姜磊， 丁志峰,2* ， 高天揚(yáng)， 黃翔,3

1 中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 中國(guó)地震局震源物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081 3 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院， 北京 100871

0 引言

華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，大量研究表明，大約18.5億年前，華北克拉通由東、西兩個(gè)太古宙陸塊碰撞拼合而成，隨后，華北克拉通基底經(jīng)歷了一段相對(duì)穩(wěn)定的沉積過(guò)程，覆蓋了較厚的古生代沉積物(Wang and Mo，1995；Zheng et al.，2017).進(jìn)入中生代后華北克拉通開始遭受強(qiáng)烈破壞，在侏羅-白堊紀(jì)期間受制于古太平洋俯沖的燕山運(yùn)動(dòng)對(duì)華北克拉通的破壞起了重要作用(Wang and Li，2008；朱日祥等，2011，2012，2019；Wang et al.，2015a，2017b)，在該過(guò)程中以北西-南東向擠壓為主，巖漿活動(dòng)、火山活動(dòng)頻繁，形成了各種斷層、褶皺.在新生代，受控于東側(cè)太平洋板塊俯沖和西側(cè)印度—?dú)W亞板塊碰撞作用，發(fā)生了廣泛的構(gòu)造伸展變形和巖漿作用(Menzies et al.，2007；劉俊來(lái)等，2008；Li et al.，2018)，孕育了大量的斷陷及裂谷盆地.現(xiàn)今，華北克拉通周圍被不同時(shí)期形成的造山帶環(huán)繞 (凌媛等，2017)，北側(cè)為中亞造山帶，南側(cè)為秦嶺—大別造山帶和祁連造山帶.華北克拉通的破壞具有強(qiáng)烈的復(fù)雜性，即：東部塊體破壞嚴(yán)重，西部塊體相對(duì)保持穩(wěn)定.諸多學(xué)者構(gòu)建了多種模型來(lái)探討其破壞機(jī)制，主要有地幔柱上涌模型、巖石圈或地殼拆沉模型等(喬彥超等，2013；Wang et al.，2015b；程華冬等，2016；程華冬和黃金水，2017；王永明等，2017).巖漿底侵和拆沉作用是兩個(gè)相反的過(guò)程，主導(dǎo)了不同構(gòu)造環(huán)境下的殼-幔演化過(guò)程(樊祺誠(chéng)等，2001，2005)，巖漿底侵作用主要是巖漿上涌導(dǎo)致巖石圈及地殼發(fā)生軟化并在應(yīng)力作用下造成破壞，而拆沉作用是由于重力失穩(wěn)引起重力垮塌，造成地殼及巖石圈地幔斷裂下沉破壞.然而何種機(jī)制起主導(dǎo)作用目前仍存在諸多爭(zhēng)議.華北克拉通破壞的強(qiáng)烈非均勻性，表現(xiàn)在各塊體在地貌特征，巖石物理、化學(xué)性質(zhì)及深部結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)烈的非均勻性.整體來(lái)看，華北克拉通地殼厚度由西向東逐漸減薄(Wei et al.，2011；危自根等，2015)，并由地塹-地壘相間分布，該區(qū)大致可以被北東或北北東向構(gòu)造帶分為東、中、西部塊體，塊體邊界大概與南北重力梯度帶重合.華北克拉通東部是克拉通破壞最顯著的區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，該區(qū)在新生代的裂陷作用下，發(fā)育多條張性斷裂，并發(fā)生大規(guī)模沉降(Zheng et al.，2017).華北克拉通東部的華北盆地覆蓋較厚的沉積層，可細(xì)分有冀中坳陷、滄縣隆起、黃驊坳陷、埕寧隆起、濟(jì)陽(yáng)坳陷等次級(jí)構(gòu)造單元(段永紅等，2016)，這些次級(jí)構(gòu)造單元相間分布.與東部相比，中部和西部保持相對(duì)穩(wěn)定，地殼及巖石圈較厚，沉積層較薄.地殼結(jié)構(gòu)的差異反映了華北克拉通改造機(jī)制的差異，東部地殼整體破壞主要由中新生代以來(lái)東側(cè)太平洋板塊俯沖引起，而中、西部地殼改造可能是其非均勻性質(zhì)構(gòu)造帶在長(zhǎng)期演化過(guò)程中被連續(xù)的熱-構(gòu)造事件多次改造活化的疊加所造成的(陳凌等，2010；危自根等，2015).華北克拉通也是我國(guó)地震頻發(fā)地區(qū)，有史以來(lái)記錄到23次7級(jí)以上的地震，這種強(qiáng)烈的地震構(gòu)造活動(dòng)也是其區(qū)別于其他穩(wěn)定克拉通的主要特征.地震科學(xué)家們對(duì)地震的孕育條件及其發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行了探索，到目前為止仍是尚未解決的難題.前人研究表明在華北克拉通，脆性的上地殼是主要的孕震層也是一個(gè)多震層，上、下地殼分界面附近是地殼內(nèi)部的脆韌轉(zhuǎn)換帶(段永紅等，2016)，由此可見地殼上地幔的非均勻性是導(dǎo)致地震產(chǎn)生的主要原因，所以對(duì)華北克拉通地殼上地幔精細(xì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)是我們揭示其孕震環(huán)境，探討地震發(fā)生機(jī)理的重要手段.

長(zhǎng)期以來(lái)華北克拉通的構(gòu)造演化歷程一直是熱點(diǎn)問(wèn)題，隨著數(shù)字化地震觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，利用各種地球物理手段針對(duì)華北地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的探測(cè)和研究，取得了顯著的成果，包括接收函數(shù)、面波成像、人工地震測(cè)深、大地電磁測(cè)深(Yao et al.，2008；房立華等，2009，2013；陳凌等，2010；Fang et al.，2010；Zheng et al.，2011；武巖等，2011，2014，2018；Tang et al.，2013；Fu et al.，2015；段永紅等，2016；凌媛等，2017；王椿鏞等，2017；Ouro-Djobo等，2018；Xu et al.，2018).近年來(lái)，由于華北地區(qū)科學(xué)臺(tái)陣布設(shè)，為利用密集臺(tái)陣開展殼幔結(jié)構(gòu)成像提供了大量數(shù)據(jù).然而，由于華北克拉通東部塊體覆蓋有較厚的沉積層，對(duì)該區(qū)地殼結(jié)構(gòu)研究造成一定的困難，因而由不同的方法得到的地殼厚度，殼幔速度結(jié)構(gòu)仍存在諸多差異.

近十年來(lái)，背景噪聲成像方法得到廣泛的應(yīng)用.該方法是利用不同臺(tái)站長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)記錄進(jìn)行互相關(guān)得到經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)，進(jìn)而通過(guò)反演獲得臺(tái)站群(相)速度.很多學(xué)者利用背景噪聲進(jìn)行了諸多有意義的研究.例如，房立華等(2009，2013)得到了華北克拉通瑞利面波(勒夫波)群(相)速度分布圖.Feng等(2017)利用噪聲干涉確定了華北地區(qū)的410 km和660 km不連續(xù)面.Tang等(2013)利用背景噪聲和面波數(shù)據(jù)反演了華北地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)，分析了華北盆地和鄂爾多斯塊體的熱、化學(xué)性質(zhì)，并對(duì)其殼幔演化過(guò)程進(jìn)行了探討.然而，由于面波對(duì)S波速度結(jié)構(gòu)敏感而對(duì)速度間斷界面不敏感，故單獨(dú)利用面波數(shù)據(jù)反演殼、幔速度結(jié)構(gòu)有顯著的非唯一性問(wèn)題.因此很多學(xué)者開始嘗試聯(lián)合接收函數(shù)與面波頻散數(shù)據(jù)反演S波速度結(jié)構(gòu)(Shen et al.，2013；Zheng et al.，2016；鄭晨等，2016，2018；Wang et al.，2017a)并取得了很好的效果，這主要是利用接收函數(shù)對(duì)臺(tái)站下方的速度界面的敏感性與面波數(shù)據(jù)對(duì)絕對(duì)速度的敏感性的互補(bǔ).相比于地震面波，背景噪聲對(duì)短周期瑞利面波有很好的反映，即能較好的反映中上地殼的S波速度(陳俊磊等，2019).因此我們利用噪聲數(shù)據(jù)和接收函數(shù)聯(lián)合反演能夠更好地反映地殼淺部的速度結(jié)構(gòu)特征.

本文所用數(shù)據(jù)源自于華北克拉通地區(qū)(111°E—120°E，37°N—42°N)布設(shè)的188個(gè)寬頻帶流動(dòng)臺(tái)站(圖1).我們通過(guò)對(duì)提取的背景噪聲瑞利面波群速度和接收函數(shù)進(jìn)行聯(lián)合反演得到華北克拉通地殼S波速度結(jié)構(gòu)，沉積層厚度及莫霍面深度，并對(duì)其構(gòu)造演化過(guò)程進(jìn)行分析.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 面波頻散

我們收集了2007年1月到2007年12月華北科學(xué)臺(tái)陣的188個(gè)寬頻帶流動(dòng)臺(tái)站(臺(tái)站分布見圖1)的連續(xù)地震波形數(shù)據(jù).地震計(jì)為CMG-3ESP，頻帶范圍：50 Hz～60 s.根據(jù)Bensen等(2007)介紹的方法及步驟對(duì)垂直分量(經(jīng)重采樣：1 Hz、去儀器響應(yīng)、帶通濾波5～50 s、時(shí)域歸一化)處理得到經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)，篩選得到信噪比>7，臺(tái)站間距>3倍波長(zhǎng)的數(shù)據(jù).利用姚華建等(2004)編制的多重濾波圖像分析軟件提取5～30 s瑞利面波群速度頻散.得到頻散曲線后，使用Ditmar和Yanovskaya(1987)、Yanovskaya和Ditmar(1990)提出的面波層析成像方法反演得到的瑞利面波群速度分布，反演網(wǎng)格大小為0.25°×0.25°.從中提取各臺(tái)站對(duì)應(yīng)的瑞利面波群速度數(shù)據(jù)作為聯(lián)合反演的面波頻散數(shù)據(jù).關(guān)于華北地區(qū)該數(shù)據(jù)已有諸多背景噪聲瑞利面波成像的研究成果，如Fang等(2010)與本文使用數(shù)據(jù)一致且結(jié)果相似，因此本文不再羅列成像結(jié)果.

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造及臺(tái)陣分布圖藍(lán)色三角形代表流動(dòng)臺(tái)站位置，藍(lán)色實(shí)線表示主要的斷裂分布，紅色實(shí)線為剖面K和L的位置，灰色實(shí)線為南北重力梯度帶.主要次級(jí)構(gòu)造單元有：JY：濟(jì)陽(yáng)坳陷，CN：埕寧隆起，HH：黃驊坳陷，CX：滄縣隆起，JZ：冀中坳陷.Fig.1 Map showing tectonic setting of the study area and station distributionThe blue triangles are seismic stations, the blue solid lines denote major fracture distribution, the red solid line is the location of the cross sections K and L, and the gray line is north-south gravity gradient zone. The main secondary structural units are: JY: Jiyang depression, CN: Chengning uplift, HH: Huanghua depression, CX: Cangxian uplift, JZ: Jinzhong depression.

1.2 接收函數(shù)

采用來(lái)自于武巖等(2018)利用時(shí)間域反褶積計(jì)算得到的接收函數(shù).對(duì)于不同震中距的接收函數(shù)，其Ps轉(zhuǎn)換波與P波到時(shí)差不同，因此首先我們對(duì)其進(jìn)行動(dòng)校正到67°參考震中距并疊加得到平均接收函數(shù)(Yuan et al.，1997；鄭晨等，2018)，然后截取前15 s的波形作為聯(lián)合反演的接收函數(shù)數(shù)據(jù).

1.3 聯(lián)合反演

本文利用改進(jìn)的NA算法(Sambridge，1999；鄭晨等，2016，2018)聯(lián)合反演背景噪聲面波和接收函數(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)建地殼S波三維速度結(jié)構(gòu)，并得到沉積層厚度，莫霍面深度.該方法通過(guò)在模型空間進(jìn)行隨機(jī)搜索，計(jì)算200個(gè)模型對(duì)應(yīng)的失配值，失配值由公式(1)計(jì)算，

+ω3‖m-m0‖+ω4‖Lm‖,

(1)

式中，G表示接收函數(shù)及背景噪聲面波數(shù)據(jù)，ω1，ω2，ω3，ω4分別的代表計(jì)算失配值時(shí)各部分的權(quán)重，m是模型參數(shù)，L是Laplacian算子.反演過(guò)程中需要設(shè)置各部分權(quán)重，其中ω3，ω4越大得到的結(jié)果越穩(wěn)定但相應(yīng)的數(shù)據(jù)失配值會(huì)增大，經(jīng)過(guò)嘗試我們分別將其設(shè)置為為1.0和0.3.對(duì)于ω1和ω2，根據(jù)各臺(tái)站波形擬合程度做出調(diào)整，即對(duì)于擬合較差的數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)恼{(diào)大其權(quán)重.

每次迭代選取失配值最低的5個(gè)模型，并再次均勻隨機(jī)游走產(chǎn)生新的100個(gè)模型進(jìn)行新一次迭代，整個(gè)過(guò)程共進(jìn)行500次迭代.

反演過(guò)程中我們將臺(tái)站下方劃分為沉積層、地殼、上地幔三個(gè)部分，根據(jù)武巖等(2014，2018)對(duì)渤海灣地區(qū)沉積層厚度以及地殼厚度的研究，我么將反演沉積層厚度參數(shù)搜索范圍設(shè)置為0～7 km，并且將莫霍面搜索范圍設(shè)置為25～50 km.同時(shí)，固定各層vP/vS值，沉積層設(shè)置為2.0，地殼及地幔分別設(shè)定為1.75和1.795.在反演中利用樣條曲線表示S波速度結(jié)構(gòu)，將沉積層搜索厚度設(shè)置為0.1 km，地殼及上地幔頂部設(shè)置為2 km，其余上地幔部分設(shè)置為5 km(鄭晨等，2016).各層密度根據(jù)Nafe-Drake速度-密度公式(Nafe and Drake，1963)計(jì)算.

通過(guò)對(duì)各臺(tái)站逐個(gè)進(jìn)行反演發(fā)現(xiàn)，位于基巖上的臺(tái)站反演的接收函數(shù)和面波頻散數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)有很好的擬合(圖2a)，但是部分臺(tái)站，特別是華北盆地地區(qū)反演效果相對(duì)較差，這主要是由于接收函數(shù)數(shù)據(jù)和面波頻散數(shù)據(jù)分辨率的不同，接收函數(shù)對(duì)沉積層十分敏感，而面波頻散數(shù)據(jù)卻無(wú)法有效的反映沉積層(Shen et al.，2013)，即面波頻散高頻成分的速度是地殼淺層速度的平均效應(yīng)，其無(wú)法反映沉積層極低的剪切波速度.對(duì)此類臺(tái)站我們適當(dāng)?shù)慕氐粜〔糠指哳l成分使我們的結(jié)果更為準(zhǔn)確(圖2b，2c).

圖2 臺(tái)站A103(a)、A605(b)、K046(c)聯(lián)合反演結(jié)果(a1,b1,c1)中紅色實(shí)線失配值最低的S波速度結(jié)構(gòu)，黑色背景為200組次優(yōu)解；(a2,b2,c2)中黑色實(shí)線為真實(shí)接收函數(shù)，紅色實(shí)線為反演擬合的接收函數(shù)； (a3,b3,c3)中藍(lán)色星形代表真實(shí)面波頻散數(shù)據(jù)，紅色實(shí)線為反演擬合的面波頻散曲線.Fig.2 Joint inversion results under station A103 (a)、A605 (b)、K046 (c)The red solid line in the left figure represents the best vS model with smallest misfit value while the black background for the best 200 models; In top right figure, receiver function data are shown in black solid curve and predicted waveform is in dashed line. In the bottom right, the blue stars represent real surface wave dispersion data and the solid lines denote predicted surface wave dispersion.

2 結(jié)果

通過(guò)插值，我們得到了研究區(qū)沉積層厚度，莫霍面深度及地殼S波速度結(jié)構(gòu).圖3a展示了研究區(qū)沉積層厚度分布，整個(gè)研究區(qū)沉積層厚度范圍在0～7 km，以太行山為界，兩側(cè)反映出了不同的沉積層厚度分布.其中太行山西側(cè)及燕山造山帶區(qū)域沉積層厚度較小小于1 km，但是在山西地塹帶沉積層厚度較大，約為2～3 km.東側(cè)華北盆地沉積層明顯較厚大于3 km，局部地區(qū)可達(dá)到5～6 km.可以看出沉積蓋層厚度與地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)應(yīng)，坳陷區(qū)沉積層厚度較大，隆起區(qū)沉積層厚度較小.

地殼厚度成像結(jié)果與前人結(jié)果較為一致(嘉世旭等，2009；葛粲等，2011；Tang et al.，2013；武巖等，2018)，從圖3b可以看出地殼厚度變化范圍約29～46 km，由西向東逐漸減薄.同樣以太行山為界，華北克拉通東部華北盆地地殼厚度小于34 km，燕山造山帶東側(cè)地殼厚度小于36 km.而華北克拉通中、西部地殼厚度較大約為36～46 km，在山西地塹莫霍面局部隆起約36～39 km.研究區(qū)地殼最厚的地區(qū)位于清水河附近大于43 km，地殼最薄地區(qū)位于保定附近及渤海灣周邊地區(qū)，莫霍面輕微隆起.

圖3 (a)研究區(qū)沉積層厚度及(b)研究區(qū)地殼厚度Fig.3 Map of sedimentary thickness (a) and crustal thickness (b) in study region

研究區(qū)0～5 km范圍內(nèi)的平均S波速度結(jié)構(gòu)(圖4a)顯示，華北盆地存在顯著的低速異常，其中滄縣隆起區(qū)S波速度相對(duì)略高于其兩側(cè)的冀中坳陷和黃驊坳陷.在南北重力梯度帶以西地區(qū)，清水河—朔州地區(qū)呈現(xiàn)顯著的高速異常，太行山和燕山造山帶區(qū)域也顯示高速特征，而山西地塹區(qū)域S波速度略低于造山帶.整體來(lái)看，在0～5 km范圍內(nèi)，華北克拉通東部與中、西部地區(qū)速度分界明顯，且速度結(jié)構(gòu)基本與地表地質(zhì)和構(gòu)造帶相對(duì)應(yīng)，坳陷區(qū)速度相對(duì)較低，隆起區(qū)速度相對(duì)較高.

圖4 聯(lián)合反演獲得的研究區(qū)地殼平均S波速度分布(a) 地殼頂部(0～5 km)平均S波速度分布； (b) 中、上地殼(5～20 km)平均S波速度分布； (c) 下地殼(20 km～莫霍面)平均S波速度分布.Fig.4 Average of S-wave velocity distribution in the crustal from the joint inversion in study region(a) Average S-wave velocity distribution in uppermost crust (0～5 km); (b) Average S-wave velocity distribution in the middle and upper crust (5～20 km); (c) Average S-wave velocity distribution in the lower crust (20 km～Moho).

圖4b展示了研究區(qū)5～20 km 范圍的平均S波速度結(jié)構(gòu)，該范圍主要反映了研究區(qū)沉積層以下的中、上地殼的S波速度結(jié)構(gòu).在這一深度范圍內(nèi)的S波速度結(jié)構(gòu)仍然基本與區(qū)內(nèi)主要的構(gòu)造帶相對(duì)應(yīng)，但是與結(jié)晶基底以上的S波速度結(jié)構(gòu)存在顯著的差異.研究區(qū)內(nèi)主要的兩條造山帶(太行山造山帶、燕山造山帶)顯示較低的S波速度.在研究區(qū)內(nèi)可以非常清楚的識(shí)別出三個(gè)高速異常區(qū)域，分別是清水河—朔州—大同地區(qū)、天津—唐山地區(qū)以及華北盆地地區(qū).

下地殼S波速度結(jié)構(gòu)(圖4c)顯示研究區(qū)下地殼存在多個(gè)明顯的高速異常區(qū)域，分別是華北盆地區(qū)域、北京北部區(qū)域、清水河—朔州及大同區(qū)域.而在張北、太行山造山帶及天津—唐山周邊地區(qū)顯示出低速異常，特別是天津—唐山周邊地區(qū)低速異常顯著.與中、上地殼速度結(jié)構(gòu)相比，研究區(qū)下地殼在天津—唐山周邊地區(qū)發(fā)生了明顯的速度反轉(zhuǎn).

3 討論

華北克拉通破壞不僅是發(fā)生在巖石圈地幔的破壞，而且也造成其下地殼甚至整個(gè)地殼的破壞.目前，對(duì)于華北克拉通破壞機(jī)制主要有拆沉作用和熱-化學(xué)侵蝕作用.華北克拉通歷史上發(fā)生過(guò)多次構(gòu)造活動(dòng)，尤其是中、新生代以來(lái)，發(fā)生了燕山運(yùn)動(dòng)和古太平洋板塊的俯沖作用，使得華北克拉通地殼和巖石圈發(fā)生強(qiáng)烈的破壞，其表現(xiàn)在沉積層厚度、地殼厚度、S波速度結(jié)構(gòu)等方方面面.南北重力梯度帶是華北克拉通一條重要的分界線，其兩側(cè)經(jīng)歷了不同的構(gòu)造演化過(guò)程.在本文的結(jié)果中，無(wú)論是沉積層厚度還是地殼厚度或者地殼S波速度結(jié)構(gòu)都明顯以該重力梯度帶為界，其兩側(cè)表現(xiàn)出截然不同的特征.目前對(duì)該區(qū)已經(jīng)有不少的研究成果，我們將對(duì)本文所得到的結(jié)果與前人的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

華北克拉通東部覆蓋的巨厚沉積層給該區(qū)的研究帶來(lái)一定的困難，諸多學(xué)者利用不同的方法對(duì)該區(qū)的沉積層厚度進(jìn)行了研究(羅艷等，2008；武巖等，2014，段永紅等，2016).我們的結(jié)果與這些研究結(jié)果有著良好的對(duì)應(yīng)，華北盆地沉積層較厚約為3～7 km，其中在冀中坳陷東側(cè)可達(dá)到5～6 km.山西地塹帶沉積層厚度大約2～3 km，太行山造山帶與燕山造山帶結(jié)晶基底幾乎出露地表(沉積層厚度<1 km).研究區(qū)地殼厚度由西向東逐漸減薄，以南北重力梯度帶為界，兩側(cè)厚度劇烈變化.諸多研究表明古太平洋大約于180 Ma年前開始向歐亞大陸之下俯沖(Wang et al.，2015a，2017b)，東部嚴(yán)重破壞減薄與古太平洋的俯沖及其引起的弧后拉張作用有重要關(guān)聯(lián)(朱日祥等，2011，2012，2019；Wang et al.，2018).

研究區(qū)內(nèi)淺層(0～5 km)S波速度結(jié)構(gòu)主要受到低速的沉積層影響，其速度分布特點(diǎn)與我們所得到沉積層厚度分布結(jié)果相吻合，并基本與地表地質(zhì)構(gòu)造帶相對(duì)應(yīng)，華北盆地低速特征明顯，山西地塹速度相對(duì)于造山帶偏低，華北盆地與山西地塹厚的沉積層是其呈現(xiàn)相對(duì)低速的主要原因.同時(shí)，在華北盆地中的次級(jí)構(gòu)造帶的隆起區(qū)與坳陷區(qū)也存在差異，速度分界較為明顯，房立華等(2013)也得到了相似的結(jié)果，這也反映了不同次級(jí)構(gòu)造單元結(jié)晶基底埋深的差異性.

研究區(qū)沉積層以下中、上地殼(5～20 km)，造山帶和盆地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)相對(duì)于結(jié)晶基底以上的速度結(jié)構(gòu)顯示出不同的特征，在華北盆地地區(qū)顯示高速異常，而太行山造山帶及燕山造山帶顯示低速異常，自新生代以來(lái)，整個(gè)華北盆地產(chǎn)生張裂和不均勻的沉降(曾融生等，1991)，華北盆地中、上地殼相對(duì)高速可能與沉降所造成的相對(duì)高的巖石強(qiáng)度相關(guān).清水河—朔州及大同地區(qū)顯示高速異常并一直延伸到下地殼，該區(qū)高速異常在其他學(xué)者相關(guān)研究中也都有體現(xiàn)(房立華等，2009，2013；Wang et al.，2012；Tang et al.，2013)，該區(qū)玄武巖廣泛出露，推測(cè)可能與玄武質(zhì)巖漿冷卻凝固有關(guān).

下地殼是殼幔物質(zhì)交換的重要紐帶，本文結(jié)果顯示S波速度結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且研究區(qū)內(nèi)不同塊體間速度對(duì)比相比于中、上地殼更為強(qiáng)烈.華北盆地區(qū)域顯示強(qiáng)烈的高速異常，Tang等(2013)和Fu等(2015)也得到了華北盆地下地殼顯示高速異常的結(jié)果.然而一些研究成果顯示華北盆地地區(qū)在下地殼為低速異常，他們將其解釋為巖漿侵入造成下地殼大范圍部分熔融，從而導(dǎo)致下地殼低速，但是泊松比研究顯示華北東部地區(qū)內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)異常高的泊松比(ν>0.31), 暗示地殼內(nèi)不存在大規(guī)模的部分熔融(Owens and Zandt，1997)，并且華北東部塊體南部泊松比值比較低，這被認(rèn)為是由拆沉作用造成的(許衛(wèi)衛(wèi)等，2005；劉俊來(lái)等，2008；武巖等，2018).巖石學(xué)證據(jù)也表明華北克拉通東部伸展與拆離作用強(qiáng)烈，存在大規(guī)模的變質(zhì)核雜巖(Darby et al.，2004；Liu et al.，2006).結(jié)合泊松比特征及巖石學(xué)證據(jù)，我們推測(cè)拆沉作用可能是華北克拉通東部地殼強(qiáng)烈破壞的主導(dǎo)因素，該區(qū)下地殼高速異?？赡苁怯捎谌A北盆地在古太平洋俯沖擠壓后經(jīng)歷不同程度的下地殼拆沉作用，隨后大規(guī)模的伸展作用相伴隨的幔源基性鐵鎂質(zhì)巖漿底侵至下地殼結(jié)晶所造成的.太行山造山帶及以西地區(qū)顯示低速異常，武巖等(2018)研究顯示太行山山前斷裂的泊松比可達(dá)到0.30以上，Ji等(2009)研究顯示張北—張家口—懷來(lái)、保定—繁峙及太行山一帶為巖漿底侵區(qū)域，與我們得到的下地殼低速異常區(qū)形態(tài)基本吻合(圖4b)，根據(jù)其華北克拉通伸展分區(qū)模式，推論在太行山隆起區(qū)下地殼存在巖漿底侵造成區(qū)域部分熔融.唐山地震區(qū)位于燕山造山帶與華北盆地的交界部位，我們的結(jié)果顯示該區(qū)下地殼存在顯著的低速異常，暗示該區(qū)存在地幔物質(zhì)上涌通道，對(duì)于該區(qū)下地殼低速異常在其他學(xué)者的相關(guān)研究中也都有體現(xiàn)，地幔熱物質(zhì)向地殼運(yùn)移被認(rèn)為是導(dǎo)致該區(qū)應(yīng)力累積和發(fā)生地震的重要因素(曾融生等，1991；劉啟元等，2007；段永紅等，2016).

為了進(jìn)一步了解研究區(qū)殼內(nèi)高、低速體與構(gòu)造之間的關(guān)系，我們沿K測(cè)線(圖5a)和L測(cè)線(圖5b)繪制兩條速度結(jié)構(gòu)垂直剖面圖.王未來(lái)等(2009)利用雙臺(tái)法得到的面波頻散曲線與接收函數(shù)聯(lián)合反演得到了K測(cè)線0～100 km的S波速度結(jié)構(gòu)，與其相比我們利用噪聲面波頻散數(shù)據(jù)包含更短的周期，對(duì)測(cè)線下方地殼淺部有更好的分辨能力.結(jié)果顯示測(cè)線下方速度變化較好的勾畫了沉積層和莫霍面形態(tài)，由西向東沉積層厚度增大、莫霍面深度減小.在20 km以上范圍內(nèi)，S波速度較低，主要反映中、上地殼的速度特征.在下地殼內(nèi)存在多個(gè)低速體(20～40 km)，其中張北附近地區(qū)下地殼低速體最為明顯，巖石學(xué)和地球化學(xué)觀測(cè)顯示在張北地區(qū)玄武巖捕擄體廣泛出露(Zhang et al.，2018)，三維導(dǎo)電性模型顯示該區(qū)下地殼高導(dǎo)電性異常(Zhang et al.，2016)，這些證據(jù)意味著張北附近地區(qū)存在強(qiáng)烈的殼幔熱化學(xué)作用造成下地殼部分熔融.在唐山—唐海、三河—寶坻、商都以西及繁峙地區(qū)也存在一定范圍的下地殼低速體，在前文中已指出這些區(qū)域可能存在一定范圍的巖漿底侵作用或者存在幔源物質(zhì)上涌通道，從而導(dǎo)致S波速度低速異常.

唐山地震區(qū)一直是地球物理學(xué)家們研究的重點(diǎn)區(qū)域，梅世蓉等(1999)根據(jù)唐山地震區(qū)層析成像結(jié)果提出震源區(qū)的中、上地殼存在較大規(guī)模的高速體，而四周速度較低的孕震模式.在這種模式下，中、上地殼由于巖石強(qiáng)度存在差異在受到水平應(yīng)力場(chǎng)和垂向應(yīng)力場(chǎng)的作用下更容易積累應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生破裂.圖5a顯示，在唐山地震區(qū)表現(xiàn)出在沉積層下存在較大范圍的高速體，并且該高速體又被其下低S波速度包裹的特征，表明唐山地區(qū)符合這種孕震模式.除了唐山地震區(qū)外，張北地區(qū)及太行山與華北盆地塊體交界地帶下方速度結(jié)構(gòu)也存在這種特征，歷史上在這兩個(gè)區(qū)域附近也曾分別發(fā)生過(guò)1998年張北6.2級(jí)地震和1679年三河—平谷8級(jí)地震(震源深度不詳)，該特征是否具有廣泛的代表性仍有待進(jìn)一步研究.

圖5 沿圖1中L剖面(a)和K剖面(b)S波速度模型垂直切片綠色五角星圓圈從左至右依次表示：張北—尚義6.2級(jí)地震，三河—平谷8.0級(jí)地震和唐山7.8級(jí)地震.Fig.5 Cross sections of vS model along L profile (a) and K profile (b) in Fig.1From left to right, the earthquake marked in green stars are: Zhangbei-Shangyi M 6.2 earthquake, Sanhe-Pinggu M 8.0 earthquake, and Tangshan M 7.8 earthquake.

華北克拉通尤其是東部地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地塹-地壘構(gòu)造交替分部，強(qiáng)烈的不均勻性是導(dǎo)致地震發(fā)生的直接原因.面波和接收函數(shù)是深入了解地殼結(jié)構(gòu)的有效手段.在研究區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生過(guò)多次7級(jí)以上大震并造成了巨大的人員財(cái)產(chǎn)損失，尤其是唐山地震.通過(guò)開展地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究有利于我們探索其孕震機(jī)制.我們利用華北地區(qū)188個(gè)臺(tái)站連續(xù)1年的波形數(shù)據(jù)互相關(guān)并用頻時(shí)分析得到噪聲瑞利面波數(shù)據(jù)并聯(lián)合接收函數(shù)反演得到了華北克拉通沉積層厚度、莫霍面深度及地殼S波速度結(jié)構(gòu)，并與前人的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，討論了華北克拉通破壞機(jī)制及其孕震環(huán)境.具體總結(jié)如下：

(1)華北克拉通沉積層厚度坳陷帶和隆起帶分界明顯，其中華北盆地存在巨厚的沉積層，并且在冀中坳陷東部達(dá)到最大(5～6 km)，山西地塹也顯示較厚的沉積層.地殼由東向西逐漸增厚(29～46 km)，與中、西部地區(qū)相比，東部華北盆地地殼厚度<34 km，表示該區(qū)域可能經(jīng)歷了強(qiáng)烈的伸展減薄作用，嚴(yán)重破壞減薄與古太平洋的俯沖引起的弧后拉張作用有重要關(guān)聯(lián).

(2)S波速度結(jié)構(gòu)顯示，在地殼頂部速度特征與地形地貌、地殼厚度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，華北盆地、山西地塹受到沉積層影響表現(xiàn)為低速異常.在中、上地殼范圍內(nèi)華北盆地的高速異?？赡芘c該區(qū)新生代以來(lái)多次沉降有關(guān).清水河—朔州及大同區(qū)域顯示高速異常并延伸到下地殼，可能與玄武質(zhì)巖漿冷卻凝固有關(guān).

(3)在下地殼范圍內(nèi)，華北盆地地區(qū)顯示顯著高速異常.該區(qū)下地殼高速異常可能是由于華北盆地在古太平洋俯沖擠壓后經(jīng)歷不同程度的下地殼拆沉作用，隨后大規(guī)模的伸展作用相伴隨的幔源基性鐵鎂質(zhì)巖漿底侵至下地殼結(jié)晶所造成的.張北及太行山造山帶表現(xiàn)出低速異常，暗示巖漿侵入造成下地殼部分熔融.唐山地震區(qū)及周邊顯示顯著的低速異常，該區(qū)地震多發(fā)可能與地幔物質(zhì)的運(yùn)移有關(guān).

(4)剖面顯示多個(gè)發(fā)生過(guò)強(qiáng)震的區(qū)域表現(xiàn)出沉積層下方存在較大范圍的(約10 km)高速體，并且高速體又被其下低S波速度包裹的特征，殼內(nèi)巖石強(qiáng)度的差異為應(yīng)力積累及地震發(fā)生提供條件.該特征是否具有廣泛的代表性仍有待進(jìn)一步研究.

致謝武巖博士提供了接收函數(shù)數(shù)據(jù).鄭晨及王興臣博士在數(shù)據(jù)處理期間給予了指導(dǎo).審稿專家及編輯給出了修改意見.中國(guó)地震局地球物理研究所“中國(guó)地震科學(xué)探測(cè)臺(tái)陣數(shù)據(jù)中心”為本研究提供了地震波形數(shù)據(jù).在此一并致謝.