，华北地区的壳内低速层表现出明显不同的特点。在现代构造运动较活跃的青藏高原和川滇地区，壳内低速层连续程度好，横向延展尺度大;且波速减小的幅度大，可达到5%以上。而在华北地区，壳内低速层水平延伸尺度不大，互相之间不太连续。同时，低速层内外速度差较小，大都小于5%。

3)考虑到华北盆地岩石圈底部的热侵蚀作用和地壳的热状态，认为部分熔融是产生壳内低速层的一个重要因素。

4)由于低速层的解耦作用，地壳变形发生在一个相当广阔的变形域内，而不是仅集中在若干个大的活断层上，从而使华北地区东部的地震震中表现为面状弥散展布的特点。地震震源多位于低速层的顶部，即上部地壳的高速层到下部地壳的结合部位。

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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

国家自然科学基金(90814001，40974053);中国地震局地球物理勘探中心论著编号：RCEG201107

.李松林，男，1946年生，研究员，博导，主要从事人工地震方法的探测和研究.E-mail：slli@public.zz.ha.cn

P313.3

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