地震学报  2011, Vol. 33 Issue (3): 327-341
天山—准噶尔地区地震层析成像与壳幔结构
钱辉1 , 姜枚1, 肖文交2, 赵大鹏3, 王煜4, 张立树1, 赵磊1    
1. 中国地质科学院地质研究所 国土资源部大陆动力学重点实验室, 100037;
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 100029;
3. Department of Geophysics Tohoku University, Sendai, 980-8578;
4. 新疆自然资源与生态环境研究中心, 乌鲁木齐, 830011
摘要:通过对东西天山两条天然地震剖面的远震P波与近震P波走时资料以及2001—2007年新疆地方台网的近震走时资料分析,获得了天山—准噶尔地区的三维地震层析图像.层析反演使用的台站数140个,地震事件1132个,P波走时数24904条.检测板试验结果指出,东西天山剖面、天山轴部和东准噶尔地区P波速度扰动恢复能力相对高.纵波波速反演扰动结果能明确区分天山内部的高速体和两侧盆地的低速体,同时也可以分辨天山内部的山间盆地及深部的低速体.而且发现东西天山地壳上地幔结构存在较大差异.西天山地壳内部呈现南北向中间拼贴的构造样式,而东天山则主要表现为天山与准噶尔盆地强烈的耦合作用;地幔深度两个区域都出现的中天山低速体,在西天山表现为上涌,而在东天山则卷入俯冲过程.天山准噶尔接触带的两个切片表现为西陡东缓,这可能是由于西部帕米尔阻挡造成天山地区中部活化断裂存在走滑分量,使塔里木盆地地壳与地幔内的高低速体分布倾向或倾角不一致.阿尔泰地区地幔深度发现大规模高速体分布,可能与地幔中基性岩浆上升侵入有关,地壳浅部再分异混染成矿.
关键词远近震联合成像     天山     准噶尔盆地     壳幔结构     中亚造山带    
Seismic tomography of Tianshan-Junggar region and its lithospheric structure
Qian Hui1 , Jiang Mei1, Xiao Wenjiao2, Zhao Dapeng3, Wang Yu4, Zhang Lishu1, Zhao Lei1    
1. Key Laboratory for Continental Dynamics of the Ministry of Land and Resources of China,Institute of Geology,Chinese Academy of Geological Sciences, 100037;
2. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences, 100029;
3. Department of Geophysics Tohoku University, Sendai, 980-8578;
4. Center for Resources and Environmental Sciences, Urumqi, 830011
Abstract: Based on 24904 P-wave arrival time data from 1132 events recorded at 140 stations in two seismic profiles across Tianshan mountain and in Xinjiang regional seismic network,tomographic images of P-wave velocity are achieved beneath Tianshan-Junggar region by travel time inversion.Result of checkboard tests indicates that the reliability of velocity perturbation recovering is relatively high for the region beneath the two profiles themselves,along Tianshan and eastern Junggar.The inversion result of P-wave velocity perturbations clearly tells the boundary between the high velocity zone in Tianshan terrane and low velocity zone in the basins on both sides of Tianshan.Moreover,the result also reveals the low velocity beneath inner-Tianshan basin and in the upper mantle.On the tomographic image we can see distinguished difference between eastern and western Tianshan.In the crust beneath western Tianshan a typical structure of knocking together from both northern and southern part towards central can be found,while beneath eastern Tianshan the structure shows strong coupling between Tianshan mountain and Junggar basin.Nevertheless at the depth in top mantle both areas display a low velocity zone named as Central Tianshan LVZ,behaving as medium upgoing flow in the west and as block subducting in the east.At the depth of upper mantle in Altai area there is a large size high velocity zone,which may be attributed to the intruding of intermediate-basaltic magma.The magmatic differentiation in shallow crust may form hybrid deposits.
Key words: joint local seismic and teleseimic tomography     Tianshan mountain     Junggar basin     crustlithosperic structure     Central Asia Orogeny    
引言

中亚造山带是横亘亚洲大陆中部的巨型构造带,西部哈萨克斯坦境内,中部天山准噶尔地区和东部的蒙古大兴安岭一带均有着丰富的矿产资源. 准噶尔盆地也是中国西部重要的石油天然气勘探目标区,使中亚造山带构造的基本特征和成矿作用成为目前研究的热点(陈炳蔚,陈庭愚,2007). 天山—准噶尔地区位于新疆的中东部,是中亚造山带的重要组成部分,构造单元处于塔里木板块与哈萨克斯坦板块以及阿尔泰—蒙古地块的交汇处. 新生代以来由于受印度-喜马拉雅碰撞的影响,西侧帕米尔高原的推挤,北部的西伯利亚板块和东部的华北板块的阻挡,中东部天山地区在250—300 km(李杰等,2006)的狭窄范围内发育了相对高差3 000 m的高山和低于海平面的吐哈盆地,地壳缩短增厚作用十分明显(Yang et al,2008). 相比较而言,青藏高原的造山属于大面积地壳增厚的隆升过程(王琪等,2001),高原内部的高差除了在靠近印度-尼泊尔的碰撞边界地区外并不十分明显,其内部构造单元的范围相对也比较宽,说明天山与青藏高原的隆升机制上应该存在较大的差异.

天山准噶尔地区在垂直构造走向上差异比较明显,晚古生代中天山古老地块两侧先后增生拼贴形成了南天山和北天山,二叠纪以后共同进入造山带夷平阶段. 准噶尔盆地基岩出露较少,盆地北侧广泛发育碰撞花岗岩类、 基性-超基性杂岩和火山岩. 其基底性质存在较大争论,其岩浆的来源根据同位素分析认为主要来源于地幔(韩宝福等,1999). 盆地东南侧和西侧沉积相对较厚,与北天山的中新生代构造一起控制油气藏的运移和圈闭(吴庆福,1986). 准噶尔北部与阿尔泰和西伯利亚板块的关系也比较复杂,存在3个主要的蛇绿岩带,代表了西伯利亚板块向南部逐渐增生的过程(唐红松,王正云,1998). 该地区大量的火山活动与沉积建造的相互作用形成了中亚成矿域中重要的成矿带. 而且天山地区作为古生代的陆缘增生造山夷平后在新生代的再活化造山带(李锦轶等,2006),古生代末塔里木板块的旋转拼贴作用(Van der Voo et al,2006)使天山东部和西部活化前的构造就有了比较大的差异,造山后前陆挤压和伸展断陷以及新生代以来的陆内俯冲等作用(舒良树等,2004)在各个地区的不均衡性叠加在古生代构造之上,使天山准噶尔地区成为地表活动构造研究的试验场.

同时天山地区是中国西部重要的地震带,震源多位于高速和低速不均匀层明显交替的地带. 地幔深部物质的活动与分异是地壳活动、 岩石形成和矿床富集的潜在驱动力,而且由于存在粘弹性或流体活动,比地表物质分布更均一,能记录地质年代发生事件的物质变化和作用过程的痕迹. 这个地区的天然地震探测工作从上世纪80年代中法合作开始就一直延续至今. 早期如中法合作库车—克拉玛依探测剖面(魏素花等,2000)观测时间较短; 近年来为了取得海量观测数据,一般都进行跨年度的长期观测,例如2002—2003年天山和塔里木盆山接合部的地震探测(米宁等,2005),库尔勒—富蕴天然地震探测(李海鸥等,2006),2003—2004年横跨天山的宽频带流动地震台阵观测(李昱等,2007). 但限于层析成像方法和数据精度等因素,处理时没有利用天山地壳发生的大量地方震资料,对于三维层析成像不利,浅部分辨率也不高. 这个地区的人工地震深反射与折反射等地学断面工作也开展过多次,如阿尔泰—龙门山(王有学等,2005),泉水沟—独山子(李秋生等,2001),沙雅—布尔津,库尔勒—吉木萨尔(赵俊猛等,2004)等,针对该地区的浅部地壳结构取得了丰富的认识,但对于壳幔相互作用等重要问题没有深入探讨.

地震层析成像方法是近年来发展较快的地球速度结构成像方法. 上世纪80年代多采用分块参数化速度结构的ACH方法(Aki,Lee,1976). 其射线追踪路径比较粗略,只能对远震走时残差进行反演. 90年代开始多采用节点参数化,引入间断面并对近震震相进行射线追踪,把地方震震源位置参数作为未知量同时参与反演(Zhao et al,1992). 近年来又发展了同时利用波形和走时反演成像的方法(Husen,Kissling,2001),不规则自适应网格参数化方法(裴正林,余钦范,2001),界面自动参数化和快速绝对稳定的FMM射线追踪方法(Rawlinson et al,2006),主动震源与被动震源多震相联合层析成像法(Rawlinson,Urvoy,2006). 这些方法为地壳上地幔多尺度高精度速度成像的应用提供了广阔的前景. 应用层析成像方法对该地区地壳上地幔速度结构成像的成果也很多. 例如,利用地方台网提供的走时数据获取的1.5°分辨率的结果从大尺度上识别了中国西部各主要块体的边界和壳幔边界(胥颐等,2000); 综合库车—克拉玛依剖面的ACH层析成像结果认为,西天山继承了古生代的洋壳俯冲,现阶段仍处于陆内俯冲阶段(Poupinet et al,2002); 利用库车—奎屯剖面和地方台网资料获取的0.5°分辨率的结果(郭飚等,2006)认为,中天山存在强烈的地幔物质上涌. 这些结果和认识为该地区深部地球物理研究工作开拓了思路,但仍需要多剖面面积性高分辨率的层析图像,以了解天山内部及天山与准噶尔和阿尔泰之间的关系. 上述结果限于工作区范围和分辨率,对于东西天山壳幔作用的主要差别也没有给出启示. 尽管这个地区集中了大量的地质与地球物理工作,但对于天山陆内俯冲地壳的深部驱动仍存在较大争议. 特别是天山中部和准噶尔地区的地幔活动,中天山地幔底部,以及准噶尔地幔物质上涌的底垫作用等均需要地球物理证据.

1 走时数据与层析方法

研究区包含了东天山和西天山东部的主要部分,南北方向地跨塔里木板块、 天山造山带、 准噶尔盆地和阿尔泰山系的东南尖灭端(图 1). 从南向北经过的主要构造单元的边界断裂有塔里木板块与南天山的分界库尔勒断裂,西侧剖面南天山与中天山的分界哈尔克套断裂带,中天山与北天山的分界尼勒克断裂. 东侧剖面南天山与吐哈盆地分界西拉木伦断裂带,吐哈盆地分界与北天山分界博格达断裂带. 北天山与准噶尔的分界准噶尔南缘断裂,西准噶尔内部的乌尔禾断裂及其北界达尔布特断裂带,东准噶尔3条蛇绿混杂岩相关的断裂带: 喀拉麦里断裂带、 托让格库都克断裂和纳尔曼得断裂,还有东准噶尔的北界额尔齐斯断裂.

图 1 研究区主要断裂构造及反演中使用台站和地方震分布图
图中绿色台站序列是1997年中法合作库车—克拉玛依天然地震剖面,右侧北东向蓝色台站是2003—2003年库尔勒—富蕴天然地震剖面,红色三角为新疆地方台站的位置; 图中的直线是台站相对密集的测线,标注了测线名称和方位角; 彩色圆形点是发生的地方震,不同的颜色和大小代表不同的震源深度,如图下方图例所示
Fig. 1 Main fault system and the stations and local earthquake used in inversion for the target area
The green station array is the profile of Kuche- -Kelamayi deployed by Sino-France team in 1997. The blue station array with strike of NW in the right of the figure is the profile of Kuerle- -Fuyun. The red triangles represent the location of Xinjiang local stations. The straight lines in relative dense stations are the sections labeled with name and azimuth. The color dots inside are the regional earthquakes at different depths illustrated by different color and size as legended at the bottom of the figure

1997年6—11月中法合作在库车—克拉玛依公路沿线布置的60多台单分量和三分量Minitian地震记录仪器(图 1中绿色三角),采集了70 G字节的宽频地震数据. 2002—2003年中国地质科学院在库尔勒—富蕴公路沿线布置的41台三分量Hathor地震仪(图 1中蓝色三角),采集了40 G字节的宽频地震数据. 搜集北疆地区82°E—91°E,40°N—48°N范围的地方台站31个(图 1中红色倒三角),利用其记录到的388次地方震事件(图 1中彩色小圆点)对以往宽频地震数据进行检索,加上30°—80°震中距范围的远震事件744个(图 2),共拾取24 904个地震走时数据. 它们均满足层析成像要求的同一事件接收台站数大于5个的要求. 其中近震走时数据3 664个. 以上走时数据为经过筛选后的有效走时,保证远震相对走时残差小于3 s,近震与地方震走时与理论到时差小于10 s,近震射线在反演区域范围内. 利用赵大鹏(Zhao et al, 19921994)的成像方法,对该地区的速度进行节点划分. 经 度方向33个节点,纬度方向29个节点,水平方向的外层2个节点间隔0.5°,内部节点0.25°; 垂直方向共25个节点,上地壳间距5 km,下地壳间距10 km,80—200 km深度范围间距20 km,200—600 km深度范围间距50 km. 模型描述的节点数10 408个,其中射线数大于20个的节点占总节点数的80%. 根据该方法要求的3个间断面描述,分别设置了上地壳20 km处,Moho位置60 km处,以及岩石圈底界180 km处的间断面. 地壳以下的初始速度模型采用ISAP91方法计算,即初始扰动值为0; 地壳以上初始速度模型根据地方台站资料反演结果(胥颐等,1996). 不同地区给出相对于ISAP91标准模型的扰动值,作为初始扰动. 层析成像反演的方法采用赵大鹏(Zhao et al,1994)提供的层析成像方法: 模型参数化采用节点法,其它任意点的速度值由与它相邻的8个节点上的速度插值求得,利用二维网格点来表示3个速度间断面的形状; 射线追踪采用伪弯曲法,在连续速度模型中时,使用伪弯曲法计算射线路径,当遇到界面时,利用折射定律计算射线路径; 同时采用Geiger法修正发震时刻和震源位置(4个参数),反演采用阻尼最小二乘方法在模型的光滑度和走时的拟合度之间进行折衷,取得速度扰动后重新进行射线追踪迭代计算速度结构. 针对这样的节点配置和数据分布,为了了解层析成像方法在各个区域的分辨情况,需要进行棋盘格测试. 在各节点上设置正负相间的速度扰动,利用层析方法所提供的射线追踪方法模拟指定地震和台站射线分布在这种速度结构下的地震走时数据,然后计算在无速度扰动条件下的走时,二者相减获得理论走时残差. 为了模拟真实残差数据,常常在理论残差的基础上加随机噪音. 然后设定初始模型为无扰动速度模型,利用层析成像的反演方法进行反演还原正负相间扰动模型. 由于参与计算走时的射线数是有限的,因此不能将模型完全还原,但可以用还原的程度来反映在该地区的分辨情况. 还原程度可以用被还原的扰动相对于原始设置扰动的比率来表示,也可以直接用二者的对比关系来体现.

图 2 层析反演中使用的远震事件分布图
图中不同的符号及大小代表不同的震级,如图右侧图例.

全球高程数据由SRTM30_PLUS提供下载
Fig. 2 Teleseismic events used in tomographic inversion
The different size and symbols represent different earthquake magnitudes as legended on the right side. The global elevation data is achieved from SRTM30_PLUS

对反演使用的网格和数据分布进行分辨测试,得到在台站分布比较密集区域的分辨率结果(图 3). 浅部0—30 km在台站附近区域对棋盘格扰动有比较好的恢复,远离台站区域由于射线数为0,没有得到恢复; 30—60 km是分辨最好的区域,因为该层处于模型的 Moho面附近,而且地方台站以及流动台站的近震折射反射路径比较密集,大部分区域都有30%的恢复,台站附近超过50%; 浅部上地幔60—130 km 由于主要分布了远震事件的路径,地方台站纪录的远震相对较少,因此分辨区域受到了限制,但能分辨区域的分辨程度进一步提高,部分格点能恢复70%的速度扰动; 200 km以下的上地幔地区由于射线向四周的弥散分辨区域有所增加,但恢复的程度有所下降; 350 km以下由于射线逐渐向反演区域边缘扩散,几乎整个反演区域都有射线通过,但中心区域分辨程度反而不如边缘,整体分辨程度下降.

图 3 反演区域格点分布与射线分布的检测板试验
最左侧为原始施加正负相间扰动的反演区域水平层,右侧上半部分为偶数层的试验结果,分别为0,60和200 km; 右侧下半部分为奇数层的试验结果,分别为30,130和350 km
Fig. 3 Checkerboard test meshes and seismic ray densities in the study area
The leftmost are the horizontal layers added the pattern alternate with positive and negative perturbation. The upper part of right side are the checkboard test result of the layer of even number,i.e. 0,60,200 km respectively; and the lower part of right side are the layers of odd number,i.e. 30,130 and 350 km respectively
2 层析水平反演结果

对上述节点的射线分布和实际的走时数据进行反演,根据反演拟合程度和模型光滑度折衷的原则选择LSQR反演的阻尼因子为20,对近震的震源参数进行修正,进行3次迭代,同时在每次反演结果的扰动施加0.5的光滑因子,得到各水平层速度扰动反演结果(图 4)和台站密集地区的速度结构剖面(图 5,6).

图 4 天山准噶尔部分地区地壳上地幔0—500 km P波速度扰动图
为了突出低值异常,采用[-1,1]的色标,无扰动地区用接近白色表示,暖色调为低速,冷色调为高速,地壳浅部的红点为地震位置. 图中文字为主要高低速体的编号,第一字母区分高低速体,第二字母区分天山和准噶尔
Fig. 4 wave velocity perturbations in crust and upper mantle beneath partial Tianshan- -Junggar region
To emphasize on the small abnormal velocity,here adopt the color scale of [-1,1],in which the zero perturbation areas would be approximately in white. The warm color represent for low velocity and the cold for high velocity. The red dots in the crust are the locations of earthquakes. The labels in the figure note the main high/low velocity zones,in which the first letter specify whether it is high or low and the second letter distinguish Tianshan or Junggar

图 5 天山西部地区的P波速度扰动剖面图
(a)沿剖面的高程和主要断裂位置;(b)剖面速度扰动,主要的高低速体编号由图 4不同深度 追踪获得;(c)沿剖面±50 km走廊域的台站分布;(d)剖面上的检测板试验结果
Fig. 5 P wave velocity perturbation profile in western Tianshan region
(a)Location of main faults and topography along the profile;(b)velocity perturbation section, in which the marked high or low velocity zones are traced from the marks in figure 4 in different depth ranges;(c)stations in the corridor area within ±50 km range of the profile;(d)checkboard test result of the section

图 6天山东部地区的P波速度扰动剖面图
(a)沿剖面的高程和主要断裂位置;(b)剖面速度扰动,主要的高低速体编号由图4不同深度 追踪获得;(c)沿剖面±100km 走廊域的台站分布;(d)剖面上的检测板试验结果
Fig. 6 P aveve locity perturbation profile in eastern Tianshan area
(a) Location of main faults and topography along the profile;(b) Velocity perturbation section, in which the marked high or low velocity zones are traced from the marks in figure 4 in different depth ranges;(c) Stations in the corridor area with in ±100 km range of the profile;(d) Checkboard test result of the section

图 4中0—60 km的地壳范围(图 4a—c)看,比较明显的是准噶尔南缘地区的低速体Lj1将该区域划分为南北两个部分. 南侧是大多为高速体所覆盖的天山造山带,北侧是正扰动的准噶尔基底构造Hj3. 再往北靠近额尔齐斯断裂附近有明显的高速体分布,阿尔泰附近则呈现高低速相间排列的特征. 塔里木盆地与天山的接触带库尔勒断裂两侧有明显的Lt1低速体分布,而塔里木盆地内部在东侧剖面可见正低异常扰动高速体. 就天山内部而言,西侧剖面明显可见从南到北的3段高速体,分别代表南天山Ht1、 中天山Ht2和北天山Ht3; 中间则存在两个东西延展的相对低速窄条带,可能代表巴音布鲁克等山间盆地; 东侧剖面明显受库尔勒断裂低速体向北延伸的影响,部分占据了中天山和南天山的位置. 而北天山高速体Ht3的正异常的范围和扰动值相对于西侧剖面则更大一些. 由于准噶尔南缘低速体Lj1向南东方向延伸,此处的北天山高速体Ht3位于准噶尔南缘低速体Lj1的北侧.

进入地幔深度60—150 km,速度异常分布的格局基本没有大的变化(图 4d—e),如天山西部地区的3段高速体,准噶尔地区的高速分布等. 但准噶尔高速体的范围和正异常值明显增大. 准噶尔南缘的低速体占据了东侧剖面天山地区的大部分,但局部的高速异常依然保持了较大的强度. 库尔勒断裂两侧的低速体Lt1也比较明确,在天山中部向北扩展,与准噶尔南缘低速体的向南延伸几乎接触,但仍然被中天山地轴的高速体Ht2所隔断. 准噶尔南缘的低速体同时向东准噶尔Lj2扩展,构成了准东地区与准噶尔内部的分界. 准东地区东侧存在大范围的南北向分布的两段高速体,最北侧高速体Hj2位于阿尔泰地区,中部高速体Hj1位于卡拉麦里断裂附近,可能与该地区的3次俯冲带的迁移有一定的关联.

到达150—200 km深度,中天山地区逐渐出现东西方向分布的低速体Lt2,将北天山和南天山在天山中部地区隔开. 天山西部地区的高速体Ht2和Ht3仍然比较完整,天山东部地区的高速体Ht3则顺着准噶尔南缘低速体向东扩展的方向零星分布其中. 同时东准噶尔的低速体Lj2与准噶尔南缘低速体Lj1逐渐被北天山的东支高速体Ht3分隔开. 准东地区高速体Hj2的范围逐渐缩小,被东准噶尔的低速体所穿插,表明天山东部北天山与东准噶尔盆山耦合作用比较强烈,这个深度的速度图像分辨率和分辨范围都达到最佳(图 4f),应该可以代表天山准噶尔地区岩石圈构造的格局.

到达200—250 km深度(图 4g),准噶尔盆地的范围进一步缩小. 盆地南侧的低速体Lj1向盆地内部收缩,盆地东边的低速体Lj2开始向东扩散,西北部盆地核心部位仍以高速体Hj3为主,代表了哈萨克斯坦古老陆块的地幔特征. 天山东西侧剖面的差异更加明显,西侧剖面主要以3段东西向延伸的低速体为主,天山被它们分割为西侧向帕米尔高速体的连接Ht2和东侧被中天山低速体楔入形成Ht2与Ht3剪刀式分叉的高速体分布,中天山低速体Lt2范围在此深度相对缩小. 东侧剖面上呈现近东西向高低速体相间排列的特征,北天山高速体Ht3被准噶尔南缘低速体Lj1和中天山低速体Lt2夹持并向东挤出. 而此时的阿尔泰地区则以Lj2低速分布为主,与上地幔顶部高速Hj2形成明显差异.

300—350 km深度(图 4h—i)东西向中天山低速体Lj2已经向北位移到准噶尔南缘的位置,原来位置由被高速体所占据. 应该属于与西天山帕米尔高速体相关联的Ht2天山高速体,原准噶尔南缘低速体Lj1向北迁移到盆地中部,而这之间是隐约可以连接的东西向北天山高速体Ht3. 准噶尔盆地在这个深度基本上消失,仅在盆地东北角仍维持Hj3高速体的分布. 塔里木地区主要表现为向南天山高速体放射状聚拢的放射状低速体,吐哈盆地和北山地区则可见Ht4高速体的分布.

400 km深度以下(图 4j—l)仍可见东西向分布Ht2天山高速体位于天山核部地区,而北天山高速体Ht3则占据了准噶尔盆地的大部分,中天山低速体Lt2呈弥散状南北向穿插分段东西向的南北天山高速体,准噶尔南缘低速体Lt1现在基本位于盆地北侧,塔里木地区南西方向的射线逐渐减少,分辨率有所降低.

3 垂直切片剖面综合解释

按照图 1的3条剖面垂直切割三维扰动数据体,包括WestTian25,EastTian25及South Junggar275剖面,其中的数字表示剖面的方位. 对于西侧剖面(图 5),60 km地壳深度速度结构为两低夹三高的格局. 南侧低速体Lt1与库尔勒断裂相关,明显向北俯冲,倾角较大; 北侧低速体Lj1为准噶尔南缘断裂; 中间为南天山Ht1、 中天山Ht2和北天山Ht3高速体. 它们的分界分别与哈尔克套断裂和尼勒克断裂相关,南天山与中天山之间的巴音布鲁克盆地比中天山与北天山的山间盆地规模略大一些. 100—300 km深度的上地幔,南天山地体没有向下延伸,而在中天山的下方出现了中天山低速体Lt2. 它将中天山和北天山隔开近100 km,其底部约在300 km与塔里木的边界Lt1隐约相连. 剖面北侧准噶尔盆地分辨率较低,大致可见盆地基地高速体Hj3的延伸. 在200—300 km深度Lt1,Lt2和Lj1等低速体相互连贯,将高速体切断. 300—400 km深度主要存在两个高速体Ht2和Ht3,相对于它们在岩石圈内的位置均向北侧移动,界线也不十分明晰.

东侧剖面构造在深浅构造的连续性上明显与西侧剖面不同(图 6). 地壳部分南天山地体没有出现,中天山存在的范围也很小,或者说与北天山已经合并成一个规模较大的高速体Ht3,呈现两低夹两高的格局. 但Lt1和Lj1向北的倾角明显比西侧剖面小,宽度也略小. 可以提出这样的地表断裂对应关系,乌洽断裂向北小角度与库尔勒断裂在Moho位置汇合为Lt1,西拉木伦断裂向北小角度与准噶尔断裂在120 km左右汇合为Lj1. 额尔齐斯断裂北侧出现低速体Lj2,在其深部有明显的高速体Hj2支撑. 在其南侧浅部向盆地内部发展,这可能与阿尔泰西伯利亚板块与准噶尔哈萨克斯坦板块在东侧的拼接相关,并向 盆地内部发生了俯冲带的迁移. Hj2高速体深度仅达200 km,但规模和强度却非常大. 可能是古老玄武质岩浆侵入形成,上部小规模低速体为岩浆进一步分异上升为花岗质岩浆侵入形成,相对于周围的基性侵入体高速背景,其波速略显低,规模较小,但它们的分异过程和侵入混染过程与阿尔泰地区大型矿床的成因密切相关. 天山地区100—300 km的上地幔仍然出现了中天山低速体Lt2. 准噶尔内部可见Hj3基底高速体的向下延伸,浅部在100 km处与Lt1相连接,200 km处与Lt1相分离,250 km处库尔勒断裂 Lt1停止向下延伸. 而中天山低速体Lt2则继续向北倾斜挤压北天山高速体Ht3. 准噶尔盆地可见向南倾斜的Hj3盆地基底高速体,但在200 km处被北倾的准噶尔南缘低速体Lj1铲刮,并一起向北俯冲. 在300 km深度形成了三高夹两低的配置,从南到北分别为塔里木刚性高速体,中天山低速体Lt2的向下延伸(而不是向上涌出),略有展宽的北天山高速体Ht3,截止于400 km深度的准噶尔南缘低速体Lj1和铲刮下来的准噶尔基底高速体Hj3.

由东西剖面的比较可以发现,准噶尔南缘断裂在天山—准噶尔地区的构造演化中占据了重要的地位. 因此沿准噶尔盆地与天山的接触带台站密集地区对三维数据体进行切片(图 7),最西侧100 km以下的Ht2高速体是中天山高速体,可能与帕米尔高速体相关,它是南北天山拼贴的古老地轴,深度延伸较大; 剖面东侧由于准噶尔盆地外形向南的凹陷,主要表现为北天山高速体Ht3与南准噶尔低速体Lj1的交互出现,其它浅部绿色地区应该属于准噶尔基底的表现. 200 km以下Lj1的范围逐渐缩小,出现了Lt2中天山低速体,是准噶尔低速体深部向盆地内部收缩,而中天山低速体向北天山下方扩展的结果. 剖面最东侧100—200km出现东准噶尔低速体Lj2,限制了盆地向东的发展. 比较有趣的现象是西侧高低速体向东的视倾角较大,而往东高低速体的视倾角逐渐变小. 这似乎意味着西部帕米尔地块限制了天山在西部的发展,同时使天山向东发生一定的侧向位移,东天山表现较为强烈.

图 7 天山与准噶尔接触带的P波速度扰动剖面图
(a)沿剖面的高程;(b)剖面速度扰动,主要的高低速体编号由图4不同深度追踪获得;(c)沿剖面±50km 走廊域的台站分布;(d)剖面上的检测板试验结果
Fig. 7 P wave velocity perturbation in marginal zone between Tianshan and Junggar
(a) Topography along the profile;(b) Velocity perturbation section, in which the marked high or low velocity zones are traced from the marks in figure 4 indifferent depth ranges;(c) Stations in the corridor area within ±50 km range of the profile;(d) Checkboard test result of the section
4 讨论与结论

层析成像方法取得的不同深度的图像代表了壳幔物质速度相对于给定速度模型的扰动. 浅部地壳能代表现代地表岩石的速度分布,如疏松沉积层,古老变质带,断裂破碎带等; 而如果存在古生代的俯冲带则有可能反映在地幔深度上,如80—200 km深度的刚性的冷板块残留和200—300 km深度拆离以及它熔融后的低速物质上升地幔柱等. 天山—准噶尔地区的层析图像可以明显地反映这些特征. 其主要表现为:

1)西天山存在完整的南中北天山构造体系,中天山作为高速的轴部,晚古生代先后在南北侧拼贴了南天山和北天山高速体,并形成了两个山间盆地. 南侧盆地稍大,塔里木板块的向北俯冲使南天山物质被卷入地幔,在200—300 km深度熔融后侵蚀了中天山高速体 的 向下延伸,并沿着中天山与北天山的拼贴边界上涌进入天山中部地区100 km深度,使 北天山底部受到一定的托举作用,同时使该地区中天山和北天山板块的前缘均被低速体所穿透并形成拆离,沉入300—400 km的深度.

2)东天山浅部大致形态同西天山,但保留的造山带核部大致位于北天山,更接近准噶尔盆地. 中南天山块体的范围仅局限于地壳,可能与东侧吐哈盆地的形成占据了中天山的位置有关. 深部的中天山低速体规模不如西天山大,而且其运动方向更多地是顺着塔里木板块俯冲进入地幔深部,塔里木板块的刚性块体在300 km深度仍有残留. 北天山块体相 对连续地位于中天山低速体与准噶尔南缘低速体之间,只是在200和400 km深度有一定的减薄.

3)塔里木板块的俯冲早先在岩石圈中的俯冲痕迹的极性均向北调整,向南的俯冲可能变为向北的高倾角,向北的俯冲则变为向北的低倾角,但浅部地壳仍然保存着正常极性的沉积和火山岩组合. 地壳内部速度梯度高带代表岩石性质发生改变的界面,在现代挤压差异应力作用下容易发生破裂. 特别是天山地区块体小,物质差异大,断裂再活化的几率大等特点,使该地区成为中国西部重要的浅部地震多发带. 而且在帕米尔等高速体的西部阻挡作用下,东西部构造演化过程存在一定差异. 西部天山形成后相对停止活动早,使构造格局保存相对完整; 东部则相对晚一些. 这样的差异和构造配置可能表明东天山存在向东的物质流动,西部相对缓和,则会造成中天山地区的断裂活化过程中存在一定的走滑分量.

4)准噶尔盆地内部由于资料缺乏,分辨不是很好. 但它与天山接触带附近台站相对密集,盆地东侧边缘与阿尔泰地区的深部构造也相对完整,可以看出盆地存在高速的刚性基底,西天山没有被卷入造山带,而东天山则顺着准噶尔南缘断裂与北天山一起冲入上地幔,使北天山东准噶尔地区的盆山构造耦合作用极其强烈. 东准噶尔地区岩石圈存在两个较大规模高速体分布,可能与准噶尔板块向北拼贴过程中3次俯冲带快速迁移过程中的残余洋壳有关,造成高速体局部聚集,而没有俯冲达到地幔深部. 阿尔泰地区岩石圈内存在大规模分布的中基岩浆形成的高速体,浅部则是这些岩浆向浅部运移分异后的相对低速岩体. 大规模中基性岩浆的形成同样与准噶尔板块的俯冲熔融上升过程有关,是喀拉通克等大型矿床形成的物质来源和动力学基础.

当然上述时代与演化的推测也大多基于地质资料,但通过高低速体的相互穿插关系和上下承接关系也能提供一定的佐证. 由于地方台站分布相对稀疏,近震分布相对集中在天山地区,浅部的分辨仍然不足,对于岩浆侵入地壳的混染作用等过程需要浅部高精度层析成像的支持,近年来发展的折返射地震层析成像和高分辨率短周期噪音源面波浅部层析成像(Shapiro et al,2005),将是该地区浅部一定范围的矿床深部构造背景探测的选项之一.

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