《Earthquake Science》：High-resolution 3D shallow crustal structure of Urumqi foreland thrust tectonic belt, northern Tianshan, based on ambient noise tomography
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为揭示北天山乌鲁木齐前陆逆冲构造带复杂的浅部地壳结构及其与地震活动性的关系，作者部署了密集台阵，利用背景噪声层析成像技术，反演获得了该区域0-8 km深度的高分辨率三维S波速度模型。结果显示，沉积物厚度由东南向西北递增，最大超过8 km；西山、碗窑沟及雅玛里克断裂两侧的速度差异可能促进了逆冲作用的发生；地震多集中于南部高速区或断裂附近，博格达山西北部存在一西北走向的低速带，可能控制该区域的地震活动。该研究为理解该区域的构造机制与孕震环境提供了关键地球物理依据。
北天山地区地处印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应带，自新生代晚期以来构造活动强烈，形成了包括乌鲁木齐前陆逆冲构造带在内的复杂地质单元。这里断层纵横，历史上曾多次发生破坏性地震，例如1906年距乌鲁木齐以西180公里的7.7级地震，以及2016年发生在乌鲁木齐西北约100公里处的呼图壁6.2级地震。乌鲁木齐市恰好坐落于这个构造带上，人口密集，因此，清晰揭示其地下浅部结构，对于理解断层活动机制、评估地震风险至关重要。然而，此前对该区域速度结构的研究相对有限，多依赖于稀疏台网的区域尺度反演或二维剖面，缺乏对0-8 km深度范围内精细三维结构的刻画，这限制了我们对与地震发生密切相关的断层空间位置和活动方式等关键特征的理解。
为了回答“乌鲁木齐前陆逆冲构造带的浅部地壳精细结构是什么样？它如何控制地震活动？”这一问题，研究人员开展了一项高分辨率成像研究。他们于2022年12月17日至2023年1月17日，在乌鲁木齐前陆逆冲构造带布设了80个台站组成的密集流动地震观测台阵。通过处理约30天的连续背景噪声数据，提取了0.5-10秒周期的瑞雷面波群速度频散曲线，并采用直接反演方法，最终构建了研究区0-8 km深度的高分辨率三维S波速度模型。
研究主要运用了三个关键技术方法：首先，密集台阵观测：在约23×22 km的区域内布设平均台间距约2 km的80个三分量数字地震仪，为高分辨率成像提供了数据基础。其次，背景噪声层析成像：通过对台站间连续噪声记录进行互相关计算，提取经验格林函数，并从中手动拾取高质量的瑞雷面波群速度频散曲线。最后，瑞雷波群速度频散曲线的直接反演：采用一种直接反演法，将台站对间的频散曲线直接反演为三维S波速度模型，避免了传统“两步法”中先反演二维速度的中间步骤，并利用快速行进算法计算射线路径，从而能够更好地约束浅部复杂结构。
结果：
1. 三维剪切波速度结构
在0-8 km深度范围内，S波速度模型（）显示出显著的横向不均匀性。整体上，研究区表现为普遍的低速特征，对应于乌鲁木齐坳陷内的巨厚沉积层。沉积物厚度呈现东南薄、西北厚的趋势，最大厚度超过8 km。在浅部（0-1 km），速度特征主要与地表构造相关，碗窑沟断层北侧存在连续的低速异常，而其南侧速度相对较高。至6-8 km深度，西山和雅玛里克断层北侧仍存在显著低速异常，南侧则普遍为相对高速区，这些断层可能构成了盆地与山脉的边界。此外，在研究区东南角，博格达山西北侧出现一个西北走向的低速带。
2. 沉积物分布
三维S波速度模型清晰地揭示了沉积物的分布（）。低速区（vS< 3 km/s）主要分布在研究区的西北部，即乌鲁木齐坳陷的位置。基于速度约为2 km/s的界面（可能对应新生代沉积基底）的起伏可以看出，新生代沉积层从东南向西北逐渐增厚，这与该区域中-新生代沉积的分布特征一致。
3. 断裂构造分析
通过垂直速度剖面（）分析发现，西山、碗窑沟和雅玛里克等逆冲断层两侧存在明显的速度差异。例如，西山断层北侧为低速，南侧为相对高速；碗窑沟断层南侧高速、北侧低速。这种速度结构的差异可能促进了逆冲作用的发生，并且逆冲模式通常表现为低速一侧向高速一侧的逆冲。这些断层在速度图像上勾勒出了盆地的边界。
4. 对地震活动性的启示
将地震事件投影到速度切片上发现（），深度小于3 km时地震较少，且多集中在研究区南部。3 km以下深度地震数量增加，主要分布在断裂附近或南部相对高速的区域，表明高速结构更有利于应力积累进而产生地震。在6-8 km深度，博格达山西北部密集的地震分布与研究模型中观察到的西北向低速带高度吻合，这表明该软弱带很可能控制了该区域的地震活动。
结论与讨论
本研究利用背景噪声层析成像获得了乌鲁木齐前陆逆冲构造带0-8 km深度的高分辨率三维S波速度模型。模型揭示了沉积物由东南向西北增厚的分布特征，以及西山、碗窑沟、雅玛里克等主要断裂两侧的速度差异。研究指出，断裂两侧的物理性质差异可能是促进其发生逆冲作用的因素之一，且逆冲方向与断裂两侧的速度模式相关。地震活动性分析表明，浅部地震稀少，而3 km以下深度地震活动增强，且多集中于断裂附近或南部高速区，印证了高速结构更易积累应力。特别重要的是，在6-8 km深度发现的西北走向低速带与地震丛集区有良好对应关系，可能指示了一条控制该区地震活动的深部隐伏断裂。
这项研究首次以高分辨率三维模型的形式，精细刻画了乌鲁木齐前陆逆冲构造带的浅部地壳结构，明确了沉积分布、断裂构造特征及其与地震活动的潜在联系。研究成果为该区域的地震构造机理研究和未来防震减灾工作提供了重要的基础地球物理数据，对于理解活动逆冲带浅部孕震环境具有重要的科学意义。论文发表在《Earthquake Science》上。
