天山造山带位于印度-欧亚碰撞带以北约1000-2000 km，是地球上最活跃的陆内造山带之一。由于印度和欧亚大陆碰撞的远程效应，天山造山带在晚新生代发生活化，这也被认为是青藏高原隆升后应力传递的重要响应。关于天山造山带的活化这一科学问题前人提出了多种机制，如地壳缩短(crustal shortening)、单侧或双侧陆内俯冲(subduction/underthrusting)和Raleigh-Taylor不稳定性等等，目前仍然存在很大争议。

图1 中天山及周边地区构造背景图。基本构造数据采用HimaTibetMap数据集，震源机制解资料引自CMT目录(1976-2020)。右上角图中GPS观测数据引自Zubovich et al. (2010)一文。

中天山地区位于稳定地块哈萨克地盾(Kazakh Shield)和塔里木盆地(Tarim Basin)之间，具备典型造山带特征，且具有较好的固定/流动宽频带台站覆盖。地震各向异性与深部构造研究团队的崔清辉副研究员及其合作者选定中天山地区地壳结构为研究对象，采用基于Ps及其壳内多次波(PpPs, PpSs+PsPs)球谐改正的H-κ-c方法，对研究区域内43个地震台站的P波接收函数进行校正并扫描叠加处理，得出了中天山下方更新的地壳厚度(H)和平均纵横波速比(κ)分布(图2)。相比于传统H-κ叠加方法(Zhu and Kanamori, 2000)，H-κ-c方法对震相进行校正并对叠加权重进行了优化，提高了对地壳结构的分辨和约束能力。

图2中天山地区地壳厚度和平均纵横波速比(κ)图

研究结果显示，中天山地区地壳厚度在50-65 km，而哈萨克地盾和塔里木盆地下方地壳厚度分别约为45 km和42 km (图2)。基于AA'和BB'两个剖面对比，地壳厚度和地表高程并不完全呈正相关趋势(图3)，南部地区地壳较北部而言厚度偏大，证实了该地区地壳存在非均匀增厚的现象。在中天山大部分地区以及哈萨克地盾和塔里木盆地的边缘，纵横波速比(κ)普遍大于1.73，而在中天山零星地区小于1.73。地震层析成像研究也发现中天山地区壳内存在大范围的低速异常。地化证据表明天山地区存在源自上地幔顶部源区的镁铁质岩浆的底侵作用，热幔源物质的涌入可导致地壳出现高温环境并极易引发大规模的部分熔融。

基于研究结果，我们提出中天山既存在非均匀地壳增厚的复杂陆内挤压碰撞作用，同时也存在上涌地幔岩浆所诱发的壳内部分熔融对地壳物质流变的改造作用，这一双重作用模式共同导致了中天山造山带的活化和隆升。该作用模式可为陆内造山带形成过程中的地壳挤压变形、壳内物质流动以及壳幔圈层作用等深部动力学过程提供参考，同时对于中天山地区防震减灾、矿产勘查和地质调查等工作提供地球物理背景场资料。

图3 沿AA'测线的地表高程及地壳结构剖面。黑色虚线和实线分别表示接收函数球谐改正前后得出的地壳厚度(H)，红色虚线和实线分别表示球谐改正前后得出的纵横波速比(κ)，黑色震源球为沿AA'测线±0.5°内CMT震源机制解(1976-2020)的后半球投影。

该研究成果以“Crustal thickness (H) and Vp/Vs ratio (κ) images beneath the central Tien Shan revealed by the H-κ-c method”为题发表在地学国际学术期刊《Tectonophysics》(IF=3.933，地学2区)。中国地震局地震预测研究所崔清辉副研究员(E-mail: qhcui@ief.ac.cn)为第一作者，中国科学院大学地球与行星科学学院周元泽教授为通讯作者，合作者还包括武汉大学李江涛特聘研究员、北京大学宋晓东教授、地震预测研究所高原研究员以及中国科学院大学崔冉博士。论文第一署名单位为中国地震局地震预测研究所地震预测重点实验室。该项基础研究由国家自然科学基金面上项目(42074101 to Q.C., 41874109和42074103)、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项面上项目(2020IEF0509 to Q.C.)和中国科学院战略性先导科技专项(XDB18010304)联合资助。

论文信息：Cui Qinghui, Zhou Yuanze, Li Jiangtao, Song Xiaodong, Gao Yuan, Cui Ran. 2021. Crustal thickness (H) and Vp/Vs ratio (κ) images beneath the central Tien Shan revealed by the H-κ-c method. Tectonophysics. 822(2022): 229157.

中天山地壳结构结果下载：https://doi.org/10.5281/zenodo.6328568