中太平洋海山群地區(qū)的重力場(chǎng)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(qū)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(tài)及走向上，中太平洋海山群與周圍的海山區(qū)存在明顯差異。海山和海脊大多發(fā)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(qū)域。

中太平洋海山區(qū)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(qū)，NNW向的Mamua斷裂帶、Emperor斷裂帶向南延伸到該區(qū)。受斷裂交匯影響，中太平洋海山群也多發(fā)育次級(jí)斷裂構(gòu)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(xiàn)出翻轉(zhuǎn)S型的漩渦狀。海山也多沿?cái)嗔褞Щ蛟跀嗔呀粎R處發(fā)育，前人研究和海底地貌均證實(shí)該區(qū)域的洋殼曾受多條斷裂帶和海脊的改造，推測(cè)該區(qū)海山的形成與構(gòu)造斷裂有關(guān)。

研究區(qū)的重力場(chǎng)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(shù)據(jù)即為自由空間重力數(shù)據(jù)。圖2是MPM的自由空間重力異常，圖中整合了水深數(shù)據(jù)，使之能夠與地形相吻合。從圖中可以看出，周圍背景場(chǎng)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(guò)150mGal，位于研究區(qū)東北的Hawaii-Emperor海山鏈的異常值甚至可達(dá)200mGal左右；而在海山（鏈）的周圍和海脊兩側(cè)則表現(xiàn)為較大的負(fù)異常，一般在-25～-40mGal之間，部分地區(qū)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(fù)異常均較大；東部的海山鏈和海脊表現(xiàn)為較強(qiáng)的正異常，而其兩側(cè)的負(fù)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(xiàn)為片狀的低異常區(qū)。從圖中海山和海脊的分布可以看出，它們猶如發(fā)育在自由空間重力異常低值區(qū)所構(gòu)成的線狀“凹槽”中。

區(qū)內(nèi)海山鏈呈現(xiàn)出明顯的串珠狀正異常圈閉帶，由一個(gè)個(gè)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(xiàn)出的負(fù)異常所切割，而這些海山周圍的負(fù)異常帶可以相互連通。這種正負(fù)異常的分布特點(diǎn)符合典型的海山負(fù)載撓曲模式，地殼、巖石圈不能長(zhǎng)期承受火成巖火山的負(fù)重，因此不斷下彎、增厚。

圖1　研究區(qū)周圍斷裂分布情況（章家保，2006）

圖2　中太平洋海山區(qū)自由空間重力異常圖

圖3　中太平洋海山區(qū)布格重力異常

圖4　MPM區(qū)域Moho面埋深形態(tài)分布圖

布格重力異常特征

利用海洋地球物理調(diào)查規(guī)范中的海洋布格重力計(jì)算公式對(duì)自由空間異常進(jìn)行地形校正，得到該區(qū)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(zhǔn)確、集中的反映地下的地殼結(jié)構(gòu)信息。從MPM布格重力異常圖中可以看出，研究區(qū)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(dá)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(shuō)明MPM作為一個(gè)地質(zhì)體與周圍洋盆的洋殼是不整合的。從表面上看，正負(fù)布格異常的幅值變化與海底地形的起伏變化成相反的關(guān)系。實(shí)質(zhì)上，如果該區(qū)域滿足均衡補(bǔ)償理論的話，這種變化則反映了與地形基本成鏡像對(duì)稱關(guān)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(dòng)使地殼厚度增加，使得Moho面下凹，異常值越小的區(qū)域，意味著巖漿活動(dòng)越強(qiáng)烈或規(guī)模越大。

研究區(qū)Moho面埋深

地球物理資料已經(jīng)證明了地球的圈層構(gòu)造，而且各層的界面也是起伏變化的，層間物質(zhì)密度在橫向上分布不均勻。重力場(chǎng)同樣具有成層分布的特征，布格重力異常正是測(cè)點(diǎn)下到正常地殼厚度之間的各種地質(zhì)體密度分布不均勻效應(yīng)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(guān)系，實(shí)質(zhì)上反映了與地形基本成鏡像對(duì)稱的Moho面的起伏變化。本文以布格重力異常根據(jù)Parker-Oldenburg公式來(lái)反演Moho面的埋深及分布形態(tài)。在計(jì)算過(guò)程中，殼幔巖石的密度差取0.6g/cm3，經(jīng)迭代計(jì)算，MPM區(qū)域的Moho面埋深分布如圖。

從研究區(qū)Moho面埋深形態(tài)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(qū)所對(duì)應(yīng)的Moho面埋深在-19～-23km之間，西部SIO海山基座處Moho面埋深達(dá)-23km，基部右上方表現(xiàn)有明顯的深槽，與基座上對(duì)應(yīng)的Moho面在-20km深度上相連通，反映了西部海山基座補(bǔ)償深度較深，同時(shí)，槽狀下凹的Moho面對(duì)周圍海山形成一種擠壓趨勢(shì)。中部界面與西部界面相連通，中央對(duì)角線上的Moho面呈槽狀下凹形態(tài)，其對(duì)應(yīng)的Allison海山和Muama斷裂帶上發(fā)育海脊。

從MPM的Moho面埋深來(lái)看，該區(qū)域的Moho面總體呈帶狀，且基本上相連通，反映了該區(qū)域各部分基底之間的聯(lián)系是相近的，Moho面埋深達(dá)-22km說(shuō)明該區(qū)的海山體積較大，補(bǔ)償深度較深，洋殼同時(shí)也經(jīng)歷過(guò)海山的長(zhǎng)期負(fù)載。洋殼在長(zhǎng)期負(fù)重的情況下必然會(huì)形成凹槽地帶，這也解釋了該區(qū)海山和海脊周圍出現(xiàn)重力凹槽低值的現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

本文以衛(wèi)星測(cè)高資料為基礎(chǔ)，結(jié)合前人研究資料，對(duì)研究區(qū)的重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)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(qū)的洋底構(gòu)造，自由空間異常與海底地形起伏呈正相關(guān)關(guān)系，海山鏈呈串珠狀正異常圈閉帶，對(duì)應(yīng)單個(gè)海山的正異常圈閉；海山和海脊兩側(cè)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(cè)有微弱凸起的正異常壁壘，比周圍背景場(chǎng)高出10mGal左右。研究區(qū)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(duì)應(yīng)。該區(qū)域海山總體滿足均衡補(bǔ)償模式，洋殼受到火成巖海山的長(zhǎng)期負(fù)荷向下彎曲形成凹槽，巖漿活動(dòng)使地殼厚度增大，Moho面埋藏深。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.033