麦哲伦海山区重力特征及深部特征

2016-09-06赵俐红杨明明凌子龙

中国科技信息 2016年7期

赵俐红　杨明明　张超　凌子龙

麦哲伦海山区重力特征及深部特征

赵俐红杨明明张超凌子龙

麦哲伦海山区的自由空间重力异常最明显的特征是海山链呈串珠状的圈闭带，正异常圈闭带被相互贯通的负异常区域切割包围，多数海山具双峰特征。布格异常呈高值和低值片状出现，被中间一条高异常带分成两部分，海山的异常值较小，周围洋盆的异常值较大。向上延拓过程中海山区的异常衰减快，洋盆区域的异常衰减较慢。这些同反演得到的Moho面埋深分布，都说明了Moho面的起伏变化与地形起伏基本为镜像关系，海山区域的Moho面埋藏较深，周围洋盆区域的Moho面埋藏较浅，总体上保持地壳均衡补偿的要求。

麦哲伦海山链位于西北太平洋马里亚纳海沟东侧、东马里亚纳海沟和皮加费塔海盆之间，成因上属于火山构造隆起，是库拉板块内部规模较大的一条海底火山链。该区域富有大量的富钴结壳等资源，是太平洋重点研究区域之一。

重力场特征

重力模型是绘制构造结构的有效工具，尤其是对船只无法到达或被厚沉积物覆盖而未被描绘的深部洋盆的地形非常有效。本文结合该区构造地貌和重力场特征，研究麦哲伦海山区的深部构造特征。本文重力数据基于最新的Sandwell全球海洋重力模型，为计算方便，把数据重新网格化为5’ ×5’。

自由空间重力异常

自由空间重力异常是实测重力值经高度后改正归算到大地水准面，再减去正常重力值所得到的重力差。它只是消除了高程对观测值的影响，地表到大地水准面的重力效应仍然存在，相当于把这一层的质量都压缩到了大地水准面上。做正常场校正，与密度正常分布的大地椭球体比较，其差值反映的是实际地球的形状和质量分布与大地椭球体的偏差。大范围内的负自由空间重力异常表明地壳深部存在相对质量亏损，反之，则存在相对盈余。可见自由空间重力异常与深部物质的盈余或亏损有直接的关系，因此可以利用自由空间重力异常来研究大洋的深部构造特征。目前卫星测高所得的自由空间重力异常已广泛应用于洋脊扩张率和区域构造演化（如海槽扩张和俯冲带等海底构造、海盆演化）等研究中，并取得了较好的效果。

本文从SandWell全球海洋重力模型中抽取的重力数据即为自由空间重力异常。

由研究区自由空间重力异常图可以看出，研究区自由空间重力异常最显著的特征是对应于海山链上一座座海山的串珠状正异常圈闭带，这些正异常圈闭并不贯通，被海山之间山谷的负异常所切割包围，而这些负异常是相互贯通的。海山链周围的背景场值在-10～20mGal左右，海山的重力异常值变化幅度较大，多在50～240mGal之间，部分单个海山顶部的异常值甚至超过240mGal，这也与海山的高度和体积有关。从图中也可以看出麦哲伦海山链及周边海山多具有双峰特征，这与断裂对海山的改造作用有关。

麦哲伦海山链西侧马里亚纳海沟的异常值最低，接近-300mGal，表现为负的重力异常条带，垂直于海沟方向的重力梯度变化很大，可见由于板块俯冲作用而产生的重力效应并未对麦哲伦海山链的周边地区造成大的影响。洋侧正的重力异常区不完整，一般在0～20 mGal之间，这种正的重力异常意味着太平洋板块在马里亚纳海沟处伴随俯冲作用发生的上隆弯曲作用较弱，推测海沟的形成可能与菲律宾海一侧的马里亚纳海槽扩张和马里亚纳岛弧后撤有关，同时俯冲板块的负浮力、太平洋板块往西年龄越老和沉降速度越来越大都有可能起到了较大的作用，然而太平洋板块自身往西的主动推挤作用并不强。

布格重力异常

根据卫星测高得到的自由空间重力异常是地壳内部密度分布不均匀的综合反映，包含目标体和非目标体的综合信息。布格重力异常是测点以下到正常地壳厚度之间的剩余质量和基准面以下因侧向密度不同，以及正常地壳厚度面附近由于低密度体、山根、反山根等质量差异所造成的重力效应的总和。因此可以利用布格重力异常推测地下密度分布和测点以下的正常厚度面附近的特殊地质体。

将自由空间重力异常数据与地形数据的地理坐标相对应，利用海洋地球物理调查规范中的海洋布格重力计算公式进行地形校正，从而获得布格异常数据，其公式如下：

其中，ΔgB为布格重力异常值，为岩石密度，取其平均值2. 7 g/ cm3，为海水密度，取1. 03 g/ cm3；是海水深度。经计算得到布格异常图。

由布格重力异常图可知，麦哲伦海山区的布格异常高值和低值以片状出现，中部为一条很宽的高值异常带，将该区分割为南北两个部分，南部的Saipan海盆异常值可达420mGal，这是深海海盆布格异常高值的表现。两高值区中间所夹的异常低值在220～260mGal之间，地理位置与麦哲伦海山链上的海山相对应，与单座海山的形态相比，布格重力低值在排列上更具有方向性。从整体上看，海山的异常值较低，周围洋盆的异常值较大，可见海山、海盆的异常幅值变化与地形起伏呈反比关系，实质上反映了与地形基本成镜像对称关系的Moho面的起伏变化，以总体上保持地壳的均衡补偿。

图1　麦哲伦海山区自由空间重力异常图

图2　麦哲伦海山区布格重力异常图

图3　麦哲伦海山区重力异常向上延拓1000m

图4 麦哲伦海山区Moho面埋深分布图

向上延拓

将观测点的实测异常值换算到观测面以上某一高度得到的区域异常，即为向上延拓。理论上，向上延拓具有严格的数值公式，是一种稳定的数值运算，计算结果具有收敛性、稳定性和单一性。向上延拓过程实际上是一个低通滤波过程，在向上延拓的过程中，浅部的高频信号和深部的低频信号都在衰减，只不过高频信号衰减的相对快一些，因此重力异常向上延拓的主要作用是突出规模较大的（区域性的或深部的）异常体的特征，而压制规模较小的（局部的或浅部的）异常体的特征。

对麦哲伦海山区重力异常作向上延拓1000m处理，从图中可以看出，海山部分的异常值较低，多在320～340mGal之间，而海山周围洋盆的异常值普遍较高，达到360mGal以上。说明在向上延拓过程中对水深较浅的海山的异常压制很强烈，异常体的场源衰减较快；而区域性的洋盆水深较大，异常体场源衰减较慢，异常幅度变化不大，这也反映了洋壳深处密度界面的起伏状况。

反演Moho面埋深

地球物理资料已经证实了地球的圈层结构，地震学的最新资料认为地球内部各层的界面是起伏变化的，各层内也存在着密度分布的横向不均匀。而重力场也同样具有成层分布的特征，布格重力异常正是测点以下到正常地壳厚度之间各种地质体密度分布不均匀效应的总和。根据重力来反演密度界面是一个经典的问题，其中一项比较重要的用途就是用来描述地壳的不连续性，也就是根据重力来计算Moho面的埋深。

通常布格重力异常中包含一些地壳浅层甚至内部的结构变化信息，在反演Moho面起伏时存在高频信息的干扰，因此在处理中先通过滤波排除高频的影响，使得反演结果可靠。反演方法采用Parker-Oldenburg密度界面反演公式。

Parker公式是基于重力异常的傅里叶变换，将引力位引入到频率域中，给出地下物质界面起伏所产生的重力异常在频率域中的表达式为：

Oldenburg（1974）重新整理了Parker公式，以用来计算密度界面的形态：

其中，Δg为重力异常，F（Δg）为重力异常的谱，G为万有引力常数，k为圆频率，ρ为界面上下物质密度差，h为界面起伏，Z0为Moho面平均埋深，h即为相对于Z0的Moho面的起伏。当Moho面的最大起伏远远小于它的平均埋深Z0时，上式收敛很快，满足迭代过程中的要求。

Nagendra将Parker-Oldenburg公式应用在二维密度界面反演上，假定已知界面的平均埋藏深度和界面上下的密度差异，可以通过计算得到地球内部密度界面的起伏状态。本文中Moho面的平均埋深取15km，壳幔岩石密度差取0.6g/cm3，经迭代计算，得到各区域的Moho面埋深分布如图。

由Moho面埋深分布图可知，麦哲伦海山区的Moho面埋深呈片状不均匀分布，深度大部分在12～20km之间。Moho面的埋深在垂向上差异很大，洋盆区域Moho面埋深较浅，在14km以下；海山区域Moho面埋深较深，在17km以上，有些甚至超过20km，这是由于海山的岩浆作用使地壳增厚，洋壳经历了海山的长期负载作用，海山周围形成深部凹槽。这些海山在地貌上虽然彼此孤立，但在反演的Moho面埋深图上看，其Moho面是近乎连在一起的。从Moho面埋深和布格异常图对比中可以看出，Moho面的埋深与地形基本成镜像关系，总体上保持地壳的均衡补偿。