張秉峰，鮑學偉

浙江大學地球科學學院 浙江省地學大數(shù)據(jù)與地球深部資源重點實驗室，杭州 310027

0 引 言

圖 1 天山造山帶及其鄰區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景. 灰色實線為研究區(qū)主要斷層（數(shù)據(jù)來自Styron and Pagani, 2020），紅色虛線為塔拉斯—費爾干納斷裂和80°E 經(jīng)線，灰色圓圈表示1964 年以來發(fā)生的5 級以上強震分布，橙色箭頭表示以歐亞大陸為參考系的地表運動速度場（數(shù)據(jù)來自Gan et al., 2007; Zubovich et al., 2010）Fig. 1 Tectonic map of Tien Shan and surrounding areas. Gray solid lines show major fault traces from Styron and Pagani (2020).Red dashed lines mark locations of Talas-Fergana fault and 80° E, which are boundaries between different segments of Tien Shan. Gray circles show distribution of large earthquakes (Mb＞5) that have occurred since 1964. Orange arrows denote GPS velocities relative to Eurasia (data from Gan et al., 2007; Zubovich et al., 2010)

印度-亞洲碰撞造山作為新生代全球最重要的地質(zhì)事件（Molnar and Tapponnier, 1975），不僅造成了喜馬拉雅-青藏高原的抬升，也形成了世界上最年輕和最活躍的陸內(nèi)造山帶——天山（Sobel and Dumitru, 1997; Yin et al., 1998）. 天山造山帶主體位于塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦和我國新疆地區(qū)，其東西向跨度約2 500 km，由一系列平行排列的山脈和山間盆地構(gòu)成，海拔最高處的托木爾峰達7 443 m. 作為中亞造山帶和環(huán)青藏高原盆山體系（賈承造等, 2008; Xiao et al., 2020）的重要組成部分，天山夾持于南側(cè)的塔里木盆地、帕米爾高原與北側(cè)的準噶爾盆地、哈薩克地盾之間，通常以塔拉斯—費爾干納斷裂和80°E 為界，劃分為西、中、東三個段落（Lei, 2011）（圖1）.

天山作為復活型陸內(nèi)造山帶，主要經(jīng)歷兩期次的強構(gòu)造活動. 古天山形成于海西期島弧、微陸塊等構(gòu)造單元的多期次碰撞增生造山過程，其變形一直持續(xù)到中生代（Burtman, 1975）. 新生代以來，在印度—歐亞板塊碰撞的遠程效應下，已被夷平的早期造山帶再次經(jīng)歷強烈隆升和構(gòu)造變形作用（Sobel and Dumitru, 1997; Yin et al., 1998）. 現(xiàn)今天山正以10～20 mm/a 的速率縮短，地殼縮短總量達50～203 km，且不同段落的匯聚變形呈現(xiàn)出明顯的差異性（Avouac et al., 1993; Makarov, 1995;Zhang et al., 2004; Gan et al., 2007; Zubovich et al.,2010; Li J et al., 2016; Zhang et al., 2020）. 研究區(qū)地震活動性強，尤其是新疆伽師和帕米爾地區(qū)中強震頻發(fā)并具有較高的潛在地震危險性（高國英等,2010; Sippl et al., 2013），更加顯現(xiàn)了研究天山深部結(jié)構(gòu)的重要意義. 帕米爾的北向擠入（Kufner et al., 2016）、塔里木的順時針旋轉(zhuǎn)（Avouac et al.,1993）、天山山脈寬度和縮短速率的東西向差異（Reigber et al., 2001）一方面彰顯了新生代天山構(gòu)造環(huán)境和地球動力學過程的復雜性，另一方面也使得天山成為研究陸內(nèi)造山過程的理想場所.

為探索天山新生代隆升的動力學機制，近年來國內(nèi)外學者在天山造山帶及其周緣實施了一系列深部結(jié)構(gòu)探測和研究計劃（熊小松等，2011；雷顯權(quán)等，2012），利用人工地震測深和寬頻地震探測方法，獲得了從地表到地幔過渡帶的多層次、多尺度的結(jié)構(gòu)信息. 本文綜合總結(jié)這些地震探測結(jié)果，梳理了當前科學界對于研究區(qū)深部結(jié)構(gòu)的共識以及仍有爭議的一些問題，并以此為基礎(chǔ)對天山新生代陸內(nèi)造山的深部變形響應進行了探討.

1 殼幔主要速度間斷面幾何形態(tài)特征

1.1 莫霍面

圖 2 天山及鄰區(qū)的地殼厚度和均衡重力異常. （a）接收函數(shù)方法約束的地殼厚度結(jié)果（整合自Bump and Sheehan, 1998;Vinnik et al., 2006; 李昱等, 2007; Chen et al., 2010; 劉文學等, 2011; Schneider et al., 2013; He C et al., 2014; He R et al.,2014; 唐明帥等, 2014; Li Y et al., 2016; 鄭雪剛等, 2016; Wu et al., 2018; Schneider et al., 2019; Zhang et al., 2020; Cai et al., 2021; Xu et al., 2021; Cheng et al., 2022; Cui et al., 2022），經(jīng)克里金插值得到. （b）Airy 均衡重力異常（修改自張星宇等，2020）. （c）Vening-Meinesz 均衡重力異常（修改自張星宇等，2020）Fig. 2 Crustal thickness and isostatic gravity anomaly of Tien Shan and its surroundings. (a) Crustal thickness measurements from receiver-function studies interpolated using Kriging method (compiled from Bump and Sheehan, 1998; Vinnik et al., 2006; Li et al., 2007; Chen et al., 2010; Liu et al., 2011; Schneider et al., 2013; He C et al., 2014; He R et al., 2014; Tang et al., 2014; Li Y et al., 2016; Zheng et al., 2016; Wu et al., 2018; Schneider et al., 2019; Zhang et al., 2020; Cai et al., 2021; Xu et al., 2021;Cheng et al., 2022; Cui et al., 2022). (b) Airy isostatic gravity anomaly (modified from Zhang et al., 2020). (c) Vening-Meinesz isostatic gravity anomaly (modified from Zhang et al., 2020)

莫霍面作為地殼和上地幔的分界面，通常受到深部構(gòu)造活動的改造作用，其形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征是解析天山隆升過程的關(guān)鍵信息. 綜合遠震接收函數(shù)、人工地震剖面、重力資料反演等研究成果，我們發(fā)現(xiàn)天山造山帶及其鄰區(qū)的地殼厚度和地表高程存在明顯的相關(guān)性（圖2a）. 高海拔的天山山脈和帕米爾高原的地殼較厚，分別為50～65 km 和65～75 km；低海拔的哈薩克南緣、準噶爾南緣、塔里木北緣以及山間盆地（如費爾干納、納倫、伊塞克湖、焉耆、庫米什、吐哈）的莫霍面則相對較淺，一般位于40～50 km 深度（Bump and Sheehan,1998; Oreshin et al., 2002; Zhao et al., 2003; Vinnik et al., 2004; Kumar et al., 2005; 李順成等, 2005; 米寧等, 2005; Vinnik et al., 2006; 李昱等, 2007; Shin et al., 2007; Chen et al., 2010; 劉文學等, 2011; Steffen et al., 2011; 侯賀晟等, 2012; Gao et al., 2013; Gilligan et al., 2014; He C et al., 2014; He R et al., 2014;

劉文學等, 2014; 唐明帥等, 2014; Li J et al., 2016; Li Y et al., 2016; 鄭雪剛等, 2016; Guy et al., 2017; Wu et al., 2018; 蔡妍等, 2019; Schneider et al., 2019; Lü et al., 2020; Zhang et al., 2020; Cai et al., 2021; Xu et al., 2021; Cheng et al., 2022; Cui et al., 2022）.

觀測莫霍面與理論均衡補償面的深度差異反映區(qū)域地殼均衡狀態(tài)，天山及鄰區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果差異顯著，主要原因在于設(shè)定的均衡補償模式不同.基于Airy 局部均衡理論的計算結(jié)果一般認為天山地殼呈現(xiàn)均衡正異常（莫霍面深度小于均衡補償深度），兩側(cè)盆地以均衡負異常為主（Balmino et al.,2012; Li Y et al., 2016; Cai et al., 2021）（圖2b）.相比之下，根據(jù)Vening-Meinesz 區(qū)域均衡理論或者考慮到地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征獲得的均衡狀態(tài)被認為在物理上更符合實際情況，山區(qū)大部表現(xiàn)為均衡負異常，盆地則以均衡正異常為特征（Steffen et al.,2011; Kaban and Yuanda, 2014; Guy et al., 2017; 張星宇等, 2020）（圖2c），均衡調(diào)整方向和區(qū)域地殼垂向運動趨勢一致（趙靜旸等，2019）.

天山和兩側(cè)盆地莫霍面的另一顯著差異在于其結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征. 準噶爾南緣和塔里木北緣的殼幔界面表現(xiàn)為一級速度間斷，形態(tài)上接近水平；而天山山脈尤其是其南北山麓地帶則以緩變的速度梯度帶或多薄層結(jié)構(gòu)為主，并廣泛存在錯斷（Moho offset）和雙莫霍面（Moho Doublet）等復雜構(gòu)造（Zhao et al., 2003; 李順成等, 2005; 米寧等, 2005;李昱等, 2007; 侯賀晟等, 2012; Gao et al., 2013; He C et al., 2014; Li J et al., 2016; Li Y et al., 2016; 蔡妍等,2019; Zhang et al., 2020）. 另外，接收函數(shù)偏移成像研究表明天山內(nèi)部的莫霍面形態(tài)可能具有系統(tǒng)性差異（Li J et al., 2016; Zhang et al., 2020）（圖3）. 北天山以南傾的雙莫霍面為主要特征，對應哈薩克和準噶爾的南向俯沖；南天山的莫霍面在山脈中段向南傾斜并在盆山結(jié)合部發(fā)生錯斷，在東段則位于相對較淺的深度并存在多個錯斷，表明南天山地殼在塔里木向北推擠作用下發(fā)生縮短增厚變形并且變形強度存在東西向差異，可能和天山東段的匯聚速率較小有關(guān)（Reigber et al., 2001）.

1.2 巖石圈-軟流圈邊界

圖 3 天山造山帶中段的莫霍面形態(tài)（修改自Zhang et al., 2020）. 黑色倒三角為地震臺站，黃色圓圈表示由接收函數(shù)疊加網(wǎng)格搜索（H-κ-c）獲得的各臺站下方莫霍面深度，黑色虛線表示由接收函數(shù)共轉(zhuǎn)換點疊加（CCP）揭示的莫霍面幾何形態(tài)Fig. 3 Moho morphology of central Tien Shan (modified from Zhang et al., 2020). Seismic stations are marked as black inverted triangles. Yellow circles denote Moho depth measurements from a stacking and grid search scheme on receiver functions (H-κc); black dashed lines show preferred Moho geometry from CCP image

S 波接收函數(shù)由于其不受淺層多次波干擾的特性，常用于巖石圈-軟流圈邊界（lithosphereasthenosphere boundary, LAB）起伏形態(tài)的探測.相關(guān)研究結(jié)果表明天山中段的巖石圈厚度約為90～120 km，相對于北側(cè)哈薩克（約130 km）和南側(cè)塔里木（約160～180 km）發(fā)生明顯減薄，推測存在從喀喇昆侖到天山的軟流圈物質(zhì)上涌通道（ Oreshin et al., 2002; Kumar et al., 2005）（圖4a）. 另外，Pasyanos 等（2014）通過對面波頻散數(shù)據(jù)的擬合認為天山巖石圈可能具有強烈的橫向不均一性，天山東部巖石圈顯著增厚（約190 km）. Zhao 等（2003）根據(jù)巴音布魯克—布爾津剖面的殼幔電性結(jié)構(gòu)也獲得了類似的巖石圈厚度估計（約160～180 km），但由于面波和大地電磁對于速度間斷面的分辨率較低，該推測仍需進一步確認.

1.3 地幔轉(zhuǎn)換帶上下界面

地幔轉(zhuǎn)換帶（mantle transition zone, MTZ）是上下地幔物質(zhì)運移和能量交換的場所，其上下界面（410-km 和660-km 間斷面）的起伏與溫度場以及物質(zhì)成分的變化密切相關(guān)（Helffrich, 2000; Wu et al., 2022）. 因而準確約束地幔轉(zhuǎn)換帶的厚度及其界面形態(tài)對于認識天山構(gòu)造活動的作用深度和動力來源具有重要意義. 現(xiàn)有的研究結(jié)果主要集中在天山中段（Chen et al., 1997; Tian et al., 2010; He C et al.,2014; Lessing et al., 2014; 高雅健等, 2017; Yu et al.,2017; Kosarev et al., 2018; Vinnik et al., 2018）（圖4b）. 一般認為山體下方的地幔轉(zhuǎn)換帶增厚約3～20 km，與該深度的高速異常體有較好的對應關(guān)系（Lei and Zhao, 2007; Li et al., 2009），反映在碰撞造山過程中拆沉的巖石圈已經(jīng)到達地幔轉(zhuǎn)換帶深度. 另外，哈薩克南緣、塔里木北緣以及費爾干納盆地下方的地幔轉(zhuǎn)換帶存在約7～20 km 的減薄，可能與局部熱物質(zhì)上涌或地幔柱相關(guān). 值得一提的是，雖然不同研究獲得的轉(zhuǎn)換帶厚度變化特征大體相近，但由于研究方法、數(shù)據(jù)來源、以及參考模型的不同，對于410-km 和660-km 間斷面起伏形態(tài)的認識仍存在較大差異. 另一個爭議點在于天山下方的拆沉體的屬性，是對流減薄的天山巖石圈地幔還是俯沖并剝離的塔里木或哈薩克巖石圈仍不十分清楚（Tian et al., 2010; Yu et al., 2017）.

2 地震各向異性與殼幔形變特征

利用地震波在各向異性介質(zhì)中的傳播特性來解析地球介質(zhì)的各向異性結(jié)構(gòu)是探測深部變形過程的重要手段，并且一般認為裂隙、礦物和熔體的定向排列以及薄互層結(jié)構(gòu)是地震各向異性的直接來源（Crampin, 1994; Zhang and Karato, 1995; 楊彧等,2010; Ko and Jung, 2015）. 其中剪切波分裂（Silver and Chan, 1991）作為最常用的研究方法，當臺站密度較大時可獲得較高的橫向分辨率，雖然垂向分辨率有限，但可以通過引入多種類型剪切波進行改善（如SKS/SKKS、Pms、S）. 另外，針對P/Pn波走時（Hearn, 1996; Liang et al., 2004; Wang and Zhao, 2008）、接收函數(shù)/SKS 波形（Vinnik et al.,2002），以及面波頻散等數(shù)據(jù)的反演研究（Bao et al., 2016, 2020; Malory et al., 2022）解析的各向異性結(jié)構(gòu)往往具有較高的垂向分辨率，其中后者還可以通過比較瑞利波和勒夫波的速度結(jié)構(gòu)獲得徑向各向異性信息. 因此對天山山脈采用不同方法約束的地震各向異性結(jié)構(gòu)進行梳理有助于加深我們對于陸內(nèi)造山動力學過程的認識.

圖 4 天山造山帶中段的巖石圈-軟流圈間斷面形態(tài)和地幔轉(zhuǎn)換帶厚度. （a）S 波接收函數(shù)約束的巖石圈-軟流圈間斷面形態(tài)（修改自Kumar et al., 2005）. 藍色圓圈表示測線附近的地震分布，背景S 波速度異常由地震面波層析成像獲得（Friederich, 2003）. （b）P 波接收函數(shù)約束的地幔轉(zhuǎn)換帶厚度變化（修改自Yu et al., 2017）. 黑線表示斷層分布，圓圈為反投影處理中使用的1°×1°網(wǎng)格Fig. 4 LAB morphology and MTZ thickness beneath central Tien Shan. (a) LAB morphology constrained by S-wave receiver-function imaging (modified from Kumar et al., 2005). Blue circles are earthquake hypocenters within a 100 km wide zone along the seismic profile. Background S-wave velocities are based on surface-wave tomography images reported by Friederich(2003). (b) Smoothed spatial distribution of MTZ thickness constrained by P-wave receiver-function imaging (modified from Yu et al., 2017). Black lines are major active faults. Open circles show locations of bins used during backprojection of receiver functions

SKS/SKKS 分裂反映了臺站下方從地表到核幔邊界的平均各向異性結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究結(jié)果對天山中西段覆蓋較好，在天山東段主要集中在烏魯木齊—庫爾勒公路沿線（圖5a）. 整體上看，快波偏振方向（NEE-SWW）和造山帶走向近似平行，約1 s的分裂時間表明山體下方變形作用較強（Silver and Chan, 1991; Makeyeva et al., 1992; Vinnik et al.,1992; Helffrich et al., 1994; Wolfe and Vernon III,1998; Barruol and Hoffmann, 1999; Iidaka and Niu,2001; Chen et al., 2005; Li and Chen, 2006; 江麗君等,2010; Li et al., 2010; Huang et al., 2011; 馮強強等,2012; Cherie et al., 2016; 孫吉澤等, 2016; Kufner et al., 2018）. 然而，迄今為止對于該特征所指示的地球動力學過程尚未達成統(tǒng)一的認識，南北向擠壓引起的巖石圈縮短增厚、大規(guī)模地幔對流或軟流圈物質(zhì)的側(cè)向流動、板塊運動相關(guān)的礦物定向排列等模式相繼被提出，古生代匯聚造山過程中殘余的化石各向異性（fossil anisotropy）也被認為對觀測結(jié)果有一定貢獻. 在這個SKS/SKKS 各向異性和山脈走向平行的大背景下，多項研究在伊塞克湖及其周緣發(fā)現(xiàn)有異常的快波偏振方向（NNE-SSW），可能與局部的地幔對流/地幔柱活動有關(guān)（Makeyeva et al., 1992; Wolfe and Vernon III, 1998; 江麗君等,2010）；但也有研究指出該觀測結(jié)果受限于數(shù)據(jù)較差的方位角覆蓋（局限在90°～110°方位），不足以反映伊塞克湖地區(qū)的平均各向異性結(jié)構(gòu)（Cherie et al., 2016）. 值得一提的是，類似的異常各向異性特征在塔拉斯—費爾干納斷裂附近和中天山南部山麓地帶也有發(fā)現(xiàn)（Li and Chen, 2006; Kufner et al.,2018），但考慮到數(shù)據(jù)量較少，需謹慎考慮其可能的成因.

圖 5 天山及鄰區(qū)的地幔各向異性. （a）SKS/SKKS 分裂獲得的殼幔綜合各向異性分布（整合自Silver and Chan, 1991;Makeyeva et al., 1992; Vinnik et al., 1992; Helffrich et al., 1994; Wolfe and Vernon III, 1998; Barruol and Hoffmann, 1999;Iidaka and Niu, 2001; Chen et al., 2005; Li and Chen, 2006; 江麗君等, 2010; Huang et al., 2011; 馮強強等, 2012; Cherie et al., 2016; Kufner et al., 2018; Gao and Sun, 2021; Zhang et al., 2022）. 綠色短棒的方向和長度分別表示快剪切波偏振方向和快慢波分裂時間. （b）Pn 波層析成像獲得的上地幔頂部各向異性分布（修改自Zhou and Lei, 2015）. 藍色短棒的方向和長度分別表示快剪切波傳播方向和各向異性強度，虛線為研究區(qū)主要沉積盆地輪廓，實線為研究區(qū)主要斷層. TB：塔里木盆地，JB：準噶爾盆地，KS：哈薩克地盾，F(xiàn)B：費爾干納盆地，WTS：西天山，CTS：中天山，ETS：東天山，THB：吐哈盆地Fig. 5 Upper-mantle seismic anisotropy of Tien Shan and its surroundings. (a) SKS/SKKS anisotropy targeting both crust and upper mantle (compiled from Silver and Chan, 1991; Makeyeva et al., 1992; Vinnik et al., 1992; Helffrich et al., 1994; Wolfe and Vernon III, 1998; Barruol and Hoffmann, 1999; Iidaka and Niu, 2001; Chen et al., 2005; Li and Chen, 2006; Jiang et al., 2010;Huang et al., 2011; Feng et al., 2012; Cherie et al., 2016; Kufner et al., 2018; Gao and Sun, 2021; Zhang et al., 2022). Fast polarization axis and amount of splitting are indicated by orientation and length of bar line, respectively. (b) Pn anisotropy targeting uppermost mantle (modified from Zhou and Lei, 2015). Fast-propagation direction and strength of anisotropy are indicated by orientation and length of bar line, respectively. Black dashed lines are outlines of major sedimentary basins; black solid lines indicate major active faults. TB, Tarim basin; JB, Junggar basin; KS, Kazakh shield; FB, Fergana basin; WTS, western Tien Shan; CTS, central Tien Shan; ETS, eastern Tien Shan; THB, Turpan-Hami basin

SKS/SKKS 分裂結(jié)果隨方位角的周期性變化特征和針對接收函數(shù)/SKS 波形的反演方法常用于刻畫臺站下方的雙層（復雜）各向異性結(jié)構(gòu). 結(jié)果顯示，天山中段的部分臺站以及位于天山東段的WMQ 臺站下方可能存在雙層各向異性結(jié)構(gòu)（Farra et al., 1991; Vinnik et al., 2002; Vinnik et al., 2007; Li et al., 2010; Huang et al., 2011; Cherie et al., 2016），但不同研究獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)差異明顯. 以WUS 臺站為例，Cherie 等（2016）和Li 等（2010）的研究結(jié)果顯示該臺站上層和下層的各向異性方向分別為NEE-SWW 和NWW-SEE；另一方面，Vinnik 等（ 2002）、 Vinnik 等（ 2007） 及Farra 等（1991）則獲得了完全相反的結(jié)果，認為上層和下層各向異性分別位于NWW-SEE 和NEE-SWW方向. 值得注意的是，由于天山地區(qū)地震臺站記錄的SKS/SKKS 數(shù)據(jù)方位分布不均，通過擬合SKS/SKKS 分裂結(jié)果隨方位角的變化規(guī)律獲得的雙層各向異性參數(shù)往往穩(wěn)定性較差并具有多解性. 此外，下地幔低剪切速度區(qū)邊緣地帶的強烈各向異性也可能對SKS/SKKS 各向異性的擾動有貢獻，比如Zhang 等（2022）發(fā)現(xiàn)天山中段偏離造山帶走向的各向異性觀測結(jié)果，在2 700 km 深度的穿透點大多位于Perm Anomaly 邊界，暗示可能存在一定關(guān)聯(lián)性.

Pn 波走時反演能夠約束上地幔頂部的各向異性結(jié)構(gòu). 天山及其鄰區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果顯示（圖5b），上地幔頂部的各向異性方向在山脈主體表現(xiàn)為和造山帶走向平行，一般認為受到巖石圈縮短變形過程的控制，另外地幔熱物質(zhì)的上涌也被認為對該特征有一定貢獻；而在天山中東段的盆山結(jié)合部則以垂直造山帶走向為特征，推測可能和兩側(cè)塊體向天山方向的俯沖有關(guān)（李志偉等, 2007;Zhou and Lei, 2015; He et al., 2019）.

在SKS/SKKS 分裂研究中，一般認為地殼變形的貢獻較小，各向異性層主要分布在巖石圈地幔和軟流圈內(nèi)部. 但這一假設(shè)對于經(jīng)歷強烈地殼縮短和快速隆升的天山造山帶可能并不成立（Vinnik et al., 2002, 2007; Chen et al., 2005）. Pms 分裂結(jié)果反映了臺站下方地殼平均的各向異性結(jié)構(gòu)，一項針對天山中段MANAS 測線的SKS/SKKS 和Pms 分裂研究結(jié)果顯示（圖6a），天山地殼各向異性較強（約0.6 s），相比于SKS/SKKS 震相約1.0 s 的分裂時間，表明天山地區(qū)地殼/巖石圈變形對于SKS/SKKS 分裂具有重要貢獻（Zhang et al., 2022）.該項研究同時揭示了天山各向異性結(jié)構(gòu)的橫向差異，南天山以平行山脈走向的快波偏振方向為特征，對應塔里木北向推擠造成的整個南天山巖石圈的純剪切變形；而北天山的地殼各向異性主要表現(xiàn)為與塔里木—哈薩克匯聚方向平行，可能與哈薩克下地殼南向俯沖引起的簡單剪切變形有關(guān)（Zhang et al.,2022）.

圖 6 天山及鄰區(qū)的地殼各向異性. （a）接收函數(shù)Pms 分裂獲得的地殼各向異性分布（修改自Zhang et al., 2022）. 短棒的方向和圓圈的大小分別表示快剪切波偏振方向和快慢波分裂時間，橙色箭頭表示原地最大水平壓應力方向（Heidbach et al., 2018），玫瑰圖中虛線表示天山山脈走向. （b）近震S 波分裂獲得的上地殼各向異性分布（整合自鮑子文和高原, 2017; Li et al., 2021）. 短棒的方向表示快剪切波偏振方向Fig. 6 Crustal seismic anisotropy of Tien Shan and its surroundings. (a) Pms anisotropy targeting the crust (modified from Zhang et al., 2022). Fast-polarization axis and amount of splitting are indicated by bar line orientation and circle size, respectively.Orange arrows indicate maximum horizontal compressional stress direction (Heidbach et al., 2018). Dashed lines in rose diagrams denote strike of Tien Shan. (b) Local S-wave anisotropy targeting upper crust (compiled from Bao and Gao, 2017; Li et al., 2021). Fast-polarization axis is demonstrated by bar line orientation

對近震S 波進行剪切波分裂分析可以進一步將各向異性深度限制在上地殼. 對于天山地區(qū)，近震S 波的快波偏振方向一般與主壓應力方向或相鄰斷裂走向平行，反映上地殼各向異性和區(qū)域構(gòu)造以及應力場密切的關(guān)聯(lián)性；快慢波分裂時間較小（＜0.2 s），表明地殼各向異性主要來源于中下地殼礦物晶格的優(yōu)勢排列（Wolfe and Vernon III,1998; 賴院根等, 2002; 高歌和王海濤, 2006; 鮑子文和高原, 2017, 2019）（圖6b）. 在中下地殼深度，基于背景噪聲頻散的反演研究發(fā)現(xiàn)，快波偏振方向在伊塞克湖附近偏轉(zhuǎn)為近似垂直于山脈走向，和該區(qū)域SKS/SKKS 分裂結(jié)果一致，推斷地幔熱物質(zhì)可能上涌到地殼深度（Guo et al., 2017）. 此外，關(guān)于天山造山帶徑向各向異性的研究目前仍較為初步，成像結(jié)果差異較大（周銘等, 2014; Liang et al.,2020）.

3 殼幔三維地震波速度結(jié)構(gòu)

應用地震層析成像方法可揭示天山造山帶及其鄰區(qū)包括P 波、S 波、瑞利波和勒夫波在內(nèi)多種類型地震波的三維速度結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明天山地殼上地幔具有明顯非均勻性. 在上地殼深度、速度結(jié)構(gòu)與地表構(gòu)造有很好的對應關(guān)系（圖7a）. 在沉積層相對較厚的塔里木、準噶爾、哈薩克地區(qū)以及部分山間盆地（如費爾干納、納倫、伊塞克湖）表現(xiàn)為顯著的低速異常，其中準噶爾盆地低速層的厚度向南逐漸增大，可能與北天山隆升以及準噶爾沉降過程相關(guān)；而山脈主體部分由于受到古生代結(jié)晶基底抬升的影響，一般具有較高的地震波速度（Xu et al., 2002; Zhao et al., 2003; Omuralieva et al., 2009;Guo et al., 2010; Zheng et al., 2010; Lei, 2011; Gao et al., 2014; Gilligan et al., 2014; Bao et al., 2015; Li Y et al., 2016; Guo et al., 2017; Li et al., 2018; Lü et al.,2019; Aminov et al., 2020; 孔祥艷等, 2021）.

圖 7 天山及鄰區(qū)的殼幔地震波速度結(jié)構(gòu). （a-c）背景噪聲全波形反演獲得的11-km、42-km 和60-km 深度S 波速度水平切片（修改自Lü et al., 2019）. 紫色實線為塔拉斯—費爾干納斷裂和80°E 經(jīng)線，黑色虛線為研究區(qū)主要沉積盆地輪廓.圖中主要速度異常：WLVZ：西天山低速區(qū)，CLVZ：中天山低速區(qū)，THVZ：塔里木高速區(qū)，JHVZ：準噶爾高速區(qū).（d, e）體波走時層析成像獲得的天山造山帶中段P 波相對速度剖面結(jié)果（修改自Li et al., 2009; Zabelina et al.,2013）. 圖案1 表示向北俯沖的印度板片，圖案2 表示塔里木和哈薩克微陸塊Fig. 7 Seismic velocity structures of Tien Shan and its surroundings. (a-c) Horizontal slices of S-wave velocities at 11, 42, and 60 km depths revealed by full-wave ambient-noise tomography (modified from Lü et al., 2019). Purple solid lines mark locations of Talas-Fergana fault and 80° E. Black dashed lines are outlines of major sedimentary basins. Major velocity anomalies: WLVZ,Western Tien Shan Low-Velocity Zone; CLVZ, Central Tien Shan Low-Velocity Zone; THVZ, Tarim basin High-Velocity Zone; JHVZ, Junggar basin High-Velocity Zone. (d,e) Vertical slices of P-wave velocity perturbations across central Tien Shan constrained by body-wave travel-time tomography (modified from Zabelina et al., 2013; Li et al., 2009). Pattern 1 denotes the subducting Indian slab; pattern 2 shows positions of Tarim and Kazakh lithospheres beneath Tien Shan

在中下地殼深度（圖7b），天山中東段整體波速較低，低速異常廣泛分布，雖然部分研究在納倫和伊塞克湖地區(qū)發(fā)現(xiàn)有與古生代碰撞過程相關(guān)的高速體（Kosarev et al., 1993; Xu et al., 2002; Zhao et al., 2003; 米寧等, 2005; Vinnik et al., 2006; 李昱等,2007; Omuralieva et al., 2009; Guo et al., 2010;Makarov et al., 2010; Lei, 2011; Zabelina et al., 2013;Gilligan et al., 2014; 劉文學等, 2014; 周銘等, 2014;Li Y et al., 2016; Guo et al., 2017; Khan et al., 2017;Sychev et al., 2018; 蔡妍等, 2019; Li et al., 2019; Lü et al., 2019, 2021; 孔祥艷等, 2021）；相比之下，現(xiàn)有研究對于天山西段深部地殼的波速特征爭議較大，高速和低速均有提及，而如果認為天山西段以高速為主，該特征則可能與塔拉斯—費爾干納斷裂兩側(cè)不同的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)（Kosarev et al., 1993; Kufner et al., 2016; Khan et al., 2017; Li et al., 2018; Lü et al.,2019; Liang et al., 2020; Aminov et al., 2020）. 普遍發(fā)育的中下地殼低速層表明天山的力學強度相對較低，易于發(fā)生強烈變形（蔡妍等，2019；孔祥艷等，2021）. 但另一方面，由于不同研究獲得的低速層位置、強度和形態(tài)特征具有顯著差異，關(guān)于該低速層的成因機制仍不十分清楚. 考慮到天山的莫霍面深度較大，低速層可能和中下地殼的增厚直接相關(guān)（Zabelina et al., 2013; Aminov et al., 2020）. 另外，上涌到地殼深部的熔體或流體以及地殼礦物在熱作用下的脫水熔融也會顯著降低地震波速度（Kosarev et al., 1993; Xu et al., 2002; Vinnik et al.,2006; Omuralieva et al., 2009; Guo et al., 2010; Lei,2011; 劉文學等, 2014; 周銘等, 2014; Guo et al.,2017; Khan et al., 2017; Li Y et al., 2016; Li et al.,2019; Lü et al., 2021）. 也有研究認為山麓地帶的低速異常可能反映了南北側(cè)穩(wěn)定地殼向天山方向的俯沖（Zhao et al., 2003; 李昱等, 2007; Omuralieva et al., 2009; Makarov et al., 2010; Zabelina et al., 2013;Gilligan et al., 2014; Khan et al., 2017; Sychev et al.,2018; 蔡妍等, 2019; 孔祥艷等, 2021），但現(xiàn)有成像結(jié)果所指示的地殼內(nèi)部速度異常的傾斜形態(tài)并不清晰，原因可能和俯沖過程在地殼深度產(chǎn)生的速度異常較小而地殼變形作用又相對復雜有關(guān).

天山上地幔頂部基本延續(xù)了其中下地殼的速度結(jié)構(gòu)特征（圖7c）. 整個天山山脈包括其西段表現(xiàn)為大范圍的低速異常，反映了大規(guī)模的地幔熱物質(zhì)上涌，根據(jù)速度異常幅值判斷，天山中段尤其是中天山南部是地幔熱對流過程最強烈的地區(qū)；而位于山體兩側(cè)的塔里木、準噶爾和哈薩克巖石圈則相對較厚并以較高的地震波速度為主要特征（Oreshin et al., 2002; Xu et al., 2002; Vinnik et al., 2004; Vinnik et al., 2006; Lei and Zhao, 2007; 李志偉等, 2007; Xu et al., 2007; Koulakov, 2011; Lei, 2011; Bao et al.,2015; Zhou and Lei, 2015; Kufner et al., 2016; Li Y et al., 2016; He and Santosh, 2018; He et al., 2019; Li et al., 2019; Lü et al., 2019; Liang et al., 2020）. 隨著深度的增加，天山西段的速度異常逐漸消失，反映該區(qū)域構(gòu)造活動的作用深度較淺（Kufner et al.,2016）；而在天山中東段，仍舊能夠觀察到顯著的速度異常特征，上地幔頂部和地幔轉(zhuǎn)換帶之間的多條低速通道表明地幔熱對流過程覆蓋了整個上地幔，另外也發(fā)現(xiàn)有高角度傾斜或近垂直的高速體，可能是拆沉并掉落的天山巖石圈或南北側(cè)的俯沖巖石圈，但關(guān)于高速體的形態(tài)仍未有統(tǒng)一的認識（Xu et al.,2002; 郭飚等, 2006; 劉潔等, 2007; Lei and Zhao,2007; Li et al., 2009; Koulakov, 2011; Zabelina et al.,2013; He and Santosh, 2018; Hua et al., 2020）. 例如，Koulakov（2011）及Lei 和Zhao（2007）的P 波走時層析成像研究發(fā)現(xiàn)，中天山南北部存在兩個形態(tài)上差異較大的高速異常體，北部異常與哈薩克巖石圈相連并向南傾斜到150～200 km 深度，南部異常范圍更大、與塔里木巖石圈分離并拆沉到約500 km 深度（圖7d）；而Li 等（2009）利用類似方法同樣發(fā)現(xiàn)中天山兩個相向俯沖的高速體，不過其形態(tài)特征相近，并且均俯沖到至少400 km 深度，認為可能是拆沉的天山中部巖石圈（圖7e）.

4 地殼平均波速比與地震波衰減結(jié)構(gòu)特征

地球介質(zhì)的縱橫波速度比（

V

/

V

）與巖石組成關(guān)系密切，并且隨熔融體熔融程度的提高而增大，但不同的溫壓條件對該參數(shù)的影響較?。╓atanabe, 1993; Christensen, 1996）. 大陸地殼的平均波速比一般在1.75～1.77 上下浮動，并且由于上地殼多由含硅量較大的巖石組成，該深度的波速比相對較低（＜1.75），而以鐵鎂質(zhì)成分為主的下地殼一般具有較高的波速比（＞1.75）（Zandt and Ammon,1995; Christensen, 1996）. 通過匯總前人利用接收函數(shù)

H

-

κ

疊加及其衍生方法得到的天山及其鄰區(qū)的地殼平均波速比結(jié)果（Chen et al., 2010; 劉文學等,2011; He C et al., 2014; He R et al., 2014; 唐明帥等,2014; 鄭雪剛等, 2016; Wu et al., 2018; Schneider et al., 2019; Cai et al., 2021; Xu et al., 2021; Cheng et al.,2022; Cui et al., 2022）（圖8），我們發(fā)現(xiàn)多數(shù)臺站的地殼波速比位于1.70～1.80 區(qū)間，與全球大陸平均值相近，平均誤差0.06，另有部分臺站獲得了＞1.80 的結(jié)果，但分布較為零散. 雖然部分研究認為這些局部的高波速比可以看作天山中下地殼部分熔融或富含流體的證據(jù)（Cai et al., 2021; Cui et al.,2022），但其他因素如地殼鐵鎂質(zhì)組分增加（劉文學等，2011）或者存在較厚的地表沉積層（Schneider et al., 2019）也可能會導致類似的觀測結(jié)果，另外考慮到其散落分布的特征，測量誤差的影響也不容忽視.

圖 8 接收函數(shù)方法約束的天山及鄰區(qū)的地殼平均波速比（整合自Chen et al., 2010; 劉文學等, 2011; Schneider et al., 2013;He C et al., 2014; He R et al., 2014; 唐明帥等, 2014; 鄭雪剛等, 2016; Wu et al., 2018; Schneider et al., 2019; Zhang et al.,2020; Cai et al., 2021; Xu et al., 2021; Cheng et al., 2022; Cui et al., 2022），經(jīng)克里金插值得到Fig. 8 Crustal VP/VS ratio of Tien Shan and its surroundings from receiver-function studies interpolated using Kriging method (compiled from Chen et al., 2010; Liu et al., 2011; Schneider et al., 2013; He C et al., 2014; He R et al., 2014; Tang et al., 2014;Zheng et al., 2016; Wu et al., 2018; Schneider et al., 2019; Zhang et al., 2020; Cai et al., 2021; Xu et al., 2021; Cheng et al.,2022; Cui et al., 2022)

地震波衰減反映了地下介質(zhì)的非彈性性質(zhì)，對介質(zhì)的均勻程度、溫度、裂隙分布以及孔隙流體較為敏感（Sato et al., 1989; Dong and Menke, 2017）.衰減程度一般采用品質(zhì)因子

Q

表示，

Q

值分布與構(gòu)造活動強度的相關(guān)性較好（何靜等，2017）. 天山造山帶構(gòu)造變形作用復雜，高熱流所指示的地殼生熱過程、廣泛分布的褶皺系以及可能的部分熔融均會導致入射到該地區(qū)的地震波發(fā)生強烈的散射衰減，對應低

Q

值；相比之下，塔里木、哈薩克以及部分山間盆地等構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)則主要表現(xiàn)為高

Q

值低衰減（Sarker and Abers, 1999; 徐彥等, 2005;Kopnichev and Sokolova, 2007; Sychev et al., 2018;Ma and Huang, 2020）（圖9）. 但也有部分研究結(jié)果顯示，塔里木盆地尤其是其北緣盆山過渡帶的

Q

值要明顯低于天山山脈，認為主要和區(qū)域較厚且松散的沉積層有關(guān)，并受到局部的斷裂帶、破碎帶以及頻繁地震活動的影響（李金等，2017；趙俊猛等，2003a，2003b）. 此外，現(xiàn)階段關(guān)于天山地區(qū)

Q

值結(jié)構(gòu)的深度變化趨勢（Sarker and Abers, 1999;趙俊猛等, 2003a, 2003b; Sychev et al., 2018）以及頻率特性（徐彥等, 2005; 李金等, 2017; Ma and Huang, 2020）仍存有較大爭議.

圖 9 中天山北部15-km 深度的P 波衰減結(jié)構(gòu)（修改自Sychev et al., 2018）. ChB：邱亞盆地，KzP：哈薩克地盾，ChR：邱亞山脈，KgR：吉爾吉斯山脈，TFF：塔拉斯—費爾干納斷裂，NrB：納倫盆地，Issyk-Kul：伊塞克湖Fig. 9 P-wave velocity attenuation at 15 km depth beneath north-central Tien Shan (modified from Sychev et al.,2018). ChB, Chuya basin; KzP, Kazakh shield; ChR,Chuya ridge; KgR, Kyrgyz range; TFF, Talas-Fergana fault; NrB, Naryn basin

5 天山新生代隆升變形的深部動力學過程

新生代天山的復活再造過程滯后于印度—歐亞板塊的初始碰撞（Hendrix et al., 1994; Charreau et al., 2006）. 和其他陸內(nèi)造山帶類似，一般認為天山構(gòu)造變形的驅(qū)動力主要來源于板塊邊界處的擠壓應力（Raimondo et al., 2014），應力經(jīng)由強硬的塔里木巖石圈向北轉(zhuǎn)移，并最終在流變學性質(zhì)相對軟弱并存有大量薄弱帶的天山地區(qū)釋放（Flesch et al.,2001; Bagdassarov et al., 2011; Huangfu et al., 2021）.

另外，如前所述的大量深部探測結(jié)果表明在天山山脈下方可能存在地幔熱物質(zhì)的上涌，該過程導致該處巖石圈力學強度顯著降低，為天山的加速隆升創(chuàng)造了有利條件（郭飚等, 2006; 李志偉等, 2007; 劉潔等, 2007; Xu et al., 2007）.

相比于較為明確的構(gòu)造應力來源，當前科學界對于天山地區(qū)的巖石圈變形模式仍未達成統(tǒng)一的認識. 陸內(nèi)俯沖對于天山新生代造山過程的重要性被眾多學者反復強調(diào)，一般認為在塔拉斯—費爾干納斷裂西側(cè)沿主帕米爾逆沖斷層發(fā)生亞洲巖石圈向帕米爾方向的深俯沖（Sippl et al., 2013; Kufner et al.,2016; Schneider et al., 2019），位于俯沖帶下盤的西天山以縮短增厚變形作用為主（Kosarev et al.,1993; Khan et al., 2017; Lü et al., 2019）. 而在塔拉斯—費爾干納斷裂東側(cè)，天山的構(gòu)造環(huán)境發(fā)生轉(zhuǎn)變，其南部與穩(wěn)定的塔里木克拉通相接壤，但陸內(nèi)俯沖仍舊被認為是天山中東段最為重要的深部動力學過程，雖然關(guān)于俯沖板片的對稱性和精細結(jié)構(gòu)仍存有爭議. 一部分學者認為存在南側(cè)塔里木、北側(cè)哈薩克和準噶爾巖石圈向天山方向的雙向俯沖（圖10a），并提出“層間插入削減”、“俯沖碰撞拆沉”等模型（Zhao et al., 2003; Lei and Zhao, 2007），但對于塊體的俯沖角度（subduction/underthrusting）、俯沖距離以及天山深部地幔高速體的屬性也存在不同的觀點. 近年來寬頻地震剖面的接收函數(shù)研究則提出了新的見解，認為天山的變形可能是不對稱的（圖10b），陸內(nèi)俯沖僅發(fā)生在天山北部，南天山則在塔里木的北向推擠下發(fā)生巖石圈尺度的縮短變形（Li J et al., 2016; Zhang et al., 2020,2022）. 評估以上模型需要綜合考慮研究方法的優(yōu)缺點、數(shù)據(jù)集的大小與質(zhì)量、成像結(jié)果的分辨率、地質(zhì)解釋的多解性等多方面因素，但值得一提的是這些動力學模型可能并沒有相悖，相當一部分研究就發(fā)現(xiàn)天山和南北側(cè)塊體的盆山耦合特點存在東西向差異，這可能表明天山不同段落的深部變形過程是不同的. 例如，沿沙雅—布爾津剖面（～85°E），Zhao 等（2003）推測塔里木塊體向天山單向俯沖，準噶爾塊體與天山以走滑形式相接觸；沿庫爾勒—吉木薩爾剖面（～88°E），趙俊猛等（2003a, 2004）提出塔里木與準噶爾向天山方向?qū)_的接觸模式；而 沿MANAS 剖 面（～75°E），Zhang 等（2020,2022）則認為力學性質(zhì)強硬并受到二疊紀地幔柱活動進一步強化的塔里木克拉通不易發(fā)生變形和俯沖，而只有北部的哈薩克巖石圈參與陸內(nèi)俯沖過程.

圖 10 天山造山帶新生代隆升變形的兩種模式. （a）雙向俯沖模式（修改自Lei and Zhao, 2007）. 天山兩側(cè)的俯沖巖石圈在山脈下方碰撞拆沉，進而引起較大規(guī)模地幔上涌. （b）單向俯沖模式（修改自Zhang et al., 2022）. 由于天山南北側(cè)塊體流變學性質(zhì)的差異性，僅在山脈北部發(fā)生哈薩克地盾和準噶爾盆地的單向俯沖，山脈南部以巖石圈縮短增厚變形模式為主并伴隨有巖石圈拆沉和地幔上涌Fig. 10 Schematic illustration of two possible geodynamic scenarios beneath Tien Shan. (a) Two-sided underthrusting (modified from Lei and Zhao, 2007): underthrusted lithospheres collide beneath Tien Shan, which results in breaking-up and droppingoff of the collided lithospheres and, consequently, upwelling of hot deep-mantle materials. (b) One-sided underthrusting(modified from Zhang et al., 2022): Only Kazakh and Junggar lithospheres to the north underthrust beneath Tien Shan. The Tarim lithosphere to the south, conversely, indents rather than subducts under the mountains, resulting in vertically coherent thickening and subsequent foundering of southern Tien Shan lithosphere. Such distinct deformation responses under coherent north-south compression may be controlled by different rheologic properties of bounding terranes

6 結(jié)語和展望

本文總結(jié)了近年來利用地震學探測手段獲得的天山造山帶及其鄰區(qū)殼幔間斷面形態(tài)、各向異性、速度以及衰減結(jié)構(gòu)特征，這些研究結(jié)果為揭示天山新生代陸內(nèi)造山的機理提供了重要約束. 取得的主要共識有：

（1）天山山脈主體和區(qū)內(nèi)沉積盆地的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)（如地殼厚度、莫霍面形態(tài)、地幔轉(zhuǎn)換帶厚度、上地殼波速、

Q

值結(jié)構(gòu)等）存在明顯差異；

（2）天山的地殼上地幔普遍具有各向異性特征，上地幔主偏振方向和造山帶走向近似平行，地殼各向異性則呈現(xiàn)出較強的橫向變化，研究區(qū)可能存在復雜（雙層）各向異性結(jié)構(gòu)；

（3）在中下地殼和上地幔頂部，天山大部波速較低，低速異常廣泛分布；

（4）陸內(nèi)俯沖和地幔上涌是天山最重要的深部過程，并且俯沖模式和對流強度可能存在橫向變化.

然而，由于我國新疆境內(nèi)天山的地震數(shù)據(jù)覆蓋相對薄弱，已有研究對于該區(qū)殼幔各向異性、LAB 和MTZ 界面形態(tài)的分辨率遠遠不夠. 因此，有必要在我國境內(nèi)天山布設(shè)密集的二維寬頻地震臺陣、并結(jié)合已有數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究工作，通過與天山中西段結(jié)構(gòu)特征的對比，我們將有望加深對于天山隆升和陸內(nèi)造山機理的認識. 另外，目前關(guān)于天山地區(qū)一些結(jié)構(gòu)參數(shù)及其解釋的不確定性仍然較大，其原因是多方面的，受到數(shù)據(jù)集的完備性、反演和解釋的多解性、成像結(jié)果的分辨率等因素的共同制約. 為解決這一問題，我們既需要對已有結(jié)果進行分類評估，也需要在接下來的研究中開展針對多種地球物理資料的聯(lián)合分析，并結(jié)合地質(zhì)、地球化學等多學科研究成果對動力學演化機制進行探討.

致謝

感謝三位匿名審稿人建設(shè)性的修改建議.

附中文參考文獻

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