中太平洋海山群地区的重力场特征研究

中太平洋海山群地区的重力场特征研究

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区的中心部位，东部的海脊与Hawaii海山链相接，西部直接坐落在深海盆上，与Marcus-Wake海山群相接。周围分布着一系列呈链状展布的海山和NW走向的岛屿，如Marcus-Wake海山群、Hawaii-Emperor海山链、Line海山链、Marshall海山链等。在海山的分布形态及走向上，中太平洋海山群与周围的海山区存在明显差异。海山和海脊大多发育在基座上，海山群主要呈密集簇状分布，近EW走向，是太平洋海山中呈簇状分布最密集的区域。

中太平洋海山区恰好位于两组走向近乎垂直的断裂带交汇处：NNE向的Murray断裂带、Molokai断裂带等向西延伸到该区，NNW向的Mamua断裂带、Emperor断裂带向南延伸到该区。受断裂交汇影响，中太平洋海山群也多发育次级断裂构造，东部断裂为ENE走向，中部为EW走向，西部多为EN-SN走向，整体呈现出翻转S型的漩涡状。海山也多沿断裂带或在断裂交汇处发育，前人研究和海底地貌均证实该区域的洋壳曾受多条断裂带和海脊的改造，推测该区海山的形成与构造断裂有关。

研究区的重力场特征

自由空间重力异常特征

从Sandwell全球海洋重力模型中直接抽取的重力数据即为自由空间重力数据。图2是MPM的自由空间重力异常，图中整合了水深数据，使之能够与地形相吻合。从图中可以看出，周围背景场的异常值在-10～10mGal之间，海山和海脊处的异常值在40～130mGal之间，部分海山超过150mGal，位于研究区东北的Hawaii-Emperor海山链的异常值甚至可达200mGal左右；而在海山（链）的周围和海脊两侧则表现为较大的负异常，一般在-25～-40mGal之间，部分地区甚至低于-70mGal，如SIO海山周围的凹槽。由图可知，中太平洋海山群西部海山和海脊的正异常值和周围的凹槽的负异常均较大；东部的海山链和海脊表现为较强的正异常，而其两侧的负异常均较低，在-30～-7mGal之间。Necker海脊与Line岛链及Molokai断裂带交汇处表现为片状的低异常区。从图中海山和海脊的分布可以看出，它们犹如发育在自由空间重力异常低值区所构成的线状“凹槽”中。

区内海山链呈现出明显的串珠状正异常圈闭带，由一个个海山正异常圈闭组成，大致呈EW向展布，这些正异常圈闭并不贯通，被海山之间的凹槽所表现出的负异常所切割，而这些海山周围的负异常带可以相互连通。这种正负异常的分布特点符合典型的海山负载挠曲模式，地壳、岩石圈不能长期承受火成岩火山的负重，因此不断下弯、增厚。

图1　研究区周围断裂分布情况（章家保，2006）

图2　中太平洋海山区自由空间重力异常图

图3　中太平洋海山区布格重力异常

图4　MPM区域Moho面埋深形态分布图

布格重力异常特征

利用海洋地球物理调查规范中的海洋布格重力计算公式对自由空间异常进行地形校正，得到该区的布格重力异常。其公式如下：

其中，ΔgB为布格重力异常值，σ为岩石密度，取其平均值2.7 g/ cm3，σ0为海水密度，取1. 03 g/cm3；h’是海水深度。

布格重力异常较自由空间重力异常更能准确、集中的反映地下的地壳结构信息。从MPM布格重力异常图中可以看出，研究区的布格重力异常在140～420mGal左右，其中海山的正异常值较小，大多在250mGa以下，外围洋盆的异常值较大，多在330～400mGal之间，MPM西部洋盆甚至达到420mGal左右。SIO海山处的布格异常值最小，接近140mGal，这是由于SIO海山的基座体积比周围大，密度较小。MPM东部的异常明显呈带状分布，这与海山链和海脊的分布相一致。海山西部与洋盆之间存在明显的梯度带，说明MPM作为一个地质体与周围洋盆的洋壳是不整合的。从表面上看，正负布格异常的幅值变化与海底地形的起伏变化成相反的关系。实质上，如果该区域满足均衡补偿理论的话，这种变化则反映了与地形基本成镜像对称关系的Moho面的起伏变化，总体上保持地壳的均衡性。海山群的布格异常值比周围小，表明形成海山的岩浆活动使地壳厚度增加，使得Moho面下凹，异常值越小的区域，意味着岩浆活动越强烈或规模越大。

研究区Moho面埋深

地球物理资料已经证明了地球的圈层构造，而且各层的界面也是起伏变化的，层间物质密度在横向上分布不均匀。重力场同样具有成层分布的特征，布格重力异常正是测点下到正常地壳厚度之间的各种地质体密度分布不均匀效应的总和。

从上文布格重力异常可以看出，海山的异常幅值变化与地形起伏变化成反比关系，实质上反映了与地形基本成镜像对称的Moho面的起伏变化。本文以布格重力异常根据Parker-Oldenburg公式来反演Moho面的埋深及分布形态。在计算过程中，壳幔岩石的密度差取0.6g/cm3，经迭代计算，MPM区域的Moho面埋深分布如图。

从研究区Moho面埋深形态图可以看出，MPM外围洋壳的Moho面埋深在-14～-17km之间，界面在海山和洋盆之间的坡度很大。海山区所对应的Moho面埋深在-19～-23km之间，西部SIO海山基座处Moho面埋深达-23km，基部右上方表现有明显的深槽，与基座上对应的Moho面在-20km深度上相连通，反映了西部海山基座补偿深度较深，同时，槽状下凹的Moho面对周围海山形成一种挤压趋势。中部界面与西部界面相连通，中央对角线上的Moho面呈槽状下凹形态，其对应的Allison海山和Muama断裂带上发育海脊。

从MPM的Moho面埋深来看，该区域的Moho面总体呈带状，且基本上相连通，反映了该区域各部分基底之间的联系是相近的，Moho面埋深达-22km说明该区的海山体积较大，补偿深度较深，洋壳同时也经历过海山的长期负载。洋壳在长期负重的情况下必然会形成凹槽地带，这也解释了该区海山和海脊周围出现重力凹槽低值的现象。

结语

本文以卫星测高资料为基础，结合前人研究资料，对研究区的重力异常数据进行分析。自由空间重力异常和布格重力异常特征清晰的展示了中太平洋海山区的洋底构造，自由空间异常与海底地形起伏呈正相关关系，海山链呈串珠状正异常圈闭带，对应单个海山的正异常圈闭；海山和海脊两侧的凹槽的重力异常比周围海盆的背景异常低40mGal左右，凹槽两侧有微弱凸起的正异常壁垒，比周围背景场高出10mGal左右。研究区的海山链、海脊等的布格重力异常值比周围洋盆低，与地形起伏成相反对应。该区域海山总体满足均衡补偿模式，洋壳受到火成岩海山的长期负荷向下弯曲形成凹槽，岩浆活动使地壳厚度增大，Moho面埋藏深。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.033