天山構(gòu)造帶地震各向異性及動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究進(jìn)展

鮑子文 高原

1)安徽省地震局，合肥 230031 2)中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036

0 引 言

天山構(gòu)造帶位于中國新疆地區(qū)，自東向西進(jìn)入吉爾吉斯境內(nèi)，是中國西部主要的造山系之一，屬于全球內(nèi)陸最大、最年輕的構(gòu)造帶。天山構(gòu)造帶由一系列平行于構(gòu)造帶走向的山脈和山間盆地組成，是典型的巖石圈陸內(nèi)縮短造山帶(Chen et al，2005)。境內(nèi)天山區(qū)域內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造帶和盆地交錯(cuò)排布，天山、阿爾泰和西昆侖3條構(gòu)造褶皺帶和塔里木、準(zhǔn)噶爾兩大盆地共同構(gòu)成了中國大陸西北部地區(qū)的“三山兩盆”構(gòu)造格局(圖1)。

圖 1 天山構(gòu)造帶地質(zhì)構(gòu)造背景

天山構(gòu)造帶大致呈EW走向，南側(cè)為塔里木盆地，北側(cè)為準(zhǔn)噶爾盆地。天山構(gòu)造帶從開始形成至今經(jīng)歷了運(yùn)動(dòng)期、平靜期和復(fù)活運(yùn)動(dòng)期3個(gè)時(shí)期(Molnar et al，1975)，現(xiàn)今仍處于復(fù)活運(yùn)動(dòng)期(Sobel et al，1997)。該區(qū)域?qū)儆趦?nèi)陸造山帶，現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致天山地區(qū)地震頻繁發(fā)生，成為中國大陸西部地區(qū)重要的地震活動(dòng)帶，表現(xiàn)出很強(qiáng)的地震活動(dòng)性(胥頤等，2005；李金等，2015；高國英等，2005、2010)。

天山地區(qū)現(xiàn)今地殼主要構(gòu)造地質(zhì)單元呈現(xiàn)出沿陸-陸碰撞縫合帶兩側(cè)由老到新對(duì)稱性分布的特點(diǎn)(楊主恩等，2005)。中國境內(nèi)天山地區(qū)主壓應(yīng)力方向總體呈近NS向(高國英等，2005、2010)。GPS研究表明，印度-歐亞板塊碰撞受到喜馬拉雅逆沖體系、青藏高原沿阿爾金斷裂和昆侖斷裂向東的擠壓及天山構(gòu)造帶地殼收縮的共同調(diào)節(jié)作用(Shen et al，2001)。板塊的遠(yuǎn)程作用使天山構(gòu)造帶地殼以18.0～20.0mm/a的速率近NS向縮短(王曉強(qiáng)等，2007；王琪等，2001)。有限元數(shù)值模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在天山構(gòu)造帶81°～89°E范圍內(nèi)的地區(qū)地殼縮短的主方向，中部為近NS向，西部為偏NNW方向，東部則為偏NE向(雷顯權(quán)等，2011)。天山西段(76°E)匯聚速率約 20mm/a，天山東段(87°E)則呈現(xiàn)約 4mm/a的匯聚變形，總體跨天山帶的SN向匯聚變形由西向東呈現(xiàn)出明顯的遞減特征(王琪等，2001；牛之俊等，2007)。這種NS向的擠壓縮短在空間上還呈現(xiàn)出不均勻分布特征，主要集中在南北兩側(cè)盆地山體過渡地帶上(Abdrakhmatov et al，1996；牛之俊等，2007；楊少敏等，2008)。

上述在天山構(gòu)造帶局部區(qū)域的擠壓縮短的方向變化和東西段變形速率的差異與區(qū)域的構(gòu)造活動(dòng)密不可分。地質(zhì)構(gòu)造及GPS地表運(yùn)動(dòng)的研究結(jié)果認(rèn)為，在天山75°E以西地區(qū)的構(gòu)造變形是由于帕米爾高原NNW向的推擠作用，且其占主導(dǎo)作用(張培震等，1996；牛之俊等，2007)；而天山75°E 以東地區(qū)的構(gòu)造變形差異原因則主要是由于塔里木順時(shí)針旋轉(zhuǎn)作用(Molnar et al，2000；牛之俊等，2007；雷顯權(quán)等，2011)。根據(jù)S波接收函數(shù)和面波頻散聯(lián)合反演的推測(cè)，天山西部區(qū)域上地幔存在高速蓋層并向東延伸到巖石圈的更深處，而天山構(gòu)造帶的東部構(gòu)造活動(dòng)或形變由于遠(yuǎn)離歐亞大陸碰撞帶相對(duì)較弱(劉文學(xué)等，2014)。

由于天山地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)背景、強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)以及構(gòu)造變形的不均勻性、頻繁而強(qiáng)烈的地震活動(dòng)，使天山構(gòu)造帶既是地震活動(dòng)研究的理想實(shí)驗(yàn)場所，也是研究內(nèi)陸造山帶的理想實(shí)驗(yàn)場。地震各向異性與應(yīng)力及介質(zhì)變形有關(guān)，天山構(gòu)造帶的地殼與地幔各向異性研究成為區(qū)域深部地球物理特征的重要研究內(nèi)容。

1 天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)殼幔地震各向異性

天然地震觀測(cè)一直是研究地球巖石圈及軟流圈深部結(jié)構(gòu)的重要手段，探測(cè)深度可深達(dá)地核，不受人工源技術(shù)的限制。地震波受到地下介質(zhì)作用會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性的變化特征，利用天然地震資料，通過分析地震波的各向異性特征，能夠獲取殼幔介質(zhì)的各向異性結(jié)構(gòu)、地球內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式和應(yīng)力環(huán)境等方面的信息，可以探討地震各向異性特征與殼幔變形關(guān)系、應(yīng)力狀態(tài)及變化以及地球動(dòng)力學(xué)特征。P-SV轉(zhuǎn)換震相(Chen et al，1997)、地殼接收函數(shù)(Kosarev et al，1993)、地幔接收函數(shù)反演(Vinnik et al，2007)、地殼與地幔的剪切波分裂分析(Makeyeva et al，1992;Wolfe et al，1998;Chen et al，2005;Li et al，2006、2010;鮑子文等，2017)、Pn波反演(李志偉等，2007；雷建設(shè)等，2015)等方法已應(yīng)用于探測(cè)天山構(gòu)造帶地殼和地幔各向異性及區(qū)域深部介質(zhì)變形與運(yùn)動(dòng)特征，并為天山構(gòu)造帶的區(qū)域動(dòng)力學(xué)機(jī)制和深部介質(zhì)運(yùn)動(dòng)及殼幔耦合等科學(xué)問題的研究提供了分析依據(jù)。

1.1 地殼地震各向異性特征

剪切波分裂是分析介質(zhì)各向異性的重要方法。剪切波(也稱S波、橫波)在地殼介質(zhì)傳播過程中，由于介質(zhì)的各向異性結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致剪切波發(fā)生分裂現(xiàn)象，快、慢剪切波的偏振方向會(huì)受到大量平行、直立的定向排列的裂隙結(jié)構(gòu)的影響。EDA(Extensive-dilatancy Anisotropy，大范圍擴(kuò)容各向異性)微裂隙被用來解釋地殼的各向異性(Crampin et al，1985；高原，2006)，EDA型巖石中按應(yīng)力取向排列的充滿流體的晶間微裂隙和低縱橫比孔隙的張性結(jié)構(gòu)伴隨有擴(kuò)容現(xiàn)象，也是一種有效的各向異性結(jié)構(gòu)(高原，2006；吳晶等，2007；高原等，2008；太齡雪等，2008)。國內(nèi)研究者提出的基于相關(guān)函數(shù)和偏振分析的SAM方法(剪切波系統(tǒng)分析方法)，是一種適用于近場小震數(shù)據(jù)研究上地殼地震各向異性的方法(高原等，1994；Gao et al，2003)，該方法在中國大陸的青藏高原東南緣(石玉濤等，2006)、青藏高原東北緣(張輝等，2012)、華北盆山構(gòu)造區(qū)(吳晶等，2007；Wu et al，2009)、郯廬地震帶北段(太齡雪等，2009)、龍門山斷裂帶(石玉濤等，2009；高原等，2013)等地區(qū)均得到了有效的應(yīng)用，研究得到了區(qū)域上地殼各向異性空間分布特征(高原等，2018)。

然而，迄今為止針對(duì)中國大陸西北部的地殼各向異性研究相對(duì)較少。在天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)SKS波分裂和P波接收函數(shù)的聯(lián)合觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)天山地區(qū)存在地殼各向異性且各向異性程度不低(Vinnik et al，2007)，該研究顯示，深入研究天山地區(qū)地殼各向異性特征需要更多的數(shù)據(jù)和適當(dāng)?shù)姆治黾夹g(shù)。利用地殼剪切波分裂技術(shù)對(duì)新疆2005年烏什6.3級(jí)地震前后的S波分裂特征進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明，烏什地震的震區(qū)最大主壓應(yīng)力方向?yàn)榻麼S向，與新疆區(qū)域應(yīng)力場分布特征基本一致(高歌等，2006)。針對(duì)伽師強(qiáng)震群的S波分裂研究表明，塔里木盆地一側(cè)由南向北至北部邊緣的褶皺變形帶內(nèi)，主壓應(yīng)力方向由NS方向變?yōu)榻麰W方向，與斷裂帶的走向近乎一致(賴院根等，2002)。

鮑子文等(2017)對(duì)整個(gè)天山構(gòu)造帶地殼剪切波分裂特征的區(qū)域性分布進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，該研究使用2009～2014年共6年的地震波記錄，采用近場地震資料的剪切波分裂分析方法，證實(shí)了天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)的地殼各向異性有強(qiáng)烈的區(qū)域分區(qū)性，并與應(yīng)力、斷裂及變形等區(qū)域構(gòu)造呈現(xiàn)密切的關(guān)聯(lián)性(圖2)，從而支持了在華北地區(qū)得到的地殼剪切波分裂特征與應(yīng)力、斷裂和構(gòu)造相關(guān)的結(jié)論(Gao et al，2011)。鑒于各向異性特征對(duì)進(jìn)一步了解區(qū)域地殼和地幔的深部動(dòng)力模式、揭示地殼介質(zhì)和地表構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)含義有重要啟示，而對(duì)該區(qū)域深部構(gòu)造及物質(zhì)變形等問題的科學(xué)認(rèn)識(shí)還非常不足，天山構(gòu)造帶地殼各向異性特征仍需要更多、更細(xì)致的深入研究。

圖 2 天山構(gòu)造帶地殼各向異性特征(據(jù)鮑子文等，2017)周圍圓圈為快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰圖，藍(lán)色虛線為分區(qū)線。A區(qū)主要為天山與準(zhǔn)噶爾盆地交匯區(qū)，其中白色虛線是A區(qū)內(nèi)再劃分的子區(qū)域AW、AM和AE，分別代表北天山山前斷裂西段、北天山山前斷裂中段的斷展褶皺系和博格達(dá)推覆構(gòu)造轉(zhuǎn)換部位和北天山最東段區(qū)域；B區(qū)為西天山；C區(qū)為南天山山前斷裂帶及鄰區(qū)

1.2 上地幔地震各向異性特征

相關(guān)研究認(rèn)為上地幔介質(zhì)各向異性是由應(yīng)力以及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致橄欖巖中晶格的優(yōu)勢(shì)取向所引起的(Hess，1964；鄭斯華等，1994)，其強(qiáng)度和方向在很大程度上與區(qū)域板塊運(yùn)動(dòng)的速度和方向有關(guān)，因而地震各向異性對(duì)巖石圈及軟流圈的動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究有重要意義。

已有的上地幔各向異主要研究結(jié)果認(rèn)為，天山構(gòu)造帶及鄰近區(qū)域大部分地區(qū)的快波(SKS波、Pn波等)偏振方向和天山造山帶走向近似平行，并且垂直于印度板塊和歐亞板塊之間的運(yùn)動(dòng)方向(Wolfe et al，1998;Chen et al，2005;Roecker，2001；Li et al，2006、2010；Vinnik et al，2007；李志偉等，2007；江麗君等，2010；Huang et al，2011；周智剛等，2014；雷建設(shè)等，2015)。在總體快波偏振方向和構(gòu)造帶走向平行的大背景下，存在局部地區(qū)各向異性復(fù)雜分布的特殊性。

圖 3 天山構(gòu)造帶上地幔各向異性結(jié)果分布

總體而言，天山構(gòu)造帶上地幔各向異性整體呈現(xiàn)出平行于構(gòu)造帶走向的特征，在與哈薩克地臺(tái)、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地的交匯區(qū)，由于受到SN向的擠壓作用，呈現(xiàn)局部的快波偏振方向的偏轉(zhuǎn)和各向異性層厚度變薄的特點(diǎn)。這種SN向的作用，在地殼各向異性研究中也得到了相應(yīng)的支持，與準(zhǔn)噶爾盆地交匯區(qū)(86°～88°E)的快波偏振方向呈現(xiàn)近NS向和NE向的分布，與塔里木盆地交匯處的快波偏振方向出現(xiàn)NS向的分布(鮑子文等，2017)。此外，在伊塞克湖附近，上地幔各向異性特征呈現(xiàn)出快波偏振方向和各向異性強(qiáng)度變化強(qiáng)烈的現(xiàn)象，其快波方向發(fā)生變化的具體原因尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

1.3 天山構(gòu)造帶各向異性分層現(xiàn)象

由于震相性質(zhì)、數(shù)據(jù)分布和計(jì)算技術(shù)的約束，通常情況下用單層水平各向異性模型來解釋剪切波分裂的結(jié)果，但是在天山構(gòu)造帶，各向異性的多層模式也被證實(shí)是存在的。1994年，在圣安德烈亞斯斷層附近的幾個(gè)臺(tái)站的研究發(fā)現(xiàn)了雙層各向異性的現(xiàn)象(Silver et al，1994)。中國大陸的XKS(即SKS、PKS和SKKS，下同)震相分裂研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原內(nèi)部的拉薩地塊存在明顯的雙層各向異性特征，其成因被解釋為上地幔物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與地殼塊體運(yùn)動(dòng)的不同(Gao et al，2009)。這種雙層各向異性現(xiàn)象，在云南地區(qū)的昆明臺(tái)站SKS分裂分析中也有相關(guān)的研究報(bào)道(盛敏漢等，2015)。

在天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)范圍內(nèi)，基于遠(yuǎn)震S波波形的方位各向異性的反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)，WUS臺(tái)(41.2°N，79.2°E)下方介質(zhì)具有雙層各向異性特點(diǎn)，下層各向異性方向?yàn)镹60°E，基本平行于天山構(gòu)造帶走向，上層各向異性方向則為N110°E(Farra et al，1999)。利用Geoscope臺(tái)網(wǎng)的SKS、SKKS和PKS遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)進(jìn)行天山地區(qū)剪切波分裂分析研究時(shí)，在WUS臺(tái)后方位角N20°E的范圍內(nèi)少數(shù)事件的時(shí)間延遲(1.2～1.6s)，相較于N100°E范圍內(nèi)大多數(shù)的事件時(shí)間延遲(0.4～1.0s)顯示出更大的特征，但是該研究并沒有擬合出合適的雙層模型(Barruol et al，1991)。Li等(2010)指出，WUS臺(tái)地震記錄的遠(yuǎn)震事件具有快波偏振方向和慢波時(shí)間延遲隨方位角變換而規(guī)律變化的特點(diǎn)，并擬合出雙層各向異性模型，上層的快波方向?yàn)镹E/NEE(N60°E～N80°E)，基本平行于天山造山帶，可能是由于天山造山帶受到持續(xù)不斷的SN向擠壓縮短作用；下層的快波方向(N85°E～N105°E)可能與軟流圈橄欖巖晶體的LPO(晶格優(yōu)勢(shì)方向)和現(xiàn)今歐亞大陸的絕對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)有關(guān)。Vinnik等(2007)利用P波接收函數(shù)和SKS聯(lián)合反演3個(gè)臺(tái)網(wǎng)(IRIS/GSN、Geoscope、KNET)的10個(gè)臺(tái)站，發(fā)現(xiàn)伊塞克湖西側(cè)區(qū)域AAK(42.6°N，74.5°E)等臺(tái)站附近下方具有雙層各向異性特征，指出由于地殼現(xiàn)今的俯沖和物質(zhì)變形的共同作用，上層各向異性快波偏振近NNW，下層由于軟流圈各向異性方向呈近NE向，并利用10個(gè)地震臺(tái)站資料，發(fā)現(xiàn)天山下方的各向異性結(jié)構(gòu)與深度有關(guān)，淺層地幔巖石圈(深度小于100km)快波偏振方向在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)橫向變化，各向異性強(qiáng)度相對(duì)較弱；在較深的軟流圈快波偏振方向和構(gòu)造帶走向平行，各向異性強(qiáng)度相對(duì)更強(qiáng)。江麗君等(2010)利用S波分裂同樣發(fā)現(xiàn)天山構(gòu)造帶伊塞克湖西側(cè)AAK臺(tái)(42.6°N，74.5°E)等附近臺(tái)站區(qū)域，KBK臺(tái)，也表現(xiàn)出2個(gè)明顯不同的快波各向異性方向，但是由于可用于S波偏振分析的遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)分布不均勻，無法進(jìn)一步討論雙層各向異性存在的方式。Cherie等(2016)利用更多震相資料，對(duì)XKS震相進(jìn)行剪切波分裂研究，也同樣證明伊塞克湖附近存在雙層各向異性，但其指出上層平行于構(gòu)造帶走向(N 50°E～N 90°E)的各向異性是由于巖石圈的縮短，下層(N45°E～N85°E)則與塔里木巖石圈俯沖區(qū)域和哈薩克斯坦巖石圈根部之間軟流圈物質(zhì)的WNW向運(yùn)動(dòng)相關(guān)。上述研究展現(xiàn)出天山構(gòu)造帶下方巖石圈，即軟流圈，各向異性空間分布和深度分布的復(fù)雜形態(tài)。

2 天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)動(dòng)力學(xué)機(jī)制

Silver曾提出2種殼幔變形運(yùn)動(dòng)模型：殼幔強(qiáng)烈耦合的垂直連貫變形模型和源于板塊運(yùn)動(dòng)的簡單軟流圈流動(dòng)模型(Silver，1996)。前者預(yù)示板塊強(qiáng)烈地耦合于地幔，并受地幔中密度不均勻產(chǎn)生的流動(dòng)場驅(qū)動(dòng)；后者則預(yù)示板塊自驅(qū)動(dòng)，并由力學(xué)上軟弱的軟流圈與地幔有效解耦，地幔變形歸因于軟流圈頂部和底部的差異速度(常利軍等，2009)。在研究分析深部變形機(jī)制等問題上，各向異性研究能夠提供有效證據(jù)。

上地幔的各向異性一般用橄欖石的晶格優(yōu)勢(shì)方位(LPO)來解釋(Zhang et al，1995)，能夠根據(jù)時(shí)間延遲估計(jì)各向異性層的厚度(鄭斯華等，1994)，而且板塊運(yùn)動(dòng)的速度和方向在很大程度上決定了上地幔各向異性的強(qiáng)度和方向(蘇偉等，2008)。利用整體波形成像技術(shù)模擬全球地幔的徑向各向異性時(shí)發(fā)現(xiàn)，地幔頂部的S波各向異性特征大于地幔底部的D″層(Panning et al，2004)。地震波在穿過地幔底部(D″層)時(shí)表現(xiàn)出的地震波速度隨著方位角而變化的各向異性特征，可以通過對(duì)ScS震相的分裂參數(shù)經(jīng)SKS震相和S震相矯正得到(Nowacki et al，2012)。殼幔之間的耦合分析認(rèn)為，首先必須確定地幔各向異性是來自巖石圈變形還是來自軟流圈的流動(dòng)，若S波分裂結(jié)果的快波偏振方向與地表變形場的最大剪切方向平行，則認(rèn)為巖石圈的變形連貫(王椿鏞等，2006)。Moergan等(1971)首次正式提出地幔柱假說，認(rèn)為地表熱點(diǎn)是地球內(nèi)部存在的起源于地球核幔邊界緩慢上升的細(xì)長柱狀熱物質(zhì)流(即地幔柱)在地表的表現(xiàn)形式，并進(jìn)一步推測(cè)地幔柱是由地幔對(duì)流體系中上升流構(gòu)成的。方位各向異性對(duì)地幔物質(zhì)的流動(dòng)較為敏感，如果深部存在地幔柱或小尺度地幔流等現(xiàn)象，則S波分裂結(jié)果(快波偏正方向和時(shí)間延遲)會(huì)出現(xiàn)與之相對(duì)應(yīng)的空間變化。通過剪切波分裂分析獲取的地幔各向異性結(jié)果若和區(qū)域的板塊的運(yùn)動(dòng)方向具有一定的夾角，則表明該區(qū)域可能存在復(fù)雜的地幔流動(dòng)格局(Russo et al，1994、1996;Smith et al，2001)。地震各向異性與板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像存在一定相關(guān)性，板塊絕對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制著板塊邊界的地震各向異性和應(yīng)力場特征，由于俯沖過程的影響，一定程度上控制著地震各向異性和應(yīng)力場特征，但均很難從單一的板塊運(yùn)動(dòng)方面來解釋地震各向異性和應(yīng)力場特征(韓鵬等，2014)。

作為全球陸內(nèi)主要的構(gòu)造變形(DeMets et al，1990;Sobel et al，1997)，天山構(gòu)造帶相對(duì)于南部的塔里木盆地和北部的準(zhǔn)噶爾盆地較軟且相對(duì)活躍，晚新生代以來天山構(gòu)造帶南北兩側(cè)塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地的擠壓楔入也對(duì)天山的復(fù)活運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了影響(馮強(qiáng)強(qiáng)等，2012；高銳等，2002；趙俊猛，2001；盧德源等，2005；周銘等，2014)。天山構(gòu)造帶復(fù)雜的地殼和上地幔各向異性與區(qū)域的動(dòng)力學(xué)機(jī)制關(guān)系密切。多年來，研究人員對(duì)天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)不同區(qū)域、不同深淺的地震各向異性特征進(jìn)行了研究，獲得諸多關(guān)于動(dòng)力學(xué)機(jī)制的證據(jù)(Chen et al，2005；Wolfe et al，1998；Roecker et al，2001；Vinnik et al，2004、2007；劉潔等，2006；江麗君等，2010；Li et al，2006；Omuralieva et al，2009；Cherie et al，2016)。

天山造山帶的上地幔方位各向異性特征具有一定的代表性，SKS和SKKS波分裂的快波偏振方向總體上近EW向，基本平行于天山造山帶的走向，垂直于印度板塊和歐亞板塊之間的運(yùn)動(dòng)方向，揭示塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地的SN向擠壓不僅涉及到地殼而且影響到上地幔，在板塊相互作用中有相當(dāng)厚的上地幔卷入了碰撞變形(Chen et al，2005；Vinnik et al，2002；Li et al，2006)。利用地震層析成像方法重建天山上地幔和地殼的P波速度結(jié)構(gòu)，認(rèn)為新近紀(jì)以來青藏高原快速隆升的遠(yuǎn)程效應(yīng)通過塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地上地幔(150～400km)對(duì)天山構(gòu)造帶的造山運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響(郭飚等，2006)。SKS波分裂研究認(rèn)為，天山造山帶84°E以東這種與造山帶平行的各向異性是因?yàn)樘焐较路降牡蒯Ｗ冃闻c上覆的地殼縮短直接耦合，即巖石圈的垂直連續(xù)變形機(jī)制(Silver，1996；Chen et al，2005)。XKS的剪切波分裂研究結(jié)果同樣也認(rèn)為，平行于構(gòu)造帶的各向異性是巖石圈垂直連貫變形所導(dǎo)致(Cherie et al，2016)。針對(duì)天山構(gòu)造帶地殼各向異性的研究，結(jié)合前人地幔各向異性研究，認(rèn)為天山構(gòu)造帶的動(dòng)力學(xué)機(jī)制更偏向于垂直連貫變形模式(鮑子文等，2017)。

基于剪切波分裂方法發(fā)現(xiàn)在天山內(nèi)部75°E伊塞克湖區(qū)域下方地震各向異性的強(qiáng)度和快波方向分布均具有明顯的橫向變化，為天山上地幔存在地幔柱的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了證據(jù)(Makeyeva et al，1992)。地殼接收函數(shù)(Kosarev et al，1993)、由P波接收函數(shù)(Tian et al，2010)、P波和S波接收函數(shù)聯(lián)合反演(Vinnik et al，2004)以及層析成像(胥頤等，2000；Lei et al，2007、2010)等方法的研究結(jié)果，均對(duì)天山造山帶地幔柱動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了支持。地殼接收函數(shù)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該區(qū)域(伊塞克湖附近)的巖石圈已經(jīng)拆層，且認(rèn)為下方莫霍面的不連續(xù)性是地幔巖漿和下地殼相互滲透的證據(jù)(Kosarev et al，1993)。S波接收函數(shù)的方法研究也表明，伊塞克湖東北部邊緣和費(fèi)爾干納斷裂(圖2)之間的區(qū)域下方存在規(guī)模不大的地幔柱，但整個(gè)天山構(gòu)造帶隆升的主要原因是地殼的縮短(Vinnik et al，2004)。P波接收函數(shù)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)在伊塞克湖西北部，410km的不連續(xù)面相對(duì)較深而660km的不連續(xù)面較淺，較薄的地幔轉(zhuǎn)換帶一般代表存在較高的溫度，揭示了由下地幔上涌的小范圍上升流(Tian et al，2010)。遠(yuǎn)震P波層析成像研究認(rèn)為，塔里木盆地、哈薩克地盾(Kazakh Shield)的俯沖作用和熱異常的上升流在天山的造山運(yùn)動(dòng)中起重要作用(Lei et al，2007)。采用地震背景噪音成像技術(shù)反演地殼剪切波速度結(jié)構(gòu)的研究也同樣認(rèn)為，雙向俯沖的塔里木地塊和哈薩克地臺(tái)以及上地幔熱流上涌共同為天山造山帶的活化提供了主要?jiǎng)恿?郭志等，2010)，這種地幔熱物質(zhì)有可能在板塊碰撞中沿構(gòu)造邊界上升到造山帶的底部(胥頤等，2000)。根據(jù)vP和vS在費(fèi)爾干納斷裂的地震波速度異常特征，認(rèn)為斷裂為來自于地幔的濕熱物質(zhì)上升流提供了通道(Lei et al，2011)。

諸多研究支持天山大幅度隆升的構(gòu)造變形格局在一定程度上取決于區(qū)域內(nèi)的地幔小尺度對(duì)流這一動(dòng)力學(xué)機(jī)制(Kosarev et al，1993;Wolfe et al，1998;Curtis et al，1997;Roecker，2001;郭飚等，2006；劉潔等，2006；江麗君等，2010；Omuralieva et al，2009;)。75°E以西的天山地區(qū)地震各向異性的橫向變化能夠用小尺度的地幔對(duì)流解釋(劉潔等，2006)。伊塞克湖附近臺(tái)站的SKS和SKKS波的各向異性強(qiáng)度和快波方向橫向變化強(qiáng)烈，呈現(xiàn)NNW向，快慢波延遲約1s，可能與小規(guī)模或區(qū)域尺度的地幔對(duì)流相關(guān)(江麗君等，2010)。地震層析成像結(jié)果指出，天山造山帶上地幔普遍存在的低速異常有助于其上地幔的變形，強(qiáng)烈非均勻性變形有助于推動(dòng)天山造山帶上地幔小尺度地幔對(duì)流的形成，且相對(duì)較軟的上地幔為加速天山造山帶的變形和隆升創(chuàng)造了必要條件(郭飚等，2006)。以上研究表明，伊塞克湖附近存在區(qū)別于整個(gè)天山構(gòu)造帶的特殊動(dòng)力學(xué)特征，但具體的原因仍有待進(jìn)一步研究。

在對(duì)天山動(dòng)力學(xué)機(jī)制的不斷探索中，動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建一直是研究的焦點(diǎn)。前人利用地震層析成像(胥頤等，2001)、人工地震探測(cè)(高銳等，2002)、小波分析(趙俊猛等，2001)等方法，對(duì)天山構(gòu)造帶與塔里木盆地準(zhǔn)噶爾盆地之間的相互作用關(guān)系不斷研究探索，相繼提出了“層間插入消減”、“巖石圈拆沉”、“板內(nèi)相向俯沖”等動(dòng)力學(xué)模型。

利用小波分析對(duì)天山造山帶與準(zhǔn)噶爾盆地殼幔過渡帶的反射波進(jìn)行處理后，提出了“層間插入消減”動(dòng)力學(xué)模型，天山造山帶相對(duì)于兩大盆地相對(duì)較軟，地震波速度較低、密度低、電阻率變化大、熱流值高，是地殼縮短的主要發(fā)生區(qū)域，受到印度板塊與西伯利亞板塊斂合作用的遠(yuǎn)程影響，塔里木盆地在庫爾勒斷裂附近向天山地殼與上地幔層間插入與俯沖消減(趙俊猛等，2001、2006)。這種層間插入不僅發(fā)生在地殼，也包括了上地幔巖石(胥頤等，2001)。地殼各向異性研究中的快波偏振方向在塔里木盆地和天山構(gòu)造帶結(jié)合處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并認(rèn)為兩大盆地對(duì)構(gòu)造帶具有擠壓作用，對(duì)以上模型有一定的支持(鮑子文等，2017)。地震探測(cè)方法揭示出天山與塔里木盆地、天山與準(zhǔn)噶爾盆地之間的巖石圈尺度盆山耦合關(guān)系，同樣證明塔里木盆地與準(zhǔn)噶爾盆地兩大高速巖層插入軟流圈地幔(高銳等，2002)。巖石圈拆沉是指部分巖石圈由于重力不穩(wěn)定性而沉入軟流圈的過程(王洪亮等，2011)。層析成像結(jié)果指出在吉爾吉斯斯坦天山上地幔頂部發(fā)現(xiàn)低速特性，推測(cè)與深部熱物質(zhì)的不斷侵入有關(guān)，曾有學(xué)者提出吉爾吉斯天山區(qū)域存在地幔上涌的假設(shè)(Vinnik et al，1984)，剪切波分裂研究也認(rèn)為天山的大幅度抬升和小尺度地幔對(duì)流有關(guān)(Makeyeva et al，1992)，與中國大陸西北造山帶的形成演化具有密切聯(lián)系(胥頤等，2000)。研究地震成像剖面發(fā)現(xiàn)天山造山帶巖石層復(fù)雜，巖石層的厚度和構(gòu)造形態(tài)變化均勻，地塊拼合、巖石層拆沉和層間插入、陸塊俯沖在該地區(qū)均有體現(xiàn)(胥頤等，2001)?！扒度搿?、“拆離”、“下沉”和“俯沖”等深部耦合模式也存在于天山毗連的區(qū)域(Xu et al，2002)。有研究根據(jù)塔里木盆地北緣的多項(xiàng)地學(xué)資料提出，塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地的巖石層地幔在天山巖石圈之下碰撞形成拆沉擠壓型盆山耦合機(jī)制的模型，在巖石層俯沖的過程中形成了再生天山山脈(盧華復(fù)等，2005)。

3 結(jié)論

天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)的地震各向異性研究為深入了解區(qū)域深部構(gòu)造提供了途徑，并為動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究提供了支持?？傮w上，天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)地殼和上地幔各向異性呈現(xiàn)出快波偏振方向和構(gòu)造帶走向平行的特點(diǎn)，但是局部區(qū)域各向異性呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜性，如伊塞克湖附近的各向異性快波方向變化復(fù)雜，局部(WUS臺(tái)下方介質(zhì)、伊塞克湖附近)存在特殊的雙層各向異性現(xiàn)象和動(dòng)力學(xué)機(jī)制，塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地?cái)D壓區(qū)域的快波偏振方向發(fā)生略微偏轉(zhuǎn)等。垂直連貫變形、地幔柱、軟流圈變形、小尺度地幔對(duì)流等動(dòng)力學(xué)機(jī)制均被用來解釋天山構(gòu)造帶的背景。

天山構(gòu)造帶的上地殼各向異性分布顯示，天山地區(qū)的地殼各向異性呈現(xiàn)區(qū)域性分布特點(diǎn)，受到構(gòu)造帶和斷裂走向以及區(qū)域應(yīng)力的影響，在受盆地?cái)D壓造成山前地表構(gòu)造變形最強(qiáng)的區(qū)域，快波偏振方向與主壓應(yīng)力有很好的一致性(圖3)，地震各向異性特征呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力擠壓現(xiàn)象。目前針對(duì)天山構(gòu)造帶的地殼各向異性整體區(qū)域性分布，只有剪切波分裂得到的上地殼各向異性結(jié)果，地殼各向異性與巖石圈及軟流圈各向異性空間分布與深度分布及其揭示的動(dòng)力學(xué)機(jī)制細(xì)節(jié)，仍需要更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)用于更深入的探討。

根據(jù)天山構(gòu)造帶及鄰區(qū)的上地幔各向異性研究，表明地震各向異性具有顯著的復(fù)雜的區(qū)域性和局部性分布的特點(diǎn)，雖然多個(gè)研究推測(cè)出存在區(qū)域性的雙層各向異性，但對(duì)于導(dǎo)致這種現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)原因尚在爭論和探討之中。