基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳S波速度结构

陈玉鑫　唐明帅　李艳永　魏芸芸　曹昌军

摘要： 天山造山帶是新生代以来复活隆升的陆内造山带，强烈的地震活动性使得理解和认识天山造山带深部结构及盆山耦合关系尤为重要。文章中使用天山造山带及邻区（40°～49°N，79°～93°E）85个台站2017—2019年的背景噪声资料，结合背景噪声互相关方法获得了6～52 s瑞利波相速度频散曲线，利用基于射线追踪的面波直接反演法对天山中段地壳三维S波速度结构及盆山耦合关系进行研究。结果显示：地壳浅层S波速度分布与构造单元中沉积层厚度相关，塔里木盆地北缘、准噶尔盆地南缘表现为低速，天山造山带表现为高速;到了中下地壳，天山造山带下方存在被高速异常包裹的低速体;莫霍面附近，天山造山带表现出相对低速;准噶尔盆地南缘和天山造山带的地壳厚度分别在45～50 km、50～62 km之间，沿南北向，天山造山带莫霍面呈现较为宽缓的形态;在82°～86.5°E之间，塔里木盆地和准噶尔盆地向天山下方双向俯冲，86.5°～88°E之间，准噶尔盆地向天山南向俯冲，由西向东，不同盆山耦合关系揭示了新生代以来天山中段不同区域构造运动差异，为进一步探讨造山动力过程提供参考。

关键词： 天山造山带; 背景噪声; 面波直接反演法; 地壳速度结构; 盆山耦合

中图分类号： P315文献标志码：A 文章编号： 1000－0844（2023）04-0970-13

DOI：10.20000/j.1000－0844.20220706001

Crustal S－wave velocity structure of the middle TianshanMountains based on the direct inversion method of ambient noise surface wave

CHEN Yuxin1 ， TANG Mingshuai LI Yanyong3， WEI Yunyun3， CAO Changjun3

Abstract：  The Tianshan orogenic belt is an intracontinental orogenic belt that has been revived and uplifted since the Cenozoic. Thus， understanding and appreciating the deep structure and basin－mountain coupling relationships in Tianshan orogenic belt are particularly important due to the strong seismic activity. The phase－velocity dispersion curves of the 6-52 s Rayleigh wave were obtained in this paper using the cross－correlation method of ambient noise based on the ambient noise data from 85 stations in the Tianshan orogenic belt and adjacent areas （40°-49°N， 79°-93°E） during 2017-2019. The direct inversion method of surface waves based on ray tracing was employed to investigate the 3D crustal S－wave velocity structure and basin－mountain coupling relationship in the middle Tianshan Mountains. Results show that the S－wave velocity distribution in the shallow crust is related to the thickness of sedimentary layers in the tectonic unit， demonstrating low velocity in the northern margin of Tarim Basin and the southern margin of Junggar Basin and high velocity in the Tianshan orogenic belt. Low－velocity bodies wrapped by high－velocity anomalies below the Tianshan orogenic belt are found in the middle and lower crusts; the Tianshan orogenic belt shows relatively low velocities near the Moho surface. The crustal thicknesses of the southern margin of Junggar Basin and the Tianshan orogenic belt are in the range of 45-50 and 50-62 km， respectively. Between 82°-86.5°E， Tarim and Junggar Basins are subducted bidirectionally below Tianshan Mountains; between 86.5°-88°E， the Junggar Basin is subducted southward to Tianshan Mountains. From west to east， different basin－mountain coupling relationships reveal the difference in tectonic movement in different regions of the middle Tianshan Mountains since the Cenozoic， thus providing a reference for further exploration of orogenic dynamical processes.

Keywords： Tianshan orogenic belt; ambient noise; direct inversion method of the surface wave; crustal velocity structure; basin－mountain coupling

0 引言

天山造山带是中亚地区典型的纬向造山带，横跨乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦三国，一直延伸至中国境内的新疆地区。伊犁盆地、巴音布鲁克盆地、焉耆盆地和吐哈盆地等山间盆地及一系列海拔超过4 000 m的高峰组成了中国境内的天山造山带。天山地区的构造演化经历了超大陆裂解、洋盆开合以及板块碰撞增生等一系列复杂过程［1－3］。现今的天山造山带是受晚新生代以来印度—欧亚板块碰撞远程效应影响，复活隆升的陆内造山带，强烈的板内构造作用和地震活动性使其成为众多学者研究关注的热点［4－7］。

利用深地震测深、深地震反射以及宽频地震观测等地学断面资料［8－13］或整合区域内地球物理观测资料，结合地震走时成像［14－17］、背景噪声成像［18－21］、远震接收函数［22－25］、GPS观测及数值模拟［26－28］、构造应力场分析［29－30］等方法探究天山造山带及邻区地壳变形、深部结构、盆山耦合关系，是探究天山新生代隆升机制的重要方法。基于这些研究，学者们提出了塔里木盆地顺时针旋转［31］、帕米尔高原向北推挤［32］、层间插入与俯冲消减［33］、岩石圈碰撞拆沉挤压［34］、上地幔对流［35］、M型俯冲［36］等众多模型，目前达成共识，印度—欧亚板块碰撞远程效应的影响是天山新生代隆升的根本原因，但受制于自然条件、观测成本、台站分布及资料数量等客观因素影响，对于隆升的直接原因仍存在争议，特别是缺乏天山地区高分辨率地壳速度结构图像，制约了对天山造山带盆山耦合关系及深部动力学过程的进一步分析。

背景噪声成像是噪声互相关方法在地震学领域的重要应用，它通过对地震仪记录的噪声信号进行互相关计算，获得反映台站间地下介质信息的格林函数，进而提取面波频散进行速度结构反演［37］。该方法不受天然地震分布范围影响，没有布设深地震测深、反射剖面所面临的费用昂贵、破坏地层、污染环境等问题，在足够的台站和合理的布设下，就可得到地下介质深部信息，因而广泛应用于地表浅层至上地幔深度，小尺度区域到全球尺度研究当中［38］。郭志等［21］利用中亚地区50个台站噪声数据对西南天山相速度分布和S波速度结构进行反演，认为塔里木盆地和哈萨克地台的双向俯冲以及地幔热物质上涌共同为天山造山带活化提供了动力。唐小勇等［39］利用新疆地区70个台站记录数据对全疆10～35 s相速度分布进行研究，发现盆山构造与相速度异常有很好的对应性。刘文学等［40］基于中亚地区88个台站计算的接收函数和瑞利波群速度图像对天山造山带及邻区地壳上地幔S波速度模型进行反演，分析了东、西天山不同速度分布特征。孔祥艳等［41］结合背景噪声成像和马尔科夫链蒙特卡洛方法（MCMC）对中国境内天山下方S波速度结构及盆山接触关系进行分析，认为天山中部（83°～86°E）主要为双向俯冲，而东西部只存在较弱的单向俯冲。Lü等［18］使用布设在天山及邻区108个台站记录的噪声数据进行全波形反演，对西天山、中天山以及东天山不同盆山耦合关系进行了研究。

近年来，随着新疆台网的进一步建设，相较以往，天山中段固定台站分布密度有了很大提升，有利于提高地壳速度结构反演分辨率，为深入了解盆山耦合机制及造山动力学、进行地震精定位等研究提供基础支撑。基于射线追踪的面波直接反演方法，考虑面波非大圆路径传播，追踪路径更接近真实情况，对获取天山中段精细速度结构具有显著优势［38］。本研究利用天山中段85个台站噪声数据，基于背景噪声互相关方法提取瑞利波相速度频散，利用面波直接反演法获得了天山中段三维地壳S波速度结构，对天山中段不同块体地壳速度分布特征及差异、盆山耦合关系进行了分析，为深入理解天山造山动力学和孕震环境提供参考。

1 数据和方法

本研究收集了天山造山带及邻区（40°～49°N，79°～93°E）包括新疆台网（含克拉玛依地方台网）、哈萨克斯坦台网以及中国地震局地球物理研究所布设的流动观测台阵总计85个台站的记录（图1，黄色框内为本文研究区）。其中，流动观测台站和13个固定台站（新疆地震台网）观测时间分别为2017年5月—2019年7月和2018年2月—2019年12月，其余台站均为2017年1月—2019年12月。数据观测时间越长，记录的噪声源分布越均匀，提取出的信号信噪比越高。本研究选用不同时段的噪声数据计算互相关，保证每个台站对至少有一年数据记录的同时，同一时期参与计算的台站对数目尽可能多，保证成像结果的可靠性。

实际数据处理流程参照Bensen等［42］提出的方法，首先对单台数据进行预处理，将所有数据转换为SAC格式，切割合并为一天长度，选取垂直分量数据重采样到1Hz，去均值、去趋势、去除仪器响应后，滤波到4～10 s、10～20 s、20～30 s、30～40 s、40～50 s、50～60 s六个频带，利用滑动绝对平均法进行时域归一化压制非噪声信号，通过频谱白化拓宽背景噪声的信号频带［43］。其次，利用预处理后同时期任意台站对数据进行互相关计算并将每日的互相关函数叠加得到最终的互相关结果（图2）。随着叠加时间的增长，互相关函数信噪比增高，面波信号增强。受噪声源分布不均的影响，互相关函数的正、负分支信号往往不对称，实际处理中需要将正、负分支信号反序叠加求取平均，形成对称分量以提高互相关函数在各个周期上的信噪比［44］。

互相关函数在时间域的导数即为台站间的经验格林函数，受求导的影响，互相关函数与经验格林函数之间存在π/2的相移［44］。本研究采用基于图像分析技术的面波频散曲线提取方法［45］，通过Hilbert变换将互相关函数转换为经验格林函数，提取瑞利波相速度频散。为减小提取过程中频散曲线多分支现象干扰，利用Shen等［46］计算的中国地区S波速度模型和Crust1.0模型［47］计算了天山中段混合路径频散作为参考频散。同时，对频散曲线进行严格质量控制：（1）提取台站间距大于2倍波长，信噪比大于5的相速度頻散曲线（信噪比定义为信号窗包络振幅最大值与噪声窗包络振幅均值之比，信号速度窗范围为2～5.2 km/s，噪声窗为信号窗后150 s）;（2）剔除部分过短、抖动、斜率过大以及存在离群点（速度值过大或过小）的数据;（3）利用聚类分析［48］剔除路径近似但频散数值差异较大的数据。经过质量控制，共得到周期6～52 s内1 780条频散曲线（图3，黑线）。在大部分周期内射线数目较多（图3中红线为不同周期频散数目），天山中段（图1黄色框内）射线覆盖较好（图5）。利用经验关系［49］和区域内平均相速度频散曲线（图3，黄线，数值见左侧纵轴）计算的对应敏感核（图4）显示，不同周期的相速度频散对不同深度的S波速度结构敏感性不同，6～52 s的频散对地下7～60 km内速度结构的敏感性较好。

本研究利用Fang等［50］提出的基于射线追踪的面波直接反演法研究天山中段地壳速度结构，初始模型和权重因子λ的选取对于反演结果的可靠性至关重要。考虑到造山带和盆地物质组成及性质方面的差异，构建了研究区三维S波速度初始模型（图6）。横向上经纬度间隔为0.25°，垂向上共分21层，0～5 km深度采用Han等［51］的模型，5 km之后结合Shen［46］和Lü等［18］的模型构建新模型，并利用5阶高斯滤波进行平滑［52］。权重因子λ是衡量模型正则化项与数据残差项的关键反演参数，λ选取过小，反演结果会过度拟合数据引入测量误差，选取过大，反演结果会过度平滑和依赖初始模型［53］。通常采用L曲线确定最佳权重因子，曲线拐点对应的权重为最佳权重，经测试选取λ为25作为权重因子［图7（a）］。

反演过程中共进行了10次迭代［图7（b），右上角为走时残差分布］，随着迭代次数的增加，反演后残差标准差逐渐减小，从走时残差分布来看，反演后残差分布相对集中，呈现正态分布，表明反演数据得到较好地收敛，10次迭代后反演结果趋于稳定，S波速度结构较为可靠。

为检验成像结果分辨率，采用与初始模型一致的格网划分，设置速度异常体大小为2°×2°，1.5°×1.5°，1°×1°，噪声水平为1%和0.5%，进行棋盘测试。图8为20 km和40 km深度棋盘测试结果，现有射线分布下，2°×2°，1.5°×1.5°的速度异常体能够得到较好恢复，且噪声水平越小越容易恢復，随着不同周期频散数目减少，恢复结果变差;在北天山及准噶尔盆地南缘附近由于较高的射线密度，1°×1°的速度异常体也能够得到较好恢复，但在塔里木盆地北缘等射线密度较低的地方，恢复效果非常有限，到了40 km深度，棋盘测试恢复效果已变差。总的来说，1.5°×1.5°以上大小的速度异常反演结果是较为可信的，北天山和准噶尔盆地南缘分辨率可达1°。

2 反演结果及讨论

图9为反演得到的不同深度S波速度结构。7 km深度，速度分布与盆山构造单元中沉积分布相关。准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘、吐哈盆地、伊犁盆地以及焉耆盆地等都表现出明显的低速特征，天山造山带总体呈现出较高的速度分布，且内部高于南北缘。研究表明，南北天山山前为巨厚的沉积坳陷带，准噶尔盆地南缘、吐哈盆地分别存在8～13 km和7 km左右的沉积层，天山造山带基底埋深0～2 km，中天山地表广泛出露古生代变质岩层［33，54－55］。速度分布与这些沉积分布特征相一致，高速分布对应沉积较薄的造山带，低速分布则与盆地中巨厚的松散沉积物有关。

与7 km深度比较，20 km深度准噶尔盆地南缘、吐哈盆地速度出现明显提升，天山造山带速度更加均一，天山南缘存在部分低速体，与Bao等［56］、Han等［51］的结果比较一致。

35 km深度对应中下地壳，天山南北缘表现为低速，其内部存在被高速体包裹的低速异常，集中在84°～88°E。这些低速异常可能是俯冲下插到天山中下地壳的塔里木盆地、准噶尔盆地中上地壳成分，其所含的一些岩类在相对较高的温压条件下发生岩石弱化而强度降低，形成地壳中具有低波速、低电阻特性的软弱带［57－58］。相较于天山造山带，准噶尔盆地南缘速度偏高。博格达峰—吐哈盆地一带形成了一条高速带，与Q值偏高的中地壳局部抬升区一致［60］，该高速带自7 km深度一直延伸到40 km深度，高速块体表现刚性，在南北向应力挤压下容易断错，引起博格达峰与北天山“错断”［15］。

40 km深度，盆山构造表现出明显的高低速分界，天山中东部地区表现为相对低速，而艾比湖断陷盆地、准噶尔盆地南缘显现出相对高速。

50 km深度被认为是区域平均莫霍面，接收函数结果［22］表明塔里木盆地北缘、准噶尔盆地南缘、天山造山带平均地壳厚度分别为45 km、48 km、57 km。准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘大部分区域在此深度已进入上地幔，显现出高速，天山表现为相对低速，大部分区域仍位于下地壳。不同于天山中东部，伊犁盆地附近速度分布明显偏高，暗示该处Moho面深度较浅，与Stolk等［54］的结果一致。在86°～87°E之间，准噶尔盆地南缘、天山造山带存在低速异常带，一直延伸到60 km，相较于刘文学等［40］在84°～88°E之间发现的穿过准噶尔盆地、天山和塔里木盆地近SN向的低速带，该低速带范围更小。

60 km深度，塔里木盆地北缘表现为高速，天山造山带、准噶尔盆地南缘呈现出明显的横向不均匀性，高低速相间分布。天山西部进入上地幔的地区表现为相对高速，西南端、东部部分区域仍处于下地壳，表现为低速异常，这些低速异常可能与上地幔热物质上涌使得壳幔边界温度抬升，部分岩石“软化”有关［15，35，59］。

为更好地探讨天山造山带及两侧盆地的深部壳幔结构、盆山耦合关系绘制了8条S波速度垂直剖面（图10）。可以看出，天山中段存在明显的横向分块、纵向分层的结构特征。天山造山带浅层地壳S波速度大于两边的塔里木盆地北缘与准噶尔盆地南缘，天山中部高于天山南北。地质研究表明，现今的天山褶皱是塔里木陆块、准噶尔陆块与伊犁—中天山陆块碰撞缝合的产物，其两侧的塔里木盆地、准噶尔盆地中形成了巨厚的新近纪—第四纪沉积［7］，强烈的构造运动使得不同构造单元之间矿物组分及分布存在差异，造就了不同的速度分布特征。N3－S3、N4－S4剖面中，准噶尔盆地下方低速分布代表其南缘巨厚的沉积层，W3－E3剖面86～88°E之间的低速分布也可能与北侧的准噶尔盆地南缘沉积分布相关。

剖面N4－S4北天山下方上地壳中存在明显的高速异常体，其速度值与30～40 km深度的准噶尔盆地相同。北天山曾为准噶尔板块的一部分，受到新生代以来印度—欧亚板块碰撞远程效应影响，天山造山带在快速隆升的过程中将原本更深的岩层抬升到了上地壳，形成了该高速体［61］。到了中下地壳，部分区域同等深度盆地速度值大于天山山脉，表明在该深度天山造山带可能仍处于下地壳而盆地已开始进入上地幔。在剖面W1－E1、W2－E2下方存在许多低速体，这些低速体可能是构造活动带到中下地壳的盆地浅部物质［58］。

综合前人成果［23，63］，以4.2 km/s为莫霍面速度，准噶尔盆地南缘地壳厚度在45～50 km之间，天山大部分地壳厚度在50～62 km之间，与接收函数和其他一些研究成果一致［22，64］。在南北向剖面中，天山下方莫霍面明显下凹，呈现出倾角较小，较为宽缓的形态。宽缓的壳-幔过渡带是构造活动强烈的区域，莫霍面和上地幔顶部附近存在以高密度矿物组分下沉和低密度矿物组分上升为形式的物质交换，由此产生的上地幔形变在天山地壳的底部附加应力作用，使得该区域构造不稳定［65］。

横跨天山南北的速度剖面揭示出天山中段不同区域的盆山耦合关系，由西向东，盆山耦合关系逐渐由塔里木盆地、准噶尔盆地双向俯冲转换为准噶尔盆地单向俯冲。N1－S1、N2－S2、N3－S3剖面下方天山南北缘均存在向下俯冲的低速分布，表明在此区域存在塔里木盆地和准噶尔盆地向天山下方双向俯冲。N4－S4剖面中，准噶尔盆地低速分布向南下插，代表其向南俯冲到天山造山带下方。N5－S5剖面下方，低速俯冲不明显，可能暗示剖面附近俯冲作用相对较弱。这些剖面结果与赵俊猛等［60，62］、郭飚等［11］、孔祥艳等［61］的研究结果类似。

3 结论

本研究搜集了布设在天山造山带及邻区（40°～49°N，79°～93°E）85个台站2017—2019年记录的连续背景噪声资料，利用噪声互相关方法提取了周期为6～52 s的瑞利波相速度频散曲线并基于面波直接反演法对天山中段地壳三维S波速度结构进行研究，探讨分析了不同构造单元不同深度速度分布及结构特征，不同区域天山造山带及两侧盆地的盆山耦合关系，获得的主要认识如下：

（1） 地壳浅层S波速度结构与不同构造单元沉积层分布有很高的一致性，天山造山带表现为高速，塔里木盆地北缘、准噶尔盆地南缘表现为低速。

（2） 到了中下地壳，盆山速度结构表现出相反特征，天山造山带下方不同深度存在被高速异常包裹的低速体，这些低速体可能是构造活动带到中下地壳的盆地浅部物质。

（3） 莫霍面附近，天山造山带显现出相对较低的速度，意味着其具有较低的力学强度，作为相对“较软”的块体在两边“刚性”块体的挤压下容易发生变形、隆升。

（4） 准噶尔盆地南缘及天山的地壳厚度分别在45～50 km、50～62 km之间，沿南北向，天山下方莫霍面表现出倾角较小，较为宽缓的形态，其附近存在着地幔物质交换，是构造不稳定的区域。

（5） 在82°～86.5°E之间，塔里木盆地和准噶尔盆地向天山下方双向俯冲，在86.5°～88°E之间，准噶尔盆地向天山南向俯冲，由西向东，不同盆山耦合关系揭示了新生代以来天山中段不同区域构造运动差异。

致谢：感谢新疆地震台网、克拉玛依地方台网、IRIS（http：//ds.iris.edu/）、中国地震局地球物理研究所吴建平研究员提供波形资料;感谢中国科学技术大学姚华建教授、张智奇博士提供的相关背景噪声成像程序和使用指导;感谢吕子强教授提供新疆地区三维速度模型;感谢全国地理信息资源目录服务系统（www.webmap.cn）提供国境线数据。

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收稿日期：2022-07-06

基金项目：新疆维吾尔自治区重点研发项目（2022B03001－1）;国家自然科学基金项目（41674063）;新疆维吾尔自治区自然科学基金（2016D01A061，2021D01A131）;新疆呼图壁人工主动震源实验创新团队（XJDZCXTD2020－3）;国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”专题项目（2019YFA0708601－02）

第一作者简介：陈玉鑫（1995-），男，助理工程师，主要从事噪声成像研究。E－mail：yuxin_chen1@163.com。

通信作者：唐明帅（1976-），女，正高级工程师，主要从事地震分析和地震学研究。E－mail：tmings65@sina.cn。