中国东部海域居里面深度特征

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2.中国冶金地质总局 青岛地质勘查院，山东 青岛 266109；3.自然资源部第二海洋研究所 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012)

作为大家熟知的地热学界面，居里面能很好地反映出地壳热流及磁性层的分布状态，也在一定程度上反映出块体的构造是否稳定，在矿产资源、地热、大地构造及火山活动等研究中具有重要意义。已有众多学者应用不同方法计算过我国东部及邻近海域的居里面。早在1982年郝书俭等[1]就利用谱分析方法计算了渤海水域的居里面，认为该区域的居里面深度范围为16～26 km。后来江为为等[2]应用中国东部磁异常数据反演计算了中国东部及其邻域居里面深度的起伏特征，认为中国东海海域居里界面深度在10～17 km之间变化。而韩波等[3]基于功率谱法得到的东海区域居里面深度为15～29 km。此外，李春峰等[4]计算的东部海域的居里面深度为19.6～48.9 km，平均深度约31.7 km。可见不同学者的计算结果存在差异。2016年，熊盛青等[5]根据最新编制的1/100 万航陆域磁异常数据，编制了中国陆域居里面深度图，并分析了居里面与地温梯度和大地热流的关系。鉴于此，拟利用中国东部海域，包括渤海、黄海和东海的高精度船测磁异常数据，采用功率谱方法计算居里面，并绘制整个中国东部海域居里面深度图，分析各海域居里面与主要断裂、海底热流之间的关系。

1 数据与方法

1.1 数据来源

海域磁异常数据为船载磁测资料，为了保证计算的完整性及其效果，对周边陆地区域补充了第一版世界数字化磁异常图(World Digital Magnetic Anomaly Map，WDMAM)[6]，数据高度陆区为大地水准面上方的5 km，分辨率为3弧分×3弧分的网格数据。采用迭代向下延拓的方法对数据进行融合，将陆域的磁力数据向下延拓到海平面，通过网格化使之与船载数据的网格间隔一致。研究范围为114°E～129°E，22°N～41°N，采用墨卡托投影，WGS84椭球，中央经线117°E，标准纬线28°N。研究区的磁异常如图1所示。

居里面作为一个重要的热力学界面，能很好地指示上地幔和地壳的热状态。为了研究居里面和热流之间的相关性，主要参考中国陆地区域大地热流数据汇编的1～4版[7-10]、杨树春等[11]南黄海的八个热流数据以及全球热流数据库[12]中的部分热流数据，收集了中国东部及邻近海域900个热流测量数据。

1.2 小波多尺度分解

功率谱法反演居里面深度需要计算磁性层顶面深度，而浅部干扰和数据中的噪声对居里点深度的计算结果影响又较大，但可以采用圆滑滤波去掉磁异常高频成分或采用向上延拓的方法来减小影响。众所周知，小波多尺度分解能够将重力、磁力数据精细地分解到不同尺度，用来反映不同尺度和深度的数据特点，故常被用于区域场的分解和分析。另外，由于研究区整体纬度跨度较大，磁倾角在29°～60°之间变化，采用固定磁倾角化极很难真实地反映磁异常变化，因此将研究区从北向南进行了分带，并采用连续化极使化极窗口大小为200 km×200 km。综上，对研究区化极磁异常做了6阶的小波分解，得到各阶的小波逼近和细节，通过频谱分析，得出各自的似深度(图2)。1阶细节未出现低频段的“直线”特征，说明1阶细节主要反映出高频随机干扰；2阶细节至6阶细节的似深度分别为7.80、15.29、45.47、90.37、159.12 km；而1～6阶磁异常逼近的似深度分别为12.34、14.78、44.47、102.66、140.03、155.57 km，可以看到3阶细节和2阶逼近似深度很接近，4阶细节和3阶逼近，5阶细节和4阶逼近以及6阶细节和5、6阶逼近的场源似深度接近，说明二阶分解之后，小波逐渐将深部的信息反映出来。其中2阶细节反映出浅部的不均匀磁性体，3阶细节反映了磁性基底的变化。据此选取小波二阶逼近结果作为反演居里面的资料。

图1 中国东部近海磁异常图

图2 频谱分析

1.3 居里面深度计算

采用针对组合磁异常的统计功率谱分析方法[13]，Zt为棱柱磁性体的顶层深度，Z0为中心深度，根据公式Zb=2Z0-Zt换算出磁性层底层深度值。居里面计算还需考虑滑动窗口，窗口太小不能获得足够的频谱信息，窗口过大则降低了空间域的分辨率。Okubo等[14]认为窗口的尺度应该在磁源质心深度的12至13倍以上，才能获得较为理想的居里面深度值。一般在计算时将窗口大小固定，以实现快速计算。本研究认为研究区磁性层平均中心深度大约为12 km，故采用子窗口大小为160 km×160 km。每个子窗口中，低频段采用0.003～0.051频段拟合Z0，高频段则选择0.057～0.076频段计算Zt，计算结果见图3。

图3 中国东部及邻近海域居里面深度及热流点分布图

2 结果分析与讨论

2.1 居里面深度分析

从图3可以看到，渤海区域对比华北陆区的居里面深度整体呈上隆状态，浅于28 km。但在渤海盆地内居里面与基底起伏具有镜像对称关系，即坳陷区居里面较深。辽东湾坳陷为NE向的下坳区，深度为28 km上下；渤中坳陷居里面下凹不明显。居里面沿F1断裂呈NW向展布，深度为18～22 km。F2断裂从潍坊进入莱州湾和渤海湾，控制渤海湾东部边界，其在渤海区域是一条左行走滑断裂，断裂带东侧磁异常表现为宽缓负异常，西侧整体表现为高磁异常区，幅值在100 nT左右，断裂带两侧为大面积的居里面隆起区。华北克拉通东部晚中生代以来发生克拉通破坏，岩石圈减薄已得到广泛证实。Chen等[15]计算出的渤海海域、鲁西隆起及F2断裂带附近的岩石圈厚度为60～80 km；Pn波速度偏低[16]显示出岩石圈的拉伸减薄以及地幔物质的向上侵入。F2断裂带渤海段附近的地壳广泛发育低速层[17]，从解析信号图上看，断裂呈串珠状比较孤立的岩体分布特点[18]。作为F1断裂与F2断裂交汇的区域，渤中坳陷的重、磁异常均较高[19]。推测中新生代克拉通东部岩石圈减薄时期交汇处可能作为软流圈热物质的上涌通道，岩浆沿断裂交汇处上涌改造基底，增强了基底的密度和磁化强度并抬高了该区域的居里面，因此渤中坳陷居里面下凹并不明显。

北黄海居里面起伏状态整体平缓，深度较浅，在17～25 km之间变化。北黄海海域的自由空间重力异常跟布格重力异常相似，表现为较强的正重力异常[20]，反映了地幔上隆的重力效应。磁异常却为大面积的低缓负异常，在低值背景场上出现零碎的NW向正异常，可能是受到F5断裂带的影响。与渤海类似，属于中国东部裂谷拉伸作用影响的岩石圈减薄区。杨艳秋等[21]通过分析重、磁资料认为北黄海盆地之下隐伏有埋深较浅的高密度、弱磁性结晶基底。这些反映了北黄海较弱的构造和岩浆活动。

南黄海北部盆地居里面起伏整体变化不大(图3)，范围为25～29 km。苏北及南黄海南部盆地居里面深度较大，范围为25～32 km。介于黄海北部盆地和南部盆地之间的中部隆起带表现为大块状正异常，在中间和东端被负异常切割而不完整，磁异常“分段不连片”[22]，居里面在西部为下凹区，最深达33 km，走向EW向，东部相对上隆，深度为28 km，走向不明显。关于南黄海中部隆起的大面积团块状正磁异常，有学者认为是古陆块的体现，有学者则认为该区存在上地幔隆起，引起深部热活动加剧，地幔物质上涌侵入下地壳，增加了下地壳基性物质成分[23]。吴其反等[24]通过三维反演发现20～25 km深度存在一规模巨大的NW向展布的强磁性体，推测为华北变质岩系的残留体。吴招才等[25]计算了该区的磁源重力异常，认为该区可与华北地块古陆块的磁源重力异常规模相比。该区莫霍面整体抬升区，深度为24～26 km；居里面则是西部较深而东部较浅，东部的地震剖面[18,22]也观测到深部岩体侵入。因此推测南黄海中部隆起团块状正磁异常是古陆块和岩浆侵入的综合反映。

夹在F3断裂与F4断裂之间的千里岩隆起带居里面较浅(图3)，深度为19～24 km。千里岩隆起存在高速推覆体，重力异常值大于20 mGal，属于高密度变质岩特征。千里岩隆起带居里面浅和密度高的特征可能与侏罗纪以来太平洋板块俯冲形成晚期较强的张裂或深部岩浆与热流活动有关[4]。邱宁[26]则认为在扬子板块与华北板块发生碰撞时，扬子板块深俯冲过程中拉动相邻的华北板块的一部分物质向下俯冲，引起上覆块体物质遭到了俯冲剥蚀，形成了不对称的双向俯冲，板块俯冲受阻后发生滞留、下沉引起地幔扰动，而在老的构造活动造成的地壳减薄带地幔流上涌，使得该区的居里面上隆。

F6断裂带磁异常整体呈NE走向的正值分布(图3)，内部正、负变化剧烈，正负异常圈闭零散、细小，方向无规律。居里面沿F6断裂带上隆，深度为16～22 km，代表一个重要的块体边界，但居里面的上隆趋势在济州岛北侧发生改变，变为下凹。

浙闽隆起带的居里面呈NNE向上隆(图3)，深度为16～24 km，与中国东南沿海晚中生代以及新生代近NNE向火山岩带大体对应；隆起带的重、磁场也表现为NNE向的细节形态[19]，显示出其受到了燕山晚期和喜山早期的NNE向的断裂切割和岩浆侵入作用。东海区域磁异常大致在北纬29°的南、北两侧分布不同，南侧东西分带性明显，北侧的低磁异常分带性则不明显。其居里面呈较为明显的“东西分带”特征，基本与东海的构造划分相一致。相对于浙闽隆起带，东海陆架盆地的瓯江凹陷、武夷低凸起西南部、西湖凹陷东南部、基隆凹陷及福江凹陷南部的居里面深度均呈下凹状态，深度为26～29 km。陆架盆地由西向东形成的年代逐渐变新, 西部坳陷主体形成于白垩纪，东部坳陷带主体则形成于始新世,渐新世以来成为陆架盆地的沉积中心，具有较深的岩浆岩分布。钓鱼岛隆起带整体表现为高磁异常，其属于中新世古东海陆架边缘地质体分离出的一部分[27]。隆起带的中部和南部居里面表现为28 km左右的下凹带，体现了燕山期和喜山期强烈的岩浆作用改造使得该处地壳增厚和基底隆起。

因此，研究区居里面深度变化特征较好地反映了该区域的深部构造格局，在构造环境稳定、地壳厚度正常的区域，居里面主要显示为块状坳陷且起伏变化平缓，这可能与相对较弱的中、新生代构造活动有关；而在构造活动区边缘或者中、新生代造山系，居里面主要表现为浅的区域性隆起。

2.2 居里面与热流的关系

一般来说，高热流区域居里面深度小，低热流区域居里面深度大。然而在构造复杂的区域以及古老的地区中，可能体现不出这种相关性，这与许多因素相关，比如当地的地温梯度、岩石生热率、地幔热流、断层活动和岩性特征等均会扰乱传导关系。中国东部海域(不包括冲绳海槽及以东区域)构造比较稳定，故这种地表热流与深层地热之间的简单传导关系可能不明显。

京津唐地区的热流值变化较大，为0～120 mW/m2，居里面深度与热流的分布基本一致，可能是由于该地区西部和北部为大面积的山区，居里面较深，而其他地区属于平原，居里面深度下凹和上隆呈块状分布，起伏变化较大。陆区合肥盆地居里面较深，大约30 km，热流值大部分在70 mW/m2以内；而其东部的苏北盆地的热流值范围在54～83 mW/m2之间，平均68 mW/m2，和南黄海南部盆地的平均热流值相同。这是因为南黄海南部盆地与苏北盆地均位于扬子准地台基底之上,无论是形成时代和还是演化过程均具有相似性，现在正在经历热冷却过程[11]。随着热流值的增高，可明显看出热流分布区域逐步向东部海域转移，居里面深度也逐步变浅。

渤海湾的热流值与居里面深度有很好的对应关系，其大地热流最高85 mW/m2，最低50.3 mW/m2；渤中凹陷热流值略微高于60 mW/m2，与大洋平均热流值相当，渤海地区热流值大于70 mW/m2大体沿NE向展布，从辽东湾到渤南凸起以及垦东凸起高热流分布呈现出与盆地居里面起伏形态大体对应的特征，反映该盆地中新生代曾经历的裂谷作用及岩浆活动。

东海陆架盆地热流值55～88 mW/m2，平均热流值70.5 mW/m2，属于正常热流值区域，热流点分布在瓯江凹陷、渔礁凸起东南部以及西湖凹陷，位于居里面深度下凹区域。120 mW/m2以上的高热值主要分布在冲绳海槽区域，而中、低热流值在研究区内均有分布。冲绳海槽是高热流值集中地区,也是低热流值广泛分布的地区，表现为低热流值和高热流值在同一区域出现,可能是在垂直于海沟轴的方向上热流总和趋于平衡[28]，即在热液喷出口周围的小范围的断层作用使冷水下渗,形成低热流循环，该区域居里面表现为隆起。

图4为研究区的居里点埋深与热流值分布散点图，为了绘图方便，将热流值大于350 mW/m2的数据取350 mW/m2，大于300 K·km-1的数据取300 K·km-1。通过计算研究区居里面深度与热流、地温梯度的自相关系数(Pearson相关系数)后发现，结果分别为-0.389 6与-0.516 0，说明该区域居里面深度与热流值之间为弱负相关，与地温梯度为中等程度负相关，但相互间没有很好的线性关系。随着居里面深度逐渐增加，地温梯度和热流值均降低；居里面深度大于29 km时，东部海域的热流值明显降低，小于100 mW/m2；而在居里面隆起的区域(<28 km)，东部海域热流值变化范围大。地温梯度也存在类似特征，居里面深度大于29 km时，地温梯度大部分小于50 K·km-1。

图4 居里深度与热流值及地温梯度分布散点图

3 结论

选取中国东部及邻近海域磁力数据的二阶小波逼近结果反演居里面，对居里面及热流特征进行了分析，得到结论如下：

1) 中国东部海域居里面深度为16.8～36.6 km。在构造环境稳定、地壳厚度正常的区域，如苏北—南黄海盆地、东海陆架盆地，居里面深度在28 km以上，起伏变化平缓，可能与相对较弱的中、新生代构造活动有关；在构造活动区边缘或者中、新生代造山系，如渤海盆地、千里岩隆起区及冲绳海槽，居里面深度则以上隆为特征。

2) 居里面深度与热流、地温梯度的自相关系数的计算结果分别为-0.389 6与-0.516 0，显示出居里点深度与热流值为弱的负相关性，与地温梯度为中等程度负相关性，均未呈现很好的线性关系。

3) 南黄海中部隆起的居里面深度西部下凹而东部相对上隆，综合前人工作及重磁震资料，认为可能是古陆核与岩浆侵入的综合反映。