利用爆破地震揭示华北克拉通基底的高分辨速度结构——大丰—包头折射剖面的探测结果.docx

1、第60卷第7期地球物理学报Vol.60,No.72017年7月CHINESEJOURNALOFGEOPHYSICSJul.,2017_了一_=,=g=.一一一赵金仁，刘保金，段永红等2017.利用爆破地震揭示牛北克拉通基底的高分辨速度结构大丰一包头折射剖面的探测结果.地球物理学报.60(7).2628-2640,doi：10.6O38/cjg20170711.ZhaoJR,LiuBJ,DuanYH,etal.2017.HighresolutionvelocitystructureoftheNorthChinaCratonbasementbyexplosionseismicsounding一-r

2、esultsfromDafeng-Baotourefractionprofile.ChineseJ.Geophys.(inChinese),60(7):2628-2640,doi：l0.6038/cjg20170711.利用爆破地震揭示华北克拉通基底的高分辨速度结构大丰一包头折射剖面的探测结果赵金仁，刘保金二段永红，潘素珍，范振宇，马策军，邓晓果，海燕，王帅军，李怡青中国地震局地球物理勘探中心，郑州450002摘要大丰一包头剖面以.'高密度观测点距与炮距”为特点.我们在1334km测线上获得了21炮高信噪比的地震资料.在对Pg波震相特点分析基础上利用反演方法处理、构建了基底的精细结构图

3、像.揭示了沿剖面不同构造地块基底结构的差异.苏北盆地基底埋深4.5-9.0km、苏合隆起1.52.0km,基底埋深与速度结构的强烈起伏变化可视其为华北与扬了板块碰撞、挤压构造环境下形成复杂的构造格局在地震学上的体现；铮西隆起区基底埋深浅、速度高.结构稳定；华北盆地Pg波到时滞后、视速度低，基底埋深7.010.0km,速度结构与基底面存在局部的起伏变化.诸多现象揭示出该区为新生代沉积巨脂、规模较大的基底坳陷区.同时在盆地内不同构造单元基底结构呈局部分块、凹陷与凸起并存的构造格局显示出新生代沉积活动显著、变化强烈、结构不稳定的构造特点；太行山前断裂、聊兰断裂是具有显著地震学标志的断裂构造带，断裂两

4、侧基底界面呈现出“断崖式塌陷"和速度结构的强烈横向非均勾性.综合研究认为,太行山前断裂是华北地区一条重要的构造带，它的复杂性不仅体现在两侧地形地貌、地层介质的截然不同,其基底埋深及速度结构、地壳及地幔岩石圈结构均存在显著的差异，其重要的标志是太行山以东不仅地壳厚度发生了相当规模的减薄，岩石圈的厚度也明显减薄，亦即形成了华北克拉通破坏在东西部其基底一地壳-岩石圈的结构在空间上只有明显的差异性及强烈的横向非均匀性.关键词大丰一包头地震剖面；Pg波特点的分区性；基底高分辨结构；基底界面起伏；速度结构非均匀；构造复杂的地震学证据doi：10.6038/cjg20170711中图分类号P315

5、收稿日期2016-11-21,2017-05-12收修定稿HighresolutionvelocitystructureoftheNorthChinaCratonbasementbyexplosionseismicsounding一resultsfromDafeng-BaotourefractionprofileZHAOJin-Ren,LIUBao-Jin",DUANYong-Hong,PANSu-Zhen,FANZhen-Yu,MACe-Jun,DENGXiao-Guo,HAIYan,WANGShuai-Jun,LIYi-QingGeophysicalExplorationCent

6、erCEA,Zhengzhou450002,ChinaAbstractDuetothehighdensityofobservationpointsandshotspacings,weobtainedthe21-shotseismicdatawithhighsignal-to-noiseratioalongthe1334kmlongDafeng-Baotouprofile.OnthebasisoftheanalysisofthePgwavephasecharacteristics«weprocessedthedatabythe基金项目国家自然科学基金项目(41474077,912142

7、05,41474076)和公益性行业(地震)科研专项(200908001)资助.第一作者简介赵金仁，男，1954年生，研究员,主要从事深地震测深技术与壳幔结构研究.E-mail：zhaojinren»通讯作者刘保金.93.1962年生.研究员，主要从事地震方法及地壳结构深部探测等研究.E-mail：lbj001有较厚的新生代沉积形或较大反差.速度图像（图7）中所显示的剖面桩号940km为隆起区与盆地的分界线，即太行山前断裂的位置，基底界面的埋深由其右侧盆地的7.0km跨过断裂带之后急剧减浅为1.5-2.5km,其地表速度也从盆地的2.00-2.60km-迅速跃变为4.505.00km

8、S-：,出现如此显著的变化，其一表明造山带一盆地之间垂直差异运动及变形强烈的程度，其二揭示出两者在浅表地层构造与基底结构发生了巨变，应将这种较大的反差视为判断太行山前断裂带存在的构造标志.显然，断裂两侧在地震图像上所显示出的形态各异的结构特点，不仅表明太行山前断裂是分隔太行隆起与华北盆地在地形地貌上的分区界线，也是区域地质构造和地球物理场中一条重要的边界构造带（徐杰等.2000）.6.5山西断陷盆地与河套盆地基底结构的差异位于剖面西北端的山西断陷盆地与河套盆地的Pg波视速度、地表速度分别为5.906.05km-504.20kms_'和5.806.05kms"】、2.502.

9、80kmst.基底界面显现了较大的起伏变化.大同南一带的基底埋深为1.04.0km,呈波浪起伏的多变状态.河套盆地是一个“窄而深”的局部凹陷带，最深约8.0km.在山西盆地两侧、河套盆地东侧的部位G界面形态与速度结构的横向非均匀变化幅度均较为醒目，特别是1270km附近界面起伏落差达6km之多，速度等值线也呈现出急剧的跌宕起伏.应将这些异常现象视其为盆地边界断裂存在的地震学现象，它们分别对应的应该是五台山前断裂、口泉断裂以及和林格尔断裂带.7结果与讨论通过对大丰一包头剖面Pg波震相的全面分析、处理以及综合研究，较为清晰地勾画了沿剖面基底的构造形态和精细速度分布图像，揭示了不同构造区基底结构的差

10、异及其不同复杂程度的地震学特点.（1）Pg波作为反映基底结构的重要信息揭示了不同区段的构造特点.Pg波在传播过程中对沉积坳陷区、隆起区不同的地层介质条件它的运动学与动力学特征显示了明显差别.苏北盆地、华北盆地的Pg波折合到时显著滞后，地表速度、视速度普遍较低，振幅衰减快，这是它们的共性，这与苏鲁隆起、停西隆起、太行山隆起Pg波呈现出的到时超前、视速度高及振幅强、追踪远形成明显的反差.这些现象揭示出沿剖而不同的构造区域其基底结构在沉积厚度、基底埋深、介质属性以及稳定程度在构造特征上的差别.（2）苏北盆地一苏鲁造山带地处特殊的构造部位其基底结构颇为复杂.苏北盆地、苏鲁造山带处在华北板块与扬子板块碰

11、撞接触带附近，不仅遭受华北与扬子板块持续的碰撞、挤压局部构造运动影响，同时乂受控于太平洋板块俯冲、挤压大环境的制约（张跃刚和胡新康,2005；邱海峻等，2006）.由于进受到不同构造板块强烈的碰撞挤压和后期深部物质挤压、折返的作用，在苏昏造山带形成高田一超高压变质岩带的同时、在地下一定深度发生构造混杂（周建波等.2005）,对于地壳浅部、深部的结构必然遭受重大改造作用，使得其在地形、地貌与构造地层上出现了沉积盆地一造山带不同介质条件、不同地层年代、不同构造属性、不同变质程度的复杂构造现象.在地震学上的响应表现在，不同构造区域Pg波的走时特点、传播特性具有明显的差异和基底的速度结构存在较为显著的

12、横向非灼匀性，同时基底界面亦呈现出无规律的局部起伏变化，起伏落差最大达6.0km之多，显示出极度不稳定的基底结构特征.这些参数信息为解析华北与扬子板块陆一陆碰撞、持续挤压复杂应力作用下形成的造山运动、盆地演化、构造分区、断裂活动等错综复杂的构造格局提供了可靠的地震学证据.（3）鲁西隆起与华北盆地基底结构具有显著的分区差异性.鲁西隆起、华北盆地同属于华北地块，两者的基底结构反差较大.鲁西隆起处在华北与扬子块体碰撞接触带构造活动强烈部位的边侧，它在地震学上的特殊性体现在Pg波走时超前、传播远、视速度高（5.95-6.05kmS】），基底埋深浅（1.52.0km）,显示出速度尚且稳定的基底结构特点；

13、华北盆地东邻合西隆起、西接太行山，Pg波的特点与咎西隆起截然不同，走时显著滞后以及较低的视速度揭示了华北盆地不仅存在巨厚的新生代低速沉积盖层、基底埋藏深（7.010.0km）,即为规模较大的基底坳陷区；同时，在盆地内部不同构造单元的局部小区域呈现明显分块、凹陷与凸起并存，基底形态各异，显示出新生代沉积活动显著、变化强烈、结构不稳定的构造特点.（4）聊兰断裂是具右显著地震学标志的断裂构造带.聊兰断裂作为鲁西隆起与临清坳陷的边界断裂，对于盆地的形成与发展至关重要，其地质特征颇为醒目，断距大、对地层的控制作用明显，其东侧的鲁西隆起区晚第三纪地层直接覆盖于C-P或。2之上，在其西侧的坳陷盆地则沉积了巨

14、厚的中、新生代地层.重力、航磁亦显示出了尤为复杂的异常变化带（于平等，2003；周立宏等,2004）.地震图像在聊城东侧速度等值线所呈现出的显著横向非均匀性表明大约以660km为界，其地表速度“东高西低"与速度梯度的“陡倾巨变"非常明显，结合基底界面出现“断崖式塌陷”落差达7.0km的急剧变化，如此这些可视其为聊兰断裂的存在，并深切基底的地震学证据.（5）太行山前断裂是地球物理场中一条重要的边界构造带.太行山前断裂两侧显著的地形地貌反差表明该断裂带为第四纪活动强烈的断裂构造带（徐杰等，2000）.地震图像所揭示的该断裂存在的主要标志不仅表现在速度结构显著的横向非均匀性、同时

15、断裂两侧基底构造界面的起伏落差达6.0km之巨.诺多的研究结果表明，太行山前断裂是一条区域地质构造和地球物理场中重要的边界构造带，不仅地壳及地慢岩石圈结构存在显著的差异，断裂两侧基底速度结构和构造界面的变形幅度异常显著，且其两侧的地层岩性、电性结构及化学结构也具有明显的变化（Chenctal.,2008；陈凌等,2010；李松林等,2011；段永红等.2015）.综合其他研究结果，在华北中部太行以东的克拉通自中生代以来遭受了强烈的改造，发生了大规模的构造变形、岩浆活动和沉积盆地一造山带的形成，导致了原有克拉通结构的明显破坏，其显著的标志是太行山以东的岩石圈厚度明显减薄，旦其减薄不仅是岩石圈地幔

16、减薄、地壳的厚度也发生了相当规模的减薄（Wangetal.,2006；Xu,2007；嘉世旭和张先康.2005；陈凌等，2010；魏文博等，2008；朱日祥等,2012；葛粲等,2011；段永红等,2015），构造运动的持续、太行山的不断隆升，新构造活动的继续加剧了】11前盆地巨厚新生代地层的不断沉积、使得大规模坳陷盆地的形成，在太行山前断裂两侧结晶基底的埋深与地壳、岩石圈的深度形成了截然相反的幅度较大的差异变化，亦即在华北中部形成了华北克拉通东、西部其基底一地壳一岩石圈的结构在空间上存在着显著的差异性以及强烈的横向非均匀性.ReferencesChenL.WangT,ZhaoL.etal.2

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48、辉，郑常育.2005.苏鲁造山带浅变质岩的成因及只大地构造意义.地质学报79(4)：475-486.周立宏.李三忠，赵国舂等.2004,华北克拉通中东部基底构造单元的重磁特征.地球物理学进展.19(1)：91-100.朱日祥，徐义刚，朱光等.2012.华北克拉通破坏.中国科学：地球科学，42(8)：1135-1159.(本文编辑胡素芳)inversionmethodandconstructedthefinestructureofthebasementtrevealingthediscrepancyofbasementstructureindifferenttectonicblocks.Theb

49、asementdepthofSubeiBasinis4.59.0kmandofSuluupliftis1.52.0km.StrongfluctuationsoftheburialdepthandvelocitystructuremaybeconsideredastheseismologicmanifestationofthecollisionandcompressionbetweenNorthChinaandtheYangtzeplate.ThebasementofLuxiupliftareashowsthefeatureofshallowdepth,highspeedandstablestr

50、ucture,whilethePgwavecharacteristicsintheNorth('hinaBasinarelaggedtraveltime*lowapparentvelocity,basementdepthfrom7.0to10.0km,andthelocalfluctuationsinthevelocitystructureandbasementinterface.Lotsofphenomenaaboverevealthatthisareaisalarge-scalebasementdepressionzonewiththickCenozoicsediment.More

51、over,indifferenttectonicunitsofthebasin,thebasementtectonicpatternoflocalpatchandcoexistenceofthedepressionandtheupliftshowsobvioustectoniccharacteristics,suchasrcmarkbleCenozoicsedimentaryactivities,significantvelocityandthicknesschangesandtheunstablestructure.TaihangMountainpiedmontfaultandLiaolan

52、faultaresignificantseismologicfeatures.Onbothsidesofthesetwofaults,thevelocitystructureshowsintensivelateralheterogeneityandthebasementinterfacescollapseascliff.ThisstudyrevealsthattheTaihangMountainpiedmontfaultisanimportanttectoniczoneinNorthChina.Itscomplexityisnotonlyreflectedindifferentlandform

53、sandstratamediaonitsbothsides,butalsoreflectedinthesignificantdifferencesinthebasementdepth,velocitystructure,thecrustandeventhemanlielithosphericstructures.TotheeastofTaihangMountain,theimportantsymbolislargescalecrustalandlithosphericthinning»whichresultintheobviousdifferencesandstronglateral

54、heterogeneityofthebasementstructure*thecrustandeventhelithosphereslucturesbetweenthewesternandeasternNorthChinaCratondestruction.KeywordsDafeng-Baotouseismicprofile；Pgwavedivisionalcharacteristics；High-rcsoluiionstructureofthebasement；Fluctuationofthebasementsurface；Heterogeneityofthevelocitystructu

55、re；Seismologicalevidenceofthecomplexstructure1引言华北克拉通地处复杂的地球动力学构造环境之中，经历了长期的构造运动与演化过程，与邻近块体相互作用在其内部及其周边形成了一系列的高原、造山带、断陷盆地等形态各异的地质构造块体，诸如华北盆地、山西断陷带、渭河断陷带、郛尔多斯地块.太行山造山带等.这些构造块体的规模不等、活动方式及夏杂程度均有所不同.华北构造区由于其所处位置的特殊性和构造格局的复杂性，长期以来一直是地学界争相研究的重:点区域.近年来，随着华北克拉通破坏研究工作的不断深入，不同学科从不同视角对华北中、西部壳幔结构遭受破坏的机制、过程以及岩石圈

56、减薄的程度与空间范围等进行了分析研究（Xuetal.,2004；Tangetal.,2008；魏文博等，2008；Chenetal.,2008；朱日祥等,2012；陈凌等，2010；刘琼林等，2011;危自根等,2015；胥颐等，2016）.利用爆破地震探测技术对华北地区壳幔结构的研究始于20世纪70年代，在不同科研项目支持下相继完成了数十条宽角反射/折射剖面给出了不同构造区地壳的分层模式以及速度结构.同时.对主要地震活动带的地壳深部孕震环境进行了探测研究，取得了一系列研究成果（王椿镭等.1994；段永红等，2002；赵金仁等,2004；嘉世旭和张先康,2005；李松林等，2011；王帅军等,

57、2014）.早期的-些探测剖面由于受当时仪器设备、探测技术的制约，探测剖面长度有限（300km左右）、点距大（4.0-7.0km）.对基底结构进行高分辨成像尚显不足.中国地震局物探中心2011年在华北地区沿大申一包头一线实施完成了一条长达1300km的深地震高分辨折射与宽角反射/折射综合探测剖面（图1），获得了反映基底-地壳一岩石圈结构的爆破地震探测资料，对壳帽岩石圈结构的研究已经取得了重要的阶段成果（段永红等,2015）.本研究针对高分辨折射剖面获得的反映基底结构的资料、利用近年来处理折射资料广泛使用的有限差分反演方法、时间项反演方法（段水红等.2002；E夫运等，2008；膝吉文等,201

58、1；徐涛等.2014）姓理计算及综合研究.在如此长的探测剖面I.布设-高密度的观测点距与炮距”、利用折射技术对华北克拉通基底的精细结构进行探测研究尚制首次.给出r沿剖面基底的P波高分辨速度结构图像.结合其他研究结果对华北不同构造区速度结构的横向非均匀性、基底界面起伏形态、深浅结构特征及共差异进行了综合分析及探讨.2主要地质构造概况大丰包头剖面穿过了苏北盆地、怦西隆起、华北坳陷盆地、太行山隆起、山西断陷盆地等主要地质构造块体（图1（造家地震局中国岩石圈动力学地图集编委会.1989）,这些块体的构造特点各异.共中的苏北盆地发育有巨摩的新生代沉积地层.盆地自形成后经历了多期构造运动的改造.由多期、多

59、类型盆地在加而成殳合残佃盆地（邱海峻等，2006）；件西隆起泅于华北板块的一部分.其晦底由前寒武系F和浩特lohhotF和浩特lohhotQingdaoOifiWj号：！llplihrcgkm炮.也及as，；ShcXptHniandnumberObscnjlionpointandnumberlUsinuplihrvgion盆地Bin(kprvsxkmregion40N3RN36°N34N银川一河套40N38nN36°NIIO°EII2°I£II6°I：lirEI2O°E图1大F包头深地震测深剖面位置与主要地质构造图Fig.1IxxrationofDafcng-liaotouDSSprofileandmaingt*olo