南極布蘭斯菲爾德海峽區域重力場特征及異常分析

馬龍,鄭彥鵬*,劉晨光,趙強,裴彥良,華清峰,李先鋒,夏成龍

南極布蘭斯菲爾德海峽區域重力場特征及異常分析

馬龍1,2,鄭彥鵬1,2*,劉晨光1,2,趙強1,2,裴彥良1,2,華清峰1,2,李先鋒1,2,夏成龍3

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室,山東青島266061;2.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室,山東 青島266061;3.中國海洋大學 海洋地球科學學院,山東 青島266100)

南極布蘭斯菲爾德海峽及周邊區域是南極大陸火山、地震等新構造活動最活躍的地區,與南設得蘭海溝、南設得蘭群島一同構成南極大陸邊緣現存唯一的“溝-弧-盆”構造體系。本文基于“雪龍”船第28、第30航次實測數據及兩個航次的國際共享資料,利用均衡改正數據處理方法獲得布蘭斯菲爾德海峽的莫霍面深度及其分布規律,分析深部構造-斷裂的區域分布及其重力異常特征等。布蘭斯菲爾德海峽內的空間重力異常呈條帶狀分布,走向總體與地形相近,布格重力異常則由兩側向中間升高,大致在坡折處形成異常場值為100×10-5m/s2的分界線,在中央次海盆和東部次海盆海山處形成兩個異常高值圈閉,異常值最高為150×10-5m/s2。莫霍面深度以弧后擴張中心為最低值,向南設得蘭群島和南極半島兩個方向遞增,深度從12 k m遞增至陸坡位置的24 k m。

重力場特征;均衡改正;異常分析;南極;布蘭斯菲爾德海峽

1 引言

南極半島以北的南設得蘭群島、南設得蘭海溝和布蘭斯菲爾德海峽共同構成南極大陸邊緣現存唯一的“溝-弧-盆”構造體系[1-2]。布蘭斯菲爾德海峽為一新生代形成的裂谷系[3],呈NE走向,屬于由裂谷向海底擴張構造演變的階段,海底地形起伏明顯,主要受廣泛分布的斷層所控制。南極洲板塊NE向的移動導致南設得蘭海溝左旋滑動,一直延伸至南極大陸邊緣的南斯科舍海脊處,在俯沖板塊后撤時造成布蘭斯菲爾德海峽的擴張[4-5],形成布蘭斯菲爾德海峽NWN向和NEN向兩個方向的斷裂構造。

20世紀60年代首次對布蘭斯菲爾德海峽開展了調查[6],對其形成演化歷史產生了多種觀點,并被廣泛討論。Davey[7]提出布蘭斯菲爾德海峽的深海槽為斷層控制盆地或斷塹。Elliot[8]研究了南極半島的區域構造背景及演化特征,繪制了南極半島地區的區域地質構造略圖,闡述了布蘭斯菲爾德海峽的大地構造背景。Gràcia等[9-10]對布蘭斯菲爾德海峽中部和東部盆地地形及重磁數據進行分析研究,將海底火山構造發育分為3個階段,并認為新洋殼伴隨海底火山作用持續形成,由于海盆整體的左旋走滑運動,導致兩者表現為完全不同的地形地貌、火山活動及沉積特征,分別處于海底擴張初期和擴張前弧后裂谷階段。Barker等[11]基于在海峽內獲得的地震及OBS(海底地震儀)數據,獲得地殼厚度圖,發現早期的弧殼比洋殼厚25%,可能并非洋殼。Schreider等[12-13]將布蘭斯菲爾德海峽的基底巖石圈擴張分為4個主要階段:(1)南極半島外緣陸殼局部因張應力增加而張裂;(2)南極半島北部形成一個類地塹結構;(3)持續擴張導致劇烈的火山活動并在地塹內充填沉積物;(4)南設得蘭群島近岸火山活動并堆積上部沉積物。因此,通過查明布蘭斯菲爾德海峽的重力場特征,開展數據反演,對研究南極半島及鄰區的盆地形成、地殼結構和構造演化歷史具有非常重大的科學意義。

2 數據和方法

1984年,我國首次南極科學考察期間,對布蘭斯菲爾德海峽進行了重力、磁力、水深等海洋地球物理綜合調查。基于上述調查數據,呂文正和吳水根[1]研究了布蘭斯菲爾德海峽新生代形成的裂谷系特征及其形成機制,將海峽形成過程劃分為兩個主要階段:(1)俯沖活動引起的弧后擴張;(2)大規模俯沖活動停止后,由于地幔物質上隆造成巖石圈拉張、減薄和破裂,形成一系列地塹、地壘,地幔基性巖漿在裂谷軸部涌出,擴張中心向大洋遷移,形成現今的不對稱裂谷。持續發生的斷裂活動對南極半島地區的火山和地震活動起著明顯的控制作用,并促使形成欺騙島、企鵝島、布里奇曼島等仍具有現代火山活動的島嶼[2-3]。

1990-2014年,我國在3個南極考察航次中對布蘭斯菲爾德海峽進行了海洋重力調查,積累了一定數量的船測重力資料。本次研究區范圍如圖1所示(61°～64°S,64°～52°W),海底地形由兩側向中間呈階梯形下降,北陡南緩,以欺騙島和布里奇曼島為界,可劃分為西部次海盆(WBB)、中央次海盆(CBB)和東部次海盆(EBB)3塊。本文以“雪龍”船第28、第30航次實測數據及美國國家地球物理數據中心(NGDC)兩個航次的共享資料[14]為基礎,基于最小二乘算法[15-18]平差處理融合布蘭斯菲爾德海峽內的船測重力數據,融合后的船測重力數據交點標準差[15]為1.545×10-5m/s2。本文是在前期數據處理基礎上開展重力異常場空間分布規律及其地質構造意義的研究。主要包括利用均衡改正數據處理方法獲得研究區的莫霍面深度及其分布規律,分析深部構造-斷裂的區域分布及其重力異常特征等。

圖1 研究區海底地形圖及調查數據位置Fig.1 Topographic map of the study area and the distribution of cruise data SSI.南設得蘭群島;AP.南極半島;WBB.西部次海盆;CBB.中央次海盆;EBB.東部次海盆SSI.South Shetland Islands;AP.Antarctic Peninsula;WBB.Western Bransfield Basin;CBB.Central Bransfield Basin;EBB.Eastern Bransfield Basin

地形特征的均衡補償主要有兩種形式,一種是局 部均衡補償,補償通過地殼以密度不變而厚度變化(艾里模型)或橫向密度變化(普拉特模型)實現;另一種是區域均衡補償,不僅考慮殼幔密度差別的浮力支撐,還考慮地表地形起伏及地下莫霍面起伏,認為在多數情形下,巖石圈對長期表面載荷的反應,近似于一個上覆于較弱液體的彈性薄板[19-23]。按照該模型,沉積物和水體的負荷局部受基底支撐,而裂谷后期傾斜平緩的沉積物與廣闊海岸平原的存在,說明繞曲模型適用于大陸邊緣演化后期。艾里均衡模型對應于區域均衡模型中的撓曲剛度為零的特殊情況[24],前人研究也表明在裂谷作用早期艾里模型最為適用[25-27]。

布蘭斯菲爾德海峽海底是一個第四紀的弧后盆地,直到上新世期間,南設得蘭群島之下的俯沖停止才導致布蘭斯菲爾德海峽的張開,屬于裂谷作用早期。此外,海底地震儀折射剖面[11]和多道地震剖面[28]顯示布蘭斯菲爾德海峽莫霍面為具有一定起伏的曲面。綜上分析本文基于艾里模型[29-31],結合地形柵格圖、區域密度、莫霍面密度對比和海平面補償深度等數據資料來計算莫霍面(即“根”)的深度(圖2),利用研究區布格重力異常和地形高程數據進一步進行均衡殘余改正處理,獲得布蘭斯菲爾德海峽均衡殘余異常值,避免了多項式擬合或濾波對淺層地質特征造成的重力異常處理時的隨意性誤差影響,更好地模擬了海峽的地殼結構。

圖2 均衡改正分析圖Fig.2 Analysis of isostatic correctiond為山根深度;d s為莫霍面補償深度,e為海底地形高度;ρt為地殼密度;Δρ為地殼與上地幔密度差異;ρw為海水的密度;d w為海底深度。通過補償面形態正演區域均衡異常。均衡殘余異常(Δg IS)由研究區的布格重力異常值g B和正演獲得的均衡重力異常值g IS相減得到d is depth to bottom of root;d s is depth to bottomof root for sealevel elevation;e is submarine topography;ρt is density of crust;Δρis density contrast at depth across bottom of root;ρw is density of seawater;d w is depth of water.Isostatic regional gravity is calculated fro mthe topographic data.Isostatic residual gravity anomaly(Δg IS)is calculated by subtracting theisostatic gravity anomaly(g IS)fromthe Bouguer gravity anomaly(g B)

艾里均衡的補償面深度一般選取莫霍面平均深度,此處選取21 k m主要是參照南設得蘭群島區域至南極半島區域范圍內莫霍面深度的平均值,并取地殼密度為2.67×103kg/m3,殼幔密度差為0.45×103kg/m3,水深數據來源于實測及衛星高程數據,計算獲得莫霍面的“山根”或者“反山根”形態,并依據界面形態正演計算求出均衡重力異常及均衡殘余異常。

3 區域重力場特征

基于布蘭斯菲爾德海峽內船測重力綜合平差結果,繪制空間重力異常圖和布格重力異常圖(圖3,圖4)。空間重力異常反映了實際的地球形狀和物質分布與參考橢球體的偏差[32]。大范圍負值表示虧損,大范圍正值則表示盈余。

歷史資料顯示布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆目前仍存在一些十分活躍的海底火山[34],它們沿盆地擴張脊NE-SW向零星分布[33,35]。布蘭斯菲爾德海峽空間重力異常被構造線劃分為多個區域,總體走向為NE-SW向,與海底地形分布趨于一致,隨地形起伏變化劇烈,在海底火山附近產生多個低值區域生成重力梯級帶。

布蘭斯菲爾德海峽內空間重力異常由兩側向海峽中央以降低異常為主,異常值范圍為-40×10-5～100×10-5m/s2,大部分區域空間重力異常值都大于20×10-5m/s2,在海峽內洛島東部、霍西森島和特里尼蒂島內存在一個重力異常低值圈閉,最低值小于-10×10-5m/s2,東部水深1 000 m以深的區域空間重力異常為負低值,范圍為-40×10-5～0 m/s2。空間重力異常走向總體與地形相似被欺騙島和布里奇曼島分割為3個區域,被NWN走向的構造線及海底火山隔斷,在中央次海盆形成多個異常低值圈閉。

圖3 布蘭斯菲爾德海峽空間重力異常Fig.3 Free-air gravity anomaly in the Bransfield Strait白色區域為陸地或測線未覆蓋區域;紅色實線為斷層;紅點為海底火山;位置據文獻[12]和[33]The white area in the figure locates the land or the survey line;the red solid lines show the fault;the red dots indicate the sub marine volcano;locations are based on the references[12]and[33]

圖4 布蘭斯菲爾德海峽布格重力異常Fig.4 Bouguer gravity anomaly in the Bransfield Strait

布格重力異常(ΔgB)包含了殼內各種偏離正常密度分布的礦體與構造的影響,也包含了地殼下界面起伏而在橫向上相對上地幔質量的巨大虧損或盈余影響[32]。布蘭斯菲爾德海峽布格重力異常值范圍為0～320×10-5m/s2,總體特征呈條帶狀分布走向ENE,與其展布方向一致。異常場值由兩側向中間升高,大致在坡折處形成值為100×10-5m/s2的分界線,在中央次海盆和東部次海盆水深變化明顯且海底火山廣泛分布的區域,布格重力異常形成兩個異常高值圈閉,異常值最高為150×10-5m/s2。東部次海盆由于水深變化沒有其余兩處劇烈,在中心區域未見明顯的異常高值,主要為80×10-5m/s2,并在陸坡區形成多處圈閉異常。

南設得蘭群島北側,屬于弧前盆地向南設得蘭海溝過渡帶,空間重力異常呈條帶狀分布,走向ENE。沿NWN方向空間重力異常值經歷一個先降后升的過程,與南設得蘭海溝北側外緣隆起水深變淺相對應,空間重力異常值范圍為-90×10-5～40×10-5m/s2。在海溝西南部和東北部低水深區域為兩個空間重力異常低值區,整個研究區空間重力異常最低值分布于海溝東北部為-90×10-5～-60×10-5m/s2,海溝主體基本都處于空間重力異常負值區。由于南設得蘭海溝水深的急劇變化,布格重力異常值差異變化也非常明顯(圖5),異常值范圍為60×10-5～100×10-5m/s2。

圖5 南設得蘭海溝Y1重力剖面Fig.5 Gravity profile Y1 in the South Shetland Islands

重力異常的數值和特征變化反映了海底以下巖石圈和深部物質在橫向上質量分布的不均勻性,同時也直觀地反映了地質構造的特征,與布蘭斯菲爾德海峽相比,海溝內水深明顯更深,可以通過兩者之間數值的對比來揭示海峽內3部分海盆的重力場特征。

3.1 西部次海盆

西部次海盆位于欺騙島以東63°～61°W之間,分布有多座小島,水深相對較淺,僅在中心區域達到1 000 m以下。空間重力異常和布格重力異常分布趨于一致,在中央深水區域均為低值區。重力異常值自南設得蘭海溝向南出現大幅變化,空間重力異常從最低-70×10-5m/s2變為東部次海盆的0～60×10-5m/s2之間,布格重力異常由最高280×10-5m/s2降為40×10-5～100×10-5m/s2之間。

空間重力異常值總體走向近似為正北方向,并在欺騙島和托爾島附近最高。布格重力異常值走向不明顯,在研究區形成多個圈閉,極值點與空間重力異常相近。從東部次海盆向中部延伸的重力剖面(圖6)也揭示了布蘭斯菲爾德海峽海底地形起伏與重力異常值變化相互對應的關系。

3.2 中央次海盆

中央次海盆是布蘭斯菲爾德海峽的主體位置,也是極地科考船主要停留和考察的位置,北部與南設得蘭群島相連,南部與南極半島接壤,往東與東部次海盆以布里奇曼島為界。北部水深較深,是弧后盆地的擴張中心(圖1),鄰近南設得蘭群島區域沿海底斷裂帶分布有海山、隆起及海脊包括Ex Seamount,Three Sisters Uplift,Orca Seamount,Hook Ridge等。

圖6 西部次海盆Y2重力剖面Fig.6 Gravity profile Y2 in the western Bransfield Basin

重力剖面Y3起于欺騙島東側,止于布里奇曼島,跨越多處海山(圖7)。水深起伏變化明顯,空間重力異常值也間接反應海底地形變化,幅值范圍為10×10-5～60×10-5m/s2。剖面線所在區域海底水深變化較大,布格重力異常與空間重力異常差異明顯,需要綜合更多資料研究海底構造活動。該區空間重力異常值均為正異常,在幾處海山和水深較淺處為高值區,最大為80×10-5m/s2,異常值范圍為10×10-5～80×10-5m/s2。在各個正異常高值區之間形成低值圈閉,與剖面Y3揭示的空間重力異常值對應。

中央次海盆布格重力異常分布由于北部水深較大,整體與空間重力異常明顯不同,其中150×10-5m/s2等值線圈閉出的北部高值區正好也是中央次海盆水深最大的區域,異常場值整體也以該高值為中心向四周減小。南部水深較淺且平緩,布格重力異常分布特征不明顯,且區域重力場值變化不大,東部大片區域都在60×10-5m/s2左右。全區的異常有北高南低的變化趨勢,總體走向為NE向。

3.3 東部次海盆

東部次海盆位于布里奇曼島以東,北部與吉布斯島、象島和克拉倫斯島交接,向東一直延伸到52°W。該區空間重力異常主要以大范圍降低異常為主,在北部和東部兩個深水位區域(最深達3 000 m)異常值最低,最小值為-40×10-5m/s2。在東部過渡帶附近存在一個明顯的重力梯度帶,兩側空間重力異常差值在20×10-5m/s2以上。

重力剖面Y4上空間重力異常值從50×10-5m/s2減小為-100×10-5m/s2(圖8)。空間重力異常整體與海底水深變化趨于一致,部分區域異常值起伏變化較水深更加明顯,如南設得蘭海溝、東部深海底,空間重力異常值隨水深變大陡然減小。東部次海盆空間重力異常幅值為-40×10-5～100×10-5m/s2,在內部形成多個低值和高值圈閉與海底高低起伏相對應。該區布格重力異常幅值為60×10-5～140×10-5m/s2,大部分區域以100×10-5m/s2的布格重力異常為主要分隔線,整體呈現北高南低的趨勢,在淺海區與空間重力異常分布趨于一致,二者在深海區分布則明顯不同。在吉布斯島以南,被中央次海盆和東部次海盆所包圍的區域形成兩個布格重力異常高值區,能較為清晰地勾畫出海盆輪廓。

圖7 中央次海盆Y3重力剖面Fig.7 Gravity profile Y3 in the central Bransfield Basin

圖8 東部次海盆Y4重力剖面Fig.8 Gravity profile Y4 in the eastern Bransfield Basin

4 異常場分析

布蘭斯菲爾德海峽的海底是一個近NE走向,從斷裂到擴張的弧后硅鋁層上的裂陷擴張盆地[36-38],它將南設得蘭群島從南極半島的北端分離出來。布蘭斯菲爾德海峽莫霍面界面深度范圍為12～24 k m(圖9),與Barker等[11]2003年利用海底地震儀獲得的莫霍面深度12～21 k m接近。中央次海盆莫霍面最淺,約12 k m,向南設得蘭群島和南極半島兩個方向遞增至陸坡位置的24 k m,與布蘭斯菲爾德海峽南北分帶,東西分塊的構造格局相對應。

圖9 莫霍面界面深度圖Fig.9 Depth of Moho

研究區均衡重力異常值范圍為-20×10-5～205×10-5m/s2(圖10),在西部次海盆、中央次海盆的海底火山,以及東部次海盆Hook海脊區域形成均衡重力異常場高值圈閉,最高異常值為70×10-5m/s2,火山構造活動使地幔物質上涌,均衡力還不足以使莫霍面達到補償深度。布格重力異常與均衡重力異常相減,獲得均衡殘余異常(圖11)。布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆均衡殘余異常高值均出現在海底火山和水深相對較深的位置,大致以60×10-5m/s2為主要分界線,均衡殘余異常低值則表現為塊狀圈閉。

圖10 均衡重力異常Fig.10 Sketch map of isostatic gravity anomaly

圖11 均衡殘余異常Fig.11 Isostatic residual gravity anomaly

布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆經歷了NE-SW 向的斷裂延伸,導致沿擴張脊水深加深、火山活動和地殼減薄[34,38-39]。結合區域重力場特征分析,布蘭斯菲爾德海峽新生代以來經歷了漫長復雜的演化過程,其演化受區域板塊運動、深部地幔流動、地殼拉伸及結構變化等因素控制,最終形成如今之構造格局。

5 結論

(1)布蘭斯菲爾德海峽內空間重力異常走向總體與地形相似,由兩側向海峽中央以降低異常為主,范圍為-40×10-5～100×10-5m/s2。大部分區域空間重力異常值都大于20×10-5m/s2,在海峽內西部洛島、霍西森島和特里尼蒂島范圍內存在一個重力異常低值圈閉,最低值小于-10×10-5m/s2,東部水深1 000 m以深的區域空間重力異常值在-40×10-5～0 m/s2之間,為低值區域。空間重力異常場被欺騙島和布里奇曼島分為3個區域,同時被NWN走向的構造線及海底火山隔開,在中央次海盆形成多個異常低值圈閉。

(2)海峽內的布格重力異常由兩側向中間升高,在中央次海盆和東部次海盆海山處形成兩個異常高值圈閉,異常值最高為150×10-5m/s2,并大致在坡折處形成異常場值為100×10-5m/s2的分界線,在陸坡區多呈圈閉異常。

(3)布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆莫霍面最淺,約12 k m,向南設得蘭群島和南極半島兩個方向遞增至陸坡位置的24 k m,與布蘭斯菲爾德海峽南北分帶,東西分塊的構造格局相對應。

(4)均衡重力異常在西部次海盆和中央次海盆的海底火山區域,以及東部次海盆Hook海脊形成異常場高值圈閉,最高異常值為70×10-5m/s2,推測為火山構造活動使地幔物質上涌,使莫霍面還未達到補償深度。中央次海盆均衡殘余異常高值出現在海底火山位置。

(5)布蘭斯菲爾德海峽中央次海盆經歷了NESW向的斷裂延伸,導致沿擴張脊水深加深、火山活動和地殼減薄,其演化受區域板塊運動、深部地幔流動、地殼拉伸及結構變化等因素控制,最終形成如今之構造格局。

致謝:感謝國家海洋局第一海洋研究所闞光明副研究員、韓國忠教授級高級工程師、梁瑞才研究員、李官保副研究員和李西雙副研究員在數據現場采集和論文寫作過程中提供的指導和幫助。感謝兩位審稿專家提出的寶貴修改意見。

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Regional characteristics and anomaly analysis of gravity field for the Bransfield Strait,Antarctic

Ma Long1,2,Zheng Yanpeng1,2,Liu Chenguang1,2,Zhao Qiang1,2,Pei Yanliang1,2,Hua Qingfeng1,2,Li Xianfeng1,2,Xia Chenglong3

(1.Key Laborator y of Marine Sedi mentology and Environ mental Geology,The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China;2.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China;3.College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

Bransfield Strait and its surrounding areas are the most active neotectonics region of volcanoes and earthquakes,which constitute the only existing“trench-arc-basin”systemtogether with the South Shetland Trench and South Shetland Islands.Based on the observed data fro mthe 28th,30th Antarctic expeditions and theinternational public data,this study takes use of the isostatic correction method to invert the Moho depth and its distribution characteristics.The gravity field anor maly of the deep tectonic was analyzed.The free-air gravity ano maly shows a strip-like distribution,orienting closely to theterrain.The Bouguer gravity anomaly in the strait rises up fromboth of the t wo sides to the middle.Two high-value-ano maly traps appear in the central trough and the seamountsin the eastern trough respectively,with the highest value up to 150×10-5m/s2.The mini mu mvalue of Moho depth(12 k m)appears in the back-arc spreading area.The depth gradually increases fro mthe back-arc spreading area to the both sides(e.g.,Bransfield Strait and Antarctic Peninsula),and reaches 24 k m at the slope area.

regional gravity field;isostatic correction;anomaly analysis;Antarctic;Bransfield Strait

P738.2

A

0253-4193(2017)12-0042-11

馬龍,鄭彥鵬,劉晨光,等.南極布蘭斯菲爾德海峽區域重力場特征及異常分析[J].海洋學報,2017,39(12):42-52,

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.005

Ma Long,Zheng Yanpeng,Liu Chenguang,et al.Regional characteristics and anomaly analysis of gravity field for the Bransfield Strait,Antarctic[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):42-52,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.005

2016-12-16;

2017-06-14。

南北極環境綜合考察與評估專項(CHINARE2016-01-03-02,CHINARE 2016-04-01-04);泰山學者攀登計劃(tspd 2016007);國家基金委-山東省聯合基金項目(U1606401)。

馬龍(1988—),男,江西省九江市人,研究實習員,主要從事海洋地球物理調查技術方面研究。E-mail:malong@fio.org.cn

*通信作者:鄭彥鵬(1972—),男,山東省日照市人,研究員,博士,主要從事海洋地球物理與海底構造方面研究。E-mail:zhengyp@fio.org.cn