華北克拉通北緣華北克拉通北緣西伯利亞板塊南緣的地殼速度結(jié)構(gòu)特征

華北克拉通北緣華北克拉通北緣西伯利亞板塊南緣的地殼速度結(jié)構(gòu)特征

1板塊構(gòu)造相互作用在中國(guó)北方克拉通和西伯利亞板塊之間，興蒙造山帶是世界上最廣泛、最發(fā)展、最復(fù)雜的大型造山帶，屬于中亞造山帶的東段。它包括許多微陸塊，三個(gè)蛇綠巖帶發(fā)育，結(jié)構(gòu)發(fā)育，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈。許多科學(xué)家應(yīng)用板塊結(jié)構(gòu)理論，確定了板塊結(jié)構(gòu)的一些證據(jù)，包括蛇綠巖、藍(lán)片巖和與板塊摩擦和碰撞有關(guān)的火山-成巖帶。興蒙造山帶不是華北板塊和西伯利亞板塊之間的簡(jiǎn)單縫合帶，而是這兩個(gè)板塊之間的平均和小塊體的結(jié)構(gòu)帶（胡森等，1991；。2009—2010年在SinoProbe-02項(xiàng)目資助下，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所、國(guó)土資源實(shí)物地質(zhì)資料中心等單位，在張家口—二連—中蒙邊界實(shí)施了深地震反射、三分量反射及寬角反射與折射聯(lián)合探測(cè)實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱SinoProbe-02華北聯(lián)合地震探測(cè)實(shí)驗(yàn)），地震測(cè)線由南至北依次經(jīng)張家口、張北、化德、鑲黃旗、蘇尼特右旗、二連浩特到中蒙邊界，總長(zhǎng)約600km．本文對(duì)采集的8炮（1500kg）寬角反射與折射資料進(jìn)行了分析、處理和解釋，獲得了該區(qū)的二維地殼速度結(jié)構(gòu)，探討了華北板塊和西伯利亞板塊碰撞縫合帶的位置，具有重要的意義．2觀測(cè)系統(tǒng)及參數(shù)2009—2010年在中國(guó)華北北部至中蒙邊界地區(qū)利用寬角反射與折射地震方法，進(jìn)行了深部地殼速度結(jié)構(gòu)的探測(cè)工作．深地震測(cè)深的測(cè)線沿北西—南東方向布設(shè)，長(zhǎng)約600km．南起河北省張家口市，經(jīng)張北縣、化德縣、內(nèi)蒙蘇尼特右旗、二連浩特、查干敖包、紅格爾，終止于中蒙邊界附近（圖1).沿測(cè)線布設(shè)8個(gè)炮點(diǎn)，分別是化德縣北炮點(diǎn)、鑲黃旗北炮點(diǎn)、蘇尼特右旗炮點(diǎn)、蘇尼特右旗北炮點(diǎn)、二連浩特南炮點(diǎn)、二連浩特北炮點(diǎn)、洪格爾南炮點(diǎn)、洪格爾北炮點(diǎn)．每炮藥量均為1500kg．觀測(cè)系統(tǒng)見圖2，炮點(diǎn)參數(shù)見表1.3區(qū)域構(gòu)造格架和構(gòu)造單元的邊界在河北張家口—內(nèi)蒙二連浩特—中蒙邊境南北方向上，橫亙?nèi)齻€(gè)迥然不同的一級(jí)構(gòu)造單元，由南至北分別是華北板塊、興蒙造山帶和西伯利亞板塊（內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991）（圖3）．其中，興蒙造山帶的形成大致經(jīng)歷了由大洋板塊俯沖到大陸板塊碰撞拼合，再到后造山構(gòu)造塌陷和拉張的構(gòu)造演化過(guò)程（）認(rèn)為這兩大構(gòu)造單元的分界位于蒙古人民共和國(guó)中部，即所謂的蒙古弧，其碰撞時(shí)代在早古生代的后期．）認(rèn)為內(nèi)蒙古的西拉木倫河深斷裂是這兩大板塊的分界，最南部赤峰、化德以南地區(qū)屬中朝地臺(tái)的一部分，而南部的奈曼旗至溫都爾廟一帶是加里東褶皺帶，中部和北部地區(qū)則屬于華力西褶皺帶．）認(rèn)為將華北地塊與西伯利亞板塊的最后拼合邊界定在西拉木倫河一帶是值得商榷的，應(yīng)該將這一邊界向北推移至蒙古—鄂霍次克一帶，甚至到更北邊的西伯利亞南緣斷裂帶．）認(rèn)為在華力西褶皺帶中存在一條晚古生代板塊縫合線，位于西拉木倫河谷以北約60km的林西縣八棱山—蓋家店至克什克騰旗的黃崗梁一帶．二者拼接的時(shí)代可能是二疊紀(jì)晚期．其南屬中朝古板塊，其北則屬西伯利亞古板塊（李春昱等，1982；4地殼底部寬角反射波在地震記錄截面上，本文識(shí)別出6個(gè)震相：Pg震相為基地界面之上的回折波，P2震相為上地殼底面的寬角反射波，P3震相為中地殼內(nèi)的寬角反射波，P4震相為中地殼底面的寬角反射波，P5震相為下地殼內(nèi)的寬角反射波，僅在鑲黃旗—蘇尼特右旗下方出現(xiàn)，Pm震相為莫霍面（Moho）的寬角反射波（圖4）．圖4中的濾波頻率為1～12Hz，折合速度為6km/s．圖5為洪格爾南（S7）炮-20～60km的反射地震記錄截面圖．圖4、5中方框?yàn)槔碚撚?jì)算擬合的地震波到時(shí)，曲線為拾取的地震波到時(shí)．比較圖4的下圖和圖5發(fā)現(xiàn)，在相同的接收段-20～60km，寬角反射/折射地震方法與深反射地震方法記錄的地震波（Pg）到時(shí)基本一致．4.1兩組炮的pg速度比較Pg波為地震記錄截面上的回折初至波，能量都很強(qiáng)，容易追蹤、識(shí)別．S1、S2炮的Pg波走時(shí)最小，反映出華北板塊、內(nèi)蒙造山帶的淺層速度較大，平均視速度為4.3～6.0km/s.S3、S4、S5炮的Pg波走時(shí)較大，反映出蘇尼特右旗—二連盆地的淺層速度最小，平均視速度為3.1～5.4km/s.S5、S6炮的Pg走時(shí)反映出二連盆地與西伯利亞板塊過(guò)渡帶的淺層速度特點(diǎn)，平均視速度為4.26～5.5km/s.S7、S8炮的走時(shí)變大，反映出西伯利亞板塊的淺層速度較小，平均視速度為3.4～5.5km/s（見表2).4.2地殼速度特征P2震相為上地殼底面的寬角反射波，在近距離是續(xù)至波，60km之后為初至波，可以有效追蹤、識(shí)別．S1、S2炮的平均速度最大，反映了華北板塊、內(nèi)蒙造山帶上地殼速度特點(diǎn)，平均速度為5.75～5.82km/s.S3、S4、S5炮的平均速度最小，反映了蘇尼特右旗—二連盆地的速度特點(diǎn)，平均速度為5.6～5.7km/s.S5、S6炮的平均速度反映了二連盆地與西伯利亞板塊過(guò)渡帶的速度特點(diǎn)，平均速度為5.65～5.76km/s.S7、S8炮的平均速度反映了西伯利亞板塊的速度特點(diǎn)，平均速度為5.7～5.75km/s（見表3).4.3地殼速度特征P3震相為中地殼內(nèi)的寬角反射波，在近距離是續(xù)至波，80km之后為初至波，可以有效追蹤、識(shí)別．S1、S2、S3炮記錄反映了華北板塊、內(nèi)蒙造山帶上地殼速度特點(diǎn)，平均速度為6.0～6.06km/s.S3、S4、S5炮反映了蘇尼特右旗—二連盆地的地震波速度特點(diǎn)，平均速度為5.95～6.0km/s.S6、S7、S8炮反映了西伯利亞板塊的速度特點(diǎn)，平均為6.0～6.05km/s（表3).4.4地殼速度特征P4震相為中地殼底面的寬角反射波，在近距離是續(xù)至波，110km之后為初至波，可以有效追蹤、識(shí)別．S1、S2炮記錄反映了華北板塊、內(nèi)蒙造山帶上地殼速度特點(diǎn)，平均速度為6.18～6.2km/s.S3、S4、S5炮的平均速度最小，反映了蘇尼特右旗—二連盆地的速度特點(diǎn)，平均速度為6.1～6.15km/s.S6、S7、S8炮反映了西伯利亞板塊的速度特點(diǎn)，平均速度為6.17～6.21km/s（表3).4.5構(gòu)造山帶下地殼P5震相為下地殼內(nèi)的寬角反射波，僅在S3、S4炮地震記錄上出現(xiàn)，在近距離是續(xù)至波，120km之后為初至波，可以追蹤、識(shí)別．S3炮追蹤距離70～170km，能量偏弱，初至不明顯，平均速度為6.25km/s.S4炮追蹤距離90～200km，能量較強(qiáng)，初至明顯，平均速度為6.26km/s．在160km之后為初至波．主要反映了內(nèi)蒙造山帶下方地殼的變化特征．4.6地殼內(nèi)莫霍界面識(shí)別Pm震相為莫霍面（Moho）的寬角反射波，Pm震相的臨界反射位置在90～100km左右．在近距離是續(xù)至波，160km之后為初至波，可以有效追蹤、識(shí)別．地殼的平均速度為6.3～6.4km/s（表3）．沿剖面的所有記錄截面圖中未識(shí)別出莫霍面首波Pn.5地殼二維速度結(jié)構(gòu)與界面張家口—中蒙邊境的二維速度結(jié)構(gòu)是在震相識(shí)別的基礎(chǔ)上建立的，并以測(cè)線通過(guò)地形最高點(diǎn)的高程1553m為模型零點(diǎn)，構(gòu)制了剖面的初始二維地殼模型．正演擬合計(jì)算采用基于地震波的漸近射線理論方法（圖6為內(nèi)蒙邊境附近洪格爾北S8炮的地震波走時(shí)擬合（a）、理論地震圖（b）和射線路徑（c）．圖7為沿剖面的炮集震相走時(shí)擬合（a）、炮集射線覆蓋（b）和簡(jiǎn)化的速度模型（c).控制各震相到時(shí)的擬合誤差小于0.05s，莫霍面等界面深度的誤差小于0.5～1.0km，速度誤差小于0.02～0.05km/s，最終獲得了沿剖面的二維速度結(jié)構(gòu)（圖8).圖8a顯示了沿測(cè)線的地名、主要斷裂位置和地質(zhì)構(gòu)造單元分帶特征，圖左側(cè)是華北板塊，中間是內(nèi)蒙造山帶，右側(cè)是西伯利亞板塊．地表上華北板塊與內(nèi)蒙造山帶的分界是溫都爾廟—西拉木倫河斷裂帶（F圖8中顯示固結(jié)地殼為5層結(jié)構(gòu)，在化德北至蘇尼特右旗為6層．第1個(gè)界面為Pg波終止位置界面（基底界面），下面5個(gè)界面，分別是震相分析中P2、P3、P4、P5、Pm寬角反射震相的反射界面．在3個(gè)不同構(gòu)造單元內(nèi)，不同界面的深度與層速度變化特點(diǎn)見表4.圖8和表4的結(jié)果表明，沿整個(gè)地震剖面，三個(gè)構(gòu)造單元的地殼速度結(jié)構(gòu)變化明顯，在上地殼華北板塊的速度最大，界面深度最深，在加里東褶皺帶下方界面下凹，在內(nèi)蒙地軸下方界面平緩．西伯利亞板塊的速度最小，界面深度最淺，且平緩．內(nèi)蒙造山帶的速度和界面深度變化介于二者之間，界面明顯起伏．在化德南到鑲黃旗北部的巖漿巖出露區(qū)，上地殼的速度明顯增大，地表速度為5.4km/s，底部達(dá)到6.2km/s，界面深度最深．在蘇尼特左旗—二連盆地的速度最低，地表為3.4km/s，底部為6.0km/s．北部洪格爾周圍的速度范圍為3.6～6.0km/s，界面深度最淺．中地殼西伯利亞板塊的速度最小，深度最深．內(nèi)蒙造山帶的速度大于西伯利亞板塊的速度，界面深度最小，起伏劇烈．華北板塊的速度最大，界面深度大于內(nèi)蒙造山帶的深度．在赤峰斷裂帶（F下地殼的底面（莫霍面）具有自北向南逐漸增深的特點(diǎn)，在F6區(qū)域構(gòu)造背景多年來(lái)，許多著名的地質(zhì)學(xué)家對(duì)該區(qū)的大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐趾蜌w屬進(jìn)行了論述（從總體上觀察整個(gè)地殼結(jié)構(gòu)，在華北板塊與內(nèi)蒙造山帶之間，內(nèi)蒙造山帶與西伯利亞板塊之間，上地殼存在明顯的速度局部變化，在相應(yīng)的區(qū)域地表發(fā)育大量的古生代花崗巖體、超基性巖體．中下地殼在華北板塊南緣的速度大，為6.3～6.7km/s，西伯利亞板塊北緣的速度小，為6.1～6.7km/s，總趨勢(shì)上速度變化比較均勻，界面比較平緩．在內(nèi)蒙造山帶內(nèi)，中下地殼的界面起伏劇烈，并伴有地殼速度的明顯變化，速度的不均勻造成了速度等值線的起伏變化．在地質(zhì)上，內(nèi)蒙造山帶的形成背景是古亞洲洋的閉合，經(jīng)歷了大洋板塊俯沖、大陸板塊碰撞拼合，以及后造山構(gòu)造塌