周磊， 楊元德， 郝衛(wèi)峰*， 李斐， 晏鵬

1 武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心， 武漢 430079 2 湖北師范大學(xué)文理學(xué)院理工學(xué)部， 湖北黃石 435002

0 引言

全球眾多陸緣區(qū)域因大陸邊界裂隙作用形成厚度超過2 km的沉積層和沉積盆地(Sandwell et al.，2014).海洋沉積盆地經(jīng)過長時間斷裂作用、沉積密封、侵蝕和巖漿底侵等各種構(gòu)造活動，引發(fā)區(qū)域的密度改變與質(zhì)量遷移而累積形成(K?nig and Forsberg, 2006; Scheuer et al., 2006; Lodolo et al. 2010).重力異常是區(qū)域密度差異的綜合反映，其形成與高密度物質(zhì)、機械強度和底侵作用等因素有關(guān).例如，南海的海島海山等構(gòu)造與自由空氣重力異常相對應(yīng)，這些重力異常高值可能與形成海島海山的玄武巖、花崗巖、變質(zhì)巖等高密度物質(zhì)有關(guān)(陳潔等，2012)，而在印度洋洋中脊和新西蘭西海域，重力異常值受到巖石圈撓曲強度及底侵作用影響表現(xiàn)為不同特征(Liu et al., 1982；Holt and Stern, 1991).分析重力異常形成原因?qū)ρ芯繋r石圈強度大小，以及構(gòu)造沉積歷史有重要意義.

威德爾海位于南極陸緣區(qū)，緊鄰南極半島，是南極最大的邊緣海.自侏羅紀時期以來，隨著岡瓦納大陸裂解和海底擴張，威德爾海南部地區(qū)受冰架擠壓作用形成大規(guī)模沉積物，研究其形成過程對于深入了解岡瓦納古陸裂解和古大陸邊緣形成具有重要意義.國內(nèi)外研究者在對威德爾海重力異常研究中發(fā)現(xiàn)威德爾海海陸邊界有明顯的兩極化重力異常，冰架邊緣的重力異常表現(xiàn)出不同波長和幅度的趨勢變化(Ghidella and LaBrecque,1997; King,2000)，沿南極半島陸架邊緣的重力異常高值一直延伸到南側(cè)海域，但是在磁異常上反映不明顯(Aleshkova et al., 1997; Ferris et al., 2000).

衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)空間覆蓋廣，是海洋地球物理研究的重要數(shù)據(jù)源(高金耀和金翔龍，2003；董崇志等, 2013)，但在極地地區(qū)衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)受海冰影響可能出現(xiàn)較大誤差(Andersen and Knudsen，1998；Lindsay and Schweiger，2015).為了驗證威德爾海區(qū)域衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)的可靠性，本文首先采用我國南極科學(xué)考察在該區(qū)域獲取的高精度船測重力數(shù)據(jù)對衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)進行對比驗證，然后通過Parker方法獲取威德爾海布格重力異常；在此基礎(chǔ)上建立威德爾海沉積盆地模型，通過計算莫霍面補償效應(yīng)及沉積盆地的重力效應(yīng)來研究威德爾海沉積盆地重力異常形成機理與特征；最后對威德爾海布格重力異常進行Airy-Hesikanen均衡改正，探討威德爾海邊界構(gòu)造的均衡狀態(tài).

1 威德爾海概況

威德爾海是南極洲最大的邊緣海，東側(cè)延伸至科茲地(Coats Land)，南端是菲爾希納(Filchner)和龍尼(Ronne)冰架，西側(cè)為南極半島.威德爾海深海平原分布在威德爾海中部東側(cè)，它是由南極半島往東北方向延伸形成；在威德爾海東北側(cè)海域40°W 往東、62°S往北分布著一系列海底高地和峽谷，因其形似人的骨架，而被研究者稱為“鯡骨”結(jié)構(gòu)區(qū)域(Aleshkova et al., 1997).威德爾海的北部是南斯科舍海脊(South Scotia Ridge)、南奧克尼微大陸(South Orkney Block)等海底構(gòu)造，其周圍分布鮑威爾海盆和簡海盆(Jane Basin)，它們受海溝等地貌阻隔與深海平原形成不連續(xù)的階地.威德爾海沉積盆地是冰川沉積的中心，位于威德爾海南部.盆地東部邊界毗鄰高海拔的毛德皇后地以及東南極冰蓋，西邊是南極半島及其冰蓋，南端緊靠菲爾希納冰架.在冰河前期，盆地沉積物厚度接近5 km，隨著沉積速率增快，在菲爾希納-龍尼冰架前形成最大的沉積盆地(Huang et al., 2014).威德爾海原始海盆的形成約在150 Ma并伴隨南北向張裂，隨后在140 Ma發(fā)生東西向擴張(胡毅等，2016).威德爾海盆陸架邊緣分布火山，與獵戶座重力異常帶相連(Ghidella and LaBrecque, 1997).獵戶座重力異常帶是在威德爾海盆的早期漂移過程中伴隨著北邊火山侵入而形成.磁異常數(shù)據(jù)顯示威德爾海盆板塊陸架邊緣處于拉張與下陷狀態(tài)，并伴隨巖漿侵入(Ferris et al., 2000).

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 重力異常數(shù)據(jù)及可靠性分析

本文采用Sandwell等(2014)聯(lián)合Geosat、ERS-1、CryoSat-2和Jason-1等多源衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演獲取的重力數(shù)據(jù)，觀測周期為70個月，分辨率為1′×1′.隨著軌道空間分辨率的提高，重力數(shù)據(jù)的精度在低緯度地區(qū)提高了1.5 mGal, 在北極和南極冰雪覆蓋區(qū)域提高了2～3 mGal，并且該數(shù)據(jù)能探測航船無法到達的區(qū)域以及被沉積層所覆蓋的深海盆地構(gòu)造(Sandwell et al., 2014).

本文采用中國第28次南極科考船測得的重力數(shù)據(jù)，共62648個數(shù)據(jù)點，船測航線位置如圖1所示.儀器為高精度L&RS海空重力儀，每月零漂量在3 mGal以內(nèi)，海上精度1 mGal，分辨率為0.01 mGal.數(shù)據(jù)經(jīng)過實時重力值的交叉耦合效應(yīng)、海洋負荷、極移及大氣引力等校正后進行存儲和歸檔.

由于衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)精度在不同地區(qū)存在差異(Yale et al., 1998)，本文在威德爾海區(qū)域選取一條從59°W 到60°W的船測數(shù)據(jù)對衛(wèi)星重力異常數(shù)據(jù)進行驗證.從圖1b中可以看到重力異常值整體變化趨勢一致，兩種數(shù)據(jù)的數(shù)值比較接近；從圖2可以看出兩種數(shù)據(jù)差異主要體現(xiàn)在短波長上，而在大于10 km長波長范圍內(nèi)兩者重力異常值十分接近，而本文采用大于10 km波長的重力異常數(shù)據(jù)，因此應(yīng)用該區(qū)域衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)具有較高可靠性.

如圖3所示，“鯡骨結(jié)構(gòu)區(qū)域”分布在威德爾海68°S以北，48°W以東的區(qū)域，重力異常值范圍在-30～0 mGal之間.南極半島陸架邊緣的重力異常高值一直延伸到南側(cè)海域，高值區(qū)與陸架平行.威德爾海西部黑海岸盆地的重力異常為高負值，它與南極半島火山構(gòu)造活動有關(guān)(Ghidella and LaBrecque, 1997)；在威德爾海南部，重力異常的幅值在正負值之間變化，其重力異常受水深變化及深部構(gòu)造的影響，與構(gòu)造特征不完全對應(yīng).因此，為準確地解釋該區(qū)域構(gòu)造及沉積特征，需對重力數(shù)據(jù)進行布格改正來深入研究.

2.2 Parker布格重力異常計算方法

本文采用Parker方法進行布格改正，在頻率域計算效率高.在廣闊海域進行計算時，加入海水平均深度對其約束，可以加快收斂速度(Tontini et al., 2007).二維Parker頻率域公式為(Parker, 1972)：

圖1 (a) 威德爾海船測測線分布圖； (b) 船測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)對比Fig.1 (a) Ship track in Weddell Sea； (b) Comparison of shipborne gravity and satellite derived gravity

圖2 船測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)頻譜Fig.2 Spectrum of ship data and satellite data

-zb(r)n]},

(1)

其中ΔG(k)是密度差為ρ的兩層介質(zhì)產(chǎn)生的重力值之差，z0為海水平均深度.zt(r)為海平面，zb(r)為

圖3 (a) 威德爾海自由空氣重力異常； (b) 威德爾海地質(zhì)構(gòu)造 A：黑海岸盆地，B：威德爾海盆地，C：威德爾海裂隙，D：鯡骨重力異常.Fig.3 (a) Free air gravity anomaly of Weddle Sea; (b) Geological structure of Weddell Sea A: Black Coast Basin; B: Weddell Sea Basin; C: Weddell Trough; D: Herringbone gravity anomaly.

GB(r)=F-1[Gfa(k)-ΔG(k)].

(2)

2.3 均衡重力異常計算方法

本文在Parker方法進行布格改正的基礎(chǔ)上，采用Airy-Hesikanen模型計算均衡異常改正Ac.威德爾海海區(qū)地殼平均厚度T0=8 km(Huang and Jokat, 2016)，補償密度Δρ=600 kg·m-3，則有

(3)

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 威德爾海布格重力異常

本文采用正常布格改正方法和Parker方法計算威德爾海布格異常.威德爾海中部和北部的人字形布格重力異常，對應(yīng)NW-SE分布的斷裂帶，幅值在160～180 mGal之間；黑海岸盆地(Black Coast Basin)位于南極半島54°W—56°W處，受南極半島冰架前緣擠壓作用及火山群巖漿活動而形成(Huang and Jokat, 2016)，重力異常數(shù)值接近-20 mGal.威德爾海盆地在威德爾海南部，因Filchner-Ronne冰架向海域輸送大量沉積物而形成，數(shù)值在-30 mGal左右.在威德爾海西南側(cè)，位于威德爾海沉積盆地與科茨地(Coats Land)之間藍色正異常值是威德爾海裂隙，長度為150 km，異常值接近90 mGal.磁異常數(shù)據(jù)表明威德爾海裂隙是由于西南極板塊向東擴張發(fā)生斷裂而形成(Ferris et al., 2000).

圖4表明兩種方法計算得到的布格重力異常均能體現(xiàn)大尺度的海底地貌構(gòu)造，從Parker布格改正圖(圖4b)中可以明顯看到在黑海岸盆地與威德爾海沉積盆地之間有一系列沉積物在大陸斜坡上(圖3b)，與地質(zhì)結(jié)果吻合(LaBrecque and Ghidella, 1997)，而在正常布格改正圖里并未有明顯異常特征.其次，Parker布格改正圖中南極半島頂端存在異常值接近30 mGal閉合區(qū)，與之對應(yīng)的是鮑威爾盆地，表現(xiàn)為不連續(xù)短波長構(gòu)造，而在正常布格異常圖中該區(qū)域幅值偏小.

圖4 威德爾海布格重力異常 (a) 正常布格改正威德爾海重力異常； (b) Parker布格改正威德爾海重力異常.A：黑海岸盆地， B：威德爾海盆地，C：威德爾海裂隙，D：鯡骨重力異常.Fig.4 Bouguer gravity anomaly of Weddell Sea (a) Weddell Sea gravity anomaly by normal Bouguer correction; (b)Weddell Sea gravity anomaly by Parker Bouguer correction. A: Black Coast Basin; B: Weddell Sea Basin; C: Weddell Trough; D: Herringbone gravity anomaly.

3.2 威德爾海沉積盆地布格重力異常模型

重力異常結(jié)果表明威德爾海沉積盆地同時存在正重力異常和負重力異常，而在印度洋洋中脊和新西蘭西海域也出現(xiàn)相同的特征(Liu et al., 1982；Holt and Stern, 1991).為了分析威德爾海沉積盆地重力異常特征，本文通過建立沉積盆地模型進行計算研究(模型參數(shù)如表1所示).威德爾海沉積盆地地處海陸邊界，其重力異常不僅受裂谷作用和沉積作用的影響(Huang and Jokat，2016)，同時與水層與沉積層界面、沉積層與基底界面的空間位置和起伏形態(tài)有關(guān)，而這些界面的起伏狀態(tài)與不同的地殼撓曲強度有直接聯(lián)系(Karner and Watts，1983).因此，研究地殼的撓曲強度成為了解盆地重力異常成因的重要手段.

為了研究撓曲強度對重力異常的影響，本文建立沉積盆地模型來定量計算重力異常值與撓曲強度之間的關(guān)系.沉積層、地殼與地幔起伏大小由地殼拉張因子β(x)來決定，在建立威德爾海沉積盆地時選取β(x)=3(Busetti et al.，1999)，經(jīng)過沉積作用之后地殼厚度會從tc變?yōu)閠c(1-1/β(x))(Karner and Watts，1983).沉積盆地重力異常的形成不僅受構(gòu)造作用的影響，同時需考慮地殼變薄引起的均衡回彈.均衡回彈對異常值的影響由巖石圈的撓曲強度來衡量.模型中沉積盆地重力效應(yīng)主要是由兩個界面的重力效應(yīng)組成，近地面效應(yīng)gS(x)以及補償界面效應(yīng)gR(x)(莫霍面補償效應(yīng))，對應(yīng)的兩個界面形態(tài)是S(x)和R(x)：

表1 威德爾海盆地模型參數(shù)及含義Table 1 Parameters and meanings of the basin model in Weddell Sea

gS(x)=2πG(ρc-ρs)S(x),

(5)

gR(x)=2πG(ρm-ρc)R(x).

(6)

當?shù)貧だ瓘堊儽r，巖石圈產(chǎn)生均衡回彈引起沉積盆地基底抬升.局部均衡模型要求gR(x)與gS(x)兩種重力效應(yīng)相等，所以R(x)界面形態(tài)由S(x)的界面形態(tài)決定.隨著莫霍面起伏變小，沉積盆地抬升，最后沉積盆地幾何特征接近于S(x).為了計算補償界面在地表的重力效應(yīng)，本文將gR(x)進行向上延拓，地殼厚度從tc到z=0，在頻率域變換的公式為：

g′R(k)=F[g′R(x)]e-ktc,

(7)

k是波數(shù)，e-ktc是向上延拓函數(shù).因此，這個沉積盆地模型計算得到的重力異常是gS(x)+g′R(x),如圖5所示.

圖5 不同重力異常值模型對應(yīng)的威德爾海沉積盆地尺寸 (a) 表示沒有沉積物時，沉積盆地尺寸與重力異常值的對應(yīng)關(guān)系； (b) 表示沉積物填充時，沉積盆地尺寸與重力異常值的對應(yīng)關(guān)系；(c) 表示有效彈性厚度為30 km時， 受地殼撓曲強度影響， 沉積盆地 尺寸與重力異常值對應(yīng)關(guān)系.Fig.5 Size of Weddell Sea sedimentary basin corresponding to different gravity anomaly models (a) shows the relationship between the size of the sedimentary basin and the gravity anomaly when there is no sediment; (b) shows the corresponding relationship between the sedimentary basin size and the gravity anomaly value when the sediment is filled; (c) shows the effective elastic thickness is 30 km, the size of the sedimentary basin corresponds to the gravity anomaly, which is affected by the flexural strength of the crust.

在缺少沉積物時，沉積中心與重力異常值在空間上呈對應(yīng)關(guān)系，如圖5a所示，重力異常值范圍從-50 mGal到50 mGal.莫霍面形態(tài)也與沉積盆地地形起伏相對應(yīng).當沉積物填充盆地時，高密度的沉積物代替了低密度的海水，沉積物與基巖密度差更小，因此在局部均衡作用下，沉積物載荷使之前起伏的莫霍面回彈，界面變得更加平緩，重力異常值在-30 mGal到30 mGal范圍變化，同時沉積中心與重力異常值呈對應(yīng)關(guān)系，如圖5b所示.如果在盆地演化過程中考慮巖石圈撓曲強度影響，與局部均衡的情況相比，沉積盆地的空間影響范圍增加，而幅值降低.由于地殼與地幔密度差固定，此時莫霍面調(diào)整機制不變，隨著沉積物的載荷效應(yīng)變小，莫霍面效應(yīng)對重力異常值的變化占主導(dǎo)作用，如圖5c所示.盆地模擬的結(jié)果表明，具有一定撓曲強度的地殼作用于沉積盆地，使沉積盆地形態(tài)發(fā)生變化，從而影響沉積盆地重力異常值.為了描述不同撓曲強度對于沉積盆地異常值的影響，本文通過改變沉積作用與裂谷作用的撓曲強度來研究威德爾海沉積盆地正異常值的原因.

在頻率域中，沉積盆地的重力效應(yīng)表示為(Karner and Watts, 1983)：

Δgb=2πG(ρc-ρs)[1-φr(k)][1+φs(k)],

(8)

(9)

(10)

φr(k)和φs(k)分別為裂谷作用、沉積作用兩個階段對應(yīng)的巖石圈撓曲響應(yīng)函數(shù)，λ為地形波長，ρw、ρc、ρs、ρm分別為海水密度、地殼密度、沉積層密度、地幔密度，Dr和Ds分別是裂谷作用與沉積作用時巖石圈撓曲強度，υ為泊松比.Huebscher等(1996)研究地震剖面結(jié)果顯示，威德爾海盆地地殼厚度在16～26 km范圍變化，而同時該區(qū)域的莫霍面起伏范圍是8～14 km，因本文計算沉積盆地模型時需計算莫霍面的補償效應(yīng)，因此在陸地區(qū)域計算盆地模型重力異常時，選取40 km為地殼厚度的最大值.此時，莫霍面重力補償效應(yīng)由裂谷作用和沉積作用時撓曲響應(yīng)函數(shù)來表示：

Δgm=2πG(ρm-ρc)[φr(k)-(1-φr(k))φs(k)]e-ktc,

(11)

由公式(8)和(11)，可得莫霍面重力補償效應(yīng)與沉積盆地重力效應(yīng)比值為：

(12)

3.3 威德爾海均衡異常

在Parker布格異常基礎(chǔ)上通過Airy-Hesikanen均衡模型計算得到威德爾海均衡異常(如圖8所示)，威德爾海東北方向鯡骨式重力異常處于不均衡狀態(tài)，均衡異常值在-50～-40 mGal范圍內(nèi)變化.威德爾海海灣處于負均衡異常，其幅值與人字形布格異常相關(guān)性很大，表明整個海域構(gòu)造活動強烈.威德爾海海盆與Filchner冰架之間的區(qū)域，均衡異常值在-30～-20 mGal；均衡高負異常區(qū)域是西南極海陸邊界的沉積作用明顯的流域盆地(drainage basin).兩大冰架冰排給形成了冰川時期的河流系統(tǒng)，海陸邊界凹進去的裂隙成為排給的管道.受冰川作用，沉積物補給在冰河時期和間歇期海陸邊界波動明顯(Huang and Jokat，2016)，因此板塊擠壓的區(qū)域均衡異常值較大.如圖8所示，A區(qū)域是威德爾海西邊黑海岸盆地，其沉積物來自多年火山弧巖漿作用，由于長周期的抬起和侵蝕，沉積量較大，處于明顯不均衡狀態(tài).威德爾海裂隙布格異常值為正，而均衡異常值接近于零，均衡補償作用明顯.威德爾海沉積盆地經(jīng)均衡改正后，幅值變化比較大，沿著菲爾希納冰架方向，沉積盆地均衡異常在拐角區(qū)域達到最大負值，說明威德爾海盆地接收了大量冰川沉積物，盆地沉積層密度增加而使盆地與冰架的邊界區(qū)域表現(xiàn)為極度不均衡.

4 結(jié)論

威德爾海沉積盆地在岡瓦納裂解過程中經(jīng)歷了劇烈的構(gòu)造運動，研究其形成過程對海洋盆地重力異常特征具有重要科學(xué)意義.衛(wèi)星測高反演得到的重力場模型一直是獲取海洋盆地重力場的主要方式，但在極地地區(qū)，其重力數(shù)據(jù)受海冰影響，在一定程度上制約了對高緯度海盆的認識.本文利用中國第28次南極科考獲取的船測數(shù)據(jù)作為檢驗，運用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)反演得到的威德爾海自由空氣重力異常，計算威德爾海沉積盆地的布格重力異常和均衡重力異常，建立沉積盆地模型，結(jié)合該區(qū)域的構(gòu)造特征進行分析并得到如下結(jié)論：

圖7 底侵作用對沉積盆地的影響 (a) 表示局部均衡條件下，沉積盆地重力異常值； (b) 表示考慮撓曲強度，有效彈性厚度Te=30 km計算得到的重力異常值； (c) 表示在發(fā)生底侵作用時，高斯脈沖函數(shù)作用在沉積模型時的重力異常值； (d) 表示撓曲強度作用大于底侵作用時重力異常值.Fig.7 The influence of underplating on sedimentary basin (a) shows the gravity anomaly of sedimentary basin under the condition of local equilibrium; (b) shows the gravity anomaly calculated from the effective elastic thickness Te=30 km considering the flexural strength; (c) shows the gravity anomaly under the condition of the Gaussian pulse function acts on the sedimentary model when underplating occurs; (d) shows the gravity anomaly when the flexural strength effect is greater than underplating.

圖8 威德爾海(a)均衡重力異常和(b)地質(zhì)構(gòu)造圖(來自Ferris et al., 2000； Kovacs et al., 2002) A：黑海岸盆地；B：威德爾海盆地；C：威德爾海裂隙；D：鯡骨重力異常.Fig.8 Isostatic gravity anomaly (a) and geological structure (b) of Weddell Sea (Ferris et al., 2000； Kovacs et al., 2002) A: Black Coast Basin; B: Weddell Sea Basin; C: Weddell Trough; D: Herringbone gravity anomaly.

(1)通過船測數(shù)據(jù)的驗證表明，Sandwell提供的由衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演得到的威德爾海重力數(shù)據(jù)在大于10 km波長范圍內(nèi)較為可靠.

(2)相較于正常布格改正，Parker方法獲取的布格異常能反映菲爾希納冰架構(gòu)造的細節(jié)特征，同時揭示南極半島存在異常值接近30 mGal的閉合區(qū).

(3)威德爾海沉積盆地布格重力異常值隨波長變化呈現(xiàn)不同特征：波長為200～600 km(對應(yīng)沉積盆地寬度為100～300 km)的重力異常主要呈現(xiàn)正值，而波長為80～200 km(對應(yīng)沉積盆地寬度為40～100 km)的重力異常為負值.對沉積盆地模型分析認為威德爾海沉積盆地的正重力異常可能并非源自地殼的底侵作用，而是由于巖石圈強度對地質(zhì)時間尺度內(nèi)長期載荷響應(yīng).

(4)本文獲取威德爾海均衡異常，發(fā)現(xiàn)其幅值與人字形布格異常相關(guān)性很強，局部地質(zhì)活動頻繁的地區(qū)如威德爾裂隙，經(jīng)均衡改正后異常值平緩，而威德爾海沉積盆地邊界的均衡重力異常表現(xiàn)為高負值，反映了威德爾海盆地沉積過程與冰架排擠系統(tǒng)有關(guān).

致謝感謝審稿專家寶貴的修改意見和建議.感謝Sandwell D. T.提供的重力數(shù)據(jù).