地震各向异性是地球介质的基本特征，广泛存在于地球内部.地震波的各向异性可以提供地下矿物的性质和各向异性介质内部结构的信息.复杂的构造、结构的不均匀性、应力的变化、分析技术的局限和干扰因素等原因，都会导致地壳各向异性的复杂性 (Gao et al., 2011, Crampin and Peacock, 2005；Gao and Crampin, 2006；Crampin and Gao, 2014；高原和滕吉文，2005；高原和吴晶，2008).地壳介质各向异性的主要原因可用EDA (Extensive-dilatancy Anisotropy，大范围扩容各向异性) 理论来解释 (Crampin and Atkinson, 1985; 高原和吴晶，2008).剪切波分裂是指剪切波经过各向异性岩体分裂成两个速度不同但近似正交偏振的震相，并且在地震三分量中具有显著易被识别的特征 (Crampin, 1981; Crampin and Peacock, 2008).时间延迟和快剪切波偏振方向是描述剪切波分裂的两个主要特征参数，与裂隙介质的几何特性和物理性质有关.研究表明，剪切波分裂导致的慢剪切波时间延迟是地壳EDA裂隙引起的各向异性的重要参数 (Gao et al., 1998, 2011)，与EDA裂隙的几何形态有关，受到应力影响并且能够表示地壳中介质各向异性程度 (Gao et al., 2011；太龄雪等，2009)，在中上地壳观测到的时间延迟一般小于0.2 s (Silver, 1996; Savage, 1999; Crampin and Gao, 2006).一般情况下，传统的EDA裂隙分布导致快剪切波的偏振方向平行于裂隙的方向，同时也平行于原地最大水平压应力方向 (Crampin, 1981; Gao et al., 2011).研究表明剪切波分裂参数的分布特征和断层的性质有很大关系 (石玉涛等，2006；吴晶等, 2007a, 2007b).天山构造带位于中国大陆西北部，呈EW方向展布，由于受到印度板块与欧亚板块俯冲碰撞运动的影响，现今处于复活运动期.GPS的研究数据表明印度—欧亚板块碰撞中天山造山带地壳收缩占调节作用的19%(Shen et al., 2001)，是典型的岩石圈陆内缩短造山带.另外天山构造带是中国大陆西部重要的地震多发带，地震活动性很强，中强震频发 (高国英等, 2010, 2005).很多学者利用多种方法对天山构造带的变形模式和动力学机制进行了大量研究.岩石圈的垂直连贯变形 (Chen et al., 2005)、软流圈物质变形 (Vinnik et al., 2007; Li et al., 2010)、上地幔对流和地幔柱 (Wolfe and Vernon, 1998；胥颐等，2000；郭飚等，2006；刘洁等，2007) 等理论都被用来解释过天山的变形模式.穿透整个地幔的SKS震相的分裂现象经常用于地幔各向异性方面的研究.剪切波分裂的结果认为天山构造带及邻近区域测得的大多数快波偏振方向和天山造山带走向大体平行，垂直于印度板块和欧亚板块之间的运动方向 (Chen et al., 2005; Wolfe and Vernon, 1998; 江丽君等，2010; Li and Chen, 2006; Li et al., 2010).由于SKS分裂一般反映的是整个岩石圈的平均信息，如果能够增加地壳内的相关信息，对探讨壳幔耦合、精准地揭示壳幔性质有重要意义 (高原等，2010).目前，从研究区域地壳各向异性来看，主要是使用地壳剪切波分裂技术对新疆乌什地区一个6.3级地震前后剪切波分裂特征进行了初步研究 (高歌和王海涛，2006)，另一个相关的研究也只是局限在新疆伽师地区对伽师强震群的研究 (赖院根等，2002)，针对天山构造带及邻区更大范围开展区域性地壳各向异性研究几乎还是一个空白.本研究利用新疆区域地震台网 (如图 1) 记录的近场地震波形数据，通过剪切波分裂分析，研究天山构造带及邻近地区的地壳介质各向异性，讨论区域内的地壳各向异性分布，为天山构造带的应力背景、构造运动和动力学机制的研究提供进一步的地震学观测证据.

图 1

Fig. 1

图 1 天山构造带及其邻区构造单元及地震台站分布 研究区域主要分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，方框Ⅰ代表天山构造带；方框Ⅱ为塔里木盆地西侧；方框Ⅲ为准噶尔盆地周围.图中的深蓝色箭头表示天山构造带及邻区的主压应力方向 (王晓强等，2007；高国英等，2010)，浅黄色箭头表示帕米尔高原向北挤压作用.红色三角形为区域固定地震台网，深蓝色实线为板块边界, 红色实线为断裂.左上角的小图指示了本研究区在中国大陆的位置. Fig. 1 Distribution of tectonic units and seismic stations in the Tien Shan tectonic belt and adjacent areas The research area is divided into Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ three small areas, rectangle Ⅰ represents Tien Shan tectonic belt; rectangle Ⅱ represents the west side of the Tarim basin; rectangle Ⅲ represents Junggar Basin. Dark blue arrow is the principal compressive stress (Wang et al., 2007; Gao et al., 2010) in Tien Shan tectonic belt area, light yellow arrow is compression stress from Pamir Mountains. Red triangles are permanent seismic stations, dark blue solid lines are block boundaries, red line is fault. The small insert map is research area location in China.

中国大陆西北部地区构造带和盆地交错排布，呈近东西走向的天山构造带介于准噶尔盆地和塔里木盆地之间，与准噶尔盆地东北部的阿尔泰山、塔里木盆地西侧的昆仑山一起，呈“三山两盆”的构造特征 (如图 1).在印度板块对帕米尔高原的挤压作用和晚新生代以来塔里木盆地和准噶尔盆地的挤压楔入作用的共同影响下，天山构造带现今处于复活运动期 (Sobel and Dumitru, 1997; DeMets et al., 1990).天山构造带除了整体上呈现的EW方向展布，区域内的断裂分布则更加复杂.NWW走向的断裂主要位于北天山前缘断裂带附近，如准噶尔南缘断裂、博罗科努断裂.南天山前缘断裂带的南天山山前断裂和克拉铁克断裂走向则主要呈NEE方向.天山构造带西段展布一系列NE走向的断裂，如柯坪断裂等，与塔里木盆地西侧的NNW方向西昆仑构造带交汇.综观研究区域的总体构造格局，分布着多条EW、NEE、WNW和NNW方向的断裂，并形成相交和切割，导致构造活动强烈地震频发.

根据以往的GPS形变资料研究表明，天山地区总体呈南北向挤压缩短的趋势，西部运动速率高于东部地区，北部地区低于南部地区 (游新兆等, 2001; Abdrakhmatov et al., 1996; 王琪等，2001；杨少敏等，2008).进一步的研究得出南北向的挤压缩短呈现不均匀分布特征，并且主要集中在南北两侧盆地山体过渡地带上 (牛之俊等，2007; Chen et al., 2005).天山南北两侧及邻近地区以压应变为主，主压应力分布与山脉走向基本正交 (王晓强等，2007).震源机制解的结果表明最大主压应力也近NS方向，但在天山地区略有局部差异 (高国英等，2010).总体上，天山构造带及邻区的GPS和震源机制的结果大体上具有较好的一致性.

本研究使用天山构造带及邻区范围内新疆区域地震台网的39个固定台站记录的波形数据，采用剪切波分裂系统分析方法——简称SAM方法 (高原等，2008)，对2009年1月至2014年12月期间记录的近场小地震波形进行剪切波分裂的分析，获得地壳各向异性参数.本研究使用的SAM方法，其数据分析的主要内容包括相关函数计算、时间延迟校正和偏振分析检验三个部分.数据处理过程包括重新投影即旋转剪切波的两个水平分量，再进行相关函数计算得到快剪切波偏振方向和慢剪切波时间延迟的初值，并依此分离快、慢剪切波，对两列波进行时间延迟校正，校正后的偏振图应该呈线性，否则要进行重新计算.该方法结合了偏振分析方法 (Crampin, 1977; Crampin, 1978) 和波形互相关方法 (高原和郑斯华，1994)，最大的优点就是可以进行自我检验，能够提高分析结果的准确性.大量的研究结果表明SAM方法计算得到的地壳各向异性结果是可靠的 (高原等，1995；吴晶等, 2007a, 2007b；郑秀芬等，2008；Gao et al., 2009, 2011; Shi et al., 2012).对于单条记录的计算误差，主要受数据采样率的限制，不超过1个采样间隔，而结合相关性分析，误差则会进一步减小 (高原和郑斯华，1994；高原等，1995；Gao et al., 1998).

具有半空间自由表面的各向异性介质，在泊松比为0.25的情况下，剪切波窗口一般约为35°入射角 (Crampin and Peacock, 2005)，但是由于地壳顶部低速沉积层的实际存在，有效的剪切波窗口一般能拓宽到45°~50°(Gao et al., 1998; Crampin and Peacock, 2005).本研究区域地壳厚度较厚，地壳速度结构较粗略，只有粗略的地壳分层速度结构结果 (刘训，2005).因此，参照已有的研究结论 (Crampin and Peacock, 2005；石玉涛等，2006)，我们对使用的资料进行了扩展，采用了入射角小于50°的资料进行分析.由于剪切波窗口的严格数据筛选条件，往往单个台站的有效数据条数不多.在实际应用当中，台站周围是否有足够的小震活动成了获得有效数据的关键.因此，高密度的地震台阵是一个开展地壳剪切波分裂研究的很好的数据来源.图 2是进行滤波处理后STZ台站和YJS台站记录到的剪切波窗口内三分量原始数据波形，台站的采样率为50采样点/秒 (简称50 Hz).图 3和图 4分别是利用SAM软件 (高原等，2008) 滤波后STZ台站和YJS台站的水平分量剪切波列及剪切波质点运动轨迹.由图 3和图 4可见，对慢剪切波进行时间延迟校正后，使慢剪切波初至时刻和快剪切波一致，在偏振分析图上的 (水平分量的) 两列剪切波的质点运动更接近线性特征，从而检验了结果的可靠性.

图 2

Fig. 2

图 2 地震事件原始三分量波形记录 (a) STZ台于2013-09-28记录到的一次震源深度14 km, 震级ML3.3的地震事件.地震波形的采样率50 Hz; (b) YJS台于2014-08-31记录到的一次震源深度10 km, 震级ML1.2的地震事件.地震波形的采样率50 Hz. Fig. 2 Records of seismic waveforms of three components of an earthquake (a) Waveforms recorded at station STZ with sampling rate 50 Hz. This earthquake is ML3.3 on September 28, 2013 with depth 14 km; (b) Waveforms recorded at station YJS with sampling rate 50 Hz. This earthquake is ML1.2 on August 31, 2014 with depth 10 km.

图 3

Fig. 3

图 3 地震台站STZ记录的剪切波分裂分析 (a) 两个水平分量 (NS和EW) 的剪切波波形，箭头表示剪切波开始的位置；(b) 质点运动轨迹，S1、S2分别表示快、慢剪切波的起始位置；(c) 根据分析和波形旋转得到的快 (F) 剪切波和慢 (S) 剪切波的波形，箭头表示快、慢剪切波起始位置；(d) 扣除时间延迟后剪切波质点运动轨迹. Fig. 3 Shear-wave splitting analysis results of the event at seismic station STZ (a) The records of two horizontal shear-wave (NS and EW) components, and the arrows are the starting positions of shear-waves; (b) Particle motion of shear waves. S1 and S2 are starting positions of fast and slow shear-waves, respectively; (c) Fast shear-wave (F) and slow shear-wave (S) are obtained from analysis and waveforms rotating, and the arrows are starting positions of shear waves; (d) Particle motion after correction of time-delay of shear-wave splitting.

图 4

Fig. 4

图 4 地震台站YJS记录的剪切波分裂分析 其他含义同图 3. Fig. 4 Shear-wave splitting analysis results of the event at seismic station YJS Others explanations are same as Fig. 3.

应用SAM方法对区域内固定地震台站记录的有效波形数据进行逐个分析后，得到了39个台站共390条有效记录，每个台站有效地震条目及剪切波分裂参数如表 1，并且将每个台站的有效数据个数差异用柱状图的形式表示出来 (如图 5).统计2009年1月到2014年12月区域内的小震震源深度平均值为7.7 km，在表 1中的SHZ台站和YJS台站分别存在2条和1条原始无震源深度记录，但是震中距分别为2.72 km、2.72 km和2.69 km，远小于平均震源深度，根据波形记录特征和S-P分析，这三条数据应为窗口内事件，故本文分析了快波偏振方向，但是由于震源深度未知，不讨论其时间延迟的大小.

表 1(Table 1)

表 1 天山构造带及邻区固定地震台站基本参数与剪切波分裂参数 Table 1 Parameters of the seismic stations and share-wave splitting in Tien Shan tectonic belt and adjacent areas 分区 台站代号 台网代号 地震计 经度 (°E) 纬度 (°N) 有效记录 平均偏振 方向 (°) 偏振方向 标准差 (°) 平均时间延迟 ms·km-1 时间延迟标准差 ms·km-1 Ⅰ区 A AW JHE XJ BBVS-60 83 44.6 8 140.63 ±15.68 0.84 ±0.43 DSZ XJ BBVS-60 84.9 44.3 6 83.33 ±7.53 1.96 ±0.99 WSU XJ BBVS-60 84.6 44.1 12 125 ±22.36 2.05 ±1.39 SHZ# XJ BBVS-60 85.9 44.2 2 115 ±7.07 - - SCH XJ CTS-1E 85.7 43.9 16 123.13 ±22.35 1.44 ±1.15 HTB XJ BBVS-60 86.6 44.1 3 130 ±5.00 2.92 ±0.55 AM STZ XJ BBVS-60 86.7 43.7 25 8.6 ±12.95 2.64 ±1.65 LHG XJ BBVS-60 87.1 43.6 16 60 ±21.21 2.34 ±1.61 RGN XJ BBVS-60 87.6 43.9 10 167 ±19.03 2.47 ±1.42 WMQ XJ CTS-1E 87.7 43.7 34 50.59 ±29.36 1.67 ±1.73 WSC XJ BBVS-60 87.7 43.5 11 37.27 ±16.79 2.12 ±0.95 AE TCH XJ CMG-3ESPC 88.1 43.9 13 132.31 ±24.29 1.46 ±1.18 GAZ XJ BBVS-60 88.6 43.5 11 97.27 ±20.54 1.39 ±0.89 B BAC XJ CMG-3ESPC 81.6 41.9 15 38 ±19.07 1.56 ±0.76 SMY XJ CMG-3ESPC 79.7 41.6 2 55 ±7.07 3.5 ±1.24 WUS XJ CTS-1E 79.2 41.2 4 43.75 ±2.50 1.67 ±1.12 4 140 ±7.07 AHQ XJ CMG-3ESPC 78.5 40 7 27.86 ±11.85 2.24 ±1.29 5 154 ±11.40 C KUC XJ CTS-1E 82.9 41.9 11 99.55 ±21.73 1.93 ±1.42 LTA XJ BBVS-60 84.2 42 9 7.22 ±12.02 1.42 ±0.81 KOL XJ JCZ-1T 85.8 41.9 4 102.5 ±15.00 3.04 ±1.69 KMS XJ BBVS-60 88.2 42.3 9 113.33 ±29.47 1.46 ±1.12 CBC XJ CMG-3ESPC 81.4 43.5 8 133.75 ±22.16 3.17 ±1.42 XNY XJ CTS-1E 83.3 43.6 15 69 ±17.55 1.85 ±0.97 ZSU XJ CMG-3ESPC 80.4 42.7 2 22.5 ±3.54 1.92 ±1.29 Ⅱ区 D DE XKR XJ BBVS-60 77.6 39.8 10 143.5 ±11.8 1.88 ±0.97 BPM XJ CMG-3ESPC 76.8 39.9 8 103.13 ±27.77 2.03 ±1.35 KSZ XJ CMG-3ESPC 75.9 39.6 13 133.08 ±12.51 2.85 ±1.95 YPH XJ FSS-3BDH 76.7 39.2 7 123.57 ±6.90 1.31 ±0.76 YJS # XJ CMG-3ESPC 76.5 38.5 14 130.36 ±11.34 1.65 ±1.32 DW ATS XJ CMG-3ESPC 75.8 39.8 21 30.95 ±19.72 2.71 ±1.83 WUQ XJ CMG-3ESPC 75.2 39.7 22 26.82 ±15.24 2.17 ±1.35 KSH XJ CTS-1 75.6 39.2 28 5 ±11.22 3.3 ±1.36 Ⅲ区 QHE XJ BBVS-60 90.7 46.5 2 142.5 ±3.54 1.53 ±0.98 FUY XJ CTS-1E 89.6 47 2 147.5 ±3.54 0.84 ±0.53 HBH XJ BBVS-60 86.6 48.2 6 49 ±23.24 1.8 ±2.51 KMY XJ CTS-1E 84.8 45.7 8 51.88 ±13.08 2.76 ±1.05 TAC XJ CMG-3ESPC 83.2 47 3 148.33 ±10.41 3.13 ±3.56 LSG XJ BBVS-60 84.3 45.6 5 33 ±15.65 1.55 ±1.25 WNQ XJ CTS-1E 81 45 4 37.5 ±6.45 2.63 ±1.10 注：本研究区域划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三个分区，其中Ⅰ区又划分A、B、C三个小区和CBC、XNY、ZSU三个零散的台站，D区位于Ⅱ区. #：SHZ台站两条无可靠震源深度记录，YJS台站一条无可靠震源深度记录，只计算其快波偏振方向，不考虑慢波时间延迟.

表 1 天山构造带及邻区固定地震台站基本参数与剪切波分裂参数 Table 1 Parameters of the seismic stations and share-wave splitting in Tien Shan tectonic belt and adjacent areas

图 5

Fig. 5

图 5 天山构造带及邻区所有台站的有效数据个数统计柱状图 Fig. 5 Histogram of valid data of seismic stations in Tien Shan and adjacent areas

研究区域位于中国大陆西北部，区域内地质条件复杂，各向异性情况也表现出一定的复杂性，根据2009年到2014年记录的剪切波分裂综合结果给出了每个台站快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图 (图 6).根据图 1区域构造特征和图 6所有台站快波偏振方向结果将研究区域主要分成三个区域，即Ⅰ区天山构造带、Ⅱ区塔里木盆地西侧和Ⅲ区准噶尔盆地周围.根据快剪切波偏振方向空间分布图 (图 7)，总体看来，本研究区内的快剪切波偏振方向复杂，特征上与构造有相关性.华北地区 (Gao et al., 2011；吴晶等，2007a；赵博等，2011)、华南地区 (Gao et al., 2009；吴晶等，2007b)、西南地区 (石玉涛等，2006；Shi et al., 2012；李金等，2015；太龄雪等，2015) 和青藏东北缘地区 (张辉等，2012) 的地壳剪切波分裂研究都显示出了与构造的强烈相关性.因此，我们把研究区按照构造特点、断裂分布将天山构造带研究区域 (Ⅰ区) 划分为A、B、C三个区域，对快剪切波偏振方向进行分区讨论 (图 7).

图 6

Fig. 6

图 6 天山构造带及邻区各台站快剪切波偏振方向下半球等面积投影与等面积投影玫瑰图 Fig. 6 Equal-area projected rose diagram of fast shear-wave polarizations of each station in the Tien Shan tectonic belt and adjacent areas

图 7

Fig. 7

图 7 天山构造带 (Ⅰ区) 快剪切波偏振方向分布图 蓝色虚线是分区线，A区主要为北天山地区，其中白色虚线是A区内再划分的子区域，简单用西段、中段和东段表示 (AW、AM和AE)，分别代表北天山山前断裂西段、北天山山前断裂中段的断展褶皱系和博格达推覆构造转换部位和北天山最东段区域；B区为西天山；C区为南天山山前断裂带及邻区.图中主要断裂：F1准噶尔南缘断裂，F2西山断裂，F3博格达北缘断裂，F4博罗科努断裂，F5阿吾拉勒山南缘断裂，F6雅马渡断裂，F7乌孙山脊断裂，F8巴音布鲁克断裂，F9包尔图断裂，F10库尔勒断裂，F11南天山山前断裂，F12喀拉铁克断裂，F13柯坪断裂，F14亚马特断裂，F15攻留南断裂，F16普昌断裂. Fig. 7 Polarizations of fast shear waves in the Tien Shan tectonic belt (Zone Ⅰ) Blue dash lines are areas divided line, Zone A is mainly North Tien Shan area, white dash lines are sub regions in zone A, Zone AW is west part of North Tien Shan piedmont fault; Zone AM is middle part of North Tien Shan piedmont fault; Zone AE is east part of North Tien Shan piedmont fault; Zone B is West Tien Shan; Zone C is South Tien Shan piedmont fault. Major faults in Fig. 6: F1 Junggar south edge fault, F2 Xishan fault, F3 Bogda north edge fault, F4 Boluokenu fault, F5 Awulaleshan fault, F6 Yamat fault, F7 Wusunshan fault, F8 Bayanbulak fault, F9 Bort fault, F10 Korla fault, F11 Southern Tien Shan piedmont fault, F12 Galatieke fault, F13 Kalpin fault, F14 Yamate fault, F15 Gongliunan fault, F16 Puchang fault.

天山构造带 (Ⅰ区) 可以按北天山、西天山和南天山分为三个区.把北天山地区记为A区，A区内的台站包括北天山山前断裂系附近的13个台站，但这些台站的快波偏振方向仍然具有明显的分段性.根据获得的结果，A区大致可以分为三个子区.西段的子区记为A_W，位于北天山山前断裂附近的JHE、DSZ、SHZ、HTB、WSU和SCH这6个台站快剪切波偏振方向具有较好的一致性 (图 7)，总体基本平行于北天山山前断裂系的准噶尔南缘断裂 (F1) 和博罗科努断裂 (F4) 呈近NW方向.震源机制的结果表明，由于受局部构造运动影响或某种作用力因素制约，北天山前缘断裂带西段构造的应力场呈现NW向近水平挤压 (高国英等，2005)，与A_W区域内主要台站的快剪切波偏振方向具有较好的一致性.在子区A_W范围内的JHE、WSU和SCH台站位置较靠近北天山内部，快波偏振方向和断裂走向一致呈NW方向，区域北侧稍远离北天山的DSZ、SHZ、HTB台快波偏振方向总体呈现NWW方向，与靠近断裂的台站快波偏振方向具有一定的夹角，这种差异可能是由于靠近天山内部的台站所处的区域受到应力挤压和介质变形的复杂影响而导致的.子区A_M位于北天山山前断裂系东段的断裂带弯折部位，区域内的断裂走向复杂，快波偏振方向也呈现一定的复杂性 (如图 7).STZ和RGN台站位于西山断裂 (F2) 附近，快波偏振方向近似垂直于断裂走向.一方面西山断裂 (F2) 位于北天山山前断展褶皱系与博格达推覆构造系的转换部位，属于逆断裂 (冉康勇等，2007)；另一方面A_M区域内的地表高程较低，构造条件复杂，位于准噶尔盆地向北挤压锲入的地区 (赵淑娟等，2014).震源机制的结果表明，北天山的最大主应力方向从东到西呈现出NNE-NS-NW方向 (龙海英等，2008).STZ和RGN台站的快波偏振方向和NNE方向的最大主压应力方向具有很好的一致性.子区A_M的LHG、WMQ和WSC台站偏振方向近似NE偏NEE方向，亚马特断裂 (F14) 在这个区域内变向为NNE走向，这三个台站的快剪切波偏振方向和亚马特断裂 (F14) 走向一致性较好.从构造上看，子区A_M位于断裂带的交汇转折区域，该地区的快波偏振方向可以认为受到局部的构造应力、断裂和地表起伏的共同影响.研究表明，复杂的局部构造能够控制或者影响台站的快波优势偏振方向，可能会导致偏振方向和主要活动断裂的走向不一致或相邻台站间的差异 (Shi et al., 2009；Gao et al., 2009; 2011).子区A_E里的TCH和GAZ台站的快波偏振方向分别呈近NW和NWW方向，这两个相邻的台站的快波偏振方向具有一定的角度差异 (图 7).位于A区西南侧XNY台的快波偏振方向近EW方向，与附近的雅马渡断裂 (F6)、乌孙山脊断裂 (F7) 走向基本一致，近乎平行于天山造山带走向，更多地体现了断裂的影响.位于XNY台西侧的CBC台站，快波偏振方向近NW方向，则由于远离断裂，更多地体现了区域主压应力的影响.

研究区域B位于西天山断裂带附近，柯坪断裂 (F13) 附近的WUS台站拥有两个快剪切波优势方向，其中一个优势方向和普昌断裂 (F16) 附近的SMY台站的优势方向一致，为近NE方向，平行于断裂走向 (图 7)，与赖院根等 (2002)利用剪切波分裂得出的快波偏振方向和断裂走向基本一致的结果具有较好的一致性.但是，本研究中WUS台还展现出另一个近NW方向的优势方向，与断层走向基本正交.与WUS台站相邻的AHQ台站也表现出来两个优势偏振方向，一个优势方向为NNE，与断裂走向相关，另一个方向为NNW方向，与断裂走向基本正交.根据主要反映上地幔各向异性的SKS分裂研究结果，WUS和AHQ这两个台站有两个快波偏振方向，一个为NE方向，与断裂走向平行，另一个为SEE方向，近似垂直于断裂走向 (Li et al., 2010).本研究得到的WUS台和AHQ台的地壳快波偏振方向和上地幔SKS快波偏振方向大致平行.根据震源机制的反演结果，位于塔里木地块西北边缘的阿克苏—拜成地区，主压应力为NW向，垂直于NE方向的构造走向 (高国英等，2005；高国英等，2010).因而认为WUS和AHQ台快波偏振方向呈现两个方向的现象，是区域主压应力和局部断裂共同作用的结果.已有研究表明，断裂、区域应力和局部构造都会影响到剪切波分裂的特征 (Gao et al., 2011).B区北边ZUS台站位于巴音布鲁克断裂 (F8) 和哈尔克套断裂 (F9) 附近，快波偏振方向近NNE方向，但是ZUS台站记录到的有效数据仅有两条，还需要增加数据来进一步分析.

C区是南天山地区，位于南天山山前断裂带附近，区域内KUS、KOL和KMS三个台站的快波偏振优势方向大约为NWW方向，显示出与断裂的走向有很强的相关性 (图 7).但有趣的是，LTA台站的快波优势偏振方向则为近NS方向，与其他台站截然不同.构造研究表明，天山造山带南部的塔里木盆地作为一个独立的地壳构造单元，其地壳向两侧山系之下俯冲，南天山作为塔里木板块的一部分俯冲到了天山之下 (刘训，2005).本研究的LTA台NS向的快波优势偏振方向，可能正是揭示了这种天山造山带受到塔里木盆地挤压作用的影响.

Ⅱ区位于塔里木盆地西侧 (图 1)，从地理位置看，该区域内 (即D区) 的台站快剪切波偏振优势方向有明显的区域性不同，大致可为东、西两个子区 (图 8).东子区D_E里的KSZ、BPM、XKR、YPH和YJS五个台站基本都位于靠近塔里木盆地内侧，快剪切波偏振优势方向一致地都为近NW方向.之前对伽师地区的研究认为，塔里木盆地北缘存在明显的不均匀性，与天山之间的接触变形关系显示了塔里木盆地NNW方向的挤压作用 (刘启元等，2000).而根据伽师地区剪切波分裂结果 (赖院根等，2002)，认为在塔里木盆地北缘附近应力场呈现不均匀性，塔里木盆地内侧的快波优势方向主要为NW和NNW方向，本研究得到的D_E区台站的快剪切波偏振优势方向与其有较好的一致性.东子区D_W里的WUQ、ATS和KSH三个台站平均快剪切波偏振方向均呈现NNE近NS方向，与D_E的结果截然不同，D_W区域的结果可能反映了帕米尔高原受到印度—欧亚板块碰撞产生的北向挤压作用，即区域内NNE近NS方向快剪切波偏振主要反映了区域主压应力的作用.

图 8

Fig. 8

图 8 塔里木盆地西侧 (Ⅱ区) 快剪切波偏振方向分布图 DE区域为靠近塔里木盆地区域；DW区域为塔里木盆地西端盆山交汇区；图中主要断裂：F1和田断裂，F2马尔康断裂，F3卡兹克阿尔特断裂，F4艾肯尔特断裂，F5布伦口断裂. Fig. 8 Polarizations of fast shear waves in the west side of Tarim Basin (ZoneⅡ) Zone DE is close to Tarim Basin; Zone DW is close to mountain area; Major faults: F1 Hotan fault, F2 Barkam fault, F3 Kzikeerte fault, F4 Aikenerte fault, F5 Bulunkou fault.

准噶尔盆地周围地区记为Ⅲ区.区域内一些台站零散分布在准噶尔盆地西北和东北两侧 (图 9).盆地西北侧的WNQ、LSG、KMY台的快波偏振方向为近NE方向，具有较好的一致性，与库松木楔克断裂 (F5)、达尔布特断裂 (F3) 大致平行.准噶尔盆地东北侧的阿尔泰断裂一方面受到南部印度—欧亚碰撞效应的影响，同时另一方面受到蒙古—西伯利亚的动力作用，表现出比较强烈的活动，其变形主要样式以右旋剪切为主 (沈军等，2003).准噶尔盆地西北侧三个台站NE方向的快波偏振优势方向，反映了这种变形和应力分布的特征.位于阿尔泰断裂带东南段的FUY和QHE台站快波偏振方向基本一致，呈近NW方向，与NW近NWW走向的玛因鄂博断裂 (F2) 和额尔齐斯河断裂 (F4) 走向有很好的相关性.但是阿尔泰断裂带西北段上的HBH台的快波偏振方向为NE方向，近似垂直于哈巴河断裂 (F1) 走向，展现了原地主压应力的方向为NEE方向的挤压，快波偏振方向没有受到断裂的影响.SKS分裂揭示的阿尔泰山上地幔快波方向为NW-SE方向，与阿尔泰造山带的构造走向一致，认为该区域具有壳幔耦合特征，符合垂直连贯变形模式 (常利军，2014).TAC台站位于准噶尔盆地西北侧的区域内，本研究得到的地壳快剪切波偏振方向近NW方向，呈现了不同方向的主压应力.由于该台站只有3条有效记录，有待更多资料的积累和深入讨论.

图 9

Fig. 9

图 9 准噶尔盆地附近 (Ⅲ区) 台站快剪切波偏振方向分布图 图中主要断裂：F1哈巴河断裂，F2玛因鄂博断裂，F3达尔布特断裂，F4额尔吉斯河断裂，F5库松木楔克断裂. Fig. 9 Polarizations of fast shear-wave in the Junggar Basin (Zone Ⅲ) Major faults: F1 Habahe fault, F2 Mayinebo fault, F3 Daerbute fault, F4 Eerjisihe fault, F5 Songkumuqike fault.

天山构造带的剪切波分裂数据显示了明显的分区特点，根据剪切波的波形数据逐条分析结果，可以获得剪切波分裂参数的分区统计平均值 (表 2)，并且将每个子区有数据个数用柱状图的形式表示出来 (图 11).从区域上看，天山构造带区域 (Ⅰ区) 可大致分为北天山、南天山和西天山构造带等三个区，以及塔里木盆地西端的盆山交汇区域 (Ⅱ区) 和准噶尔盆地东北及西北的造山带区域 (Ⅲ区).根据快剪切波偏振方向，有些区域内又清楚地勾画出不同的子区 (图 1，图 7—图 9).

表 2(Table 2)

表 2 天山构造带及邻区快剪切波分裂参数分区统计 Table 2 Shear-wave splitting parameters of the seismic stations in Tien Shan tectonic belt and adjacent areas 分区 子区 有效数据个数 平均快剪切波偏振方向 (°) 偏振方向标准差 (°) 平均慢剪切波时间延迟 (ms·km-1) 时间延迟标准差 (ms·km-1) Ⅰ AW 47 121.60 ±24.34 1.74 ±1.21 AM# 96 33.07 ±31.10 1.66 ±1.18 AE 24 116.25 ±28.45 1.43 ±1.03 B 28 37.5 ±16.58 1.91 ±1.12 9 147.78 ±11.76 C 24 105.21 ±7.22 1.79 ±1.28 9 7.22 ±12.02 Ⅱ DW 71 19.44 ±19.23 2.77 ±1.56 DE# 52 123.65 ±26.72 2.00 ±1.47 Ⅲ - 23 44.52 ±17.07 2.18 ±1.75 7 146.43 ±6.9 注：B、C和Ⅲ区都有两个优势方向; “-”表示Ⅲ区没有进一步分成子区域.#：由于AM区和DE区各有2条和1条无可靠震源深度的地震记录，所以AM区时间延迟计算条数为94条，DE区时间延迟计算条数为51条.

表 2 天山构造带及邻区快剪切波分裂参数分区统计 Table 2 Shear-wave splitting parameters of the seismic stations in Tien Shan tectonic belt and adjacent areas

图 11

Fig. 11

图 11 天山构造带及邻区分区有效数据个数统计图 Fig. 11 Histogram of valid data of divided areas of the Tien Shan tectonic belt and adjacent areas

如前所述，北天山构造带 (A区) 由西往东可分为三个子区，即A_W、A_M和A_E三段.子区A_W里共47条有效数据，平均快剪切波偏振方向为121.6°±24.34°，与北天山山前断裂走向有关联，也与区域主压应力方向一致 (图 10a).子区A_M里有STZ、RGN、LHG、WMQ和WSC五个台站共96条有效记录，平均快剪切波偏振方向为33.07°±31.10°，快剪切波偏振方向主要分布在NE方向，优势方向有近NS和NE两个方向，总体上为近NNE方向 (图 10b)，揭示了该区在近NS方向的背景主压应力作用下，地壳局部区域的挤压变形导致局部地区应力分布和构造的变化.A_E子区有TCH和GAZ台站共24条有效记录，平均快剪切波偏振方向为116.25°±28.45°，近NWW快剪切波偏振优势方向与该区域局部构造走向有较好的一致性 (图 10c)，可能反映了上地壳介质的应力分布特征.从三个子区的误差大小可以看出，子区A_M的快波偏振方向离散程度大于A_W和A_E区，也进一步揭示A_M区域的各向异性情况更加复杂.西天山构造带 (B区) 有AHQ、WUS、SMY、BAC四个台站，表现出两个快剪切波偏振方向，一个快波方向共28条有效记录，平均为37.5°±16.58°呈NE方向，为主要优势方向，近似平行于西天山构造带的走向 (图 10d)；另一个快波方向共9条有效记录，平均方向为147.78°±11.76°，近NW方向为第二优势方向，近似垂直于西天山断裂带走向 (图 10d)，反映了局部应力挤压的效果.C区主要位于南天山山前断裂带区域，区域内的四个台站共31条有效记录，也有两个快剪切波偏振优势方向.一个优势方向包含KUC、KOL、KMS三个台共24条有效记录，平均快剪切波偏振方向为105.21°±7.22°，近NWW方向与南天山山前断裂带及区域内主要断裂的走向基本一致 (图 10e)；另一个快波优势偏振方向由LTA台站的9条有效记录形成，平均方向为7.22°±12.02°，与南天山山前断裂带走向基本正交，呈近NS向 (图 10e)，如此清楚的优势方向，表明了该台站所在的原地主压应力方向与背景应力一致，但与东西两侧的局部应力不同，揭示了局部区域上地壳介质变形与其他地方的不同.

图 10

Fig. 10

图 10 天山构造带及邻区快剪切波偏振方向玫瑰图 (a)—(h) 分别是AW区内、AM区内、AE区内、B区内、C区内、DE区内、DW区内和Ⅲ区内的台站全部有效记录.其中 (a)—(e) 都位于Ⅰ区，(f)—(g) 位于Ⅱ区. Fig. 10 Equal-area projection rose diagram of fast shear-wave polarizations in the Tien Shan tectonic belt and adjacent areas (a)—(h) are effective recordings in zone AW, AM, AE, B, C, DE, DW and zone Ⅲ. (a)—(e) are located in zoneⅠ, (f)—(g) are located in zoneⅡ.

本研究区的Ⅱ区即是塔里木盆地西端盆山交汇区 (D区)，该区是西天山构造带与西昆仑构造带的西部交汇区，复杂的构造环境造成了该区地壳各向异性的复杂分布.D_E区内五个台站的快剪切波偏振优势方向非常清晰，为近NW方向 (图 10f)，平均偏振方向为123.65°±26.72°，清楚地指示出盆地区主压应力方向.D_W区域内的三个台站平均快剪切波偏振方向为19.44°±19.23° (如图 10g)，快波偏振优势方向大致为NNE方向，但实际上快波偏振方向在南部近NS方向而北部为NNE近NE方向，充分反映了区域的强烈变形导致的应力场的空间变化.D_E区和D_W区的台站可简单归类为塔里木盆地地区以及西天山构造带与西昆仑构造带的西部交汇强烈变形区，不同的区域构造特征、不同的变形及主压应力分布导致了偏振方向的差异.从D_W和D_E子区的偏振方向玫瑰图的离散程度看来，靠近盆岭交汇区域的各向异性程度更加复杂一些.

Ⅲ区也是一个构造非常复杂的区域，位于准噶尔盆地北部，与盆地东北及西北的造山带区域相汇.总体上看，快波偏振优势方向主要呈NE-SW和NW-SE两个方向 (图 10h)，其快波方向平均值一个为44.52°±17.07°，另一个为146.43°±6.9°(表 2).结合图 9和图 10可以看出，NW方向的快波偏振主要受到阿尔泰断裂的控制，NE方向的快波偏振则主要受到达尔布特断裂 (F3) 的影响，而个别台站的结果显然与局部构造、应力和地壳介质变形的共同作用有关.

根据区域构造和快剪切波偏振优势方向可以发现，天山构造带及邻区的剪切波分裂呈现出分区性，反映了该区域地壳介质地震各向异性的分区特点.表 2给出了天山构造带及邻区的分区平均慢剪切波时间延迟及标准差.北天山构造带 (A区) 由东往西的三个子区A_E、A_M和A_W的慢波时间延迟平均值分别为1.74±1.21 ms·km^-1、1.66±1.18 ms·km^-1和1.43±1.03 ms·km^-1.可以看出，北天山构造带的慢波时间延迟呈由西向东递减的趋势，A_W区域的各向异性程度最强，A_M区各向异性程度大于A_E区.局部区域相对更强的各向异性程度，结合该地区快波偏振揭示的主压应力方向也不同于其东侧，揭示了局部区域的地壳挤压变形和局部强各向异性特征，与该区域的复杂构造背景有密切关系，可能反映了准噶尔盆地对天山构造带的挤压作用呈现由西向东的递减趋势.南天山构造带 (C区) 慢波时间延迟平均值及标准差为1.79±1.28 ms·km^-1，而西天山构造带 (B区) 慢波时间延迟平均值及标准差为1.91±1.12 ms·km^-1.而且B区和C区的平均慢波时间延迟均大于A区，各向异性程度更加强烈.另一方面，位于塔里木盆地西侧的D_W区域慢波时间延迟平均值及标准差为2.77±1.56 ms·km^-1，大于靠近塔里木盆地的D_E区慢波时间延迟的2.00±1.47 ms·km^-1.构造复杂的准噶尔盆地北部 (Ⅲ区) 与盆地东北的阿尔泰山及西北的扎伊尔山和谢米斯台山相汇，该区域的慢波时间延迟平均值及标准差为2.18±1.75 ms·km^-1.

总体上看，塔里木盆地西侧 (Ⅱ区) 和准噶尔盆地北部 (Ⅲ区) 的慢剪切波时间延迟都大于天山构造带三个子区.揭示了这几个地区相对更强烈的各向异性特征.塔里木盆地和准噶尔盆地相对于天山构造带属于较硬块体，A_M区则把北天山构造带分割为东、西两段，这可能暗示了在不同构造的交汇区和强变形地区，更容易积聚更强的各向异性.

根据近场小地震波形记录的剪切波分裂分析，本研究获得了天山构造带及邻区的地壳各向异性基本特征.通过对研究区域39个固定地震台站的地壳剪切波分裂分析，得到如下结论或认识.

(1) 天山构造带及邻区的地壳各向异性具有明显的分区性，各向异性参数与地震台站附近的局部构造、地壳介质变形和应力分布有重要关联.

(2) 天山构造带主要区域 (Ⅰ区) 的地壳快剪切波偏振优势方向呈现出两个优势方向的特点，第一优势方向大致平行于台站附近断裂的走向和天山构造带的走向，反映了区域构造和应力对快剪切波偏振方向产生的综合影响，另一个优势方向则可能反映了主压应力的直接作用.在北天山地区有一个特别的现象，大约在以87°E、43.6°N为中心半径约90~100 km的一个区域 (图 7中的子区A_M)，局部地壳介质受到准噶尔盆地挤压变形，应力作用导致快剪切波偏振优势方向与东、西两侧明显不同，与主要断裂走向大角度相交.在南天山地区也存在一个区域 (至少在LTA台站周围)，局部地壳介质受到塔里木盆地挤压变形，应力作用导致快剪切波偏振优势方向与主要断裂走向近似正交.这些现象表明，天山构造带在准噶尔盆地和塔里木盆地双向挤压隆起的过程中，产生了强烈的局部变形不均匀分布.

(3) 在塔里木盆地西侧的盆山交汇区 (Ⅱ区)，地壳各向异性同样存在明显的分区特点，靠近盆地内侧区域的快波偏振优势方向揭示出塔里木盆地内的主压应力方向可能是NW方向.在塔里木盆地西端，西天山构造带和西昆仑构造带交汇区大致为NNE方向的快波偏振方向，实际反映了南部近NS方向和北部NNE近NE方向的主压应力分布，展现出局部区域的强烈变形及空间变化，可能是局部构造和帕米尔高原NS向推挤的共同作用.

(4) 准噶尔盆地北部 (Ⅲ区) 同样显示了两个快波偏振优势方向，一个为NE方向，另一个为NW方向，主要受到台站附近断裂的影响，而个别台站快波偏振方向与附近台站的不同，可能与局部构造、应力和地壳介质变形的共同作用有关.

(5) 塔里木盆地西侧盆山交汇区 (Ⅱ区) 和准噶尔盆地北部 (Ⅲ区) 的慢剪切波时间延迟大于天山构造带 (包括南天山、北天山和西天山构造带)，显示出相对更强的地壳各向异性特征.天山构造带C区南天山和B区西天山的慢剪切波时间延迟比A区北天山构造带要更大一些，揭示出更强的地壳各向异性特征，可能是由于塔里木盆地向北挤压的作用强于准噶尔盆地向南的挤压作用.

(6) 天山构造带主要区域 (Ⅰ区) 存在快剪切波偏振优势方向大致平行于构造带走向的现象，与他人研究得到的区域地壳上地幔各向异性方向基本一致，这是否暗示了天山构造带区域的壳幔没有解耦，地壳和地幔存在垂直连贯变形作用，可能还需要更多的观测证据.

本研究使用了新疆地震台网的波形数据，感谢新疆维吾尔自治区地震局李金在数据收集和前期整理方面给予的帮助.