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中国西北地区盆地与山脉连绵起伏，是重要的地质矿产和油气资源储存的地区。已经有学者对中国西北的岩石圈地震波速度进行了研究（Xu Yi et al.，2002; 许志琴等，2011; 瞿辰等，2011; Chen Min at al.，2015; 杨文采等，2017，2018a，2018b），但是由于地域广大，国家公开的地震台站稀少，地壳成像的分辨率不够高。在中国西部设有 412 个地方地震台站，自从 2008 年以来地方地震台站观测仪器实现了数字化，但是它们的数据没有统一整理公布。 2014 年以来，笔者等开始收集西部地方地震台的观测数据，得到了过中国西部的百万条走时数据，进行中国西部地壳地震波速度的三维层析成像研究，发表了青藏高原地壳上地幔的研究成果（杨文采等，2019，2022; 杨文采，2020a，2020b; 杨文采和曾祥芝，2020; 瞿辰等，2020）。本文继续报道中国西北的地震波速三维层析成像研究结果。
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1 中国西北的地震层析成像
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中国西北地震层析成像的研究区范围为 75°~110°E，35°~46°N，中国地震局数字地震台网和地方地震台站位置表示为图1a 中的三角形。在 2008~2019 年期间，接收到邻近地区的地震震源位置表示在图1b 的黄色点族。在新疆、甘肃、四川、西藏和青海等地方地震局和中国地震局地球物理研究所的协作和帮助下，得到了过青藏高原同台同源的 P 波和 S 波的百万条走时数据，作为青藏高原地壳地震波速度三维层析成像研究的输入数据集（杨文采等，2019; 杨文采，2020a，2020b; 杨文采和曾祥芝，2020; 瞿辰等，2020）。
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由于震源定位可能有偏差，人工拾取走时也会产生误差，上述数据必须经过挑选，去掉观察误差和拾取走时误差大的数据。根据统计学中的离群分析方法，剔除了少量离群的数据，提高了反演结果的质量（刘晓宇等，2023a，2023b）。根据地震射线的分布，将模型空间划分成 0.5° ×0.5° ×10 km 的网格，各节点按 IASPEI91 模型赋予初始波速值，进行检测板分辨率试验。典型的试验的结果示于图1b。由此可见，深度从 10 km 到 400 km 的成像结果都能满足对青藏高原地壳和上地幔成像的要求。但是，在印度等中国国境以外的地区，由于地震测站少，成像结果分辨率比较低。
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地震层析成像采用传统的射线追踪加线性化迭代方法。地震层析成像中既要压制数据误差对反演解估计的影响，又要尽量保证结果的分辨率，笔者等将逐次迭代阻尼 LSQR 算法应用于地震层析成像（杨文采，1997; 瞿辰等，2013），迭代的次数达到 200 次。对比表明，此次计算的结果成像结果的分辨率明显提高。
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图1 中国西部及邻区成像采用的地震观测台站和地震源分布平面图（a）（方框为本文的研究范围）以及层析成像方法检测板试验结果（b）（图中红色三角形为地方地震台网的台站位置，黄色圆圈为该区域 3 级以上地震位置）
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Fig.1 Position of the selected seismic stations and earthquakes in west China and neighboring areas used in the seismic tomography (a) and the seismic P-wave checkerboard for depths of 11 km, 33 km, 48 km and 78 km (b)
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图2 中国西北岩石圈地幔上层深度 78 km 地震波速扰动平面图（a）以及前人岩石圈地幔深度 72 km 成像结果（b）（Xu Yi et al.，2002）
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Fig.2 The seismic P-wave velocity disturbance images in depth 78 km of west China (a) , comparing with that in depth 72 km computed by Xu Yi et al., 2002 (b)
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2 岩石圈地幔和下地壳的地震波速扰动
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中国西北地区地形起伏较大，盆地和山脉交替出现，有的构造学家认为属于古亚洲洋南缘的天山—兴安构造带（程裕淇，1984），有的构造学家认为属于中亚克拉通主板块（陈志明，2017）。从地球动力学的角度看（ Avouac and Tapponnier，1993; England and Molnar，1997; Jahn，2004），中国西北是一个显生宙动力学作用频繁的地区，先有古亚洲洋闭合和陆块的拼合（杨文采等，2014），后有印度与亚欧大陆碰撞挤压造成的远程效应作用。只有通过岩石圈三维结构的分析，才有可能了解显生宙动力学作用过程。
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亚欧大陆不是一个刚性的板块，而是多个老陆块的拼合体（杨文采，2023）。老陆块指在前古生代就已经形成大陆核的岩石圈，它们与大洋岩石圈、洋— 陆转换带岩石圈和软流圈一起，组成了地壳的浅地幔动力学系统（杨文采，2021a，2021b，2023，2024）。陈志明（2017）等学者已经提出过“超壳”、“全壳”和“浅壳” 构造的板内层次结构的观念，大陆岩石圈的动力学作用的确有作用深度范围不同的区别，需要应用地震波速层析成像数据来仔细分析。文章中所指的老陆块主要指超壳和全壳的前古生代陆块，因为浅壳的陆块拼合作用留下的刻痕可能很微弱，看不出来。
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图2a 为研究区岩石圈地幔上层地震波速扰动平面图，对应深度 78 km; 反映岩石圈地幔中部的波速属性。从前人的成像结果可见（图2b），两图的地震波速扰动模式是一样的，而图2a 的分辨率明显提高了。天山山脉、昆仑山脉和阿尔泰山脉下方岩石圈地幔表现为低速，塔里木、西准噶尔、柴达木、吐哈、阿拉善、鄂尔多斯等老陆块岩石圈地幔都有高速特征，这些陆块边缘有中低波速地带分开，表明中国西部的岩石圈地幔是由多个老陆块拼合形成的（杨文采等，2014）。
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图3c 为研究区岩石圈地幔上层地震波速扰动平面图，深度 68 km。与深度 78 km 的波速扰动平面图（图2a）相比可见，塔里木、西准噶尔、柴达木、吐哈、阿拉善、鄂尔多斯等老陆块岩石圈地幔上层都有高速特征，但是高速体面积缩小了。阿拉善高速体分裂为银根（Yg）和腾格里（Tr）两个高速体。在敦煌盆地与酒泉盆地开始有低速特征。据此可以认以为，大陆内的陆块可以分为大、中、小 3 个类别，其中的小陆块的底可能没有达到岩石圈地幔上层。再向上看，深度 58 km 的波速扰动平面图见图3b，反映岩石圈地幔顶部的波速结构。准噶尔盆地东部与伊犁河盆地都成为低速体，同样反映位于小陆块的根部的岩石圈地幔顶部有破碎岩区，经受过强烈的挤压变形。
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图3 中国西北下地壳深度 48 km（a）; 岩石圈地幔顶部深度 58 km（ b）; 岩石圈地幔上层深度 68 km（c）地震波速扰动平面图[大陆块名称:塔里木（ Tm）、西准噶尔（Zr）、柴达木（Qm）、吐哈（TH）、银根（Yg）、腾格里（Tr）和鄂尔多斯（Er）]
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Fig.3 The seismic P-wave velocity disturbance images depth in 48 km (a) , depth in 58 km (b) , depth of 68 km ( c) of northwest China [ The old landmasses include Tarim (Tm) , Jungar (Zr) , Qaidam (Qm) , Tuha (TH) , Yingen (Yg) , Tengger (Tr) and Ordos (Er) ]
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研究区深度 48 km 地震波速扰动的平面图3a，反映 Moho 面上下的波速结构。研究区内的造山带地壳增厚，还处于下地壳，表现为低波速。而老克拉通陆块地壳没有增厚，依然位于岩石圈地幔顶层，表现为高波速。因此，塔里木、西准噶尔、柴达木、吐哈、银根、腾格里和鄂尔多斯等老陆块都具有高速特征。
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3 中国西北地壳的地震波速扰动
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研究区中下地壳地震波速扰动平面图示于图4c，祁连山脉、天山山脉和贺兰山脉显示低速异常，塔里木和阿拉善显示为高速异常。明显的变化发生在吐哈盆地和北山，前者由高速变为低速，后者由低速变为高速。下地壳岩石随温度升高黏度增加，出现了从天山到吐哈盆地的流体活动带，和从祁连山到贺兰山的流体活动带。这两个活动带并没有连通，在粛北地区分隔开。在深度 28 km 的波速扰动平面图上（图4b），由于温度比较低，结晶基底岩石致密，塔里木、阿拉善和粛北地区的高速异常链接在一起了，阿尔金山脉成为它们与青藏高原分隔的低速分界。
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研究区上地壳地震波速扰动平面图示于图4a，波速扰动的模式完全改变。从天山山脉到河西走廊，低速异常联成一片，显示出印度次大陆对亚欧大陆碰撞的远程效应，形成的上地壳激烈变形（ Avouac et al.，2001; Flesch et al.，2001）。这次远程效应不仅使天山山脉大幅度抬升和变形，也影响到塔里木盆地西部和土哈盆地抬升。
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研究区上地壳表层深度 8 km 地震波速扰动见图5b，它反映了低速的深层盆地的分布。塔里木盆地的底部可达 13 km，因此大部分区域在此深度依然是波速低的沉积层。其他沉积盆地，如准噶尔、柴达木和银根盆地，低速区域缩小，因为 8 km 已经接近了沉积盆地的底部。与此相反的是，天山山脉西段和祁连山都变为高速，反映它们在此深度的岩石已经是片麻岩等变质的结晶基底。
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图4 中国西北上中地壳地震波速扰动平面图:（a）深度 18 km，（b）深度 28 km，（c）深度 38 km
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Fig.4 The seismic P-wave velocity disturbance images of northwest China: (a) depth in 18 km; (b) depth in 28 km; (c) depth of 38 km
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地震波速扰动结果要和重力、航磁资料对比，才能加深对地壳构造的认知（ 杨文采等，2019b，2021b; 杨文采和曾祥芝，2020）。对比研究区的航空磁测（图5a）可见，上地壳表层地震波速扰动的负异常主要反映深沉积盆地的范围，对结晶基底属性反映的信息有限。航磁正负交合的强异常反映克拉通结晶基底属性，而包含串珠状小正异常的负异常带反映年轻的构造和岩浆活动带。对比研究区的布格重力异常（图5c）可见，正异常反映高密度的克拉通结晶基底属性，而负异常反映显生宙的造山带。综合上述信息，可以更加全面了解研究区的地壳构造。
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4 大陆块拼合作用的地壳刻痕
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从以上速扰动成像结果的分析可知，以岩石圈地幔顶部高波速为特征（图3c），中国西北地区是由老的大陆块拼合作用形成的，其中老陆块包括:塔里木（Tm）、西准噶尔（Zr）、柴达木（Qm）、吐哈（ TH）、银根（Yg）、腾格里（ Tr）和鄂尔多斯（ Er）。这些老陆块在下地壳和岩石圈地幔为低波速地带分开，它们对应地面的天山山脉、昆仑山脉、阿尔金山脉和阿尔泰山脉，地壳中这种低速带代表了老陆块的拼合带，它们有地壳增厚和折皱断裂的特征。
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研究区还有一些小陆块，如敦煌盆地与酒泉盆地，它们属于洋—转换作用阶段卷入的小陆块，它们的岩石圈地幔上层表现为低速特征。在深度58 km 的波速扰动平面图（图3b），准噶尔盆地东部与伊犁河盆地都成为低速体，同样反映位于老陆块的根部的岩石圈地幔顶部有破碎岩区，经受过强烈的挤压变形和有流体侵入，使波速降低。大多数老陆块的基底紧密坚实，在洋—转换作用和陆块拼合作用过程中不容易破碎。由于它们密度比较大，容易下沉而成为盆地，这些都是中国西北部盆山构造形成的起因。
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图5 中国西北上地壳表层地震波速扰动（b）与航磁异常（a）和布格重力异常（c）的比较
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Fig.5 The aeromagnetic anomaly map of northwest China ( a) , the seismic P-wave velocity disturbance images, depth in 8 km. depth in 58 km (b) , the Bouguer gravity anomaly map of northwest China (c)
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现今区域的物理属性变化反映的不仅是老陆块的存在和位置，还反映老陆块碰撞拼合的动力学作用特征。不过，动力学作用特征要有更加精细的数据才能揭示。以内蒙古中西部为例（ 杨文采等，2023），布格重力剩余异常与航磁化极异常示于图6。由图可见，华北克拉通与锡林浩特陆块之间的拼合带为位场激烈变化的阴山山脉一带，华北克拉通与银根陆块之间的拼合带为狼山，华北克拉通与腾格里陆块的拼合带为贺兰山。在银根与腾格里陆块之间的拼合带为雅布赖山。在银根与腾格里陆块之西，重力和磁场的变化平稳，反映了拼合早期的洋—陆转换带的遗存，而最西部的北山隆起的低密度异常反映了古亚洲洋闭合时激烈破碎变形的构造结。
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5 结论
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地震波速度的三维层析成像，是研究地壳上地幔三维结构和动力学作用的重要方法。中国西北部地震波速度的三维层析成像表明，研究区的岩石圈波速结构反映了显生宙多个老陆块拼合形成的构造模式。这些老陆块包括塔里木、准噶尔、柴达木、吐哈、银根、腾格里和鄂尔多斯等，在岩石圈地幔上层都具有高速特征。三维层析成像还表明，印度次大陆对亚欧大陆碰撞的远程效应影响到天山山脉、塔里木盆地西部和土哈盆地抬升，但是形成的激烈变形主要作用在上中地壳。结合地面重力和航磁的高精度数据综合研究，还可以对研究区拼合作用的特征和拼合早期的洋— 陆转换带的遗存，提供准确的动力学作用类型的定位。
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致谢:衷心感谢中国地震局等有关单位的数据支持!
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图6 内蒙古中西部布格重力剩余异常（a）与航磁化极异常（b）的对比
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Fig.6 The Bouguer gravity anomaly map of the west Inner Mongolia region (a) and the aeromagnetic anomaly map of the same area (b)
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摘要
地震波速度的三维层析成像,是研究地壳上地幔三维结构和动力学作用的重要方法。笔者等研究中国西北部地震波速度的三维层析成像,表明研究区的岩石圈波速结构反映了显生宙多个老陆块拼合形成的构造模式。这些老陆块,包括塔里木、准噶尔、柴达木、吐哈、银根、腾格里和鄂尔多斯等,在岩石圈地幔上层都具有高速特征。三维层析成像还表明,印度次大陆对亚欧大陆碰撞的远程效应影响到天山山脉,塔里木盆地西部和土哈盆地抬升,但是形成的激烈变形主要作用在上—中地壳。结合地面重力和航磁的高精度数据综合研究,还可以对研究区拼合作用的特征和拼合早期的洋—陆转换带的遗存,提供准确的动力学作用类型的定位。
Abstract
Three-dimensional tomography of seismic wave velocity is an important method to study the three-dimensional structure and dynamics of the mantle and crust. In this paper, we study the three-dimensional tomography of seismic wave velocity in northwest China, and show that the lithospheric wave velocity structure in the study area reflecs the tectonic pattern formed by the combination of multiple land-mass amalgamation in the Phanerozoic. These old landmasses include Tarim, Jungar, Qaidam, Turpan—Hami, Yingen, Tengger and Ordos, all of which have high-velocity characteristics in the upper layer of the lithospheric mantle. Three-dimensional tomography also shows that the long-range effects of the India subcontinent’ s collision with Eurasia affected the uplift of the Tienshan Mountain, the western Tarim Basin and the Tuha Basin, but the intense deformation formed mainly acted on the upper and middle crust. Based on the characteristics of the combination in the study area and combined with the high-precision data of ground gravity and aeromagnetics, it can also provide accurate positioning of the Phanerozoic dynamical actions the remains, and of the early ocean—continent transition zones.
