中國東部海域居里面深度特征

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.中國冶金地質(zhì)總局 青島地質(zhì)勘查院，山東 青島 266109；3.自然資源部第二海洋研究所 海底科學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012)

作為大家熟知的地熱學(xué)界面，居里面能很好地反映出地殼熱流及磁性層的分布狀態(tài)，也在一定程度上反映出塊體的構(gòu)造是否穩(wěn)定，在礦產(chǎn)資源、地熱、大地構(gòu)造及火山活動等研究中具有重要意義。已有眾多學(xué)者應(yīng)用不同方法計算過我國東部及鄰近海域的居里面。早在1982年郝書儉等[1]就利用譜分析方法計算了渤海水域的居里面，認為該區(qū)域的居里面深度范圍為16～26 km。后來江為為等[2]應(yīng)用中國東部磁異常數(shù)據(jù)反演計算了中國東部及其鄰域居里面深度的起伏特征，認為中國東海海域居里界面深度在10～17 km之間變化。而韓波等[3]基于功率譜法得到的東海區(qū)域居里面深度為15～29 km。此外，李春峰等[4]計算的東部海域的居里面深度為19.6～48.9 km，平均深度約31.7 km。可見不同學(xué)者的計算結(jié)果存在差異。2016年，熊盛青等[5]根據(jù)最新編制的1/100 萬航陸域磁異常數(shù)據(jù)，編制了中國陸域居里面深度圖，并分析了居里面與地溫梯度和大地熱流的關(guān)系。鑒于此，擬利用中國東部海域，包括渤海、黃海和東海的高精度船測磁異常數(shù)據(jù)，采用功率譜方法計算居里面，并繪制整個中國東部海域居里面深度圖，分析各海域居里面與主要斷裂、海底熱流之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

海域磁異常數(shù)據(jù)為船載磁測資料，為了保證計算的完整性及其效果，對周邊陸地區(qū)域補充了第一版世界數(shù)字化磁異常圖(World Digital Magnetic Anomaly Map，WDMAM)[6]，數(shù)據(jù)高度陸區(qū)為大地水準面上方的5 km，分辨率為3弧分×3弧分的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。采用迭代向下延拓的方法對數(shù)據(jù)進行融合，將陸域的磁力數(shù)據(jù)向下延拓到海平面，通過網(wǎng)格化使之與船載數(shù)據(jù)的網(wǎng)格間隔一致。研究范圍為114°E～129°E，22°N～41°N，采用墨卡托投影，WGS84橢球，中央經(jīng)線117°E，標準緯線28°N。研究區(qū)的磁異常如圖1所示。

居里面作為一個重要的熱力學(xué)界面，能很好地指示上地幔和地殼的熱狀態(tài)。為了研究居里面和熱流之間的相關(guān)性，主要參考中國陸地區(qū)域大地熱流數(shù)據(jù)匯編的1～4版[7-10]、楊樹春等[11]南黃海的八個熱流數(shù)據(jù)以及全球熱流數(shù)據(jù)庫[12]中的部分熱流數(shù)據(jù)，收集了中國東部及鄰近海域900個熱流測量數(shù)據(jù)。

1.2 小波多尺度分解

功率譜法反演居里面深度需要計算磁性層頂面深度，而淺部干擾和數(shù)據(jù)中的噪聲對居里點深度的計算結(jié)果影響又較大，但可以采用圓滑濾波去掉磁異常高頻成分或采用向上延拓的方法來減小影響。眾所周知，小波多尺度分解能夠?qū)⒅亓?、磁力?shù)據(jù)精細地分解到不同尺度，用來反映不同尺度和深度的數(shù)據(jù)特點，故常被用于區(qū)域場的分解和分析。另外，由于研究區(qū)整體緯度跨度較大，磁傾角在29°～60°之間變化，采用固定磁傾角化極很難真實地反映磁異常變化，因此將研究區(qū)從北向南進行了分帶，并采用連續(xù)化極使化極窗口大小為200 km×200 km。綜上，對研究區(qū)化極磁異常做了6階的小波分解，得到各階的小波逼近和細節(jié)，通過頻譜分析，得出各自的似深度(圖2)。1階細節(jié)未出現(xiàn)低頻段的“直線”特征，說明1階細節(jié)主要反映出高頻隨機干擾；2階細節(jié)至6階細節(jié)的似深度分別為7.80、15.29、45.47、90.37、159.12 km；而1～6階磁異常逼近的似深度分別為12.34、14.78、44.47、102.66、140.03、155.57 km，可以看到3階細節(jié)和2階逼近似深度很接近，4階細節(jié)和3階逼近，5階細節(jié)和4階逼近以及6階細節(jié)和5、6階逼近的場源似深度接近，說明二階分解之后，小波逐漸將深部的信息反映出來。其中2階細節(jié)反映出淺部的不均勻磁性體，3階細節(jié)反映了磁性基底的變化。據(jù)此選取小波二階逼近結(jié)果作為反演居里面的資料。

圖1 中國東部近海磁異常圖

圖2 頻譜分析

1.3 居里面深度計算

采用針對組合磁異常的統(tǒng)計功率譜分析方法[13]，Zt為棱柱磁性體的頂層深度，Z0為中心深度，根據(jù)公式Zb=2Z0-Zt換算出磁性層底層深度值。居里面計算還需考慮滑動窗口，窗口太小不能獲得足夠的頻譜信息，窗口過大則降低了空間域的分辨率。Okubo等[14]認為窗口的尺度應(yīng)該在磁源質(zhì)心深度的12至13倍以上，才能獲得較為理想的居里面深度值。一般在計算時將窗口大小固定，以實現(xiàn)快速計算。本研究認為研究區(qū)磁性層平均中心深度大約為12 km，故采用子窗口大小為160 km×160 km。每個子窗口中，低頻段采用0.003～0.051頻段擬合Z0，高頻段則選擇0.057～0.076頻段計算Zt，計算結(jié)果見圖3。

圖3 中國東部及鄰近海域居里面深度及熱流點分布圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 居里面深度分析

從圖3可以看到，渤海區(qū)域?qū)Ρ热A北陸區(qū)的居里面深度整體呈上隆狀態(tài)，淺于28 km。但在渤海盆地內(nèi)居里面與基底起伏具有鏡像對稱關(guān)系，即坳陷區(qū)居里面較深。遼東灣坳陷為NE向的下坳區(qū)，深度為28 km上下；渤中坳陷居里面下凹不明顯。居里面沿F1斷裂呈NW向展布，深度為18～22 km。F2斷裂從濰坊進入萊州灣和渤海灣，控制渤海灣東部邊界，其在渤海區(qū)域是一條左行走滑斷裂，斷裂帶東側(cè)磁異常表現(xiàn)為寬緩負異常，西側(cè)整體表現(xiàn)為高磁異常區(qū)，幅值在100 nT左右，斷裂帶兩側(cè)為大面積的居里面隆起區(qū)。華北克拉通東部晚中生代以來發(fā)生克拉通破壞，巖石圈減薄已得到廣泛證實。Chen等[15]計算出的渤海海域、魯西隆起及F2斷裂帶附近的巖石圈厚度為60～80 km；Pn波速度偏低[16]顯示出巖石圈的拉伸減薄以及地幔物質(zhì)的向上侵入。F2斷裂帶渤海段附近的地殼廣泛發(fā)育低速層[17]，從解析信號圖上看，斷裂呈串珠狀比較孤立的巖體分布特點[18]。作為F1斷裂與F2斷裂交匯的區(qū)域，渤中坳陷的重、磁異常均較高[19]。推測中新生代克拉通東部巖石圈減薄時期交匯處可能作為軟流圈熱物質(zhì)的上涌通道，巖漿沿斷裂交匯處上涌改造基底，增強了基底的密度和磁化強度并抬高了該區(qū)域的居里面，因此渤中坳陷居里面下凹并不明顯。

北黃海居里面起伏狀態(tài)整體平緩，深度較淺，在17～25 km之間變化。北黃海海域的自由空間重力異常跟布格重力異常相似，表現(xiàn)為較強的正重力異常[20]，反映了地幔上隆的重力效應(yīng)。磁異常卻為大面積的低緩負異常，在低值背景場上出現(xiàn)零碎的NW向正異常，可能是受到F5斷裂帶的影響。與渤海類似，屬于中國東部裂谷拉伸作用影響的巖石圈減薄區(qū)。楊艷秋等[21]通過分析重、磁資料認為北黃海盆地之下隱伏有埋深較淺的高密度、弱磁性結(jié)晶基底。這些反映了北黃海較弱的構(gòu)造和巖漿活動。

南黃海北部盆地居里面起伏整體變化不大(圖3)，范圍為25～29 km。蘇北及南黃海南部盆地居里面深度較大，范圍為25～32 km。介于黃海北部盆地和南部盆地之間的中部隆起帶表現(xiàn)為大塊狀正異常，在中間和東端被負異常切割而不完整，磁異?！胺侄尾贿B片”[22]，居里面在西部為下凹區(qū)，最深達33 km，走向EW向，東部相對上隆，深度為28 km，走向不明顯。關(guān)于南黃海中部隆起的大面積團塊狀正磁異常，有學(xué)者認為是古陸塊的體現(xiàn)，有學(xué)者則認為該區(qū)存在上地幔隆起，引起深部熱活動加劇，地幔物質(zhì)上涌侵入下地殼，增加了下地殼基性物質(zhì)成分[23]。吳其反等[24]通過三維反演發(fā)現(xiàn)20～25 km深度存在一規(guī)模巨大的NW向展布的強磁性體，推測為華北變質(zhì)巖系的殘留體。吳招才等[25]計算了該區(qū)的磁源重力異常，認為該區(qū)可與華北地塊古陸塊的磁源重力異常規(guī)模相比。該區(qū)莫霍面整體抬升區(qū)，深度為24～26 km；居里面則是西部較深而東部較淺，東部的地震剖面[18,22]也觀測到深部巖體侵入。因此推測南黃海中部隆起團塊狀正磁異常是古陸塊和巖漿侵入的綜合反映。

夾在F3斷裂與F4斷裂之間的千里巖隆起帶居里面較淺(圖3)，深度為19～24 km。千里巖隆起存在高速推覆體，重力異常值大于20 mGal，屬于高密度變質(zhì)巖特征。千里巖隆起帶居里面淺和密度高的特征可能與侏羅紀以來太平洋板塊俯沖形成晚期較強的張裂或深部巖漿與熱流活動有關(guān)[4]。邱寧[26]則認為在揚子板塊與華北板塊發(fā)生碰撞時，揚子板塊深俯沖過程中拉動相鄰的華北板塊的一部分物質(zhì)向下俯沖，引起上覆塊體物質(zhì)遭到了俯沖剝蝕，形成了不對稱的雙向俯沖，板塊俯沖受阻后發(fā)生滯留、下沉引起地幔擾動，而在老的構(gòu)造活動造成的地殼減薄帶地幔流上涌，使得該區(qū)的居里面上隆。

F6斷裂帶磁異常整體呈NE走向的正值分布(圖3)，內(nèi)部正、負變化劇烈，正負異常圈閉零散、細小，方向無規(guī)律。居里面沿F6斷裂帶上隆，深度為16～22 km，代表一個重要的塊體邊界，但居里面的上隆趨勢在濟州島北側(cè)發(fā)生改變，變?yōu)橄掳肌?/p>

浙閩隆起帶的居里面呈NNE向上隆(圖3)，深度為16～24 km，與中國東南沿海晚中生代以及新生代近NNE向火山巖帶大體對應(yīng)；隆起帶的重、磁場也表現(xiàn)為NNE向的細節(jié)形態(tài)[19]，顯示出其受到了燕山晚期和喜山早期的NNE向的斷裂切割和巖漿侵入作用。東海區(qū)域磁異常大致在北緯29°的南、北兩側(cè)分布不同，南側(cè)東西分帶性明顯，北側(cè)的低磁異常分帶性則不明顯。其居里面呈較為明顯的“東西分帶”特征，基本與東海的構(gòu)造劃分相一致。相對于浙閩隆起帶，東海陸架盆地的甌江凹陷、武夷低凸起西南部、西湖凹陷東南部、基隆凹陷及福江凹陷南部的居里面深度均呈下凹狀態(tài)，深度為26～29 km。陸架盆地由西向東形成的年代逐漸變新, 西部坳陷主體形成于白堊紀，東部坳陷帶主體則形成于始新世,漸新世以來成為陸架盆地的沉積中心，具有較深的巖漿巖分布。釣魚島隆起帶整體表現(xiàn)為高磁異常，其屬于中新世古東海陸架邊緣地質(zhì)體分離出的一部分[27]。隆起帶的中部和南部居里面表現(xiàn)為28 km左右的下凹帶，體現(xiàn)了燕山期和喜山期強烈的巖漿作用改造使得該處地殼增厚和基底隆起。

因此，研究區(qū)居里面深度變化特征較好地反映了該區(qū)域的深部構(gòu)造格局，在構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定、地殼厚度正常的區(qū)域，居里面主要顯示為塊狀坳陷且起伏變化平緩，這可能與相對較弱的中、新生代構(gòu)造活動有關(guān)；而在構(gòu)造活動區(qū)邊緣或者中、新生代造山系，居里面主要表現(xiàn)為淺的區(qū)域性隆起。

2.2 居里面與熱流的關(guān)系

一般來說，高熱流區(qū)域居里面深度小，低熱流區(qū)域居里面深度大。然而在構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域以及古老的地區(qū)中，可能體現(xiàn)不出這種相關(guān)性，這與許多因素相關(guān)，比如當?shù)氐牡販靥荻?、巖石生熱率、地幔熱流、斷層活動和巖性特征等均會擾亂傳導(dǎo)關(guān)系。中國東部海域(不包括沖繩海槽及以東區(qū)域)構(gòu)造比較穩(wěn)定，故這種地表熱流與深層地熱之間的簡單傳導(dǎo)關(guān)系可能不明顯。

京津唐地區(qū)的熱流值變化較大，為0～120 mW/m2，居里面深度與熱流的分布基本一致，可能是由于該地區(qū)西部和北部為大面積的山區(qū)，居里面較深，而其他地區(qū)屬于平原，居里面深度下凹和上隆呈塊狀分布，起伏變化較大。陸區(qū)合肥盆地居里面較深，大約30 km，熱流值大部分在70 mW/m2以內(nèi)；而其東部的蘇北盆地的熱流值范圍在54～83 mW/m2之間，平均68 mW/m2，和南黃海南部盆地的平均熱流值相同。這是因為南黃海南部盆地與蘇北盆地均位于揚子準地臺基底之上,無論是形成時代和還是演化過程均具有相似性，現(xiàn)在正在經(jīng)歷熱冷卻過程[11]。隨著熱流值的增高，可明顯看出熱流分布區(qū)域逐步向東部海域轉(zhuǎn)移，居里面深度也逐步變淺。

渤海灣的熱流值與居里面深度有很好的對應(yīng)關(guān)系，其大地熱流最高85 mW/m2，最低50.3 mW/m2；渤中凹陷熱流值略微高于60 mW/m2，與大洋平均熱流值相當，渤海地區(qū)熱流值大于70 mW/m2大體沿NE向展布，從遼東灣到渤南凸起以及墾東凸起高熱流分布呈現(xiàn)出與盆地居里面起伏形態(tài)大體對應(yīng)的特征，反映該盆地中新生代曾經(jīng)歷的裂谷作用及巖漿活動。

東海陸架盆地熱流值55～88 mW/m2，平均熱流值70.5 mW/m2，屬于正常熱流值區(qū)域，熱流點分布在甌江凹陷、漁礁凸起東南部以及西湖凹陷，位于居里面深度下凹區(qū)域。120 mW/m2以上的高熱值主要分布在沖繩海槽區(qū)域，而中、低熱流值在研究區(qū)內(nèi)均有分布。沖繩海槽是高熱流值集中地區(qū),也是低熱流值廣泛分布的地區(qū)，表現(xiàn)為低熱流值和高熱流值在同一區(qū)域出現(xiàn),可能是在垂直于海溝軸的方向上熱流總和趨于平衡[28]，即在熱液噴出口周圍的小范圍的斷層作用使冷水下滲,形成低熱流循環(huán)，該區(qū)域居里面表現(xiàn)為隆起。

圖4為研究區(qū)的居里點埋深與熱流值分布散點圖，為了繪圖方便，將熱流值大于350 mW/m2的數(shù)據(jù)取350 mW/m2，大于300 K·km-1的數(shù)據(jù)取300 K·km-1。通過計算研究區(qū)居里面深度與熱流、地溫梯度的自相關(guān)系數(shù)(Pearson相關(guān)系數(shù))后發(fā)現(xiàn)，結(jié)果分別為-0.389 6與-0.516 0，說明該區(qū)域居里面深度與熱流值之間為弱負相關(guān)，與地溫梯度為中等程度負相關(guān)，但相互間沒有很好的線性關(guān)系。隨著居里面深度逐漸增加，地溫梯度和熱流值均降低；居里面深度大于29 km時，東部海域的熱流值明顯降低，小于100 mW/m2；而在居里面隆起的區(qū)域(<28 km)，東部海域熱流值變化范圍大。地溫梯度也存在類似特征，居里面深度大于29 km時，地溫梯度大部分小于50 K·km-1。

圖4 居里深度與熱流值及地溫梯度分布散點圖

3 結(jié)論

選取中國東部及鄰近海域磁力數(shù)據(jù)的二階小波逼近結(jié)果反演居里面，對居里面及熱流特征進行了分析，得到結(jié)論如下：

1) 中國東部海域居里面深度為16.8～36.6 km。在構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定、地殼厚度正常的區(qū)域，如蘇北—南黃海盆地、東海陸架盆地，居里面深度在28 km以上，起伏變化平緩，可能與相對較弱的中、新生代構(gòu)造活動有關(guān)；在構(gòu)造活動區(qū)邊緣或者中、新生代造山系，如渤海盆地、千里巖隆起區(qū)及沖繩海槽，居里面深度則以上隆為特征。

2) 居里面深度與熱流、地溫梯度的自相關(guān)系數(shù)的計算結(jié)果分別為-0.389 6與-0.516 0，顯示出居里點深度與熱流值為弱的負相關(guān)性，與地溫梯度為中等程度負相關(guān)性，均未呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。

3) 南黃海中部隆起的居里面深度西部下凹而東部相對上隆，綜合前人工作及重磁震資料，認為可能是古陸核與巖漿侵入的綜合反映。