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一、首都圈地区的三维地壳结构
1. 多条人工地震测深剖面联合反演 在首都圈已有人工地震测深宽角反射/折射剖面中,选择了其中 6 条剖面联 合反演计算。这 6 条剖面是 NE 向的石家庄—喀喇沁旗和太原—宣化 2 条剖面, NW 向的文安—蔚县—察哈尔右翼中旗和盐山—大兴—延庆 2 条剖面,以及 NWW 向的北京—怀来—丰镇剖面和 NNW 向的塘沽—密云剖面 2 条剖面(

图 2.3.1)。同 时得到了每个剖面的二维速度结构(图 2.3.2)。由上述 6 条人工地震测深剖面处 理结果,再进行线性内插,得到首都圈地区三维地壳速度结构(图 2.3.3a、b)。

图 2.3.1 首都圈地区联合反 演地震宽角反射/折射剖面位

图 2.3.2 北京-怀来-丰镇 剖面地壳速度结构

由图 2.3.3a 可见,在首都圈地区的地壳可分为上、下 2 层结构。由地表至 P2 波的反射界面(康氏界面)之间为上地壳, 康氏界面以下到莫霍界面之间为下地

图 2.3.3a 首都圈地区地壳三维速度

图 2.3.3b

首都圈三维地质结构示意图

①沉积盖层;②上地壳上部结晶基底;③上地壳下部角闪岩类变质岩;④下地壳麻粒岩类变 质岩;⑤上地幔尖晶石二辉橄榄岩;⑥上地幔尖晶石-石榴石-二辉橄榄岩;⑦低速体

壳(图 2.3.4)。区域内地壳由东南向西北方向逐渐变厚。东南部华北平原区地壳 厚 31~34 km,天津地壳厚 31~32 km,由天津向西北逐渐变厚。大兴、保定向 西北地壳等厚线变密,由 33~34 km 很快变厚到 37 km。北京、易县、涿鹿之间 莫霍面较平缓,地壳厚度约 39 km,张家口一带厚 42 km,蔚县、涞源向西南地 壳厚度变化不大,一般为 40 km。 首都圈地区上地壳包括沉积盖层及其下的结晶基底两个基本组成部分,由 3 个不同的速度梯度层组成: 第 1 层为新生代低速沉积盖层,速度一般为 2.00~ 3.50 km/s;第 2 层为一强速度梯度层,速度从盖层以下的 3.00~4.20 km/s 急 增至结晶基底顶部的 5.70~5.90 km/s;第 3 层为下部的弱速度梯度层,速度由 6.10km/s 左右增至底部的 6.40 km/s。 结晶基底起伏变化较大, 最深处约 7.00 km, 最浅处接近地表 (图 2.3.4a)。 上地壳厚度变化不大,总的趋势是东薄西厚。最浅部位于东部的三河、宝坻 一带,为 20~21 km,北京附近为 22 km,至张家口北西加厚到 23~24 km。在

图 2.3.4a 首都圈地区 M 界面形态示意图

图 2.3.4b 首都圈地区结晶基底

北京—涿鹿间上地壳较厚,为 24 km。易县至蔚县北为一康氏面隆起区,上地壳 厚度为 21km 左右。 由蔚县向涞源方向上地壳迅速变厚, 至研究区边缘约为 26 km。 其它地区上地壳厚度大致在 22~24km 之间变化, 且存在着局部起伏(图 2.3.4b)。 首都圈地区下地壳也由两层组成,上层为一弱速度梯度层,速度为 6.5 km/s~6.6 km/s。下层为一强速度梯度层,靠近莫霍界面 3.0~4.0 km 附近,速 度值由 6.7 km/s 迅速增加到 7.1 km/s,反映了壳幔过渡的基本特征。下地壳厚 度有自东向西逐渐加厚趋势,东部下地壳厚约 10 km,西部最厚为 19 km。涞水、

北京、密云等地的东南部下地壳等厚线走向为 NE 向,由天津附近的 10 km 向西 北逐渐变厚,涞水、北京、密云一线厚 14 km。西部以昌平、怀来、宣化为界分 为南北两部分: 北部下地壳等厚线走向为 NEE 向,其东部的昌平北下地壳厚约 15 km,向西逐渐变厚,到张家口约 19 km;南部一线相当于太行—五台山断隆 区,下地壳等厚线的走向呈 SE 方向,厚度由昌平、怀来附近的 16km,向西南逐 渐变薄。北京西至涿鹿间有一下地壳较薄区,厚度约 15 km;易县至蔚县北下地 壳厚度 16~17 km,蔚县、易县向西南方向下地壳变薄至 13 km。 根据构造地质解释的 7 条地震剖面,包括石家庄—喀喇沁旗、太原—宣化、 文山—蔚县—察哈尔右翼中旗、盐山—大兴—延庆、北京—怀来—丰镇、塘沽— 密云以及繁峙—怀安—太仆寺旗剖面,建立了首都圈地区三维地质结构示意图 (图 2.3.3b)。 (1)上地壳:由顶部沉积盖层、上地壳上部和上地壳下部等组成。上部底界 速度 6.20km/s,深度 12~16 km,总的趋势是变化不大,东边较薄,西边较厚。 上地壳下部速度 6.20~6.40 km/s,底界深度变化在 20~24 km 之间,东浅西深, 最浅部位于东部的三河、宝坻一带,埋深 20~21 km,北京附近 22 km,至张家 口西北深 24 km 左右,易县至蔚县上地壳下部有上隆现象,埋深仅 21 km 左右, 由蔚县向涞源方向加深达 26 km。 (2)下地壳:厚度由东南向西北逐渐加厚。在东南部华北平原区地壳厚度为 31~34 km;北京、易县、涿鹿之间莫霍面较平缓,地壳厚度 39 km;向西北到 张家口一带地壳厚 42 km。蔚县、涞源向西南方向厚度变化不大,在 40 km 左右。 (3)上地幔:顶部主要由尖晶石二辉橄榄岩组成,向深部逐渐转变为石榴石 二辉橄榄岩。 2. 地震转换波研究结果 应用地震转换波法地得出了首都圈地区上地壳中的稳定界面 G 和地壳底面 M,测出了不太稳定的中地壳顶面 C。该方法对研究界面起伏精度较高,因此根 据转换波结果做了地壳的主要界面 G,C 和 M 界面的等深线图 2.3.5。图中还给 出了中地壳低速层厚度、高电导层深度和大地热流值分布。 G 界面埋深 4~12 km,界面起伏强烈,最大幅度可达 8 km。由图 2.3.5 可 见 G 界面上存在明显的 NW 向和 NE 向构造。NW 向密云—唐山 G 界面隆起带,最

浅处为 3~4 km,隆起幅度为 4~5 km。隆起带的西南侧为昌平—怀柔—三河— 武清—宁河 G 界面坳陷带,埋深 8~12 km,是本区 G 界面埋深最大地带。此外 沿蔚县—沧州 NW 方向有一隐约可见幅度不大的 G 界面凹陷带;NE 向构造为隆坳 相间的条带,自东向西分布着塘沽-黄骅凹陷带(埋深 8 km 以上),天津—静海 隆起带(埋深 5~6 km),武清—文安凹陷带(埋深 10~12 km) ,大兴—涞水隆起 带(埋深 5~6 km),昌平—云蒙山凹陷带(埋深 8~12km)以及八达岭—涞源隆起 带(埋深 6~7km); 向隆凹条带之间形成 NE 向 G 界面梯级带, NE 埋深变化可达 4~ 6 km。梯级最大地段在唐山附近,三河—平谷一带,文安—河间以及昌平与八达 岭之间的地带。 向隆凹构造带之间组成了 G 界面的 NW 向界面埋深变化梯级带。 NW 最强烈的 NW 向梯级带位于顺义—宝坻—宁河一线,G 界面深度变化达 5~8 km。

图 2.3.5

地壳的主要界面 G、C 和 M 界面的等深线图

C 界面埋深 15~20 km,很多强震震源深度常位于 C 界面附近。在密云—唐 山 NW 向 G, M 界面隆起带上 C 界面也是很明显的隆起带,埋深为 14~16 km,幅 度 2~6 km。在保定—沧州也有 NW 向隆起带,埋深 14~16 km,幅度变化不大, 为 2 km 左右。在这两 NW 向隆起带间,为隆凹相间的 NE 向构造,由东向西分布

着天津隆起,廊坊凹陷,大兴隆起,房山凹陷和八达岭隆起。上述 C 界面上 NE 向构造分布与 G 界面隆凹分布是一致的。 低速层增厚区沿 NW 向呈带状分布趋势。 北部的一条近 NW 向低速层增厚带大 致沿怀来—八达岭—三河—唐山带分布,南面的一条近 NW 向低速层增厚带大致 沿易县—文安—黄骅方向分布。 低速层最厚的地区分布在三河—平谷,唐山和 宝坻一带,最厚达 10~12km,波速也最低 Vp=5.1~5.9 km/s,其次是阜平县 以西地区,低速层厚度为 8~10 km,波速 Vp=5.8~5.9 km/s,怀来盆地和文安 地区厚度为 6~8 km,波速为 Vp=5.8~6.1 km/s。在八达岭隆起区,易县、青 县和黄骅等地也存在低速层局部增厚,厚度约 5~6 km,波速 Vp=5.9~6.2 km/s。 NW 向低速层增厚带在位置上基本上与 NW 向地幔隆起带位置相重合,大致与 NW 向 C 界面隆起带的位置相重合。通常低速层越厚,其波速也越低。低速层的 NW 向优势分布表明本区 NW 向地幔上涌作用是本区重要的深部作用过程。 M 界面构造特征在怀柔—宁河 NW 向构造带两侧有明显不同。 东北侧构造形 态简单, 呈平缓展布, 其优势走向为 EW 或 NEE。 分布着玉田—迁安 M 界面隆起(最 浅 30~31 km)、 密云隆起(埋深 32km)和三河与唐山两个局部凹陷,埋深分别 为 37 km 和 36 km。NWW 向构造带的西南侧,M 界面形态较复杂,由 NE 向相间排 列的隆起和凹陷带组成。M 界面埋深变化为 32~38 km,从西至东分布有昌平— 房山凹陷(埋深 38 km),顺义—北京隆起(埋深 34 km), 三河凹陷 ( 深 38 km), 廊坊—永清隆起(埋深 32 km),静海—青县凹陷(埋深 36km)和渤海隆起, 组成 了三凹三隆的构造格局。M 界面在怀来—宁河段 NWW 向构造带上,表现为从东 北向西南界面急剧加深的梯级带,同时形成宽达 20~30km 的坳陷带,在此带内 M 面埋深同样有凹凸的起伏变化,如顺义局部隆起,三河局部坳陷和宁河局部坳 陷等。 M 界面上速度和密度有很大跳跃, 在 速度由 7.2~7.7 km/s 增至 8.1 km/s, 密度由 3.0 g/cm3 增至 3.3 g/cm3。界面附近具有高低速相间的薄层结构的特点。 M 面起伏又与温度变化密切相关,温度高界面浅,温度低界面深。 高导层埋深在 15~25km 范围内,变化规律十分明显。 在冀中坳陷固安、廊 坊、武清、文安、霸县和河间一带为一北东向壳内高导层隆起,埋深为 15 km 左右。沿此隆起带向西太行山区,向北燕山地区壳内高导层埋深逐步加大。北京 地区为 20 km,延庆为 25 km,再向西至怀来一带为 28 km,向北怀柔平谷一带 为 20 km,遵化迁安一带为 25 km。

3. 首都圈地壳结构分类 一系列深部断裂将本区地壳分割成不同块体,大致归纳为 5 种地壳结构亚 类。首先可分为平原型,山区型和山区—平原过渡型地壳结构亚类,平原型又可 分出强烈沉陷区和相对隆起区地壳结构亚类, 山区型又可区分出强烈隆起区和山 间盆地区地壳结构亚类,各地壳类型的结构和物性双参数特征都列于表 2.3.1。
表 2.3.1 地壳分类特征表 平 强烈沉陷区 地壳厚度 (km) 平均速度(km/s) 基底埋深 (km) G 界面埋深(km) C 界面埋深(km) 低速层 厚度 (km) 速度(km/s) 31-33 5.8-5.9 >9-11 8-12 16-18 2-8 5.8-6.2 原 区 隆起区 34-36 6.0-6.1 3-7 5-7 14-16 4-6 6.0-6.2 6.1-6.3 0.02 0.3 山区-平原过渡区 过渡区 31-36 6.1-6.2 1-7 3-8 12-18 5-12 5.1-6.1 5.9-6.2 0.02-0,06 0.26-0.3 7.2-7.7~ 8.0-8.15 10-40 2.78-2.8 2.82 2.92-3.02 1.1-1.9 山 山间盆地 36-38 6.0-6.1 5-7 9-10 18-19 6-8 5.9-6.1 6.1-6.2 0.02-0.04 0.16-0.2 7.2 ~ 8.0-8.15 -10--30 2.8 2.82 3.02 1.45 区 隆起区 36-40 6.2-6.3 0-1 6-8 18-20 2-6 6.0 6.2-6.4 0.036-0.04 0.1-0.2 7.0-7.2~ 8.2 0--30 2.74 2.75 2.92 0.65-1.4 (平均 0.95) >25 100-110 双凹 宣化盆地 100-120 双凸 燕山断块隆起

地壳类型特征参数

上地壳

速度(km/s) 6.0-6.1 速度梯度 0.02-0.03 (km/s/km) 速度梯度 (km/s/km) 0.2-0.3

下地壳

M 界面上速度跳跃 (km/s) 均衡异常 (×10-5m/s2) 密度 (g/cm )
3

7.4-7.65~ 7.2-8.05~ 8.0-8.05 -10--30 2.83 2.8-2.85 3.0-3.02 1.85-2.15 8.0 20-30 2.83-2.84 2.86-2.91 3.04-3.06 1.75-1.9

上地壳 中地壳 下地壳

热流值 ×41.868mW/m 高导层埋深(km) 壳内 上地幔 G和M界面相互关系 典型地区

15 50-60 双凹型 武清坳陷

20 70-80 双凸型 大兴隆起

15-25 70-90 同步变化 怀来-宁河西北带

由表中各块体的物性参数可见,各地壳构造块体或单元地壳结构之间的差异 是强烈的。 这是由于各地质块体或构造单元所经历的地壳构造运动和地壳演化史 的不同造成的。


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