北京及附近地区地壳速度结构与构造

王帅军,王夫运,张成科,黄 灿,杨雅琼,齐 浪

(1.中国科学技术大学,合肥 230026;2.中国地震局地球物理勘探中心,郑州 450002;

3.郑州地震台,郑州 450062;4.河北省地震局,石家庄 050022)

北京及附近地区地壳速度结构与构造

王帅军1,2,王夫运2,张成科2,黄 灿3,杨雅琼4,齐 浪1

(1.中国科学技术大学,合肥 230026;2.中国地震局地球物理勘探中心,郑州 450002;

3.郑州地震台,郑州 450062;4.河北省地震局,石家庄 050022)

利用研究区多条地震测深剖面段观测资料解释及多条剖面段的模型数据计算出了研究区结晶基底及莫霍面深度等深线结果,对该地区地壳深部速度结构与构造进行了较详细研究。结果表明,地壳深部速度结构与构造在纵向和横向上具有明显的不均一性,浅部基底断裂发育;研究区莫霍面等深线总体特征显示出从东向西逐渐加深趋势,局部区域显示异常变化,变化较大的区域在三河平谷和唐山附近,而在其深部,根据地震波动力学及运动学特征和二维速度结构中的地震界面与速度等值线起伏变化,推测有地壳深部断裂带存在,且在地壳内部上、中、下地壳中均显示有低速块体的存在,而且低速块体通常在深部断裂带一侧或两侧上显示。

地震测深;等深线;地壳;地震剖面;速度结构

0 引言

研究区是华北地震活动频繁的地区之一,历史上曾经发生过一些大的地震,给人民的生命财产造成了重大的损失。据有历史记载以来本区共发生8.0级地震1次,6.0～6.9级地震10次,5.0级左右地震在本区时有发生,对该地区造成了较大的影响。由于人类生产生活的发展需求以及该地区地质构造背景的特点,使得该地区成为地球科学研究的热点地区之一。与此同时,板块构造学说的发展和地震成因的研究,使人们越来越认识到研究地壳和上地幔横向结构的重要性。了解该区地壳深部结构特征与介质的横向非均匀性特征,对研究地震的孕育环境、提高地震预测水平具有重要意义。

多年来,许多学者在研究地区开展了大量的研究[1-3]工作,获得了该地区地壳上地幔的速度结构,发现该地区速度分布表现为强烈的横向不均匀性,且浅部的速度分布同地表地质结构分布有很好的对应关系。对于地壳和上地幔速度结构,已利用人工地震测深[4-6]、地学大断面探测、地震体波层析成像方法等作过很多研究,并取得了一系列有意义的结果。鉴于研究地区地质构造、地壳结构及其复杂性,为了提高从整体上认识该地区地壳结构的可靠性,需要使用更多的分析方法和更丰富的人工地震记录资料从不同方面对该区的地壳结构进行分析研究。随着观测条件的改善,其空间分辨率逐步提高,对该地区深部构造背景及区内大地震成因的认识也在不断深入。已有的研究经验表明,高分辨率的三维地壳上地幔速度结构研究[7-8]对于理解地震构造成因至关重要。相信在今后大量的三维地壳结构的研究过程中可以更加清楚地了解上地幔速度结构与构造特征,为地震的成因、孕育、发生提供更加可靠的证据。

中国地震局地球物理勘探中心利用深地震测深宽角反射/折射技术在该地区开展了大量的人工地震探测工作,获得了数十条剖面的解释结果[9],并为深部矿物资源的开发利用提供了地壳深部信息。本文利用在该地区获得的多条人工地震测深剖面结果(图1)以及海量的模型数据对该地区的莫霍界面进行了等深线的计算研究,由于莫霍面的深度等值线的精确程度受资料多寡精度的限制,为此,本文在以往资料的基础上增加了最近几年在该地区开展的人工地震测深剖面的数据资料,在解释结果及数据的准确程度上得到了有效地提高,可信度及精度得到了改善。莫霍界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,表征地震波速、介质化学成分和岩石性质的变化,莫霍界面的横向起伏对地震波的传播也具有很强的控制作用,对地震发生时地表设施的破坏具有一定的影响,所以研究该地区莫霍界面的起伏特征对认识该地区的地壳结构、岩石性质[10]和大陆构造变动具有十分重要的意义。

1 研究区地质构造背景

研究区位于华北活动地块的北部,包括燕山—阴山隆起区、太行—五台隆起区和华北平原区3个不同的新构造单元,属于中国大陆构造活动比较活跃的地区之一。该区存在着许多全新世及晚更新世活动断裂,分别由北东或北东东向和北西西或北西向断裂带所组成。北东或北东东向断裂较为均匀地散布于太行—五台断块隆起区和华北平原区的构造区域内,而一系列的北西西向断裂较集中地构成了张家口—蓬莱断裂带(或断陷带),成为燕山—阴山隆起区与太行—五台断块隆起区以及燕山—阴山隆起区与华北平原区的分界线,形成了这一地区地表构造背景的基本格局,研究区北部是沿东西走向的燕山隆起构造带,西侧为北北东走向的太行山隆起构造带,东临渤海,南部是华北盆地。太行山山前断裂带、山西断裂带、燕山南麓断裂带3条主要构造带在区内通过或交汇,地质构造极其复杂[11]。

图1给出了研究区测深剖面与地形及断裂展布的概况,多数人工地震探测剖面穿过冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷区。结晶基岩在燕山隆起区广泛出露,研究区内第四纪、新生代沉积变化巨大,沉积变化幅度在坳陷区达到5.0～6.0km,地壳深浅部的构造环境较为复杂。根据结晶基底的差异和构造特征可以将华北断块划分为不同的区块,各区块具有不同的构造特征。位于华北断块区西部的是鄂尔多斯区块,该区发育北东向的大同—环县基底断裂。太行区块与冀鲁区块位于华北断块区中部。

图1 剖面位置与地质构造图

研究区是我国东部重要的地震活动地区之一,穿过北京及邻近地区北西西向的张家口—渤海地震带是研究区内主要的地震活动带[12]。在河北平原地震带交汇区附近,有多组断裂在研究区内交汇或相切(图1),历史上该区是多震区,且是破坏性地震多发地区,也是遭受地震灾害较多、较严重地区,1679年三河—平谷8.0级地震就发生在研究区的中部。该研究区中小地震概括起来有以下特点:震中分布呈带状;地震活动受断裂构造控制;震源深度浅。4.0级以上的地震大都发生在盆地差异运动强烈的地段和新活动断裂交汇处,震源深度较浅,多位于5.0～15.0km范围内,华北地震层析成像的结果显示,三河平谷8.0级地震,震源区位于13.0～15.0km范围内[13]。

2 地壳基本速度结构与构造及断裂特征

利用研究区内海兴—阳原—丰镇剖面二维速度结构与构造研究、塘沽—三河—密云剖面解释结果、大兴—延庆剖面段数据解释结果、乐亭—张家口剖面数据资料解释结果、宁河—北京—逐鹿剖面二维速度结构与构造研究结果、北京—张家口—化德剖面二维速度结构与构造研究成果、石家庄—喀喇沁旗剖面段二维数据处理解释结果、北京—怀来—丰镇剖面地壳上地幔构造与速度的研究[14]、文安—蔚县—察右中旗剖面地壳上地幔构造与速度的研究[15]、天津—北京—赤城剖面二维地壳速度结构与构造和黄骅—玉田剖面二维速度结构与构造研究、华北地壳上地幔探测与研究[16]等结果,并参照通过该研究区的地学大断面地壳结构的研究结果[17],获得了该区的二维地壳速度结构整体特征,从纵向上看该区地壳大致可划分为3层:上地壳、中地壳和下地壳。通过研究地区且具有该区典型地壳结构与地质构造特征的人工地震宽角反射/折射剖面如下:

2.1 天津—北京—赤城剖面

剖面位置:武清—北京—赤城高分辨深地震测深剖面[18]为北西南东方向穿过研究区的中部(图1),由武清穿过香河、北京、顺义、延庆,止于河北省赤城县,全长220余km。布设观测点205个,观测点距为0.5～2.5km。根据地区和地理环境要求,单炮药量在0.5～1.6t之间。

通过常规的资料处理、建模、计算,获得了图2的解释结果,揭示了本剖面北西段的地壳二维速度结构特征。该研究段的地壳二维速度结构分上、中、下地壳:

2.1.1 上地壳结构

以P1波组确定的C1界面以上为上地壳,C1界面的形态基本上是一个比较平坦的界面,从华北平原区向西北部的燕山山区逐渐加深。其深度为13.0～16.5km。该层有2个速度间断面和1组强弱梯度层组成,沿剖面结晶基底起伏较大,在300km桩号以北盖层相对较薄,平均厚度为2.5km左右,基底速度较高,为5.60km/s左右,在240～280km桩号之间 G界面呈现隆起形态,在190～220km桩号之间 G界面较深,呈凹陷状。在剖面的东南冀中坳陷区沉积厚度达7.3km。新生代盖层较厚,在300km桩号、270km桩号下方速度等值线密集,反映了该区为强速度梯度层的复杂结构,横向变化强烈等。

图2 武清—北京—赤城剖面二维速度结构与构造图

2.1.2中地壳结构

P2波组确定的C2界面与C1界面之间的部分为中地壳,这一界面深度及形态与由P2波到时求得的单点反射深度及形态是基本一致的。从二维速度结构图上可以明显地看出C2界面与C1界面呈很好的镜像关系,沿剖面具有一定的起伏变化,该层有一个速度间断面C2,界面的速度跳跃为0.05～0.10km/s,在通县下方中地壳的厚度较薄为4.5km,从通县以西呈逐渐加厚的趋势,在390km桩号附近中地壳的厚度为8.0km,其深度变化较大的地段可能与该区段复杂的壳幔构造特征有关。

2.1.3 下地壳结构及莫霍面

C2界面与Pm波组确定的M界面之间地层为下地壳。它由2个速度间断面组成,除了在通县下方有局部的低速度体外,其速度为6.4km/s,其它地段均为较弱的梯度层。M界面的速度为6.75～7.00km/s,这相当于中性麻粒岩至基性麻粒组成,与燕山—大兴—延庆剖面段的二维资料解释基本一致。下地壳厚度为13.0～17.0km,其厚度变化较大,北京下方下地壳的厚度为13.0km,285km桩号附近下地壳的厚度为14.0km,总体上显示该层东部坳陷区较薄,西部隆起区较厚。

研究区上地幔顶部莫霍界面基本形态变化的总趋势是由武清至赤城方向逐渐加深,北京至300km桩号之间为莫霍界面斜坡带,M界面在285km桩号附近的深度为36km,在300km桩号附近的深度为39.0km,这与前人给出的工作区M界面等深线的结果是一致的,在约20km的段内深度起伏变化达5.0km,该区段正好位于华北平原与燕山褶断带的过渡带附近,显示出了深部地壳结构变化,这可能与该区段复杂的壳幔构造特征有关。

2.1.4 地壳断裂带

参照测区内已有解释结果,对本剖面的二维速度模型的建立计算处理,获得了以下认识:该区深部地壳结构复杂,从深部构造形态来看,壳内介质在纵向和横向上存在着明显的不均匀性。地壳厚度变化较大。由冀中坳陷区的31.5km向西部燕山山区逐渐加厚至40.0km。二维速度等值线图上存在着明显的不均匀性,在武清凹陷区、通县、北京、怀柔下方速度等值线密集,记录截面上也显示出了震相到时滞后、波形紊乱等,依据观测资料及二维速度等值线和界面起伏变化,沿剖面推测了宝坻—桐柏断裂;夏垫—风河营断裂;顺义断裂;黄庄—高丽营断裂和紫荆关断裂的存在。

2.2 黄骅—玉田剖面

剖面位置:黄骅—玉田宽角反射/折射剖面[19](图1)是一条近南北向的人工地震探测剖面,该剖面南起河北省黄骅县,由南向北依次穿过天津市的塘沽区、汉沽区、宁河,终止于河北省的玉田附近,全长约170km,布设观测仪器113台。

在本剖面的资料解释中利用了以往通过测区的多条地震测深剖面的资料解释结果。并利用与本剖面相交或者重合的剖面段资料获得了二维速度结构与构造(图3),结果表明,从纵向看研究区地壳同样可分为3层结构:上地壳、中地壳、下地壳。

图3 黄骅—玉田剖面二维速度结构与构造图

2.2.1 上地壳结构

回折波Pg穿透的地层以及之后出现的反射波组P1所确定的C1界面之间为上地壳,C1界面的形态基本上是一个比较平坦的界面,其深度在13.0～14.5km范围之内变化,在渤海湾附近塘沽下方C1界面较浅,向北C1界面有略微加深的趋势。该层有2个速度间断面和1组强弱梯度层组成,结晶基底起伏较大,在170km桩号以南盖层较厚,在渤海湾附近盖层厚达6.5km,这与天津—北京—赤城剖面的解释结果基本是一致的。

2.2.2 中地壳结构

P2波组确定的C2界面与C1界面之间的部分为中地壳,C2界面是一相对起伏变化较小的界面,其变化幅度在1.0km左右,C2界面在宁河以北最深处,为21.5km,该层由1个速度间断面C2组成,界面的速度跳跃为0.05～0.10km/s,其跳跃差变化范围之大,同时也表明了该研究区中地壳南北介质变化剧烈,横向地质结构复杂等特征。

2.2.3 下地壳结构及莫霍面

由C2界面与Pm波组确定的M界面之间的地层为下地壳。它由1个强的梯度层组成,下地壳的速度为6.40～7.00km/s,在120km桩号M界面的深度为28km,在140km桩号以后M界面的起伏变化情况与本剖面相交的乐亭—张家口(H-05)剖面、宁河—北京—涿鹿(H-06)剖面的结果基本一致[20]。M界面在140km桩号至160km桩号之间有一斜坡带,由28.0km加深至31.0km,20km范围内加深了约3.0km,在160km桩号以后M界面的变化较平缓,M界面的深度为32.0km左右。在120～160km桩号之间为渤海湾的波及地带,M界面的形态有一隆起的结构特征。从二维速度结构与构造图上看该桩号之间其速度结构变化较大,大致呈现以渤海湾为中心速度成层向两侧逐渐加大的特征。

2.2.4 地壳断裂带特征

经过震相对比、建模及数据计算处理,并参考测区内已有的成果,认为:在渤海湾下方深部地壳结构复杂,从深部构造形态来看,M界面的形态有一隆起的结构特征。其中下地壳速度相对较低,介质在纵向和横向上存在着明显的不均匀性。二维速度等值线图上也显示了明显的不均匀性,同时在记录截面上显示出了震相到时滞后、波形紊乱等特征,这可能表明地壳深、浅部断裂的存在,依据观测资料及二维速度等值线和界面起伏变化,沿剖面推测了沧东断裂和蓟运河断裂的存在。

3 地壳结构特征

3.1 结晶基底特征

根据研究区人工地震剖面基底数据,利用surfer8.0软件克里格方法计算了研究区结晶基底的等深线,从图4中可以看出结晶基岩在山区广泛出露,总的来说从北西向南东逐渐加深的趋势,局部区域也有凹陷形态,可以看出在2个大的低速坳陷带冀中坳陷和黄骅坳陷区结晶基底较厚,研究区结晶基底浅,基岩出露地表最深的达到7.0km左右,一般来说断陷盆地中央结晶基底较深,北京地区深2.0km左右,结晶基底深度在天津东南区域范围内有逐渐加深的趋势,在图示区域里等深线最深处为7.0km。结晶基底起伏比较明显,从结晶基底形态可以清楚地看出研究区域内速度结构与地质构造极其复杂,地壳浅部断裂的发育情况与结晶基底的构造特征有密切的关系,研究表明结晶基底的陡变带、斜坡带及急剧扭转带是地震易发区域。

图4 研究区基底等深线图

3.2 莫霍面结构特征

综合研究区人工地震二维速度模型解释结果[21]的莫霍面深度数据,利用surfer8.0软件径向基函数方法构建了研究区莫霍界面深度图(图5),从莫霍界面等深线图可以看出M界面的起伏非常明显。莫霍面的构造形态显示出如下的特征:地壳厚度总的趋势由华北平原区的32.0km左右分别向燕山山区和太行山区加厚至41.0km,在这个背景上有2个明显的地壳厚度变异带。沿太行山隆起走向的M界面厚度变异带在以延庆、北京、涿州为弧形边界的等深线比弧形周围的怀柔、徐水有明显变化,弧形内部区域有一迅速加深趋势和周边区域发生较为明显扭曲,在涿鹿以后深度变化趋缓,但仍以北西方向逐渐加深;另一厚度变异带在三河—宝坻—唐山沿线厚度异常变化也很明显,等深线的形状像一“锲形”缓慢向南东方向减薄。周围地区与“锲形”区域形成扭转变化,大地震发生常与深部断裂及异常变化带有密切联系,图5中的莫霍面异常变化正好与三河平谷8.0级和唐山7.8级2次大地震相吻合。

图5 M界面等深线图

4 结论与讨论

对于所做过的人工地震剖面进行不同方法、不同角度的重新认识或者是结合其他资料进行联合解释得到更加丰富、更加合理的解释也是我们地学工作者所要考虑的一个问题。我们从经济角度考虑对已做过的剖面进行重新利用和资源整合,既能节约成本又能提高效率,对于以往的解释及结果也是一个很好的补充和完善。

本文对研究区反射/折射地震剖面进行了多次解释以及综合了每条地震剖面的模型数据,利用surfer8.0软件提供的各种方法进行了计算,优选了较为理想的克里格方法和径向基函数算法得到了图4与图5的计算结果,根据二维速度结构解释及等深线计算结果进行联合分析得到了一些共同认识,也对研究区的解释做了有意义的补充和完善,丰富了研究区的解释结果,得到的认识和结论主要有:

(1)从人工地震测深二维速度结构与构造解释结果来看,研究区内地壳上地幔结构具有明显的分层特征,划分为上、中、下地壳,上地壳深度为12～20km;中地壳深度为22～28km;下地壳深度为30～40km。上、中、下地壳内均有低速层存在,在涿鹿、怀来、张北下方,上、中地壳内有低速层出现;而在天镇下方下地壳内有低速层出现。该区地壳厚度整体趋势由东向西逐渐加深,但是局部有异常现象,从莫霍面等深线图上可以清楚地看出异常出现的地区如唐山、北京西部等,北京地区位于莫霍面的斜坡带上。

(2)从结晶基底等深线图及人工地震二维测深宽角反射/折射剖面图上可以看出,该区结晶基底的厚度变化幅度较大,在研究区的西部山区盖层较薄,有的出露地表,而在天津、塘沽下方结晶基底厚度达7km左右。

(3)研究区内的断陷盆地壳幔速度结构的纵向与横向的非均匀性十分明显,地壳呈高低速相间的结构,上部地壳常常发生速度逆转,并存在着高倾角延伸至莫霍面的断裂带,这可以认为是控制该区现代地震活动的主要因素。

(4)从研究区的地质构造背景来看,研究区内存在多组深、浅层断裂,地质结构极其复杂,通过分析该地区地震的分布特征,发现地震一般发生在莫霍面隆起的两侧边缘,及地壳厚度急剧变化的部位,以及中地壳顶部低速层与上地壳高速过渡层的交接部位。据有历史记载以来,该研究区内就是地震多发地区,如唐山7.8级、平谷8.0级及最近发生的张北6.2级地震都发生在该研究区内。这些大地震的发生均与深部构造背景有密切联系,从图5可以看出唐山、平谷下方莫霍面起伏异常明显。

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Study on Upper Mantle Velocity Structure and Tectonic of the Capital Area

WANG Shuai-jun1,2,WANG Fu-yun2,ZHANG Cheng-ke2,HUANG Can3,YANG Ya-qiong4,QI Lang1
(1.University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;
2.Research Center of Exploration Geophysics,CEA,Zhengzhou 450002,China;
3.Zhengzhou seismic station,Zhengzhou 450062,China;
4.Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050022China)

On the basis of observation data of several seismic sounding profiles and model data of multiple profiles section,this paper presents depth contour of the crystalline basement and that of Moho discontinuity of the Capital area,studies the deep crust velocity structure and the tectonic of this area.The deep crust velocity structure and tectonic show strong lateral heterogeneity,shallow basement faults develops well.The Moho surface contour shows the general characteristics of gradual deepening trend from east to west.The highest gradient zone is near Pinggu and Tangshan area in where deep crustal fault zone may exist with low velocity body along the fault zone.

seismic sounding;contour;crust;seismic interface;velocity structure

P315.2

A

1003-1375(2011)02-0006-07

2011-02-25

国家发展与改革委员会“城市活断层试验探测”项目(2004—1138)与2004—2010年国家科技基础条件平台建设项目共同资助,中国地震局地球物理勘探中心科技论著RCEG201107。

王帅军(1978-),男(汉族),在读硕士研究生,主要从事地震测深资料处理与解释等研究.E-mail:wsjdzj@126.com