吳健生， 王明明， 蔡家新

(同濟大學(xué) 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092)

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東海一菲律賓海剖面巖石層有效彈性厚度計算及分析

吳健生， 王明明， 蔡家新

(同濟大學(xué) 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092)

摘要：采用均衡響應(yīng)函數(shù)法分段計算了自東海至東馬里亞納海盆的剖面巖石層有效彈性厚度，并利用海溝洋側(cè)海底地形按端載加壓彈性板彎曲模式對琉球海溝和馬里亞納海溝洋側(cè)塊體的彈性厚度進行了計算和對比，結(jié)合測線經(jīng)過地區(qū)的地震地殼測深結(jié)果等地質(zhì)、地球物理研究成果對分段計算結(jié)果進行了分析.結(jié)果表明，由均衡響應(yīng)函數(shù)計算曲線多個區(qū)段可估計出2個彈性厚度值.取值大的彈性厚度，在不同區(qū)段其數(shù)值較為接近，為20～25 km，這種共性是現(xiàn)在熱狀態(tài)下海洋巖石層區(qū)域彈性特征的反映，值小的彈性厚度則是各區(qū)段內(nèi)不同地質(zhì)作用效果的個性反映.

關(guān)鍵詞：東?！坡少e海剖面； 有效彈性厚度； 巖石層彈性板撓曲； 均衡響應(yīng)函數(shù)

東海和菲律賓海是西太平洋邊緣海的組成部份，是研究海陸相互作用的關(guān)鍵地區(qū)之一.在海陸相互作用的研究中，地殼均衡狀態(tài)的認識是一個重要方面，通常通過計算艾利均衡模式下的均衡重力異常來表征.正負均衡重力異常的存在既展示所在區(qū)域巖石層受到外力的作用(水平擠壓、拉張或負載的變化)，也表達在該區(qū)域一旦外力消失將會發(fā)生的沉降或抬升和伴隨的深部地質(zhì)過程.艾利均衡模式直觀表達了與計算尺度匹配的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)對表層負載的響應(yīng)和調(diào)整，但未考慮巖石層的彈性.而地球介質(zhì)在地質(zhì)時間尺度的荷載作用和真正的流體仍存在區(qū)別，在邊緣海地區(qū)由于其受板塊俯沖碰撞及弧后擴張等力的作用，地殼本身可有一定彈性強度，較小空間尺度的載荷可被支撐住，深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)對表層負載的響應(yīng)可出現(xiàn)一對一的不同步，需要進一步考慮巖石層的彈性板撓曲和區(qū)域均衡補償.

巖石圈有效彈性厚度(Te)綜合反映了巖石圈在熱結(jié)構(gòu)、流變結(jié)構(gòu)和力學(xué)結(jié)構(gòu)等綜合因素下對負載的響應(yīng)[1-2].Kudo等[3]計算了日本島弧的巖石圈有效彈性厚度，分析了巖石圈熱狀態(tài)及應(yīng)力對巖石圈厚度的影響.Yoshioka等[4]分析了菲律賓板塊向南海海槽俯沖部位的有效彈性厚度的橫向變化；劉保華等[5]利用重力和地形資料計算了沖繩海槽的均衡響應(yīng)函數(shù)，并指出引起沖繩海槽南、中2段巖石圈彈性厚度差異的原因是巖石圈溫度和補償機制不同所致.趙俐紅等[6]對中西太平洋海山區(qū)的巖石圈有效彈性厚度進行了計算并分析了其地質(zhì)意義.

目前從地球物理觀測數(shù)據(jù)計算提取(Te)的方法主要有：導(dǎo)納法(均衡響應(yīng)函數(shù)法)、相關(guān)性法、正演法、最大熵法、小波分析法等，其中均衡響應(yīng)函數(shù)法是應(yīng)用較多的一種[7].本文采用均衡響應(yīng)函數(shù)法分段計算自東海陸架至東馬里亞納海盆的剖面的巖石圈Te；也利用琉球海溝和馬里亞納海溝的水深資料按巖石層彎曲的彈性板模式對彈性厚度進行計算和對比，結(jié)合測線經(jīng)過地區(qū)的地震地殼測深結(jié)果等地質(zhì)、地球物理研究成果對分段計算結(jié)果進行分析.

1剖面地球物理場特征

1.1剖面位置

剖面如圖1中A—B東起歐亞板塊的東海陸架，穿過沖繩海槽、琉球島弧，在琉球海溝進入屬菲律賓板塊的西菲律賓海盆，跨越九州—帛琉海嶺、帕里西維拉海盆、西馬里亞納海嶺、馬里亞納海槽、馬里亞納海嶺，在馬里亞納海溝處進入屬太平洋板塊的東馬里亞納海盆，全長4 010 km.因剖面橫切歐亞板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊，其所經(jīng)的太平洋西部海區(qū)有歐亞大陸、邊緣海盆和島弧系，是地球表面強烈的構(gòu)造活動地帶，地殼均衡狀態(tài)遭到劇烈破壞[8].

圖1　測線位置示意

1.2剖面重力異常特征

從圖2可見，東海陸架區(qū)的自由空間異常和布格異常約為20～40mGal(1Gal=10-2m·s-2)，幅度變化較小，反映板塊內(nèi)部陸殼穩(wěn)定區(qū)重力異常的基本特征.歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處的琉球島弧海溝系，系菲律賓海板塊向歐亞板塊俯沖形成，自由空間異常起伏達150mGal，布格異常由陸架區(qū)的300mGal劇增到海溝區(qū)的400mGal，表明該地處于不平衡狀態(tài).沖繩海槽是一個目前仍活動的邊緣海盆，自由空間異常高達50mGal，布格重力異常達160mGal，說明該地區(qū)處于不均衡狀態(tài).菲律賓海板塊向亞洲大陸板塊俯沖導(dǎo)致琉球海溝下沉、琉球群島地區(qū)褶皺隆起和沖繩海槽上地幔隆起.西菲律賓海盆自由空間異常僅在20mGal范圍內(nèi)起伏變化，海盆區(qū)水深較大，達5～6 km，布格異常達400mGal.九州—帛琉海嶺是帕里西維拉海盆張開后遺留的殘留弧，自由空間異常約60mGal，布格異常達300mGal.帕里西維拉海盆區(qū)自由空間異常很小，但較穩(wěn)定，一般在20～50mGal內(nèi)起伏變化，海盆水深4～5 km，布格異常比西菲律賓海盆區(qū)稍小.剖面所切過的一些正向地形，如九州—帛琉海嶺自由空間異常都較小，布格異常明顯減小.菲律賓海板塊與太平洋板塊交界處的馬里亞納島弧海溝系自由空間異常為107mGal，布格異常達280mGal.海溝處不但受上部海水和沉積物的垂向應(yīng)力，在水平方向還受兩側(cè)板塊相互作用的水平應(yīng)力，導(dǎo)致海溝處的自由空間異常有較大起伏，由水深資料按艾利均衡模式計算的均衡補償面出露海底，表明海溝處的地殼不均衡，地下巖石層處于彈性應(yīng)力作用狀態(tài).

圖2　剖面布格異常與自由空間異常

2均衡響應(yīng)函數(shù)的計算

2.1計算原理

實驗均衡基本思想是假設(shè)地球內(nèi)部對地形負荷響應(yīng)為線性,地球重力場對這種負荷的響應(yīng)則可表示成地形與地球均衡響應(yīng)函數(shù)的二維褶積.實驗均衡將地形與重力異常緊密聯(lián)系在一起,結(jié)合不斷改進的補償模型可對巖石圈的彈性結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)作出較好估計[9].彈性板對地形負載的理論響應(yīng)函數(shù)可表示為

(1)

(2)

利用均衡響應(yīng)函數(shù)的定義式，即譜相關(guān)的方法求取實驗均衡響應(yīng)值，公式為

(3)

式中：＊代表復(fù)共軛Z′(ω)為均衡響應(yīng)函數(shù)；Sg(ω)為重力異常譜；Sh(ω)為地形譜.

明清時的大學(xué)士與唐宋時的翰林學(xué)士有重要的傳承關(guān)系。翰林學(xué)士的首長是承旨，也就是說翰林學(xué)士的首長是任命制，誰擔(dān)任承旨誰就是。明代的內(nèi)閣首輔不是官職，它是排名最高的大學(xué)士?！睹魇贰吩疲骸耙晕淮尉邮?。”［2］（卷253，張至發(fā)傳）大學(xué)士的排名關(guān)系到首輔的確定。

2.2實際資料均衡響應(yīng)函數(shù)的計算

由于東?！坡少e海剖面(圖3)測線較長，經(jīng)過了歐亞板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊，根據(jù)剖面經(jīng)過的構(gòu)造部位，將其劃分成5個區(qū)段，分別計算每一區(qū)段的均衡響應(yīng)函數(shù).

圖3　剖面水深圖

區(qū)段1對應(yīng)剖面測線224～874 km位置，經(jīng)過了東海陸架、沖繩海槽、琉球島弧、琉球海溝和西菲律賓海盆.由區(qū)段1水深和重力實際資料計算的均衡響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖4a. 區(qū)段2對應(yīng)剖面測線874～1 467 km位置，位于西菲律賓海盆內(nèi)部，異常特征主要反映2處海底的山脊.由區(qū)段2水深和重力實際資料計算的均衡響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖4b所示.區(qū)段3對應(yīng)剖面測線1 467～2 376 km位置，經(jīng)過了九州—帛琉海嶺、帕里西維拉海盆和西馬里納亞海嶺.由區(qū)段3水深和重力實際資料計算的均衡響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖4c.區(qū)段4對應(yīng)剖面測線2 376～3 042 km位置，經(jīng)過了馬里納亞海槽與馬里納亞海溝.由區(qū)段4水深和重力實際資料計算的均衡響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖4d.區(qū)段5對應(yīng)剖面測線3 042～3 798 km位置，經(jīng)過東馬里亞納海盆.由區(qū)段5水深和重力實際資料計算的均衡響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖4e.模型計算中用到的參數(shù)為：ρw=1 030 kg·m-3,ρc=2 670 kg·m-3,ρm=3 270 kg·m-3,g=9.8 m·s-2,E=6.5×1010Pa,μ=0.25.D對應(yīng)的Te值如表1.

從圖4a可見，區(qū)段1實際計算的均衡響應(yīng)函數(shù)值分布在D=5.0×1022N·m和D=1.0×1022N·m兩曲線附近，對應(yīng)Te值分別為20.5 km和12.0 km.該區(qū)段對應(yīng)的主要地形負載有沖繩海槽、琉球島弧、琉球海溝，其中深達7 000余米的琉球海溝為該區(qū)段的主要變化地形，其上部受沉積物的荷載作用，水平方向受菲律賓板塊向歐亞板塊俯沖產(chǎn)生的擠壓.地震資料表明：菲律賓海板塊正沿琉球海溝俯沖于歐亞板塊之下.按震源深度，俯沖深度不超過300 km.根據(jù)海溝處巖石層撓曲的計算結(jié)果，琉球海溝的Te為20.4 km，與該區(qū)段均衡響應(yīng)函數(shù)計算的Te中值大的(20.5 km)較一致.

a 區(qū)段1

b 區(qū)段2

c 區(qū)段3

d 區(qū)段4

e 區(qū)段5

表1　不同彈性剛度對應(yīng)的彈性厚度

沖繩海槽為一北東向的弧形海槽，北淺南深，南部水深大于2 000 m.海槽內(nèi)部廣泛發(fā)育大體平行于海槽走向的正斷層和地塹構(gòu)造.海槽有地震、火山活動，熱流值高，地殼結(jié)構(gòu)以過渡殼為主，但有的地方已向洋殼過渡，表現(xiàn)為洋殼性質(zhì).一般認為，沖繩海槽是琉球島弧后邊緣盆地，為弧后擴張早期階段的產(chǎn)物.通過地震聲學(xué)浮標(biāo)的測量和琉球島嶼地質(zhì)的對比也表明，沖繩海槽盆地的形成時期為中新世末期，并且有2期構(gòu)造運動，至今仍在持續(xù)發(fā)育.1區(qū)段均衡響應(yīng)函數(shù)計算的有效彈性厚度值小的(12.0 km)可能就是沖繩海槽處巖石層彈性狀態(tài)的表現(xiàn).

從圖4b可見，區(qū)段2實際計算的均衡響應(yīng)函數(shù)值分布在D=5.0×1021N·m和D=1.0×1021N·m兩曲線附近，對應(yīng)的Te值分別為9.5 km，5.6 km.西菲律賓海盆為不活動邊緣盆地，位于琉球、菲律賓島弧—海溝系與九州—帛琉海嶺之間，海盆水深多在5 km以上，上覆沉積層一般較薄，大多在100 m左右.盆底為大洋型地殼，時代主要為始新世.由于該區(qū)段對應(yīng)西菲律賓海盆內(nèi)部，主要地形特征是2處海底山脊，推測計算的彈性厚度值主要是這2處海底山脊巖石層彈性狀態(tài)的表現(xiàn).

從圖4c可見，區(qū)段3實際計算的均衡響應(yīng)函數(shù)值分布在D=1.0×1023N·m和D=5.0×1021N·m兩曲線附近，對應(yīng)Te為25.9，9.5 km.該區(qū)對應(yīng)九州—帛嶺海嶺、帕里西維拉海盆和西馬里納亞海嶺，其中九州—帛琉海嶺是東側(cè)帕里西維拉海盆擴張后遺留下來的殘留弧，屬于無震海嶺性質(zhì).計算的地殼厚度約為10 km，比左右海盆約厚4 km.3層地震波速分別為3.5，5.6和6.6 km·s-1，對應(yīng)地殼厚度為2.0，3.2和4.6 km，基本屬大洋型地殼；但波速為5.6 km·s-1的層2的厚度有所增加.

而帕里西維拉海盆是典型的弧后盆地，海底地形崎嶇不平，由深海鉆探與拖網(wǎng)取樣獲知盆底有典型的大洋玄武巖，據(jù)地震資料[10]，地殼厚度為7～8 km，比西菲律賓海盆約厚1 km.3層的波速分別為3.1，4.8～5.1和6.8～7.0 km·s-1，對應(yīng)的地殼厚度為0.9～2.0，1.6和5.0 km，為大洋地殼.據(jù)磁異常條帶得出盆地時代為晚漸新世至早中新世，與深海鉆探的結(jié)果一致，表明該海盆的擴張活動在近期已經(jīng)停止.西馬里亞納海嶺介于帕里維拉海盆與馬里亞納海槽之間，西坡平緩，東坡陡峻.上覆上新世至第四紀(jì)鈣質(zhì)軟泥，其下為晚中新世火山巖，鉆井資料揭示該海嶺直至晚中新世還是火山活動帶.地震資料表明,島弧上波速為3.3 km·s-1的層1厚2 km，波速5.5 km·s-1的層2變厚，近5 km，波速6.6～7.0 km·s-1的層3也變厚，約5 km.

從地殼結(jié)構(gòu)和形成年代上可見，該區(qū)段可分成地殼增厚、形成年代較老和正常厚度、形成年代較新的2種類型.計算的均衡響應(yīng)函數(shù)聚合成2組彈性厚度值(25.9，9.5 km)可能是這2種類型的反映.

從圖4d可見，區(qū)段4實際計算的均衡響應(yīng)函數(shù)值大多分布在D=5.0×1022N·m和D=1.0×1022N·m曲線附近，對應(yīng)的Te分別為20.5，12.0 km，分別對應(yīng)馬里亞納海溝和馬里亞納海槽.馬里亞納海溝為太平洋板塊向菲律賓板塊的俯沖作用帶，海溝處受上部沉積物負載作用，同時受板塊俯沖力作用發(fā)生撓曲變形，海溝處的巖石圈厚度增大，同時板塊的曲率變化對巖石圈彈性厚度也會產(chǎn)生影響.馬里亞納海槽表現(xiàn)為均衡異常，時代約為上新世，地殼厚度較小，馬里亞納海槽具有高熱流值，為一正在活動擴張的弧間盆地，屬大洋型地殼，西部海底崎嶇不平，東部由于火山碎屑沉積群的覆蓋，較為平坦.

從圖4e可見，區(qū)段5實際計算的均衡響應(yīng)函數(shù)值分布在D=1.0×1023N·m曲線附近，對應(yīng)的Te為25.9km.該區(qū)對應(yīng)東馬里亞納海盆.東馬里亞納海盆為大洋型地殼，是太平洋板塊的較老部分，年齡為侏羅紀(jì)—早白堊紀(jì).

圖5為不同區(qū)段的Te值的統(tǒng)計.可見，除區(qū)段5，區(qū)段1至區(qū)段4均衡響應(yīng)函數(shù)計算結(jié)果都出現(xiàn)2個彈性厚度.在區(qū)段1和區(qū)段4，值大的彈性厚度與琉球海溝和馬里亞納海溝處利用彈性板彎曲模式計算的彈性厚度較一致.取值大的彈性厚度，區(qū)段1、區(qū)段3、區(qū)段4和區(qū)段5的數(shù)值基本在20～25 km，這種共性是現(xiàn)在熱狀態(tài)下海洋巖石層區(qū)域彈性特征的反映.依據(jù)Walcott[11]關(guān)于海洋巖石層年齡、彈性厚度和地震厚度的關(guān)系，由位于馬里亞納海溝以東的區(qū)段5的巖石層彈性厚度對應(yīng)的地震厚度將達到90 km以上，而包含西菲律賓海盆的區(qū)段1、區(qū)段3、區(qū)段4的巖石層彈性厚度對應(yīng)的地震厚度為40～50 km.

圖5　不同區(qū)段的Te平均值

區(qū)段1和區(qū)段4對應(yīng)的低值Te也較一致.區(qū)段1的沖繩海槽擴張時代為中新世，區(qū)段4的馬里亞納海槽擴張時代為上新世，形成時代均較新，具有高熱流值，推測低值彈性厚度的特征就是它們的反映.

如前所述，從地殼結(jié)構(gòu)和形成年代上分析，可將地殼分為地殼增厚、形成年代較老和正常厚度、形成年代較新的2種類型.計算的均衡響應(yīng)函數(shù)聚合成2組彈性厚度數(shù)值，可能是這2種地殼類型的反映.

2.3海溝處巖石層撓曲計算

對剖面經(jīng)過的琉球海溝和馬里亞納海溝利用巖石層的彈性板彎曲模式對彈性厚度進行計算，彈性平板的彎曲滿足如下基本方程[12]：

(4)

其中，W為平板的彎曲.其解可以表示為

(5)

式中：x為海溝橫坐標(biāo);x0為第一零點橫坐標(biāo)；xb為拱點橫坐標(biāo)；Wb為拱點縱坐標(biāo).通過式(5)由琉球海溝和馬里亞納海溝處的地形資料可計算得到琉球海溝和馬里納亞海溝的有效彈性厚度分別為20.4 km和20.8 km.

3結(jié)論

(1) 由實際資料分區(qū)段計算的均衡響應(yīng)函數(shù)在研究區(qū)多個區(qū)段可估計出2個有效彈性厚度值.取值大的彈性厚度不同區(qū)段其數(shù)值較為接近，在20～25 km，這種共性是現(xiàn)在熱狀態(tài)下海洋巖石層區(qū)域彈性特征的反映.

(2) 經(jīng)過九州—帛琉海嶺、帕里西維拉海盆和西馬里納亞海嶺的區(qū)段3，從地殼結(jié)構(gòu)和形成年代上分析可分成地殼增厚、形成年代較老和正常厚度、形成年代較新的2種類型.計算的均衡響應(yīng)函數(shù)聚合成2組彈性厚度數(shù)值可能是這2種類型的反映.

(3) 位于區(qū)段1的沖繩海槽擴張時代為中新世，位于區(qū)段4的馬里亞納海槽擴張時代為上新世.它們均有形成時代較新、高熱流值特點，推測由均衡響應(yīng)函數(shù)計算的值小的彈性厚度的特征就是它們的反映.

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收稿日期：2015-08-22

基金項目：中國海及鄰域地質(zhì)地球物理系列圖項目(GZH200900504)；國家自然科學(xué)基金(41541027);國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2010AA09Z302)

通訊作者：王明明(1987—),男,博士生,主要研究方向為海洋地球物理與海底構(gòu)造.E-mail:10843wmm@#edu.cn

中圖分類號：P312.3

文獻標(biāo)志碼：A

Lithosphere Effective Elastic Thickness Calculation and Analysis of East China Sea to Philippine Sea

WU Jiansheng, WANG Mingming, CAI Jiaxin

(State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：The isostatic response function was used to calculate the effective elastic thickness of lithosphere profile from East China Sea to East Mariana Basin.The Ryukyu trench and Mariana trench topography toward the ocean side was also used to validate elastic thickness based on the elastic plate bending model with stress load on the toe of plate,and analyzed the effective elastic thickness results of different sections in conjunction with seismic sounding,geological and geophysical research results. Results demonstrate that Two effective elastic thickness values estimated from the isostatic response function curves,large effective elastic thickness values are close,between 20～25km,the lager effective elastic thickness values reflect the regional thermal state of the marine lithosphere elastic characteristics.The smaller effective elastic thickness values reflect the geological process characteristics of different sections.

Key words：East China Sea to Philippine Sea profile; Effective elastic thickness; Elastic plate flexure; Isostatic response function

第一作者： 吳健生(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,理學(xué)博士，主要研究方向為綜合地球物理.E-mail:wujiansh@#edu.cn