华北地区以往天然地震层析成像结果

自20世纪80年代以来，国内的许多地球物理学家利用天然地震层析成像技术研究华北地区壳、幔结构做了大量工作，取得了许多重要成果。

1989年，刘福田等利用中国地震台网及ISC提供的区域地震和远震的P波走时数据，采用层析成像技术重建了中国大陆及其邻区的P波三维速度图像。成像反演的地震资料取自区域（18°～54°N,73°～135°E）内887个地震台站，1981～1987年间发生在该区的1569个地震和55个远震，共用了50485个P波到时数据，到时误差一般小于0.3 s。成像的结果显示，中国大陆以102.5°E附近为界，东部地壳薄，其厚度都小于45km; 110km深度处的P波速度图像表明，研究区内P波最高速度不大于8.30km/s，最低速度不小于7.90km/s；而中朝准地台内，除阿拉善台隆和内蒙地轴为高速区之外，其余地区均为低速区。对于中国大陆相当多的地区，软流层有明显的显示，深度为220km（刘福田等，1989）。

1990年，陈立华、宋仲和利用北京台网、天津、河北、山西和陕西的82个地震短周期近震体波资料研究了华北地区地壳和上地幔P波速度结构。如图5.1所示，华北地区划分为燕山台褶带、太行山隆起、山西地堑和鄂尔多斯地台四个单元。近震体波反演的结果显于图5.2中。I区低速层深度为61.5km，厚度10.0km，速度7.60km/s；Ⅱ区低速层深度为58.0km，厚度21.0km，速度7.60km/s；Ⅲ区低速层深度76.0km，厚度18.0km，速度7.70km/s；Ⅳ区，地幔顶部没有明显的低速层。由此得到，I区的地壳厚度为35.5km，地壳平均速度6.00km/s；Ⅱ区的地壳厚度为36.0km，地壳平均速度5.94km/s；Ⅲ区的地壳厚度为46.0km，地壳平均速度5.90km/s；Ⅳ区的地壳厚度为47.0km，地壳平均速度5.74km/s（陈立华等，1990）。

陈国英等于1991年发表题为“华北地区三维地壳上地幔结构”的论文，介绍了用均等显示滤波频时分析方法分析长周期瑞利面波资料，获得路经中国大陆及邻区的238条混合路径的面波群速度频散，其周期范围为10.5～113 s；并用改进的分格反演方法反演位于华北地区的12个4°×4°平面网格单元的地壳上地幔结构。其结果表明华北地区地壳上地幔结构横向变化显著，从东向西地壳逐渐变厚。位于华北东部的几个分格的地壳中约20km深处大多有低速层存在，其厚度约5～8km；地壳较薄，厚度一般约为35km。整个华北地区岩石层较薄，上地幔低速层的埋深约在55～100km之间，低速层的速度不尽相同，约为4.20～4.10km/s。横波速度结构表明，鄂尔多斯地块内部地壳比周缘厚，地壳厚度为43km，壳内平均速度较高约3.69km/s。地壳内未发现低速层，壳内速度随深度递增。上地幔低速层的埋深较相邻的太行山断裂深，其低速层的速度较高，表现出稳定地壳的上地幔特征。

图5.1 华北地区台站和震中位置分布示意图

（据陈立华等，1990）

图5.2 华北地区地壳、上地幔速度模型

（据陈立华等，1990）

宋仲和等选取中国27个地震台的763长周期仪器和世界标准地震台网（WWSSN）3个台的长周期地震仪记录的1985～1987年中国境内和邻区75个浅源地震的238条面波路径资料，利用适配滤波频时分析技术和改进后的网格反演方法，得到中国东部及其邻海地区三维S波速度结构。

根据该区S波三维速度结构可以看出，鄂尔多斯地台以东地壳厚度自东向西、自南向北均变大。太行山以西，地壳厚度为38～39km，以东为32～36km；中朝地块地壳平均速度为3.49～3.59km/s，其中华北平原、渤海为3.49～3.53km/s；华北平原和山西隆起地壳中见有低速层，后者下地壳速度相当大，达3.90～4.00km/s；这两地区的上地幔低速层埋深小，为73～78km/s，山西隆起的低速层厚度大，华北平原则相对较薄。中朝地块北缘和内蒙—大兴安岭褶皱系的复合地区，地壳中有低速层，上地幔低速层埋深较大、厚度小或层中速度较大，相对于华北平原和山西隆起来说，上地幔比较“稳定”。渤海地区下地壳速度低，为3.60km/s，上地幔低速层埋深只有62km，地壳较薄且平均速度略低，为3.49km/s（宋仲和等，1992）。

渤海为我国东部的陆缘海湾，地质上属于华北地台东缘的新生代裂谷系，构造的总体走向为北北东向。1993年，孙若昧等由渤海周边地区地震台网记录的P波到时进行层析成像研究，获得了该区地壳、上地幔速度结构的一系列新信息，并由此得出结论：①渤海的地壳厚度小于32km，是上地幔隆起的地壳减薄区；②燕山地区的地壳厚度大于32km；③华北平原地壳厚度在32km左右；④胶东半岛—渤海—张家口活动断裂带（渤张断裂）为北西向活动构造，由几段断裂或稳伏断裂相接而成，属壳内断裂；⑤渤海内的软流层顶面大约110km深，而过唐山到燕山地区陡然变厚，直到180km深度尚未发现软流层；⑥渤海内的郯庐断裂带东侧可能是上地幔物质甚至是软流层物质的上涌通道（孙若昧等，1993）。

为了建立中国及邻区地球内部的三维结构图像，研究各圈层的横向变化及深部动力过程，朱介寿等在1997年对国内外近年来有关的研究成果进行整理，并按统一的数据处理及反演方法，以2°×2°平面网格的节点为点模型构成数据库单元，构建该区地球三维速度模型数据库。三维速度模型分层包括地壳、岩石圈地幔、软流圈、过渡层、下地幔、外核和内核。其中，地壳分层参数主要根据搜集到的人工地震剖面的结果选定的。上地壳P波速度为4.5～6.0km/s，中地壳为5.8～6.6km/s，下地壳为6.4～7.4km/s。对于地壳以下的上地幔、软流层等等，其分层参数主要来源于天然地震面波及体波资料的反演结果。

应用地球三维速度模型数据库研究地壳、上地幔速度结构发现：东经105°以东的区域，当深度为50km时，已进入上地幔；以西的区域仍处于中、下地壳中；沿大兴安岭—太行山—武陵山有一条呈北东向的速度梯度带，它与中国著名的东部重力梯度带基本吻合。当深度为100km时，中国东部已全部进入软流圈。沿北纬38°附近大圆路径断面可以看出，塔里木有巨厚的岩石圈根，到300km深尚未发现软流层。华北平原—渤海等地，岩石圈仅80～100km厚，软流层的速度较低（朱介寿等，1997）。

多年来，国内众多的地球物理工作者利用天然地震资料研究中国大陆地壳及上地幔的工作始终不断，取得了越来越多的认识。徐果明等在2000年发表了用瑞利波资料反演中国大陆东部地壳、上地幔横波速度结构的结果。他们利用中国大陆东部21个台站43条面波大圆路径上瑞利波记录的双台资料，计算出双台间地震面波相速度频散，并基于概率反演方法求相速度频散曲线的分布，继而反演出地壳、上地幔S波速度结构。

其研究的结果同样表明，中国大陆东部地壳的厚度为32～52km，呈东薄西厚的总趋势，具体分布如图5.3所示；但由图可明显看出，中国大陆东部存在的北东向地壳厚度斜坡带呈“h”型分布，位置并不与太行山前重力梯度带重合。

图5.3 用面波双台法得到的中国大陆东部地壳厚度分布图

（据徐果明等，2000）

Ⅰ—大别山；Ⅱ—山西地堑

图5.4为中国大陆东部S波速度5条典型剖面的位置图。其中，A-A’剖面沿北纬36°方向，B-B’剖面沿北纬30°方向，D-D’剖面沿北北东方向穿越秦岭，E-E’剖面沿东经115 °方向。

图5.5为中国大陆东部不同地区地壳、上地幔S波速度典型剖面。由A-A′ 剖面可见，以河北献县到山东单县为界，上地幔低速层埋深在东部地区约90km，低速层中速度可达到4.1km/s；向西经华北新生代裂陷盆地逐渐上升到太行山隆起区的80km，低速层中速度约4.3km/s；山西中部断陷区南段为上地幔低速层从东向西下降的斜坡带，其西部块体上地幔低速层的埋深约125km，低速层中速度约4.3km/s；山西中部断陷区南段及其东的块体上地幔低速层的埋深约80km，低速层中速度约4.2km/s。这些结果与陈国英等、宋仲和等给出的华北平原和山西隆起上地幔低速层的埋深（73～78km）相比偏深些，但低速层中的速度值基本一致。而与响水—满都拉GGT地学大断面上MT探测提供的华北平原和山东地区的岩石圈厚度（83km,100km）相比偏小些。

图5.4 中国大陆东部S波速度典型剖面位置图

（据徐果明等，2000）

图5.5 中国大陆东部不同地区地壳、上地幔S波速度典型剖面图

（据徐果明等，2000）

（a）A-A′剖面；（b）B-B′ 剖面；（c）D-D′剖面；（d）E-E′剖面

B-B′ 剖面显示，东经105°以西，上地幔低速层深度大于160km，东部约130km；而在东经114⁰～116°之间，上地幔低速层顶面抬升90km，从118°向东，进一步抬升到80km左右。

E-E′ 剖面显示，在东经115°沿南北方向，华北地块低速层顶面深度大致在80～85km左右，在小五台山地区莫霍面下沉，上地幔低速层也明显下沉（徐果明等，2000）。

纵观前人的研究成果，得到一个突出的印象是：多数学者对华北地区壳、幔结构的研究都认为在华北地区地壳和岩石圈都是减薄的；但对它们的厚度大小、分布规律的认识却各有不同。因而，还存在许多有待探讨的问题。在我们的研究中，关于地壳深度的结果主要依据人工地震资料；而关于上地幔深度的讨论，则也是建立在天然地震资料的基础上。