地壳、上地幔地震波速度层状结构和岩石学解释

大陆地壳可大体概括为3层：被花岗岩侵入于沉积物中的上部地壳，以混合岩化为主的角闪岩相的中部地壳，及由高变质级火成岩和变质岩组成的麻粒岩下部陆壳。

过去十余年地震研究的成果对大陆地壳的认识起了关键性的作用。常用的地震纵波速度（Vp）数据及其反演是确定陆壳结构组成的重要依据。地震剪切波层析成像提供了深部构造几何形态的形象信息。影响大陆岩石地震波P波速度的主要因素是矿物成分及其化学成分，因而被用以判断地壳的岩石和化学组成。长英质岩石具有较低的P波速度，许多地震剖面地震波显示出中地壳具有中等的 P波速度（6.4～6.6 km/s），各类花岗质岩石到英云闪长质片麻杂岩组成的中部地壳，由于速度变化不大，没有明显的反射而呈现“透明状”。而下部地壳常常增大到6.8～7.0 km/s以上。P波速度对镁铁质组分的含量比较敏感，随镁铁质的增加而显著增大，P波速度对斜长石、辉石和石榴子石组分的相对比例也很敏感，从辉长质岩石转变到高级变质的石榴子石麻粒岩和榴辉岩时P波速度亦显著增加。在下陆壳，P波速度值达到6.8～7.0 km/s以上，表明含有相当数量的石榴子石、角闪石、辉石或橄榄石。当P波速度大于7.3 km/s时则应有相当高的榴辉岩和超镁铁岩的高速组分。反射性下地壳常与无反射的“透明”性上地幔相伴生。主要发育于伸展构造和（或）造山后伸展崩落区，反映它是新生事件的产物，与晚期伸展事件有关。它不仅表明下地壳往往比中、上地壳年轻，而且下地壳呈塑性状态存在，完全可以充当岩石圈内的拆离面，从而产生了层滑构造，同时反射性下地壳发育区的高热流多与深部岩浆作用有关，反映深部岩浆的垂向加入是地壳生长的一种重要机制。

大陆岩石圈和大洋岩石圈相比有很多特点。大陆壳密度低，主要由英安质岩石组成，上部岩石密度为2.7 g/cm³，下部为2.85～3.0 g/cm³，而大洋壳则以玄武岩和角闪岩相变玄武岩为主，密度较大（2.85～3.0 g/cm³）；大陆的岩石，在一些地区年龄达3000～4000 Ma，而大洋最古老的岩石仅仅是200 Ma。

在地壳下面的岩石圈地幔主要由橄榄岩质岩石（超镁铁岩）组成，密度大约为3.3 g/cm³，地震波纵波速度达到8.0 km/s以上，而地壳的纵波速度均小于8.0 km/s。

地震波速度的地层和岩石学解释：无论从地壳分层角度或岩石学角度看，它们和地震波速度都有很好的对应关系。一般来说，上地壳速度低于6.30 km/s；中地壳速度在6.30～6.70 km/s之间；下地壳速度在6.70～8.00 km/s之间。

利用地震波速度和地层的关系进行地壳分层和用岩石学获得地震波速度的统计关系进行岩性划分，可以参考欧洲地学断面资料（Mengel和Kern，1990；图2-2至图2-7）。将图2-2至图2-7地壳岩石学地震波速度和密度概括列于表2-1。

表2-1 地壳上地幔地震波速度参数

（整理自欧洲地学断面，Henkel 等，1990）

图2-2 根据岩石学解释在北黑森凹陷下面的地震速度结构

（据Aichroth等，1990）

根据地壳岩石学解释在NHD下面的地震波速度结构（Aichroth等，1990）；基于捕虏体组分、试验和计算地震数据建立的模型（K.Mengel等，1990）；地壳上部10 km的信息来自地表出露体；虚线表示65 mW/m² 的地表热流密度温度-深度分布曲线

在正常地壳内部Moho和岩石学壳/幔边界一致（从铁镁质转变到超铁镁质）。然而，在造山增厚地壳内部，由于麻粒岩高的密度和榴辉岩相的组合，一个主要的间断面（Mo-ho）是在长英质和铁镁质麻粒岩之间。注意，形成地壳的物质已经混入到地震定义的地壳底部之下，铁镁质转变到超铁镁质尖晶石也没有地震速度的跳跃间断（图2-3）。

含水岩石矿物云母，其速度为5.08～5.92 km/s，密度为2.72～3.08 g/cm³。火成岩地壳的矿物包括长石、角闪石、辉石和石榴子石。长石速度5.46～6.86 km/s，密度2.46～2.74 g/cm³。角闪石速度6.70～7.24 km/s，密度3.05～3.22 g/cm³。辉石速度6.82～7.94 km/s，密度3.20～3.52 g/cm³。石榴子石速度8.02～8.96 km/s，密度3.52～4.34 g/cm³。石榴子石是地壳下部地幔顶部矿物，所以速度和密度都很高。地幔矿物有橄榄石和尖晶石。橄榄石速度8.26～8.84 km/s，密度3.14～3.29 g/cm³。尖晶石速度9.08～10.10 km/s，密度3.56～3.90 g/cm³（图2-4）。

深成岩包括花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、辉长岩、斜长岩、橄榄岩、辉石岩和纯橄榄岩。花岗岩速度5.34～6.12 km/s。花岗闪长岩速度5.64～6.48 km/s。闪长岩速度5.90～6.71 km/s。辉长岩速度6.18～7.14 km/s。斜长岩速度6.60～7.06 km/s。橄榄岩速度6.60～7.58 km/s。辉石岩速度7.44～8.12 km/s。纯橄榄岩速度7.75～8.36 km/s（图2-5）。

图2-3 正常大陆地壳（左图）和造山增厚形成的地壳（右图）岩石学剖面和地震波速度结构

正常大陆地壳（左图）和造山增厚形成的地壳（右图），两者的岩石学剖面和地震速度结构。在正常地壳内部Moho和岩石学壳幔边界一致（从铁镁质转变到超铁镁质）。然而，在造山增厚地壳内部，由于麻粒岩高的密度和榴辉岩组的组合，一个主要的间断面期望是在长英质和铁镁质麻粒岩之间，注意形成地壳的物质不是在地震定义的地壳基层之下，转换到尖晶石也没有证明是由于地震速度的跳跃间断

火成岩包括长英质岩石、铁镁质岩石和榴辉岩。长英质岩石速度5.36～6.69 km/s。铁镁质岩石速度6.16～7.56 km/s。榴辉岩速度7.34～8.25 km/s（图2-6）。

变质岩包括石英岩、片岩和片麻岩、麻粒岩。石英岩速度5.43～6.74 km/s。片岩和片麻岩速度5.76～6.12 km/s。麻粒岩速度6.20～7.12 km/s（图2-7）。