南极威德尔海沉积盆地重力异常特征

周磊， 杨元德， 郝卫峰*， 李斐， 晏鹏

1 武汉大学中国南极测绘研究中心， 武汉 430079 2 湖北师范大学文理学院理工学部， 湖北黄石 435002

0 引言

全球众多陆缘区域因大陆边界裂隙作用形成厚度超过2 km的沉积层和沉积盆地(Sandwell et al.，2014).海洋沉积盆地经过长时间断裂作用、沉积密封、侵蚀和岩浆底侵等各种构造活动，引发区域的密度改变与质量迁移而累积形成(König and Forsberg, 2006; Scheuer et al., 2006; Lodolo et al. 2010).重力异常是区域密度差异的综合反映，其形成与高密度物质、机械强度和底侵作用等因素有关.例如，南海的海岛海山等构造与自由空气重力异常相对应，这些重力异常高值可能与形成海岛海山的玄武岩、花岗岩、变质岩等高密度物质有关(陈洁等，2012)，而在印度洋洋中脊和新西兰西海域，重力异常值受到岩石圈挠曲强度及底侵作用影响表现为不同特征(Liu et al., 1982；Holt and Stern, 1991).分析重力异常形成原因对研究岩石圈强度大小，以及构造沉积历史有重要意义.

威德尔海位于南极陆缘区，紧邻南极半岛，是南极最大的边缘海.自侏罗纪时期以来，随着冈瓦纳大陆裂解和海底扩张，威德尔海南部地区受冰架挤压作用形成大规模沉积物，研究其形成过程对于深入了解冈瓦纳古陆裂解和古大陆边缘形成具有重要意义.国内外研究者在对威德尔海重力异常研究中发现威德尔海海陆边界有明显的两极化重力异常，冰架边缘的重力异常表现出不同波长和幅度的趋势变化(Ghidella and LaBrecque,1997; King,2000)，沿南极半岛陆架边缘的重力异常高值一直延伸到南侧海域，但是在磁异常上反映不明显(Aleshkova et al., 1997; Ferris et al., 2000).

卫星重力数据空间覆盖广，是海洋地球物理研究的重要数据源(高金耀和金翔龙，2003；董崇志等, 2013)，但在极地地区卫星重力数据受海冰影响可能出现较大误差(Andersen and Knudsen，1998；Lindsay and Schweiger，2015).为了验证威德尔海区域卫星重力数据的可靠性，本文首先采用我国南极科学考察在该区域获取的高精度船测重力数据对卫星重力数据进行对比验证，然后通过Parker方法获取威德尔海布格重力异常；在此基础上建立威德尔海沉积盆地模型，通过计算莫霍面补偿效应及沉积盆地的重力效应来研究威德尔海沉积盆地重力异常形成机理与特征；最后对威德尔海布格重力异常进行Airy-Hesikanen均衡改正，探讨威德尔海边界构造的均衡状态.

1 威德尔海概况

威德尔海是南极洲最大的边缘海，东侧延伸至科兹地(Coats Land)，南端是菲尔希纳(Filchner)和龙尼(Ronne)冰架，西侧为南极半岛.威德尔海深海平原分布在威德尔海中部东侧，它是由南极半岛往东北方向延伸形成；在威德尔海东北侧海域40°W 往东、62°S往北分布着一系列海底高地和峡谷，因其形似人的骨架，而被研究者称为“鲱骨”结构区域(Aleshkova et al., 1997).威德尔海的北部是南斯科舍海脊(South Scotia Ridge)、南奥克尼微大陆(South Orkney Block)等海底构造，其周围分布鲍威尔海盆和简海盆(Jane Basin)，它们受海沟等地貌阻隔与深海平原形成不连续的阶地.威德尔海沉积盆地是冰川沉积的中心，位于威德尔海南部.盆地东部边界毗邻高海拔的毛德皇后地以及东南极冰盖，西边是南极半岛及其冰盖，南端紧靠菲尔希纳冰架.在冰河前期，盆地沉积物厚度接近5 km，随着沉积速率增快，在菲尔希纳-龙尼冰架前形成最大的沉积盆地(Huang et al., 2014).威德尔海原始海盆的形成约在150 Ma并伴随南北向张裂，随后在140 Ma发生东西向扩张(胡毅等，2016).威德尔海盆陆架边缘分布火山，与猎户座重力异常带相连(Ghidella and LaBrecque, 1997).猎户座重力异常带是在威德尔海盆的早期漂移过程中伴随着北边火山侵入而形成.磁异常数据显示威德尔海盆板块陆架边缘处于拉张与下陷状态，并伴随岩浆侵入(Ferris et al., 2000).

2 数据与方法

2.1 重力异常数据及可靠性分析

本文采用Sandwell等(2014)联合Geosat、ERS-1、CryoSat-2和Jason-1等多源卫星测高数据反演获取的重力数据，观测周期为70个月，分辨率为1′×1′.随着轨道空间分辨率的提高，重力数据的精度在低纬度地区提高了1.5 mGal, 在北极和南极冰雪覆盖区域提高了2～3 mGal，并且该数据能探测航船无法到达的区域以及被沉积层所覆盖的深海盆地构造(Sandwell et al., 2014).

本文采用中国第28次南极科考船测得的重力数据，共62648个数据点，船测航线位置如图1所示.仪器为高精度L&RS海空重力仪，每月零漂量在3 mGal以内，海上精度1 mGal，分辨率为0.01 mGal.数据经过实时重力值的交叉耦合效应、海洋负荷、极移及大气引力等校正后进行存储和归档.

由于卫星重力数据精度在不同地区存在差异(Yale et al., 1998)，本文在威德尔海区域选取一条从59°W 到60°W的船测数据对卫星重力异常数据进行验证.从图1b中可以看到重力异常值整体变化趋势一致，两种数据的数值比较接近；从图2可以看出两种数据差异主要体现在短波长上，而在大于10 km长波长范围内两者重力异常值十分接近，而本文采用大于10 km波长的重力异常数据，因此应用该区域卫星重力数据具有较高可靠性.

如图3所示，“鲱骨结构区域”分布在威德尔海68°S以北，48°W以东的区域，重力异常值范围在-30～0 mGal之间.南极半岛陆架边缘的重力异常高值一直延伸到南侧海域，高值区与陆架平行.威德尔海西部黑海岸盆地的重力异常为高负值，它与南极半岛火山构造活动有关(Ghidella and LaBrecque, 1997)；在威德尔海南部，重力异常的幅值在正负值之间变化，其重力异常受水深变化及深部构造的影响，与构造特征不完全对应.因此，为准确地解释该区域构造及沉积特征，需对重力数据进行布格改正来深入研究.

2.2 Parker布格重力异常计算方法

本文采用Parker方法进行布格改正，在频率域计算效率高.在广阔海域进行计算时，加入海水平均深度对其约束，可以加快收敛速度(Tontini et al., 2007).二维Parker频率域公式为(Parker, 1972)：

图1 (a) 威德尔海船测测线分布图； (b) 船测数据与卫星测高数据对比Fig.1 (a) Ship track in Weddell Sea； (b) Comparison of shipborne gravity and satellite derived gravity

图2 船测数据与卫星测高数据频谱Fig.2 Spectrum of ship data and satellite data

-zb(r)n]},

(1)

其中ΔG(k)是密度差为ρ的两层介质产生的重力值之差，z0为海水平均深度.zt(r)为海平面，zb(r)为

图3 (a) 威德尔海自由空气重力异常； (b) 威德尔海地质构造 A：黑海岸盆地，B：威德尔海盆地，C：威德尔海裂隙，D：鲱骨重力异常.Fig.3 (a) Free air gravity anomaly of Weddle Sea; (b) Geological structure of Weddell Sea A: Black Coast Basin; B: Weddell Sea Basin; C: Weddell Trough; D: Herringbone gravity anomaly.

GB(r)=F-1[Gfa(k)-ΔG(k)].

(2)

2.3 均衡重力异常计算方法

本文在Parker方法进行布格改正的基础上，采用Airy-Hesikanen模型计算均衡异常改正Ac.威德尔海海区地壳平均厚度T0=8 km(Huang and Jokat, 2016)，补偿密度Δρ=600 kg·m-3，则有

(3)

(4)

3 结果与分析

3.1 威德尔海布格重力异常

本文采用正常布格改正方法和Parker方法计算威德尔海布格异常.威德尔海中部和北部的人字形布格重力异常，对应NW-SE分布的断裂带，幅值在160～180 mGal之间；黑海岸盆地(Black Coast Basin)位于南极半岛54°W—56°W处，受南极半岛冰架前缘挤压作用及火山群岩浆活动而形成(Huang and Jokat, 2016)，重力异常数值接近-20 mGal.威德尔海盆地在威德尔海南部，因Filchner-Ronne冰架向海域输送大量沉积物而形成，数值在-30 mGal左右.在威德尔海西南侧，位于威德尔海沉积盆地与科茨地(Coats Land)之间蓝色正异常值是威德尔海裂隙，长度为150 km，异常值接近90 mGal.磁异常数据表明威德尔海裂隙是由于西南极板块向东扩张发生断裂而形成(Ferris et al., 2000).

图4表明两种方法计算得到的布格重力异常均能体现大尺度的海底地貌构造，从Parker布格改正图(图4b)中可以明显看到在黑海岸盆地与威德尔海沉积盆地之间有一系列沉积物在大陆斜坡上(图3b)，与地质结果吻合(LaBrecque and Ghidella, 1997)，而在正常布格改正图里并未有明显异常特征.其次，Parker布格改正图中南极半岛顶端存在异常值接近30 mGal闭合区，与之对应的是鲍威尔盆地，表现为不连续短波长构造，而在正常布格异常图中该区域幅值偏小.

图4 威德尔海布格重力异常 (a) 正常布格改正威德尔海重力异常； (b) Parker布格改正威德尔海重力异常.A：黑海岸盆地， B：威德尔海盆地，C：威德尔海裂隙，D：鲱骨重力异常.Fig.4 Bouguer gravity anomaly of Weddell Sea (a) Weddell Sea gravity anomaly by normal Bouguer correction; (b)Weddell Sea gravity anomaly by Parker Bouguer correction. A: Black Coast Basin; B: Weddell Sea Basin; C: Weddell Trough; D: Herringbone gravity anomaly.

3.2 威德尔海沉积盆地布格重力异常模型

重力异常结果表明威德尔海沉积盆地同时存在正重力异常和负重力异常，而在印度洋洋中脊和新西兰西海域也出现相同的特征(Liu et al., 1982；Holt and Stern, 1991).为了分析威德尔海沉积盆地重力异常特征，本文通过建立沉积盆地模型进行计算研究(模型参数如表1所示).威德尔海沉积盆地地处海陆边界，其重力异常不仅受裂谷作用和沉积作用的影响(Huang and Jokat，2016)，同时与水层与沉积层界面、沉积层与基底界面的空间位置和起伏形态有关，而这些界面的起伏状态与不同的地壳挠曲强度有直接联系(Karner and Watts，1983).因此，研究地壳的挠曲强度成为了解盆地重力异常成因的重要手段.

为了研究挠曲强度对重力异常的影响，本文建立沉积盆地模型来定量计算重力异常值与挠曲强度之间的关系.沉积层、地壳与地幔起伏大小由地壳拉张因子β(x)来决定，在建立威德尔海沉积盆地时选取β(x)=3(Busetti et al.，1999)，经过沉积作用之后地壳厚度会从tc变为tc(1-1/β(x))(Karner and Watts，1983).沉积盆地重力异常的形成不仅受构造作用的影响，同时需考虑地壳变薄引起的均衡回弹.均衡回弹对异常值的影响由岩石圈的挠曲强度来衡量.模型中沉积盆地重力效应主要是由两个界面的重力效应组成，近地面效应gS(x)以及补偿界面效应gR(x)(莫霍面补偿效应)，对应的两个界面形态是S(x)和R(x)：

表1 威德尔海盆地模型参数及含义Table 1 Parameters and meanings of the basin model in Weddell Sea

gS(x)=2πG(ρc-ρs)S(x),

(5)

gR(x)=2πG(ρm-ρc)R(x).

(6)

当地壳拉张变薄时，岩石圈产生均衡回弹引起沉积盆地基底抬升.局部均衡模型要求gR(x)与gS(x)两种重力效应相等，所以R(x)界面形态由S(x)的界面形态决定.随着莫霍面起伏变小，沉积盆地抬升，最后沉积盆地几何特征接近于S(x).为了计算补偿界面在地表的重力效应，本文将gR(x)进行向上延拓，地壳厚度从tc到z=0，在频率域变换的公式为：

g′R(k)=F[g′R(x)]e-ktc,

(7)

k是波数，e-ktc是向上延拓函数.因此，这个沉积盆地模型计算得到的重力异常是gS(x)+g′R(x),如图5所示.

图5 不同重力异常值模型对应的威德尔海沉积盆地尺寸 (a) 表示没有沉积物时，沉积盆地尺寸与重力异常值的对应关系； (b) 表示沉积物填充时，沉积盆地尺寸与重力异常值的对应关系；(c) 表示有效弹性厚度为30 km时， 受地壳挠曲强度影响， 沉积盆地 尺寸与重力异常值对应关系.Fig.5 Size of Weddell Sea sedimentary basin corresponding to different gravity anomaly models (a) shows the relationship between the size of the sedimentary basin and the gravity anomaly when there is no sediment; (b) shows the corresponding relationship between the sedimentary basin size and the gravity anomaly value when the sediment is filled; (c) shows the effective elastic thickness is 30 km, the size of the sedimentary basin corresponds to the gravity anomaly, which is affected by the flexural strength of the crust.

在缺少沉积物时，沉积中心与重力异常值在空间上呈对应关系，如图5a所示，重力异常值范围从-50 mGal到50 mGal.莫霍面形态也与沉积盆地地形起伏相对应.当沉积物填充盆地时，高密度的沉积物代替了低密度的海水，沉积物与基岩密度差更小，因此在局部均衡作用下，沉积物载荷使之前起伏的莫霍面回弹，界面变得更加平缓，重力异常值在-30 mGal到30 mGal范围变化，同时沉积中心与重力异常值呈对应关系，如图5b所示.如果在盆地演化过程中考虑岩石圈挠曲强度影响，与局部均衡的情况相比，沉积盆地的空间影响范围增加，而幅值降低.由于地壳与地幔密度差固定，此时莫霍面调整机制不变，随着沉积物的载荷效应变小，莫霍面效应对重力异常值的变化占主导作用，如图5c所示.盆地模拟的结果表明，具有一定挠曲强度的地壳作用于沉积盆地，使沉积盆地形态发生变化，从而影响沉积盆地重力异常值.为了描述不同挠曲强度对于沉积盆地异常值的影响，本文通过改变沉积作用与裂谷作用的挠曲强度来研究威德尔海沉积盆地正异常值的原因.

在频率域中，沉积盆地的重力效应表示为(Karner and Watts, 1983)：

Δgb=2πG(ρc-ρs)[1-φr(k)][1+φs(k)],

(8)

(9)

(10)

φr(k)和φs(k)分别为裂谷作用、沉积作用两个阶段对应的岩石圈挠曲响应函数，λ为地形波长，ρw、ρc、ρs、ρm分别为海水密度、地壳密度、沉积层密度、地幔密度，Dr和Ds分别是裂谷作用与沉积作用时岩石圈挠曲强度，υ为泊松比.Huebscher等(1996)研究地震剖面结果显示，威德尔海盆地地壳厚度在16～26 km范围变化，而同时该区域的莫霍面起伏范围是8～14 km，因本文计算沉积盆地模型时需计算莫霍面的补偿效应，因此在陆地区域计算盆地模型重力异常时，选取40 km为地壳厚度的最大值.此时，莫霍面重力补偿效应由裂谷作用和沉积作用时挠曲响应函数来表示：

Δgm=2πG(ρm-ρc)[φr(k)-(1-φr(k))φs(k)]e-ktc,

(11)

由公式(8)和(11)，可得莫霍面重力补偿效应与沉积盆地重力效应比值为：

(12)

3.3 威德尔海均衡异常

在Parker布格异常基础上通过Airy-Hesikanen均衡模型计算得到威德尔海均衡异常(如图8所示)，威德尔海东北方向鲱骨式重力异常处于不均衡状态，均衡异常值在-50～-40 mGal范围内变化.威德尔海海湾处于负均衡异常，其幅值与人字形布格异常相关性很大，表明整个海域构造活动强烈.威德尔海海盆与Filchner冰架之间的区域，均衡异常值在-30～-20 mGal；均衡高负异常区域是西南极海陆边界的沉积作用明显的流域盆地(drainage basin).两大冰架冰排给形成了冰川时期的河流系统，海陆边界凹进去的裂隙成为排给的管道.受冰川作用，沉积物补给在冰河时期和间歇期海陆边界波动明显(Huang and Jokat，2016)，因此板块挤压的区域均衡异常值较大.如图8所示，A区域是威德尔海西边黑海岸盆地，其沉积物来自多年火山弧岩浆作用，由于长周期的抬起和侵蚀，沉积量较大，处于明显不均衡状态.威德尔海裂隙布格异常值为正，而均衡异常值接近于零，均衡补偿作用明显.威德尔海沉积盆地经均衡改正后，幅值变化比较大，沿着菲尔希纳冰架方向，沉积盆地均衡异常在拐角区域达到最大负值，说明威德尔海盆地接收了大量冰川沉积物，盆地沉积层密度增加而使盆地与冰架的边界区域表现为极度不均衡.

4 结论

威德尔海沉积盆地在冈瓦纳裂解过程中经历了剧烈的构造运动，研究其形成过程对海洋盆地重力异常特征具有重要科学意义.卫星测高反演得到的重力场模型一直是获取海洋盆地重力场的主要方式，但在极地地区，其重力数据受海冰影响，在一定程度上制约了对高纬度海盆的认识.本文利用中国第28次南极科考获取的船测数据作为检验，运用卫星测高数据反演得到的威德尔海自由空气重力异常，计算威德尔海沉积盆地的布格重力异常和均衡重力异常，建立沉积盆地模型，结合该区域的构造特征进行分析并得到如下结论：

图7 底侵作用对沉积盆地的影响 (a) 表示局部均衡条件下，沉积盆地重力异常值； (b) 表示考虑挠曲强度，有效弹性厚度Te=30 km计算得到的重力异常值； (c) 表示在发生底侵作用时，高斯脉冲函数作用在沉积模型时的重力异常值； (d) 表示挠曲强度作用大于底侵作用时重力异常值.Fig.7 The influence of underplating on sedimentary basin (a) shows the gravity anomaly of sedimentary basin under the condition of local equilibrium; (b) shows the gravity anomaly calculated from the effective elastic thickness Te=30 km considering the flexural strength; (c) shows the gravity anomaly under the condition of the Gaussian pulse function acts on the sedimentary model when underplating occurs; (d) shows the gravity anomaly when the flexural strength effect is greater than underplating.

图8 威德尔海(a)均衡重力异常和(b)地质构造图(来自Ferris et al., 2000； Kovacs et al., 2002) A：黑海岸盆地；B：威德尔海盆地；C：威德尔海裂隙；D：鲱骨重力异常.Fig.8 Isostatic gravity anomaly (a) and geological structure (b) of Weddell Sea (Ferris et al., 2000； Kovacs et al., 2002) A: Black Coast Basin; B: Weddell Sea Basin; C: Weddell Trough; D: Herringbone gravity anomaly.

(1)通过船测数据的验证表明，Sandwell提供的由卫星数据反演得到的威德尔海重力数据在大于10 km波长范围内较为可靠.

(2)相较于正常布格改正，Parker方法获取的布格异常能反映菲尔希纳冰架构造的细节特征，同时揭示南极半岛存在异常值接近30 mGal的闭合区.

(3)威德尔海沉积盆地布格重力异常值随波长变化呈现不同特征：波长为200～600 km(对应沉积盆地宽度为100～300 km)的重力异常主要呈现正值，而波长为80～200 km(对应沉积盆地宽度为40～100 km)的重力异常为负值.对沉积盆地模型分析认为威德尔海沉积盆地的正重力异常可能并非源自地壳的底侵作用，而是由于岩石圈强度对地质时间尺度内长期载荷响应.

(4)本文获取威德尔海均衡异常，发现其幅值与人字形布格异常相关性很强，局部地质活动频繁的地区如威德尔裂隙，经均衡改正后异常值平缓，而威德尔海沉积盆地边界的均衡重力异常表现为高负值，反映了威德尔海盆地沉积过程与冰架排挤系统有关.

致谢感谢审稿专家宝贵的修改意见和建议.感谢Sandwell D. T.提供的重力数据.