华北克拉通地壳结构研究——长观测距地震测深剖面的结果

田晓峰王夫运嘉世旭Colin Zelt中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002美国TX Department of Earth Science, Rice University

华北克拉通地壳结构研究
——长观测距地震测深剖面的结果

田晓峰1）王夫运1）嘉世旭1）Colin Zelt2）
1）中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002
2）美国TX Department of Earth Science, Rice University

华北克拉通是当今世界最古老的克拉通之一，其自18亿年前克拉通化之后至早中生代，一直保持相对稳定，并保存有巨厚的太古宙岩石圈根。自中生代以来，华北克拉通东部经历了一系列的构造隆升和伸展运动，东部的岩石圈已经被强烈改造和破坏。近年来，相关研究表明，华北克拉通东部岩石圈地幔不仅减薄了100多千米，而且其物理化学性质也发生了相应的变化，同时，华北克拉通本身具有的稳定性也遭到了破坏。其中，天然地震台阵探测、重力和地球化学等研究在华北克拉通破坏的研究中获得了丰富的成果。华北地区也开展了丰富的人工地震探测。然而，受观测技术的限制，剖面长度通常均小于400 km，有效观测距离一般小于200 km。2009年，中国地震局地球物理勘探中心在国家自然科学重大计划的资助下完成了一条总长1 530 km的宽角反射/折射剖面，该剖面是迄今为止唯一一条东西向贯穿华北克拉通的超长距人工源宽角反射/折射地震剖面，最大有效观测距离超过600 km，为华北克拉通的研究提供了良好的数据支持。本研究利用该超长剖面获得的11炮记录，通过带通2～10 Hz带通滤波、走时拾取、互相关到时拾取误差分析等技术，共提取2 215个初至波到时和757个PmP反射波走时。

本研究综合利用初至波走时成像、走时反演和地壳建模技术，对初至波和PmP到时进行走时成像，获得了华北克拉通近东西向的地壳上地幔速度结构模型。结果显示：沿剖面可分为华北东部裂陷盆地、中部造山隆起和断陷盆地、西部鄂尔多斯盆地等几类不同构造单元。位于测线最东缘的鲁东隆起，地表介质速度4.2～4.5 km/s，结晶地壳厚约33 km，地壳平均速度6.33 km/s，上地幔顶部介质速度8.05 km/s，，莫霍界面在该区域横向较为均匀，地壳结构显示了整体隆升、横向均匀、由上向下介质速度逐层增加的相对稳定构造特征。郯庐断裂带呈现出自上地幔顶部延伸至上地壳的明显高速异常。

剖面横穿华北东部渤海湾裂陷盆地最宽处，以郯庐断裂带为界，由东至西约450 km。该区第四系沉积广泛覆盖，内部发育了济阳、黄骅、冀中等新生代以来持续沉积的坳陷构造以及镶嵌其间的埕宁、沧县地垒式隆起构造。地壳建模结果显示，华北平原内沧县、埕宁隆起区地壳结构相对完整、分层清晰，其地壳厚约31～32 km，平均速度6.02～6.06 km/s，华北平原内济阳、黄骅、冀中坳陷区地壳厚28～32 km，平均速度5.32～6.06 km/s，上地幔顶部速度约7.85～7.95 km/s。坳陷区上、中地壳分界不清，上地壳低速度结构延伸至中地壳。显示了华北东部平原上地幔整体上隆、壳幔边界耦合弱化，地壳伸展减薄、壳内介质速度整体降低，地表裂陷差异沉降，形成盆地内部坳陷及地垒式隆起强烈改造构造特征。

华北克拉通中部块体由造山带和山西断陷构成。太行山造山带地壳总厚34～41 km、平均速度6.20～6.28 km/s。吕梁造山带地壳总厚约41～43 km，平均速度6.21 6.26 km/s。山西断陷地壳厚约41 km，地壳平均速度6.16 km/s。太行、吕梁上地幔顶部介质速度约8.0 km/s，太行东侧边缘减小至7.9 km/s，吕梁西侧增加至8.1 km/s。莫霍界面埋深在华北克拉通中部形成了较大落差，由冀中坳陷中部约30 km向西迅速加深至山西断陷西侧约43 km。地壳结构整体呈过渡带特征。华北克拉通西部块体鄂尔多斯盆地中西部地表主要由中生代晚期白垩系（K）地层，向东逐渐过渡为中早期侏罗、三叠系（J、T）地层出露，东西两侧边缘低、中间高。该区地壳厚约42～44 km，平均速度6.11～6.25 km/s。盆地内部地壳介质速度横向均匀、东西两侧边缘介质速度轻微降低。该区上地幔顶部为8.3～8.4 km/s的高速介质结构。本研究所获地壳模型显示，以太行山为界华北克拉通地壳上地幔结构的“东西差异”构造暗示了克拉通破坏的空间范围。