中国东部下地壳是中性的吗？

王纪庆++汪洋

文章编号：16726561（2016）06084910

摘要：采用Li等和Gao等归纳的中国东部主要构造单元地壳速度结构研究中国东部下地壳组分特征。对下地壳的岩性推测通过两个方面展开：①通过实测地壳P波波速与Christensen等实测的不同岩性P波波速进行对比；②采用Hasterok等提出的P波波速密度转换方法，将下地壳速度结构转化为密度结构，并采用Monte Carlo法对密度的误差进行估算。结果表明：中国东部各构造单元下地壳P波波速与基性岩类相当，绝大多数构造单元下地壳密度大于3 000 kg·m-3，该密度范围对应的岩性是基性岩类。因此，中国东部下地壳是基性的。

关键词：下地壳；地震波速；密度；基性岩；岩石物理；岩性；华北；中国东部

中图分类号：P313.3文献标志码：A

Is There an Intermediate Lower Crust Beneath the Eastern China？

WANG Jiqing， WANG Yang

（School of Earth Sciences and Resources， China University of Geosciences， Beijing 100083， China）

Abstract： Based on crustal velocities of the main tectonic units in the eastern China summarized by Li et al. and Gao et al.， the lower crustal composition beneath the eastern China was discussed. Predictions of the lower crustal composition have two aspects： comparing the observed Pwave velocities between the crust and the various rocks measured by Christensen et al.； transferring the lower crustal velocity model to density model， according to the relationship between Pwave velocity and density proposed by Hasterok et al.， and the errors of density are estimated by Monte Carlo method. The results show that Pwave velocities of the lower crust of the main tectonic units in the eastern China correspond with those of mafic rocks； most of the densities of the lower crust are greater than 3 000 kg·m-3， which belong to mafic rocks. Therefore， the lower crust beneath the eastern China is suggested to mafic in composition.

Key words： lower crust； seismic wave velocity； density； mafic rock； petrophysics； lithology； North China； the eastern China

0引言

了解大陆地壳的成分有助于更好地认识大陆地壳的形成和演化过程，其中下地壳的组分特征是认识壳幔交换和地壳生长的关键[15]。出露地表的能够代表大陆下地壳剖面的麻粒岩岩体以及火山岩中的下地壳包体为下地壳研究提供了直接的样品，但是这些样品在地表出露很少，而且往往不具有空间代表性[23，67]。目前推断下地壳成分主要是利用地震波速的岩性解释来实现的。由于岩石的物理性质取决于成分、温压条件等多种因素，加之不同学者归纳的地震波速模型存在差异，所以波速的岩性解释方法也各不相同，得到的结果也不尽相同。Rudnick等通过地壳常见岩石P波波速（VP）和密度（ρ）的实测值[89]，结合地震速度模型对全球大陆地壳成分进行推测，提出大陆下地壳由基性成分组成；Hacker等基于岩石成分的相平衡模拟结果推断的岩石物理性质，认为很多区域的下地壳成分是中性的[5]。

Gao等将中国大陆下地壳分为上、下两部分[10]，对观测的P波波速进行温度压力校正到统一的参考标准（600 MPa、20 ℃）[11]后，将其与试验得到的岩石P波波速进行对比。中国大陆东部地区下地壳上部P波波速为67 km·s-1，属中性成分，下地壳下部P波波速为71 km·s-1，为基性成分；由于下地壳上部厚度大，所以中国东部下地壳整体为中性组分，推断SiO2含量（质量分数，下同）为58%[10]。Wang等根据中国大陆东部P波波速结构，认为中国东部下地壳比文献[10]估计的更偏基性[12]。Li等总结了中国主要构造区的P波波速结构，对地壳的岩性做了简单推断[13]。近年来，许多学者对中国大陆地壳厚度和地震波速结构进行了归纳[1424]，但没有对地壳成分做详细研究。

本文以Christensen等的岩石P波波速与密度实测值[9]为基础，结合Gao等和Li等归纳的中国东部P波波速结构[10，13]，通过对比实测P波波速与不同岩性的P波波速实测值，推测中国东部下地壳的岩性组成；采用Hasterok等提出的P波波速密度转换方法[25]，将P波波速结构转化为密度结构，并与不同岩性的密度实测值对比，推测中国东部下地壳的岩性组成。

1基于地壳P波波速与岩石波速试验对比推测下地壳岩性

本文选择Christensen等的地壳岩石P波波速试验的中性岩与基性岩（黑云母片麻岩、长英质麻粒岩、闪长岩、葡萄石绿纤石相玄武岩、沸石相玄武岩、辉绿岩、辉长岩苏长岩橄长岩、铁镁质麻粒岩、绿片岩相玄武岩、角闪岩、石榴石基性麻粒岩）的P波波速[9]，与中国东部各主要构造单元的P波波速进行对比，从而筛选出符合下地壳波速特征的岩性组合。因为中国东部的平均热流值介于60～70 mW·m-2之间[26]，所以采用Christensen等基于中地温梯度的岩石P波波速试验值[9]。

中国东部不同构造单元的地壳P波波速剖面柱是依据Gao等的总结（图1）[10，13]。这些地壳速度结构源自地学断面以及其他深部探测研究项目所完成的地震折射剖面，而构造单元划分则依据传统的大地构造学方案，相关具体细节请参考文献[10]和[13]。值得注意的是，Gao等的结果[10]是各大地构造单元的整体平均地壳速度结构，而Li等给出的地壳P波波速剖面柱[13]则代表了相关大地构造单元中布设有多条地震折射剖面区域的典型速度结构。虽然文献[10]和[13]归纳地壳P波波速结构的方法有所不同，但是其总体特征具有可比性（如Li等的华南地区柳州和东南沿海地区泉州地壳速度结构[13]与Gao等的华南造山带地壳速度结构[10]、Li等的鄂尔多斯盆地和华北盆地沧县隆起、河北凹陷地壳速度结构[13]与Gao等的华北克拉通地壳速度结构[10]）。两者可以相互印证，因此，这些柱状图所反映的地壳速度结构具有代表性。

在Li等总结的中国东部7个构造区地壳P波波速剖面[13]中，鄂尔多斯盆地下地壳厚度薄，P波波速高于石榴石基性麻粒岩及辉长岩苏长岩橄长岩[图2（a）]；华北盆地沧县隆起的下地壳P波波速较低，与辉绿岩值相当[图2（b）]；华北盆地河北凹陷的下地壳P波波速对应的岩性从下地壳顶部的长英质麻粒岩或葡萄石绿纤石相玄武岩逐渐变化为闪长岩、辉绿岩，其下地壳底部P波波速对应的岩性是铁镁质麻粒岩或角闪岩，河北凹陷地壳最下部还有一薄的高P波波速（7.5 km·s-1）层，波速介于石榴石基性麻粒岩与基性榴辉岩之间[图2（c）]；华东下扬子地区的下地壳P波波速相当于铁镁质麻粒岩或角闪岩[图2（d）]；华中地区湖北的下地壳P波波速接近石榴石基性麻粒岩或辉长岩苏长岩橄长岩[图2（e）]；华南地区柳州以及东南沿海地区泉州的下地壳P波波速均介于铁镁质麻粒岩、角闪岩，与石榴石基性麻粒岩、辉长岩苏长岩橄长岩之间[图2（f）、（g）]。

图（a）引自文献[13]；图（b）引自文献[10]；柱状图中数值为P波波速，单位为km·s-1

Gao等总结的中国东部P波波速结构将下地壳分为上、下两层（秦岭构造区除外）[图1（b）][10]。从图3可以看出：Gao等总结的华北克拉通和华南造山带的下地壳上部P波波速[10]介于闪长岩与辉绿岩之间，下地壳下部P波波速介于铁镁质麻粒岩、角闪岩，与石榴石基性麻粒岩、辉长岩苏长岩橄长岩之间[图3（a）、（b）]；内蒙古—黑龙江造山带下地壳上部P波波速接近辉绿岩，下地壳下部P波波速略高于石榴石基性麻粒岩[图3（c）]；秦岭造山带下地壳P波波速相当于铁镁质麻粒岩或角闪岩[图3（d）]；桐柏—大别—苏鲁造山带下地壳上部P波波速略高于辉绿岩，下地壳下部P波波速介于铁镁质麻粒岩、角闪岩，与石榴石基性麻粒岩、辉长岩苏长岩橄长岩之间[图3（e）]；

扬子克拉通下地壳上部P波波速介于闪长岩与辉绿岩之间，下地壳下部P波波速相当于辉长岩苏长岩橄长岩或石榴石基性麻粒岩[图3（f）]；Gao等根据面积加权得到的中国中东部（华北克拉通、扬子克拉通、秦岭造山带与桐柏—大别—苏鲁造山带）和中国东部整体的下地壳上部P波波速均介于闪长岩与辉绿岩之间，下地壳下部P波波速相当于辉长岩苏长岩橄长岩[图3（g）、（h）][10]。

综上所述，Gao等归纳的中国东部大部分构造单元速度剖面的下地壳P波波速与基性岩类（辉绿岩、辉长岩苏长岩橄长岩、铁镁质麻粒岩、角闪岩、石榴石基性麻粒岩和基性榴辉岩）相当[10，13]，仅华北等少数地区下地壳偏上部部位的P波波速与中性岩（闪长岩）接近。因此，P波波速限定的中国东部下地壳岩性以基性为主。

2根据P波波速密度转换关系推测下地壳岩性

2.1P波波速密度转换

岩石密度是决定其地震波速的重要物理参数之一。Christensen等研究显示，在地壳深度范围内基于P波波速密度线性关系预测的岩石密度优于采用非线性的P波波速密度关系预测的结果[9，25]。根据Christensen等在地壳温压范围内的实测岩石密度和P波波速[9]，可以得到P波波速密度线性关系式为

BGN为黑云母片麻岩；FGR为长英质麻粒岩；DIO为闪长岩；BPP为葡萄石绿纤石相玄武岩；BZE为沸石相玄武岩；DIA为辉绿岩；GAB为辉长岩苏长岩橄长岩；MGR为铁镁质麻粒岩；BGR为绿片岩相玄武岩；AMP为角闪岩；GGR为石榴石基性麻粒岩；ECL为基性榴辉岩；中国东部7个构造区地壳速度结构P波波速引自文献[13]；实测的岩石P波波速引自文献[9]

ρ=a+bVp（1）

岩石P波波速和密度受制于温度（T）、压力（P）条件，即

Vp（P，T）=Vp0+（T-T0）VpT+

（P-P0）VpP（2）

ρ（P，T）=ρ0+（P-P0）ρP（3）

式中：a、b为拟合系数；Vp0、ρ0、T0、P0分别为标准状态条件下的P波波速、密度、温度和压力；VpP为P波波速的压力偏导数；VpT为P波波速的温度偏导数；ρP为密度的压力偏导数。

若已知特定深度的温度、压力，利用上述偏导数值以及公式（2）、（3）即可求得对应条件下特定岩石P波波速和密度。根据Christensen等对地壳中常见的19种岩石在不同温度、压力条件下的P波波速和密度实测值[9]，可以通过最小二乘法拟合特定温度、压力条件下地壳中常见岩石P波波速密度线性关系的a、b值[25]。在此基础上，结合地壳内不同深度的温度、压力值，就可以依据地震剖面获得的地壳P波波速推测对应的岩石密度。

在拟合P波波速密度线性关系时，排除了地壳深部不常见的（新鲜）喷出岩和单矿物岩石数据，采用与Christensen等一致的19种岩性（即变质杂砂岩、花岗岩花岗闪长岩、花岗片麻岩、千枚岩、黑云母片麻岩、长英质麻粒岩、副麻粒岩、板岩、闪长岩、葡萄石绿纤石相玄武岩、云母石英片岩、沸石相玄武岩、辉绿岩、辉长岩苏长岩橄长岩、铁镁质麻粒岩、绿片岩相玄武岩、角闪岩、石榴石基性麻粒岩、基性榴辉岩）的偏导数值拟合系数a和b[9，25]。

当压力小于 0.5 GPa时，岩石的裂隙导致其P波波速降低，导致利用上述P波波速密度线性关系得出的密度偏大。因此，若采用式（1）计算的密度小于2 500 kg·m-3时，可以应用NafeDrake曲线[27]进行P波波速密度转换[25]，即

ρ =1.661 2Vp-0.047 12V2p+0.067 1V3p-

0.004 3V4p+0.000 106V5p（4）

2.2温压估计

拟合P波波速密度线性关系需要对P波波速、密度进行温度和压力校正，本文采用Chapman提出的一维稳态地温线模型[28]进行。该模型已被广泛应用于大陆地温的研究中[25，2930]，同时也是Gao等研究中国东部地区地壳组成时所采用的地温线模型[10]。Chapman地温线模型将地表热流按60%的比例折合为剩余热流（qr），代表来自上地壳之下的热流值[28]；其余40%地表热流值属于上地壳的放射性生热，上地壳内的生热率以指数形式衰减，衰减到0.4 μW·m-3或者深度到达16 km（上、下地壳分界面）后，生热率保持稳定（0.4 μW·m-3）直至地壳底部；地幔岩石圈的生热率取0.02 μW·m-3。地壳和地幔的热传导率（K）为温度和压力的函数。具体的计算参数见文献[25]、[28]和[29]。

根据Wang的研究[20]，中国东部各构造单元热流值分别取值为：鄂尔多斯盆地为60 mW·m-2，华北盆地沧县隆起为67 mW·m-2，华北盆地河北凹陷为67 mW·m-2，华东下扬子地区为65 mW·m-2，华中地区湖北为57 mW·m-2，华南地区柳州为60 mW·m-2，东南沿海地区泉州为72 mW·m-2。Gao等统计的中国东部地区各构造单元的热流值[10]按文献[10]表1所给热流值数据取值。

根据Hasterok等的研究结果[25]，采用1 GPa/35 km的固定压力梯度计算地壳深部压力。

2.3误差估计

在利用P波波速密度线性关系计算地壳密度时，采用Monte Carlo法对计算参量分别给予随机扰动，通过多次计算（10×105）获得密度的估算误差[25]。具体做法是：地壳各层厚度赋予实测值在±10%以内的随机扰动值，P波波速赋予实测值在±3%以内的随机扰动值，P波波速密度线性关系的a、b拟合值分别赋予±50和±8范围内的随机扰动值。

2.4计算结果

根据上述P波波速密度线性关系，应用地壳P波波速转换得到中国东部地区地壳密度（表1、2）。全地壳平均密度是根据上、中、下地壳的密度，利用地壳各分层厚度加权计算得出的；其误差是平均值计算中的标准偏差值（10×105）。

从表1、2可以看出，中国东部地区大多数构造单元的下地壳密度大于3 000 kg·m-3，只有根据Li等归纳的地震剖面[13]计算得出的华北盆地沧县隆起下地壳密度为（2 929±35）kg·m-3，根据Gao等归纳的地震剖面[10]得出的华北克拉通整体下地壳密度为（2 975±28）kg·m-3。

将根据P波波速密度线性关系得到的中国东部地区下地壳密度与Christensen等实测的基性岩密度[9]相对比（图4、5），根据Li等归纳的地震剖面[13]

计算得出的中国东部各构造单元中，除华北盆地沧县隆起外，其余各地区下地壳密度介于基性侵入岩（辉绿岩、辉长岩苏长岩橄长岩）、浅变质基性岩（沸石相玄武岩、绿片岩相玄武岩）、中高级基性变质岩（角闪岩、铁镁质麻粒岩）与含石榴石高级变质基性岩（石榴石基性麻粒岩）的密度之间（图4），根据Gao等归纳的地震剖面[10]计算得出的中国东部各构造单元中，华北克拉通下地壳密度对应于基性侵入岩（辉绿岩、辉长岩苏长岩橄长岩）的密度，扬子克拉通、秦岭造山带、桐柏—大别—苏鲁造山带下地壳密度介于基性侵入岩（辉长岩苏长岩橄长岩）与变质基性岩（绿片岩相玄武岩、角闪岩、铁镁质麻粒岩）的密度之间，内蒙古—黑龙江造山带和华南造山带下地壳密度介于中高级基性变质岩（角闪岩、铁镁质麻粒岩）与含石榴石高级变质基性岩（石榴石基性麻粒岩）的密度之间[图5（a）]。Gao等根据面积加权得到的中国中东部和东部整体下地壳地震剖面[10]计算得出的密度约为3 000 kg·m-3，介于基性侵入岩（辉绿岩、辉长岩苏长岩橄长岩）与变质基性岩（绿片岩相玄武岩、角闪岩、铁镁质麻粒岩）的密度之间[图5（b）]。因此，根据P波波速密度线性关系得到的下地壳密度限定了中国东部下地壳是以基性岩类为主的岩性组合。

3结语

（1）依据Christensen等对地壳常见岩石的P波波速、密度的试验数据[9]，将Gao等和Li等归纳的中国东部地区P波波速结构[10，13]进行岩性对比，发现中国东部各构造单元下地壳P波波速与基性岩类相当。

（2）采用Hasterok等提出的P波波速密度转换方法[25]，依据Christensen等的试验数据[9]，本文将Gao等和Li等归纳的P波波速结构[10，13]转换为密度结构。计算结果显示，中国东部地区绝大多数构造单元下地壳密度大于3 000 kg·m-3，仅华北盆地下地壳密度介于2 900～3 000 kg·m-3之间，且对应于基性岩类的密度。由此推断中国东部下地壳整体属于基性成分，与Wang等的研究结果[12]相同，而非高山等推测的中性成分[6，10]。

中国地质大学（北京）吴小林、薛翻琴在研究工作中提供了帮助，在此一并致谢。

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