南極羅斯海重力場特征及莫霍面深度反演

馬龍，鄭彥鵬

( 1. 自然資源部第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，山東 青島 266061；2. 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510075；3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061)

1 引言

西南極裂谷系是東、西南極晚生代和新生代延伸而成，為地球最大的活動大陸裂谷系統(tǒng)之一[1-2]。羅斯海屬西南極裂谷系的一部分，位于東南極克拉通板塊和西南極微板塊之間，西部與直立的橫貫?zāi)蠘O山脈相鄰，東部與隆起的瑪麗伯德地接壤[3-4]。切斷羅斯海至東南極巖石圈的NW-SE 向右旋走滑斷裂帶，一直從維多利亞地陸地延伸至羅斯海海底，與近N-S 向斷裂帶交匯，控制并影響羅斯海西南部構(gòu)造及海底地形（圖1）。羅斯海目前仍處于裂谷張裂期，總體呈扇狀，水深自東南向西北逐漸變深，構(gòu)造活動區(qū)域主要位于2 000 m 等深線以淺的位置。

由于極地調(diào)查窗口期有限，往往造成有價值的數(shù)據(jù)測線少、難成測網(wǎng)，總體質(zhì)量低[5-6]。本文基于國內(nèi)在羅斯海海域獲取的船載實測資料，結(jié)合覆蓋研究區(qū)主要構(gòu)造活動區(qū)域的國際共享資料，并通過與最新的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)對比分析，獲得研究區(qū)高精度網(wǎng)格區(qū)域重力場數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，基于頻率域界面反演法獲得研究區(qū)最新的莫霍面深度圖，并分析羅斯海多期次巖漿活動及板塊構(gòu)造活動對莫霍面深度的影響。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

羅斯海沉積地層中含有羅斯冰架、羅斯海和橫貫?zāi)蠘O山脈演化信息，深部構(gòu)造不僅能夠揭示東、西南極之間的構(gòu)造關(guān)系，還蘊含羅斯海盆地起源的信息。淺部沉積地層能夠反映羅斯海西部新構(gòu)造活動的情況，尤其是冰期以來南極冰蓋消長和冰川接地線進退歷史。羅斯海海域作為國際調(diào)查熱點區(qū)域，已被多個國家通過極地科考船開展科學(xué)考察。羅斯海地區(qū)的形成演化過程伴隨盆地凹槽、斷裂、火山活動等地質(zhì)構(gòu)造作用，據(jù)其形成及演化過程可被細分為北部盆地、維多利亞地盆地、中央海槽、東部盆地4 個主要盆地，以及將上述4 個盆地分隔的庫爾曼高地和中央高地2 個基底隆起。

侏羅紀威德爾海的張開和費拉巖漿活動[7]誘發(fā)西羅斯海裂谷作用，逐步形成羅斯海的主要地殼[8-9]，并以白堊紀西羅斯海劇烈的陸內(nèi)拉張為第一次裂谷活動開始的標志。第二次裂谷活動開始于新西蘭與瑪麗伯德地裂離之后（83 Ma BP），主要集中表現(xiàn)為西羅斯海地區(qū)的拉張伸展過程[2]。

羅斯海裂谷活動可分為3 個主要階段[10-12]：（1）盆地和山脈型地殼減薄和斷陷活動期（105～80 Ma BP）；（2）伴隨橫貫?zāi)蠘O山脈隆起出現(xiàn)的盆地沉降和巖漿作用期（55～30 Ma BP）；（3）30 Ma BP 至今的大規(guī)模右旋走滑斷裂作用期。

隨著羅斯海西部盆地的多次拉張及巖漿活動，該區(qū)域的地殼厚度和莫霍面深度表現(xiàn)出越來越大的差異性[13]，這也成為本論文開展區(qū)域重力場數(shù)據(jù)平差融合及莫霍面深度反演工作的首要研究內(nèi)容。

圖 1 羅斯海海底地形Fig. 1 Topographic map of the Ross Sea

3 數(shù)據(jù)和方法

為了應(yīng)對當(dāng)前國際極地形勢和國家重大戰(zhàn)略的需求，我國自1984 年首次在南極開展海洋重力測量以來，已經(jīng)先后開展了35 個航次的南極科學(xué)考察，曾多次（第30、32 次南極科學(xué)考察）在研究區(qū)（70°～80°S，160°E～160°W）開展科學(xué)考察，并獲得重磁震調(diào)查數(shù)據(jù)。本文基于以上兩個航次的有效船測重力數(shù)據(jù)，結(jié)合國際公開的重力調(diào)查資料（表1），在研究區(qū)開展船測重力數(shù)據(jù)的平差處理工作（圖2）。

不同船只、不同階段在用一測區(qū)采集的海洋重力調(diào)查數(shù)據(jù)，容易受現(xiàn)場海況、儀器設(shè)備等諸多偶然誤差和系統(tǒng)誤差影響，在平差融合過程中，采用簡單合并或平差融合的方式，勢必容易形成更大的處理誤差，造成對研究區(qū)重力場特征的錯誤解析。因此本論文通過最新設(shè)備和先進科考船的航次保障，結(jié)合航次數(shù)據(jù)的時效性及現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的真實性，建立平差基準，完成整個測線分布區(qū)域的重力場特征分析。針對圖2 中展示的2 個實測航次及10 個共享航次的資料，逐線逐點分析有效數(shù)據(jù)的分布情況，去除停船點及彎折段數(shù)據(jù)，獲得了有效航次數(shù)據(jù)（圖3）。

據(jù)圖3 可知調(diào)查區(qū)匯集了12 個調(diào)查航次的有效數(shù)據(jù)，形成覆蓋主要構(gòu)造活動區(qū)域的成網(wǎng)測線。首先基于最小二乘方法[15-18]對每個航次內(nèi)的數(shù)據(jù)進行平差。假設(shè)主測線（m條）、聯(lián)絡(luò)線（n條）的誤差分別為xi、yj，交點誤差為dij，研究區(qū)測線誤差平方和[15]為

表 1 采用的羅斯海重力測線資料Table 1 Gravity data for the Ross Sea used in this study

圖 2 調(diào)查區(qū)測線分布Fig. 2 Distribution of cruise data

對誤差平方和求導(dǎo)，并構(gòu)建線性方程組AX=B，利用最小二乘法構(gòu)造方程組確定方程系數(shù)的方式來消除誤差，并確立研究區(qū)內(nèi)的航次基準，最終完成各航次間重力調(diào)查數(shù)據(jù)的平差工作。重力數(shù)據(jù)反演主要分為空間域和頻率域反演方法，本文采用頻率域反演中的Parker-Oldenburg 迭代反演公式[19-20]計算殼幔邊界的深度

式中，G為萬有引力常量；ρ為界面密度差；z0表示觀測面；F[△g]表示對△g進行二維傅里葉變換；k表示頻率域波數(shù)模值；h(r)為界面起伏數(shù)值函數(shù)。平差融合后的數(shù)據(jù)經(jīng)填充至方形區(qū)域后再進行快速傅里葉變化，并取海水密度為1.03×103kg/m3，地殼密度為2.67×103kg/m3，殼幔密度差為0.45×103kg/m3，地殼平均厚度取研究區(qū)范圍內(nèi)CRUST1.0 網(wǎng)格數(shù)據(jù)[21]的平均值。

考慮數(shù)據(jù)時效性及現(xiàn)場質(zhì)量控制情況，選取第30 次南極科學(xué)考察數(shù)據(jù)（CHN30）為基準。為進一步檢驗船測重力數(shù)據(jù)的精度，采用Sandwell 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)[15]進行比對，部分測線對比及差值結(jié)果見圖4。

圖 3 有效數(shù)據(jù)點分布Fig. 3 Distribution of effective measuring points

第30 次南極有效船測重力數(shù)據(jù)與衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)對比顯示兩者趨勢基本一致（圖4a），空間重力異常差值平均值為2.23×10-5m/s2，均方差為±4.84×10-5m/s2（圖4b），在部分區(qū)域船測數(shù)據(jù)能彌補衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)缺失的高頻信息。以CHN30 資料為基準，對研究區(qū)內(nèi)剩余航次測線數(shù)據(jù)的系統(tǒng)差進行處理。鑒于部分航次內(nèi)存在一些無交點的測線，所以再以測線為單位對測區(qū)內(nèi)所有的數(shù)據(jù)進行二次平差，同樣也是基于最小二乘平差原理，結(jié)果見圖5。

經(jīng)過上述方法平差處理后，誤差分布總體呈正態(tài)分布，且近75%的交點誤差絕對值小于1.5×10-5m/s2，全部386 個交點經(jīng)平差后的均方差為±1.53×10-5m/s2。船測重力數(shù)據(jù)與衛(wèi)星重力比對結(jié)果見圖5b，平均值為1.49×10-5m/s2，均方差為±3.81×10-5m/s2。

圖 4 第30 次南極船測重力數(shù)據(jù)與衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)對比Fig. 4 Comparison in gravity anomaly by CHN30 measuring data and satellite data

圖 5 平差后數(shù)據(jù)分析Fig. 5 Histogram analysis of data after adjustment

4 羅斯海區(qū)域重力場特征及解析

羅斯海重力測線主要位于水深2 000 m 以淺盆地及海槽構(gòu)造活動區(qū)，經(jīng)處理平差融合后，獲得研究區(qū)的區(qū)域重力場特征（圖6）。

空間重力異常反映了實際的地球形狀和物質(zhì)分布與參考橢球體的偏差，是研究地殼均衡現(xiàn)象的重要資料。羅斯海海域空間重力異常值的大小及分布在很大程度上，明顯受持續(xù)構(gòu)造作用的影響，變化范圍在-85×10-5～65×10-5m/s2內(nèi)，同時以近N-S 向異常為主體特征，斜交于N-E 向地形走向。東部盆地因地形相對平坦、斷裂帶及構(gòu)造活動分布較少，空間重力異常幅值變化較中央海槽、維多利亞地盆地小。在西部沿175°E 經(jīng)線至74°S 處隨斷裂帶走向和海底地形起伏形成“Y”型正異常帶，并向兩側(cè)形成以降低異常為主的梯級帶。沿羅斯海陸架盆地、海槽等地形復(fù)雜區(qū)域形成多個空間重力異常高值（最高值65×10-5m/s2位于東部盆地東北邊緣）、低值圈閉（最低值-85×10-5m/s2位于特拉裂谷），相間分布。

羅斯海海域的布格重力異常值范圍為-35×10-5～210×10-5m/s2，深部海域和陸架邊緣異常場值朝NE 向急劇變大，最高值達到210×10-5m/s2。與空間重力異常類似，在北部盆地、維多利亞地盆地、中央海槽、東部盆地4 個主要盆地腹地表現(xiàn)為異常高值，數(shù)值從60×10-5m/s2至200×10-5m/s2不等，跨度達100 km 以上。研究區(qū)莫霍面深度（圖7）整體呈南深北淺之勢，深度范圍為10～28 km。

重力異常高值與羅斯海西部盆地底部的高密度巖石(麥克默多火山組)對應(yīng)，由于受早期羅斯海內(nèi)部的陸內(nèi)拉張及后期的拉張伸展作用影響，研究區(qū)發(fā)生了多期次的巖漿作用，導(dǎo)致維多利亞地盆地、中央海槽和東部盆地部分上地幔上涌(形成基性侵入巖)并表現(xiàn)為薄地殼[22]。

結(jié)合在西南極裂谷系開展的航磁調(diào)查結(jié)果[23-25]，研究區(qū)可能存在火山活動或巖漿作用。然而從區(qū)域因素考慮[26]，西南極裂谷系推斷的基性巖，也可能是地殼拉伸和同期巖漿作用的結(jié)果[27-29]。

基于地震數(shù)據(jù)獲得的地殼速度和厚度參數(shù)，建立了二維地殼密度模型（表2）[30]，通過重震聯(lián)合反演獲得羅斯海深部地殼結(jié)構(gòu)（圖8），構(gòu)建橫跨維多利亞地盆地、中央海槽、中央高地以及東部盆地的海底地震儀剖面[30]（位置見圖7），集中分析研究羅斯海盆地的斷面殼幔結(jié)構(gòu)及盆地重力異常高值的原因。

地球物理綜合剖面反演結(jié)果與莫霍面反演結(jié)果一致，即高密度（高速）地殼對應(yīng)的是重力異常高值，這也表明在維多利亞地盆地、中央海槽等區(qū)域存在基性巖脈或侵入巖廣泛侵入地殼的情況。侵入巖侵入導(dǎo)致的沉積層密度增加主要發(fā)生在4～10 km 的上地殼中，地幔物質(zhì)上涌導(dǎo)致的下地殼密度升高則主要發(fā)生在15～25 km 的上地幔中。伴隨這些高密度體的侵入，空間重力異常值升高，同時莫霍面深度較周圍地區(qū)淺5～10 km。綜合剖面結(jié)果表明，羅斯海重力異常值的長波長變化與莫霍面的起伏呈正相關(guān)關(guān)系，但是反演的莫霍面深度與區(qū)域重力場特征并非完全對應(yīng)，所以巖漿底侵和地殼侵入仍不足以導(dǎo)致羅斯海盆地的重力異?；蚺璧貛缀涡螤頪31]。Cooper 和Davey[32]基于橫跨維多利亞地盆地的多道地震反射剖面資料，發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)存在一個充填了自晚中生代一直沉積到現(xiàn)今的地塹，厚度達14 km。因此羅斯海西部盆地內(nèi)多期次長時間的裂谷沉積作用勢必會影響盆地內(nèi)巖石圈的撓曲強度，這個需要通過開展羅斯海高精度全覆蓋的沉積物厚度數(shù)據(jù)研究予以解決。

圖 6 羅斯海區(qū)域重力場特征（等值線間隔為10×10-5 m/s2）Fig. 6 Regional gravity anomaly in the Ross Sea（the contour interval is 10×10-5 m/s2）

5 結(jié)論

（1）本文基于國內(nèi)在羅斯海海域采集的船載實測資料，結(jié)合覆蓋該海域主要構(gòu)造活動區(qū)域的國際公開資料，采用最小二乘平差方法開展研究區(qū)內(nèi)12 個航次（2 個實測航次）船測重力數(shù)據(jù)的平差融合工作，獲得了研究區(qū)高精度網(wǎng)格區(qū)域重力場數(shù)據(jù)。平差后的空間重力異常交點差均方差減小為±1.53×10-5m/s2，通過與衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)對比，差值平均值為1.49×10-5m/s2，均方差為±3.81×10-5m/s2。

圖 7 莫霍面深度（火山組、斷裂帶分布據(jù)文獻[10]）Fig. 7 Depth of Moho（volcanic groups and fault modified after reference[10]）

表 2 密度模型Table 2 Density model

（2）羅斯海空間重力異常值明顯受持續(xù)構(gòu)造作用的影響，以近N-S 向異常為主體特征，斜交于N-E 向地形走向，變化范圍為-85×10-5～65×10-5m/s2。在西部沿175°E 經(jīng)線至74°S 處隨斷裂帶走向和海底地形起伏，形成“Y”型正異常帶，并向兩側(cè)形成以降低異常為主的梯級帶。沿羅斯海陸架盆地、海槽等地形復(fù)雜區(qū)域形成多個空間重力異常高值、低值圈閉。東部盆地因地形相對平坦、斷裂帶及構(gòu)造活動分布較少，空間重力異常幅值變化較中央海槽、維多利亞地盆地小。

（3）研究區(qū)布格重力異常值總體呈現(xiàn)南低北高的趨勢，深部海域和陸架邊緣異常場值朝NE 向急劇變大，最高值達到210×10-5m/s2。與沉積盆地對應(yīng)重力異常低值相悖，在羅斯海北部盆地、維多利亞地盆地、中央海槽、東部盆地4 個主要盆地腹地卻表現(xiàn)為重力異常高值，數(shù)值從60×10-5m/s2至200×10-5m/s2不等，跨度達100 km 以上。

（4）隨著羅斯海西部盆地的多次拉張及巖漿活動，該區(qū)域的地殼厚度和莫霍面深度高值和低值相間分布，并表現(xiàn)出越來越大的差異性。莫霍面深度分布整體呈南深北淺之勢，范圍為10～28 km。綜合剖面結(jié)果表明，羅斯海重力異常值的長波長變化與莫霍面的起伏呈正相關(guān)關(guān)系，但是反演的莫霍面深度與區(qū)域重力場特征并非完全對應(yīng)，所以巖漿底侵和地殼侵入仍不足以導(dǎo)致羅斯海盆地的重力異?；蚺璧貛缀涡螤?。

羅斯海西部盆地內(nèi)多期次長時間的裂谷沉積作用勢必會影響盆地內(nèi)巖石圈的撓曲強度，這個需要通過開展研究區(qū)高精度全覆蓋的沉積物厚度數(shù)據(jù)研究予以解決。本文通過合理有效的綜合運用國內(nèi)實測數(shù)據(jù)和國際公開數(shù)據(jù)開展重力場研究，將極大的補救極地調(diào)查時間短、測線數(shù)據(jù)少、難成網(wǎng)等短板，同時也可為今后在同一海域設(shè)計布置測線提供指導(dǎo)。

圖 8 羅斯海地球物理綜合剖面（修改自文獻[30]）Fig. 8 Gravity-seismic inversion interpretation profile in the Ross Sea (modified after reference [30])

致謝：感謝中國地震局地殼應(yīng)力研究所紀飛助理研究員，中國科學(xué)院海洋研究所楊安助理研究員，自然資源部第一海洋研究所孫楊博士、許陽博士后，他們?yōu)楸疚膶懽魈岢隽嗽S多寶貴的意見，在此一并致謝！