新疆地处青藏高原的北缘，受到印度-欧亚陆陆板块碰撞作用，形成了天山和准格尔、塔里木两个盆地的大陆活动构造区，是世界上研究盆山构造及活动大陆构造学最理想的区域之一，也为研究陆-陆板块碰撞模型提供了很好的试验场.其中天山构造带是晚新生代以来而重新活跃的造山带，有关该区域地震的深部构造背景及过程都是国际研究的热点.因此探测新疆地区的地壳及上地幔结构，可为该区域构造活动研究提供地壳及上幔的地震学观测依据.

近几年来，理论和实验都表明可以通过对一个散射波场中的两个地震台站记录到的环境噪音做互相关来得到这两个台站之间的面波的经验格林函数^[1~5].在频率域内，互相关函数定义如公式(1)所示，

(1)

其中〈 〉是指做全体平均，u(x₂，ω)* 为u(x₂，ω)的共轭复数，r=x₂-x₁ 是两个台站之间的距离.并且设〈|u(x₁，ω)|²〉= 〈|u(x₂，ω)|²〉.格林函数为单位脉冲、点源所激发的地震波场函数，称为格林函数.经验格函数为通过记录数据计算获得的格林函数，而非通过理论模式推导计算出的格林函数.我们可以通过两个台站之间的经验格林函数，测出群速度和相速度频散曲线，并进而获得研究区域的瑞利面波相速度结构.

环境噪声层析成像(Ambient Noise Tomography)近年来在地震大地构造学中得到广泛的应用，从地震尾波的互相关(Seismic Coda)^{[6， 7]}或环境噪声的互相关(Ambient Noise)^{[8， 9]}函数中，可提取出面波格林函数.近几年来被广泛地应用于区域层析成像^{[9， 10]}和大陆尺度的层析成像^{[11， 12]}.另外，从环境噪声的互相关函数中不仅能提取出瑞利面波的经验格林函数，也可用于提取勒夫面波的格林函数^[13].环境噪声层析成像具有很多的优点.首先，它不依赖于天然地震作震源，弥补了天然地震空间分布不均的弱点.其次，它可以获得高达6s的高频面波信息，改善了天然地震面波(通常周期大于20s)对地壳浅层的速度结构的分辨率.

本文首先利用遍布新疆地区内流动和固定地震台网每两个台站之间的互相关函数，测量出两台之间的Rayleigh波10~35s的相速度频散曲线，然后利用面波层析成像方法得到了新疆地区的地壳和上地幔的相速度特征，也为进一步获得新疆地区的三维剪切波速度结构奠定基础.

利用北京大学布设在玉田的9个宽频带流动观测地震台站(2008 年5 月~12 月)，新疆台网的61个固定台站(2008年1月~12月)，和1个IRIS 国际台站(AAK)(2008年1月~12月)(见图 1)的连续记录，按照Bensen^[14]所述的处理流程和成像技术来提取新疆地区的相速度特征.首先将各地震台站的连续记录数据进行预处理，将垂向的连续记录截成一天长度的数据，去除仪器响应、平均值和斜率，然后进行带通滤波来突出我们感兴趣频带内(5~50s)的信号.之后对单台数据进行时域的谱白化，这样做是为了去除地震事件、台站之间的差异以及台站附近的非稳定噪音源对噪声互相关的影响.由于地震事件的相关性很好，它们对环境噪音互相关的影响也最大.本文采用移动均值的方法^[14]对地震记录进行时域的谱白化，来尽量消除地震事件的影响.

图 1

Fig. 1

图 1 本文研究地区的地质构造和台站分布 粉红三角形代表新疆地震台网台站，黑色三角形代表IRIS台网台站，蓝色三角形代表北大玉田宽频带地震观测台阵.图中蓝线为活动块体边缘[15]. Fig. 1 Station map of Xinjiang area The pink triangles represent stations of Xinjiang Seismology Bureau, CEA，the black triangle represents AAK of IRIS，and the blue triangles represent the Peking University stations.The bold blue lines are the edges of active blocks[15].

当每个台站的数据做完上述预处理后，对每两个台站每天的连续记录做互相关，然后叠加起来最终得到一个互相关函数，做微分处理即瑞利面波的经验格林函数.该互相关格林函数是双边时间方程，正负时间信号分别代表瑞利波在两个台站之间沿相反方向的传播.由于受噪音信号源的方位及其距台站的距离等因素的影响，会导致正负时间的信号振幅不对称.因此，我们将正负两部分信号叠加起来得到一个平均的经验格林函数.本文采用基于Levshin于1989年提出的一种改进FTAN 方法^[14]，从上述经验格林函数来提取瑞利波的群速度和相速度频散曲线.其中群速度与相速度的关系如公式(2)所示，

(2)

其中s_c 为群速度，s_u 为相速度，ω 为频率，Δ 为台间距，Φ(t_u)为相应频率对应的相位，N=0，±1，±2…，由参考速度决定.

在得到了所有台站队之间的瑞利面波群速度和相速度的频散曲线之后，采用Barmin^[16]提出的面波层析成像反演方法来获取研究区域的瑞利面波相速度的速度异常分布.计算格点为0.5°×0.5°，所用平滑阻尼参数依据所采用反演格点而定.之后反演一维S波速度模型时，利用Saito 的程序^[17]来计算理论相速度和其对速度的偏微分.在线性反演过程中，用一系列水平层来描述地球介质，每层厚度10~30km不等.假定这些水平层厚度不变，拟合频散曲线来反演每一层的剪切波速度.另外，为了得到莫霍面的深度，莫霍面上下两层的厚度也设为待反演的参数，即在反演过程中可以在一定范围内自由变化.

图 2a为台站CBC 与其他台站之间的互相关函数(经验格林函数)，从100~1000km 均可以得到清楚的瑞利面波信号，其视速度大约为3km/s.图 2c为台站CBC 与XJ15 的群速度频散曲线.图 2b为这一台站对之间的不同周期Rayleigh波，群速度随周期增加而变快，呈现明显的频散现象.由图 2可以看出，我们可以得到周期为10s 甚至更短的 Rayleigh波，可以为研究浅部地壳结构提供较好的约束.台站对CBC-XJ15(图 1)横穿塔里木盆地，从群速度频散曲线(图 2c)可以看到，在短周期范围内群速度较小，反映了塔里木盆地内部存在较厚沉积层.

图 2

Fig. 2

图 2 环境噪音的互相关函数和群速度频散曲线 (a)台站CBC与其他台站的互相关函数；(b)对台站对CBC-XJ15所得的经验格林函数进行滤波之后得到的不同频段的Rayleigh波；(c)台站对CBC-XJ15之间的基于环境噪声方法得到的群速度频散曲线. Fig. 2 Cross-correlation from ambient noise and group velocity dispersion curve (a)Cross-correlation between station CBC and other stations； (b)Rayleigh wave^ Empirical Green Function between different bands of station pair CBC-XJ15； (c) Dispersion curve of station pair CBC-XJ15 derived from ambient noise method.

为了提高相速度测量结果的准确度，以信噪比 SNR>10为阈值来挑选各台站对的互相关函数.当 SNR>10 时，则保留该互相关函数，否则不采用该结果.这里SNR 定义为Rayleigh 波峰值与噪音的均方根之比.图 3是采用该规则过滤后有效台站对周期为16s的互相关函数的射线覆盖图.研究区域内，在周期为10~35s范围内，每个周期段都有399条以上的射线.由于台站分布的原因，天山和准格尔盆地区域及塔里木盆地西缘的射线密度最高(图 3)，而塔里木盆地东部的射线密度较低.输入检测板的速度异常体大小约为300km(3°×3°)，输入模型为相速度，在±2.5%之间变化.反演格点为0.5°×0.5°，输入模型和检测结果如图 4所示.图 4的结果表明，研究区域在周期T=10~35s范围内均有较好分辨率.例如，天山区域，准格尔盆地和塔里木盆地西缘的反演结果分辨率和可信度较高.

图 3

Fig. 3

图 3 射线密度分布 Fig. 3 Ray-path coverage

图 4

Fig. 4

图 4 不同周期T的检测板成像.色标为相对参考速度的速度异常百分比.图中红色小三角为台站分布 Fig. 4 Checkerboard tests.The color represents velocity anomaly compared to the reference velocity.Stations are showed as red triangles

图 5为研究区域的平均群速度和平均相速度频散曲线以及通过反演获得的研究区内一维平均剪切波速度结构.从平均群速度和相速度频散曲线中可以看出，新疆地区群速度和相速度均远低于全球 AK135模型的.反演获得的三层地壳剪切波一维速度结构也低于全球模型的，特别是上地壳的明显低速主要是源于两个盆地中的巨厚沉积层所致.反演所获得的新疆地区的平均地壳厚度约55km 左右，远小于青藏高原平均地壳厚度(70km)，反映了研究区域地处青藏高原西北缘的特征.

图 5

Fig. 5

图 5 区域平均相速度频散曲线(a)及一维剪切波模型(b) Fig. 5 Average phase dispersion curve of Xinjiang (a) and ID shear wave model (b)

图 6展示了在周期T为10~35s范围内的相速度层析成像结果.成像结果显示出新疆地区不同的地质构造单元具有很大的差异，与前人成像结果相似^[18].短周期为10~20s的图像显示塔里木盆地和准格尔盆地呈现明显的低速异常区，表明该地区有较厚的沉积层，尤其值得指出的是周期为10s的成像显示塔里木盆地和准格尔盆地与天山造山带交界相当清晰，与Crust2.0模型给出的沉积层厚度和区域范围吻合(图 7(a, b)).天山造山带在周期为10~16s的层析成像中均呈现高速异常，与塔里木盆地和准格尔盆地的沉积岩低速异常反相对应，但是，在周期为16~25s的层析成像中，呈现有明显横向分块结构.该结果与前人的接收函数结果^[19~20]相吻合.在周期为20~25s的层析成像中，可以看出准格尔盆地低速异常渐向西北方向移动；同时，塔里木盆地南北向出现显著差异，高速异常由南向北延展，低速异常向北延伸至南天山之下，表明塔里木盆地底界(Basement)的形状从南向北呈现加深的趋势.

图 6

Fig. 6

图 6 不同周期的相速度层析成像，图例说明同图 4 Fig. 6 Phase velocity anomaly of Rayleigh wave at different period.Other same as Fig.4

图 7

Fig. 7

图 7 10 s的Rayleigh波相速度层析成像(a)与沉积层厚度对比(b)；盆地的低速区与该区域的厚的沉积层有很好的对应.35 s的Rayleigh波相速度层析成像(c)与地壳厚度对比(d) Fig. 7 Phase velocity anomaly map of Rayleigh wave at 10 s compared with sediment of the area； the low anomalies agree well with the thick sediment ( a ，b) .Phase velocity anomaly map of Rayleigh wave at 3 5 s compared with Moho depth of the area(c, d)

由于中长周期25~35s的相速度敏感区较深，它们的图像主要反映了中下地壳和上地幔的速度特征.因此，莫霍面上下的速度差异和地壳厚度的影响均对这些中长周期的结果有较大影响.从周期为25~35s的相速度层析成像结果中可以看出，东、西天山逐渐出现速度差异，其中周期为35s的成像结果中显示东天山具有高速异常，而西天山具有低速异常.Crust2.0模型给出的新疆地区的地壳厚度分布均匀，东西天山并未出现明显差异(图 7(c, d))，因此，这些中长周期的层析成像显示的东、西天山的速度差异可能并不是由于东、西天山的莫霍面的深度改变而导致的.另外，该地区的Pn 层析成像结果^[21]也给出了类似的东、西天山速度差异的结果.同时，从周期为25~35s的结果可以看出，天山造山带与南、北两个盆地的界线逐渐模糊，可能对应天山造山带没有明显山根，和该区域前人的接收函数结果一致^[19].另外，从周期为25~35s结果可以看到，准格尔盆地低速异常向西北方向大尺度移动.

通过对研究区内地震台站的12个月的连续观测数据做互相关分析，得到了周期从10~35s范围内瑞利面波的经验格林函数，进而获得了不同台站对之间的频散曲线，最终通过反演运算获得了新疆地区不同周期的瑞利面波相速度层析成像.研究结果显示天山造山带、塔里木盆地和准格尔盆地大地构造与瑞利面波相速度异常有较好的对应关系.反演获得的一维剪切波速度结构低于全球模型，特别是上地壳的明显低速主要是源于两个盆地中的巨厚沉积层所致.本文获得的新疆地区地壳和上地幔相速度特征，也为进一步结合传统天然地震面波成像最终获得新疆地区的三维剪切波速度结构奠定基础.

作者向参与北京大学玉田流动地震台阵架设、数据采集的岳汉、李鹏表示感谢，也感谢新疆地震局在流动台阵野外作业和固定台站数据共享方面的支持.本文使用了美国科罗拉多州立大学杨英杰博士提供的背景噪声层析成像程序.也对匿名审稿专家对本文初稿提出的修改意见致谢.