北京及其附近地区地壳结构三维可视化建模研究

刘 腾 （成都理工大学地球物理学院，四川 成都610059）

王 华 （中石油东方地球物理公司华北物探处，河北 任丘062552）

张劲超，赵晨露 （成都理工大学地球物理学院，四川 成都610059）

北京及其附近地区 （北纬39～41°，东经114～119°）经济非常发达，人口密度高，是我国的政治文化中心，同时也是华北地区地震活动频繁的地区之一，多年来一直是地球科学研究的重点区域。随着板块构造学说的发展，越来越多的人认识到地震与地壳横向结构的重要关系。因此，了解该地区地壳深部结构特征对研究地震的孕震机制有重要意义［1］。下面，笔者对北京及其附近地区地壳结构进行三维可视化建模研究。

1 地质构造背景

研究区以北京市为中心，西南为北东走向的太行隆起，南、东南面华北裂陷盆地为相间排列的冀中拗陷、沧县隆起和黄骅拗陷北缘，背面为近东西走向的燕山隆起，西北面为延怀盆地，西面是山西断陷东北边缘。区内主要有太行隆起两侧、沧县隆起东侧的北东向断裂和与其垂直的北西向断裂。在裂陷盆地内部，也出现了如冀中拗陷、沧县隆起以及次一级的大兴凸起、容县凸起等构造单元构成了北京及附近地区的复杂构造［2］。该研究区在第四纪、新生代沉积变化巨大，地壳深浅部构造环境复杂。图1为研究区剖面位置与地质构造图。

图1 研究区剖面位置与地质构造图

2 三维可视化建模步骤

GOCAD软件是法国Nancy理工大学开发的三维可视化建模软件，在地质工程、地球物理勘探、矿业开发、水利工程中有着广泛应用。研究中利用该软件建模的主要步骤如下：①收集深地震测深剖面的资料，包括界面的分层、速度结构、物性参数等。笔者主要收集了沧州-天津-喀左、柏各庄-正蓝旗、宁和-北京-涿鹿［3］、北京-怀来-丰镇［4］、文安-蔚县-察哈尔右冀中旗［5］、天津-武清-赤城［6］、塘沽-玉田［7］的剖面解释成果及物性参数资料。②整理资料数据，并从中提取出GOCAD软件可用数据，如剖面及等深度图中分层界面的深度数据。③将整理好的数据加载进GOCAD软件中并在三维空间中显示出来。④对各个界面数据进行插值，制作各界面的Surface图来模拟分层界面的横向起伏变化。⑤利用各个分层界面制作网格模型并模拟地下结构。

3 结果分析

3.1 地壳界面化分

基于三维可视化建模步骤建立北京及其附近地区的地壳结构模型，自上而下分别是G、C1、C2、C3和M共5个界面：①G界面。该界面为结晶基底界面，深度为2～7.5km。基底平均厚度约为3.5km。G界面以上速度为3～5.6km／s。②C1界面。该界面为上中地壳的分界面，C1界面之上为上地壳，深度为13～16.5km。G至C1界面间平均厚度约为11km，速度为5.8～6.15km／s。③C2界面。该界面为中下地壳的分界面，C1～C2之间为中地壳，深度为18～23km。C1至C2界面间平均厚度约为8km，速度为6.2～6.45km／s。④C3界面。该界面为下地壳内的速度间断面，深度为22～27km。C2至C3界面平均厚度约为7.5km，速度为6.2～6.45km／s。⑤M界面。该界面为莫霍面，其中莫霍面深度是描述区域地壳结构和地质构造环境的一个重要参数，代表了地震波速、介质化学成分和岩性的变换，其横向起伏对地震波的传播有很大影响。深度为28～42km。C3至M界面平均厚度约为10.5km，速度为6.4～7km／s。

3.2 地壳结构三维可视化成果

在收集并整理了上述深地震测深剖面后，利用GOCAD软件插值完成各地壳分层界面的绘制，再利用已有的5个界面绘制地壳结构的三维网格模型。

图2 G界面起伏状态图

图2～图6分别为G、C1、C2、C3和M界面的起伏状态图。由图2～6可知，G界面结晶基底的厚度变化较大，即研究区南缘的结晶基底厚度较大，越向北其厚度越小，而研究区北部的延庆、怀柔地区的结晶基底厚度较大；C1界面在天津、顺义地区隆起，上地壳的厚度变化不大，总体上呈西北厚东南薄的趋势；C2界面总体上为西北低、东南高，界面在天津附近有一个隆起，C1～C2之间为中地壳，中地壳的厚度变化不大，其厚度比上地壳厚度要薄；C3界面总体上为西北低、东南高，在研究区的西北部以延庆、怀柔、顺义一线为中线，越向两侧，界面越低，中间一线隆起，在研究区的东南部的天津附近界面隆起，C2～C3界面厚度变化不大；M界面西北低、东南高；北京位于M界面的斜坡带上，C2～M为下地壳，其厚度变化较大，总体上呈西北厚、东南薄的趋势。

图7为研究区的地壳结构三维网格模型，从上至下分别为第1层、第2层、第3层和第4层：第1层为G～C1界面之间的部分，厚度变化不大，总体上呈西北厚、东南薄的趋势；第2层为C1～C2界面之间的部分，为中地壳，其厚度较小，变化不大；第3层为C2～C3界面之间的部分，是下地壳的上部，厚度变化不大；第4层为C3～M界面之间的部分，是下地壳的下部，厚度变化大，总体上呈西北厚、东南薄的趋势。

图3 C1界面起伏状态图

图4 C2界面起伏状态图

图5 C3界面起伏状态图

图6 M界面起伏状态图

4 结 语

在前人研究的基础上，利用GOCAD建模软件在三维空间中模拟北京及其附近地区地壳各分层界面的起伏状态，并构造了该研究区的地壳结构三维网格模型。研究表明，北京及其附近地区地壳界面自上而下可分为G、C1、C2、C3、M共5个界面，其中G为结晶基底界面，C1为上中地壳分界面，C2为中下地壳分界面，C3为下地壳内速度间断面，M为莫霍面。上述研究成果为认识该地区的地壳结构、大陆构造演化和地震的孕震机制具有十分重要的意义。

图7 地壳结构三维网格模型

［1］嘉世旭，刘昌铨 .华北地区人工地震测深震相与地壳结构研究 ［J］.地震地质，1995，17（2）：97-105.

［2］王帅军，张先康，方盛明，等 .渤海湾西北缘及其邻近地区地壳结构与构造特征 ［J］.地球物理学报，2008，51（5）：1451-1458.

［3］李松林，张先康，宋占隆，等 .多条人工地震测深剖面资料联合反演首都圈三维地壳结构 ［J］.地球物理学报，2001，44（3）：360-368.

［4］祝治平，张先康，张建狮，等 .北京-怀来-丰镇剖面地壳上地幔构造与速度结构研究 ［J］.地震学报，1997，19（5）：499-505.

［5］张成科，张先康，盖玉杰，等 .文安-蔚县-察右中旗剖面地壳上地幔构造与速度的研究 ［J］.华北地震科学，1997，15（3）：18-28.

［6］王帅军，张先康，张成科，等 .武清-北京-赤城二维地壳结构和构造 ［J］.地球物理学报，2007，50（6）：1769-1777.

［7］王帅军，王夫运 .北京及附近地区地壳速度结构域构造 ［J］.华北地震科学，2011，29（2）：6-12.