东北地区至华北北缘地壳结构的区域差异：地壳厚度与波速比的联合约束

危自根，陈 凌

中国科学院地质与地球物理研究所 岩石圈演化国家重点实验室，北京 100029

1 引 言

东北地区位于西伯利亚和华北克拉通之间，属于中亚造山带东部，主要由松辽盆地、吉黑褶皱带和兴蒙造山带三个构造单元组成[1］.随着晚古生代古亚洲洋和晚中生代蒙古洋的相继闭合，东北地区于白垩纪由多个小陆块拼合成为一个完整陆块[2-3］.地质地球化学资料表明东北地区地壳在新生代受到拉伸减薄，其中生代花岗岩和火山岩时代存在着明显的东西差异[4-5］.与东北地区紧邻的华北克拉通北缘，其岩石圈在中新生代的克拉通构造活化中受到了显著的改造与破坏[6-12］.地震学与其它学科资料观测结果表明，这一地区岩石圈被改造的程度与过程存在着横向差异[13-17］.

作为华北克拉通的边界带和相邻区域，辽东台隆、燕山带和东北地区的岩石圈结构和演化必然与华北克拉通在显生届的构造活化和破坏紧密相关.因此，对这些区域的地壳结构研究能为研究华北克拉通破坏的过程与机制提供重要约束.在这方面前人已经做了大量的地球物理观测研究[1，18-29］，包括：两条地学断面[1，22］的地球物理综合研究、人工源地震勘探[26］、天然地震流动台阵[15，23］和固定台站[28-29］资料的研究等.然而，目前天然地震流动台阵观测和人工源地震勘探只能约束线性区域的地壳结构，而基于天然地震固定台站的研究主要集中在华北北缘部分，从而不能从整体上反映包括东北地区和华北北缘在内的地壳结构区域变化.

利用两条密集线性流动台阵地震波形数据，危自根等[15］采用接收函数 H-κ叠加方法[30］获得了华北克拉通北部边界区域燕山带、辽东台隆和兴蒙造山带台站下方的地壳厚度（H）与平均波速比（Vp／Vs，κ），发现这三个构造区域的地壳结构存在差异.相比于辽东台隆，燕山带的地壳在中新生代的华北克拉通活化中可能经历了更为复杂的后期改造[16］.然而，由于数据空间分布的限制（台阵对研究区线性采样），由它们的结果尚不足以形成对这三个构造区域地壳结构的全面认识.

本研究将综合流动地震台阵与固定台网的观测资料，对比研究东北和华北北缘的地壳结构和性质.通过增加分布在兴蒙造山带、吉黑褶皱带、燕山带和辽东台隆的127个中国地震局固定台站记录的波形数据，并结合危自根等[15］对97个流动台站资料的分析结果，我们共获得了224个地震台站（图1）下方的地壳厚度与平均波速比信息.结合区域地质构造，我们对比分析了上述四个构造区的地壳结构特征及其差异性，并探讨了造成这些结构差异的原因.

2 数据与方法

本文研究数据包括两部分.新增加的127个固定台站分布在东北和华北北缘的广大区域，对兴蒙造山带、吉黑褶皱带、燕山带及辽东台隆形成较好的空间覆盖（图1）.其数据来自中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”，包括从2007年7月到2010年7月的远震资料[31］.其余97个流动地震台站组成的两条线性台阵为中国科学院地质与地球物理研究所地震台阵实验室执行的“华北内部结构计划”第三期（NCISP III，2003—2004年）和第六期（NCISP VI，2007—2008年）在华北东北边界及其附近区域的观测实验，分别沿N—S和NW—SE向穿越兴蒙造山带、燕山带和辽东台隆（图1）.危自根等[15］采用接收函数 H-κ叠加方法已经获得了台阵下方的地壳厚度与波速比分布.本文所选用的远震事件震中距为30°到90°（图1右上角插图），震级都大于5.5级.大多数地震事件分布在背方位角110°到230°之间.

接收函数是由远震径向分量和垂直分量反褶积得到的时间序列，由于扣除了震源效应和传播路径的影响，因此非常适合用来研究地壳和上地幔间断面的结构信息.接收函数波形记录中，紧随直达P波之后的来源于Moho面的转换震相主要为Ps转换波和PpPs及PpSs+PsPs地表多次波.利用这些转换震相和地表多次波与直达P波的到时关系可以约束Moho间断面的深度与地壳平均波速比[30］.

构造一个H-κ平面内的叠加函数s（H，κ），

其中，H为地表到Moho面之间的厚度，κ为地壳平均P波和S波速度之比，r（t）为径向接收函数，tPs，tPpPs，tPpSs+PsPs为不同震相的理论到时，WPs，WPpPs，WPpSs+PsPs为加权系数，且WPs+WPpPs+WPpSs+PsPs=1.最佳的地壳厚度与波速比对应H-κ平面上最大能量值，详情可参考[16，30］.

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上述方法即为Zhu等[30］提出的接收函数的H-κ方法，该方法的主要优点是不用人工挑选震相走时，故而可以避免挑选震相时人为因素的影响.该方法产生的误差可以用下列公式估计[30］：

其中，σs为叠加函数s（H，κ）的均方差，σH和σk分别为H 和κ的均方差.

本文采用最大熵谱反褶积方法提取接收函数[32-33］，然后在0.03～0.5Hz范围内滤波（该频段充分平衡了高频噪声干扰和低频较低分辨率的影响）.在人工挑选接收函数过程中，由于不同台站数据的质量存在一定差别，我们根据Moho面Ps转换波和多次反射波的波形特征和识别程度，把台站数据分为三类（图2）.如果Ps和PpPs震相清晰并且具有很好的一致性，这些台站列入“良好”、如台站LNWFD；如果Ps震相容易识别，但是PpPs波却受到某种程度干扰，则为“中等”，例如台站HLYIL；假如Ps和PpPs都受到干扰，则为“较差”，例如台站LNLHT.通过分类，良好、中等和较差的台站数目分别为112，87，25（图1和表1），其中绝大多数数据较差的台站位于盆地边缘和构造带交界处.

经过挑选，接收函数都超过50个的地震台站被用来做进一步研究.参考前人在研究区域人工源地震勘探[1，22，26］和天然地震 成像结 果[23］，根据区 域地质情况，选取6.35km／s和6.15km／s分别作为海拔高于100m和低于100m的地壳平均P波速度来估计最终的H-κ叠加结果.基于三震相信噪比顺序减小的特点，经过大量测试，选取0.6，0.3，0.1分别作为Ps，PpPs和PpSs+PsPs的加权值（不同加权值组合对结果影响非常小）.

3 结 果

本文通过对分布相对均匀的固定台站下方接收函数的H-κ叠加分析，并结合前期对两条线性密集流动台阵的研究结果[15］，获得了东北地区和华北克拉通北缘地壳厚度与平均波速比的区域分布（图3，表1）.

如图3所示，研究区域地壳厚度整体上从松辽盆地（～30km）向四周造山带逐渐增加.具体表现为：辽东台隆地壳中间厚四周薄，主要在29～35km变化，平均值～32km；燕山带地壳厚度由东往西逐渐增加，主要在28～40km变化，平均值～34km；兴蒙造山带地壳东薄西厚，主要在31～39km变化，平均值为～35km；吉黑褶皱带则表现为地壳南东厚北西薄，主要在28～37km变化，平均值为～33km.相比于东侧吉黑褶皱带和辽东台隆＜37km厚的地壳，西侧兴蒙造山带和燕山带的最大地壳厚度接近40km.地壳平均波速比在研究区变化显著，尤其是在松辽盆地和渤海湾盆地周边以及构造边界处和郯庐断裂带附近变化比较复杂，并且出现局部增高（＞1.87）.在兴蒙造山带和辽东台隆，波速比变化相对较小，都主要在1.71～1.83范围内变化，平均值都约为1.77；而在燕山带和吉黑褶皱带变化则相对较大，分别在1.70～1.91和1.72～1.89范围内变化，平均值也相对稍高（～1.79）.

表1 研究区域台站下方地壳厚度（已去掉地形）和Vp／Vs比（κ）的分布Table 1 Crustal thickness（altitude removed）and Vp／Vsratio（κ）under the stations

续表1

续表1

图5 研究区域不同构造带的地壳厚度（a，b，c，d）与地表地形以及Vp／Vs（e，f，g，h）的相关性Fig.5 Altitude versus crustal thickness（a，b，c，d）and Vp／Vsratio versus crustal thickness（e，f，g，h）in different tectonic units of the study region

其中，H代表地壳厚度（去掉地形），A表示海拔，单位为km，相关系数R为0.63.研究区地壳厚度与波速比没有明显的相关性（图4c）.图5展示了四个构造带各自的地壳厚度与海拔以及波速比的分布.从图中可以看出，兴蒙造山带、辽东台隆和燕山带三个区域的地壳大致随着海拔增高而逐渐增厚，其相关系数R分别为0.57，0.60和0.31，而吉黑褶皱带地壳厚度与海拔则显示出不相关性质（R=0.13），主要表现为地壳厚度从～28km到～37km的显著变化，而海拔变化较小（～100-600m）.兴蒙造山带、辽东台隆和燕山带的地壳厚度与波速比表现出弱的负相关关系，而吉黑褶皱带则没有这种关系.（尽管本文采用的吉黑褶皱带台站数量相对较少，但分布比较均匀，且在海拔相对较高和较低区域都有覆盖（图1），因此本文的研究结果基本反映了吉黑褶皱带的地壳结构特征）.

4 讨 论

4.1 与前人结果对比

我们通过对比基于不同方法获得的地壳厚度分布（图6），对研究区的地壳结构做了进一步分析.对比结果显示，采用接收函数H-κ叠加方法得到的东北地区地壳厚度变化图像与前人基于人工源资料获得的结果具有较好的一致性.Li等[26］采用深地震测深资料获得了中国大陆的地壳厚度分布（图6b），发现在本文研究区，燕山带最西端和兴蒙造山带内部（～45°N）的地壳较厚，可达～40km.我们在这两个区域同样得到了约40km的地壳厚度（图6a）.沿满州里—绥芬河地学断面，广角地震测深资料显示，该区域普遍存在纵波波速＞7.2km／s的壳幔过渡带[34］（图6c中虚线和莫霍面之间）.本文采用接收函数H-κ叠加方法得到的沿断面的地壳厚度均落在这一壳幔过渡带深度范围，其中在兴蒙造山带（满洲里—大庆）内位于壳幔过渡带底边界附近，而在吉黑褶皱带内（哈尔滨—穆棱）则接近于壳幔过渡带顶部（图6c中红点）.这一特征可能反映了壳幔过渡带波速随深度的变化及其相关的壳幔相互作用存在区域差异.此外，本文沿NCISP III和VI两条流动地震台阵获得的地壳厚度与接收函数波形反演[35］和偏移成像[36］得到的结果也基本一致（图6d，6e）.

采用不同方法得到的区域地壳厚度分布的一致性（图6）进一步证明了本文以及前人研究结果的可靠性.对于某些台站，不同方法得到的地壳厚度存在较大的差别，可能来自于以下几方面的原因：（1）采用不同资料或方法揭示的是地壳结构不同方面的特征.比如，高频人工源反射波对尖锐的波速和密度跳变（间断面）结构敏感，而远震接收函数转换波则反映相对宽缓的速度随深度的变化；（2）小尺度的复杂结构变化会增加研究结果的不确定性，增大不同结果之间的差异.例如当存在厚的壳幔转换带结构时，由不同方法、不同频率资料获得的地壳厚度估计往往存在明显差别[37-38］.

图6 采用不同地震学方法获得的研究区地壳厚度对比（a）接收函数H-κ叠加得到的地壳厚度分布（本文）；（b）由人工地震资料得到的地壳厚度分布[26］；（c）中国满州里—绥芬河地学断面下方的地壳P波速度[34］，红点表示接收函数H-κ叠加结果；（d）NCISP III台阵下方接收函数H-κ叠加结果[15］（圆圈）和波形反演结果[35］（红点）的对比.（e）NCISP VI台阵下方接收函数 H-κ 叠加结果[15］（圆圈）和偏移成像结果[36］（红点）的对比.Fig.6 Comparison of crustal thickness by different seismological methods（a）Distribution of Hby H-κstacking of RFs in the study region.（b）Distribution of Hby active seismic exploration[26］.（c）P wave velocity under the Manzhouli-Suifenhe Geoscience Transect[34］，red dots represent Hby H-κstacking of RFs.（d）Hon the profile NCISP III from H-κstacking of RFs[15］（circles）and waveform inversion of RFs[35］（red dots）.（e）Hon the profile NCISP VI from H-κstacking of RFs[15］（circles）and receiver function migration[36］（red dots）.

4.2 地壳结构特征与横向密度变化

本文接收函数H-κ叠加结果表明，研究区域地壳结构特征与区域地质构造密切相关.地壳厚度从松辽盆地向四周造山带逐渐增厚（图3），与地表地形大致对应.地壳总体较薄，尤其是在松辽盆地周边区域薄于30km，具有典型大陆伸展裂陷区的地壳厚度.这与这些区域在中新生代经历了广泛的构造伸展并且伸展中心位于松辽盆地的特征是一致的.总体来看，地壳在重力梯度带西侧比东侧明显增厚，与地表地形相对应，这种现象在东北地区尤其明显，可能与两侧区域显生届以来截然不同的浅表地质构造与深部地幔动力学过程有关[21，24，34］.辽东台隆、燕山带、吉黑褶皱带和兴蒙造山带四个构造带的地壳厚度与波速比呈现出不同的变化特征（图5），可能反映了不同构造单元在区域动力学背景下具有不同的构造响应.

艾利均衡模型认为山区地壳存在山根，地表起伏引起的重力异常由山根厚度变化来补偿，因此地壳随着地表海拔的增加而逐渐增厚.上文所述（图4b），研究区地壳大致随着海拔增高逐渐增厚，相关系数R为0.63，决定系数R2=0.4，暗示地壳厚度中只有40%的信息可以被海拔高程解释（假设地壳达到均衡状态），表明地壳厚度与海拔的相关性相对较弱.研究区地壳厚度与波速比也没有明显的相关性（图4c）.这些现象揭示了该区域地壳结构的横向不均匀性，暗示地壳存在着横向密度变化.地壳密度的不均匀性得到了重力[4，21］和磁场资料[4］的证明.研究区域大范围分布的不同时期的花岗岩与火成岩[5-6］，由于各自密度差异可能会产生地壳密度横向变化.中—新生代的热构造事件可能不同程度地改变了局部区域地壳厚度与成分，从而造成地壳厚度与海拔之间相对较弱的相关关系和波速比值的复杂变化.

4.3 地壳结构区域差异

本文通过接收函数H-κ叠加方法得到的地壳厚度与波速比的分布特征表明东北地区至华北北缘地壳结构存在明显的东西差异（图3，5）.这种差异同样被其 它 地 球 物 理[4，26，39］和 地 球 化 学[5-6］资 料 所证明.我们研究发现，地壳结构的东、西差异在东北与华北北缘两个区域表现出截然相反的特征.东北地区东侧吉黑褶皱带相比于西侧兴蒙造山带具有较薄的地壳和复杂的波速比，而华北北缘地壳东侧辽东台隆相比于西侧燕山带具有小范围变化的地壳厚度和相对稳定的波速比.

4.3.1 东北地区东西差异

东北地区主要包括兴蒙造山带、松辽盆地和吉黑褶皱带（图1）.由于盆地厚的沉积层多次波对深部结构震相的干扰，本文无法有效约束松辽盆地内部的地壳结构.然而，我们获得了松辽盆地边界区域（包括位于华北北缘部分）相对可靠的地壳厚度与波速比.研究结果显示（图3，5），这些盆地边界区域的地壳都比较薄，最薄处只有～28km，这与两条近SE—NE向穿过东北地区的地学断面得到的结果一致[1，22］.波速比在边界处变化复杂，高低值共存，暗示了地壳结构强烈的横向不均匀性.

研究结果显示东北地区东侧吉黑褶皱带和西侧兴蒙造山带地壳结构存在明显差异（图3，5）.整体上兴蒙造山带地壳相对较厚，波速比相对稳定，地壳厚度与海拔相关系数为0.57；而吉黑褶皱带地壳相对较薄，波速比变化范围大，地壳厚度与海拔相关系数仅为0.13.东北地区地壳结构的东西差异已被其它地球物理学观测资料所证明.郝天珧等[18］通过对重力场、磁场、电性结构与深地震测深资料的研究认为中国东部及其邻域具有东西分带、南北分块的特征.地球化学研究发现东北地区花岗岩的形成年代存在东西差异，西侧兴蒙造山带的花岗岩主要形成于早白垩纪，而东侧吉黑褶皱带的花岗岩则主要形成于侏罗纪[5-6］.这反映两个区域中生代以来的地壳构造演化过程有所不同.

地质资料表明[40］，兴蒙造山带主要由相对简单的额尔古纳和兴安古陆块组成；而吉黑褶皱带则是由多个小古陆块拼合的块体（例如松嫩、张广才岭、佳木斯、老爷岭、兴凯、布列亚等古陆块），因而自形成时地壳结构可能更加复杂.侏罗纪以来，东北地区主要受到太平洋板块向欧亚大陆俯冲的影响[5-6，41］.侏罗纪时期，东北地区遭到了强烈的陆内挤压造山过程；白垩纪蒙古洋闭合后，该地区作为一个构造整体遭到了强烈的陆内伸展作用，造成岩石圈和地壳的减薄以及广泛的岩浆作用[2-3，5-6］.与兴蒙造山带相比，吉黑褶皱带由于更靠近太平洋板块前缘从而可能受到其更大的影响.这与本文获得的兴蒙造山带和吉黑褶皱带下方差异显著的地壳结构是一致的.兴蒙造山带较厚的地壳和相对稳定的波速比，东部吉黑褶皱带较薄的地壳和复杂的波速比以及地形与地壳厚度的非镜像关系，可能代表了这两部分对太平洋板块俯冲不同程度的响应.相比于西侧兴蒙造山带，东侧吉黑褶皱带可能由于其自身的地壳结构复杂性和更靠近太平洋板块前缘从而在中新生代遭受到了更为严重的减薄与改造.

4.3.2 华北北缘东西差异

危自根等[15］通过对两条线性密集流动台阵下方地壳结构的研究认为华北北缘西侧燕山带比东侧辽东台隆可能经历了更为强烈的后期改造.通过在该区域增加近均匀分布的固定地震台站（台站数目接近危自根等[15］三倍），我们得到了更全面的地壳结构信息.研究表明燕山带和辽东台隆的地壳厚度与波速比呈现出弱的负相关性并且比危自根等的结果[15］更加明显（图5）.Ji等[42］认为这种关系可能是由相对富集长英质（较低波速比）的中上地壳减薄和下地壳铁镁质物质（较高波速比）底侵共同引起.研究区域中新生代火山岩和变质核杂岩的出露[14-15，43］证实了这两种作用的存在.研究结果表明燕山带和辽东台隆地壳结构差异非常明显（图3，5）.辽东台隆地壳相对较薄且厚度变化范围小，波速比相对稳定，地壳厚度与海拔相关系数为0.60；而燕山带地壳相对较厚且由东向西厚度显著增加，波速比分布范围也较大，地壳厚度与海拔相关系数仅为0.31.这种地壳厚度的东西差异和变化趋势与卢造勋等[1］得到的内蒙古东乌珠穆沁旗至辽宁东沟地学断面结果一致.

地壳结构差异特征表明，相比于辽东台隆，燕山带地壳结构更加复杂，经历的后期改造可能更加强烈和不均匀.复杂的地壳改造过程可能不同程度地改变了局部区域的地壳厚度与成分，从而造成燕山带地壳厚度和波速比值的复杂变化.与东北地区单一的NNE构造走向不同（图1，3），重力梯度带在华北北缘呈现出E—W和NNE走向共存，表现为该区域重力梯度带附近地壳结构的复杂变化（图3）.前人研究表明[14-15］，华北北缘在中生代经历了与中亚造山带增生（E—W 走向）和太平洋板块俯冲（NNE走向）相关的复杂的挤压和伸展变形并伴随着强烈的岩浆活动.这两种构造过程可能造成了华北北缘地壳结构的不均匀改造，相对于燕山带，东侧的辽东台隆可能主要受太平洋板块俯冲影响，地壳改造相对较为均匀.

5 结 论

通过对分布相对均匀的127个固定台站下方接收函数的H-κ叠加分析，并结合危自根等[15］对两条线性密集流动台阵的研究结果，我们获得了东北地区和华北克拉通北缘地壳厚度与平均波速比信息.

（1）研究区域地壳总体较薄，波速比变化复杂，地壳厚度与海拔的相关关系存在区域差异.这些结果表明了地壳结构的强烈横向不均匀性，暗示着地壳在中—新生代可能经历了强烈且不均匀的减薄与改造.

（2）东北地区地壳结构存在明显的东西差异.西侧兴蒙造山带地壳较厚且大致随着海拔增高逐渐增厚，波速比变化相对平稳.东侧吉黑褶皱带地壳较薄且地壳厚度与海拔不成镜像关系，波速比变化明显.这种差异可能来自于这两部分对太平洋板块俯冲不同程度的响应.相比于西侧兴蒙造山带，东侧吉黑褶皱带由于其自身的地壳结构复杂性和更接近太平洋板块前缘从而在中新生代遭受到了更为严重的减薄与改造.

（3）华北北缘地壳结构呈现出明显的东西向差异.东侧辽东台隆地壳相对较薄且厚度变化范围小，波速比相对稳定；西侧燕山带地壳相对较厚且由东向西厚度显著增加，波速比分布范围较大.这一特征表明了这两部分对中亚造山带增生（E—W走向）和太平洋板块俯冲（NNE走向）构造过程的不同响应.与辽东台隆相比，燕山带地壳经历了更复杂的改造.致 谢 中国科学院地质与地球物理研究所地震台阵实验室提供流动地震数据资料；中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”提供固定台站地震波形数据；郑天愉和王炳瑜分别提供地壳结构的接收函数波形反演和偏移成像结果；评审专家给出了建设性意见和建议，在此一并致谢！

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