麥哲倫海山區(qū)重力特征及深部特征

趙俐紅　楊明明　張 超　凌子龍

麥哲倫海山區(qū)重力特征及深部特征

趙俐紅楊明明張 超凌子龍

麥哲倫海山區(qū)的自由空間重力異常最明顯的特征是海山鏈呈串珠狀的圈閉帶，正異常圈閉帶被相互貫通的負(fù)異常區(qū)域切割包圍，多數(shù)海山具雙峰特征。布格異常呈高值和低值片狀出現(xiàn)，被中間一條高異常帶分成兩部分，海山的異常值較小，周圍洋盆的異常值較大。向上延拓過程中海山區(qū)的異常衰減快，洋盆區(qū)域的異常衰減較慢。這些同反演得到的Moho面埋深分布，都說明了Moho面的起伏變化與地形起伏基本為鏡像關(guān)系，海山區(qū)域的Moho面埋藏較深，周圍洋盆區(qū)域的Moho面埋藏較淺，總體上保持地殼均衡補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

麥哲倫海山鏈位于西北太平洋馬里亞納海溝東側(cè)、東馬里亞納海溝和皮加費(fèi)塔海盆之間，成因上屬于火山構(gòu)造隆起，是庫拉板塊內(nèi)部規(guī)模較大的一條海底火山鏈。該區(qū)域富有大量的富鈷結(jié)殼等資源，是太平洋重點(diǎn)研究區(qū)域之一。

重力場特征

重力模型是繪制構(gòu)造結(jié)構(gòu)的有效工具，尤其是對船只無法到達(dá)或被厚沉積物覆蓋而未被描繪的深部洋盆的地形非常有效。本文結(jié)合該區(qū)構(gòu)造地貌和重力場特征，研究麥哲倫海山區(qū)的深部構(gòu)造特征。本文重力數(shù)據(jù)基于最新的Sandwell全球海洋重力模型，為計(jì)算方便，把數(shù)據(jù)重新網(wǎng)格化為5’ ×5’。

自由空間重力異常

自由空間重力異常是實(shí)測重力值經(jīng)高度后改正歸算到大地水準(zhǔn)面，再減去正常重力值所得到的重力差。它只是消除了高程對觀測值的影響，地表到大地水準(zhǔn)面的重力效應(yīng)仍然存在，相當(dāng)于把這一層的質(zhì)量都壓縮到了大地水準(zhǔn)面上。做正常場校正，與密度正常分布的大地橢球體比較，其差值反映的是實(shí)際地球的形狀和質(zhì)量分布與大地橢球體的偏差。大范圍內(nèi)的負(fù)自由空間重力異常表明地殼深部存在相對質(zhì)量虧損，反之，則存在相對盈余。可見自由空間重力異常與深部物質(zhì)的盈余或虧損有直接的關(guān)系，因此可以利用自由空間重力異常來研究大洋的深部構(gòu)造特征。目前衛(wèi)星測高所得的自由空間重力異常已廣泛應(yīng)用于洋脊擴(kuò)張率和區(qū)域構(gòu)造演化（如海槽擴(kuò)張和俯沖帶等海底構(gòu)造、海盆演化）等研究中，并取得了較好的效果。

本文從SandWell全球海洋重力模型中抽取的重力數(shù)據(jù)即為自由空間重力異常。

由研究區(qū)自由空間重力異常圖可以看出，研究區(qū)自由空間重力異常最顯著的特征是對應(yīng)于海山鏈上一座座海山的串珠狀正異常圈閉帶，這些正異常圈閉并不貫通，被海山之間山谷的負(fù)異常所切割包圍，而這些負(fù)異常是相互貫通的。海山鏈周圍的背景場值在-10～20mGal左右，海山的重力異常值變化幅度較大，多在50～240mGal之間，部分單個(gè)海山頂部的異常值甚至超過240mGal，這也與海山的高度和體積有關(guān)。從圖中也可以看出麥哲倫海山鏈及周邊海山多具有雙峰特征，這與斷裂對海山的改造作用有關(guān)。

麥哲倫海山鏈西側(cè)馬里亞納海溝的異常值最低，接近-300mGal，表現(xiàn)為負(fù)的重力異常條帶，垂直于海溝方向的重力梯度變化很大，可見由于板塊俯沖作用而產(chǎn)生的重力效應(yīng)并未對麥哲倫海山鏈的周邊地區(qū)造成大的影響。洋側(cè)正的重力異常區(qū)不完整，一般在0～20 mGal之間，這種正的重力異常意味著太平洋板塊在馬里亞納海溝處伴隨俯沖作用發(fā)生的上隆彎曲作用較弱，推測海溝的形成可能與菲律賓海一側(cè)的馬里亞納海槽擴(kuò)張和馬里亞納島弧后撤有關(guān)，同時(shí)俯沖板塊的負(fù)浮力、太平洋板塊往西年齡越老和沉降速度越來越大都有可能起到了較大的作用，然而太平洋板塊自身往西的主動推擠作用并不強(qiáng)。

布格重力異常

根據(jù)衛(wèi)星測高得到的自由空間重力異常是地殼內(nèi)部密度分布不均勻的綜合反映，包含目標(biāo)體和非目標(biāo)體的綜合信息。布格重力異常是測點(diǎn)以下到正常地殼厚度之間的剩余質(zhì)量和基準(zhǔn)面以下因側(cè)向密度不同，以及正常地殼厚度面附近由于低密度體、山根、反山根等質(zhì)量差異所造成的重力效應(yīng)的總和。因此可以利用布格重力異常推測地下密度分布和測點(diǎn)以下的正常厚度面附近的特殊地質(zhì)體。

將自由空間重力異常數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)相對應(yīng)，利用海洋地球物理調(diào)查規(guī)范中的海洋布格重力計(jì)算公式進(jìn)行地形校正，從而獲得布格異常數(shù)據(jù)，其公式如下：

其中，ΔgB為布格重力異常值，為巖石密度，取其平均值2. 7 g/ cm3，為海水密度，取1. 03 g/ cm3；是海水深度。經(jīng)計(jì)算得到布格異常圖。

由布格重力異常圖可知，麥哲倫海山區(qū)的布格異常高值和低值以片狀出現(xiàn)，中部為一條很寬的高值異常帶，將該區(qū)分割為南北兩個(gè)部分，南部的Saipan海盆異常值可達(dá)420mGal，這是深海海盆布格異常高值的表現(xiàn)。兩高值區(qū)中間所夾的異常低值在220～260mGal之間，地理位置與麥哲倫海山鏈上的海山相對應(yīng)，與單座海山的形態(tài)相比，布格重力低值在排列上更具有方向性。從整體上看，海山的異常值較低，周圍洋盆的異常值較大，可見海山、海盆的異常幅值變化與地形起伏呈反比關(guān)系，實(shí)質(zhì)上反映了與地形基本成鏡像對稱關(guān)系的Moho面的起伏變化，以總體上保持地殼的均衡補(bǔ)償。

圖1　麥哲倫海山區(qū)自由空間重力異常圖

圖2　麥哲倫海山區(qū)布格重力異常圖

圖3　麥哲倫海山區(qū)重力異常向上延拓1000m

圖4 麥哲倫海山區(qū)Moho面埋深分布圖

向上延拓

將觀測點(diǎn)的實(shí)測異常值換算到觀測面以上某一高度得到的區(qū)域異常，即為向上延拓。理論上，向上延拓具有嚴(yán)格的數(shù)值公式，是一種穩(wěn)定的數(shù)值運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果具有收斂性、穩(wěn)定性和單一性。向上延拓過程實(shí)際上是一個(gè)低通濾波過程，在向上延拓的過程中，淺部的高頻信號和深部的低頻信號都在衰減，只不過高頻信號衰減的相對快一些，因此重力異常向上延拓的主要作用是突出規(guī)模較大的（區(qū)域性的或深部的）異常體的特征，而壓制規(guī)模較小的（局部的或淺部的）異常體的特征。

對麥哲倫海山區(qū)重力異常作向上延拓1000m處理，從圖中可以看出，海山部分的異常值較低，多在320～340mGal之間，而海山周圍洋盆的異常值普遍較高，達(dá)到360mGal以上。說明在向上延拓過程中對水深較淺的海山的異常壓制很強(qiáng)烈，異常體的場源衰減較快；而區(qū)域性的洋盆水深較大，異常體場源衰減較慢，異常幅度變化不大，這也反映了洋殼深處密度界面的起伏狀況。

反演Moho面埋深

地球物理資料已經(jīng)證實(shí)了地球的圈層結(jié)構(gòu)，地震學(xué)的最新資料認(rèn)為地球內(nèi)部各層的界面是起伏變化的，各層內(nèi)也存在著密度分布的橫向不均勻。而重力場也同樣具有成層分布的特征，布格重力異常正是測點(diǎn)以下到正常地殼厚度之間各種地質(zhì)體密度分布不均勻效應(yīng)的總和。根據(jù)重力來反演密度界面是一個(gè)經(jīng)典的問題，其中一項(xiàng)比較重要的用途就是用來描述地殼的不連續(xù)性，也就是根據(jù)重力來計(jì)算Moho面的埋深。

通常布格重力異常中包含一些地殼淺層甚至內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化信息，在反演Moho面起伏時(shí)存在高頻信息的干擾，因此在處理中先通過濾波排除高頻的影響，使得反演結(jié)果可靠。反演方法采用Parker-Oldenburg密度界面反演公式。

Parker公式是基于重力異常的傅里葉變換，將引力位引入到頻率域中，給出地下物質(zhì)界面起伏所產(chǎn)生的重力異常在頻率域中的表達(dá)式為：

Oldenburg（1974）重新整理了Parker公式，以用來計(jì)算密度界面的形態(tài)：

其中，Δg為重力異常，F(xiàn)（Δg）為重力異常的譜，G為萬有引力常數(shù)，k為圓頻率，ρ為界面上下物質(zhì)密度差，h為界面起伏，Z0為Moho面平均埋深，h即為相對于Z0的Moho面的起伏。當(dāng)Moho面的最大起伏遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的平均埋深Z0時(shí)，上式收斂很快，滿足迭代過程中的要求。

Nagendra將Parker-Oldenburg公式應(yīng)用在二維密度界面反演上，假定已知界面的平均埋藏深度和界面上下的密度差異，可以通過計(jì)算得到地球內(nèi)部密度界面的起伏狀態(tài)。本文中Moho面的平均埋深取15km，殼幔巖石密度差取0.6g/cm3，經(jīng)迭代計(jì)算，得到各區(qū)域的Moho面埋深分布如圖。

由Moho面埋深分布圖可知，麥哲倫海山區(qū)的Moho面埋深呈片狀不均勻分布，深度大部分在12～20km之間。Moho面的埋深在垂向上差異很大，洋盆區(qū)域Moho面埋深較淺，在14km以下；海山區(qū)域Moho面埋深較深，在17km以上，有些甚至超過20km，這是由于海山的巖漿作用使地殼增厚，洋殼經(jīng)歷了海山的長期負(fù)載作用，海山周圍形成深部凹槽。這些海山在地貌上雖然彼此孤立，但在反演的Moho面埋深圖上看，其Moho面是近乎連在一起的。從Moho面埋深和布格異常圖對比中可以看出，Moho面的埋深與地形基本成鏡像關(guān)系，總體上保持地殼的均衡補(bǔ)償。

結(jié)語

1.自由空間重力異常最明顯的特征是對應(yīng)于一座座海山的小的串珠狀圈閉帶，正異常圈閉帶被相互貫通的負(fù)異常區(qū)域切割包圍。

2.布格異常呈高值和低值片狀出現(xiàn)，被中間一條高異常帶分成兩部分，海山的異常值較小，周圍洋盆的異常值較大，向上延拓也具有同樣的特征。

3.Moho面的起伏變化與地形基本成鏡像關(guān)系，海山區(qū)Moho面埋藏深，洋盆Moho面埋藏淺，以滿足總體上保持地殼的均衡補(bǔ)償。

趙俐紅楊明明張 超凌子龍

山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院

楊明明，男，碩士，山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)橹亓Ψ囱荨?/p>

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.007