地壳和上地幔的弹性——一种新观点

F.Wenzel　K.Fuchs　U.Enderle　M.Tittgemeyer

（Geophysical Institute,Karlsuhe University,Hertzstr.16,76187 Karlsruhe,Germany）

摘要　地壳和上地幔的地震特征可能是指地震速度的大尺度平均值或弹性参数的波动。这里所指的“大”是相对于用来探测地球的波长而言的。对于下地壳，通常是将反射和折射地震结合起来研究的。对于壳幔过渡带，波动反映在临界和后临界广角莫霍折射的尾波性质上。对于最上部的地幔，远程（远震）P_n和S_n波包含关键性的信息。

关键词　下地壳　上地幔　地震学

1　引言

地震学家有两种方法来描述由下地壳、壳幔过渡带（莫霍面）和最上部地幔组成的岩石圈的特性。它们是其弹性速度及其波动（fluctuations）。

在第一种情况下，用速度—深度函数来描述地球。下地壳典型的P波速度在6.4～7.2km/s之间，莫霍面上速度跳跃到8.0km/s和8.3km/s之间，在上地幔速度呈小梯度的升高。这种速度—深度函数在一定的地区中可以有侧向变化，对不同的构造体制可有量的改变。这些速度模型来自折射地震资料。由受控震源产生的弹性波在地表沿地震测线接收，测线从震源向外延伸到150km至几百公里。穿过地壳和上地幔沿不同途径传播的波在地震剖面上表现为地震相。这些相的走时可转换成速度—深度结构。

从相关的相的走时转换获得一个模型，其中，界面间的速度是许多波长的平均值。事实上，相的物理概念依赖于那种仅对在波长尺度上速度没有强烈变化的大块介质适用的射线理论。各个块（或层）可被明显的界面所分开^[2]。

介质的波动表现为波的散射，并引起透射波中的反向散射或尾波效应^[1]。散射分析广泛地应用于地壳地震和远震事件的阵列记录，但除了用于近垂直反射数据外，很少用于受控震源数据。本文在对下地壳性质的探讨后，将用对广角莫霍反射（P_MP）和远程P_n/S_n波的尾波性质的研究来说明波动的尺度是如何分辨和确定的。

2　下地壳的特征

沿反射地震剖面，从岩石圈反向散射的近垂直反射提供了大陆岩石圈的重要信息。这些数据对地壳的速度方面没有提供多少信息，但可以获得地震剖面（叠加的剖面或是迁移的剖面），从中提供出速度或密度波动的图像。如果地球是像多数折射地震实验所采用的模型那样均匀的话，那么反射地震学就不能用于岩石圈的研究。然而，地壳确实具有内部的变化，可由反射地震学探测出来。在上地壳中，这些反射性可以与地面地质的特征相关联，代表着深部的沉积层、侵入体、逆冲断层和正断层等。断层一般在中地壳变为铲状的，且从不切穿下地壳。下地壳以许多近水平或缓倾的反射面为特征，它们似乎在下地壳中是随机分布的。它们突然在某个深度消失，这通常与广角折射数据所反映的莫霍面相一致。这种广泛的观测得出了层状下地壳的概念。对于这种反射型式的物理原因，起初有多种解释。最普遍接受的意见是，层状下地壳是在岩石呈塑性流变的热动力条件下强烈伸展的结果。这种流动影响到不同阻抗的物质，并由于变形的局部化而产生了矿物的各向异性定向。这种效应造成了观测到的近水平的反射型式。图1表示了黑森林中部的一个反射剖面^[13]。它的反射面集中在下地壳内，上地幔呈透明的，上地壳中只有少量可分辨的反射面。

速度的深度分布和反射型式提供了不同的信息。前者反映了深处地球的化学分异状态和变质条件。如果将根据折射数据建立的模型按构造背景分组，那么就可发现，在老地盾、裂谷区、由造山运动而增厚的地壳以及火山弧等等地区之间具有不同的特征^[19]。

图1　德国西南部黑森林区的地震反射剖面

可见下地壳的地震成层性。地壳的反射性在双程走时约5.5s处突然增强，在莫霍面处（9s处）消失。高的反射幅度要求在下地壳中存在大的速度差（±5%或更大）。下地壳地震分层性见于世界各地，不同构造背景具不同的幅度、侧向连续性和倾角

下地壳的反射性通常被归因于伸展作用或岩浆侵入。伸展可能是岩石圈因晚或后造山的塌陷，或岩石圈的主动或被动裂谷作用的结果。在这两种情况中，下地壳的温度都能高到足以引起塑性流动而导致不同组分的物质和矿物呈水平排列。影响下地壳的动力学过程造成一种特别的尺度（垂直和水平的），这可在反射地震实验中观测到。它们一般产生频率在10到50Hz间的和近垂向的波的传播。

下地壳反射性和广角观测在两方面相关。下地壳中的速度（或阻抗）波动也可在高分辨的折射资料中看出。它们是跟着来自康拉德面的中地壳反射波之后出现的尾波波序。这可从图2中所示的数据及其模拟中观测到^[25]。它证明阻抗波动是引起反射的原因，并可确定波动的大小。

图2　黑森林折射断面记录剖面

图面显示垂直分量。折算速度6.0km/s，上壳相（P_g）和地幔反射波（P_MP）。数据以最大幅度为比例。左图示在下地壳中产生P_iP尾波的强烈波动的一维模型

第二个惊人的特征是，反射型式的底部通常与折射数据所确定的莫霍面相一致。这已由许多重合的反射/折射测线所显示^[20]。如果进行了反射的深度转换和折射数据的时间转换之后，两组数据就可比了。普遍接受的解释是，下地壳呈塑性变形，而地幔顶部由于具不同的岩性而可能是脆性的。然而，这不能解释不均匀性的产生和它们在莫霍面上消失的原因。另一种可能的解释是，下地壳和上地幔均呈韧性变形，但不同的岩性或不同的应变速率产生了不同尺度的构造。下地壳中发育的构造通过近垂直的反射地震几何学和频率窗是可分辨的；上地幔中的则不能。在对地壳和上地幔研究中，最广泛采用的方法是受控震源地震学（反射或折射研究）。只在最近，远震瞬变波场的记录才被用来分辨小尺度的速度波动^[23]和把频谱的下限从10Hz加宽到2Hz。

根据反射资料提出了反射性的下地壳和透明的上地幔的概念。但必须强调指出，地幔仅对于这种特定方法（即近垂直的入射角）的频率范围和几何学才是透明的。没有理由相信，地幔在数十公里的尺度上是均匀的、没有受构造作用影响的、并且这些构造作用在这一特定尺度上没有留下阻抗波动的痕迹。事实上，对广角数据和其尾波特征的检验，揭示出在下地壳和上地幔间出现了波动尺度上的重要改变^[4]。莫霍面上的特定尺度反映在广角莫霍反射的尾波性质上。地幔波动的尺度包含于远程折射数据中，从中能够观测到所谓的远震P_n和S_n相。

3　莫霍面上的构造尺度

在多数反射剖面中，莫霍面都作为反射性下地壳的底。虽然有例外存在，但莫霍面一般不作为特殊的反射带出现。从折射数据中，我们都已知著名的波速不连续面，它常产生一个强广角莫霍反射（P_MP）。综合上述两种观测结果，就能得出结论：莫霍面是一个强的速度阶梯（常是一级的），并与下地壳的速度波动的底界相一致。如果这个结论成立，就可观测到：①一个强广角反射；②中地壳康拉德反射（P_iP）后的再反射；③在临界P_MP距离附近没有强的尾波。

图3　德国南部Wildflecken地震折射实验的地壳记录剖面^[31]

数据显示标准化后数字记录，折算速度为6km/s。注意从壳幔边界来的广角P_MP反射主波及其短而清晰的尾波。左下角为一维模型，在记录剖面中画出了据一维模型计算的走时支线

然而，图3中的折射记录显示出一个附在反射曲线上的尾波。这是德国西南部的断面（Wildflecken^[31]）。数据用6.0km/s折算时间，经标准化而投于图上。虽然它由几个旋回组成，但P_MP尾波是相当显著的。图3的记录剖面是一个好的例子，说明了十分普遍的特征。在许多类似的折射数据中也可见到如此强的P_MP尾波（黑森林^[9]；萨克森麻粒岩带^[5]；法国西北部^[11]；中央地块^[32];LISPB^[6];Fennolora^[26];KRISP^[22]；约旦^[15]）。

当用P_MP相的走时确定莫霍面深度时，超临界P_MP的尾波对壳幔过渡带的性质提供了一个很重要的约束条件。考虑到所观测的地震记录剖面的多变性和地壳在总体上的极端复杂性，这种具特征尾波的P_MP，不仅在西欧而且在其它大陆都曾普遍而明确地观测到，因而，任何关于壳幔过渡的模型都必需能重现具有尾波的P_MP。

Enderle等^[4]认为，观测到的P_MP尾波可看作是一套超临界多次反射或微屈多次反射波，具有与初始P_MP反射波的相同振幅，但在空间和时间上被轻微地移动了约为初始P_MP反射的主周期。为模拟这种尾波，要求在壳幔过渡带有一特殊的谐振器。Enderle等^[4]把它称为“超临界谐振器”（SCR）。

它由一系列高速层（HVL）和低速层（LVL）组成。SCR的基本单元是在经典莫霍面深度上的大致协调的高速层和低速层的组合。为找出P_MP尾波反射法一维模型的许多数值模拟表明，对于这种协调的“谐振器”，只需要有与上地幔物质的速度（约8.0km/s）一样的高速层和低达6.0km/s的低速层（长英质地壳，甚至有部分熔融）的联合即可。图4示一个具合成的P_MP尾波的SCR的成功模拟。

图4

用反射法从简单的一维模型（左图）计算的合成地震剖面（右图）以证明SCR的效应。地震记录线以真实的幅度投影于折算时间尺度（V_red=6.0km/s）和距离放大x^0.5的图上，以补偿能量的几何扩散

SCR的高速层从过渡带内的非均质性提供了强的超临界反射，具有比前临界入射小得多的振幅衰减。其中夹的低速层提供必要的减速。低速层中的速度越低，射线路线越陡，为多次反射产生的偏移越小。

因此，壳幔过渡带速度显著增高的这一经典定义，应补充上构造尺度的变化这一概念，即上述在特定垂直尺度上很高速（地幔的）和极低速（地壳的）物质的互层。还不可能说明这些波动的侧向范围。然而，为了保证高尾波能和镜面反射的形成，我们假设侧向相关长度在5km范围内（菲涅耳区）。与莫霍面不同，主速度呈高振幅的P_MP反射。波动性决定了超临界P_MP尾波。

4　上地幔中的波动

受控震源地震学（反射和折射数据）提供了最上部地幔是相当均质的印象。与反射性的下地壳相比，对于近垂直反射来说，地幔是透明的。有时可见地幔的反射，但呈时断时续的不连续反射，而非空间分布的反射性。折射资料可观测到P_n相，它可用来解释莫霍面下的速度或速度梯度。远程观测可以解释地幔中不连续波速的差异，但许多模型显示，在许多波长的尺度上地幔通常是均质的。

用速度波动而不用平均速度来描述最上部的地幔，只限于解释地震阵列下的震波波动的研究^[30]，模拟大洋岩石圈中传播的波形^[10]，以及近期用于对以核爆炸为震源的俄罗斯的远程数据中观测到的高频相的理解。这些来自俄罗斯地震和平核爆炸计划（PNE）的远程折射数据表明了远震P_n相的存在^[24]，它在上地幔岩石圈中传播的可观测距离达几千公里。这个相在PNE断面QUARTZ（图5）清晰可辨。远震P_n相的概念曾被Molnar和Oliver^[18]所采用。他们调查了由地震产生的多数S_n波的有效远程传播。那些波能够被观测到以上地幔速度传播达几千公里，且被报道作为大陆和海洋途径的高频信号。可惜，稀疏的地震台网使我们无法绘制地震剖面，只能设想出远震P_n随距离演化的情况。

图5　Quartz断面炮点323向NW记录的高通滤波（f=5Hz）垂直分量的时距记录剖面

折算速度8.0km/s。左下图示断面位置。曲线分别以最大波幅标准化。以群速度8.1km/s传播的最强波条带是高频远震P_n

作为一种对P_n波高效传播的可能解释，许多作者认为存在莫霍面下的波导。关于这种波导，已提出了好几种理论：Menke和Richards^[16,17]、Stephans和Isacks^[27]、Mantoviani等^[14]、Sutton和Walker^[28]、Fuchs和Schulz^[8]、Ryberg等^[24]和Tittgemeyer等^[29]认为，波导是由高和低速层随机排列引起的，它能定量解释象在Quartz剖面上所观测到的远震P_n的主要特征，如尾波长度，高频的增强和8.0到8.1km/s的群速度。

对高频远震P_n相分析的数据来自俄国科学家从1971到1990年进行的远程深震测深断面系统。和平核爆炸和许多化学爆炸作为强震源。特别是位于欧亚大陆北部的Quartz断面的地震数据，被用来调查高频远震P_n。约400个短周期（1～2Hz）三分量的模拟记录系统用于记录引起的地面运动，最大观测距离约3200km。沿断面观测站平均距离约10km，为远震P_n的研究提供了良好的数据密度。

Quartz断面上三个主要炮点记录到的波场显示出与地壳和上地幔大尺度速度结构相伴的特征的相。对欧亚北部大陆下的速度结构的近期研究，显示了地壳和上地幔中具有显著的侧向不均一性^[3]。除了这些特征的相外，波场的高频部分与相应的低频成分强烈地不同。Ryberg等^[24]指出，这明显地是由远震P_n控制的，P_n定义为一种以群速度8.1km/s传播的、没有明显的初始波至的相。在大于1300km的距离处，它在波通过上地幔后到达。这种相仅包含5～12Hz波段中的高频能，并以长的非相干尾波为特征。

图6　用反射法计算的P波理论记录剖面

折算速度8.0km/s。左侧为速度—深度函数和密度—深度函数。叠加于正的上地幔速度梯度上的P波速度波动±4%。相关长度2km。请注意产生的远震P_n，其特征为8.0km/s的群速度和一个广泛的尾波

图6表示了我们设想的上地幔模型。它包括一个标准的地壳结构，具均匀的上地壳和下地壳，上地壳P波速度为6.0km/s，下地壳深度从16到35km，波速为6.5km/s。莫霍面表现为35km深处的一级不连续面。地幔的顶部75km以一个弱正向梯度带为特征。我们假定这个带的常数Q_p为1400,Q_s为600。

在远程地震断面上的观测，要求一组以随机的速度波动为特征的上地幔模型。如果波动在士4%范围内，波场的一种新特征（远震P_n）就会出现。由于波动的实际大小可能随模型的大小而变，我们不想在定量的意义上来探讨其岩石学含义。可以相信，这些波动代表具随机组分的橄榄石的优选定向。

如果我们在PNE数据中所看到的分层型式是像Enderle等^[4]所推测的一种很普通的现象，则它可被解释为莫霍面下拢动层流型式的残余，而与下地壳中的物质流不同。后者一般被假定能导致晚和后造山环境，在高温条件下地壳的堆叠被下地壳的强烈伸展再平衡，这最终导致了所观测到的反射型式的形成。上地幔和下地壳在其组成成分、成分变化和流变学方面是不同的。下地壳主要是镁铁质的，但包含有镁铁质和长英质两类岩石，因而有高的阻抗差。地幔在矿物学上可能具有更为均匀的组分、但又是具高各向异性的物质（特别是橄榄石）。由各向异性引起的波动是密度不变的纯速度变化。结果产生的近垂直阻抗差相当小。此外，在特定的地热条件下，地幔物质可承受比下地壳岩石高的差应力。这些差异可能造成了不同尺度的垂直分层和非均匀性的水平延伸。

5　结论

上述数据表明，壳幔系统显示了弹性参数上的显著波动：反射数据显示出一个层状的或反射性的下地壳，具高达10%的速度波动，可变的垂直和侧向尺度，后者典型地以公里计。在壳幔边界（莫霍面），非均匀性的尺度发生变化。P_MP尾波要求较强的波动（20%），它可能代表了壳幔物质的混合。我们认为可能有一个较大的水平相关长度，但还未进行过定量模拟。由于来自不同构造体制的几组资料都显示出一个强的P_MP尾波，人们可以推测，这如同莫霍面一样是全球性的，可把它看作为在约40km深处的速度的实质性反转。

俄罗斯的超长受控震源数据为上地幔中的随机波动提供了证据。一维模拟提供了公里级非均匀性的垂直尺度。水平相关长度是未知的。我们相信，为了捕获弹性能并把它从震源传播出3000km的偏移距，水平相关长度必定在10km级。在永久地震站上记录的对S_n波的观测和经大洋传播途径的数据表明，这种上地幔的波动也可能代表了一种普遍的特征。图7是综合了上述性质的模式图。由于波动显示为规则的而非随机的特性，而随机性更接近真实情况,因而图7是纲要性的。我们选择这种表示法是为了更清楚地说明不同的尺度。

图7　说明从地壳到地幔的波动尺度变化的概念图解

下地壳中小尺度的非均匀性控制了近垂直地震实验中所见的下地壳的反射性。折射和反射莫霍的差异产生了在近垂直和广角地震实验中所见的多种反射型式。折射莫霍之下的带及其弱波动的大尺度结构作为远震P_n相的波导

一旦确定了尺度及其变化，它们的地质意义就成为关键性问题了。在这点上的讨论还只能是推测和选择。层状的下地壳可能反映了高温下构造作用时上地壳和地幔间的拆离运动。具有显著壳幔混合性的莫霍面可能在这些过程中起着滑脱的作用。这一观点也认为通过莫霍面出现了应变速率的最大变化。因而，通常采用的中地壳下的应变速率模型必须加以修正。一种恒定应力的假说可能更会恰当^[21]。具有大的侧向范围的最上部地幔的非均匀性，可能是地幔流作用的残余。

（宋媛译，宋鸿林校）

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