王紀慶++汪洋

文章編號：16726561（2016）06084910

摘要：采用Li等和Gao等歸納的中國東部主要構造單元地殼速度結構研究中國東部下地殼組分特征。對下地殼的巖性推測通過兩個方面展開：①通過實測地殼P波波速與Christensen等實測的不同巖性P波波速進行對比；②采用Hasterok等提出的P波波速密度轉換方法，將下地殼速度結構轉化為密度結構，并采用Monte Carlo法對密度的誤差進行估算。結果表明：中國東部各構造單元下地殼P波波速與基性巖類相當，絕大多數(shù)構造單元下地殼密度大于3 000 kg·m-3，該密度范圍對應的巖性是基性巖類。因此，中國東部下地殼是基性的。

關鍵詞：下地殼；地震波速；密度；基性巖；巖石物理；巖性；華北；中國東部

中圖分類號：P313.3文獻標志碼：A

Is There an Intermediate Lower Crust Beneath the Eastern China？

WANG Jiqing， WANG Yang

（School of Earth Sciences and Resources， China University of Geosciences， Beijing 100083， China）

Abstract： Based on crustal velocities of the main tectonic units in the eastern China summarized by Li et al. and Gao et al.， the lower crustal composition beneath the eastern China was discussed. Predictions of the lower crustal composition have two aspects： comparing the observed Pwave velocities between the crust and the various rocks measured by Christensen et al.； transferring the lower crustal velocity model to density model， according to the relationship between Pwave velocity and density proposed by Hasterok et al.， and the errors of density are estimated by Monte Carlo method. The results show that Pwave velocities of the lower crust of the main tectonic units in the eastern China correspond with those of mafic rocks； most of the densities of the lower crust are greater than 3 000 kg·m-3， which belong to mafic rocks. Therefore， the lower crust beneath the eastern China is suggested to mafic in composition.

Key words： lower crust； seismic wave velocity； density； mafic rock； petrophysics； lithology； North China； the eastern China

0引言

了解大陸地殼的成分有助于更好地認識大陸地殼的形成和演化過程，其中下地殼的組分特征是認識殼幔交換和地殼生長的關鍵[15]。出露地表的能夠代表大陸下地殼剖面的麻粒巖巖體以及火山巖中的下地殼包體為下地殼研究提供了直接的樣品，但是這些樣品在地表出露很少，而且往往不具有空間代表性[23，67]。目前推斷下地殼成分主要是利用地震波速的巖性解釋來實現(xiàn)的。由于巖石的物理性質取決于成分、溫壓條件等多種因素，加之不同學者歸納的地震波速模型存在差異，所以波速的巖性解釋方法也各不相同，得到的結果也不盡相同。Rudnick等通過地殼常見巖石P波波速（VP）和密度（ρ）的實測值[89]，結合地震速度模型對全球大陸地殼成分進行推測，提出大陸下地殼由基性成分組成；Hacker等基于巖石成分的相平衡模擬結果推斷的巖石物理性質，認為很多區(qū)域的下地殼成分是中性的[5]。

Gao等將中國大陸下地殼分為上、下兩部分[10]，對觀測的P波波速進行溫度壓力校正到統(tǒng)一的參考標準（600 MPa、20 ℃）[11]后，將其與試驗得到的巖石P波波速進行對比。中國大陸東部地區(qū)下地殼上部P波波速為67 km·s-1，屬中性成分，下地殼下部P波波速為71 km·s-1，為基性成分；由于下地殼上部厚度大，所以中國東部下地殼整體為中性組分，推斷SiO2含量（質量分數(shù)，下同）為58%[10]。Wang等根據(jù)中國大陸東部P波波速結構，認為中國東部下地殼比文獻[10]估計的更偏基性[12]。Li等總結了中國主要構造區(qū)的P波波速結構，對地殼的巖性做了簡單推斷[13]。近年來，許多學者對中國大陸地殼厚度和地震波速結構進行了歸納[1424]，但沒有對地殼成分做詳細研究。

本文以Christensen等的巖石P波波速與密度實測值[9]為基礎，結合Gao等和Li等歸納的中國東部P波波速結構[10，13]，通過對比實測P波波速與不同巖性的P波波速實測值，推測中國東部下地殼的巖性組成；采用Hasterok等提出的P波波速密度轉換方法[25]，將P波波速結構轉化為密度結構，并與不同巖性的密度實測值對比，推測中國東部下地殼的巖性組成。

1基于地殼P波波速與巖石波速試驗對比推測下地殼巖性

本文選擇Christensen等的地殼巖石P波波速試驗的中性巖與基性巖（黑云母片麻巖、長英質麻粒巖、閃長巖、葡萄石綠纖石相玄武巖、沸石相玄武巖、輝綠巖、輝長巖蘇長巖橄長巖、鐵鎂質麻粒巖、綠片巖相玄武巖、角閃巖、石榴石基性麻粒巖）的P波波速[9]，與中國東部各主要構造單元的P波波速進行對比，從而篩選出符合下地殼波速特征的巖性組合。因為中國東部的平均熱流值介于60～70 mW·m-2之間[26]，所以采用Christensen等基于中地溫梯度的巖石P波波速試驗值[9]。

中國東部不同構造單元的地殼P波波速剖面柱是依據(jù)Gao等的總結（圖1）[10，13]。這些地殼速度結構源自地學斷面以及其他深部探測研究項目所完成的地震折射剖面，而構造單元劃分則依據(jù)傳統(tǒng)的大地構造學方案，相關具體細節(jié)請參考文獻[10]和[13]。值得注意的是，Gao等的結果[10]是各大地構造單元的整體平均地殼速度結構，而Li等給出的地殼P波波速剖面柱[13]則代表了相關大地構造單元中布設有多條地震折射剖面區(qū)域的典型速度結構。雖然文獻[10]和[13]歸納地殼P波波速結構的方法有所不同，但是其總體特征具有可比性（如Li等的華南地區(qū)柳州和東南沿海地區(qū)泉州地殼速度結構[13]與Gao等的華南造山帶地殼速度結構[10]、Li等的鄂爾多斯盆地和華北盆地滄縣隆起、河北凹陷地殼速度結構[13]與Gao等的華北克拉通地殼速度結構[10]）。兩者可以相互印證，因此，這些柱狀圖所反映的地殼速度結構具有代表性。

在Li等總結的中國東部7個構造區(qū)地殼P波波速剖面[13]中，鄂爾多斯盆地下地殼厚度薄，P波波速高于石榴石基性麻粒巖及輝長巖蘇長巖橄長巖[圖2（a）]；華北盆地滄縣隆起的下地殼P波波速較低，與輝綠巖值相當[圖2（b）]；華北盆地河北凹陷的下地殼P波波速對應的巖性從下地殼頂部的長英質麻粒巖或葡萄石綠纖石相玄武巖逐漸變化為閃長巖、輝綠巖，其下地殼底部P波波速對應的巖性是鐵鎂質麻粒巖或角閃巖，河北凹陷地殼最下部還有一薄的高P波波速（7.5 km·s-1）層，波速介于石榴石基性麻粒巖與基性榴輝巖之間[圖2（c）]；華東下?lián)P子地區(qū)的下地殼P波波速相當于鐵鎂質麻粒巖或角閃巖[圖2（d）]；華中地區(qū)湖北的下地殼P波波速接近石榴石基性麻粒巖或輝長巖蘇長巖橄長巖[圖2（e）]；華南地區(qū)柳州以及東南沿海地區(qū)泉州的下地殼P波波速均介于鐵鎂質麻粒巖、角閃巖，與石榴石基性麻粒巖、輝長巖蘇長巖橄長巖之間[圖2（f）、（g）]。

圖（a）引自文獻[13]；圖（b）引自文獻[10]；柱狀圖中數(shù)值為P波波速，單位為km·s-1

Gao等總結的中國東部P波波速結構將下地殼分為上、下兩層（秦嶺構造區(qū)除外）[圖1（b）][10]。從圖3可以看出：Gao等總結的華北克拉通和華南造山帶的下地殼上部P波波速[10]介于閃長巖與輝綠巖之間，下地殼下部P波波速介于鐵鎂質麻粒巖、角閃巖，與石榴石基性麻粒巖、輝長巖蘇長巖橄長巖之間[圖3（a）、（b）]；內蒙古—黑龍江造山帶下地殼上部P波波速接近輝綠巖，下地殼下部P波波速略高于石榴石基性麻粒巖[圖3（c）]；秦嶺造山帶下地殼P波波速相當于鐵鎂質麻粒巖或角閃巖[圖3（d）]；桐柏—大別—蘇魯造山帶下地殼上部P波波速略高于輝綠巖，下地殼下部P波波速介于鐵鎂質麻粒巖、角閃巖，與石榴石基性麻粒巖、輝長巖蘇長巖橄長巖之間[圖3（e）]；

揚子克拉通下地殼上部P波波速介于閃長巖與輝綠巖之間，下地殼下部P波波速相當于輝長巖蘇長巖橄長巖或石榴石基性麻粒巖[圖3（f）]；Gao等根據(jù)面積加權得到的中國中東部（華北克拉通、揚子克拉通、秦嶺造山帶與桐柏—大別—蘇魯造山帶）和中國東部整體的下地殼上部P波波速均介于閃長巖與輝綠巖之間，下地殼下部P波波速相當于輝長巖蘇長巖橄長巖[圖3（g）、（h）][10]。

綜上所述，Gao等歸納的中國東部大部分構造單元速度剖面的下地殼P波波速與基性巖類（輝綠巖、輝長巖蘇長巖橄長巖、鐵鎂質麻粒巖、角閃巖、石榴石基性麻粒巖和基性榴輝巖）相當[10，13]，僅華北等少數(shù)地區(qū)下地殼偏上部部位的P波波速與中性巖（閃長巖）接近。因此，P波波速限定的中國東部下地殼巖性以基性為主。

2根據(jù)P波波速密度轉換關系推測下地殼巖性

2.1P波波速密度轉換

巖石密度是決定其地震波速的重要物理參數(shù)之一。Christensen等研究顯示，在地殼深度范圍內基于P波波速密度線性關系預測的巖石密度優(yōu)于采用非線性的P波波速密度關系預測的結果[9，25]。根據(jù)Christensen等在地殼溫壓范圍內的實測巖石密度和P波波速[9]，可以得到P波波速密度線性關系式為

BGN為黑云母片麻巖；FGR為長英質麻粒巖；DIO為閃長巖；BPP為葡萄石綠纖石相玄武巖；BZE為沸石相玄武巖；DIA為輝綠巖；GAB為輝長巖蘇長巖橄長巖；MGR為鐵鎂質麻粒巖；BGR為綠片巖相玄武巖；AMP為角閃巖；GGR為石榴石基性麻粒巖；ECL為基性榴輝巖；中國東部7個構造區(qū)地殼速度結構P波波速引自文獻[13]；實測的巖石P波波速引自文獻[9]

ρ=a+bVp（1）

巖石P波波速和密度受制于溫度（T）、壓力（P）條件，即

Vp（P，T）=Vp0+（T-T0）VpT+

（P-P0）VpP（2）

ρ（P，T）=ρ0+（P-P0）ρP（3）

式中：a、b為擬合系數(shù)；Vp0、ρ0、T0、P0分別為標準狀態(tài)條件下的P波波速、密度、溫度和壓力；VpP為P波波速的壓力偏導數(shù)；VpT為P波波速的溫度偏導數(shù)；ρP為密度的壓力偏導數(shù)。

若已知特定深度的溫度、壓力，利用上述偏導數(shù)值以及公式（2）、（3）即可求得對應條件下特定巖石P波波速和密度。根據(jù)Christensen等對地殼中常見的19種巖石在不同溫度、壓力條件下的P波波速和密度實測值[9]，可以通過最小二乘法擬合特定溫度、壓力條件下地殼中常見巖石P波波速密度線性關系的a、b值[25]。在此基礎上，結合地殼內不同深度的溫度、壓力值，就可以依據(jù)地震剖面獲得的地殼P波波速推測對應的巖石密度。

在擬合P波波速密度線性關系時，排除了地殼深部不常見的（新鮮）噴出巖和單礦物巖石數(shù)據(jù)，采用與Christensen等一致的19種巖性（即變質雜砂巖、花崗巖花崗閃長巖、花崗片麻巖、千枚巖、黑云母片麻巖、長英質麻粒巖、副麻粒巖、板巖、閃長巖、葡萄石綠纖石相玄武巖、云母石英片巖、沸石相玄武巖、輝綠巖、輝長巖蘇長巖橄長巖、鐵鎂質麻粒巖、綠片巖相玄武巖、角閃巖、石榴石基性麻粒巖、基性榴輝巖）的偏導數(shù)值擬合系數(shù)a和b[9，25]。

當壓力小于 0.5 GPa時，巖石的裂隙導致其P波波速降低，導致利用上述P波波速密度線性關系得出的密度偏大。因此，若采用式（1）計算的密度小于2 500 kg·m-3時，可以應用NafeDrake曲線[27]進行P波波速密度轉換[25]，即

ρ =1.661 2Vp-0.047 12V2p+0.067 1V3p-

0.004 3V4p+0.000 106V5p（4）

2.2溫壓估計

擬合P波波速密度線性關系需要對P波波速、密度進行溫度和壓力校正，本文采用Chapman提出的一維穩(wěn)態(tài)地溫線模型[28]進行。該模型已被廣泛應用于大陸地溫的研究中[25，2930]，同時也是Gao等研究中國東部地區(qū)地殼組成時所采用的地溫線模型[10]。Chapman地溫線模型將地表熱流按60%的比例折合為剩余熱流（qr），代表來自上地殼之下的熱流值[28]；其余40%地表熱流值屬于上地殼的放射性生熱，上地殼內的生熱率以指數(shù)形式衰減，衰減到0.4 μW·m-3或者深度到達16 km（上、下地殼分界面）后，生熱率保持穩(wěn)定（0.4 μW·m-3）直至地殼底部；地幔巖石圈的生熱率取0.02 μW·m-3。地殼和地幔的熱傳導率（K）為溫度和壓力的函數(shù)。具體的計算參數(shù)見文獻[25]、[28]和[29]。

根據(jù)Wang的研究[20]，中國東部各構造單元熱流值分別取值為：鄂爾多斯盆地為60 mW·m-2，華北盆地滄縣隆起為67 mW·m-2，華北盆地河北凹陷為67 mW·m-2，華東下?lián)P子地區(qū)為65 mW·m-2，華中地區(qū)湖北為57 mW·m-2，華南地區(qū)柳州為60 mW·m-2，東南沿海地區(qū)泉州為72 mW·m-2。Gao等統(tǒng)計的中國東部地區(qū)各構造單元的熱流值[10]按文獻[10]表1所給熱流值數(shù)據(jù)取值。

根據(jù)Hasterok等的研究結果[25]，采用1 GPa/35 km的固定壓力梯度計算地殼深部壓力。

2.3誤差估計

在利用P波波速密度線性關系計算地殼密度時，采用Monte Carlo法對計算參量分別給予隨機擾動，通過多次計算（10×105）獲得密度的估算誤差[25]。具體做法是：地殼各層厚度賦予實測值在±10%以內的隨機擾動值，P波波速賦予實測值在±3%以內的隨機擾動值，P波波速密度線性關系的a、b擬合值分別賦予±50和±8范圍內的隨機擾動值。

2.4計算結果

根據(jù)上述P波波速密度線性關系，應用地殼P波波速轉換得到中國東部地區(qū)地殼密度（表1、2）。全地殼平均密度是根據(jù)上、中、下地殼的密度，利用地殼各分層厚度加權計算得出的；其誤差是平均值計算中的標準偏差值（10×105）。

從表1、2可以看出，中國東部地區(qū)大多數(shù)構造單元的下地殼密度大于3 000 kg·m-3，只有根據(jù)Li等歸納的地震剖面[13]計算得出的華北盆地滄縣隆起下地殼密度為（2 929±35）kg·m-3，根據(jù)Gao等歸納的地震剖面[10]得出的華北克拉通整體下地殼密度為（2 975±28）kg·m-3。

將根據(jù)P波波速密度線性關系得到的中國東部地區(qū)下地殼密度與Christensen等實測的基性巖密度[9]相對比（圖4、5），根據(jù)Li等歸納的地震剖面[13]

計算得出的中國東部各構造單元中，除華北盆地滄縣隆起外，其余各地區(qū)下地殼密度介于基性侵入巖（輝綠巖、輝長巖蘇長巖橄長巖）、淺變質基性巖（沸石相玄武巖、綠片巖相玄武巖）、中高級基性變質巖（角閃巖、鐵鎂質麻粒巖）與含石榴石高級變質基性巖（石榴石基性麻粒巖）的密度之間（圖4），根據(jù)Gao等歸納的地震剖面[10]計算得出的中國東部各構造單元中，華北克拉通下地殼密度對應于基性侵入巖（輝綠巖、輝長巖蘇長巖橄長巖）的密度，揚子克拉通、秦嶺造山帶、桐柏—大別—蘇魯造山帶下地殼密度介于基性侵入巖（輝長巖蘇長巖橄長巖）與變質基性巖（綠片巖相玄武巖、角閃巖、鐵鎂質麻粒巖）的密度之間，內蒙古—黑龍江造山帶和華南造山帶下地殼密度介于中高級基性變質巖（角閃巖、鐵鎂質麻粒巖）與含石榴石高級變質基性巖（石榴石基性麻粒巖）的密度之間[圖5（a）]。Gao等根據(jù)面積加權得到的中國中東部和東部整體下地殼地震剖面[10]計算得出的密度約為3 000 kg·m-3，介于基性侵入巖（輝綠巖、輝長巖蘇長巖橄長巖）與變質基性巖（綠片巖相玄武巖、角閃巖、鐵鎂質麻粒巖）的密度之間[圖5（b）]。因此，根據(jù)P波波速密度線性關系得到的下地殼密度限定了中國東部下地殼是以基性巖類為主的巖性組合。

3結語

（1）依據(jù)Christensen等對地殼常見巖石的P波波速、密度的試驗數(shù)據(jù)[9]，將Gao等和Li等歸納的中國東部地區(qū)P波波速結構[10，13]進行巖性對比，發(fā)現(xiàn)中國東部各構造單元下地殼P波波速與基性巖類相當。

（2）采用Hasterok等提出的P波波速密度轉換方法[25]，依據(jù)Christensen等的試驗數(shù)據(jù)[9]，本文將Gao等和Li等歸納的P波波速結構[10，13]轉換為密度結構。計算結果顯示，中國東部地區(qū)絕大多數(shù)構造單元下地殼密度大于3 000 kg·m-3，僅華北盆地下地殼密度介于2 900～3 000 kg·m-3之間，且對應于基性巖類的密度。由此推斷中國東部下地殼整體屬于基性成分，與Wang等的研究結果[12]相同，而非高山等推測的中性成分[6，10]。

中國地質大學（北京）吳小林、薛翻琴在研究工作中提供了幫助，在此一并致謝。

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