地震波速和岩石密度

地震波速是了解地球内部介质最重要的资料。我们经常遇到这样的问题，“下地壳波速降低是否反映地热流上升？”，“波速增高是否反映超基性岩体？”，这些问题都不是可以用“Yes”或“No”来作肯定答复的。实际上，地壳和地幔岩石的波速受所处的温度压力环境、裂隙度和裂隙流体、物质生成年龄和埋藏深度等许多因素的制约。

图1.1表示了九种主要岩石的纵波速度（记为V_p）和密度ρ的变化范围。由图可以总结出以下几点认识：（1）在软流圈以上岩石与V_p（及ρ下同）之间不存在一一对应的关系，即同一V_p值可以对应具有不同矿物成分的多种岩石；（2）形成于地壳上部的岩石（如砂岩、玄武岩）V_p小，而深成的岩石（如橄榄岩及榴辉岩）波速V_p大；（3）V_p与P之间似乎有在某种准线性的关系。实际上，不仅V_p，横波速度V_s也有类似情况，其线性拟合方程式被称为Birch定律（见图1.2a—c）。这一定律只对干的结晶岩适用。对于低温低压下的各种岩石，波速与密度只在有限区段才是线性的，这就是所谓的Nafe-Drack关系曲线（图1.2d）。下节还要提到，对一些地区这种线性关系并不存在。

图1.1　不同岩石地震波速与密度的关系

Ⅰ—砂岩；Ⅱ—玄武岩；Ⅲ—花岗岩；Ⅳ-1—中酸性片岩片麻岩；Ⅳ-2—中基性片岩片麻岩；Ⅴ—麻粒岩；Ⅵ—辉长岩；Ⅶ—橄榄岩；Ⅷ—榴辉岩

由于波速与密度之间存在这种准线性关系，从波速图可以定性地估计岩石圈的密度状态。有人用Birch公式把波速图转换为密度图以提供所谓的“新”资料，这样做实际上并没有提供新信息，不如用重力资料反演密度分布再与波速图比较。

图1.3给出了四种岩石的V_p随温度与压力变化的等值线图，可以看出：（1）V_p随围压增大而增大，而且在高温时增大速率加大；（2）V_p随温度增加而减小，但减小的速率随岩石而异，花岗岩减小速率大，而斜长角闪岩减小速率很小；（3）不同岩石的p-t-V_p图具有不同的模式，如花岗岩与麻粒岩在高温（620℃）低压时出现V_p的极小值，而对其他两种岩石此极小值可能不出现，或者在高于800℃时才出现。

由于温度与压力是随深度而增大的，因此我们想知道波速随深度的变化是否有规律。在图1.1中我们已经看到岩石V_p随深度增加的趋势，在图1.4又表示几种主要上地幔岩石波速随深度变化的理论分析及实验结果。关于地幔超基性岩石的分类和成分，见图1.5的三角形图解说明。由图1.4可知：（1）理论上地幔岩石的V_p与V_s大致随深度加大而增加，实测结果不是那么回事，在对应软流圈的深度内，实测V_s有明显的波速极小；（2）榴辉岩的V_p高于地幔岩V_p，但由于榴辉岩易熔，在等温绝热曲线上榴辉岩的V_s低于地幔岩V_s;（3）在地热流密度高地区，V_p和V_s普遍偏小；（4）波速在等温绝热曲线附近没有明显跃变，即随部分熔融的发生波速是渐变的；（5）地盾区岩石波速最高，可能与岩石最老或最冷有关，同时在150～250km左右开始下降，反映软流层；（6）现代构造活动区地幔岩石波速最低，可能与地热流、岩石含流体及年龄新有关；（7）岩石波速随深度增加的总趋势表明，在地球内部压力对波速的影响比温度大，即使温度随深度增大，但波速仍随深度而增大。

图1.2　密度与波速线性关系的Birch定律（图（a）—（c））、Nafe-Drack关系曲线

图（a）—（c）中由地壳岩石在0.2GPa、0.6GPa及1.0GPa压力下试验取得，对应为6km、18km及30km。图（d）中圆圈为结晶岩，黑圈为沉积岩

图1.3　几种主要岩石的P波波速随温度、压力变化图

关于地震波速与岩石年龄的关系，可参考大洋岩石圈波速水平变化的情况（图1.6），因为从大洋裂谷向外洋壳岩石的年龄是逐渐增大的。从图1.6所示S波速度随年龄及深度变化的情况看，同一深度上老的岩石V_s较大，对软流圈顶部的岩石变化尤其明显，可由3.4km/s增大到4.7km/s。但是，这种变化不呈线性关系，并与埋深有关。对于大陆地盾区岩石，假定波速有随年龄增大的趋势是合理的。

总的来说，岩石的波速受岩性和压力的影响较大，受温度和年龄的影响很小。V_s对岩层部分熔融反映较明显。

图1.4　上地幔主要岩石地震波速和等温绝热曲线

实线为富含石榴子石和副辉石的榴辉岩（Piclogite），虚线为富含橄榄石和正辉石的地幔岩（Pyrolite），点划线为局部熔融的固化曲线

图1.5　常见的超基性岩石的矿物成分、内三角为90%的等含量线

图1.6　大洋岩石圈和上软流圈S波速度（km/s）随深度和海底岩石年龄变化的等值线图

（J.Geophys.Res.,82.,1995）4.3km/s等值线表明地震岩石圈与软流圈的边界