【doc】北京及附近地区地壳速度结构与构造

【doc】北京及附近地区地壳速度结构与构造 北京及附近地区地壳速度结构与构造 第29卷第2期 2011年6月 华北地震科学 NORTHCHINAEARTHQUAKESCIENCES Vol_29.No.2 JHI1.,2011 文章编号:1003—1375(2011)02—0006—07 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) 摘要: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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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. 关键词:地震测深;等深线;地壳;地震剖面;速度结构 中图分类号:P315.2文献标志码:A 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1O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],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 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 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 断深人.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]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 收稿日期:2o11-02—25 基金项目:国家发展与改革委员会"城市活断层试验探测"项目(2004--1138)与 20042010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着RCEG201107. 作者简介:王帅军(1978一),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.c.m 2期王帅军等:北京及附近地区地壳速度结构与构造7 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L10_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,包括燕山一 阴山隆起区,太行一五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 散布于太行一五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 张家口一蓬莱断裂带(或断陷带),成为燕山一阴山 隆起区与太行一五台断块隆起区以及燕山一阴山隆 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,地质构造极其复杂口?. 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一环县基底断裂. 太行区块与冀鲁区块位于华北断块区中部. ?孔涧大石河断裂?紫荆关断裂?南口一孙河断裂?黄庄一高丽营断裂 ?夏垫一凤河营断裂?宝坻断裂?沧东断裂?蓟运河断裂 图1剖面位置与地质构造图 8华北地震科学29卷 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一渤海地震 带是研究区内主要的地震活动带[1引.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年三河一平谷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.O,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. 2地壳基本速度结构与构造及断裂特征 利用研究区内海兴一阳原一丰镇剖面二维速度 结构与构造研究,塘沽一三河一密云剖面解释结果, 大兴,延庆剖面段数据解释结果,乐亭一张家口剖 面数据资料解释结果,宁河一北京一逐鹿剖面二维 速度结构与构造研究结果,北京,张家口一化德剖 面二维速度结构与构造研究成果,石家庄一喀喇沁 旗剖面段二维数据处理解释结果,北京一怀来一丰 镇剖面地壳上地幔构造与速度的研究[1,文安一蔚 县一察右中旗剖面地壳上地幔构造与速度的研 究l1引,天津一北京,赤城剖面二维地壳速度结构与 构造和黄骅一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_】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[1,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天津一北京一赤城剖面 剖面位置:武清一北京一赤城高分辨深地震测 深剖面[】.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P波组确定的C界面以上为上地壳,C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. 赤城延庆北京武清 一-y————,==二棚寸-'暑——==看薹.?: 一//r\(,…蓥兰 —————R::5.{5…=,厂一一一,一一6.1t—一 .一…一—,,\——/8?': — 卅? ?6\C:=6.> 6.7一厂是.8. 一一 韵一一-,韵一. ————?———/二>>一 r….U 鲁籍拜两.瑟建度值《ks)…推断界瓣(e速度罅值蟪th,$),/推断地壳没部断裂 G结晶基底;C1C2C3壳内反射界面;M莫霍面 F1宝坻断裂;F2夏垫一风河营断裂;F3顺义断裂;F4黄庄一高丽营断裂;F5紫荆关 断裂 图2武清一北京一赤城剖面二维速度结构与构造图 目 2期王帅军等:北京及附近地区地壳速度结构与构造9 2.1.2中地壳结构 P.波组确定的C界面与c界面之间的部分 为中地壳,这一界面深度及形态与由P.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C界面与C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C,界面的速度跳跃为0.05,0.10 km/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 C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, 与燕山一大兴一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,沿剖面推测了宝坻一桐柏断裂; 夏垫一风河营断裂;顺义断裂;黄庄一高丽营断裂和 紫荆关断裂的存在. 2.1黄骅一玉田剖面 剖面位置:黄骅一玉田宽角反射/折射剖面口 (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. G结晶基底;c1,c2,c3壳内反射界面;M莫霍面;T--b天津一北京赤城剖面; H—O2塘沽一密云剖面;?沧州天津一喀喇沁左旗剖面;H—O6宁河北京一涿 鹿,H—O5乐亭一张家VI剖面 图3黄骅一玉田剖面二维速度结构与构造图 10华北地震科学29卷 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P所确定的C界面之间为上地壳,c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 C界面较浅,向北C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,这与天津一北京一赤城 剖面的解释结果基本是一致的. 2.2.2中地壳结构 P波组确定的c.界面与c界面之间的部分 为中地壳,C.界面是一相对起伏变化较小的界面, 其变化幅度在l_0km左右,C界面在宁河以北最 , 深处,为21.5km,该层由1个速度间断面C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C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一张家口(H一05) 剖面,宁河一北京一涿鹿(H一06)剖面的结果基本 一 致2.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12O,160km桩号之问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surf— er8.0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 果妇的莫霍面深度数据,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 2期王帅军等:北京及附近地区地壳速度结构与构造 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一宝 坻一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5M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3O , 4Okm.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,地壳呈高低速相问的 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. 参考文献: [1]Michel,B.,andHirnA.Velocity—depthestimationfromwideangleseismicreflectionarrivals[J].AnnalsdeGeophysique,198 0,36 (1):107-1l8. [2]Cerveny,V.Raytheoreticalseismogramsforlaterallyinhomogenousstructure[J].JGeop hys.1979,46:335—342. [3]刘国栋,史书林,王宝均.华北地区高导层及其地壳构造活动性的关系[J].中国科学(B辑),1984,(9):839848. 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Keywords:seismicsounding;contour;crust;seismicinterface;velocitystructure