1樓：中地數媒
如前所述，從目前的技術狀況而言，研究上地幔尺度的地球物理方法當以天然**和大地電磁探測為主。因此，為了研究華北地區上地幔三維速度結構，我們採用**面波頻散反演，即首先進行網格化反演，求得面波純頻散，然後由所得的純頻散資料反演華北地區地殼上地幔三維速度結構，獲得華北地區1 °×1 °平面網度，最大深度400km的p波和s波速度資料矩陣；並分別沿深度和經、緯度方向，按一定間隔擷取p波和s波速度的平面和斷面資料體，繪製不同深度和沿不同經、緯度方向的速度平面和斷面等值線圖。
具體說，我們沿深度方向，在50～60km之間，按5km間隔；70～120km之間，按10km間隔；120～400km之間，則按40km間隔，繪製不同深度的波速平面等值線圖。沿經、緯度方向均以2°間隔，繪製不同經度或緯度的波速斷面等值線圖。通過對這一系列圖件的分析，得到華北地區上地幔三維速度結構特徵的認識。
需要說明一點，天然**面波反演得到的是υs值，這裡所討論的υp值，實際上是通過經驗關係從υs換算得來的，可能波速在絕對大小上誤差較大；因此，它與人工**在相同深度獲得的υp比較，數值上普遍偏小，但相對變化規律基本一致。
圖5.9和圖5.10分別是地下55km深處υp、υs平面等值線圖。
如圖所示，在地下50～60km之間，沿黃海、山東、河北中南部、河南北部和山西中部、陝西北端分佈著一組相對高速區，即華北**高速區，其總體走向為北西向，但區域性呈北東走向，如位於河北中南部和河南北部的高速帶。
圖5.9 華北地區55km深處υp平面等值線
圖5.10 華北地區55km深處υs平面等值線
巨集觀上看，華北**高速區的南、北、西3個方向均為相對低速區所包圍。北邊是近東西向的京、津、唐相對低速區；南邊為安徽—江蘇相對低速區，走向近東西；而西邊則是寧夏—陝西相對低速區，其走向趨勢呈北西向。位於華北地區東北部的遼寧和渤海也表現出相對高速的特點，其走向近南北向。
υp、υs平面等值線的分佈表明，區內的太行山、呂梁山和周邊的燕山、陰山、狼山、賀蘭山和伏牛山都分別位於波速梯度帶上。
圖5.11和圖5.12所示，分別是地下70km深度υp和υs的平面等值線圖。
比較80km深的υp和υs平面等值線圖看出，除了隨深度增大波速增大之外，等值線分佈的基本規律是一致的。可見，70～80km深度之間，速度結構變化不大。但與圖5.
9、圖5.10比較發現，這一深度段的波速結構卻有明顯的改變。
圖5.11 華北地區70km深處υp平面等值線
圖5.12 華北地區70km深處υs平面等值線
當深度增加到70～80km時，陝西北端的相對高速帶消失，原位於河南與河北交界的**高速區中心偏向山東、安徽、江蘇交界處；因而使原來分佈於華北地區中部，走向北西的**相對高速區轉而表現出北東走向的特點。在這深度範圍內，遼寧、渤海、山東、河北南部、河南和湖北等地區仍顯示出相對高速的特徵；其周圍相對低速區的分佈變化不大（圖5.11和圖5.
12）。區內和周邊的山脈，只有燕山和伏牛山仍位於速度梯度帶上。
當深度繼續加大到90～110km範圍內，區內波速沿平面上的分佈，變化量越來越小，因而等值線越來越稀（圖5.13和圖5.14）。
如圖5.13和圖5.14中所示，原位於華北地區中北部的京、津、唐相對低速區規模增大，其範圍向南、向東遷移，使山東西部地區轉為相對低速區，因而構成華北中部相對低速區；這低速區的中心部位在北京、天津和山東泰安一帶。
華北中部原先表現出來的北西或北東走向的相對高速區變的不明顯了。同時，華北地區西部的寧夏—陝西相對低速區也逐漸轉為相對高速。在華北中部相對低速區左、右兩邊的地區，波速都增大，但相比之下，其西邊的波速略大於東邊的波速。
圖5.13 華北地區100km深處υp平面等值線
圖5.14 華北地區100km深處υs平面等值線
圖5.15和圖5.16分別是地下160km深處，υp和υs的平面等值線圖。比較120km和200km深度上υp和υs的平面等值線分佈規律發現，在這深度範圍內波速結構基本一致。
若把圖5.15、圖5.16與圖5.
13、圖5.14做比較，特別明顯的變化是位於華北中部的相對低速區。在120～200km深度範圍內，該相對低速區繼續向南、向東擴充套件，覆蓋了山東、河南、安徽和江蘇的大部分地區。
相對低速區的中、北部大致位於114°～119°e之間，呈近南、北走向，低速中心在京、津、唐地區；相對低速區的南部向東延伸，走向為北西向，其大致範圍在112°～123°e之間，3個低速中心分別河南的汝州、安徽定遠和江蘇啟東。
圖5.15 華北地區160km深處υp平面等值線
圖5.16 華北地區160km深處υs平面等值線
如圖5.17、圖5.18、圖5.19和圖5.20所示，在200km深度以下，**波速度的平面分佈逐漸趨於均勻，波速的平面等值線極稀，區內的速度結構變得簡單了。
位於華北中部的相對低速區整體向西遷移，大致分佈在110°e到116°e之間，覆蓋著內蒙古南部、山西、河北南部、山東西部、河南和安徽北部等地，其走向近南北方向。在這深度範圍內，京、津、唐和河北的大部分地區轉為相對高速區。此外，110°e以西和116°e以東仍為相對高速區。
仔細分析華北地區內從55km到200km，不同深度上波速的平面結構發現，區內也存在8組較明顯的速度梯度帶（圖5.9～圖5.12），即：
①「承德—張北—土默特左旗—包頭—磴口—杭錦後旗」梯度帶；②「封丘—濮陽—臨清—景縣—滄縣—天津」梯度帶；③「懷安—蔚縣—曲陽—邢臺—平順—汝州」梯度帶；④「涼城—朔州—靜樂—汾陽—汾西—夏縣—洛南」梯度帶；⑦「鹽城—宿州—商丘—封丘—沁源—介休—離石—臨縣—烏審旗—阿拉善左旗」梯度帶；⑧「南召—盧氏—興平—隴縣—莊浪」梯度帶；⑨「昌黎—寶坻—涿州—淶源」梯度帶；⑩「凌海—平度—諸城—臨沂」梯度帶。其中，②～④和⑩為區內北東走向的速度梯度帶，①、⑦～⑨為北西向的梯度帶。參見地殼人工**速度結構分析結果（4.
4節）發現，這些速度梯度帶的分佈基本與上述的地殼人工**速度梯度帶一致，因而，也可能是深斷裂的反映。
圖5.17 華北地區240km深處υp平面等值線
圖5.18 華北地區240km深處υs平面等值線
但是，隨著深度增大，超過70km時，只有①、③、⑦、⑧和⑩號梯度帶的特徵還比較清晰。而當深度在90～200km之間時，隨深度增大，速度等值線的梯度特徵越來越模糊，只剩下①、③、⑦和⑩號梯度帶的特徵還能辨認；其中，①號梯度帶與燕山對應，③號與太行山對應，⑩號梯度帶正落在郯廬斷裂帶上。當深度在200～400km之間時，這些梯度帶都變的模糊了；在這深度範圍內，華北地區的上地幔波速平面分佈表現為高、低、高、低，沿東西方向相間排列的格局。
圖5.19 華北地區400km深處υp平面等值線
圖5.20 華北地區400km深處υs平面等值線
總體上看，上地幔波速是隨深度增大而增大，但不同深度，波速的變化梯度不同。在50～70km深度之間，p波速度的變化梯度約每千米（0.015～0.
03）km/s,70～90km之間約每千米（0.01～0.015）km/s; 90～120km之間約每千米（0.
005～0.01）km/s;120～240km之間約每千米（0.000625～0.
00375）km/s; 240～400km之間約每千米（0.00143～0.00331）km/s。
由此可見，隨深度增大上地幔波速的變化梯度減小；但在120～240km深度之間波速的變化梯度出現極小。
從波速平面分佈特徵的差異和隨深度變化梯度的不同，華北地區的上地幔沿深度方向可大致劃分為4個區段，即50～90km深度、90～120km深度、120～240km深度和240～400km深度。其特點歸納如下：①在50～90km深度範圍內，華北地區大致以甘肅武山（105°e,35 °n）—甘肅靈臺—河南輝縣—山東泰安—山東壽光—渤海灣—遼寧朝陽（120°e,42°n）弧形線為界，劃分為兩個速度區。
其北西側以相對低速區為主，主要有京、津、唐、河北低速區和寧、陝低速區；南東側主要為相對高速區，包括甘肅、陝西、河南、山東和渤海灣、遼寧等地。全區速度結構複雜，波速平面梯度帶較發育，絕大多數與地殼中發現的速度平面梯度帶相吻合。在這深度範圍內，波速隨深度的增大較快。
這些特徵似乎說明，該深度段內華北地區上地幔物質是偏剛性的，但西北部比東南部溫度高些，略顯塑性；②在90～120km深度段，華北地區上地幔速度結構轉而呈「似環狀」結構；即以京、津、唐、河北、山東和河南相對低速區為中心，周圍環繞著相對高速區；原為低速區的寧夏、陝西等地表現出相對高速的特點。區內，**波速度的平面梯度帶數目減少，隨深度的變化減緩。這似乎反映出該深度範圍內，上地幔物質的剛性在減弱，上地幔溫度較高的區域轉移集中到華北地區東部的京、津、唐、河北、山東和河南等地；③在120～240km深度段，華北地區上地幔大致沿東經110°和120°劃分為3個波速區。
110°到120°之間為相對低速區，這包括內蒙古的部分地區和京、津、唐、河北、河南、安徽等地，其兩側分別為相對高速區。這可能表明，華北地區上地幔溫度較高的區域在這深度範圍內又擴充套件到東經110°到120°之間。此外，在這深度段波速隨深度的變化梯度出現極小，它可能說明，在該深度段的上地幔物質組成較均勻；④在240～400km深度範圍內，華北地區上地幔速度結構的基本格局不變，但相對低速區的中心向西偏移到山西、河南境內，而京、津、唐、河北、山東等地轉為高速區。
這特徵有可能說明，京、津、唐、河北、山東等地，上地幔深部的熱量**於西部。
為了對華北地區上地幔**波速度的斷面分佈特徵進行分析，我們沿經、緯度方向擷取了一系列剖面的**波速度斷面值，並繪製相應的速度斷面等值線圖。
圖5.21是沿北緯32°的p波斷面等值線圖。如圖所示，位於華北地區西南部的四川大巴山和湖北武當山地區是上地幔高速區，在大約80km深度以下，上地幔即表現出高速區的特點；相比之下，房縣以東為上地幔相對低速區。
從斷面等值線的分佈規律看，東部地區大約100～300km深度之間，波速的橫向非均勻性較大，但隨深度的變化梯度也小。大約在信陽到南通之間，存在一組上地幔低速層，其頂面向西傾斜；這上地幔低速層的頂面深度，在江蘇南通大約85km深，而在河南信陽則大約加深到160km。此外，在四川劍閣到萬源之間，也存在上地幔低速層，但頂面深度較大，大約180km。
圖5.21 華北地區北緯32°剖面p波速度結構
如圖5.22所示，沿北緯34°的p波速度斷面等值線的分佈表明，商縣以西為上地幔高速區，以東為低速區。在許昌以西約200km處到徐州以東約100km處，同樣存在向西傾斜的上地幔低速層；其東部的頂面深度約120km，西部則大約160km深。
該低速層在許昌附近湧向地殼。和北緯32°的**波速度結構特徵相同，大約在100～300km深度之間，波速的橫向非均勻性較大，但隨深度的變化梯度則較小。
圖5.22 華北地區北緯34°剖面p波速度結構
沿北緯38°的斷面上（圖5.23），從臨縣以西100km開始，向西即鄂爾多斯地塊，為上地幔高速區；而在臨縣以西100km的範圍內表現出上地幔低速區的性質，這對應的是鄂爾多斯東緣的斷陷帶。臨縣到石家莊即山西斷塊，其上地幔在100～200km深度範圍內為高速塊體。
石家莊以東即華北裂谷盆地，在這範圍內上地幔是p波低速區。但在渤海，上地幔卻是相對的高速區。
圖5.23 華北地區北緯38°剖面p波速度結構
和前兩條剖面一樣，在大約100～300km深度之間，也發現波速的橫向非均勻性較大，但隨深度的變化梯度較小。顯然，這在華北地區是一條帶普遍性的特徵。仔細觀察這3條剖面的**波速度結構，我們還能發現，在華北地區大約250km深度存在一組遍佈全區的速度縱向梯度帶。
在高速區範圍內，這梯度帶上顯示出低速體的特徵；可見，高速區的上地幔在大約200km深處也可發現低速帶。這高速區內的低速帶都向低速區延伸，構成一組遍佈華北全區，深度較大的低速層。
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