西太平洋雅浦-卡羅琳海區海山多尺度地形特征

甘雨，馬小川，欒振東，宋永東，徐濤，張建興，閻軍

中國科學院海洋研究所，海洋地質與環境重點實驗室，青島 266071

作為廣泛且不規則地分布于海底的一類地貌，自第一座海山于1946年被發現以來[1]，其形態及分布規律的研究便受到了地質學家的關注。傳統上，海山被定義為從基準面到頂點高度大于1 000 m的水下孤立火山建造[2]，其中具有平緩山頂的一類被稱作平頂海山或桌山[3]。海山的分布廣泛，從洋中脊到地幔柱活躍的板塊內部，再到板塊俯沖邊界的島弧體系中均有發現[4]。基于全球衛星測高數據，Kim和Wessel[5]識別出了約25 000座高度大于100 m的潛在海山構造。在對海山的形態研究中，Batiza和Vanko[6]指出，海山形態的主控因素包括海山基巖的年齡、上覆沉積物厚度、巖漿活動以及巖石圈結構。Smith[7]分析了太平洋中85座海山的剖面形態，并選擇使用底面寬度、頂面寬度、最大高差、平坦度、坡度和寬高比6個參數來描述海山形態。近年來的研究更多地關注海山地形和火山、構造及沉積-侵蝕作用之間的復雜關系。例如，基于高分辨率DEM數據，Passaro等[8]對意大利第勒尼安海中的Palinuro海山進行了研究，分析了如環狀火山口，崩塌等小尺度火山構造的產生原因；Palomino等[9]利用多波束數據與單道地震數據，分析了加那利海山群的火山過程與滑坡作用對地貌形態的影響；Bijesh等[10]利用高分辨率水深地形圖研究了印度西南大陸邊緣的海山形態及其與熱點火山作用的聯系；針對地中海Graham淺灘上的現代火山噴發過程，Spatola等[11]綜合測深數據與地震數據分析了其地貌學特征。

由于海底地形地貌在發育和演化過程中，受到了不同的時間-空間尺度中構造活動、沉積作用、海水運動和生物過程的影響，多尺度分析方法成為了研究海底地形地貌特征的有效工具[12]。其中，以頻譜分析為代表的多尺度地形分析方法業已廣泛應用于地貌學的研究之中。Hubbard等[13]提出，通過計算傅里葉變換功率譜密度函數的定積分，可以定量分析不同尺度區間內地形剖面的粗糙度。Lyons等[14]利用二維傅里葉變換得到了二維功率譜，并分析了海底底床形態的多尺度空間特征。在此基礎上，Perron等[15]將二維傅里葉變換方法引入DEM數據分析領域，并用該方法分析了準周期性丘陵地貌的演化過程。在前人對地形地貌多尺度特征的研究中，常常將地形數據功率譜的形態變化，以及不同尺度下地形粗糙度的突變，歸因為不同尺度下塑造地貌形態的主控過程的改變[16]。如Shepard和Campbell[17]在對夏威夷島熔巖流地貌的研究中指出，厘米級尺度的粗糙度變化主要受控于風化與侵蝕作用，而米級尺度的粗糙度變化則受流體侵位作用的控制；Perron等[15]將DEM數據標準化功率譜中大、小尺度間振幅的相對強弱變化歸因于小尺度侵蝕作用強度的改變；通過對美國西部地形和地殼應變速率數據的多尺度分析，Bomberger等[18]指出，造成大、小尺度地形起伏的原因分別為巖石圈深部的粘性過程以及地殼表層的彈性斷裂。

雅浦-卡羅琳海區位于西太平洋，地處太平洋板塊、菲律賓海板塊和卡羅琳板塊的交界處，前人對此海域的地球物理特征、巖石學特征以及構造演化背景進行了廣泛的研究[19-21]。然而，由于缺乏高分辨率的海底地形數據，前人研究未對區域內海山地貌的形態學及多尺度特征進行定量分析。近年來，中國科學院海洋研究所依托“科學”號科學考察船，對雅浦-卡羅琳海區的地形地貌、地球物理特征、水文及生態系統進行了系統的數據采集及科學研究[22-26]。借助于“科學”號搭載的全水深多波束測深系統采集的高分辨率海底地形數據，本文對雅浦-卡羅琳海區42座海山的形態參數進行了統計，并利用頻譜分析方法對其地形的多尺度參數進行了計算，在此基礎上對該海區海山形態特征、演化過程以及多尺度地形特征進行了定量分析與討論。

1 研究區域

研究區域位于太平洋板塊、菲律賓海板塊和卡羅琳板塊交匯處（圖1）。此區域內構造活動活躍，形成了諸如海溝、島弧、海脊和海槽等特殊的板塊邊緣地貌，具有重要的地貌學研究價值。區域最深處位于馬里亞納海溝南部的挑戰者深淵（11 034 m），雅浦島弧及卡羅琳海脊處較淺，有多個出露于海面的島嶼及礁盤，如雅浦島、法斯島、恩古魯環礁和烏利西環礁等。宮士奇[26]結合高分辨率水深地形數據，對區域內的地貌特征進行了詳細描述。其中，雅浦海溝西側的帕里西維拉海盆地勢較為平坦，其上分布著許多孤立的海山，且大部分海山集中在南部。雅浦海溝西側和馬里亞納海溝南側為卡羅琳海脊，索羅爾海槽將卡羅琳海脊分割為南北兩部分，其中北部被稱作卡羅琳群島海脊，南部被稱作西卡羅琳海隆。卡羅琳群島海脊由眾多海山組成，地形變化復雜；而西卡羅琳海隆地勢平坦，其上僅存零星的地形突起。中部的索羅爾海槽水深較大，且分布有眾多海山。

區域內太平洋板塊、菲律賓海板塊和卡羅琳板塊間相互作用復雜。其中，作為太平洋板塊和菲律賓海板塊的邊界，馬里亞納海溝西南部長約150 km的區域可能表現出走滑斷層性質[19]。卡羅琳海脊正在向雅浦海溝之下俯沖，雅浦海溝近似南北走向，在8°N以北形態筆直，而在最南端發生彎曲，類似“J”字形，長度約為 700 km，最深點（8 964 m）位于海溝北部。卡羅琳海脊被索羅爾海槽分隔為南北兩部分，導致雅浦海溝南北的俯沖特征不同：北部表現出擴張邊界的特征；而南部俯沖板塊與島弧受到擠壓應力的影響[20]。整體而言，雅浦海溝具有極慢的俯沖速率，以及較小的島弧-海溝間距[25]。索羅爾海槽作為太平洋板塊與卡羅琳板塊的邊界，大致呈北西-南東走向，西部寬約150 km，向東南逐漸變窄，整體表現出走滑-擴張的板塊運動特征[21]。

圖1 研究區域位置和水深地形圖（A）及研究區域構造綱要圖[25]（B）其中，地形圖數據來源：GEBCO，https://www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/；紅色實線為板塊邊界，紅色三角形指向上覆板塊，藍色虛線為擴張中心，黑色矢量指示板塊運動方向和速率（mm/yr）。Fig.1 The location and bathymetry map of the study area（data from GEBCO）（A），the structural map of the study area[25]（B）Red lines refer to plate boundaries; Red triangles direct to the overlying plates; Black dotted lines refer to spreading centers;And black vectors show the direction and velocity（mm/yr）of plate motion.

前人對該區域的構造演化歷史進行了詳細的研究及分析，Dong等[22]結合前人研究及近年的觀測數據，認為太平洋板塊向菲律賓海板塊下的俯沖發生于早始新世，并導致了古伊豆-小笠原-馬里亞納-雅浦（IBM-Yap）俯沖體系的形成以及帕里西維拉海盆的裂解。在約30 Ma時，由于帕里西維拉海盆中的弧后擴張作用，俯沖帶北部向東發生位移，并導致了古雅浦海溝的斷裂。在晚漸新世，卡羅琳板塊上的熱點作用導致在卡羅琳海的漸新世洋盆基底上形成了卡羅琳海脊。卡羅琳海脊與雅浦海溝的碰撞始于晚漸新世至中中新世期間，這一碰撞事件大大減慢了板塊的俯沖速度，并且導致了雅浦島弧火山活動的終止。此外，該碰撞事件也極有可能影響到了帕里西維拉海盆中弧后擴張的方向，使其在約20 Ma時由原本的東西向擴張轉為北東-南西向。在晚中新世，由于走滑-擴張環境的影響，卡羅琳海脊裂解為南北兩部分，并導致了索羅爾海槽的形成。與此同時，年輕的索羅爾海槽的俯沖可能導致了雅浦島弧中島弧玄武巖的產生，而卡羅琳海脊的突出地形和脆弱的流變學特征則導致了俯沖區大量地壘地塹和正斷層構造的產生。

2 研究數據及方法

本研究采用的高分辨率水深地形數據均由“科學”號搭載的SeaBeam 3 012全水深多波束測深系統采集，包括：① 2014—2015年采集的雅浦海溝兩側約1.1×105km2水深地形數據，②2016年采集的馬里亞納海溝北側約7×103km2水深地形數據，以及③ 2017及2019年采集的馬里亞納海溝南側約5×103km2水深地形數據。數據在CARIS HIPS&SIPS軟件軟件中進行處理，主要處理步驟包括潮位校正、聲速校正、船體吃水與傾角校正和異常值剔除等，處理后的結果經空間插值得到了網格分辨率分別為200 m（數據① ）及100 m（數據②、③）的DEM柵格數據。本研究提取并分析了其中42座海山的DEM數據，其分布如圖2所示。在馬里亞納海溝南北兩側分布有兩座海山（M2和M4），雅浦島弧上一座（Y3），索羅爾海槽內 12座（S1—S12），西卡羅琳海隆上3座（W1—W3），帕里西維拉海盆中24座（P1—P24）。

海山的基本形態參數包括了底面寬度（或底面半徑rb）、頂面寬度（或頂面半徑rs）、高度h和山坡傾角dip等（圖3）。由這些參數可計算得到海山的寬高比R=h/rb、平坦度f=rs/rd、平均坡度slope=arctan（2h/（rb-rs））和體積v= πh（rb2+rs2-rbrs）/3[7]。海山的形態參數可以區分不同形態特征的海山，而不同形態參數間的相關關系則可以揭示海山的演化模式[27]。因此，本研究對不同構造環境中海山的形態參數進行了統計學分析：利用未知方差t檢驗，對來自不同構造環境海山的形態參數均值是否相等進行了判斷；通過線性回歸方法，對海山不同形態參數間的相關關系進行了研究。本研究中選取P值＜0.05作為判斷結果顯著性水平的標準。

圖2 本研究中42座海山位置Fig.2 Locations of 42 seamounts in this study

本研究采用頻譜分析方法對海山的DEM數據進行多尺度分析（圖3）。對于每一組DEM數據，首先對原始數據進行去趨勢處理，并在此基礎上應用二維離散傅里葉變換（2DDFT）算法獲取其二維功率譜[15]。通過計算二維頻譜中每一振幅值所對應的徑向頻率，可以將二維功率譜進行降維，并得到功率譜振幅值A關于徑向頻率f變化的一維功率譜。一維功率譜的斜率絕對值β與地形數據的赫斯特指數H之間的關系：H=β/ 2 - 1。H是一個被廣泛應用的多尺度參數，常被用來表征地表粗糙度的大小，并反映了大、小尺度地形起伏間的相對強弱[16,28-29]。對于自然界的真實地形數據而言，其一維功率譜形態往往符合指數衰減趨勢，并體現出“紅噪聲”的特性，因此，需要在原始的一維功率譜中消除具有指數衰減趨勢的背景功率譜，并得到標準化一維功率譜（即標準化功率譜）。Bomberger等[18]指出，背景功率譜可以用原始一維功率譜的滑動平均值代替。在標準化功率譜中，可以通過顯著性檢驗驗證功率譜波動的非隨機性。一般選取1.96σ（σ為標準化功率譜標準差）作為顯著性水平95%的界限，即有足夠的把握認為超過該數值的功率譜波動并非隨機擾動。功率譜非隨機波動所對應的尺度范圍是該DEM數據的“特征尺度”，而DEM數據中多個不同的特征尺度則反映了影響地形演化的物理過程的轉變[18,30]。

圖3 研究方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of the methodology applied in this study

3 結果

3.1 雅浦-卡羅琳海區海山的形態特征

本文對研究區域內42座海山的底面半徑rb，頂面半徑rs，高度h，山坡傾角dip以及頂面水深進行了測量，并計算了其寬高比R，平坦度f，平均坡度slope和體積v，結果如表1所示。海山的個體間形態參數差別較大，且在不同構造環境下形成的海山，形態參數的統計特征亦有明顯差別。整體而言，研究區域內海山的平均高度為1 768 m，頂面平均深度為1 969 m。其中以海溝附近的M2、M4和Y3三座海山的高度最大，頂面深度最淺。M2的最淺處僅有41 m，而其高度則達到了5 187 m。高度最小的海山W1位于西卡羅琳海隆上，僅有761 m；頂面最深的海山是位于索羅爾海槽內，接近雅浦海溝的S1，深達3 304 m。42座海山的平均體積為289 km3，體積最大的M2達到了3 641 km3，而最小的P7僅有29 km3。研究區域內海山的寬高比為0.21±0.06，與Smith[7]統計的西太平洋海山寬高比為0.21±0.08，以及宮士奇[26]統計的雅浦海山區海山寬高比R= 0.19類似。研究區域內海山的平坦度為0.16±0.12，略小于Smith[7]的統計結果0.31±0.18，但不同構造環境中的海山，平坦度差別十分顯著，如對于帕里西維拉海盆內的海山而言，平坦度的均值為0.07，表現為尖頂海山的特征；但西卡羅琳海隆上海山W1—W3的平坦度平均為0.41，表現出明顯的平頂海山特征（圖 4A, B, E）。

由于帕里西維拉海盆（N1= 24）和索羅爾海槽（N2= 12）中的海山樣本量較大，因此，本研究對兩區域中海山的寬高比、平坦度和平均坡度進行了對比，并利用方差不等t檢驗的結果判斷兩組海山間的形態差異是否顯著（圖5）。結果表明，兩者的寬高比（P＜0.01）、平坦度（P＜0.05）和平均坡度（P＜0.01）均有顯著的統計學差異。帕里西維拉海盆中的海山具有較大的寬高比和平均坡度（平均值分別為0.25和15°），而位于索羅爾海槽的海山則具有較高的平坦度（平均值0.17）。因此，索羅爾海槽中的海山具有平頂海山的性質，同時海山的坡度較緩（圖4C, D）；而帕里西維拉海盆中的海山則具有尖頂海山的性質，且具有較陡的坡度（圖4A, B）。

3.2 雅浦-卡羅琳海區海山的多尺度地形特征

本研究通過頻譜方法分別獲取了帕里西維拉海盆、索羅爾海槽、西卡羅琳海隆和海溝附近海山群的平均標準化功率譜（圖6），并對不同地貌單元中海山多尺度特征的差異及其成因進行了分析和討論。從標準化功率譜可以看出，除帕里西維拉海盆內的海山只有小特征尺度信號更為顯著之外，其他區域的海山地貌均具有大、小兩個顯著的特征尺度信號。不同地貌單元內海山的小特征尺度范圍大致類似，為400～4 000 m。不同地貌單元的大特征尺度范圍不盡相同，其中，索羅爾海槽與西卡羅琳海隆的大特征尺度范圍大約為6 000～11 000 m，而海溝附近海山的范圍可達10 000～14 000 m。由于大特征尺度約為海山rb的2～3倍，顯然大特征尺度表征了海山山峰的空間尺度大小。此外，前人研究表明地形數據小特征尺度的產生與小尺度的動力過程有關，如河谷系統的發育[31]，與冰川、海洋或生物作用有關的沉積-侵蝕過程[13-14,32]，以及小尺度的構造活動[30]等。結合本研究數據（圖4）和前人對海山環境中形成的小尺度地貌的報導，在400～4 000 m的尺度范圍內，既存在由重力流和滑坡作用造成的侵蝕地貌[8-9]，又有火山活動形成的諸如破火山口、次級火山錐和熔巖流等火山成因地貌[11-12]。因此，本研究中海山的小特征尺度是在火山過程與外源侵蝕過程的共同作用下形成的。

表1 研究區域內海山的形態參數Table 1 Shape parameters of seamounts in the study area

續表1

圖4 海山P1，P20，S4，S8，W1和M4的典型水深剖面圖Fig.4 Typical bathymetric profiles of Seamount P1, P20, S4, S8, W1 and M4

圖5 帕里西維拉海盆（PVB）及索羅爾海槽（ST）中海山寬高比、平坦度和平均坡度的箱線圖Fig.5 Box plots of R, f and slope of seamounts in the Parece Vela Basin (PVB) and the Sorol Trough (ST)

圖6 不同構造環境下海山地形的標準化功率譜灰色虛線表示顯著性水平95%的區間，粉色和青色區域分別為大、小特征尺度。Fig.6 Normalized power spectra of seamount landforms in different tectonic environmentsGray dotted lines represent for the significance level of 95%, pink and cyan blocks refer to large and small characteristic scales respectively.

4 討論

4.1 海山形態的演化過程

海山形態特征的演化同時受到內源的火山建造作用與外源的侵蝕破壞作用影響[33]。由于海洋環境下侵蝕作用的強度相對較弱，影響范圍有限[34-35]，海山的大尺度形態特征主要受到了火山建造作用的塑造。因此，前人常采用海山群的形態特征變化規律來分析區域內海山的演化模式[27,36-37]。在火山建造的形態參數中，高度h與底面半徑rb往往具有線性關系，且不同構造環境下形成的火山建造具有不同的h-rb關系[7,26,37]。研究區域內海山的h-rb關系表明（圖7c），位于西卡羅琳海隆、海溝附近以及帕里西維拉海盆的海山的h-rb具有較好的線性正相關關系，而位于索羅爾海槽中的海山的線性相關性則較差（R2= 0.02）。帕里西維拉海盆和索羅爾海槽兩區域內海山的寬高比也有顯著差異（帕里西維拉海盆寬高比R= 0.25，索羅爾海槽寬高比R= 0.16）。

Castruccio等[38]的數值模擬結果表明，地球內部巖漿系統的結構是火山形態特征的決定性因素，在地表觀測到的火山底面寬度與高度的變化，揭示了深部巖漿系統的基本屬性，尤其是巖漿房的大小與深度。同時，研究區域位于太平洋板塊、菲律賓海板塊和卡羅琳板塊交匯處，復雜的構造環境同樣會對海山的形成及演化過程產生影響。前人研究表明，索羅爾海槽形成于晚中新世，表現出走滑-擴張的應力特征并導致了卡羅琳海脊的裂解[22]。對索羅爾海槽中巖石樣品的地球化學分析表明，海槽中巖石為形成于約7.0±1.0 Ma的大洋中脊玄武巖[39]。索羅爾海槽的多道地震剖面顯示，海槽內的海山包含有大量碟狀反射層，且可見侵入體對原有沉積層的破壞現象[40]。由此可見，在走滑-擴張的應力背景下，巖漿的多期次噴發導致了索羅爾海槽內海山的形成。由于洋中脊巖漿黏度較低易于擴散，該區域海山表現出了較大的底面寬度和較低的寬高比，而多期次的巖漿噴發以及巖漿侵入體對原有地形的破壞，則可能是索羅爾海槽內海山h-rb相關性交叉的原因。

圖7 海山的形態參數關系Fig.7 Relationships between morphologic parameters of seamounts

相較于索羅爾海槽，帕里西維拉海盆內海山的成因尚不明確。本研究中所選海山主要位于海盆南部，即索羅爾海槽軸線以南區域。該區域具有俯沖擠壓的應力背景，且與海盆北部地貌差異較大，主要表現為海盆南部海山數量更多，而缺失了海盆北部大量存在的北東向和北東-南西向斷裂帶[41]。據前人研究推測，帕里西維拉海盆的擴張發生于約30 Ma前，而卡羅琳海脊與雅浦俯沖帶的碰撞導致了帕里西維拉海盆洋殼向雅浦海溝上的逆沖活動，這使得在研究區域內，原帕里西維拉海盆擴張中心西側的海盆消失，僅殘留了東側部分[41]。巖石學證據表明，雅浦島弧區域以虧損型島弧玄武巖為主可能是弧后地幔作用所致，且經歷了一定的變質作用[42]。由此可見，帕里西維拉海盆中海山形成的應力背景、巖漿類型和構造機制均與索羅爾海槽內海山截然不同，這導致了兩組海山在寬高比和h-rb關系上的顯著差異。然而，對帕里西維拉海盆內海山成因的深入研究，仍需要更多地球物理及巖石學證據的進一步支撐。

前人研究表明，火山的形態演化有4種不同模式：（1）火山的高度與底面寬度同時成比例增大，而坡度保持不變，即rb-v和h-v均為正相關，而dip-v不相關；（2）以頂部堆積為主，火山的高度與坡度增大，底面寬度保持不變，即dip-h為正相關關系，而dip-rb不相關；（3）以側向堆積為主，火山的底面寬度增大，坡度變小，高度保持不變，即dip-rb負相關，而dip-h不相關；（4）頂部堆積與側向堆積過程交替發生[36,43]。

研究區域內的海山主要分布于帕里西維拉海盆與索羅爾海槽中，為分析它們的形態特征演化規律，本研究首先對它們的dip-v、rb-v和h-v關系進行了線性回歸（圖7D, E, F），結果顯示，索羅爾海槽內海山的dip-v不具有明顯的線性關系（R2= 0.04），而盡管帕里西維拉海盆中海山的dip-v關系具有較弱的線性相關性（R2= 0.21），但該線性關系P＞0.05，不能排除該線性關系的隨機性。此外，兩個地貌單元中海山的rb-v和h-v關系有著較強的線性正相關性，這說明帕里西維拉海盆與索羅爾海槽中海山的形態演化類似于模式（1），即在火山活動活躍時期，兩地貌單元內的海山經歷了多期次的間隔式噴發，同時導致了海山頂部與側翼火山碎屑或巖漿堆積體的發育[44]。然而，兩個地貌單元內海山的演化過程也存在一定的差異（圖7A, B）。對位于帕里西維拉海盆的海山而言，其dip-rb有一定的線性相關性（R2= 0.31），但其 dip-h的線性相關性很差（R2= 0.05），即該地貌單元內海山的dip大小與rb呈負相關，而與h不相關。這意味著帕里西維拉海盆內的海山演化過程有模式（3）的特征，其發育以側向堆積過程為主。而位于索羅爾海槽的海山則具有dip-h間的線性相關性（R2= 0.43），dip-rb沒有線性相關關系（R2= 0.02）。因此，索羅爾海槽的海山形態演化更傾向于模式（2），即火山建造的發育以頂部堆積為主，dip-h呈正相關，而與rb不相關。由此可以看出，盡管帕里西維拉海盆與索羅爾海槽中的海山形態演化中均存在側向與頂部的堆積增生過程，但前者以側向堆積過程為主，而后者則以頂部堆積過程為主。

4.2 小尺度地貌過程對海山地形的塑造作用

大、小特征尺度間功率譜振幅A的相對大小表征了對應的地貌過程對地形塑造作用的強弱[15]，因此可以通過地形數據的標準化功率譜圖像研究小尺度地貌過程對海山地形的塑造能力。在圖6中，帕里西維拉海盆中海山的大特征尺度不明顯，而小特征尺度的振幅較大，可能有兩個原因導致這個現象的產生：首先，由于帕里西維拉海盆中海山的樣本量較大（N1= 24），且海山的形態參數離散型較大（圖6），海山的平均標準化功率譜中，大特征尺度對應的振幅因平均效應而被削弱了，因此，本研究僅將其結果與索羅爾海槽海山（N2= 12）的平均標準化功率譜進行了比較。此外，這一現象揭示了相較于其他區域，該區域的海山地形受小尺度地貌過程的影響更為劇烈。帕里西維拉海盆中的海山群可能形成于15～30 Ma前的海盆擴張階段及雅浦海溝形成時期，而索羅爾海槽內的海山則形成于7～17 Ma的卡羅琳海脊裂解事件中[19]。帕里西維拉海盆中的海山形成時間更早，經受小尺度侵蝕過程影響的時間更長。在海山形成之后，由于卡羅琳海脊的碰撞與雅浦俯沖帶形成，帕里西維拉海盆的構造環境發生改變，形成了多組不同走向的斷裂帶[41]，因此該區域內海山的小尺度地形特征受到了多期次構造活動的影響。此外，帕里西維拉海盆中，海山表現出尖頂、坡度較陡的形態特征，相比于索羅爾海槽中坡度較緩的海山，該區域內海山形態更不穩定，易發生重力作用引起的滑坡、崩塌等小尺度地貌過程[45]。

赫斯特指數H常被用來表征地形數據的多尺度特性。H的取值介于[0, 1]，H越大，大尺度的地形起伏越明顯，地表更為光滑；H越小，小尺度的地形起伏越劇烈，地表不規則性增大[16]。H的計算結果表明，相比于索羅爾海槽（H1= 0.82±0.08），帕里西維拉海盆的海山（H2= 0.79±0.07）具有更精細的小尺度結構，即地形更為粗糙，這與標準化功率譜的結果一致。實際應用中，H往往與其他表征地表粗糙度的參數具有相關性，如地形的標準差、坡度和不規則度等[46-47]。為了揭示H在研究區域內的地貌學意義，本研究計算了H與海山形態參數間的線性相關性。結果顯示，對索羅爾海槽內的海山而言，H與海山體積v具有一定的線性正相關性（R2=0.36，P＜0.05）（圖 8A）。然而，H-v之間的線性規律僅在索羅爾海槽的海山中存在，在帕里西維拉海盆中兩者沒有明顯的線性關系（R2= 0.01）。此外，由于地形數據功率譜的“紅噪聲”特性，H的大小更易受到小尺度振幅變化的影響。因此，H與v之間的線性相關性不能推知為因果性，海山體積的大小不是H大小的決定性因素。值得注意的是，索羅爾海槽中海山的體積與其所在位置有較強的相關性（R2=0.51）（圖8B）。海山在近東西走向的索羅爾海槽中隨機分布，但海山的體積和海山所在位置的經度有著明顯的線性負相關關系。近年來對熱點巖漿作用形成的海山鏈的研究指出，此類海山鏈中海山的形態參數具有空間變化規律[10]。此外，海山鏈中海山體積的大小指示了熱點活動強弱以及板塊運動速度的變化[48-49]。在對卡羅琳海脊裂解過程的研究中，Altis[19]指出，卡羅琳海脊與雅浦海溝的碰撞導致在卡羅琳海脊處形成了拉張應力場，并引發了海溝處洋殼的破裂，最終形成索羅爾海槽。同時，地貌學證據[21]表明，索羅爾海槽由西北向東南逐漸變窄（圖1B）。由此可以推知，索羅爾海槽內海山是自西北向東南隨卡羅琳海脊的不斷裂解所形成的，西北側的海山形成時間更早，受小尺度地貌過程改造的時間更久、強度更大，具有更為粗糙的地形。因而H與海山體積間的線性關系，極有可能反映了海山形成時間與海山地形粗糙度之間的變化關系。由于帕里西維拉海盆中海山的形成時間較早，且在形成后可能經歷了新的構造及火山作用，因此，其H與海山形成時間之間的相關性較弱，在H-v圖中未表現出明顯的線性相關性。

索羅爾海槽中海山的赫斯特指數與海山體積具有線性相關性，可能反映了海山形成時間與海山地形粗糙度之間的變化關系。兩個區域內海山地形多尺度特征差異產生的原因可能有：（1）帕里西維拉海盆中的海山形成時間更早，經受侵蝕過程影響的時間更長；（2）在海山形成之后，由于卡羅琳海脊的碰撞與雅浦俯沖帶形成，帕里西維拉海盆的構造環境發生改變，造成該區域內海山的小尺度地形特征受到了多期次構造活動的影響；（3）帕里西維拉海盆中海山的寬高比較大、平坦度較低的形態特征，表明該區域內海山形態不穩定性高，易發生重力作用引起的滑坡，崩塌等小尺度地貌過程。

圖8 海山的赫斯特指數H與體積之間的關系（A）及索羅爾海槽內海山體積與所在位置經度的關系（B）Fig.8 （A）Relationship between Hurst exponents H and volumes of seamounts;（B）Relationship between longitudes and volumes of seamounts in the Sorol Trough

5 結論

（1）雅浦-卡羅琳海區內海山平均高度1 768 m，平均體積289 km3，寬高比為0.21±0.08。不同構造環境下形成的海山群，形態特征有著顯著不同。相比于索羅爾海槽，帕里西維拉海盆中的海山具有更大的寬高比與更小的平坦度。

（2）兩區域內海山形態亦具有不同的演化過程：帕里西維拉海盆內海山的底面半徑與山坡傾角線性相關，指示該區域內海山的形態演化以側向堆積過程為主；索羅爾海槽中海山的高度與山坡傾角線性相關，指示該區域內頂部堆積過程在海山形態演化中更為常見。

（3）海山地形的多尺度分析結果顯示，研究區域內海山的大特征尺度（6 000～14 000 m）與海山的底面寬度大致吻合，小特征尺度（400～4 000 m）對應的地形起伏是在火山過程與外源侵蝕過程的共同作用下形成的。帕里西維拉海盆中的海山地形頻譜分析結果缺失大特征尺度信號，揭示了該區域內海山地形受小尺度地貌過程的影響更大。

（4）索羅爾海槽中海山的赫斯特指數與海山體積具有線性相關性，可能反映了海山形成時間與海山地形粗糙度之間的變化關系，即較早形成的海山受到了更多構造活動及小尺度地貌過程的影響，進而形成了更加粗糙的表面特征。

致謝：感謝中國科學院海洋研究所“科學”號科考船團隊在出海工作及數據采集過程中給予本文作者的幫助和支持。