中太平洋海山群地區的重力場特征研究

中太平洋海山群地區的重力場特征研究

中太平洋海山群（170°E～160°W、15°N～25°N）位于中太平洋海盆的北部，是太平洋海山分布的密集區的中心部位，東部的海脊與Hawaii海山鏈相接，西部直接坐落在深海盆上，與Marcus-Wake海山群相接。周圍分布著一系列呈鏈狀展布的海山和NW走向的島嶼，如Marcus-Wake海山群、Hawaii-Emperor海山鏈、Line海山鏈、Marshall海山鏈等。在海山的分布形態及走向上，中太平洋海山群與周圍的海山區存在明顯差異。海山和海脊大多發育在基座上，海山群主要呈密集簇狀分布，近EW走向，是太平洋海山中呈簇狀分布最密集的區域。

中太平洋海山區恰好位于兩組走向近乎垂直的斷裂帶交匯處：NNE向的Murray斷裂帶、Molokai斷裂帶等向西延伸到該區，NNW向的Mamua斷裂帶、Emperor斷裂帶向南延伸到該區。受斷裂交匯影響，中太平洋海山群也多發育次級斷裂構造，東部斷裂為ENE走向，中部為EW走向，西部多為EN-SN走向，整體呈現出翻轉S型的漩渦狀。海山也多沿斷裂帶或在斷裂交匯處發育，前人研究和海底地貌均證實該區域的洋殼曾受多條斷裂帶和海脊的改造，推測該區海山的形成與構造斷裂有關。

研究區的重力場特征

自由空間重力異常特征

從Sandwell全球海洋重力模型中直接抽取的重力數據即為自由空間重力數據。圖2是MPM的自由空間重力異常，圖中整合了水深數據，使之能夠與地形相吻合。從圖中可以看出，周圍背景場的異常值在-10～10mGal之間，海山和海脊處的異常值在40～130mGal之間，部分海山超過150mGal，位于研究區東北的Hawaii-Emperor海山鏈的異常值甚至可達200mGal左右；而在海山（鏈）的周圍和海脊兩側則表現為較大的負異常，一般在-25～-40mGal之間，部分地區甚至低于-70mGal，如SIO海山周圍的凹槽。由圖可知，中太平洋海山群西部海山和海脊的正異常值和周圍的凹槽的負異常均較大；東部的海山鏈和海脊表現為較強的正異常，而其兩側的負異常均較低，在-30～-7mGal之間。Necker海脊與Line島鏈及Molokai斷裂帶交匯處表現為片狀的低異常區。從圖中海山和海脊的分布可以看出，它們猶如發育在自由空間重力異常低值區所構成的線狀“凹槽”中。

區內海山鏈呈現出明顯的串珠狀正異常圈閉帶，由一個個海山正異常圈閉組成，大致呈EW向展布，這些正異常圈閉并不貫通，被海山之間的凹槽所表現出的負異常所切割，而這些海山周圍的負異常帶可以相互連通。這種正負異常的分布特點符合典型的海山負載撓曲模式，地殼、巖石圈不能長期承受火成巖火山的負重，因此不斷下彎、增厚。

圖1　研究區周圍斷裂分布情況（章家保，2006）

圖2　中太平洋海山區自由空間重力異常圖

圖3　中太平洋海山區布格重力異常

圖4　MPM區域Moho面埋深形態分布圖

布格重力異常特征

利用海洋地球物理調查規范中的海洋布格重力計算公式對自由空間異常進行地形校正，得到該區的布格重力異常。其公式如下：

其中，ΔgB為布格重力異常值，σ為巖石密度，取其平均值2.7 g/ cm3，σ0為海水密度，取1. 03 g/cm3；h’是海水深度。

布格重力異常較自由空間重力異常更能準確、集中的反映地下的地殼結構信息。從MPM布格重力異常圖中可以看出，研究區的布格重力異常在140～420mGal左右，其中海山的正異常值較小，大多在250mGa以下，外圍洋盆的異常值較大，多在330～400mGal之間，MPM西部洋盆甚至達到420mGal左右。SIO海山處的布格異常值最小，接近140mGal，這是由于SIO海山的基座體積比周圍大，密度較小。MPM東部的異常明顯呈帶狀分布，這與海山鏈和海脊的分布相一致。海山西部與洋盆之間存在明顯的梯度帶，說明MPM作為一個地質體與周圍洋盆的洋殼是不整合的。從表面上看，正負布格異常的幅值變化與海底地形的起伏變化成相反的關系。實質上，如果該區域滿足均衡補償理論的話，這種變化則反映了與地形基本成鏡像對稱關系的Moho面的起伏變化，總體上保持地殼的均衡性。海山群的布格異常值比周圍小，表明形成海山的巖漿活動使地殼厚度增加，使得Moho面下凹，異常值越小的區域，意味著巖漿活動越強烈或規模越大。

研究區Moho面埋深

地球物理資料已經證明了地球的圈層構造，而且各層的界面也是起伏變化的，層間物質密度在橫向上分布不均勻。重力場同樣具有成層分布的特征，布格重力異常正是測點下到正常地殼厚度之間的各種地質體密度分布不均勻效應的總和。

從上文布格重力異常可以看出，海山的異常幅值變化與地形起伏變化成反比關系，實質上反映了與地形基本成鏡像對稱的Moho面的起伏變化。本文以布格重力異常根據Parker-Oldenburg公式來反演Moho面的埋深及分布形態。在計算過程中，殼幔巖石的密度差取0.6g/cm3，經迭代計算，MPM區域的Moho面埋深分布如圖。

從研究區Moho面埋深形態圖可以看出，MPM外圍洋殼的Moho面埋深在-14～-17km之間，界面在海山和洋盆之間的坡度很大。海山區所對應的Moho面埋深在-19～-23km之間，西部SIO海山基座處Moho面埋深達-23km，基部右上方表現有明顯的深槽，與基座上對應的Moho面在-20km深度上相連通，反映了西部海山基座補償深度較深，同時，槽狀下凹的Moho面對周圍海山形成一種擠壓趨勢。中部界面與西部界面相連通，中央對角線上的Moho面呈槽狀下凹形態，其對應的Allison海山和Muama斷裂帶上發育海脊。

從MPM的Moho面埋深來看，該區域的Moho面總體呈帶狀，且基本上相連通，反映了該區域各部分基底之間的聯系是相近的，Moho面埋深達-22km說明該區的海山體積較大，補償深度較深，洋殼同時也經歷過海山的長期負載。洋殼在長期負重的情況下必然會形成凹槽地帶，這也解釋了該區海山和海脊周圍出現重力凹槽低值的現象。

結語

本文以衛星測高資料為基礎，結合前人研究資料，對研究區的重力異常數據進行分析。自由空間重力異常和布格重力異常特征清晰的展示了中太平洋海山區的洋底構造，自由空間異常與海底地形起伏呈正相關關系，海山鏈呈串珠狀正異常圈閉帶，對應單個海山的正異常圈閉；海山和海脊兩側的凹槽的重力異常比周圍海盆的背景異常低40mGal左右，凹槽兩側有微弱凸起的正異常壁壘，比周圍背景場高出10mGal左右。研究區的海山鏈、海脊等的布格重力異常值比周圍洋盆低，與地形起伏成相反對應。該區域海山總體滿足均衡補償模式，洋殼受到火成巖海山的長期負荷向下彎曲形成凹槽，巖漿活動使地殼厚度增大，Moho面埋藏深。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.033